李　偉，李杰超，閆衛(wèi)平

(大連理工大學電子科學與技術(shù)學院，遼寧大連　116024)

0　引言

平板微熱管利用工作流體在其內(nèi)部微槽道中產(chǎn)生的毛細力實現(xiàn)液體回流，通過汽液相變實現(xiàn)熱量的傳遞。平板微熱管具有體積小、傳熱效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，已經(jīng)成為高熱流密度芯片散熱的潛在解決方案[1-2]。為精確檢測沿熱管軸向的溫度分布，以便深入開展熱管傳熱特性的研究，需要搭建檢測靈敏度高、穩(wěn)定性好、能實時檢測及顯示的多通道溫度檢測系統(tǒng)。

金屬Pt具有正溫度系數(shù)，與常規(guī)金屬或半導(dǎo)體熱敏電阻相比，Pt 薄膜電阻具有性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、溫度系數(shù)較大、線性度高等特點，已成為廣泛采用的溫度傳感器材料[3-4]。利用磁控濺射技術(shù)直接在熱管表面制備 Pt 薄膜電阻，可以減少由于溫度傳感器與熱管接觸不良而產(chǎn)生的溫度測量誤差，實現(xiàn)對平板微熱管溫度分布的實時精確檢測。

Pt100溫度傳感器因其具有高穩(wěn)定及高靈敏的特性，成為市場銷售最為普及的溫度傳感器之一[5]。文中文首先利用Pt100溫度傳感器搭建了檢測靈敏度高、穩(wěn)定性好、體積小、可實時檢測及顯示的多通道溫度檢測系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上改進設(shè)計了Pt 薄膜電阻的檢測系統(tǒng)，并對兩者的檢測結(jié)果進行了對比。

1　檢測系統(tǒng)設(shè)計

1．1系統(tǒng)整體設(shè)計方案

文中首先采用Pt100溫度傳感器，利用傳統(tǒng)的橋式電路將溫度信號轉(zhuǎn)換為微弱的電壓信號，經(jīng)放大再通過 MSP430 F149 單片機對放大后的模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過串口電路傳輸給上位機，最后采用 MFC 編程將其繪制成溫度曲線在上位機進行顯示。

考慮到 MSP430 引腳允許輸入的最高電壓為3．6 V(供電電壓+0．3 V)，實際使用中很容易出現(xiàn)輸入電壓過高的情況，例如在橋式電路中 Pt 電阻開路時的輸出電壓會高達 10 V，為保護單片機不因輸入電壓過高而燒毀，設(shè)計了限壓保護電路，將輸出的模擬信號電壓限制在3．6 V 以下。

為增大模擬電路的輸入阻抗，減小輸出阻抗，使輸出電壓更穩(wěn)定，采用了電壓跟隨器。最后，將模擬信號輸送至單片機進行處理，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后再傳送給上位機進行繪圖及顯示。系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1．2Pt100及Pt薄膜電阻的溫度特性

Pt100的阻值會隨著其周圍溫度的升高而增加，利用多項式的曲線擬合，市場購置的 Pt100在0～926 ℃溫度范圍內(nèi)的電阻-溫度關(guān)系可用二次多項式表示[6]：

R(t)=R0(1+At+Bt2)

(1)

式中：R0、R(t)分別表示0 ℃ 和t℃ 時Pt100的電阻值，擬合系數(shù)A=3．908 3×10-3，B=-5．775×10-7，該式又稱為分度函數(shù)。

從式(1)可以看出，R(t)函數(shù)是一個開口向下的拋物線[7]，如圖2所示。其中曲線①為Pt100特性曲線，曲線②為線性化的理想直線。

圖2　Pt100的特性及線性曲線

經(jīng)理論計算，Pt100在0～500 ℃區(qū)間的非線性誤差為1．290 94%；在0～100 ℃的非線性誤差為0．1%；特別是在 250 ℃時鉑電阻的非線性誤差最大，達 4% 左右。所以，在 0～120 ℃范圍測溫時可按線性處理[8]。

與此同時，文中文還在硅基底上制作了室溫下(24 ℃)阻值分別為 86 Ω和 128 Ω的Pt 薄膜電阻，并對其溫度曲線進行了測試和擬合，其結(jié)果如圖3所示。其中，A組與B組數(shù)據(jù)分別代表室溫時阻值為128 Ω及86 Ω的Pt 薄膜電阻溫度特性曲線。從圖中可以看，在0～120 ℃溫度范圍內(nèi)，Pt 薄膜電阻值具有非常好的線性溫度特性，用其進行溫度檢測電路設(shè)計將帶來方便。

