崔建國(guó)，寧永香

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽(yáng)泉 045000)

0 引言

在日常工作和生活中，有時(shí)需要檢測(cè)冷卻循環(huán)水中進(jìn)水管和出水管的溫度差；為了減輕穿堂風(fēng)的危害，需要判斷門(mén)窗是應(yīng)該打開(kāi)還是應(yīng)該關(guān)閉；人們需要監(jiān)視燃燒現(xiàn)場(chǎng)(如氣體火焰)、防止火焰熄滅。

一般業(yè)界采用的方式是，采用兩個(gè)參數(shù)相同的熱敏電阻，以及兩個(gè)在同樣溫度條件下測(cè)得與熱敏電阻一樣的金屬膜電阻，將它們橋式連接，只要調(diào)節(jié)好引線的補(bǔ)償，輸出的就是溫差；或者直接采用兩個(gè)相同的熱電偶，分別置于兩種環(huán)境，再配接一個(gè)二次儀表進(jìn)行運(yùn)算就可以指示溫差。

熱電偶是一種溫度傳感器，熱電偶輸出的是毫伏信號(hào)，故上述方法可以作為溫度指示器或者計(jì)算溫差，但輸出溫度或溫差卻不能作為開(kāi)關(guān)級(jí)應(yīng)用。若在熱電偶或熱電阻溫度變化范圍內(nèi)，人為的給回路中的電壓或電流變化在4～20 mA電流里找一個(gè)對(duì)應(yīng)，傳感器便以這個(gè)對(duì)應(yīng)電流的形式傳送到變送器里，變送器的作用就是將傳感器傳來(lái)的電流信號(hào)處理后以數(shù)字信號(hào)的形式傳給上位機(jī)，或顯示儀表、或執(zhí)行機(jī)構(gòu)、或報(bào)警裝置。

但變送器的程序一般用戶(hù)無(wú)法進(jìn)行修改，要通過(guò)廠家進(jìn)行，故這是極為不方便的。所以如果有一種能直接測(cè)試溫差的傳感器是極好的，該溫差傳感器可直接輸出開(kāi)關(guān)量，進(jìn)行相應(yīng)的工業(yè)控制，下面設(shè)計(jì)一種應(yīng)用限幅放大器設(shè)計(jì)的能在很寬溫度范圍內(nèi)使用的熱敏單元——溫控傳感器，這種溫控傳感器的輸出可以實(shí)現(xiàn)以上的控制需求。

1 溫差傳感器工作原理

溫差傳感器電氣原理圖如圖1所示。

圖1 溫差傳感器電氣原理圖

該溫差傳感器由熱敏尖電路、限幅放大器電路、溫度補(bǔ)償電路、傳感器靈敏度調(diào)節(jié)電路、報(bào)警電路組成。

限幅運(yùn)算放大器經(jīng)過(guò)激光校正，優(yōu)于普通運(yùn)放，允許放大極小的輸入電壓而不受偏置影響。熱電偶是用來(lái)測(cè)量溫度(本質(zhì)也是測(cè)量溫差，但通過(guò)補(bǔ)償電路將冷點(diǎn)溫度補(bǔ)償?shù)? ℃)，由于其體積、外形、材料的限制，不能靈活適應(yīng)于各種復(fù)雜的環(huán)境，故不可能單獨(dú)用來(lái)測(cè)量“真正的溫差”，需要我們自制熱敏元件。

1.1 熱敏尖制作

對(duì)于極小的溫差，可以設(shè)計(jì)一種熱敏元件，這種熱敏元件由銅線和電阻線構(gòu)成，且無(wú)論外形、大小、還是兩個(gè)熱敏尖A、B的相對(duì)位置也可以任意改變，能適應(yīng)極為惡劣的環(huán)境，環(huán)境的不良影響可通過(guò)合適的電路加以抑制，如圖2所示。這種熱敏元件其實(shí)也是一種熱電偶，它是專(zhuān)門(mén)用來(lái)測(cè)量溫差而不是測(cè)量溫度的熱敏元件，故不需要特意指明冷、熱端。

