基于封装结构温度传感器响应时间的分析

张　强，余晓明

(上海理工大学，上海　200093)

基于封装结构温度传感器响应时间的分析

张强，余晓明

(上海理工大学，上海200093)

摘 要：热电阻与热电偶是常用的测温元件。测量瞬态高温时，由于传感器自身的热惯性，测量结果与真实结果之间存在很大的动态误差，减小动态误差有重要意义。文中主要分析了热电阻与热电偶温度传感器的测温原理,以及封装结构对温度传感器响应时间的影响,并建立裸露敏感元件热传导温度的数学模型，从理论上分析影响温度传感器响应时间的主要因素，并对其加以改进达到实验所需要求。

关键词：热电阻；热电偶；封装结构；响应时间

温度不能直接测量，只能根据物体的某些特性(如电阻、电势、体积变化等特性)值与温度之间的函数关系，通过对这些特性参数的测量，间接获得物体的温度[1-3]。常用的测温仪器有玻璃管温度计和温度传感器。国际实用温标以一些可复现的平衡态(定义固定点)的温度指定值，以及在这些固定点上分度的标准内插仪器作为基础[4],即温度敏感介质的物性与温度之间的关系是在平衡态条件下得到的，而在实际中被测温度都会或快或慢地随时间改变,由于温度传感器热惯性[5]的原因，不能立即显示物体瞬时温度，因此在测量动态温度时,温度传感器的响应时间就极为重要。

本文讨论的温度传感器用于泵热冲击瞬态运行特性测试系统中泵内水的温度监测。由于泵热冲击在5～7 s内由7 ℃升到120 ℃,因此温度传感器的响应时间控制在7 s内就显得尤为重要，它对实验的测量精度有着直接的影响。按照传感器材料及电子元件特性,温度传感器分为热电阻和热电偶两类,实验中热电阻类型选择Pt100温度传感器,热电偶类型选择k型热电偶作为研究对象,首先要定哪种类型的温度传感器适合测试要求，其次研究影响传感器时间快慢的因素,对其加以改进从而达到实验所要求的范围。

1温度传感器测温原理

测温传感器不同类型有不同的测温原理,了解它们之间的不同则能更好的对其改进，从而选择符合要求的传感器[6]。

1.1热电阻测温原理

几乎所有的导体和半导体的电阻都随其本身温度的变化而变化，这种物理现象称作为“热电阻效应”，利用这一原理制成的温度传感器可以通过测量导体、半导体的阻值变化来达到测温的目的，一般热电阻的阻值与温度之间的关系可用下列表达式表示：

Rt=R0[1+α(t—to)]

(1)

式中Rt和R0为热电阻在温度t和t0时的阻值；α为热电阻的电阻温度系数。

温度变送器通过给热电阻施加一已知激励电流测量其两端电压的方法得到电阻值，再将电阻值转换成温度值，从而实现温度测量。热电阻和温度变送器之间有三种接线方式，二线制、三线制、四线制。

二线制

如图1所示，变送器通过导线L1、L2给热电阻施加激励电流I，导线L1和L2的等效电阻为RL1，RL2，测得电势V1、V2，计算得热电阻Rt：

(2)

图1　二线制

图2　三线制

图3　四线制

由于连接导线的电阻RL1、RL2无法测得而被计入到热电阻的电阻值中，使测量结果产生附加误差。

三线制

如图2所示，增加一根导线L3用以补偿连接导线的电阻引起的测量误差，使RL1=RL2=RL3。通过导线L1、L2给热电阻施加激励电流I，测得电势V1、V2、V3。导线L3接入高输入阻抗电路，IL3=0。计算得Rt：

(3)

由此可知三线制接法可补偿连接导线的电阻引起的测量误差。

四线制

如图3所示，通过导线L1、L2给热电阻施加激励电流I，测得电势V3、V4。导线L3、L4接入高输入阻抗电路，IL3=0，IL4=0，因此V4- V3等于热电阻两端电压。计算得Rt：

(4)

因此四线制测量方式不受连接导线的电阻的影响。

1.2热电偶测温原理

1823年塞贝克发现热电效应,将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B 的两个结点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一电流，这种现象称为热电效应.热电偶就是利用热电效应来工作的。

2影响响应时间因素的分析

由于温度传感器主要由核心器件和封装结构组成，因此影响传感器响应时间主要由两个因素决定：一是核心器件即敏感元件自身的物理特性，这些因素有导热系数、自加热效应、热容及热滞后等；二是封装结构，这是引起温度传感器响应时间滞后的重要原因。由于第一种影响因素是敏感元件材料固有的，所以本文主要分析第二种影响因素，并对其加以改进。

2.1封装结构的影响分析

温度传感器是在敏感元件感应温度后来显示其所处介质的温度，封装后的温度传感器则会引入热传导误差，传导误差主要由外壳、填充材料和测量引线传入或传出热量而引起，它使得温度传感器敏感元件感应的温度滞后于介质温度，这就需要改进封装结构尽量减小热传导带来的响应时间。

热量在物体内部的传导过程服从Fourier热传导方程[7]：

(5)

其中ρ，c和λ分别为物体的密度、比热容和导热系数，导热系数反映材料导热能力的大小[8]；ΦV为物体内部的广义体热源，也就是单位体积单位时间内所产生的热量；T是物体温度。

物体与外界流体之间的换热过程服从Newton冷却公式：

Φ=Ah(Tf-T)

(6)