圖3　Pt薄膜電阻的溫度特性曲線

1．3橋式檢測電路

文中采用傳統(tǒng)的橋式電路對 Pt100 的溫度信號進行采集，如圖4所示。為避免 Pt 電阻自身電阻發(fā)熱引起溫度變化導(dǎo)致測量誤差，將流過Pt100的電流控制在1 mA以內(nèi)，因Vcc=3．3 V，所以取R1=R2=5．1 kΩ．若利用此電路對Pt薄膜電阻進行檢測，由于Pt 薄膜電阻值有一定的偏差，所以R3采用0～200 Ω可調(diào)電阻。在實際應(yīng)用時，通過調(diào)節(jié)R3阻值使其滿足Pt薄膜電阻隨溫度的變化范圍，可實現(xiàn)溫度的精確檢測。

圖4　溫度采集電路

為了使該檢測系統(tǒng)滿足不同阻值的Pt薄膜電阻的測量范圍，文中以 Pt100 檢測電路中的R3為基準值，分析了室溫下不同Pt薄膜電阻值在此電路下的溫度測量范圍，其結(jié)果如表1所示。

表1　薄膜電阻值與測量最高溫度關(guān)系

從表中可以看出，隨著Pt薄膜電阻值的增加，該檢測系統(tǒng)測溫范圍隨之減小，而要求的測溫范圍是0～120 ℃．因此，在Pt100的電路設(shè)計基礎(chǔ)上，只需根據(jù)Pt薄膜電阻的阻值改變可調(diào)電阻R3的阻值，即可轉(zhuǎn)換成滿足不同Pt薄膜電阻條件的溫度檢測系統(tǒng)。

在實際工作時，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R3的阻值，使其為Pt薄膜電阻在0 ℃時的阻值Rpt0(Rpt0可通過薄膜電阻的溫度曲線進行推算)，若在0 ℃時的電橋輸出電壓Vo=0 V，則T℃時的電壓應(yīng)為：

(1)

式中δ為T℃時Pt電阻相對0 ℃電阻值的變化量。

此時，輸出電壓的相對非線性誤差為：

(2)

當溫度為120 ℃時，δ=0．46，E值達到23%。若后續(xù)電路繼續(xù)對電壓信號進行放大，則線性度將進一步變差。因此，當利用Pt100測溫的基本電橋電路進行Pt薄膜電阻檢測時，其線性度變差，測量精度不高，需要對其進行線性優(yōu)化設(shè)計。

1．3電橋電路的非線性偏差及其正反饋線性校正

文中通過電阻R6引入正反饋，構(gòu)成隨Pt薄膜電阻的增加不斷增強的正反饋，從而達到非線性校正的目的，校正電路如圖5所示。同樣，為了避免 Pt 電阻發(fā)熱引起阻值的變化，設(shè)定R6=33 kΩ．C1、C2為濾波電容，C1=100 nF，C2=1 μF，用以防止高頻噪聲的影響。R1、R4構(gòu)成負反饋，對輸入電壓進行放大，取R7=93．62 kΩ，R4=4．8 kΩ，R5=10 kΩ．通過推導(dǎo)可得此時輸出電壓：

(3)

輸出電壓的相對線性誤差為：

(4)

圖5　非線性校正電路

由式(4)可以看出，即使溫度達到文中設(shè)計的最高溫度120 ℃時，δ=0．46，輸出電壓的相對非線性誤差E仍然很小，幾乎可忽略不計。因此，加入正反饋電路的檢測系統(tǒng)，其線性度明顯改善。

1．4限幅電路設(shè)計

限幅保護電路如圖6所示。D2是一個3．3 V的穩(wěn)壓二極管，R11為保護穩(wěn)壓管的限流電阻，D1為普通二極管，LED是起報警作用的發(fā)光二級管。在+15 V電壓作用下，D2被反向擊穿，從而將運放同相輸入端的電壓V3穩(wěn)定在3．3 V，由于運放開環(huán)增益很大，當運放反相輸入端電壓Vo小于V3時，輸出端V6會輸出一個很大的正值電壓(理想狀態(tài)下是+15 V)，從而使二極管D1及LED處于截止狀態(tài)，此時Vo端不受影響。當運放反相輸入端電壓Vo小于V3時，輸出端V6輸出一個很大的負值電壓(理想狀態(tài)下是-15 V)，此時D1及LED導(dǎo)通，相當于一個電壓跟隨器，強制Vo的電壓和V3相等，即將Vo限制在3．3 V．