圖2 熱敏元件的結(jié)構(gòu)

1.2 運(yùn)算放大器的特性

ICL7650作為運(yùn)算放大器，處于開(kāi)環(huán)運(yùn)算模式，沒(méi)有設(shè)置負(fù)反饋，因此靈敏度很高。這種電壓比較電路輸出端的電位與輸入端的電位關(guān)系為：同相輸入端大于反相輸入端電壓時(shí)，輸出電壓接近于正電源電壓；同相輸入端小于反相輸入端電壓時(shí)，輸出電壓接近于負(fù)電源電壓。這種運(yùn)算放大器必要的輸入電壓差處于毫伏級(jí)別，空載放大率越高，這個(gè)電壓差越小。

這意味著，盡管同相和反相輸入端之間的電壓差很小，也會(huì)被放大很多倍。因此任何電壓差都會(huì)使運(yùn)放輸出為電源的正負(fù)極的電平，完全取決于輸入電壓是高于還是低于基準(zhǔn)電壓。這種比較功能正是我們所需要的。

1.3 溫差傳感器電氣原理解釋

1.3.1 傳感器靈敏度調(diào)整

在電氣原理圖1中，限幅運(yùn)算放大器N1實(shí)際上組成了一個(gè)電壓比較器，借助比較器反相輸入端的附加電路，可以改變同相輸入端引起比較器反轉(zhuǎn)的輸入信號(hào)的閾值電壓，該閾值在零點(diǎn)附近靈敏度最高。

由穩(wěn)壓二極管V1(溫度補(bǔ)償式帶隙基準(zhǔn)電壓源：1.23 V)及其外圍電阻網(wǎng)絡(luò)組成運(yùn)算放大器反相輸入端偏置電路，可以調(diào)節(jié)反相輸入端的信號(hào)的直流分量，最終改變運(yùn)算放大器輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)的閾值電壓。

通過(guò)圖中電位器POT可以調(diào)節(jié)傳感器電路的靈敏度，靈敏度不要調(diào)的太高，以免電路中出現(xiàn)振蕩或很小的輸入電壓差(實(shí)踐中總是存在這種情況)就使比較器N1翻轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)靈敏度使比較器具有一定的滯后作用。

將ICL7650第9腳(嵌位端)接在運(yùn)算放大器反相輸入端，是為了提高運(yùn)算放大器輸出信號(hào)直流分量。也就是說(shuō)運(yùn)算放大器輸出與輸入實(shí)際上的電位關(guān)系不僅取決于外置輸入電壓，而且依賴(lài)于與輸入相關(guān)的偏置電壓，ICL7650典型的輸入偏置電流僅2 pA，這樣輸入端的外接電阻的阻值就可以很大，例如1 μV的擾動(dòng)電壓對(duì)應(yīng)：

其中：R為1 μV擾動(dòng)電壓對(duì)應(yīng)的外接輸入電阻。

本設(shè)計(jì)選取反相輸入端外接輸入電阻R3阻值為1.2 MΩ。

1.3.2 傳感器應(yīng)用

圖1前級(jí)所示的溫差探測(cè)器電路能提供1 k(華氏溫度)溫差，所以被測(cè)試樣品由于溫差產(chǎn)生的影響都能用大小不同的電壓保留下來(lái)，因此這個(gè)電路能在相當(dāng)小的溫差范圍內(nèi)使用。

這個(gè)溫差傳感器采用我們?cè)O(shè)計(jì)的“熱電偶”作為溫度感應(yīng)裝置，這兩個(gè)彼此聯(lián)通的熱敏尖由相同的材料制成，它們或者作為兩個(gè)相關(guān)的不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)，提供溫差電壓；或者像常見(jiàn)的熱敏元件那樣作為“自動(dòng)溫控系統(tǒng)”傳感器，例如用作“穿堂風(fēng)探測(cè)器”，正是房屋陰、陽(yáng)兩側(cè)有溫差才造成了穿堂風(fēng)，溫差越大、風(fēng)速越大，故可以通過(guò)溫差的探測(cè)從而自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉門(mén)窗，以免造成人體被穿堂風(fēng)損害。

