数字质量厚度传感器温度特性分析

1　引言

目前的电子仪器设备，主要由电子元器件、半导体器件等组成。这就存在两个问题：一是很多元器件，尤其是半导体器件受温度影响很严重，如Pbs等；二是电子元器件都有一个温度限制，其可靠性与温度成反比，超过这一限制时，可靠性和平均无故障时间将急剧地降低。研究表明，将仪器的温度循环故意超过20℃，其失效率增加8倍［1］。

可见，对仪器仪表实施温度控制在很多情况下是十分必要的。

在造纸过程中，检测纸张定量、水分、灰分的传感器，位于纸机烘缸之后，此处温度很高。对于生产卷烟纸等的纸机，其尾部未设冷缸，到传感器处，纸张的温度约为65～75℃，仪表的散热问题十分重要［2］。目前，从造纸过程控制使用的仪表来看，进口仪表几乎都采用通水冷却散热［3］。国产仪表几乎未采取任何散热措施。通水冷却，对水温有一定要求，同时存在水管密封难、易出水珠、维修维护难、造价高等问题，给实际应用带来不便；国产仪表，性能和可靠性均难满足要求［2］。

针对上述情况，通过对现代热控制技术的分析研究，我们提出了采用热管与半导体致冷联合散热控温方案［4］。

2　数字质量厚度传感器简介

数字核辐射质量厚度传感器，其基本原理如图1所示。

图1　数字式质量厚度传感器基本结构图

其基本工作原理为：放射源的射线束辐射到被测物上，除部分被吸收、部分发生散射外，穿过被测物质的β射线，辐射到接收器的闪烁体上，闪烁体产生荧光，荧光光子经光电倍增管转换放大，形成脉冲式电子流，再经放大整形及驱动，以脉冲形式送至微机，微机对其计数，再通过计算，便得出被测物质的质量厚度。

用于核光变换的闪烁体，其使用温度应在75—80℃以下，否则将影响精度和使用寿命。光电倍增管对温度变化也极其敏感，随温度升高，光电倍增管的增益减小、信噪比增大、暗电流增大，这些因素都影响传感器的灵敏度、稳定性等。因此光电倍增管最好保持在常温下工作。高温环境下使用时，可采用热管和半导体致冷散热的控温技术，试验证明效果非常好。

3　温度特性分析

β射线穿过物质时，由于发生电离和激发以及韧致辐射，使低能β很快被吸收。对β谱的主要部分来说，吸收曲线近似为指数下降：

　　　　I=I0e-μmxm (1)

式中I0、I分别为穿过xm厚物质前、后的β辐射量，μm为质量吸收系数。

0℃时，空气密度为1.2929kg/m3。假设质量厚度测量仪的气隙高度为12mm。放射源及接收器直径为40mm。在0～60℃范围内，温度每变化10℃，空气密度平均变化约3.3%，气隙高度为12mm，其空气等效定量约为1.2929×12=15.6g/m2，气隙定量变化为15.6×3.3%=0.515g/m2。

可见，气隙温度变化对测量仪的精度影响很大，可采用测温、软件补偿予以消除。

暗电流及热噪声除受管子加工制作及原材料影响外，主要受温度变化影响，其温度关系曲线分别如图2及3所示。

图2　温度变化对光电倍增管暗电流影响曲线 图3　温度变化对光电倍增管热噪声影响曲线

可见，降温或控温对闪烁探测器性能提高是十分必要的。

4　热管控温技术

热管是一种高效的传热器件，具有极好的导热性，可在极小的温差下远距离高效地传输热量，且不需任何外部压送功率。

图4是一种典型的热管结构。它是一个封闭的容器。整个热管从纵向上可分为蒸发段、绝热段和冷凝段；从径向上可分为液态工质、管芯和管壳。管芯用于浸透工质的液相，管壳内的其余部分容纳工质的汽相。

图4　热管工作原理示意图

热量从蒸发段输入、冷凝段排出。当蒸发段受热时，管芯材料中的液态工质蒸发。一方面，由此建立起蒸发段与冷凝段间的压差，把蒸汽从该段驱送到冷凝段。只要冷凝段温度低于蒸汽的饱和温度，它就在该段凝结，并把汽化潜热传给外部散热器耗散掉。另一方面，蒸发段管芯材料中液体蒸发，使该段的液汽界面缩入管芯，使界面曲率半径减小到产生毛细压力。该毛细压力把冷凝段的液相工质抽吸回蒸发段，使之重新蒸发。这一过程周而复始，高效地将热量从蒸发段转移到冷凝段。

由于热管是靠相变潜热来传热的，因此，热管两端温差很小，一般为零点几至几度间。热管的导热能力极高，是良金属导体的103—104倍。

5　散热控温方案

我们所要散热控温的仪表是在线式检测仪表，其特点是周围环境温度较高。散热控温措施应简单、可靠，最好不要带一些辅助设备，因检测仪一般要随扫描架探头等运动件一起运动。另外，仪表中某些元器件，对散热控温精度要求很高，同时要求散热控温装置最好能较快地将外部环境变化带来的及自身产生的热量散发出去，即要求一定的快速性。

基于上述情况，我们采用局部半导体致冷，用绝热管将半导体致冷器热端热量传到仪表外，用扩大面积自然冷却或强制风冷将热量散掉。该方案在需要散发热量不是很大时，可以采用图5所示的结构。

图5　热管半导体致冷器散热控温方案

对于气隙温度影响，我们采用温度传感器检测，软件补偿方法消除。而光电倍增管采用半导体致冷器和热管联合散热控温的办法。

热管的引入，使仪表的散热控温问题得到较彻底的解决。

性能指标：使用温度范围为10～60℃；控温精度为±2℃。

图6给出了使用上述散热控温技术后，数字质量厚度传感器的八小时漂移曲线，其均方差为0.1026g/m2；不加温控时一般为0.6～1.0g/m2左右。可见，温控系统加入使仪表性能大为提高。

图6　质量厚度传感器八小时漂移曲线

6　结论

温度变化影响质量厚度传感器的灵敏度和稳定性，利用热管高效的传热性及极好的导热性特点，采用半导体致冷器和热管散热的控温技术，使质量厚度传感器的性能大为提高。该技术可广泛用于各种在线式传感器，有很好的推广价值。