淺析新型溫度傳感器的研究與發(fā)展

　　溫度是一個基本的物理現(xiàn)象，它是生產(chǎn)過程中應(yīng)用最普通、最重要的工藝參數(shù)，無論是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還是科學(xué)研究和國防現(xiàn)代化，都離不開溫度測量及溫度傳感器。它是現(xiàn)代測試和工業(yè)過程控制中應(yīng)用頻率最高的傳感器之一。然而，溫度的準(zhǔn)確測量并非輕而易舉，即使有了準(zhǔn)確度很高的溫度傳感器，但是，如果測量方法選擇不當(dāng)或者測量的環(huán)境不能滿足要求，則都難以得到預(yù)期的結(jié)果。

　　溫度測量的最新進(jìn)展
 
　　當(dāng)前，雖然主要的溫度傳感器，如熱電偶、熱電阻及輻射溫度計等的技術(shù)已經(jīng)成熟，但是只能在傳統(tǒng)的場合應(yīng)用，不能滿足許多領(lǐng)域的要求，尤其是高科技領(lǐng)域。因此，各國專家都在針對性的競爭開發(fā)各種新型溫度傳感器及特殊的實用測量技術(shù)。

　　光纖溫度傳感器
 
　　光導(dǎo)纖維(簡稱光纖)自20世紀(jì)70年代問世以來，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，從理論和實踐上都已證明它具有一系列的優(yōu)越性，光纖在傳感技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用也日益受到廣泛重視。光纖傳感器是一種將被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。它是由光耦合器、傳輸光纖及光電轉(zhuǎn)換器等三部分組成。目前已有用來測量壓力、位移、應(yīng)變、液面、角速度、線速度、溫度、磁場、電流、電壓等物理量的光纖傳感器問世，解決了傳統(tǒng)方式難以解決的測量技術(shù)問題。據(jù)統(tǒng)計，目前約有百余種不同形式的光纖傳感器，用于不同領(lǐng)域進(jìn)行檢測?？梢灶A(yù)料，在新技術(shù)革命的浪潮中，光纖傳感器必將得到廣泛的應(yīng)用，并發(fā)揮出更多的作用。

　　特種測溫?zé)崦綦娎|
 
　　熱電偶是傳統(tǒng)的溫度傳感器，用途非常廣泛。近年來，又發(fā)展出了一種新的測溫技術(shù)，能在火災(zāi)事故預(yù)警中有獨(dú)特的應(yīng)用。這種新型溫度傳感器稱為特種測溫?zé)崦綦娎|，又被稱為連續(xù)熱電偶Continuous Thermocouple)或?qū)崾綗犭娕?Heating Seeking Thermocouple)。
 
　　熱敏電纜利用電偶熱電效應(yīng)，但測量的不是偶頭部的溫度，而是沿?zé)犭姌O長度上最高溫度點(diǎn)的溫度。由于這種獨(dú)特功能，最初被發(fā)達(dá)國家作為高精技術(shù)設(shè)備鋪設(shè)在航空母艦、驅(qū)逐艦的艦艙以及軍用飛機(jī)等軍事設(shè)備中。目前，已被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域來預(yù)防和減少因“過熱”引起的事故和損失。

　　熱敏電纜的主要性能
 
　　目前，熱敏電纜主要有兩種產(chǎn)品類型(FTLD和CTTC)，它們測溫原理相同，只是技術(shù)參數(shù)不同。
 
　　材料構(gòu)成 外層保護(hù)管：FTLD型采用雙層聚四氟乙烯，CTTC型采用鉻鎳鐵合金。為有效避免測量環(huán)境中的粉塵、油脂以及水分等介質(zhì)浸入，以及溫度范圍不同而引起的誤報，故采用不同材料。測溫元件：K型熱電偶。
 
