高精度热敏电阻温度传感器的技术改进及使用特点

第33卷 第4期2011年8月

冰 川 冻 土

JOURNALOFGLACIOLOGYANDGEOCRYOLOGY

Vol.33 No.4Aug.2011

文章编号:1000 0240(2011)04 0765 07

高精度热敏电阻温度传感器的技术改进及使用特点

刘继民, 沈

颖, 赵淑萍

*

(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州 730000)

摘 要:详细介绍高精度热敏电阻温度传感器的制作和标定技术改进及使用特点.该温度传感器使用热敏电阻作为主要元件,利用其电阻值随温度变化而显著变化的特点,直接将温度的变化转为电量的变化.改进后的热敏电阻温度传感器具有体积小、使用方便、对引线及二次仪表的要求低、标定时间短、测温精度高、稳定可靠、使用范围广、重复性好、能够实现远距离测量等特点,传感器测温精度优于0.05 .

关键词:高精度;热敏电阻温度传感器;技术改进;冻土测温中图分类号:TH765.2+6

文献标识码:A

0 引言

冻土是具温度低于或等于0 ,且含有冰的土体或岩体.冻土的物理力学性质或热学性质随温度的变化而显著变化,即冻土对温度十分敏感.因此,温度是冻土研究中最重要的基础参数,高精度的温度测量是冻土研究中的重要环节.20世纪70年代以前,使用传统的热电偶作为测温元件,由于输出信号很小(大约40 V

-1

制,热敏电阻温度传感器的体积、精度以及稳定性都不是很理想.直至1990年,随着热敏电阻生产技术的提高[4],冻土工程国家重点实验室的技术人员在温度传感器的制作工艺上不断改进,并反复试验,研制出了可靠性较高、能满足冻土测温精度要求的温度传感器.2000年以后,技术人员进一步提高温度传感器的制作工艺水平,如抗压、密封工艺等,并改进标定技术,使热敏电阻温度传感器的精度在过去的基础上大大提高,性能更稳定,体积更小,是低温测量的理想传感器.本文具体介绍了高精度热敏电阻温度传感器的制作和标定技术改进方法及使用特点.

),对二次仪表的

要求非常高,再加上还需要冷端补偿用的零点温度,即使在室内使用也很不方便,在野外使用难度就更大了.因此,一般在野外只能用玻璃水银温度计进行地温观测,人为误差很大.1970年代开始,国际冻土研究中开始使用热敏电阻温度传感器进行冻土测温,程国栋等[1]介绍了加拿大在冻土研究中使用的热敏电阻温度计及其优点.1980年代初期,我国在冰川冻土研究中广泛使用热敏电阻温度计测试冻土层、冰层以及积雪温度,1980年何杰等[2]介绍了热敏电阻在冻土测温中的应用;1985年李维新等[3]介绍了便携式多探头冰雪热敏电阻温度计的设计原理及使用效果.但由于受到当时热敏电阻生产技术、可选择性以及温度传感器制作技术的限

1 热敏电阻温度传感器的制作

1.1 材料选择1.1.1 热敏电阻

高精度热敏电阻温度传感器使用的主要元件是热敏电阻.热敏电阻的物理特性是其电阻值随着温度变化而显著变化,又分为两种:一种是电阻值随温度的升高而增大,称为正温度系数热敏电阻;另一种是电阻值随温度的升高而减小,称为负温度系数热敏电阻.在制作用于冻土测温的温度传感器

[5]

收稿日期:2010 10 03;修订日期:2010 12 28

基金项目:国家自然科学基金项目(40971046);中国科学院西部行动计划(二期)项目(KZCX2 XB2 10);中国科学院"西部之光"重点项

目(列车荷载作用下青藏铁路冻土路基的动力响应特性研究)资助

作者简介:刘继民(1960-),女,四川人,工程师,主要从事低温仪器研制工作. *通讯作者:赵淑萍,E mail:shuping@

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33卷

时,一般选用负温度系数热敏电阻.

与热电偶相比,热敏电阻具有以下优点:输出信号很大,当温度变化范围为+40~-40 时,热敏电阻的变化范围为500~20000 ;对二次仪表的要求不高,只需要分辨率为1 的数字欧姆表,就可以达到0.02 以上的测量精度.因此,热敏电阻的测量精度比热电偶的高很多,不需要冷端温度补偿,实验室内及野外使用都很方便.对引线要求不高,因为是电阻测量,不受任何电磁干扰,使用一般导线作为引线就可以,且引线长度不受限制,可以按实际需要选择导线长度,并在标定时将导线电阻考虑进去即可

.

