第17卷 第4期 电子测量与仪器学报 Vol 17 No 4
JOU RNAL OF E LEC TRO NIC
2003年12月 MEASURE ME NT AND INSTRU MENT#1 #
温度传感器的响应延迟
熊 剑 于惠忠
(清华大学工程物理系,北京100084)
摘要在使用温度传感器的过程中,我们发现,从对热敏电阻加上阶跃信号到输出开始响应,总是存在一定的延迟效应。
专门设计实验进行研究,得出的结论是这个响应延迟与热敏电阻的时间常数 数量级接近,如果忽略这个延迟,则会出现重大偏差。
关键词:热敏电阻 时间常数 响应延迟
Response Delay of Thermal Sensors
Xiong Jian Yu Huizhong
(Department of Engineering Physics Tsinghua University,Beijing100084) Abstract:While using the thermal sensors,we find there is a delay time between the time when moti vation is putting on and the time when we ge t the response.After a special e xperiment,we get the conclu sion that this response delay is close to the time constant of the thermistor.If this delay is ignored,there!d be a great deviation.
Keywords:Thermistor,time constant,response delay.
1 引 言
热敏电阻是测量温度的常用传感器之一。
由于热敏电阻的灵敏度高,体积小,形态多样,可适用不同场合,在许多领域得到应用。
在动态测温过程中,仅了解热敏电阻的静态特性就不够了,需要测定热敏电阻的动态特性。
一般将热敏电阻视为一阶传感器,需要准确测定其时间常数 。
时间常数 的确定常常采用阶跃输入法。
许多作者对于热敏电阻的动态特性做过研究。
我们发现在研究过程中,用测得的时间常数 用于温度控制时总是出现一些问题。
经分析,我们怀疑是阶跃信号输入后到热敏电阻开始响应变化有一段时间差,即存在响应延迟现象。
为此我们专门设计实验对响应延迟进行研究。
2 实验装置
整个实验装置由图1所示的几部分组成。
阶跃信号以热敏电阻迅速投入恒温水浴产生,恒温水浴采用小功率加热水容器,使水保持近于沸腾状态。
室温22 5∀,水温97 5∀。
热敏电阻为固定于玻璃柱顶端的珠式热敏电阻。
本文于2002年2月收到。
熊剑:硕士生;于惠忠:副教授。
图1 实验装置
球直径约0 5mm,外表明玻璃层,
层厚约0 3mm 。
冷态电阻3 379k ,
热敏电阻常数B =3084。
热敏电阻
的电阻变化由变换电路转换为电压,
该电路采用精密恒流源流过热敏电
阻实现R /V 变换。
所得电压信号又
经过12位A /D 变换,在DOS 环境采集的数据先以数据文件形式存储于内存中,再存入磁盘,A/D 最高转换速率50kHz,实际采样速率20k 点每秒,每次连续采样30秒。
为了确定阶跃信号输入时刻与热敏电阻开始响应时刻之间的差异,我们采取液面上方距水面1c m 位置放置一对光电放射接受装置的办法,如图2所示。
热敏电阻上固定一遮光宽度5cm 高2c m 的聚苯乙烯泡沫塑料。
热敏电阻头露出约1cm 。
热敏电阻从水面上方0 5m 高处用皮筋垂直弹下,以控制每次垂直下落的速度。
入水速度由2gh =V 估计,V >313cm/s ,这样热敏电阻的入水时刻恰与泡沫塑料遮光时刻一致。
光被遮住时刻光电检测装置输出一个低电平脉冲信号,记录了热敏电阻入水时刻。
光电元件时间常数为纳秒量级,对于我们的实验可以忽略不计。
图2 光电放射接受装置
3 测试结果
图3是由采集到的数据所描绘出的电压-时间曲
线。
为使结果更清晰,坐标横轴为时间轴,零点取为
光电输出信号前数十毫秒。
纵轴为电压值,以A/D
采样数据计算出对应电压值表示。
图中,曲线1为热敏电阻两端电压随时间的变化
曲线,曲线2则表示了热敏电阻通过光路的过程。
从
实验曲线上可以看出,热敏电阻存在一个明显的响应
延迟,其延迟时间为64 6毫秒。
也就是说
,热敏电
图3 测试结果V-t 曲线
阻的延迟时间为数十毫秒。
与测得的时间常数 数
量级接近。
4 结果分析
从理论上讲,温度传感器的这个延迟效应是必
然存在的,这与其它传感器,如速度、加速度、力
传感器是不同的。
因为热的传递需要相对较大的时
间。
以热敏电阻为例,当周围环境温度发生变化
时,首先是电阻外层的玻璃感应到并跟随这一温度
的变化,然后热敏电阻本体才感应并跟随外层玻璃
的温度变化而变化。
如果想当然地认为,这个延迟时间是非常不显著的,对实际测量的影响也是微乎#2 #电子测量与仪器学报第17卷
其微的,则会出现重大偏差。
在实际实验中,通过对一个静态时间常数为数百毫秒量级的热敏电阻的动态校准,得出一个比较明显的延迟效应,其延迟时间为数十毫秒之多。
这说明热敏电阻的温度对时间的响应有一个相当的延时。
在实际生产中所采用的热敏电阻,封装壳更厚,延迟时间可能还会增加。
随着对传感器动态特性要求的提高,我们不能不考虑传感器的延迟效应。
参 考 文 献
[1]罗杰元,本科生毕业论文,2001.
[2]赵海宇,于惠忠,温度传感器动态校准的研究,电子测量与仪器学报,2001,15(3):25~29.
[3]张广军,黄俊钦,李行善,罗先和,温度传感器动态重复性、线性度与性能改进的研究,仪器仪表学报,
1999,18(2):119~124.
[4]马勤弟,雷敏,薄膜热电偶的动态校准及辨识建模,仪器仪表学报,1999,20(3):300~
302.
作 者 简 介
熊 剑:男,1979年3月31日生于四川渠县,2001年于清华大学电机工程与应用电子
技术系获工学学士学位,现于清华大学工程物理系测试计量技术与仪器专业攻读硕士学位,
主要研究方向是检测技术,传感器技术,数字信号处理等。
简 讯
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第4期温度传感器的响应延迟#3 #。