?利用電子傳感器測量測試的方法

1. 溫度是什么

??? 熱是一種分子運動。物體越熱,它的分子運動得越快,絕對零點的定義是,在這溫度下一切分子運動都停止了。可是,我們既然不能看到分子在運動,我們怎樣測量溫度呢?美國全國標準和技術NIST所用的基本標準是根據理想氣體定律,這定律表明,溫度升高時,氣體的壓力或者體積必須按比例增加,此數字表示,P×V=KT,其中P=壓力,V=體積,T=絕對溫度,而K是個常數。在固定的體積中把分子速度加倍會使每秒鐘的分子碰撞次數加倍,或者使壓力加倍。在絕對零度下,理想氣體會縮小到零體積和壓力,圖1說明固定體積的氣體溫度計,理想氣體并不存在,不過氦接近理想氣體,利用汞壓力計用來測量氣體和蒸汽的壓力和可調節的容器來測量充滿氦的玻璃球的氣體壓力。溫度改變時,就調節容器中的柱塞,使壓力計的左臂保持固定的高度,因而使氦保持固定的體積。右臂上方被抽成真空時,汞柱的溫度就顯示出氣體的壓力,因而也顯示出氦的溫度,原理很簡單,可是要精確地測量就困難了。溫度會影響玻璃球的體積,而連接管子和無玻璃球的溫度并不相同,而且汞柱較小的變化和汞表面的彎月也限制了測量的準確度,比這些問題更重要的是,必須對氦與理想氣體定律的偏離程度作出修正。因此,利用氣體定律測量溫度的方法主要是國家的標準實驗,如NIST才使用。?

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??? 2. 溫標

??? 制造或者標準溫度計的公司或實驗室需要更實用的標準。因此,國際溫標NIST就產生了,此前稱為國標實用溫標,以便與基本的氣體定律溫標加以區別,由一些國家標準實驗室參與的國際會議經常對這溫標加以檢討和修訂。最新的修訂是在1990年公布的,改為ITS-90。溫標是從一系列獲得公認的基本溫度或者固定點開始的,與會的實驗室同意指定某些高純度材料的凝固點或者熔點。有時是三相點作為精確的溫度數值。圖2是典型的溫度固定元件,盛載著高純度金屬的石墨坩鍋被封存在石墨容器中,容器中還注入氬氣或者一些其它惰性氣體,表1列出幾個溫度的固定點,例如,銀的凝固點被指定為開氏絕對溫度1234.93度或者攝氏960.323度。水的三相點比其凝固點容易受到精確的控制,它被規定為273.16K或者0.01℃。三相點很像凝固點,只不過材料是封存在抽成真空的玻璃容器中。水所受到的只是它本身的蒸汽壓而不是大氣壓。

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??? 因為凝固點是受到空氣壓力和污染的影響,三相點是可以更容易地重復獲得的。三相點是指材料是處于三相平衡,氣相、液相和固相,要使溫標有實效,可以在規定的固定點之間插入傳感器。ITS-90規定幾個這樣的傳感器負責測量溫標的各部分,溫標的中間是在氫的三相點和它的凝固點之間,其間插入高級的電阻溫度計,稱為標準的全電阻溫度計SIRT、SPRT是用高純度的白金導線精心制造燒制,而且以最少的支承物裝配,因而不受拉緊。在三個或多個固定點把溫度計標準后,就可以在這些溫度之間使用這個溫度計。溫度計的R-T方柱是非常復雜的。必須利用電腦來處理。圖3是封在Pvrex玻璃套中的SPRT。溫標的最低端低至0.65K,是由氦氣法定律測溫法規定的,幾個重疊的范圍是由各自的復雜方柱和圖表規定的,在溫標的高端,水銀的凝固點以上的溫度則利用輻射測溫法來規定,輻射測溫法根據的原理就在于,紅外或光輻射是隨著溫度的升高而增加的,舊式的IPTS也是利用白金合金制成的熱電偶去溫度規定溫標的一部分,不過在1990年修訂時已經被取消了。

