CN102589744A - 电感型温度传感器件 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新的温度检测理论方法和模型：利用热膨胀效应和位移变磁阻效应的乘积即复合热磁阻效应，将热膨胀材料和电感型传感器结合起来构成电感型温度传感器件。器件由热膨胀棒和带铁芯的线圈构成，热膨胀棒随温度变化产生形变，此形变将改变动铁芯和定铁芯间的磁隙

，进而整个磁路的磁阻会在位移变磁阻效应的作用下改变，则线圈的电感、阻抗和磁导率等参数就随温度而变化（即是温度的函数），函数关系可以通过理论推导得到，通过后续的调理电路测得相关参数即得到温度值。

Description

电感型温度传感器件

技术领域

本发明是利用热膨胀效应和位移变磁阻效应的乘积效应制得的一种电感型温度传感器件，通过热膨胀棒的形变改变磁路的磁阻，从而达到对温度进行测量的的目的。属于电子、通信与自动控制技术领域。

背景技术

(1)热膨胀效应：热膨胀材料随温度的变化产生微小形变，设热膨胀棒受热均匀，则磁隙δ的变化值等于热膨胀棒原长l′的变化值：

dδ＝dl′＝αl′ dT          (1)

其中α为热膨胀材料的热膨胀系数，由于系数为ppm量级，故可认为热膨胀棒原长保持不变，dT为温度变化值。

(2)位移变磁阻效应：带铁芯线圈的磁阻会随磁隙的变化而变化。由于传感器的磁隙通常较小，可以认为磁隙的磁场是均匀的，假设定铁芯和动铁芯采用同一种导磁材料且截面积A₁＝A₂＝A，则按图1传感器的磁路总磁阻为

$R_m=\frac{1}{A{\mathrm{\μ}}_0}(\frac{l-l_{\mathrm{\δ}}}{{\mathrm{\μ}}_r}+l_{\mathrm{\δ}})=\frac{1}{A{\mathrm{\μ}}_0}\left[\frac{l+l_{\mathrm{\δ}}({\mathrm{\μ}}_r-1)}{{\mathrm{\μ}}_r}\right]---\left(2\right)$

式中l为磁路总长，l_δ＝2δ为总磁隙长；

μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7(H/m)；

μ_r为铁芯的相对磁导率，通常μ_r＞＞1。

所以

可得铁芯线圈的电感为

$L=\frac{N^2}{R_m}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}A}{l_{\mathrm{\δ}}+l/{\mathrm{\μ}}_r}=K\frac{1}{l_{\mathrm{\δ}}+l/{\mathrm{\μ}}_r}---\left(3\right)$

式中N为线圈匝数，K＝μ₀N²A为一常数。

由公式(1)可知，磁隙l_δ和温度是线性关系，但公式(3)中电感和磁隙是一个反比例函数关系，故很明显温度传感曲线(电感随温度变化曲线)是非线性的。

对式(3)进行微分并结合公式(1)，可得自感温度传感器的灵敏度为：

$K_T=\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dT}}=\frac{\mathrm{\α}{l}^{\′}L}{l_{\mathrm{\δ}}+l/{\mathrm{\μ}}_r}---\left(4\right)$

如选用热膨胀系数α为200ppm/K的聚乙烯棒，且长度为40mm，选用相对磁导率μ_γ为15000的锰锌铁氧体^[26]，截面积为5×5mm²且线圈匝数N等于20，总磁路长110mm，初始磁隙δ为0.05mm，将以上参数带入公式(4)，可得其灵敏度约为1×10^-5H/K，对应每摄氏度电感变化率为8％，比半导体热敏电阻的温度系数值还要大，自然精度也可以保证。

为了改善单一式温度传感器件的线性度并继续提高灵敏度，特采用差动技术：将两定铁芯上的线圈对称组合，构成差动式温度传感器件，其中上下铁芯间采用基板固定，且要保证δ₁₀＝δ₂₀＝δ₀。其灵敏度为

$K_T=\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dT}}=\frac{2\mathrm{\α}{l}^{\′}L}{l_{\mathrm{\δ}}+l/{\mathrm{\μ}}_r}---\left(5\right)$

