基于限幅运算放大器的超灵敏温差传感器

崔建国，宁永香

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

0 引言

在日常工作和生活中，有时需要检测冷却循环水中进水管和出水管的温度差；为了减轻穿堂风的危害，需要判断门窗是应该打开还是应该关闭；人们需要监视燃烧现场(如气体火焰)、防止火焰熄灭。

一般业界采用的方式是，采用两个参数相同的热敏电阻，以及两个在同样温度条件下测得与热敏电阻一样的金属膜电阻，将它们桥式连接，只要调节好引线的补偿，输出的就是温差；或者直接采用两个相同的热电偶，分别置于两种环境，再配接一个二次仪表进行运算就可以指示温差。

热电偶是一种温度传感器，热电偶输出的是毫伏信号，故上述方法可以作为温度指示器或者计算温差，但输出温度或温差却不能作为开关级应用。若在热电偶或热电阻温度变化范围内，人为的给回路中的电压或电流变化在4～20 mA电流里找一个对应，传感器便以这个对应电流的形式传送到变送器里，变送器的作用就是将传感器传来的电流信号处理后以数字信号的形式传给上位机，或显示仪表、或执行机构、或报警装置。

但变送器的程序一般用户无法进行修改，要通过厂家进行，故这是极为不方便的。所以如果有一种能直接测试温差的传感器是极好的，该温差传感器可直接输出开关量，进行相应的工业控制，下面设计一种应用限幅放大器设计的能在很宽温度范围内使用的热敏单元——温控传感器，这种温控传感器的输出可以实现以上的控制需求。

1 温差传感器工作原理

温差传感器电气原理图如图1所示。

图1 温差传感器电气原理图

该温差传感器由热敏尖电路、限幅放大器电路、温度补偿电路、传感器灵敏度调节电路、报警电路组成。

限幅运算放大器经过激光校正，优于普通运放，允许放大极小的输入电压而不受偏置影响。热电偶是用来测量温度(本质也是测量温差，但通过补偿电路将冷点温度补偿到0 ℃)，由于其体积、外形、材料的限制，不能灵活适应于各种复杂的环境，故不可能单独用来测量“真正的温差”，需要我们自制热敏元件。

1.1 热敏尖制作

对于极小的温差，可以设计一种热敏元件，这种热敏元件由铜线和电阻线构成，且无论外形、大小、还是两个热敏尖A、B的相对位置也可以任意改变，能适应极为恶劣的环境，环境的不良影响可通过合适的电路加以抑制，如图2所示。这种热敏元件其实也是一种热电偶，它是专门用来测量温差而不是测量温度的热敏元件，故不需要特意指明冷、热端。

图2 热敏元件的结构

1.2 运算放大器的特性

ICL7650作为运算放大器，处于开环运算模式，没有设置负反馈，因此灵敏度很高。这种电压比较电路输出端的电位与输入端的电位关系为：同相输入端大于反相输入端电压时，输出电压接近于正电源电压；同相输入端小于反相输入端电压时，输出电压接近于负电源电压。这种运算放大器必要的输入电压差处于毫伏级别，空载放大率越高，这个电压差越小。

这意味着，尽管同相和反相输入端之间的电压差很小，也会被放大很多倍。因此任何电压差都会使运放输出为电源的正负极的电平，完全取决于输入电压是高于还是低于基准电压。这种比较功能正是我们所需要的。

1.3 温差传感器电气原理解释

1.3.1 传感器灵敏度调整

在电气原理图1中，限幅运算放大器N1实际上组成了一个电压比较器，借助比较器反相输入端的附加电路，可以改变同相输入端引起比较器反转的输入信号的阈值电压，该阈值在零点附近灵敏度最高。

由稳压二极管V1(温度补偿式带隙基准电压源：1.23 V)及其外围电阻网络组成运算放大器反相输入端偏置电路，可以调节反相输入端的信号的直流分量，最终改变运算放大器输出信号翻转的阈值电压。