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??? 3. 商用傳感器

??? 下面,我們來看看和比較一下商用的溫度傳感器：熱電偶、電阻溫度計、熱敏電阻以及硅IC傳感器。我們先開始迅速觀察一下,表1比較了它們的特性,而圖4是它們的工作范圍和準確度。熱電偶只不過是兩根不同的金屬連在一起。連接之后,它就會產生電動勢,這電動勢隨著溫度的升高而近似線性增加。熱電偶的靈敏度,線性和溫度范圍是和所用的金屬有關。多年來,已經有幾種熱電偶成為標準,在美國,NIST公布了八種熱電偶,讓字母代碼來識別的毫伏～溫度表。其中五種J、K、T、G和N是由堿金屬合金制成,有不同的溫度范圍和用途,靈敏度一般是每攝氏度幾十毫伏,其中三種R、S和B是用的金屬白金制成的,當然這是常最昂貴的,是最穩定和可以重復的熱電偶,最常用于高溫工作的,不過靈敏度較低。有些廠商和經銷商生產依照這些標準的熱電偶導線和無指針。

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??? 此外,有些廠商生產適合高溫、低溫和其它特別用途的特別熱電偶。其中最常見的是鎢合金熱電偶,可以測量高達2015℃,即4260°F的溫度。電阻或溫度計會有細導線或者金屬薄膜制成的線圈。大多數金屬的電阻隨著溫度而變,不過白金或者鎳最常用來制造電阻或溫度計,通常,電阻式溫度計比熱電偶更為穩定、準確和靈敏,但只限于較低的溫度,白金制的電阻式溫度計是最穩定的、準確的。并且適用于最高的溫度范圍,綜合的價格比較低,所以適合中等溫度的工藝用途,不過,最近制造的金屬薄膜元件的工藝進展已經抵消了鎳的廉價優點,這種工藝類似金屬膜電阻的原理,有時人們也使用其它金屬,主要是銅和一種稱為Balco的合金,大多數讀者可能熟悉熱敏電阻,它們和和熱電阻無電阻式溫度計不同,它們是高度敏感,非常非線性,只適用于有限的溫度范圍,熱敏電阻也有正溫度系數的類型,不過最適合溫度的測量的是負溫度系數PTC的器件,它的電阻隨著溫度的升高而減少,大約每度減少3％-5％的電阻,熱敏電阻具有任何商用溫度傳感器的各種尺寸、外型、準確度和價格。溫度傳感器IC是適合大多數實驗使用的最新和最容易的器件。它們是敏感和線性的,并且容易連接運算放大器和模數變換器,在缺點方面,這些IC并不像其它傳感器那樣標準化,經過精確地校準的IC是比較昂貴的,它們適用的溫度范圍大約和涂上環氧樹脂的熱敏電阻相同。

??? 4. 什么傳感器最好

??? 這和溫度,用途和準確度有關。在高溫下,熱電偶可能是唯一的選擇。最準確的通常是白金電阻式溫度計,不過精確的熱敏電阻在接近室溫下是更加準確的,由于熱敏電阻是有高敏度,它最適合窄量程的用途,例如醫療用溫度計。熱敏電阻和IC很適合中等準確度的測量和溫度補償的用途。IC和電阻式溫度計可供選擇的封裝比較少。在小尺寸和快速應用方面,玻璃球型熱敏電阻的直徑是從0.014寸至0.005寸,而絕緣的熱電偶導線的直徑可低至0.005寸,在較大的尺寸方面,圓形熱敏電阻的直徑可達1寸,熱電偶導線的粗細可達14AWG或者更粗些,其絕緣物包括PVC至陶瓷、纖維或陶瓷珠。要測量表面溫度可用帶狀熱電偶或者直接得找到金屬表面的熱電偶導線,以下再逐一詳細介紹這些器件。

