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1、1902年第2 期(N o 2 29 92) 传感器技术 (J se n so r 同时金属盖还具有屏蔽作用 , 减 少了电磁场的干扰 。 刀G E G _ 了 n E l八E 一 召下 E 是单支热电偶相对误差的 一、里 一 。 心甲人 石 、; 吧 曰 旧 门抓乙 “了 - 玉 一“ 串联线路(也称热电堆)的主要特点 是热电势大 , 精度比单支热电偶高 , 因此 可感受较小的信号 。 2 用于电测 近二十多年来 , 科学技术与生产的发 展 , 促使人们去研究交流电压真有效值 的 测量技术 , 从六十年代到现在 , 尽管转 换 元件 、 测量技术和方法不断改进 , 但真有 效值 测量至今仍然
2、是国内外电测领域中一 个引人住目的课题 。 1 . 电l牡丝2 . 热电堆 3 . 动卷式仪 表 图3 图 3 是热电转换器的结构图 。 T C 的 第一 部分是 电阻丝 , 由被测电流加热 , 电 阻丝的温度与电阻丝所消耗 的功 率R 工 “ 成 正比例 。 温度由热电堆来感受 , 而热电堆 产生的直流电压可利用动圈式仪表或数字 式电压表来测量 。 电阻丝与热电堆在电气 上是绝缘的 , 但应有良好的热藕合 , 它们 之间衬以薄薄的云母片 。 热电堆是由几十 对小热电偶串起来 , 并紧贴在加热电阻丝 上 , 得以产生热电势E T 。 串联 的目的除了 提高精度外 , 同时串联的输出实际上反映
3、了平均温度 , 这就免除了帕尔贴效应和 汤 姆逊效应产生的影响 。 卿黝 图 2 如何实现真有效值 的测量呢?最简单 又符合有效值定义 的方法是 采用 电测热 电堆 , 也称热电转换器 , 又称 T C 元件 (Th ermaleonver ter) 。 外形如图2(b) 所示 , 有四个引 脚 , 二个 为 热电堆引出 端 , 这里热电堆不同于一 般的测温热电 偶 , 它在这里起热电转换作用 。 加上金属 盒盖铜质)后如图2 (a ) , 使盒 内的 热电堆 具有恒温作用 , 免受周围空气流动 G 一高灵敏检流计 R一衰减电阻 火一待侧电压如一可调直流标准电压 图4 图4是利用热电堆转换组成
4、的直流一 交流比较器 。交 流 电压UA 在T C ; 加 热丝B点 产生焦耳热 , 热量为认 , 该热量传入热电 堆工作端 , 产生热电势肠 *, 同样对T C : 加 入直流电压U D, B 点热量为Q D, 热电势 为ET D , 调节U 。可人为地使ET人= E T。, 则 可以认为Q 、, Q。 , 从而口 。 认 。 其数掣 表达式 : 第2期 郑国良 : 热电堆传感器及其应用 。一K 丁: 。: (:,t /R Q 。= K 叽 Z T / R _ ,. lfr . - . U D =一不布一I 材L君)d才 上 J. 考铜热电偶 串联而成 。 整个热电堆固定在 环形云母架上 。
5、 K一热电转换系数 根据有效值家义中所 阐述的相同的负 载这一条件 , 可只用一个T C , 如图 5所 示 。 测量步骤如下 : 将 K , 置于 “ 1 ” , K : 、R 卜可调直流毫伏电历 翻生器 图 5 接上待测电压U A, 调节直流电压发生器 , 使 指零仪指零 , 并记下直流电压发生器所产 生的电压 , 然后立即把K ; 转 向 “ 2 ” , 再 调节高精度直流标准电压U D, 直到G重新 指零为止 , 此时的U D 就是待测交流电压有 效值 。 热电法测交流 电压真有效值 , 应用 于 要求较高的场合 , 其频率上限可达ZoMH : , 且准确度高 、 动态范围大 。 3
6、用 于非电洲 热电堆用 于非电测 , 可与热电偶测温 方法一样进行接触测量 。 另外 , 还能用于非接触测量 。 利用光 产生热的效果和温差电效应 , 制成热电堆 传感器(Th ermop iles en so r ) 可以间接 地测量光能 。 图 6 是全辐射高温计中用于 测温的热电堆 的结构图 。 它由多对热电 偶 、 云母环 、 靶心和引出线组成 。 根据测 温起始点不同 , 热电堆分别由1 6对(测量 下限为10 0 )或 8 对(测量下限为40 0 和70 0o G)直径为 0 。0 50 . 0 7 mm 镍 铬 - I一热电仍卜云母环3一把心 心- 考铜摘一引出导线 图6 其次
