非接触测温热电堆15TP551N及其应用

非接触测温热电堆15TP551N及其应用NoncontactThermopile15YP551NandItsApplication■江苏省理化测试中心冯乙引前言热电堆是一种热释红外线传感器，它是由热电偶构成的一种器件。目前，它在耳式体温计、放射温度计、电烤炉、食品温度检测等领域中，作为温度检测器件获得了广泛的应用。本文介绍由日本石冢电子公司推出的新产品(图1)15TP551N热电堆的工作原理与使用方法。结构与工作原理被红外线照射的吸收膜是一种热容量小、温度容易上升的薄膜。在紧靠衬板中央的下部为一空洞结构，这种结构的设计确保了冷端和测温端的温度差。热电偶由多晶硅与铝构成，两者串联连接，如图2所示。当各个热电偶测温端温度上升时，热电偶之间就会产生热电动势Vn，因此在输出端就可以获得它们的电压之和。特征与规格15TP551N热电堆具有下述特点：●高灵敏度●响应速度快●灵敏度的温度系数小表1为15TP551N热电堆的主要电气特性,图3为它的各种特性。外围电路设计上的注意点在设计前置放大器电路时，对器件而言很重要的问题是输出电压的大小、元件的电阻及电压灵敏度的温度特性等。所以，在选择热电堆时，必须考虑选用输出电压大、元件电阻小与电压灵敏度温度系数小的器件。所谓电压灵敏度温度系数，是指热电堆的灵敏度随环境温度而变化的一个比值。可以这样说，这个值越小，则该热电堆就越是一个性能优良的热电堆。图4是一个在耳式体温计中使用的前置放大器电路。该电路的测定条件如下：在增益47dB、电源电压3V、被测物体温度范围32~42.2℃、热电堆的使用环境温度为5~40℃时，该电路在输出电压为0.2~2.7V范围内可以获得高精度的输出。图中A1(AD8571)为CMOS型运算放大器，t为测定热电堆所处环境温度的负温度系数热敏电阻，Vout为前置放大器的输出电压。由于热电堆的内阻较高(约55K)，而输出电压又非常小(仅几个mV)，所以必须使用具有高输入阻抗(＞1012)的CMOS输入运算放大器。但是输入偏置电压、输入偏置电流及其它们的温漂是产生温度测量误差的主要原因。例如：由输入偏置电流与热电堆器件电阻乘积求得的电压降，将被作为偏置输出。另外，在以电池供电的电路中，由于电源电压会逐渐降低，因此也必须选用电源抑制比(PSRR)大的运算放大器。在非接触温度计中的应用图5是一个非接触温度计中的应用。用高精度热敏电阻来测量热电堆所处的环境温度，然后由CPU计算出测量温度。可以在EEPROM中预先写入一些标准的温度条件，例如：在被测物体温度为37℃、热电堆所处环境温度为25℃条件下测得的输出电压。而且，热电堆的输出电压、运放的偏置及增益的离散性等等也可以通过软件来进行修正。另外，被测对象的温度与热电堆所处的环境温度之间，存在着下面的关系。Vout=A(Tb4-Ts4)Vout为热电堆的输出电压(V)A为比例系数Tb为被测物体的温度(K)Ts为热电堆所处的环境温度(K)因此，被测对象的温度，可以通过测量热电堆输出电压和热电堆所处环境的绝对温度，并通过运算后获得。