以铁氧体为探头的温度测量仪器

2017-03-30谭小平张立辉

科学中国人 2017年9期

关键词：测温区间电压

谭小平，张立辉，李升，聂盼，周雄，任逸

江汉大学物理与信息工程学院

以铁氧体为探头的温度测量仪器

谭小平，张立辉，李升，聂盼，周雄，任逸

江汉大学物理与信息工程学院

铁氧体的饱和磁化率有着对温度的依赖性且铁氧体材料在其居里点附近的区间内饱和磁化率对温度的变化相当敏感。利用这一特性并设计出相应的测量电路，将温度量转化为电压数值从而达到测量温度的目的。研究中验证了以铁氧体作为测温探头的可行性及不同铁氧体测温探头在各自居里点附近测温特性的相似性，并制作了一型以铁氧体为探头的温度测量仪器，测试了其测温性能。本研究打破了铁氧体传统的应用范围，将铁氧体用作温度的测量，发现了其在测温方面几点非常值得关注和研究的优异性能。

铁氧体；饱和磁化率；居里点；温度测量

1、引言

温度的测量在科学研究、工业、生活中都有着非常广泛的应用。温度测量仪器的设计要求在于：价格低廉、精度高、量程大。其关键就在于寻找开发优秀的测温材料。本研究旨在利用铁氧体的饱和磁化率对温度的依赖性，将铁氧体开发作为一种新型的测温材料，并设计一型以铁氧体为测温探头的温度测量仪器，以满足温度测量对高精度、大量程、价格低廉的需求。

2、以铁氧体为探头的测温仪的设计原理

以铁氧体作为测温探头的基本物理原理在于：铁氧体的饱和磁化率有着对温度的依赖性，进一步的研究发现，对于成分确定的铁氧体材料在其居里点附近的区间内饱和磁化率对温度的变化相当敏感，因而可以作为一种优良的测温材料[1]。

探头的具体的设计为：如图1所示在铁氧体磁环上以双线绕法缠绕初次两级线圈制成测温探头。

图1

在初级线圈中通以频率、有效值固定的正弦交变电流使磁环达到饱和磁化的状态，并在次级线圈端测量感应交变电流的有效值，当探头所处的温度发生变化时，其次级线圈测得的感应交变电流电压有效值随之发生变化。具体来说在电路设计中以ICL8038高精度波形发生芯片产生1KHz的低失真正弦波激励，产生的正弦波信号通过电压跟随电路后给到磁环的初级线圈，次级线圈的感应信号通过由LM324组成的仪用放大电路放大输出到交流有效值测量模块[2]，图2展示了整个仪器的硬件设计思路。

图2

（1）测温性能

磁环将温度的变化转换为饱和磁化率的变化，电路再进一步将饱和磁化率的变化转换为电压有效值的变化，即最终将温度这一非电学量转换为了电压有效值这一电学量。这种温度与感应电压有效值的对应关系是一种非线性关系，因而需要在足够多的温度点与标准温度计进行对比定标，得到以铁氧体为探头的测温仪的测温曲线，以一个居里点为66.4的铁氧体测温探头为例，其测温曲线如图3所示，横轴为温度，纵轴为测得的电压有效值。

图3

图4

单位温度的变化引起的电压的变化越大说明该测温仪的灵敏度越高，将测温曲线求导数作出的关系图像用于显征该测温仪的灵敏度，如图4所示。该图像显示了处在不同的温度时，每单位的温度变化引起的感应电压有效值的变化的大小。显然，以铁氧体为探头的测温仪在不同的温度区间测温的精度是不相同的。在设计的电路中，交流有效值测量模块的精度能达到0.1mV，若要求测温仪的普遍精度优于0.01，则要求每0.01的温度变化至少应该引起0.1mV的电压变化，对应于，如图4中的红线所示。故而在0~75的范围内，测温仪的精度优于0.01。值得注意的是，在居里温度点附近灵敏度曲线有一个明显的峰，这表明，温度的稍许变化将引起电压有效值的显著改变，故而测温仪在此测温区间内显得十分灵敏。进一步的研究发现，对于不同居里点的铁氧体磁环制成的测温探头都有类似的测温特性：在居里点附近都有一段区间能达到比较高的测温灵敏度，且越靠近居里点越灵敏。这意味着，通过搭配不同居里点的铁氧体探头将能覆盖相当广泛的温度区间，实现大量程、高精度的温度测量。

电子仪器普遍存在温度漂移的现象，电子元器件的温漂将引起测量误差。本研究中通过选取低温漂的电子元器件、充分预热仪器等措施尽量降低电路引入的测量误差，通过对选用电子元器件温度波动的测量并结合相应元器件手册给出的温漂数据计算，认为电路引入的误差小于500ppm。

为表征探头测量温度时的响应速度，研究中引入了热时间常数衡量其特性，即当温度发生突变时，温度传感器温度变化了始末温度差的63.2%所需的时间，测量表明其热时间常数小于7S。

最后将以居里点66.4的铁氧体为探头的温度测量仪的关键性能参数罗列如表1所示。