劉 泉,王 秋,李冬林，譚興毅

(湖北民族學(xué)院，湖北 恩施 445000)

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基于壓應(yīng)力的新型溫度計(jì)設(shè)計(jì)

劉 泉,王 秋,李冬林，譚興毅*

(湖北民族學(xué)院，湖北 恩施 445000)

利用應(yīng)變式壓力傳感器測(cè)量由全橋式雙金屬片因熱脹冷縮產(chǎn)生的形變，獲得溫度調(diào)制的電壓信號(hào)，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片將信號(hào)傳入STM32F407ZGT6核心控制器，利用TFT屏幕來(lái)顯示所測(cè)溫度，獲得了一種低成本、低功耗的新型數(shù)字溫度計(jì)。

形變-電壓-溫度轉(zhuǎn)換；應(yīng)變式壓力傳感器；全橋式雙金屬片

溫度是描述熱力學(xué)系統(tǒng)平衡態(tài)宏觀性質(zhì)的基本物理量，反映了系統(tǒng)的大量微觀粒子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度[1]。溫度只能通過(guò)熱力學(xué)系統(tǒng)隨溫度變化而變化的某些特性來(lái)間接測(cè)量，例如常用的水銀體溫計(jì)利用的是體積隨溫度的變化關(guān)系，常用的數(shù)字溫度計(jì)采用電信號(hào)與溫度函數(shù)關(guān)系等等[2]。數(shù)字溫度計(jì)在生產(chǎn)、生活中已經(jīng)得到大量的應(yīng)用，但其適用范圍、產(chǎn)品的簡(jiǎn)易程度、形態(tài)大小等方面仍存在著諸多問(wèn)題[3]。本文在低成本、低功耗的前提下，針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)字溫度測(cè)量?jī)x器存在的不足，采用形變-溫度-電壓轉(zhuǎn)換的原理設(shè)計(jì)了新型的基于壓應(yīng)力的雙金屬片溫度計(jì)。

1 系統(tǒng)原理

儀器主要基于物質(zhì)的熱脹冷縮原理和胡克定律。一方面，雙金屬片也稱(chēng)熱雙金屬片，由二種或多種具有不同熱膨脹系數(shù)的金屬組成[4]。當(dāng)溫度變化時(shí)，由于各組元層的熱膨脹系數(shù)不同，主動(dòng)層的形變要大于被動(dòng)層的形變，從而雙金屬片的整體就會(huì)向被動(dòng)層一側(cè)彎曲，則這種復(fù)合材料的曲率發(fā)生變化從而使雙金屬片產(chǎn)生形變。另一方面，根據(jù)胡克定律，在應(yīng)力低于極限的情況下，固體中的應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)懦烧龋处?Εε，式中E為常數(shù)，稱(chēng)為彈性模量或楊氏模量。由于雙金屬片中由溫度引起的形變具有恢復(fù)原狀的性質(zhì)，所以該形變?yōu)閺椥孕巫儯易裱硕?。原?lái)長(zhǎng)度為l的任一固體，由于溫度變化所產(chǎn)生的長(zhǎng)度變化可用下列公式表示[5]：

Δl=lαΔT

(1)

將兩種不同膨脹率、厚度為d的帶材A和B粘合在一起，便組成一種雙金屬帶。溫度變化時(shí)，由于兩種材料的膨脹率不同會(huì)使雙金屬帶彎曲[6-7]，如圖1所示，則有:

圖1 雙金屬片形變圖

(2)

(3)

如果帶材A采用鐵鎳合金，即αA≈0,得到：

(4)

又根據(jù)幾何關(guān)系,如圖1所示，有：

(5)

(6)

再根據(jù)胡克定律：F=K2x

(7)

其中K2為回復(fù)力系數(shù),則：F=K2x=K1K2T=KT

(8)

即在雙金屬片中回復(fù)力與溫度具有正比例關(guān)系。根據(jù)上述關(guān)系，可設(shè)計(jì)如圖2所示的溫度傳感裝置，即將雙金屬片兩端固定，并在雙金屬片中部放置全橋式應(yīng)變片，測(cè)量某溫度下由雙金屬片產(chǎn)生的壓力，然后根據(jù)胡克定律計(jì)算形變量，最后根據(jù)(8)式推算出溫度，實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。

