利用電子傳感器測(cè)量測(cè)試的方法

1. 溫度是什么？

熱是一種分子運(yùn)動(dòng)。物體越熱，它的分子運(yùn)動(dòng)得越快，絕對(duì)零點(diǎn)的定義是，在這溫度下一切分子運(yùn)動(dòng)都停止了?？墒牵覀兗热徊荒芸吹椒肿釉谶\(yùn)動(dòng)，我們?cè)鯓訙y(cè)量溫度呢?美國(guó)全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)NIST所用的基本標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)理想氣體定律，這定律表明，溫度升高時(shí)，氣體的壓力或者體積必須按比例增加，此數(shù)字表示，PV=KT，其中P=壓力，V=體積，T=絕對(duì)溫度，而K是個(gè)常數(shù)。在固定的體積中把分子速度加倍會(huì)使每秒鐘的分子碰撞次數(shù)加倍，或者使壓力加倍。在絕對(duì)零度下，理想氣體會(huì)縮小到零體積和壓力，圖1說(shuō)明固定體積的氣體溫度計(jì)，理想氣體并不存在，不過(guò)氦接近理想氣體，利用汞壓力計(jì)用來(lái)測(cè)量氣體和蒸汽的壓力和可調(diào)節(jié)的容器來(lái)測(cè)量充滿氦的玻璃球的氣體壓力。溫度改變時(shí)，就調(diào)節(jié)容器中的柱塞，使壓力計(jì)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(shí)，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(jiǎn)單，可是要精確地測(cè)量就困難了。溫度會(huì)影響玻璃球的體積，而連接管子和無(wú)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(cè)量的準(zhǔn)確度，比這些問(wèn)題更重要的是，必須對(duì)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(cè)量溫度的方法主要是國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，如NIST才使用。

2. 溫標(biāo)

制造或者標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的公司或?qū)嶒?yàn)室需要更實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)。因此，國(guó)際溫標(biāo)NIST就產(chǎn)生了，此前稱(chēng)為國(guó)標(biāo)實(shí)用溫標(biāo)，以便與基本的氣體定律溫標(biāo)加以區(qū)別，由一些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室參與的國(guó)際會(huì)議經(jīng)常對(duì)這溫標(biāo)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(biāo)是從一系列獲得公認(rèn)的基本溫度或者固定點(diǎn)開(kāi)始的，與會(huì)的實(shí)驗(yàn)室同意指定某些高純度材料的凝固點(diǎn)或者熔點(diǎn)。有時(shí)是三相點(diǎn)作為精確的溫度數(shù)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(gè)溫度的固定點(diǎn)，例如，銀的凝固點(diǎn)被指定為開(kāi)氏絕對(duì)溫度1234.93度或者攝氏960.323度。水的三相點(diǎn)比其凝固點(diǎn)容易受到精確的控制，它被規(guī)定為273.16K或者0.01℃。三相點(diǎn)很像凝固點(diǎn)，只不過(guò)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。

因?yàn)槟厅c(diǎn)是受到空氣壓力和污染的影響，三相點(diǎn)是可以更容易地重復(fù)獲得的。三相點(diǎn)是指材料是處于三相平衡，氣相、液相和固相，要使溫標(biāo)有實(shí)效，可以在規(guī)定的固定點(diǎn)之間插入傳感器。ITS-90規(guī)定幾個(gè)這樣的傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量溫標(biāo)的各部分，溫標(biāo)的中間是在氫的三相點(diǎn)和它的凝固點(diǎn)之間，其間插入高級(jí)的電阻溫度計(jì)，稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)的全電阻溫度計(jì)SIRT、SPRT是用高純度的白金導(dǎo)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(gè)或多個(gè)固定點(diǎn)把溫度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后，就可以在這些溫度之間使用這個(gè)溫度計(jì)。溫度計(jì)的R-T方柱是非常復(fù)雜的。必須利用電腦來(lái)處理。圖3是封在Pvrex玻璃套中的SPRT。溫標(biāo)的最低端低至0.65K，是由氦氣法定律測(cè)溫法規(guī)定的，幾個(gè)重疊的范圍是由各自的復(fù)雜方柱和圖表規(guī)定的，在溫標(biāo)的高端，水銀的凝固點(diǎn)以上的溫度則利用輻射測(cè)溫法來(lái)規(guī)定，輻射測(cè)溫法根據(jù)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(guī)定溫標(biāo)的一部分，不過(guò)在1990年修訂時(shí)已經(jīng)被取消了。