7、, 热电堆还能用 于连续辐射功率 和脉冲辐射能量的测量 。 测量的带宽可以 从紫外至远红外波段 。 相应 她热电堆的 结构也发生变化 , 早期的热电堆吸收体只 是在 热电偶的工作端上涂黑 。 随着测量技 术 的发展 , 对吸收体要求愈来愈高 。采用特 制高纯石墨材料制成的辐射吸收体 , 具有 良好 的导热性 , 能避免强辐射脉冲在吸收 体表面的瞬时温升而造成的烧蚀破坏 。 即 这种材料能承受高功率密度的能力 , 能承 受1 000一2 300 。 用这种石墨材料精制成 的圆盘形辐射吸收体 , 它的热容量是相同 吸收面积金属圆盘(涂黑或黑色氧化处理 制成的靶心)吸收体的三分之一 。 这可使 灵敏
8、度提高相应倍数 。 热电堆作为一种探测器 , 主要用来检 测吸收体的温升 。 它的材料有金属型 、 半 导体型两种 。 从稳定度 、 精度来看 , 金属 型热电堆适用范围较广 。 从制作上考虑 , 用 于精密测量的热电堆其自 身质量要小 (小的可达几十协g ) , 这种结构使得它热 容量小 , 热损小 , 响应速度大大 提高 。 由 于热电堆传感器与被测波长无关 , 测 量的 带宽可以很宽 。 为了实现快速测 量 , 人们研究成功了 薄膜型热电偶 , 仑是 用真空蒸镀等方法使 两种热电材料(金属)蒸镀到绝 缘基板 传感器技术 上 , 两者并牢固地结合在一起形成薄膜状 热接点(见图7 ) , 为
9、防止热电极氧化和与 被测物绝缘 , 常在薄膜热电偶表面再镀上 一层非金属510 : 保护膜 。 、 ! ! !入玉净、 、 毓毓毓 又i、 、 入、 、 片片片 1一热电极2一热接点3一绝缘基饭 图7 19 92年 由3。对热电擒按一定规律的排列相互串联 而成的 。 每对热电偶是由两种不同高纯金 属材料(锑和秘)在高真空条件下经过掩 膜 板进行真空镀膜而成 。 热电堆成型后还 要进行涂黑 。 涂黑的作用是提高热电堆的 输出响应值 。 此外 , 薄膜热电堆还要进行 温度老化与电老化 , 以促其稳定 。 3 0 对薄 膜 热电堆的技术性能 : 阻值范围24k口; 响应率5 . 57 . omV /
10、。W ; 时间常数(热 电势从O上升到终值的9 8%所需时间)对 大型热电堆小于 2 。, 小型热电堆小于1 s 。 薄膜热电堆具有 性能稳定 , 结构牢 固 , 灵敏度高 , 响应时间 短 , 光谱范围宽 等优点 。 因此 , 它的用途广泛 , 如非 接触 式测温 、 红外干涉报警 、 热金属位置检侧 等 。 国产仪表WFH 一 6 3型便携式红外辐射 计内采用的探测接收元件就是薄膜热电堆 传感器 , 其性能已赶上当前发展的潮流 。 (a)成熨( f J l飞1案 岁岁腐书离并荞却 却 目目问r r rl研 ! 川! ! !口R R R 级级平十 十丈卜卜1 、. 卜l训训交登 登 参考文献
11、 (b )结构示 意旧 图8 薄膜 热电偶的出现 , 为薄膜热电堆 的 制造奠定了基 础 。 图 8 为上海工业自动化 仪表研究尹矛研制的3 0对薄膜热电堆 。 它是 J . s 。 Pr eson J 。 P hys 。 E , 1 971 (4) : 96 9一972 郑 国良 物理实验 , 1 989 (3 ) : 13 8 一 139 常健生 检测与转换技术 机械工业 出版 社 , 135一136 邵球琳 , 韩扣兰 自动 化仪表 , 1990 (1 1) : 2 4一2 5 协展A C go1 0 数字重量显示器 台湾协展企业有限公司(英展实业公司之一部分)最近推 出19 91年底新
12、开发的多 功能A C 90 1 。数 字 重 量显示器 , 称重采用6位绿色荧光数码管显示 , 仪表可供传感器激励电压 直流1 2v 电流3 2 。位A , 可 连接8个3 5 。的荷重传感器 , 仪表内部分解码高达1 5 万码 , 显示分解码为1 . 2万码 , 分度可设定为1 , 2 , 5 , 10 , 2 0 , 50 , 100 , 200 , 50 0 。 具有R s 一2 32 C 接口 , 可直接与打印机 、 电脑 、 大屏幕数字显 示相连 。 自动零跟踪 , 自动去皮 , 毛重 、 净重显示 , 示值保持 , 以及模拟O一10V输出 、 继电器开关 输出 、 并联字段输出 、 B CD 码出和自功口期 、 时门显示 , 卡车 、 物料编号等功能 。 深圳交货价每 台 2 500元到3 3 0 0 元 。 (颇重光供稿)