的温度传感器的某一个热敏电阻的阻值随温度变化情况.从表1可见,温度越低,在某一个温度段内的阻值变化越大,如:-20~-30 温度段内,阻值变化为3275 ,而在20~30 温度段内,阻值变化只有331 .另外,从表1还可以看出,在所有温度段内,每0.01 的阻值变化均大于0.1 .采用美国产FLUK87 型数字万用表测量电阻,打到欧姆挡测量时,分辨率为0.1 .所以,温度传感器的分辨率能达到0.01 .

1.1.2 导线

用于低温测量的温度传感器有如下一些特殊要求:1)不同的环境下使用时要求有不同的测温范围;2)野外测量时,有时候需要远距离测量,因此要求传感器有一定长度的引线;3)需要单点式或多点式的温度传感器;4)要求防水、耐高压、高频采集等.因此,需要对导线的电阻率、温度特性、埋设方法、抗拉强度、弯折特性、密封、抗老化、抗腐蚀等特性有全面的了解,选择经济适用的导线,必要时进行相关试验,确定其符合性.例如,我们选用的软铜线,常用长度50m,直径2mm,其自身电阻值约2.83 .对照表1可以看出,在30~20 的温度段内使用时,导线自身电阻对温度的影响

图1 热敏电阻的阻值随温度变化示意图Fig.1 Theresistanceofthermostat

changingwithtemperature

小于0.1 ,在-30~-20 的温度段内使用时,时导线自身电阻对温度的影响小于0.01 .因此,选用这样的导线是符合要求的.1.1.3 二次仪表

电流可能引起热敏电阻自身的发热,因此,温度传感器必须在弱电流条件下工作,应使用高输入电阻、导通电流 40 A的电阻计或数采仪.野外

(1)

使用温度传感器时,往往要求采用准确、可靠、自动采集、造价低和方便的二次仪表.另外,如果导线电阻较长,导线自身的电阻较大,或工作条件恶劣,需要较高电压工作或需要屏蔽等其他技术要求,需要选择特殊的设计、制作和采集方案.

为了有利于冻土测温,应选择在负温段电阻值

变化较大的热敏电阻,如图1所示.这样,制作出来的温度传感器分辨率相应也就比较高.热敏电阻的阻值与温度之间满足如下关系式:

R=Ae(B/T)

式中:R为电阻值;A为与热敏电阻材料物理特性及几何尺寸有关的系数;B为热敏指数;T为热力学温度值.

表1显示了用于制作测温范围为30 ~-30

表1 不同温度条件下热敏电阻的电阻值变化

Table1 Theresistanceofthermostatunderdifferenttemperatures

温度/ 电阻/

每10 的阻值变化/ 每1 的阻值变化/ 每0.1 的阻值变化/ 每0.01 的阻值变化/

30832.1

201163.133133.13.30.3

101654.3491.249.14.90.5

02418.4764.176.47.60.8

-103621.61203.2120.3121.2

-2055731951.4195.119.52

-3088483275327.532.83.3

4期刘继民等:高精度热敏电阻温度传感器的技术改进及使用特点

1.1.4 辅助材料

根据使用环境条件,对加工温度传感器所需要的接头、焊锡、助焊剂、套管、密封胶、导热管等材料进行选择,必要时通过环境测试以确定其适用性.

1.2 温度传感器制作

根据中华人民共和国第四机械工业部部颁标准 MF51型珠状热敏电阻器(SJ1554-80)

[6]

2.3 标定温度点选择

根据测温范围选择多个标定温度点,以实现最佳回归计算,基本覆盖整个温度传感器的工作范围.一般选择5个温度标定点30 、10 、0 、-10 、-30 .

2.4 标定电阻记录仪

采用美国产FLUK87 型数字万用表作为标定电阻记录仪,保证在欧姆挡测量时,输出电流小于40 A,满足精度要求.