圖6　限幅保護電路原理圖

文中設(shè)計的整體電路如圖7所示。

圖7　模擬部分整體電路

2　模擬電路仿真及系統(tǒng)軟件設(shè)計

2．1模擬電路仿真

為了驗證電路系統(tǒng)設(shè)計的合理性，文中采用LTSPICE IV 仿真軟件進行仿真。當輸出電壓線性變化時，輸出結(jié)果如圖8所示。

圖8　模擬電路輸出端電壓

從仿真結(jié)果可以看出，當輸入端線性變化時，輸出端能夠?qū)斎氲奈⑷跣盘栠M行放大，并很好地隨其進行線性變化。當輸出端超過數(shù)字電路允許的最大輸入電壓時，限幅電路將電壓限制在數(shù)字電路允許的最大輸入電壓。文中設(shè)計的硬件電路實現(xiàn)了溫度信號的采集、放大及濾波，并具有良好的線性度，可保證系統(tǒng)的溫度測量精度。

2．2系統(tǒng)軟件設(shè)計

在 Windows 下開發(fā)串口通信程序的方法主要有兩種，一種是通過 Windows API 串口編程，另一種是通過 MSComm 控件編寫程序。后者可以簡化串口程序的開發(fā)，用戶不必了解復(fù)雜的 API 函數(shù)，通過 MSComm 控件的屬性、方法和事件，就可以實現(xiàn)串口操作的大部分功能。文中采用 MSComm 控件來進行串口程序的編寫，界面如圖9所示。

圖9　室溫測量曲線

3　測試結(jié)果及其分析

3．1溫度標定

文中設(shè)計的檢測系統(tǒng)，其模擬信號轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量N與實際溫度T近似成線性關(guān)系：

T=ai·N+bi

(5)

式中：ai、bi為常數(shù)；i=1，2…8分別代表不同的通道。

為擬合出該函數(shù)關(guān)系，文中通過調(diào)節(jié)恒溫水浴箱的溫度變化，利用高精度水銀溫度計進行溫度測量，同時用軟件記錄采集到的數(shù)值，將這些數(shù)值和測得的實際溫度用 Mathematica 軟件進行擬合，得到了每個通道轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值N和溫度T之間的線性函數(shù)關(guān)系。

經(jīng)過函數(shù)擬合后，用其測量了室溫時各通道Pt薄膜電阻的阻值，其阻值所對應(yīng)的溫度關(guān)系如圖9所示。從圖中可以看出，8 條曲線完全重合成一條曲線，并且數(shù)值和高精度水銀溫度計測得的溫度一致，說明系統(tǒng)實現(xiàn)了相同溫度下多路檢測點的精確測量。

3．2Pt100溫度檢測

為分析微型平板熱管的傳熱特性，利用該系統(tǒng)對其溫度分布進行了測試。8 路 Pt100 溫度傳感器等間距分布在微熱管底部，改變微熱管傾角，分布固定為90 ℃、60 ℃、30 ℃、0 ℃，每個傾角測試 6 min左右，測試結(jié)果如圖10所示。

從圖中可以看出，隨著熱管傾角的增大，重力輔助液體回流作用逐漸減弱，熱管各點的溫差逐漸增大，熱管的傳熱性能逐漸變差，此結(jié)果與熱管的傳熱理論相一致[9-10]。這也說明該系統(tǒng)能夠運用于熱管傳熱特性測試的研究。

圖10　測試曲線

3．3鉑薄膜電阻的溫度測試

為了分析集成有Pt薄膜電阻檢測系統(tǒng)的性能，文中在硅片上制作了室溫(24 ℃)下阻值分別為86 Ω和128 Ω的Pt薄膜電阻，并用其分別替換8路Pt100 溫度傳感器檢測系統(tǒng)中的第7路和第8路的Pt100溫度傳感器，利用6路Pt100和2路Pt薄膜溫度傳感器檢測系統(tǒng)同時進行了不同水溫的測量，測試結(jié)果如圖11所示。從圖中可以看出，所有8路傳感器的檢測曲線都很好地重合在一起，說明只需將系統(tǒng)設(shè)計的電橋檢測電路中的可調(diào)電阻R3根據(jù)溫度傳感器的阻值進行合理設(shè)置，即可適用于Pt100及Pt薄膜電阻對不同溫度的同時檢測，這將有助于擴大檢測系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

圖11　Pt100與Pt薄膜鉑電阻聯(lián)合測試結(jié)果

4　結(jié)束語

文中設(shè)計的基于 Pt100 及Pt薄膜電阻的溫度檢測系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)橋式檢測電路中可調(diào)節(jié)電阻的阻值，可實現(xiàn)兩種溫度傳感器分別或同時對多路溫度的同時檢測，并具有較高的溫度檢測精確。通過設(shè)計限幅電路，避免了當溫度過高或由于 Pt 電阻開路導(dǎo)致電壓過高，對單片機起到了保護作用。

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