CN102589745A

CN102589745A - 电涡流型温度传感器件

Info

Publication number: CN102589745A
Application number: CN2012100386991A
Authority: CN
Inventors: 李向阳; 刘敬
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2012-07-18

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阻抗效应的乘积即复合热阻抗效应，将热膨胀材料和电涡流型传感器结合起来构成电涡流型温度传感器件。如附图所示，器件由热膨胀柱和电涡流传感器构成，其中热膨胀柱和电涡流传感器的导体片用隔热胶粘接为一复合体，上线圈和下方复合体采用基板固定。热膨胀柱随温度变化产生形变，此形变将改变线圈和导体片的间隙

，进而线圈的阻抗会在位移变阻抗效应的作用下改变，线圈的其他参数如电感和品质因数

也会随温度而变化（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可得到温度值。

Description

电涡流型温度传感器件

技术领域

本发明是利用热膨胀效应和位移变阻抗效应的乘积效应制得的一种电涡流型温度传感器件，通过热膨胀柱的形变改变线圈的阻抗，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，如图1所示，设热膨胀柱受热均匀，则间隙δ的变化值等于热膨胀柱原长l₀的变化值：

dδ＝dl＝αl₀dT (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)位移变阻抗效应：当导体片和通以交变电流的线圈之间的间距发生变化，线圈的阻抗会随之变化。

如图1所示：有一通以交变电流

的传感器线圈。由于电流

的存在，线圈周围就产生一个交变磁场H₁。若导体片置于该磁场范围内，导体内便产生电涡流

也将产生一个新磁场H₂，H₂与H₁方向相反，力图削弱原磁场H₁，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。这些参数变化与导体片的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到导体片间的距离有关。如果控制温度改变，而使导体片的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率皆不变，就能构成测量温度的的传感器件。

为分析方便，我们将导体片上形成的电涡流等效为一个短路环中的电流。这样，线圈与导体片便等效为相互耦合的两个线圈，如图2所示。设线圈的电阻为R₁，电感为L₁，阻抗为Z₁＝R₁+jωL₁；短路环的电阻为R₂，电感为L₂；线圈与短路环之间的互感系数为M。M随它们之间的距离δ减小而增大。加在线圈两端的激励电压为

根据基尔霍夫定律，可列出电压平衡方程组

解之得

{\overset{\cdot}{I}}_{1} = \frac{{\overset{\cdot}{U}}_{1}}{R_{1} + \frac{ω^{2} M^{2}}{R_{2}^{2} + {(ω L_{2})}^{2}} R_{2} + jω (L_{1} - \frac{ω^{2} M^{2}}{R_{2}^{2} + {(ω L_{2})}^{2}} L_{2})}

{\overset{\cdot}{I}}_{2} = jω \frac{M {\overset{\cdot}{I}}_{1}}{R_{2} + jω L_{2}} = \frac{M ω^{2} L_{2} {\overset{\cdot}{I}}_{1} + jω {MR}_{2} {\overset{\cdot}{I}}_{1}}{R_{2}^{2} + {(ω L_{2})}^{2}}

由此可求得线圈受导体片涡流影响后的等效阻抗为

Z = R_{1} + R_{2} \frac{ω^{2} M^{2}}{R_{2}^{2} + {(ω L_{2})}^{2}} + jω (L_{1} - L_{2} \frac{ω^{2} M^{2}}{R_{2}^{2} + {(ω L_{2})}^{2}}) - - - (2)

线圈的等效电感为

L = L_{1} - L_{2} \frac{ω^{2} M^{2}}{R_{2}^{2} + {(ω L_{2})}^{2}} - - - (3)

由式(2)可见，由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线圈的品质因数Q下降。阻抗由Z₁变为Z，常称其变化部分为“反射阻抗”，由式(2)可得

Q = Q_{0} (1 - \frac{L_{2}}{L_{1}} \cdot \frac{ω^{2} M^{2}}{Z_{2}^{2}}) / (1 + \frac{R_{2}}{R_{1}} \cdot \frac{ω^{2} M^{2}}{Z_{2}^{2}}) - - - (4)