3. 商用傳感器

下面，我們來(lái)看看和比較一下商用的溫度傳感器：熱電偶、電阻溫度計(jì)、熱敏電阻以及硅IC傳感器。我們先開(kāi)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(zhǔn)確度。熱電偶只不過(guò)是兩根不同的金屬連在一起。連接之后，它就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這電動(dòng)勢(shì)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(guān)。多年來(lái)，已經(jīng)有幾種熱電偶成為標(biāo)準(zhǔn)，在美國(guó)，NIST公布了八種熱電偶，讓字母代碼來(lái)識(shí)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(dāng)然這是常最昂貴的，是最穩(wěn)定和可以重復(fù)的熱電偶，最常用于高溫工作的，不過(guò)靈敏度較低。有些廠商和經(jīng)銷(xiāo)商生產(chǎn)依照這些標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶導(dǎo)線和無(wú)指針。

此外，有些廠商生產(chǎn)適合高溫、低溫和其它特別用途的特別熱電偶。其中最常見(jiàn)的是鎢合金熱電偶，可以測(cè)量高達(dá)2015℃，即4260F的溫度。電阻或溫度計(jì)會(huì)有細(xì)導(dǎo)線或者金屬薄膜制成的線圈。大多數(shù)金屬的電阻隨著溫度而變，不過(guò)白金或者鎳最常用來(lái)制造電阻或溫度計(jì)，通常，電阻式溫度計(jì)比熱電偶更為穩(wěn)定、準(zhǔn)確和靈敏，但只限于較低的溫度，白金制的電阻式溫度計(jì)是最穩(wěn)定的、準(zhǔn)確的。并且適用于最高的溫度范圍，綜合的價(jià)格比較低，所以適合中等溫度的工藝用途，不過(guò)，最近制造的金屬薄膜元件的工藝進(jìn)展已經(jīng)抵消了鎳的廉價(jià)優(yōu)點(diǎn)，這種工藝類(lèi)似金屬膜電阻的原理，有時(shí)人們也使用其它金屬，主要是銅和一種稱(chēng)為Balco的合金，大多數(shù)讀者可能熟悉熱敏電阻，它們和和熱電阻無(wú)電阻式溫度計(jì)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(shù)的類(lèi)型，不過(guò)最適合溫度的測(cè)量的是負(fù)溫度系數(shù)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(zhǔn)確度和價(jià)格。溫度傳感器IC是適合大多數(shù)實(shí)驗(yàn)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(yùn)算放大器和模數(shù)變換器，在缺點(diǎn)方面，這些IC并不像其它傳感器那樣標(biāo)準(zhǔn)化，經(jīng)過(guò)精確地校準(zhǔn)的IC是比較昂貴的，它們適用的溫度范圍大約和涂上環(huán)氧樹(shù)脂的熱敏電阻相同。

4. 什么傳感器最好？

這和溫度，用途和準(zhǔn)確度有關(guān)。在高溫下，熱電偶可能是唯一的選擇。最準(zhǔn)確的通常是白金電阻式溫度計(jì)，不過(guò)精確的熱敏電阻在接近室溫下是更加準(zhǔn)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(yī)療用溫度計(jì)。熱敏電阻和IC很適合中等準(zhǔn)確度的測(cè)量和溫度補(bǔ)償?shù)挠猛尽C和電阻式溫度計(jì)可供選擇的封裝比較少。在小尺寸和快速應(yīng)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(dǎo)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(dá)1寸，熱電偶導(dǎo)線的粗細(xì)可達(dá)14AWG或者更粗些，其絕緣物包括PVC至陶瓷、纖維或陶瓷珠。要測(cè)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(dǎo)線，以下再逐一詳細(xì)介紹這些器件。