圖2 溫度計(jì)探頭模型圖

2 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)實(shí)際需求，系統(tǒng)由四大部分組成，如圖3所示：1)應(yīng)力測(cè)溫系統(tǒng)：由全橋式應(yīng)變片、雙金屬片和溫度補(bǔ)償片組成，負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集；2)主控系統(tǒng)：主要元件為STM32F407ZGT6單片機(jī)[8-9]，用于協(xié)調(diào)所有控制； 3)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類(lèi)型芯片所需要的外圍電路的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片的轉(zhuǎn)換電路；4)溫度監(jiān)控系統(tǒng)：一方面，含語(yǔ)音芯片WT588D-U的語(yǔ)音播報(bào)模塊負(fù)責(zé)播報(bào)當(dāng)前溫度；另一方面，光報(bào)警電路裝置在所測(cè)溫度高于設(shè)置的溫度上限或者低于溫度下限時(shí)，多個(gè)七彩LED燈以間隔1s閃爍報(bào)警，直至手動(dòng)對(duì)MCU復(fù)位為止。

圖3 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

3 系統(tǒng)原理的驗(yàn)證及儀器定標(biāo)

3.1 系統(tǒng)原理的驗(yàn)證

全橋式應(yīng)變片將壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，且電壓信號(hào)與壓應(yīng)力成正比關(guān)系，再根據(jù)式(8)可知壓應(yīng)力與應(yīng)變量和溫度都為正比例關(guān)系，故溫度與電壓信號(hào)具有正比例關(guān)系。儀器所測(cè)的溫度與電壓的關(guān)系如圖4所示，從圖中可以清楚的看出二者成正比例關(guān)系，利用數(shù)學(xué)軟件對(duì)該直線(xiàn)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，其關(guān)系為V=0.06T±0.000 3，由于0.000 3接近0可以忽略，溫度與電壓信號(hào)具有正比例關(guān)系，比例系數(shù)為0.06，說(shuō)明該數(shù)字溫度計(jì)原理可靠。

3.2 溫度計(jì)的標(biāo)稱(chēng)誤差和校準(zhǔn)

為了確保該溫度計(jì)的精確度，必須用級(jí)別較高的溫度計(jì)校準(zhǔn)鑒定。其中，標(biāo)稱(chēng)誤差指的是溫度計(jì)的讀數(shù)和準(zhǔn)確值之間的差異，包含了溫度計(jì)在構(gòu)造上各種不完善的因素所引入的誤差。為了確定標(biāo)稱(chēng)誤差，利用該溫度計(jì)和TH602F高精度的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)同時(shí)測(cè)量一定的溫度，其中標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)所測(cè)溫度為T(mén)s，本文設(shè)計(jì)的溫度計(jì)所測(cè)溫度為T(mén)x，此過(guò)程稱(chēng)為校準(zhǔn)。如前所述，溫度與電壓信號(hào)具有正比例關(guān)系，

故應(yīng)當(dāng)按照等分度原則進(jìn)行校準(zhǔn)，即校準(zhǔn)按照滿(mǎn)量程的0，1/n，2/n，3/n，…直至滿(mǎn)量程進(jìn)行測(cè)定。校準(zhǔn)得到溫度計(jì)各個(gè)示值下的絕對(duì)誤差，即：

ΔT=Ts-Tx

(9)

以Tx為橫坐標(biāo)，絕對(duì)誤差為縱坐標(biāo)，作出溫度計(jì)的校準(zhǔn)曲線(xiàn)，由校準(zhǔn)曲線(xiàn)可以得到溫度計(jì)的準(zhǔn)確值，其校準(zhǔn)曲線(xiàn)如圖5所示，本次校準(zhǔn)中n取10。而標(biāo)稱(chēng)誤差定義為：

(10)

圖4 溫度與電壓關(guān)系圖

圖5 溫度定標(biāo)數(shù)據(jù)分析

反應(yīng)了溫度計(jì)的精度，本溫度計(jì)的標(biāo)稱(chēng)誤差為0.05%，具有較高的精度。

4 結(jié) 論

利用雙金屬片和壓力傳感器設(shè)計(jì)了一種新型的數(shù)字溫度計(jì)，實(shí)現(xiàn)了形變-電壓-溫度轉(zhuǎn)換測(cè)溫原理。驗(yàn)證了設(shè)計(jì)原理的正確性，并對(duì)溫度計(jì)進(jìn)行了定標(biāo)，提高了該溫度計(jì)的精度。本儀器不僅豐富了測(cè)溫原理，還具有較好的應(yīng)用價(jià)值和較大的市場(chǎng)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

湖北民族學(xué)院2014年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014Z045)

1007-2934(2016)05-0038-03

O 4-33

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

*通訊聯(lián)系人