新型溫度傳感器的研究與發(fā)展

楊亮

【摘要】隨著近些年科技的迅猛發(fā)展，各種傳感器的研發(fā)工作也得到了很大程度的發(fā)展，其中溫度傳感器無疑是其中最主要的一大分支，溫度傳感器的主流類型有熱電偶、熱電阻及輻射溫度計等。這一部分的溫度傳感器應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成型已久，也獲得了良好的應(yīng)用效果，但主流溫度傳感器的開發(fā)是針對傳統(tǒng)領(lǐng)域的，對于近些年涌現(xiàn)出的諸多高科技領(lǐng)域，其應(yīng)用效果并不理想，因此，致力于開發(fā)針對各新領(lǐng)域的新型溫度傳感器及特殊的實用測量技術(shù)成為我國研發(fā)人員在傳感器領(lǐng)域的一大重要課題。

【關(guān)鍵詞】溫度傳感器；光纖傳感器；熱敏電纜

溫度是最為大家所熟知的物理參數(shù)，它是人們生產(chǎn)生活中接觸最廣泛也是最重要的一個工藝參數(shù)，無論是農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)還是工業(yè)的發(fā)展，甚至科學(xué)研究和現(xiàn)代化國防建設(shè)，都涉及到溫度這一參數(shù)，也就自然而然的需要溫度測量以及新型溫度傳感器和測量技術(shù)的研發(fā)。隨著近些年科技的迅速發(fā)展，溫度傳感器儼然成為科技研發(fā)和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用范圍最廣的傳感器之一，也因此有了傳統(tǒng)領(lǐng)域的傳統(tǒng)溫度傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展。但是溫度傳感器或者說傳感器的針對性很強，在不同領(lǐng)域的溫度測量工作可能因為細微的環(huán)境變化就會造成測量精度的顯著偏差，必須有針對性的進行應(yīng)用才能取得滿意的測量結(jié)果。特別是針對近些年涌現(xiàn)出的諸多高科技領(lǐng)域，情況更是明顯。必須致力于開發(fā)針對各新領(lǐng)域的新型溫度傳感器及特殊的實用測量技術(shù)以滿足科技研發(fā)以及工業(yè)發(fā)展的需求。本文將對近些年出現(xiàn)的一些新型溫度傳感器原理與應(yīng)用前景進行簡單介紹。

一、光纖溫度傳感器

光線溫度傳感器的出現(xiàn)得益于光導(dǎo)纖維（簡稱光纖）的出現(xiàn)和其在應(yīng)用領(lǐng)域的潛力陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。光纖早在上個世紀70年代就被研發(fā)出來，隨著相關(guān)技術(shù)的完善，光纖的一系列優(yōu)點使其在眾多傳感材料中脫穎而出，特別是近幾年激光技術(shù)的成熟，促使了光纖傳感在應(yīng)用領(lǐng)域得到了研發(fā)人員的青睞。光纖傳感器的種類眾多，主要有壓力光纖傳感器、位移光纖傳感器、角速度和線速度光纖傳感器、溫度光纖傳感器、電流光纖傳感器、電壓光纖傳感器等近百種不同類型的光纖傳感器，這些傳感器的面世，解決了許多傳統(tǒng)傳感器力所不及的新型應(yīng)用問題。雖然種類繁多，但眾多光纖傳感器原理大致相同，都是將被測量的物理參數(shù)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號。光纖傳感器一般由三大部分構(gòu)成——光耦合器、傳輸光纖及光電轉(zhuǎn)換器?？梢灶A(yù)料，在未來技術(shù)發(fā)展的新技術(shù)革命的浪潮中，光纖傳感器必將扮演更加重要的作用。

二、特種測溫?zé)崦綦娎|

傳統(tǒng)的溫度傳感器采用熱電偶作為主要部件，并在傳統(tǒng)溫度測量領(lǐng)域取得了良好的測量效果。近些年隨著應(yīng)用領(lǐng)域的細化，也促進了特種溫度傳感器的發(fā)展。近年來，隨著對火災(zāi)事故預(yù)警的重視，使得特種測溫?zé)崦綦娎|得到了廣泛的應(yīng)用。這一特種測溫傳感器也被稱為連續(xù)熱電偶或?qū)崾綗犭娕肌?/p>

熱敏電纜雖然也是利用電偶熱電效應(yīng)，但不同于傳統(tǒng)溫度傳感器的是，它測量的不是偶頭部的溫度，而是沿?zé)犭姌O長度上最高溫度點的溫度。由于熱敏電纜的這一優(yōu)點，它首先被安裝在航空母艦、軍用飛機等高精度、高科技含量的軍事設(shè)備中。隨著近些年一些軍用技術(shù)的民用化，熱敏電纜也被應(yīng)用在眾多領(lǐng)域來預(yù)防和減少因“過熱”引起的事故和損失。

