傳感器溫度補(bǔ)償技術(shù)

李玉華 李永飚 馬 林

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南南陽 473009）

傳感器溫度補(bǔ)償技術(shù)

李玉華 李永飚 馬 林

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南南陽 473009）

用溫度補(bǔ)償來抑制環(huán)境溫度對傳感器特性的影響，主要采用溫度自補(bǔ)償法、并聯(lián)式溫度補(bǔ)償、電橋的溫度補(bǔ)償、熱敏電阻溫度補(bǔ)償、反饋式溫度補(bǔ)償。采用負(fù)的溫度系數(shù)熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償，可以抵消由于溫度變化產(chǎn)生的誤差，實(shí)際應(yīng)用將溫度系數(shù)的熱敏電阻與錳銅絲電阻并聯(lián)后再與被補(bǔ)償元件串聯(lián)。

檢測系統(tǒng) 溫度補(bǔ)償 熱敏電阻

溫度是影響傳感器工作的主要因素之一，檢測儀表在很寬的環(huán)境溫度變化范圍內(nèi)正常工作，并要求溫度附加誤差不能超過規(guī)定值，由于傳感器實(shí)際工作環(huán)境的溫度變化幅度很大，采用溫度補(bǔ)償技術(shù)來抑制環(huán)境溫度對傳感器特性的影響。

1 溫度自補(bǔ)償法、并聯(lián)式溫度補(bǔ)償

自補(bǔ)償法是利用傳感器本身的一些特殊結(jié)構(gòu)來滿足溫度補(bǔ)償條件。用兩種具有正負(fù)電阻溫度特性的電阻絲柵串聯(lián)制成一個(gè)應(yīng)變片,只要使兩段絲柵的電阻隨溫度變化的增量相等，便可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。單絲溫度自補(bǔ)償法、雙絲溫度自補(bǔ)償法，將兩種不同電阻溫度系數(shù)一種為正值，另一種為負(fù)值的材料串聯(lián)組成敏感柵，可起到溫度補(bǔ)償作用。組合式溫度自補(bǔ)償法應(yīng)變片的另一種形式是用兩種同符溫度系數(shù)的合金絲串聯(lián)接成敏感柵，在串接處焊出引線并接入電橋，可起到溫度補(bǔ)償作用。

并聯(lián)式溫度補(bǔ)償是人為的增加一個(gè)溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，與被補(bǔ)償環(huán)節(jié)并聯(lián)，使補(bǔ)償?shù)暮铣奢敵龌静浑S溫度的變化。實(shí)際上并聯(lián)式溫度補(bǔ)償只能做到近似補(bǔ)償，如熱電偶的參考端補(bǔ)償。熱電偶的參考端處理熱電偶工作時(shí)，必須保持冷端溫度恒定，并且熱電偶的分度表是以冷端溫度為0℃作出的。因在工程測量中冷端距離熱源近，且暴露于空氣中，易受被測對象溫度和環(huán)境溫度波動的影響，使冷端溫度難以恒定而產(chǎn)生測量誤差。為了消除這種誤差，可采取下列溫度補(bǔ)償或修正措施。參考端恒溫法，將熱電偶的參考端放在有冰水混合的保溫瓶中，可使熱電偶輸出的熱電動勢與分度值一致，測量精度高，常用于實(shí)驗(yàn)室中。工業(yè)現(xiàn)場可將參考端置于盛油的容器中，利用油的熱惰性使參考端保持接近室溫。補(bǔ)償導(dǎo)線法，采用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶延伸到溫度恒定或溫度波動較小處。

為節(jié)約貴重金屬，熱電偶電極不能做得很長，但在0～100℃范圍內(nèi)，可用與熱電偶電極有相同熱電特性的廉價(jià)金屬制作成補(bǔ)償導(dǎo)線來延伸熱電偶。在使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，須根據(jù)熱電偶型號選配補(bǔ)償導(dǎo)線；補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶兩接點(diǎn)處溫度必須相同，極性不能接反，不能超出規(guī)定使用溫度范圍。

由于熱電偶的熱電動勢與溫度的關(guān)系曲線是參考端保持在T0等于0℃時(shí)獲得的，當(dāng)參考端溫度不等于0℃時(shí)，熱電偶的輸出熱電動勢將不等于EAB(T,T0)，而等于EAB(T,Tn)，如不加以修正，所得的溫度值必然小于實(shí)際值。為求得真實(shí)溫度，則根據(jù)熱電偶中間溫度定律，電橋補(bǔ)償法，利用不平衡電橋產(chǎn)生的電動勢可以補(bǔ)償熱電偶參考端因溫度變化而產(chǎn)生的熱電勢。在熱電偶與儀表之間接入一個(gè)直流電橋冷端補(bǔ)償器，四個(gè)橋臂均由電阻溫度系數(shù)很小的錳銅絲繞制及由電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制組成，銅絲和參考端感受相同的溫度，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，引起銅絲值變化，使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓的大小和極性隨著環(huán)境溫度的而變化，達(dá)到自動補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