比较式(5)和式(4)，可见灵敏度提高一倍。仍采用单一式温度传感器件参数，可求出灵敏度为2×10^-5H/K，对应每摄氏度电感变化率为16％。

发明内容

要解决决技术问题：

本发明将热膨胀效应和位移变磁阻效应构成乘积即复合热磁阻效应，在这种效应指导下提出由热膨胀材料和铁芯线圈构成的两个电感型温度传感器件模型：单一式电感型温度传感器件和差动式电感型温度传感器件。通过热膨胀材料的应变改变铁芯磁隙，然后位移变磁阻效应改变铁芯材料的磁阻，进而改变线圈的自感或互感，最后通过后续的调理电路测得电感、阻抗和磁导率等相关参数即得到对应温度值。

为解决技术问题采取的技术方案：

(1)对单一式电感型温度传感器件，在推导出其公式(3)和公式(4)的电感和灵敏度表达式后，通过实验测量电路测出电感，绘出电感随温度变化曲线并分析其线性度。在工艺和结构允许的条件下调节初始磁隙找到最合适的值以得到较大的线性范围及灵敏度。

(2)对差动式电感型温度传感器件，理论推导出其电感和灵敏度表达式，进而求出测量电路输出电压幅值和阻抗的表达式，实验时采用差动相敏检波电路和差动整流电路作为解调电路进行测量。

有益效果：根据以上叙述，可知本发明有如下特点

(1)项目提出了一种新的复合效应和新的测温原理：利用的是热膨胀效应和位移变磁阻效应的乘积，即复合热磁阻效应；

(2)项目在复合热磁阻效应的指导下设计的两种温度传感器的结构新颖：将热膨胀棒与铁芯线圈的定铁芯和动铁芯通过胶粘剂复合，即可实现温度测量；

(3)复合热磁阻效应与电感型温度传感器件的技术指标先进：采用对应参数经理论计算表明，单一式电感型温度传感器灵敏度值为1×10^-5H/K，对应每摄氏度电感变化率为8％，比半导体热敏电阻的温度系数还要高得多。差动式电感型温度传感器件的灵敏度还可提高1倍。

附图说明：

附图1为单一式电感型温度传感器件结构图，图中包含热膨胀棒和一个带铁芯的线圈。

附图2为差动式电感型温度传感器件结构图，图中包含热膨胀棒和两个对称组合的带铁芯的线圈。

具体实施方案：

(1)选用合金钢、坡莫合金或铁氧体等高磁导率材料作为铁芯材料并绕上线圈，将热膨胀系数较大的材料如高分子材料聚乙烯polyethylene(PE)或Ethyleneethyl acrylate(EEA)切割成棒状作为感温元件，按照图1和图2制成电感型温度传感器件，其中热膨胀棒和两铁芯间用胶粘剂连接。温度变化时，热膨胀棒产生形变，使得动铁芯和定铁芯间的磁隙δ随着改变，磁路的磁阻将发生变化，通过线圈中的电感即可反映出温度值。

(2)对单一式电感型温度传感器件，通过测量电路测出电感，绘出温度传感曲线(电感随温度变化曲线)，根据电感值和温度传感曲线即可实现测温。当然通过测量阻抗和磁导率等参数亦可实现此目的。

(3)对差动式电感型温度传感器件，采用交流电桥或变压器电桥测量线圈的电感、电压幅值和阻抗等参数，利用公式转换得到或直接测得温度传感曲线，即可实现测温。

Claims (4)

1.电感型温度传感器件是利用了热膨胀效应和位移变磁阻效应的乘积即复合热磁阻效应，将热膨胀材料和电感型传感器结合起来而构成的，可以用于高灵敏和高精度温度测量领域；其结构特征主要由以下两个部分组成：（1）热膨胀棒，（2）带铁芯的线圈。

2.按权利要求书一所述的利用复合热磁阻效应的电感型温度传感器件，其原理特征在于：温度变化时，热膨胀棒产生形变，使得动铁芯和定铁芯间的磁隙                                                

随着改变，磁路的磁阻将发生变化，即利用了热膨胀效应和位移变磁阻效应的乘积。

3.按权利要求书一所述的温度传感器件，其模型包含两种：第一种是单一式，只包含一个动铁芯和线圈；第二种是改进了非线性及稳定性的差动式，由两动铁芯上的线圈对称组合，其中上下铁芯间采用基板固定。

4.按权利要求书一所述的温度传感器件中随温度而变化的参数包括线圈的电感、阻抗和磁导率等，上述任一参数均可用于对温度的测量。

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