基于压应力的新型温度计设计

刘 泉,王 秋,李冬林，谭兴毅

(湖北民族学院，湖北 恩施 445000)



基于压应力的新型温度计设计

刘 泉,王 秋,李冬林，谭兴毅*

(湖北民族学院，湖北 恩施 445000)

利用应变式压力传感器测量由全桥式双金属片因热胀冷缩产生的形变，获得温度调制的电压信号，并通过A/D转换芯片将信号传入STM32F407ZGT6核心控制器，利用TFT屏幕来显示所测温度，获得了一种低成本、低功耗的新型数字温度计。

形变-电压-温度转换；应变式压力传感器；全桥式双金属片

温度是描述热力学系统平衡态宏观性质的基本物理量，反映了系统的大量微观粒子无规则运动的剧烈程度[1]。温度只能通过热力学系统随温度变化而变化的某些特性来间接测量，例如常用的水银体温计利用的是体积随温度的变化关系，常用的数字温度计采用电信号与温度函数关系等等[2]。数字温度计在生产、生活中已经得到大量的应用，但其适用范围、产品的简易程度、形态大小等方面仍存在着诸多问题[3]。本文在低成本、低功耗的前提下，针对传统的数字温度测量仪器存在的不足，采用形变-温度-电压转换的原理设计了新型的基于压应力的双金属片温度计。

1 系统原理

仪器主要基于物质的热胀冷缩原理和胡克定律。一方面，双金属片也称热双金属片，由二种或多种具有不同热膨胀系数的金属组成[4]。当温度变化时，由于各组元层的热膨胀系数不同，主动层的形变要大于被动层的形变，从而双金属片的整体就会向被动层一侧弯曲，则这种复合材料的曲率发生变化从而使双金属片产生形变。另一方面，根据胡克定律，在应力低于极限的情况下，固体中的应力σ与应变ε成正比，即σ=Εε，式中E为常数，称为弹性模量或杨氏模量。由于双金属片中由温度引起的形变具有恢复原状的性质，所以该形变为弹性形变，且遵循胡克定律。原来长度为l的任一固体，由于温度变化所产生的长度变化可用下列公式表示[5]：

Δl=lαΔT

(1)

将两种不同膨胀率、厚度为d的带材A和B粘合在一起，便组成一种双金属带。温度变化时，由于两种材料的膨胀率不同会使双金属带弯曲[6-7]，如图1所示，则有:

图1 双金属片形变图

(2)

(3)

如果带材A采用铁镍合金，即αA≈0,得到：

(4)

又根据几何关系,如图1所示，有：

(5)

(6)

再根据胡克定律：F=K2x

(7)

其中K2为回复力系数,则：F=K2x=K1K2T=KT

(8)

即在双金属片中回复力与温度具有正比例关系。根据上述关系，可设计如图2所示的温度传感装置，即将双金属片两端固定，并在双金属片中部放置全桥式应变片，测量某温度下由双金属片产生的压力，然后根据胡克定律计算形变量，最后根据(8)式推算出温度，实现温度的测量。

图2 温度计探头模型图

2 系统构成

根据实际需求，系统由四大部分组成，如图3所示：1)应力测温系统：由全桥式应变片、双金属片和温度补偿片组成，负责温度数据的采集；2)主控系统：主要元件为STM32F407ZGT6单片机[8-9]，用于协调所有控制； 3)转换系统：集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路的24位A/D转换器芯片的转换电路；4)温度监控系统：一方面，含语音芯片WT588D-U的语音播报模块负责播报当前温度；另一方面，光报警电路装置在所测温度高于设置的温度上限或者低于温度下限时，多个七彩LED灯以间隔1s闪烁报警，直至手动对MCU复位为止。

图3 系统构成示意图

3 系统原理的验证及仪器定标

3.1 系统原理的验证

全桥式应变片将压应力转化为电压信号，且电压信号与压应力成正比关系，再根据式(8)可知压应力与应变量和温度都为正比例关系，故温度与电压信号具有正比例关系。仪器所测的温度与电压的关系如图4所示，从图中可以清楚的看出二者成正比例关系，利用数学软件对该直线进行线性拟合，其关系为V=0.06T±0.000 3，由于0.000 3接近0可以忽略，温度与电压信号具有正比例关系，比例系数为0.06，说明该数字温度计原理可靠。

3.2 温度计的标称误差和校准

为了确保该温度计的精确度，必须用级别较高的温度计校准鉴定。其中，标称误差指的是温度计的读数和准确值之间的差异，包含了温度计在构造上各种不完善的因素所引入的误差。为了确定标称误差，利用该温度计和TH602F高精度的标准温度计同时测量一定的温度，其中标准温度计所测温度为Ts，本文设计的温度计所测温度为Tx，此过程称为校准。如前所述，温度与电压信号具有正比例关系，

故应当按照等分度原则进行校准，即校准按照满量程的0，1/n，2/n，3/n，…直至满量程进行测定。校准得到温度计各个示值下的绝对误差，即：

ΔT=Ts-Tx

(9)

以Tx为横坐标，绝对误差为纵坐标，作出温度计的校准曲线，由校准曲线可以得到温度计的准确值，其校准曲线如图5所示，本次校准中n取10。而标称误差定义为：

(10)

图4 温度与电压关系图

图5 温度定标数据分析

反应了温度计的精度，本温度计的标称误差为0.05%，具有较高的精度。

4 结 论

利用双金属片和压力传感器设计了一种新型的数字温度计，实现了形变-电压-温度转换测温原理。验证了设计原理的正确性，并对温度计进行了定标，提高了该温度计的精度。本仪器不仅丰富了测温原理，还具有较好的应用价值和较大的市场前景。

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New Digital Thermometer Design Based on Stress

LIU Quan,WANG Qiu,LI Dong-lin,TAN Xing-yi

(Hubei University for Nationalities,Hubei Enshi 445000)

We used the strain type pressure sensors to detect the temperature-induced deformation in the full-bridge thermostatic bimetal plate,and then the signals is transferred into the STM32F407ZGT6 core controller by the A/D conversion chip.At last,we used TFT screen to display the measured temperature.

deformation-voltage-temperature conversion；strain type pressure sensor；full-bridge thermostatic bimetal plate

2016-04-27

湖北民族学院2014年大学生创新创业训练计划资助项目(2014Z045)

1007-2934(2016)05-0038-03

O 4-33

A DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.005.010

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