2 電橋的溫度補(bǔ)償、熱敏電阻溫度補(bǔ)償、反饋式溫度補(bǔ)償

電橋的溫度補(bǔ)償原理：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時(shí)升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂較??；半橋也同樣能克服溫漂。由于相鄰橋臂間具有溫度補(bǔ)償作用，在熱電阻測溫電橋中，常采用三線制和四線制接法來消除引線電阻隨環(huán)境溫度變化造成的測量誤差。在應(yīng)用中可以安裝多個(gè)應(yīng)變片以達(dá)到溫補(bǔ)償和提高測量靈敏度的雙重目的，差動電橋溫度誤差補(bǔ)償法，在等強(qiáng)度懸臂梁的上下表面對應(yīng)位置粘貼4片相同的應(yīng)變片并接成全橋，沒梁受壓時(shí)兩個(gè)應(yīng)變受拉應(yīng)變，電阻增加，另兩個(gè)應(yīng)變片受壓應(yīng)變，電阻減小。當(dāng)溫度變化時(shí)，引起4片應(yīng)變片電阻變化相同，電橋輸出不變。

熱敏電阻的補(bǔ)償：熱敏電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，可測量微小的溫度變化值，由于熱敏電阻結(jié)構(gòu)簡單、熱響應(yīng)快，靈敏度高，因此應(yīng)用廣泛。

采用負(fù)的溫度系數(shù)熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償，可以抵消由于溫度變化產(chǎn)生的誤差，實(shí)際應(yīng)用將溫度系數(shù)的熱敏電阻與錳銅絲電阻并聯(lián)后再與被補(bǔ)償元件串聯(lián)。在測量各電路中可用熱敏電阻實(shí)現(xiàn)傳感器靈敏度和輸出零點(diǎn)溫度漂移的溫度補(bǔ)償，靈敏度溫度補(bǔ)償是在規(guī)定溫度范圍內(nèi)保證傳感器的靈敏度穩(wěn)定。零電平溫度補(bǔ)償，根據(jù)傳感器的類型和結(jié)構(gòu)，可采用不同的方法穩(wěn)定其零點(diǎn)。

對于測量電橋，一種十分有效的零電平溫度補(bǔ)償方法是一個(gè)橋臂引入熱敏電阻，雖然每個(gè)橋臂電阻都隨溫度變化，但所有橋臂的總電阻可以用某個(gè)橋臂電阻的等效溫度變化來代替。

用熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償實(shí)用電路如圖1所示，偏置電路采用熱敏電阻負(fù)溫度系數(shù)對溫度進(jìn)行補(bǔ)償，可獲良好的特性。

圖1 溫度補(bǔ)償電路

雙金屬熱保護(hù)器（如圖2所示），雙金屬熱保護(hù)器是一個(gè)封裝起來的固定雙金屬熱敏元件，埋設(shè)在壓縮機(jī)內(nèi)的電動機(jī)繞組中，對電動機(jī)繞組的溫度進(jìn)行控制，當(dāng)電動機(jī)繞組過熱時(shí)，保護(hù)器內(nèi)的雙金屬片產(chǎn)生形變，切斷壓縮機(jī)的電源。

雙金屬除霜溫度傳感器。雙金屬除霜溫度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，由雙金屬熱敏元件，推桿及微動開關(guān)組成，平時(shí)微動開關(guān)處于常閉狀態(tài)。接通除霜開關(guān)，除霜加熱器經(jīng)雙金屬熱敏元件構(gòu)成回路，除霜開始，除霜后電冰箱蒸發(fā)器溫度升高，雙金屬熱敏元件產(chǎn)生形變,經(jīng)推桿使微動開關(guān)觸點(diǎn)斷開停止除霜。

圖2 雙金屬熱保護(hù)器

圖3 雙金屬除霜溫度傳感器

反饋式溫度補(bǔ)償：是應(yīng)用負(fù)反饋的原理，通過自動調(diào)整過程，保持傳感器的零點(diǎn)和靈敏度不隨環(huán)境溫度而變化。如差動變壓器雜動整流電壓輸出測量電路，在不考慮渦損、磁損及雜散電容的理想條件下，傳感器的靈敏度與一次繞組的電感、電阻及交-直流電壓變換系數(shù)、耦合系數(shù)等有關(guān)，這些參數(shù)都隨環(huán)境溫度而變化。

3 結(jié)語

自補(bǔ)償法是利用傳感器本身的一些特殊結(jié)構(gòu)來滿足溫度補(bǔ)償條件，并聯(lián)式溫度補(bǔ)償是人為的增加一個(gè)溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，與被補(bǔ)償環(huán)節(jié)并聯(lián)，使補(bǔ)償?shù)暮铣奢敵龌静浑S溫度的變化。熱敏電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，可測量微小的溫度變化值，由于熱敏電阻結(jié)構(gòu)簡單、熱響應(yīng)快，靈敏度高，因此應(yīng)用廣泛。反饋式溫度補(bǔ)償是應(yīng)用負(fù)反饋的原理，保持傳感器的零點(diǎn)和靈敏度不隨環(huán)境溫度而變化。

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