通过图中电位器POT可以调节传感器电路的灵敏度，灵敏度不要调的太高，以免电路中出现振荡或很小的输入电压差(实践中总是存在这种情况)就使比较器N1翻转，通过调节灵敏度使比较器具有一定的滞后作用。

将ICL7650第9脚(嵌位端)接在运算放大器反相输入端，是为了提高运算放大器输出信号直流分量。也就是说运算放大器输出与输入实际上的电位关系不仅取决于外置输入电压，而且依赖于与输入相关的偏置电压，ICL7650典型的输入偏置电流仅2 pA，这样输入端的外接电阻的阻值就可以很大，例如1 μV的扰动电压对应：

其中：R为1 μV扰动电压对应的外接输入电阻。

本设计选取反相输入端外接输入电阻R3阻值为1.2 MΩ。

1.3.2 传感器应用

图1前级所示的温差探测器电路能提供1 k(华氏温度)温差，所以被测试样品由于温差产生的影响都能用大小不同的电压保留下来，因此这个电路能在相当小的温差范围内使用。

这个温差传感器采用我们设计的“热电偶”作为温度感应装置，这两个彼此联通的热敏尖由相同的材料制成，它们或者作为两个相关的不同监测点，提供温差电压；或者像常见的热敏元件那样作为“自动温控系统”传感器，例如用作“穿堂风探测器”，正是房屋阴、阳两侧有温差才造成了穿堂风，温差越大、风速越大，故可以通过温差的探测从而自动开启或关闭门窗，以免造成人体被穿堂风损害。

这个实用的线路，适合于多种监测任务，事件若发生通过压电蜂鸣器HA发出警报，运放经一个晶体管驱动蜂鸣器。晶体管V2的基极没有偏置电压，故可能出现这样一种现象：放大器接通时没有确定的输出电位，因而对输入信号没反应。只要在V2的基极和集电极之间加一个负反馈电容C3，可克服这一缺点。

测试这一探测器(温差传感器)时，先送一个小脉冲，例如触摸一下热敏尖接头处，便产生一个检验脉冲，蜂鸣器会响起。由于蜂鸣器直流供电，故采用直流蜂鸣器。

探测器没有输入信号的时候，外部电网频率的干扰信号会进入电路，使蜂鸣器发出咯咯声，探测器有信号电压时会掩盖这个咯咯声。所以为了防止环境中的交变电压耦合进入探测器，输出端和反相输入端之间必须接入补偿电路，由于运算放大器的高阻特性，在大多数应用场合，使用一个2.7 pF的反馈电容C7作为补偿电路足以。

可以在电路上再加一个S1开关，以便在需要时能接入更大的电容。但是这增加了响应时间和关断时间。例如，仍以穿堂风探测器为例，推迟关断时间是有害的，如造成室内人风热感冒、肩周炎等病症。

1.4 功能扩展

功能扩展后的温差传感器，可以使用数字电压表来指示温差；其输出级还能用作开关级，如开关通风或取暖设备。热敏元件惰性很小有利于快速响应，借助这种传感器还能监视散装货物，防止它们自燃；另一个有意义的应用是，借助光学元件进行远距离温度检测，将探测器设置在焦点上。

1.5 电源

这个设计使用±4.5 V供电，可以由工频220 V经过整流、稳压提供；为了便于携带以及减小电网电压的交流干扰，可以使用9 V叠层电池、借助电压变换器ICL7660，将9 V电池电压转换为对称的±4.5 V，如图3所示。

2 结语

利用运算放大器ICL7650工作于限幅比较器工作状态，借助我们自制的热敏元件，组成一个温控传感器，该传感器可以作为温差指示器；也可以作为一般意义的输出开关数字信号的传感器，利用其输出开关量控制设备的开启或关闭，完成工业控制。该电路设计新颖、结构简洁，且经过仿真电路仿真测试，电路结构完美、元件参数准确。

图3 ±4.5 V变换器