2.5 标定步骤

将待标定的一组热敏电阻温度传感器放入温度检定槽;

打开与温度检定槽相连的恒温冷浴,并将标准铂电阻温度计与标准温度记录仪相连;

调节恒温冷浴,观察标准记录仪上显示的温度值,当达到需要的标定温度点时,将热敏电阻温度传感器分别和电阻记录仪FLUK87 型数字万用表相连,读取电阻值并记录;

调节另外一个标定温度点,并读取各个热敏电阻的标定电阻值,这样反复进行,直至完成所有温度点的标定;

最后,将温度传感器从温度检定槽中取出,并对每一个传感器做永久编号标记.

,选

择负温度系数的MF 51 3000型热敏电阻,该热敏电阻在30~-30 范围内阻值变化较大,符合我们的使用要求.

将热敏电阻、导线、二次仪表、辅助材料等选择好以后,进行热敏电阻温度传感器的制作,具体工艺流程如下:1)对热敏电阻进行48h的-50~100 高低温老化,剔除已损坏的热敏电阻;2)将热敏电阻连接绝缘引线;3)对热敏电阻做两遍涂漆绝缘处理;4)对达到绝缘要求的热敏电阻探头用硅橡胶灌封在不绣钢套内,完成制作.

2 热敏电阻温度传感器的标定

2.1 标定设施

(1)标准温度计.采用国家二等标准铂电阻温度计,精度为0.01 ,分辨率为0.001 . (2)标准温度记录仪.采用2010(7位半)精密数字万用表,用四线制测量铂电阻温度计的阻值,分辨率0.0001 .例:国家二等标准铂电阻温度计的读数25.3272 表示0.000 ;读数22.2829 表示-30.000 ;铂电阻温度计读数变化0.0001 ,因此,温度分辨率0.001 .

(3)温度检定槽.采用LD-50低温恒温冷浴和恒温扩充筒,温度检定槽深度 40cm,整个槽体内温度场稳定度优于 0.01 (20min)-1.2.2 精度评价

温度传递精度为0.01~0.02 ;温度重现精度为0.01~0.02 .

3 数据处理

3.1 计算公式

根据热敏电阻物理方程,并在原来热敏电阻回归公式的基础上,经过十几年的反复调整、验证,最终得到如下的回归公式:

T=X0 C+Y0 C+Z0

其中,C为中间变量,表示为:

C=B0/(ln(R-Rd)-A0)-273.15式中:R为热敏电阻的电阻值;Rd为导线的电阻值;T为标定温度点;A0、B0、X0、Y0、Z0为标定

2

[7-10]

(2)

表2 热敏电阻温度传感器的标定电阻值

Table2 Thecalibrationresistanceofthermistortemperaturesensor

标定温度点

1号2号

各标定温度点对应的电阻值/

3号4号-20 794.9869.2850.8855.4-10 1601.41753.51695.41718.90 2350.22578.92475.62519.810 3533.4388937053785.420 8721967190579330

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表3 热敏电阻温度传感器的标定系数

Table3 Thecalibrationcoefficientofthermistortemperaturesensor

标定系数1号2号3号4号5号

A0

-3.02130114-2.98880193-2.83122245-2.92425186-3.03932357

B0

2940.579629292957.817048202903.557427072933.395647192958.59474321

X0

-0.00049928-0.00041973-0.00043300-0.00047041-0.00046344

Y0

0.999997710.999998070.999998010.999997840.99999787

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Z00.449944880.378260680.390218380.423931780.41765183

系数.

根据标定时测定出的电阻R值以及对应的标准温度值,可以解算出系数A0、B0、X0、Y0、Z0.表2显示了作为示例的5个热敏电阻温度传感器(编号为1号~5号)标定时测得的电阻值,表3显示了根据式(2)解算出的标定系数值.

为了验证上述标定方法以及标定式(2)的可靠性,将温度传感器重新放入到温度检定槽中,在测温范围内每1 取一个点,一方面仍然用标准铂电阻温度计的显示值控制温度检定槽内的温度,另一方面测量热敏电阻温度传感器的电阻,然后将这些电阻值代入到式(2)中并利用表3中相应的标定系数进行计算,得到计算温度值.标准温度、电阻值、计算温度值都示于表4中.对比表4中的计算温度与标准温度,可以看出,各个点的偏差普遍为 0.01 ,精度较高.

