以鐵氧體為探頭的溫度測量儀器

譚小平，張立輝，李 升，聶 盼，周 雄，任 逸

江漢大學物理與信息工程學院

以鐵氧體為探頭的溫度測量儀器

譚小平，張立輝，李 升，聶 盼，周 雄，任 逸

江漢大學物理與信息工程學院

鐵氧體的飽和磁化率有著對溫度的依賴性且鐵氧體材料在其居里點附近的區間內飽和磁化率對溫度的變化相當敏感。利用這一特性并設計出相應的測量電路，將溫度量轉化為電壓數值從而達到測量溫度的目的。研究中驗證了以鐵氧體作為測溫探頭的可行性及不同鐵氧體測溫探頭在各自居里點附近測溫特性的相似性，并制作了一型以鐵氧體為探頭的溫度測量儀器，測試了其測溫性能。本研究打破了鐵氧體傳統的應用范圍，將鐵氧體用作溫度的測量，發現了其在測溫方面幾點非常值得關注和研究的優異性能。

鐵氧體；飽和磁化率；居里點；溫度測量

1、引言

溫度的測量在科學研究、工業、生活中都有著非常廣泛的應用。溫度測量儀器的設計要求在于：價格低廉、精度高、量程大。其關鍵就在于尋找開發優秀的測溫材料。本研究旨在利用鐵氧體的飽和磁化率對溫度的依賴性，將鐵氧體開發作為一種新型的測溫材料，并設計一型以鐵氧體為測溫探頭的溫度測量儀器，以滿足溫度測量對高精度、大量程、價格低廉的需求。

2、以鐵氧體為探頭的測溫儀的設計原理

以鐵氧體作為測溫探頭的基本物理原理在于：鐵氧體的飽和磁化率有著對溫度的依賴性，進一步的研究發現，對于成分確定的鐵氧體材料在其居里點附近的區間內飽和磁化率對溫度的變化相當敏感，因而可以作為一種優良的測溫材料[1]。

探頭的具體的設計為：如圖1所示在鐵氧體磁環上以雙線繞法纏繞初次兩級線圈制成測溫探頭。

圖1

在初級線圈中通以頻率、有效值固定的正弦交變電流使磁環達到飽和磁化的狀態，并在次級線圈端測量感應交變電流的有效值，當探頭所處的溫度發生變化時，其次級線圈測得的感應交變電流電壓有效值隨之發生變化。具體來說在電路設計中以ICL8038高精度波形發生芯片產生1KHz的低失真正弦波激勵，產生的正弦波信號通過電壓跟隨電路后給到磁環的初級線圈，次級線圈的感應信號通過由LM324組成的儀用放大電路放大輸出到交流有效值測量模塊[2]，圖2展示了整個儀器的硬件設計思路。

圖2

（1）測溫性能

磁環將溫度的變化轉換為飽和磁化率的變化，電路再進一步將飽和磁化率的變化轉換為電壓有效值的變化，即最終將溫度這一非電學量轉換為了電壓有效值這一電學量。這種溫度與感應電壓有效值的對應關系是一種非線性關系，因而需要在足夠多的溫度點與標準溫度計進行對比定標，得到以鐵氧體為探頭的測溫儀的測溫曲線，以一個居里點為66.4的鐵氧體測溫探頭為例，其測溫曲線如圖3所示，橫軸為溫度，縱軸為測得的電壓有效值。

圖3

圖4

單位溫度的變化引起的電壓的變化越大說明該測溫儀的靈敏度越高，將測溫曲線求導數作出的關系圖像用于顯征該測溫儀的靈敏度，如圖4所示。該圖像顯示了處在不同的溫度時，每單位的溫度變化引起的感應電壓有效值的變化的大小。顯然，以鐵氧體為探頭的測溫儀在不同的溫度區間測溫的精度是不相同的。在設計的電路中，交流有效值測量模塊的精度能達到0.1mV，若要求測溫儀的普遍精度優于0.01，則要求每0.01的溫度變化至少應該引起0.1mV的電壓變化，對應于，如圖4中的紅線所示。故而在0~75的范圍內，測溫儀的精度優于0.01。值得注意的是，在居里溫度點附近靈敏度曲線有一個明顯的峰，這表明，溫度的稍許變化將引起電壓有效值的顯著改變，故而測溫儀在此測溫區間內顯得十分靈敏。進一步的研究發現，對于不同居里點的鐵氧體磁環制成的測溫探頭都有類似的測溫特性：在居里點附近都有一段區間能達到比較高的測溫靈敏度，且越靠近居里點越靈敏。這意味著，通過搭配不同居里點的鐵氧體探頭將能覆蓋相當廣泛的溫度區間，實現大量程、高精度的溫度測量。

電子儀器普遍存在溫度漂移的現象，電子元器件的溫漂將引起測量誤差。本研究中通過選取低溫漂的電子元器件、充分預熱儀器等措施盡量降低電路引入的測量誤差，通過對選用電子元器件溫度波動的測量并結合相應元器件手冊給出的溫漂數據計算，認為電路引入的誤差小于500ppm。

為表征探頭測量溫度時的響應速度，研究中引入了熱時間常數衡量其特性，即當溫度發生突變時，溫度傳感器溫度變化了始末溫度差的63.2%所需的時間，測量表明其熱時間常數小于7S。

最后將以居里點66.4的鐵氧體為探頭的溫度測量儀的關鍵性能參數羅列如表1所示。

表1

（2）以鐵氧體為探頭的測溫儀的優勢

①以鐵氧體作為測溫物質,其造價低廉。

②測量范圍廣：可以通過改變鐵氧體材料配比從而控制其居里點,制成覆蓋不同測溫區間的測溫探頭，實現大范圍的溫度測量。

③測量精度高：在合適的測溫區間內測量精度可以達到0.01℃，在居里點附近則更加靈敏。

④反應靈敏：熱時間常數小，可以很快與接觸物體達到熱平衡。

3、總結與討論

本研究中驗證了以鐵氧體作為測溫探頭的可行性及不同鐵氧體測溫探頭在各自居里點附近測溫特性的相似性，并以居里點66.4的鐵氧體作為測溫探頭設計制作了一型以鐵氧體為探頭的溫度測量儀器，測試了其測溫性能。

研究中顯示，在鐵氧體探頭居里點附近的溫度區間內，其測溫精度相當之高，可以專門用于設計成特定溫度區間的高精度溫度計，但要求同等高精度的定標工作。

研究中提出通過改變鐵氧體材料配比從而控制其居里點[3],制成覆蓋不同測溫區間的測溫探頭，進而實現大范圍的溫度測量的方法在高溫區尚存在一些問題:鐵氧體磁環上以雙線繞法纏繞初次兩級線圈制成的測溫探頭在高溫時可能導致線圈的損壞。需在今后的研究和設計中予以改進。

本研究打破了鐵氧體傳統的應用范圍，將鐵氧體用作溫度的測量，發現了其在測溫方面幾點非常值得關注和研究的優異性能，希望對鐵氧體測溫的后續研究將挖掘出其在測溫方面的更多優勢。

[1]柏維正.錳鋅鐵氧體居里溫度特性的應用[J].磁性材料及器件，1982年第01期

[2]楊云志,鄭昌瓊,冉均國.溫敏鐵氧體材料及磁性溫敏傳感器及其應用[J].硅酸鹽通報，1998年04期

[3]王夢魁.溫敏錳鋅鐵氧體的材料組成與居里溫度的關系的研究[J].錦州師范學院學報（自然科學版），2001年04期