　　外形尺寸 目前現(xiàn)有的產(chǎn)品長度約6~15m，若需長度加大，可以將幾根熱敏電纜連接起來。外徑尺寸FTLD為f3.5mm，CTTC為f9.3~18.7mm，可安裝在傳統(tǒng)探頭無法鋪設(shè)到的惡劣環(huán)境中。
 
　　工作溫度FTLD為-40~200℃，CTTC為-40~899℃。
 
　　分度與靈敏度 熱敏電纜的分度與普通熱電偶相近，由于連續(xù)熱電偶的“臨時”熱接點(diǎn)不是緊密連接，熱接點(diǎn)之外兩電極間也并非完全絕緣，所以熱敏電纜的輸出熱電勢與同種熱電偶相比稍有降低，換算成溫度大約相差十幾攝氏度，這對于火警預(yù)報來說是可以接受的。
 
　　彎曲半徑 除和熱敏電纜組成材料的性能和質(zhì)量有關(guān)外，還與隔離材料的密實程度有關(guān)。一般彎曲半徑為熱敏電纜外徑的10~20倍。 

　　石英溫度計
 
　　隨著生產(chǎn)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各部門對溫度測量與控制的要求越來越高，尤其對高精度、高分辨率溫度傳感器的需求越來越強(qiáng)烈，普通的傳感器難以滿足要求。

　　石英溫度計的特性
 
　　高分辨率分辨率達(dá)0.001~0.0001℃。 高精度 在-50℃~120℃范圍內(nèi)，精度為±0.05℃。普通溫度計的精度為±0.1℃。
 
　　誤差小 熱滯后誤差小，響應(yīng)時間為1s，可以忽略。
 
　　性能穩(wěn)定 它是頻率輸出型傳感器，故不受放大器漂移和電源波動的影響，即使將傳感器遠(yuǎn)距離(如1500m)設(shè)置也不受影響，但是抗強(qiáng)沖擊性能較差。

　　石英溫度計的應(yīng)用
 
　　石英溫度計既可用于高精度、高分辨率的溫度測量，又可作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計進(jìn)行量值傳遞，也可以在現(xiàn)場穩(wěn)態(tài)溫度場合下進(jìn)行精密測溫或用于恒溫槽的精密控溫，還可用作遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度測量等。

　　聲學(xué)溫度計
 
　　聲學(xué)測溫技術(shù)具有測溫原理簡單、非接觸、測溫范圍寬(0~1900℃)、可在線測量等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已應(yīng)用于發(fā)電廠、垃圾焚燒爐、水泥回轉(zhuǎn)窯等工業(yè)過程的溫度測量和控制。

　　利用超聲波測量氣體溫度
 
　　利用測量超聲波在氣體中傳播速度因溫度不同而變化的溫度計稱為超聲波溫度計。用超聲波測量氣體溫度具有響應(yīng)速度快、不受外壁熱輻射影響等優(yōu)點(diǎn)。測量對象十分廣泛，從滾梯上方氣體的平均溫度，到內(nèi)燃機(jī)混合氣體爆炸燃燒時的溫度測量等。
 
　　超聲波測量氣體溫度的工作原理與聲學(xué)測溫相同，聲速的測量方法有兩種：
 
　　脈沖法測量 如果揚(yáng)聲器與收音器間的距離為l，傳播的時間為τ，則可依據(jù)u=l/τ，求得u。當(dāng)測量場所有風(fēng)時，若直接測量聲速將產(chǎn)生誤差。在這種情況下，將揚(yáng)聲器與收音器交換測量，選用兩者的平均速度更為準(zhǔn)確。
 
　　共振法測量 利用共振頻率f=u/l可求得u。

　　固體超聲波溫度計
 
　　利用聲波在固體中傳播速度，隨溫度而變化的溫度計稱為固體超聲波溫度計。由于聲波在固體中傳播時，聲速的靈敏度隨溫度的升高而增大，因此，這種溫度計更適用于高溫測量。
 
　　核四級共振溫度計(NQR溫度計)
 
