高精度快响应轻型表面温度传感器设计

高精度快响应轻型表面温度传感器设计

王永海

（中国电子科技集团公司第49研究所黑龙江省哈尔滨市150001）

摘要：本文针对小型化、快响应等温度测量系统的应用特点，采用铂电阻测温原理，利用高精度信号变换电路将温度信号转换为标准的电压信号输出；结构上采用紧凑结构设计，选用小封装元器件并结合线性补偿技术，研制出符合系统使用要求的传感器。传感器研制过程中，除充分应用成熟工艺外，并摸索出传感器电装调试工艺方法，以满足批量生产能力需求。

关键词：温度；高精度；传感器

1.引言

随着科学技术的发展，对周围环境信息的监测逐渐趋于高精度、快速响应，研制高精度快响应轻型表面温度传感器可以应用于石油化工、航空、矿山、纺织、电子产品生产等民用领域[1]在国民经济其它领域也都具有重要意义。产品设计结构简单灵活，工艺技术成熟，适合大批量生产。根据市场预测，在石油化工、纺织、电子产品生产等行业对此传感器的需求量很大。

2.高精度快响应轻型表面温度传感器原理

传感器由感温探头部分和变换器部分组成，其功能主要是将被测的温度物理量转化为系统可测得的电信号，感温探头部分主要是以温敏铂电阻将被测介质的温度变化量转化为可测的电阻变化量，并变换器的供电电源以电压方式供电，电压范围为±（15V±0.2）VDC，电信号输出为电压形式输出，输出范围为0.2V±0.1V～4.8V±0.1V。主要包括：为敏感元件供电、信号放大、线性补偿、增益调整、滤波、保护等，它直接决定着传感器的总体性能是否满足各项指标。

传感器的感温原理主要是利用热敏电阻测温原理，即利用热敏电阻的电阻率随温度的变化而变化特性，通过对热敏电阻阻值变化的测量，实现对被测环境温度测量。传感器选用测温精度高，灵敏度大，线性好，可靠性高的铂膜热敏电阻器为感温元件。铂电阻与温度的关系，可表达为公式（1）和（2）关系：

当被测温度范围在(0～650）℃范围内：

Rt=R0×(1+At+Bt2)………………………………………………（1）

当被测温度范围在(-200～0）℃范围内：

Rt=R0×[1+A×t+B×t2+C×(t-100)×t3]……………………………（2）

式中：

Rt、R0—分别为温度为t、0℃时的阻值；

A—为多项式常数，其值为A=3.96847×10-3℃-1；

B—为多项式常数，其值为B=5.847×10-7℃-2；

C—为多项式常数，其值为C=4.22×10-12℃-4。

3.结构设计

传感器结构采用分体结构设计，主要分为探头部分和变送器两部分。探头部分采用胶粘方式与被测弹体表面接触测温，用于测量弹体表面的（-40～300）℃温度。变换器工作在(-40～+60)℃的系统温度环境中。

4.电路部分设计

电路设计上采用以一个集成运算放大器FOP07为核心元件构成了传感器的信号放大及线性反馈电路，见图1。传感器输出端采用R+、R-电阻和D1和D2二极管共同构成供电保护电路，防止供电电压极性接反；信号放大部电路采用双反馈差动放大的方法。相对于普通的负反馈差动放大器，这种放大方式在满量程电压变化对零位影响较小，通过调节R10和R11电阻来实现对放大倍数的；传感器线性可以通过调节R14及R16电阻来实现，其线性化原理在下面再做详细的叙述。同时传感器的输出部分设计了输出限幅保护电路，由电阻R9、R15及稳压二极管W1，以保证变换器输出信号电压范围要求。

图1传感器电路原理图

5.传感器性能测试及指标

变换器主要功能是为传感器探头提供0.5mA电流，同时，对输入信号进行放大、线性补偿等工作，最终输出标准的0.2V～4.8V，由于变换器在调试、生产时，其输出即为线性输出，因此，变换器准确度计算时，可通过测量范围相对较均匀的5点测试数据来拟合出线性输出方程，其量程内其余各点输出也应符合线性输出方程，因此，在详细规范变换器准确度计算方法中，选取测量范围内以下5个温度点-30℃、0℃、100℃、200℃、300℃来进行测量的，依据以上各点的数据，根据QJ28A-1998计算准确度方法计算出的线性方程为:Y=0.0135×t+0.743，式中，Y-变换器输出电压，V；t-被测温度，℃；0.7438-常数；其温度-电压输出曲线见图2所示，从输出曲线可以看出，输出为线性输出。

根据曲线延伸原理，-40℃下限输出也应满足线性输出方程Y=0.0135×t+0.743，依据该线性方程计算出-40℃下限温度测量时的变换器理论输出应为0.215V，根据变换器准确度1%，计算出-40℃理论输出范围应在0.169V～0.261V之间，传感器低温工作的实测数据为0.207V和0.213V，满足0.169V～0.261V的理论输出范围，且最大精度为（0.215-0.207）/4.6*100=0.1%。

结论

本文所设计制作的高精度快响应轻型表面温度传感器可以有效的对极低浓度下的总烃气体进行监测，且具有功耗低，灵敏度高，性能稳定，误差小的特点。设计的正反电压补偿电路可以有效的提高传感器的精度及稳定性。

接下来的研究中，可以开展典型使用环境下的考核试验，验证传感器的长期工作的稳定性与可靠性，验证传感器设计与加工的适应性与合理性，进一步完善传感器的设计与加工，提高传感器的技术成熟度，更好地满足实际使用要求。

参考文献：

[1]李科杰，新编传感器技术手册，北京；国防工业出版社，2002

[2]刘迎春，叶湘滨。现代新型传感器原理与应用，北京，国防工业出版社，1998.