新型温度传感器的研究与发展

作者：沈阳市传感技术研究所 肖季春

欢迎访问e展厅 展厅 11 传感器展厅 差压变送器, 压力变送器, 压力传感器, 压力开关, 张力传感器, ... 温度是一个基本的物理现象，它是生产过程中应用最普通、最重要的工艺参数，无论是工农业生产，还是科学研究和国防现代化，都离不开温度测量及温度传感器。它是现代测试和工业过程控制中应用频率最高的传感器之一。然而，温度的准确测量并非轻而易举，即使有了准确度很高的温度传感器，但是，如果测量方法选择不当或者测量的环境不能满足要求，则都难以得到预期的结果。 温度测量的最新进展 当前，虽然主要的温度传感器，如热电偶、热电阻及辐射温度计等的技术已经成熟，但是只能在传统的场合应用，不能满足许多领域的要求，尤其是高科技领域。因此，各国专家都在针对性的竞争开发各种新型温度传感器及特殊的实用测量技术。 光纤温度传感器 光导纤维（简称光纤）自20世纪70年代问世以来，随着激光技术的发展，从理论和实践上都已证明它具有一系列的优越性，光纤在传感技术领域中的应用也日益受到广泛重视。光纤传感器是一种将被测量的状态转变为可测的光信号的装置。它是由光耦合器、传输光纤及光电转换器等三部分组成。目前已有用来测量压力、位移、应变、液面、角速度、线速度、温度、磁场、电流、电压等物理量的光纤传感器问世，解决了传统方式难以解决的测量技术问题。据统计，目前约有百余种不同形式的光纤传感器，用于不同领域进行检测。可以预料，在新技术革命的浪潮中，光纤传感器必将得到广泛的应用，并发挥出更多的作用。 特种测温热敏电缆 热电偶是传统的温度传感器，用途非常广泛。近年来，又发展出了一种新的测温技术，能在火灾事故预警中有独特的应用。这种新型温度传感器称为特种测温热敏电缆，又被称为连续热电偶Continuous Thermocouple)或寻热式热电偶（Heating Seeking Thermocouple）。 热敏电缆利用电偶热电效应，但测量的不是偶头部的温度，而是沿热电极长度上最高温度点的温度。由于这种独特功能，最初被发达国家作为高精技术设备铺设在航空母舰、驱逐舰的舰舱以及军用飞机等军事设备中。目前，已被广泛应用到各个领域来预防和减少因“过热”引起的事故和损失。 热敏电缆的主要性能 目前，热敏电缆主要有两种产品类型（FTLD和CTTC），它们测温原理相同，只是技术参数不同。 材料构成 外层保护管：FTLD型采用双层聚四氟乙烯，CTTC型采用铬镍铁合金。为有效避免测量环境中的粉尘、油脂以及水分等介质浸入，以及温度范围不同而引起的误报，故采用不同材料。测温元件：K型热电偶。 外形尺寸 目前现有的产品长度约6~15m，若需长度加大，可以将几根热敏电缆连接起来。外径尺寸FTLD为f3.5mm，CTTC为f9.3~18.7mm，可安装在传统探头无法铺设到的恶劣环境中。 工作温度 FTLD为-40~200℃，CTTC为-40~899℃。 分度与灵敏度 热敏电缆的分度与普通热电偶相近，由于连续热电偶的“临时”热接点不是紧密连接，热接点之外两电极间也并非完全绝缘，所以热敏电缆的输出热电势与同种热电偶相比稍有降低，换算成温度大约相差十几摄氏度，这对于火警预报来说是可以接受的。 响应时间 取决于单位长度热敏电缆的热容量，而热容量又是由材质与质量决定的，所以减少连续热电偶横截面的尺寸，能有效地缩短响应时间。 弯曲半径 除和热敏电缆组成材料的性能和质量有关外，还与隔离材料的密实程度有关。一般弯曲半径为热敏电缆外径的10~20倍。 石英温度计 随着生产及科学技术的发展，各部门对温度测量与控制的要求越来越高，尤其对高精度、高分辨率温度传感器的需求越来越强烈，普通的传感器难以满足要求。 石英温度计的特性 高分辨率 分辨率达0.001~0.0001℃。 高精度 在-50℃~120℃范围内，精度为±0.05℃。普通温度计的精度为±0.1℃。 误差小 热滞后误差小，响应时间为1s，可以忽略。 性能稳定 它是频率输出型传感器，故不受放大器漂移和电源波动的影响，即使将传感器远距离（如1500m）设置也不受影响，但是抗强冲击性能较差。 