铂电阻温度传感器的自热效应

铂电阻温度传感器的自热效应 2002年第2l卷第l2期传感器技术(JOumalofTransducerTechnology)13 铂电阻温度传感器的自热效应 张洁天,贾宏博,任磊 (北京大学物理学院,北京100871) 摘要:提出了一种测量铂电阻温度传感器的散热系数的简便方法.测量了不同条件下铂电阻温度传感 器的散热系数,并对电阻的自热效应影响进行了探讨. 关键词:铂电阻;温度传感器;自热效应;散热系数 中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1Oo0—9787(2002)12—0013—02 Self-heatingeffectoftheplatinumresistancetemperaturesensor ZHANGJie—tian,JIAHong—bo,RENLei (Coilofphys,PekingUniversity,Belling100871,China) Abstract:AwayofmeasuringtheradiationcoefficientoftheplatinumresistancetemperatureserKsoris 西V肌. Theradiationcoefficientismeasured,andthecontributionoftheself-heatingeffectislookedinto. Keywords:platinumresistance;temperaturesensor;~lf-heatingeffect;radiationcoefficient 0前言 使用电阻型温度传感器时,电阻的自热效应是 必须注意的.在使用热敏电阻时,因其体积小,自热 效应对测温的影响不能忽略.一般 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 上介绍了热敏 电阻的自热效应,但只给出了自热效应的定义,很少 介绍具体的测量方法. 北京大学的基础物理实验”用非平衡电桥测量 ,用到B级WZP—Ptl00型 铂电阻的温度特性”【 铂电阻的温度传感器.为了 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 自热效应的影响, 对上述型号的一批铂电阻温度传感器进行了测量. 1测量原理及方法 铂电阻温度传感器是一种重要的温度测量元 件,具有响应迅速,准确度高,测量范围大等优点. 较为常见的如工业用WZP—PtlO0型.使用时,铂 电阻会产生焦耳热,使其自身温度高于被测温度,这 将导致测量误差.一般这个温度差比较小,可以用 牛顿散热定律来描述: P=k(t—tCb),(1) 其中P为铂电阻的焦耳热功率;t为铂电阻自身 实际温度;t外为传感器外部环境温度.k是散热系 数,其单位为mw/c.这种效应称自热效应l_2J. 因封装在不锈钢内的铂电阻自身温度不易直接 测量,所以采用了间接的方法.保持外界环境 收稿日期:2002—09—28 温度t外不变,对传感器通以不同的电流J.在改变 电流并经过一段时间,待系统达到稳态之后,测量其 阻值尺.当电流增加时,焦耳热功率P=12R也随 之增加,从而传感器的自身温度t有微小上升,导致 其稳态阻值尺也将有微小增加. B级WZP—Ptl00铂电阻温度特性(0,850?) 为【.] Rt=R0(1+At+Bt), 式中尺0为0?时的电阻值;A=3.90802× 10—3?一1:B=一5.80195×10一’?一;t的单位 为?. 在t=,外附近展开,保留到一阶项得 Rt=R0(1+A,外+B,外)+ R0(A+2B,外)(t一,外).(2) 由式(1),t—t外:P/k,又P=12R,代入 式(2)得 Rt=R0(1+A,外+B,外)+ 尘. ‘ 可见,尺,J尺为线性关系.设直线斜率为 ,则 是:.(3) 14传感器技术第21卷 实验电路如图1所示. 图1实验电路 Fig1Experimentcircuit 采用平衡电桥,电源采用恒流源,G为检流计. 待测的铂电阻温度传感器采用三线接法,以精确测 量R,反映R的微小变化.其它桥臂电阻采用电阻 箱.为了既获得较高的准确度,同时又减小电阻箱的 自热效应干扰,采用100Q:1000Q的桥臂比例. 2实验结果 首先分别测量了两个铂电阻传感器(1号和 4号)在冰水混合物(0?)和沸水(99.7?)中,不同 电流,下的阻值R.,并按式(3)计算k.如下表1.其 中,0为干路电流.因为R的变化很小,所以散热系 数的测试结果只能达到两位有效数字. 表1测量铂电阻温度传感器的热敏系数c在O?和100?水中) Tab1Measuringradiationcoefficientoftheplatinumresitancetemperturesensor(inwateratO? and100?) 1号传感器: 冰水中,R,,R线性相关系数r=0.99997, k0=1.8WfC. 沸水中,R,,R线性相关系数r=0.99993, kl00=2.2mW/C. 4号传感器: 冰水中,R,,R线性相关系数r=0.99995, k0:3.4W/C. 沸水中,R,,R线性相关系数r=0.99997, klo0=4.6W/C. 对同一批的另外5个传感器测量散热系数k的 结果如表2. 表2比较不同的铂电阻温度传感器的散热 系数(在0?和100?