這個(gè)實(shí)用的線路，適合于多種監(jiān)測(cè)任務(wù)，事件若發(fā)生通過(guò)壓電蜂鳴器HA發(fā)出警報(bào)，運(yùn)放經(jīng)一個(gè)晶體管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。晶體管V2的基極沒(méi)有偏置電壓，故可能出現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象：放大器接通時(shí)沒(méi)有確定的輸出電位，因而對(duì)輸入信號(hào)沒(méi)反應(yīng)。只要在V2的基極和集電極之間加一個(gè)負(fù)反饋電容C3，可克服這一缺點(diǎn)。

測(cè)試這一探測(cè)器(溫差傳感器)時(shí)，先送一個(gè)小脈沖，例如觸摸一下熱敏尖接頭處，便產(chǎn)生一個(gè)檢驗(yàn)脈沖，蜂鳴器會(huì)響起。由于蜂鳴器直流供電，故采用直流蜂鳴器。

探測(cè)器沒(méi)有輸入信號(hào)的時(shí)候，外部電網(wǎng)頻率的干擾信號(hào)會(huì)進(jìn)入電路，使蜂鳴器發(fā)出咯咯聲，探測(cè)器有信號(hào)電壓時(shí)會(huì)掩蓋這個(gè)咯咯聲。所以為了防止環(huán)境中的交變電壓耦合進(jìn)入探測(cè)器，輸出端和反相輸入端之間必須接入補(bǔ)償電路，由于運(yùn)算放大器的高阻特性，在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，使用一個(gè)2.7 pF的反饋電容C7作為補(bǔ)償電路足以。

可以在電路上再加一個(gè)S1開(kāi)關(guān)，以便在需要時(shí)能接入更大的電容。但是這增加了響應(yīng)時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間。例如，仍以穿堂風(fēng)探測(cè)器為例，推遲關(guān)斷時(shí)間是有害的，如造成室內(nèi)人風(fēng)熱感冒、肩周炎等病癥。

1.4 功能擴(kuò)展

功能擴(kuò)展后的溫差傳感器，可以使用數(shù)字電壓表來(lái)指示溫差；其輸出級(jí)還能用作開(kāi)關(guān)級(jí)，如開(kāi)關(guān)通風(fēng)或取暖設(shè)備。熱敏元件惰性很小有利于快速響應(yīng)，借助這種傳感器還能監(jiān)視散裝貨物，防止它們自燃；另一個(gè)有意義的應(yīng)用是，借助光學(xué)元件進(jìn)行遠(yuǎn)距離溫度檢測(cè)，將探測(cè)器設(shè)置在焦點(diǎn)上。

1.5 電源

這個(gè)設(shè)計(jì)使用±4.5 V供電，可以由工頻220 V經(jīng)過(guò)整流、穩(wěn)壓提供；為了便于攜帶以及減小電網(wǎng)電壓的交流干擾，可以使用9 V疊層電池、借助電壓變換器ICL7660，將9 V電池電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)稱(chēng)的±4.5 V，如圖3所示。

2 結(jié)語(yǔ)

利用運(yùn)算放大器ICL7650工作于限幅比較器工作狀態(tài)，借助我們自制的熱敏元件，組成一個(gè)溫控傳感器，該傳感器可以作為溫差指示器；也可以作為一般意義的輸出開(kāi)關(guān)數(shù)字信號(hào)的傳感器，利用其輸出開(kāi)關(guān)量控制設(shè)備的開(kāi)啟或關(guān)閉，完成工業(yè)控制。該電路設(shè)計(jì)新穎、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，且經(jīng)過(guò)仿真電路仿真測(cè)試，電路結(jié)構(gòu)完美、元件參數(shù)準(zhǔn)確。

圖3 ±4.5 V變換器