5. IC傳感器

處于正向偏壓的硅二極管和基極一射極結(jié)點(diǎn)往往可用來(lái)測(cè)量溫度，在室溫下，正向偏壓的結(jié)點(diǎn)大的降壓0.7V，它是有大的-2mV／℃的負(fù)溫度系數(shù)。確定的電壓和溫度系數(shù)是和結(jié)點(diǎn)的幾何尺寸、電流密度和其它因素有關(guān)，精確的校準(zhǔn)需要在已知溫度下單獨(dú)測(cè)量每個(gè)二極管或者晶體管，PN結(jié)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(shù)，稱(chēng)為玻爾茨曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度開(kāi)氏溫度是常數(shù)，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(xiàng)是微小和無(wú)關(guān)重要的，可以忽略不計(jì)，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(jù)兩個(gè)基極--射極電壓之間的差值，這時(shí)結(jié)點(diǎn)的電流保持固定的比率I2／I21，對(duì)這方程進(jìn)行一點(diǎn)代數(shù)運(yùn)算就可以得出電壓差 ，中的電路利用這個(gè)電壓差值產(chǎn)生的輸出電壓或電流是和溫度成正比的，表3列舉4個(gè)IC，AD590和AD592的表現(xiàn)相同，不過(guò)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(zhǔn)確度較嚴(yán)格。National的LM34／LM35是三端器件，在0F或0℃下輸出為零，LM135／235／335卻是類(lèi)似于齊納二極管的器件，其輸出和絕對(duì)溫度成正比。我們來(lái)去看看AD592／590、AD592和AD590是輸出為1μA／K，在0C時(shí)是272.5μA的兩端點(diǎn)穩(wěn)壓器。制造商在5代時(shí)把這校準(zhǔn)，保證它在4代至3代之間的工作，不過(guò)要注意，提高電壓會(huì)增加功耗，并且引起輕微的測(cè)量誤差，圖5說(shuō)明它們是簡(jiǎn)單線路中的用途，可以得出從0℃或者0F的數(shù)字計(jì)伏特的溫度讀數(shù)。

1μA／K的電流流過(guò)R1時(shí)，R1以1mV／0C，1.000K或者1mV／0F，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(bǔ)償?shù)扔赗1和0℃或者0F時(shí)的電壓，這補(bǔ)償是利用數(shù)字伏特計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)的，要獲得攝氏表的讀數(shù)，必須把R3調(diào)到輸出是273.2mV，華氏表的讀數(shù)則應(yīng)把輸出調(diào)到459.7mV，如R1原來(lái)就是0.01％，或者利用數(shù)字歐姆表進(jìn)行微調(diào)，要達(dá)到IC規(guī)定的準(zhǔn)確度并不需溫度校準(zhǔn)，如果想使用較低級(jí)的IC要輕松達(dá)到貝高的準(zhǔn)確度。