目前，民用的熱敏電纜主要有兩個類型（FTLD和CTTC），它們測溫原理相同，只是材料構(gòu)成、外形尺寸、工作溫度等主要技術(shù)參數(shù)不同。

熱敏電纜的分度與普通熱電偶雖有些許差異，但基本上可以忽略。這是因為，雖然連續(xù)熱電偶的“臨時”熱接點不是緊密連接，熱接點之外兩電極間也并非完全絕緣，導(dǎo)致了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，但這一誤差范圍這對于火警預(yù)報來說仍在可以接受的范圍之內(nèi)。

三、石英溫度計

隨著技術(shù)向著高精尖方向發(fā)展，科學(xué)研發(fā)和工業(yè)發(fā)展對溫度測量與控制的要求日趨苛刻，尤其是高精度、高分辨率的溫度傳感器在眾多領(lǐng)域中扮演起越來越重要的角色，大有取代普通傳感器的趨勢，其中最為大家接受的當(dāng)屬石英溫度傳感器。石英溫度傳感器之所以能有理想的應(yīng)用效果，主要得益于其精密的特性：

高分辨率：分辨率達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?。簾釡笳`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，即使將傳感器遠距離（如1500m）設(shè)置也不受影響，但是抗強沖擊性能較差。

石英溫度傳感器的諸多優(yōu)點使得其在一些特定應(yīng)用領(lǐng)域大有一枝獨秀的勢頭。石英溫度計既可用于高精度、高分辨率的溫度測量，又可作為標準溫度計進行量值傳遞，也可以在現(xiàn)場穩(wěn)態(tài)溫度場合下進行精密測溫或用于恒溫槽的精密控溫，最讓人稱道的是利用它還可以遠距離地進行多點溫度測量。這些都是傳統(tǒng)溫度傳感器力所不及之處，石英傳感器的發(fā)展極大地填補了這一不足。

四、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℃）、可在線測量等一系列優(yōu)點，特別是非接觸這一特性使得其成為顯著區(qū)別于傳統(tǒng)溫度傳感器的新型傳感器。也使得其在諸如發(fā)電廠、垃圾焚燒爐、水泥回轉(zhuǎn)窯這樣測溫環(huán)境惡劣、不是適宜接接觸的工作環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用。

五、利用超聲波測量氣體溫度

超聲波溫度計的原理基礎(chǔ)是超聲波在氣體中傳播速度是一變化函數(shù)，當(dāng)溫度改變時，其傳播速度也發(fā)生變化。同時，由于測量工作具有響應(yīng)速度快、不受外壁熱輻射影響等優(yōu)點，使得超聲波溫度計的測量精度得到了保證。

聲速的測量方法大致有兩種：

脈沖法測量：如果發(fā)聲器與聲音接收裝置間的距離為L，傳播的時間為t，則可依據(jù)u=L/t，求得u。當(dāng)測量環(huán)境的風(fēng)速較大時，為保證測量精度，不要按照之前的方法直接測量聲速，可以將聲音發(fā)射器與聲音接收器在一次測量后進行位置交換，然后進行第二次測量，選用兩者的平均速度作為測量結(jié)果。

共振法測量：利用共振頻率f=u/l可求得u。

除此之外，還有固體超聲波溫度計、核四級共振溫度計 （NQR溫度計）、DSl820智能溫度傳感器、熱噪聲溫度計等諸多類型應(yīng)用廣泛的新型溫度傳感器。但無論種類如何繁多，新型傳感器的發(fā)展方向始終是向著高精度、高靈敏度穩(wěn)步前進。

結(jié)語

近年來，新型溫度傳感器的發(fā)展方式依然明了，各式溫度傳感器層出不窮，我們有理由相信隨著未來生產(chǎn)與研發(fā)的加速，新型溫度傳感器的研發(fā)競爭將日趨慘烈，但也畢竟是各國科技競爭的必爭之地。致力于開發(fā)針對各新領(lǐng)域的新型溫度傳感器及特殊的實用測量技術(shù)將是我國能否在傳感器領(lǐng)域保持與世界同步甚至是超越諸多發(fā)達國家的關(guān)鍵課題之一。

參考文獻

[1]胡玲.光纖溫度傳感器的研究與發(fā)展[J].科協(xié)論壇（下半月），2010（05）.

[2]胡鴻志.基于新型溫度傳感器的數(shù)字溫度計設(shè)計[J].電子測量與儀器學(xué)報，2011（08）.

[3]王魁漢，張志鵬.溫度傳感器的國產(chǎn)化研究與應(yīng)用[J].金屬熱處理，2014（12）.