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(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。可是，我們既然不能看到分子在運(yùn)動(dòng)，我們怎樣測量溫度呢?美國全國標(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說明固定體積的氣體溫度計(jì)，理想氣體并不存在，不過氦接近理想氣體，利用汞壓力計(jì)用來測量氣體和蒸汽的壓力和可調(diào)節(jié)的容器來測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，原理很簡單，可是要精確地測量就困難了。溫度會(huì)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(zhǔn)確度，比這些問題更重要的是，必須對(duì)氦與理想氣體定律的偏離程度作出修正。因此，利用氣體定律測量溫度的方法主要是國家的標(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，國際溫標(biāo)NIST就產(chǎn)生了，此前稱為國標(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，由一些國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室參與的國際會(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溫法來規(guī)定，輻射測溫法根據(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，這電動(dòng)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(guān)。多年來，已經(jīng)有幾種熱電偶成為標(biāo)準(zhǔn)，在美國，NIST公布了八種熱電偶，讓字母代碼來識(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，不過靈敏度較低。有些廠商和經(jīng)銷商生產(chǎn)依照這些標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶導(dǎo)線和無指針。

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。其中最常見的是鎢合金熱電偶，可以測量高達(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，不過白金或者鎳最常用來制造電阻或溫度計(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，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)的類型，不過最適合溫度的測量的是負(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)確度的測量和溫度補(bǔ)償?shù)挠猛?。IC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)往往可用來測量溫度，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)，稱為玻爾茨曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度開氏溫度是常數(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，不過要注意，提高電壓會(huì)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0F的數(shù)字計(jì)伏特的溫度讀數(shù)。

1μA／K的電流流過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(shí)保證準(zhǔn)確度是1℃和0.5℃是LM35A，LM135的華氏
型號(hào)也有類似的級(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)類似于齊納二極管兩端點(diǎn)穩(wěn)壓器IC，類似于LM185的標(biāo)準(zhǔn)，它有第三個(gè)接線端供用戶接上電，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(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似陶瓷的結(jié)構(gòu)。圖8是常見的一些熱敏電阻，測量溫度最常用的是涂上環(huán)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(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，以及通過老化測試和單獨(dú)測試。

25℃的電阻范圍是從100Ω至1MΩ，不過有一個(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)所用的類似標(biāo)準(zhǔn)，YSZ的400系列有各種探針類型，這種2252Ω器件在-80℃時(shí)是1.66MΩ，在150℃時(shí)是41.9Ω，這可以說明這種溫度計(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)，制造商通過單位測量試驗(yàn)供應(yīng)適合精確用途的熱敏電阻。