式中Q₀＝ωL₁/R₁——无涡流影响时线圈的Q值；

Z_{2} = \sqrt{R_{2}^{2} + ω^{2} L_{2}^{2}}

——短路环的阻抗。

由式(2)～(4)可知，线圈-导体片系统的阻抗、电感和品质因数都是该系统互感系数M平方的函数。而互感系数又是距离δ的非线性函数，因此Z＝f₁(δ)、L＝f₂(δ)、Q＝f₃(δ)都是非线性函数。但在一定范围内，可以将这些函数近似用一线性函数来表示，而由式(1)又知间距δ是温度T的线性函数，即通过测量Z、L或Q的变化就可以线性地获得温度的变化。

目前电涡流传感器测位移时的分辨率最高已做到0.05μm(量程为15μm时)，如选用热膨胀系数α为200ppm/K的聚乙烯棒作热膨胀材料，且长度为40mm，可根据公式(1)算出，本发明的电涡流型温度传感器件分辨率最高可达到6.3×10^-3K。

发明内容

要解决的技术问题：

本发明将热膨胀效应和位移变阻抗效应构成乘积即复合热阻抗效应，在这种效应指导下提出了由热膨胀材料、导体片和线圈构成的电涡流型温度传感器件模型。将热膨胀材料柱和导体片用隔热胶粘接为一复合体，通过热膨胀材料的应变改变导体片和线圈的间隙，然后位移变阻抗效应改变线圈的阻抗，进而改变线圈的电感和品质因数Q，最后通过后续的调理电路测得阻抗、电感和品质因数等参数即得到对应温度值。

为解决技术问题采取的技术方案：

对电涡流型温度传感器件，在推导出其公式(2)～(4)的阻抗、电感和品质因数表达式后，通过实验测量电路测出对应参数，绘出阻抗、电感和品质因数各参数随温度变化曲线，测量电路有三种：谐振电路、电桥电路与Q值测试电路，其中谐振电路又有三种类型：定频调幅式、变频调幅式与调频式。

在工艺和结构允许的条件下，根据理论表达式调节导体片的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率等参数，找到最合适的值以得到较大的线性范围及灵敏度。

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阻抗效应的乘积，即复合热阻抗效应；

(2)项目在复合热阻抗效应的指导下设计的温度传感器的结构新颖：器件由热膨胀柱和电涡流传感器构成，其中热膨胀柱和电涡流传感器的导体片用隔热胶粘接为一复合体，上线圈和下方复合体采用基板固定。如此即可实现温度测量；

(3)复合热阻抗效应与电涡流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，本发明的电涡流型温度传感器件分辨率最高可达到6.3×10^-3K。

附图说明：

附图1为电涡流型温度传感器件结构图，图中包含热膨胀柱、导体片和线圈。

附图2为电涡流型传感器件等效电路图，将线圈和导体片等效为相互耦合的两个线圈。

具体实施方案：

(1)导体片的电导率、磁导率对温度传感器件的灵敏度有影响。一般来说，电导率越高，灵敏度也越高。磁导率则相反，当导体片为磁性体时，灵敏度较非磁性体低。故选用电导率高而磁导率极低的铜、铝等金属作为导体片，将热膨胀系数较大的材料如高分子材料聚乙烯polyethylene(PE)或Ethylene ethylacrylate(EEA)切割成柱状作为感温元件，将两者按照图1用隔热胶粘接为一复合体；为了使传感器小型化，也可在线圈内加磁芯，以便在电感量相同的条件下，减少匝数、提高Q值。同时，加入磁芯可以感受较弱的磁场变化，造成μ值变化增大而扩大测量范围。

(2)器件制作完成后，线圈通以交变电流，改变温度值，通过谐振电路、电桥电路或Q值测试电路测出对应的阻抗、电感和品质因数三参数，并绘出三参数随温度变化曲线。如此即可实现测温。

Claims

1.电涡流型温度传感器件是利用了热膨胀效应和位移变阻抗效应的乘积即复合热阻抗效应，将热膨胀材料和电涡流型传感器结合起来而构成的，可以用于高分辨率和高精度温度测量领域；其结构特征主要由以下三个部分组成：（1）热膨胀柱，（2）线圈，（3）导体片。

2.按权利要求书一所述的利用复合热阻抗效应的电涡流型温度传感器件，其原理特征在于：温度变化时，热膨胀柱产生形变，使得线圈和导体片的间隙

随着改变，线圈的阻抗将发生变化，即利用了热膨胀效应和位移变阻抗效应的乘积。

3.随温度而变化的参数包括线圈的电感、阻抗和品质因数

等，上述任一参数均可用于对温度的测量。