可以把R1換成可調(diào)節(jié)的電阻。讓這IC處于已知溫度下，把數(shù)字伏特計(jì)跨越在R1上。而且調(diào)節(jié)R1到lmV／度的正確讀數(shù)，建議把IC放人封閉的護(hù)套中，而且把它放人均勻攪體的冰和水中，并達(dá)到平衡，微調(diào)R1，使它兩端電壓在0℃時(shí)為273.2mV，或者在320F的為491.4mV為止，依照上述辦法調(diào)節(jié)R3，AD593有兒級(jí)別的型號(hào)，從25℃時(shí)的5℃， AD590J到5℃，AD590M，AD592獲得保證的25℃，準(zhǔn)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(shí)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(gè)數(shù)字伏特計(jì)和一個(gè)電池或者電壓源，從4V到30V之間的任何電壓，圖6把一個(gè)LM34或者LM35和一個(gè)高電壓／頻率變換器LM351結(jié)合起來(lái)而產(chǎn)生和溫度成正比的頻率，圖示的元件數(shù)值產(chǎn)生的精度100的輸出，在100F或100℃的輸出是10kHz，要把它校準(zhǔn)，可以暫時(shí)拆下這個(gè)傳感器，提供精確的1000V輸入，并且調(diào)節(jié)R3全輸出為10.00V，不需調(diào)零，如果要改進(jìn)容限較松的IC的準(zhǔn)確度，可以把IC放在接近等量高端的已知準(zhǔn)確度溫度，并且調(diào)節(jié)R3的在獲得正確的輸出。LM34／35需要是負(fù)偏壓去追蹤零度以下的溫度，圖7說(shuō)明其基本原理，這IC由止電源線供電，不過(guò)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(shí)保證準(zhǔn)確度是1℃和0.5℃是LM35A，LM135的華氏
型號(hào)也有類(lèi)似的級(jí)數(shù)。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。

LM135的操作是一個(gè)類(lèi)似于齊納二極管兩端點(diǎn)穩(wěn)壓器IC，類(lèi)似于LM185的標(biāo)準(zhǔn)，它有第三個(gè)接線端供用戶(hù)接上電，以便標(biāo)準(zhǔn)，偏流或者齊納電流可以在400μA至50mA之間的任何數(shù)值，它的輸出是l0mV／K。在0℃時(shí)是273V，和絕對(duì)溫度成正比，不需用戶(hù)校準(zhǔn)的最嚴(yán)格25℃保證準(zhǔn)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(xù)范圍內(nèi)，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(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻最適合測(cè)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(wàn)歐姆。制造負(fù)溫度系數(shù)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(shí)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(lèi)似陶瓷的結(jié)構(gòu)。圖8是常見(jiàn)的一些熱敏電阻，測(cè)量溫度最常用的是涂上環(huán)氧樹(shù)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(lèi)似大小而封上玻璃的碟形熱敏電阻，有或沒(méi)有封上玻璃的珠形熱敏電阻具有較小的尺寸和快速反應(yīng)。其尺寸從大約0.005寸到0.0005寸，在較大尺寸方面，在直徑達(dá)1寸的柱形狀，碟狀和圓環(huán)狀的熱敏電阻有些制造商還生產(chǎn)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(zhǔn)確或者不穩(wěn)定的，這是最便宜的器件的情況，在25℃時(shí)的一般電阻容限是在5％至20％之間，相當(dāng)于準(zhǔn)確度在1至5℃之間，在高溫和低溫之時(shí)，這容限會(huì)寬松一些。至少有三永公司YSZ，F(xiàn)enwal和Thermomet-rics提供可更換的精確碟式熱敏電阻涂上環(huán)氧樹(shù)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(dá)到精確和穩(wěn)定的辦法是，在溫度受到嚴(yán)格控制的熱處理柜里把碟式電阻研磨到精確數(shù)值，以及通過(guò)老化測(cè)試和單獨(dú)測(cè)試。

25℃的電阻范圍是從100Ω至1MΩ，不過(guò)有一個(gè)數(shù)值在25℃時(shí)的2252Ω成為在醫(yī)療和實(shí)驗(yàn)室溫度計(jì)所用的類(lèi)似標(biāo)準(zhǔn)，YSZ的400系列有各種探針類(lèi)型，這種2252Ω器件在-80℃時(shí)是1.66MΩ，在150℃時(shí)是41.9Ω，這可以說(shuō)明這種溫度計(jì)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(dǎo)線，一般是白金細(xì)線涂上一滴含有氧化物的泥團(tuán)，經(jīng)焙燒后浸入熔化的玻璃，結(jié)果產(chǎn)生的高溫器件比徐上環(huán)氧樹(shù)脂的碟式電阻一般更為穩(wěn)定，但卻不能調(diào)節(jié)，制造商通過(guò)單位測(cè)量試驗(yàn)供應(yīng)適合精確用途的熱敏電阻。