　　核磁共振是原子核系統(tǒng)的磁共振。具有核自旋的物質(zhì)處于靜磁場中，當(dāng)在靜磁場垂直方向加電磁波時，將對某頻率的電磁波產(chǎn)生吸收現(xiàn)象即為核磁共振。氯酸鉀KCIO3晶體中核自旋具有電四極矩的CI35原子核，在軸對稱電場梯度中，自旋產(chǎn)生能級躍遷，出現(xiàn)吸收電磁波的現(xiàn)象，稱核四級共振。利用共振吸收頻率隨溫度升高而減少的特性制成的溫度計，稱為核四級共振溫度計。該溫度計可以作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計或高精度實用溫度計。

　　NQR溫度計的特性
 
　　高準(zhǔn)確度、高分辨率 準(zhǔn)確度可達(dá)±0.005K;共振吸收頻率與溫度的相關(guān)性好，在室溫附近為5kHz/K，分辨率達(dá)1mK。
 
　　不需要分度 溫度與吸收頻率的關(guān)系，只取決于KCIO3的結(jié)構(gòu)，從根本上保證良好的重現(xiàn)性(在6Kz以下)。

互換性好 在水三相點(diǎn)其互換性為±10Hz，性能極其優(yōu)越。
 
　　輸出為頻率信號，容易保護(hù)高精度 可利用標(biāo)準(zhǔn)電波、電視信號等作高精度的基準(zhǔn)信號，便于數(shù)字化處理。
 
　　溫度范圍廣 對于高精度測量適用于室溫至低溫范圍。 從檢測微弱的吸收信號直到轉(zhuǎn)換成溫度，可全部實現(xiàn)自動化。

　　熱噪聲溫度計
 
　　由于電子的熱運(yùn)動，可在電阻的兩端產(chǎn)生由熱噪聲引起的電位起伏。這種熱噪聲又稱約翰遜噪聲，熱噪聲電壓與溫度之間存在確定關(guān)系。利用熱噪聲電壓與溫度的相互關(guān)系，可制成熱噪聲溫度計。熱噪聲溫度計具有如下特性：不需要分度;與傳感器材料無關(guān)，不受壓力影響;傳感器的阻值幾乎不影響測量精度;測溫范圍廣(4-1400K)。
 
　　因此，熱噪聲溫度計可望成為一種理想的測溫方式。然而，熱噪聲溫度計產(chǎn)生的電壓信號小，信號處理困難，操作也復(fù)雜，至今仍未實用化。

　　半導(dǎo)體集成電路溫度傳感器
 
　　眾所周知，晶體管的基極— 發(fā)射極的正向壓降隨著溫度的升高而減少。利用P-N結(jié)的這一固有特性，可制成溫度傳感器。AD590集成電路溫度傳感器就是典型的一種，DS1820則是最新的發(fā)展。

　　DSl820智能溫度傳感器
 
　　智能溫度傳感器是在半導(dǎo)體集成溫度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其主要優(yōu)點(diǎn)是采用數(shù)字化技術(shù)，能以數(shù)字形式直接輸出被測溫度;能夠遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù);用戶可設(shè)定溫度上、下限，具有越限自動報警功能;自帶總線接口，適配各種微處理器和單片機(jī)，便于開發(fā)具有一定智能功能的溫度測控系統(tǒng)。其中，DS1820就是典型的智能溫度傳感器。

　　基本特性
 
　　DSl820是美國生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。因體積小、轉(zhuǎn)換快、分辨率高、數(shù)字量傳輸?shù)?，使其在多點(diǎn)測溫、智能溫度檢測系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。與其他溫度傳感器相比，DS1820具有以下特點(diǎn)： 
 
　　獨(dú)特的單線接口方式; 
 
　　支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能; 
 
　　在使用中不需要任何外圍元件。 
 
　　測溫范圍為-55~+125℃; 
 
　　測量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。