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??? 5. IC傳感器

??? 處于正向偏壓的硅二極管和基極一射極結點往往可用來測量溫度,在室溫下,正向偏壓的結點大的降壓0.7V,它是有大的-2mV／℃的負溫度系數。確定的電壓和溫度系數是和結點的幾何尺寸、電流密度和其它因素有關,精確的校準需要在已知溫度下單獨測量每個二極管或者晶體管,PN結的基本方程是I=IO(eqv／KT-1)其中q是電子的電量,K是物理常數,稱為玻爾茨曼常數,T是絕對溫度開氏溫度是常數,基本上等于反向偏壓的泄漏電流,在室溫下,KT／q大約是26mV,在正常的正向偏壓條件下,-1這項是微小和無關重要的,可以忽略不計,所以I=IOeqv／KT,于是I=I／Io=V,溫度傳感器IC的工作原理是根據兩個基極--射極電壓之間的差值,這時結點的電流保持固定的比率I2／I21,對這方程進行一點代數運算就可以得出電壓差 ,中的電路利用這個電壓差值產生的輸出電壓或電流是和溫度成正比的,表3列舉4個IC,AD590和AD592的表現相同,不過較新的AD592便宜,采用TO-92的封裝外殼,適用于教室的溫度范圍,超出這范圍,準確度較嚴格。National的LM34／LM35是三端器件,在0°F或0℃下輸出為零,LM135／235／335卻是類似于齊納二極管的器件,其輸出和絕對溫度成正比。我們來去看看AD592／590、AD592和AD590是輸出為1μA／K,在0°C時是272.5μA的兩端點穩壓器。制造商在5代時把這校準,保證它在4代至3代之間的工作,不過要注意,提高電壓會增加功耗,并且引起輕微的測量誤差,圖5說明它們是簡單線路中的用途,可以得出從0℃或者0°F的數字計伏特的溫度讀數。

??? 1μA／K的電流流過R1時,R1以1mV／0°C,1.000K或者1mV／0°F,1.8000K的靈敏度把電流值分為電壓值,R1的兩端電壓是和絕地溫度成正比,電阻R2、R3和R4提供的補償等于R1和0℃或者0°F時的電壓,這補償是利用數字伏特計來調節的,要獲得攝氏表的讀數,必須把R3調到輸出是273.2mV,華氏表的讀數則應把輸出調到459.7mV,如R1原來就是±0.01％,或者利用數字歐姆表進行微調,要達到IC規定的準確度并不需溫度校準,如果想使用較低級的IC要輕松達到貝高的準確度。?

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??? 可以把R1換成可調節的電阻。讓這IC處于已知溫度下,把數字伏特計跨越在R1上。而且調節R1到lmV／度的正確讀數,建議把IC放人封閉的護套中,而且把它放人均勻攪體的冰和水中,并達到平衡,微調R1,使它兩端電壓在0℃時為273.2mV,或者在320F的為491.4mV為止,依照上述辦法調節R3,AD593有兒級別的型號,從25℃時的±5℃, AD590J到±5℃,AD590M,AD592獲得保證的25℃,準確度是從±2.5℃,AD592AN至±0.5℃,AD59ICN,AD590的封裝有T0-52,晶體管外殼或者扁平封裝,而AD592在出裝時采用T0-92型封裝,National的LM34／35系列是更容易使用,這種三端IC輸出10mV／0F,LM34或者10mV／℃。要讀出溫度只需一個數字伏特計和一個電池或者電壓源,從4V到30V之間的任何電壓,圖6把一個LM34或者LM35和一個高電壓／頻率變換器LM351結合起來而產生和溫度成正比的頻率,圖示的元件數值產生的精度100的輸出,在100°F或100℃的輸出是10kHz,要把它校準,可以暫時拆下這個傳感器,提供精確的1000V輸入,并且調節R3全輸出為10.00V,不需調零,如果要改進容限較松的IC的準確度,可以把IC放在接近等量高端的已知準確度溫度,并且調節R3的在獲得正確的輸出。LM34／35需要是負偏壓去追蹤零度以下的溫度,圖7說明其基本原理,這IC由止電源線供電,不過原把人約50μA的偏流加在輸出上。LM35適用的溫度范圍有-55至150℃,-40至110℃是LM35C,以及0至100℃的LM35D,而25℃時保證準確度是±1℃和±0.5℃是LM35A,LM135的華氏型號也有類似的級數。其封裝有T0-46金屬型和T0-92塑料型,表3中最后一行IC是National的LM135／235／335的系列。