实际使用时,将热敏电阻温度传感埋设在需测温的地点,用精密数字万用表或数据采集仪测定其电阻值,最后将测量到的电阻R代入式(2),利用上述标定方法得到的系数A0、B0、X0、Y0、Z0,即可计算得到测点温度T.3.2 改进方法的效果检验

1990年以前,制作热敏电阻温度传感器时,标定13个温度点20 、15 、10 、7 、5 、2 、0 、-1 、-2 、-5 、-10 、-15 、-20 ,需要3d时间.然后,用6次算术回归公式如下:

T=A1R-B1R+C1R-D1R+E1R

-F1R+G1

B1、C1、D1、E1、F1、G1为标定系数.

后来,我们改进了热敏电阻温度传感器的灌封技术,同时对标定方法也进行了多次试验和修正.6

5

4

3

2

温度值作为标准温度,以此为依据,对热敏电阻温

度传感器进行标定,一般只标定5个温度点30 、10 、0 、-10 、-30 ,需要1d时间.然后用式(2)进行计算,得到回归系数.

为了比较两种标定方法的效果,对同一个热敏电阻温度传感器分别两种标定方法进行标定并得到标定系数.然后,选取几个温度点,测得热敏电阻温度传感器的电阻值,并代入到两种标定公式中计算得到计算温度值,最后,将计算温度值与标准温度对比.试验结果表明,正温时,两种标定方法得到的计算温度与标准温度都很接近,但是,负温时,改进前的标定方法得到的温度与标准温度偏差就较大,改进后的标定方法得到的温度与标准温度仍然很接近.表5和图2显示了5号号温度传感器的计算温度和标准温度对比情况.我们的温度传感器主要是用于低温测量,对负温段的测温精度要求尤其高.因此,改进后的热敏电阻温度传感器标定方法,不但提高了工作效率,标定时间缩短2/3,降低了传感器的制作成本,而且提高了传感器的测温精度,对于提升冻土科研水平有十分重要的意义.另外,我们对现在制作的温度传感器的抗老化性能、密封性能、重复性、长期稳定性也作了考查.根据3a的考查结果看,在一年之内温度值基本没有漂移( 0.05 ),长期稳定性有待以后进一步考查.

3.3 技术指标

测温范围:-30~+30 ,可扩大到 40 .阻值变化范围约500~20000 .

温度分辨率:负温0.01~0.005 ,正温0.01~0.03 .

温度精度:优于0.05 .

(3)

式中:R为热敏电阻的阻值;T为标定温度点;A1、

4 结论

改进后的热敏电阻温度传感器具有体积小、使

4期刘继民等:高精度热敏电阻温度传感器的技术改进及使用特点

表4 标准温度与用式(2)计算的逐点温度对比

Table4 Comparisonbetweenstandardtemperatureandtemperaturecalculatedbyformula(2)

标准温度/ -25.00-20.01-19.03-18.01-16.99-16.01-15.01-13.99-13.00-12.01-9.98-9.01-7.99-7.02-5.99-4.99-4.03-3.00-2.01-1.000.001.002.003.004.004.996.007.008.009.009.9814.9920.0025.00

1号6880.05474.95241.85009.04788.04584.24390.44200.54025.33856.73539.13401.03258.23130.02999.12879.12764.72656.62553.42451.92357.92267.12180.42097.52018.31943.31870.11800.11735.11671.51611.91342.91125.1948.7

热敏电阻温度传感器测得的电阻/ 2号7610.26043.15783.65524.55276.45052.34834.84626.14429.74242.83892.63739.63581.53439.73294.83162.23035.72917.52802.32690.32586.52485.42390.72299.42212.12129.42049.61972.51901.01830.41765.41468.71230.21036.8

3号7160.35710.75470.05229.55001.24790.54590.14393.74212.44037.93710.63565.93417.93285.03150.53024.72905.92794.82687.52581.02483.22388.82298.62213.22129.92051.71976.21902.51834.71768.51706.21425.21197.21012.1

4号7361.55859.65610.55361.65125.44907.64700.44497.44310.04129.93790.43642.73490.13353.13213.13084.82962.52848.02736.52628.02527.42430.32336.72248.92164.22084.02005.71930.81861.31793.31729.51441.11208.51019.6

5号7262.45769.15521.75274.65040.34824.24618.84417.74232.14053.73717.73571.63420.73285.23146.93020.22899.52785.42676.52569.52470.32373.72282.42196.02112.62032.81956.61882.91814.51747.71685.11402.51174.0989.1

1号-25.00-20.01-19.04-18.02-17.00-16.01-15.02-14.00-13.01-12.01-9.98-9.03-8.00-7.03-5.99-4.99-3.99-3.00-2.01-0.990.001.002.003.004.004.996.007.017.998.999.9714.9920.0125.00