水中) Tal2Compareofradiationcoefficientofdifferentplatinum resitancetemperaturesensor(inwateratO?and100?) 678910 ko(mW/’C)4.44.23.12.92.8 kloo(mW/’C)5.96.54.53.83.7 由以上数据可以看出,在同一条件下,传感器 的散热系数比较固定(R,,R线性相关很好), 但在不同的条件(如封装结构,外界环境等)下有明 显差别. (1)同一环境下,不同的传感器的散热系数有 较大差别.被测的7个传感器,在冰水混合物中散热 系数从1.8w/C到4.4w/C等.这是因为测量 的铂电阻样品是封装在不锈钢管里的.测量结果不 仅反映了铂电阻的温度特性,而且与封装材料和封 装结构有关. (2)对于同一传感器,在沸水中比在冰水中的 散热系数大.限于实验条件,在0,100?间的其它 温度下未能进行测量,但可以预料,这些值应该在其 k0和志100的范围内. 热交换有三种方式,即传导,对流和辐射.对于 自由流体,温度越高,对流越强,散热就越好;对于定 向流动流体(如管道中输送的液,气体),流速越快, 散热就越好.在高温下三种热交换作用都比低温下 强,所以在一般介质环境中,高温下的散热系数比低 温下的要大.因此沸水中的散热系数比在冰水中的 大很多. 3结论 (1)自热效应是电阻型温度传感器特有的一种 副效应.在温度测量中,为了获得较高的测量准确 度,一般会增加工作电流,;但应注意电流不得过 大,否则自热效应将引入可观的误差.可做如下估 算:取k=3w/C,,=1mA,修正值.= 0.04?;,=3mA,.=0.3?.当,增加时,测温偏 (下转第17页) 第12期王莹等:微型石英音叉陀螺模态特性的设计17 2实验研究 以上述计算结果为依据,采用特殊的加工方法 制作了微型石英音又陀螺样片,对其进行充氮封装 后,采用HP4192A阻抗测试仪测量了微型石英音叉 陀螺的阻抗特性,敏感模态和参考模态的实测导纳 曲线分别如图4和图5所示. ? g 暴 ? ? g 舞 曲 频率f/Hz 图4敏感模态测试曲线 Fig4Testcurveofsensemode 频率_厂/Hz 图5参考模态测试曲线 Fig5Testcurveofrefbrence 实测两模态谐振频率分别为14160.8Hz和 ? (上接第14页) 差以平方增加,可能会超过规定允限. (2)以上估算仅适用于少数特定条件.一般应 针对具体传感器和测量环境作相应调整或修正.在 高温或在流动介质,良导热介质中时,散热系数较 大,工作电流可适当增加以提高准确度而不必考虑 修正;而在低温或静态介质,不良导热介质中时,散 热系数小,应考虑减小工作电流或进行修正. (3)这里介绍的是一种简便易行的自热效应测 量方法.在使用电阻型温度传感器时可参照前文介 绍的方法.测量散热系数并进行修正. (4)此方法可用于传感器的封装材料及结构方 式的分析研究中.曾对几个厂家的铂电阻温度传感 14161.2Hz,与计算结果的相对误差分别为1.5% 和1.3%,由此可见,计算具有较高的准确度.误差可 能来源于三方面:加工工艺造成的实际产品与理论实 际模型之间的偏差;有限元计算模型误差;试验误差. 3结束语 采用现代有限元分析工具对微型石英音叉陀螺 的振动模态特性分析是确定微型石英音叉几何尺寸 的有效途径.应用CAD技术,在设计阶段即可实现 音叉的可视化,预测谐振频率及性能参数,并及时发 现设计中的不足.所有这些对缩短微型石英音叉陀 螺的设计周期,降低设计成本,保证设计质量具有重 要意义. 致谢:感谢北京理工大学机电工程学院李金柱副教 授和中国科学院声学所朱厚卿研究员在微型石英音 又陀螺有限元分析和阻抗测试过程中给予作者的大 力支持. 参考文献: [1]SoderkvistJan.Micromachinedgyroscopes[J].Sens0rSandActua— totsA,1994,43:65—71. [2]WangYing,SunYunan,QinBingkun.Studyonthecompensation forthedyaacniccharacteristicsofangalarratemicrosensormadeof quartz[J].SPIE,2000,4077:347—350. [3]秦自楷.压电石英晶体[M].北京:国防工业出版社,1980.62— 65. [4]山东大学物理系,~tJll无线电器材厂.石英谐振器的设计和制 作[M].北京:国防工业出版社,1979.26—30. 作者简介: 王莹(1968一),男,河北保定市人,副教授,北京理工大学博士 毕,现在主要从事MEMS,高速信号处理的研究. 器(都封装在不锈钢管中)进行测试,发现自热效应 的影响有差异,其中效果最好的中科院传感器实验 室的铂电阻温度传感器,其自热效应的影响几乎可 以忽略不计. 参考文献: [1]张洁天,郑纹,罗宇翔,等.用非平衡电桥测量铂电阻的温度系 数[J].物理实验,2001,(12):57—59. [2]吴朗.温度感测器——理论与应用[M].台北:全华科技图书 股份有限公司.1980.36—37 [3]IEC75l与ZBY301标准.常用热电偶,热电阻分度表[s]. 作者简介: 张洁天(1945一),男,湖南省宁乡人,副教授,理科学士.多年从 事基础物理实验教学.近年来进行传感器原理及应用,计算机技术, 光电测量和光电技术应用的研究.