热荧光分析仪温度传感器的研究

1　引言

热荧光现象是在自然科学的各领域中常见的现象之一[1~3]。人们根据这一现象,研究出了热荧光分析仪,并广泛应用于材料性能测试、遗迹遗物的年代测试、放射性物质的放射剂量测试等领域。在进行热荧光分析时,需要将热荧光试料加热到一定的温度范围内,再对荧光量和颜色进行测量,从而获得试料的参数。根据热荧光分析仪的用途不同,其测温范围也有所不同。对于常用的热荧光分析仪,其温度变化范围是100~500℃。在进行热荧光分析时,需要对试料进行30~60s的匀速加热,这就需要对金属加热板的温度进行精确的测量及控制,因此必须选择时间常数小而测温范围宽的感温元件来提高测量精度。文献[4~5]介绍了用热荧光分析技术研究半导体材料及铀矿,但是没有提到试料温度测试用温度传感器及其测温精度。文献[6]介绍了一种使用适温涂料进行温度智能解析的方法,该方法具有灵敏度高、误差小的优点,但不能重复使用,限制了它在热荧光分析仪中的应用。本文根据热荧光分析仪中温度测量要求,选用J型热电偶作为敏感元件。J型热电偶的覆盖测量温区为-200~1200℃,但通常使用的温度范围为0~750℃,具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性较好,价格便宜等优点,十分适合于热荧光分析温度测量。本文设计了基于J型热电偶的温度测量电路,并通过回归分析以及PN结冷端补偿等方法提高传感器的测量精度,试验证明该方案具有较好的测量精度。

2　热荧光温度测量系统的设计

热电偶由两种不同的金属A和B构成闭合回路,当两个接触端温度不同时,回路中会产生热电势,它由接触电势和温差电势所决定[7]。接触电势是由于金属导体内部的自由电子密度的不同造成的,其表达式为

从式(3)中可以看出,热电势EAB(T,T0)是冷端和热端的温度函数的差,是一个非线性函数。测量得到热电势后,一般通过对应于热电偶的分度表来确定被测温度。为降低测量电路的复杂程度,我们使用运算放大器和线性度较好的J型热电偶来组成热电偶放大电路。

由于热电偶冷端的温度不为0℃,并且也不会保持恒定,因此必须对热电偶进行冷端补偿以消除环境温度变化给测量带来的影响。这里我们采用PN结补偿法作为本系统的温度补偿方法.热荧光分析仪的测温系统框图如图1所示。

该测温系统由五个部分组成:热电偶测量电路、PN结测量电路、加法器、数显仪、PC机数据采集电路组成。放大器1将热电偶的输出电势转换为与温度呈线性关系的电压,并通过加法器与PN结测出的冷端温度相加来作冷端补偿。加法器的输出信号一路通过数据显示器显示出来,另一路经过调理后送入A/D转换,通过PC机对温度测量结果进行采集。