用式(2)计算出的温度/ 2号-25.00-20.01-19.04-18.02-16.99-16.01-15.01-14.00-13.00-12.00-9.98-9.03-8.00-7.03-5.99-4.99-3.99-3.01-2.01-0.990.001.012.003.004.004.995.997.007.988.999.9615.0020.0125.00

3号-25.00-20.01-19.04-18.02-17.00-16.01-15.02-14.00-13.01-12.01-9.99-9.03-8.00-7.03-6.00-4.99-3.99-3.01-2.02-0.990.001.002.002.994.004.995.997.017.998.999.9714.9920.0125.00

4号-25.00-20.01-19.04-18.02-17.00-16.01-15.02-14.00-13.01-12.01-9.98-9.03-8.00-7.03-5.99-4.99-3.99-3.01-2.01-0.990.001.002.013.004.004.996.007.017.998.999.9715.0020.0125.00

5号-25.00-20.01-19.04-18.02-17.00-16.01-15.02-14.00-13.01-12.01-9.98-9.03-8.00-7.03-5.99-4.99-3.99-3.00-2.01-0.990.001.012.013.004.005.006.007.017.998.999.9714.9920.0125.00

短、测温精度高、稳定可靠、使用范围广、重复性好、能够实现远距离测量等优点.目前,改进后的热敏电阻温度传感器已在冰川、冻土监测以及寒区

工程中广泛使用,取得了大量的测温数据和研究资料,为寒区科学研究提供了强有力的技术支持.

冰 川 冻 土表5 改进前后的两种标定方法得到的温度与标准温度对比

Table5 Temperaturescalculatedbypreviousandimprovedcalibrationmethod,comparedwith

standardtemperature

计算温度/

标准温度/

用式(3)计算

-20.01-15.01-9.98-4.99-2.01-1.000.002.004.997.009.9814.9920.00

-18.83-14.70-9.89-4.97-2.01-0.980.002.014.997.009.9715.0120.00

用式(2)计算-20.01-15.02-9.98-4.99-2.01-0.990.002.015.007.019.9714.9920.

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图2 改进前后的两种标定方法得到的温度与

标准温度对比图

Fig.2Temperaturecurvescalculatedbypreviousandimprovedcalibrationmethod,compared

withstandardtemperature

AutomotiveIndustriesInstitute,2007,21(3):54-57.[靳丽艳,蒋伟荣,张涛.热敏电阻温度传感器非线性补偿方法[J].湖北汽车工业学院学报,2007,21(3):54-57.]

[9] FanYou-ji.Thenon-linearcalibrationforathermistortem

peraturesensor[J].JournalofWuyiUniversity,2008,27(2):60-62.[范有机.热敏电阻温度传感器的非线性校正[J].武夷学院学报,2008,27(2):60-62.]

[10]JinSijia,XuJin,WangZhenjie.Smartprobetemperaturecon

troller[J].ElectronicDesignEngineering,2009,17(11):30

-31.[靳斯佳,徐进,王振杰.探针式智能温度控制仪[J].电子设计工程,2009,17(11):30-31.]

致谢:工作过程中得到了朱国才研究员的精心指导,在此表示感谢.

4期刘继民等:高精度热敏电阻温度传感器的技术改进及使用特点

High PrecisionThermistorTemperatureSensor:TechnologicalImprovementandApplication

LIUJi min, SHENYing, ZHAOShu ping

(StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineering

ResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,LanzhouGansu730000,China)

Abstract:Inthispaper,thetechnologicalimprove mentofmanufactureandcalibration,andapplica tioncharacteristicsofthermistortemperaturesen soraredescribedindetail.Temperaturesensorismadeofthermistor,whoseresistanceissensitivetotemperaturechange,inotherwords,theresist ancewillchangealongwithtemperature.Theim provedthermistortemperaturesensorhasthefol aturemonitoring

lowingfeatures:smallvolume,convenientopera tionandlowrequirementforwireanddatacollec tioninstrument,shortcalibrationtime,highpreci sion,goodreliability,wideusingrange,goodre peatability,andabletomeasureandcontrolre motely.Theprecisionofimprovedtemperaturesensorisbetterthan0.05 .

Keywords:high precision;thermostattemperaturesensor;technologicalimprovement;frozensoiltemper

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