式中Tf和T分别是流体温度和物体表面温度;系数h为表面换热系数，表示单位面积和单位温差下所交换的热量;A为温物体与流体换热面积。

对于裸装温度传感器，敏感元件直接与介质直接接触,在分析其动态特性时,可假定其内部温度分布是均匀的，不存在温度梯度，公式(5)可变为:

(7)

由于裸装温度传感器不含内热源,敏感元件直接与介质接触,因而可以把界面上交换的热量换算成物体的体积热源。

(8)

式中V为敏感元件体积，A为敏感元件表面积。

由公式(7)和(8)得

(9)

(10)

t=0时,敏感元件温度T=T0

(11)

由上式公式可知时间与敏感元件的热容量ρcV成正比，与表面传热条件Ah成反比。热容量越大，内部温度的变化就越慢；表面传热条件越好，单位时间内传递的热量就越多，内部温度变化得就越快,响应时间就越快。上述结论同样适合铠装温度传感器，因此减小保护套的体积和质量，可以提高传感器的响应速度。

2.2填充物的分析

目前国内温度传感器填充物主要有两种，即氧化铝和氧化镁，影响热传导有关的物性参数见表 1。

表1　氧化铝和氧化镁物性参数[9]

选择合适的填充物需要满足热容量小，导热性好等特性，考虑整体物性参数，选择氧化铝作为填充物。

3实验数据分析

实验中两种温度传感器的外径都为6 mm，外壳为1Cr18Ni9Ti不锈钢,测量时让它们处于0 ℃冰水混合物中,待温度传感器示数稳定后,迅速将传感器插入开水中,测量数据见表2,表3，温度随时间变化曲线见图4。

表2　PT100温度传感器响应时间表

表3　k型热电偶温度传感器响应时间表

图4　温度传感器温度响应时间曲线图

从图4中可以得出，在0 ℃到50 ℃之间，k型热电偶温度传感器比PT100温度传感器灵敏度高，响应时间快；50 ℃到100 ℃之间，由于温度随时间变化率减小，两者响应时间差别不是很大。主要是由于热电阻温度传感器需要外加电流激励，不能够瞬时测量温度的变化。因此实验中选择k型热电偶温度传感器作为分析。选择两只k型热电偶温度传感器进行改进，外径分别为3.3 mm，1 mm，由于120 ℃水在一个大气压下汽化,所以实验中用植物油替代水,仍是处于0 ℃冰水混合物中，待温度稳定后迅速插入120 ℃植物油中，测量数据见表4，表5，温度随时间变化曲线见图5。

表4　外径3.3 mm k型热电偶温度传感器响应时间表

表5　外径1mm k型热电偶温度传感器响应时间表

图5　温度传感器温度响应时间曲线图

从图5中可以得出,减小温度传感器的外径,明显可以减小传感器的热容量,从而可以提高温度传感器的灵敏度，由于植物油的导热系数小于水的导热系数,温度传感器在油中测试的响应时间要比在水中测试的时间慢,所以用油测试符合要求。因此改进后的外径1 mm温度传感器满足实验所需要的响应速度。

4结论

温度响应时间是温度传感器的重要参数，建立裸露的敏感元件温度热传导的数学模型，分析温度误差和响应时间公式，通过理论的分析可知，响应时间与敏感元件的热容量ρcV成正比，与表面传热条件Ah成反比。热容量越大，内部温度的变化就越慢，动态响应时间就越长；表面传热条件越好，单位时间内传递的热量就越多，内部温度变化得就越快,动态响应时间就越短，通过实验测试和数据对比可知理论分析是正确的。因此合理的封装设计可缩短温度传感器的响应时间，进而可以提高温度快速变化的测量精度，达到实验所需要求。

参考文献：

[1]王魁汉.温度测量技术.东北工学院出版社,1991.

[2]翟林萍，丁益民，姚亮，等.利用DISLab温度传感器测金属比热容[J].大学物理实验，2012(4)：6-8.

[3]易志俊，陈伟，李娜，等.基于DISLab温度传感器的导热系数测定[J].大学物理实验，2014(4)：94-96.

[4]凌善康,赵琪,李讦谟,等.温度-温标及其复现方法[J].北京:计量出版社，1984.

[5]童敏明，唐守峰，董海波,传感器原理与检测技术[J].机械工业出版社,2014.

[6]赵玉刚，邱东主编.传感器基础[J].中国林业出版社,2006.

[7]杨世铭，陶文铨.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[8]朱麟章．高温测量[M]．北京：科学出版社,1991.

[9]程斌，于运花，黄玉强，等.GeorgeWypych.填料手册[M].北京：中国石化出版社,2002.

Analysis on Response Time of Temperature Sensor Based on Packaging Structure

ZHANG Qiang，YU Xiao-ming

(University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093)

Abstract：Thermal resistance and thermocouple is a usual temperature measuring component．There are great dynamic errors between the measured results and the real signal for the thermal inertia of the transducer in transient high temperature measurement.So it is significant for decreasing the dynamic errors of the temperature measuring system.This article mainly analyses the difference of thermal resistance and thermocouple temperature sensor in the temperature measurement principle and the Packaging structure of temperature sensor influencing response time.As well as built a mathematical model for the heat exchange temperature measurement with the bare sensitive element.The main factors affecting the response time of the temperature sensor are analyzed in theory,and improved to meet the experiment requirements.

Key words：thermal resistance；thermocouple；packaging structure；response time

收稿日期：2015-11-29

基金项目：国家自然科学基金(61201088，11405127)；陕西省自然科学基础研究计划项目(2014JQ8335)和陕西省科技统筹创新工程计划项目(2012KTCL01-12)资助

文章编号：1007-2934(2016)02-0044-05

中图分类号：TH 811

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.012