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。
        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
       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。
     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。
  　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

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