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??? LM135的操作是一個類似于齊納二極管兩端點穩壓器IC,類似于LM185的標準,它有第三個接線端供用戶接上電,以便標準,偏流或者齊納電流可以在400μA至50mA之間的任何數值,它的輸出是l0mV／K。在0℃時是273V,和絕對溫度成正比,不需用戶校準的最嚴格25℃保證準確度是±1℃(LM135A和LM235A),而最松的是±6℃。LM335,LM135的額定溫度范圍是-55℃至150℃的連續范圍內,LM235是-40至100℃,其封裝有T0-46型金屬和T0-92塑料型。

??? 6. 熱敏電阻

??? 負溫度系數的熱敏電阻最適合測量溫度,它是窄量程,高靈敏度和非線性的器件,它在25℃的電阻可從100Ω以下至1MΩ以上。它一般的靈敏度是-3％至-5％／℃。因此,其電阻的變化可以從每度幾十歐姆到幾萬歐姆。制造負溫度系數的熱敏電阻要金屬氧化物粉未,通常是氧化鎳和氧化錳,有時還要加入其它東西混合制成。這些粉未以水與膠合劑制成為泥漿狀,再壓成需要的形狀,圓片和圓柱型狀等,然后干透,接著把干透的熱敏電阻以1000℃以上的溫度燃燒而形成耐火的類似陶瓷的結構。圖8是常見的一些熱敏電阻,測量溫度最常用的是涂上環氧樹脂的碟形熱敏電阻,通常直徑是在0.1寸以下,在較高溫度下則使用類似大小而封上玻璃的碟形熱敏電阻,有或沒有封上玻璃的珠形熱敏電阻具有較小的尺寸和快速反應。其尺寸從大約0.005寸到0.0005寸,在較大尺寸方面,在直徑達1寸的柱形狀,碟狀和圓環狀的熱敏電阻有些制造商還生產熱敏電阻傳感器組件,包括從直條式指針至可以固定在晶體管外殼以及表面安裝的組件。熱敏電阻一向都是不太準確或者不穩定的,這是最便宜的器件的情況,在25℃時的一般電阻容限是在5％至20％之間,相當于準確度在1至5℃之間,在高溫和低溫之時,這容限會寬松一些。至少有三永公司YSZ,Fenwal和Thermomet-rics提供可更換的精確碟式熱敏電阻涂上環氧樹脂,適用的溫度范圍是從-80℃至150℃,在高低溫兩端的容限是大約1℃,它達到精確和穩定的辦法是,在溫度受到嚴格控制的熱處理柜里把碟式電阻研磨到精確數值,以及通過老化測試和單獨測試。

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??? 25℃的電阻范圍是從100Ω至1MΩ,不過有一個數值在25℃時的2252Ω成為在醫療和實驗室溫度計所用的類似標準,YSZ的400系列有各種探針類型,這種2252Ω器件在-80℃時是1.66MΩ,在150℃時是41.9Ω,這可以說明這種溫度計是怎樣靈敏。小玻璃式熱敏電阻的制造就稍有不同,它是把兩條適合高溫的導線,一般是白金細線涂上一滴含有氧化物的泥團,經焙燒后浸入熔化的玻璃,結果產生的高溫器件比徐上環氧樹脂的碟式電阻一般更為穩定,但卻不能調節,制造商通過單位測量試驗供應適合精確用途的熱敏電阻。