石英温度计的应用 石英温度计既可用于高精度、高分辨率的温度测量，又可作为标准温度计进行量值传递，也可以在现场稳态温度场合下进行精密测温或用于恒温槽的精密控温，还可用作远距离多点温度测量等。 声学温度计 声学测温技术具有测温原理简单、非接触、测温范围宽（0~1900℃）、可在线测量等优点，现已应用于发电厂、垃圾焚烧炉、水泥回转窑等工业过程的温度测量和控制。 利用超声波测量气体温度 利用测量超声波在气体中传播速度因温度不同而变化的温度计称为超声波温度计。用超声波测量气体温度具有响应速度快、不受外壁热辐射影响等优点。测量对象十分广泛，从滚梯上方气体的平均温度，到内燃机混合气体爆炸燃烧时的温度测量等。 超声波测量气体温度的工作原理与声学测温相同，声速的测量方法有两种： 脉冲法测量 如果扬声器与收音器间的距离为l，传播的时间为τ，则可依据u=l／τ，求得u。当测量场所有风时，若直接测量声速将产生误差。在这种情况下，将扬声器与收音器交换测量，选用两者的平均速度更为准确。 共振法测量 利用共振频率f=u/l可求得u。 固体超声波温度计 利用声波在固体中传播速度，随温度而变化的温度计称为固体超声波温度计。由于声波在固体中传播时，声速的灵敏度随温度的升高而增大，因此，这种温度计更适用于高温测量。 核四级共振温度计 (NQR温度计) 核磁共振是原子核系统的磁共振。具有核自旋的物质处于静磁场中，当在静磁场垂直方向加电磁波时，将对某频率的电磁波产生吸收现象即为核磁共振。氯酸钾KCIO3晶体中核自旋具有电四极矩的CI35原子核，在轴对称电场梯度中，自旋产生能级跃迁，出现吸收电磁波的现象，称核四级共振。利用共振吸收频率随温度升高而减少的特性制成的温度计，称为核四级共振温度计。该温度计可以作为标准温度计或高精度实用温度计。 NQR温度计的特性 高准确度、高分辨率 准确度可达±0.005K；共振吸收频率与温度的相关性好，在室温附近为5kHz/K，分辨率达1mK。 不需要分度 温度与吸收频率的关系，只取决于KCIO3的结构，从根本上保证良好的重现性（在6Kz以下）。 互换性好 在水三相点其互换性为±10Hz，性能极其优越。 输出为频率信号，容易保护高精度 可利用标准电波、电视信号等作高精度的基准信号，便于数字化处理。 温度范围广 对于高精度测量适用于室温至低温范围。 从检测微弱的吸收信号直到转换成温度，可全部实现自动化。 热噪声温度计 由于电子的热运动，可在电阻的两端产生由热噪声引起的电位起伏。这种热噪声又称约翰逊噪声，热噪声电压与温度之间存在确定关系。利用热噪声电压与温度的相互关系，可制成热噪声温度计。热噪声温度计具有如下特性：不需要分度；与传感器材料无关，不受压力影响；传感器的阻值几乎不影响测量精度；测温范围广（4-1400K）。 因此，热噪声温度计可望成为一种理想的测温方式。然而，热噪声温度计产生的电压信号小，信号处理困难，操作也复杂，至今仍未实用化。 半导体集成电路温度传感器 众所周知，晶体管的基极 — 发射极的正向压降随着温度的升高而减少。利用P-N结的这一固有特性，可制成温度传感器。AD590集成电路温度传感器就是典型的一种，DS1820则是最新的发展。 DSl820智能温度传感器 智能温度传感器是在半导体集成温度传感器的基础上发展起来的。其主要优点是采用数字化技术，能以数字形式直接输出被测温度；能够远程传输数据；用户可设定温度上、下限，具有越限自动报警功能；自带总线接口，适配各种微处理器和单片机，便于开发具有一定智能功能的温度测控系统。其中，DS1820就是典型的智能温度传感器。 基本特性 DSl820是美国生产的可组网数字式温度传感器。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。因体积小、转换快、分辨率高、数字量传输等，使其在多点测温、智能温度检测系统中有着广泛的应用。与其他温度传感器相比，DS1820具有以下特点： ● 独特的单线接口方式； ● 支持多点组网功能； ● 在使用中不需要任何外围元件。 ● 测温范围为-55~+125℃； ● 测量结果以9位数字量方式串行传送。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/15/2009)