溫度檢測方法與溫度傳感器

1、 第12卷第1期1999年1月聊城師院學報(自然科學版 Journal of L iaocheng T eachers U niversity (N at . Sci . V o l . 12N o. 1Jan . 1999溫度檢測方法與溫度傳感器王立新1楊少卿2鄭宏軍2趙桂青2(1 聊城師范學院教育工程系, 聊城252059; 2 物理系 摘要介紹了常用的溫度檢測方法及相應(yīng)的溫度傳感器的應(yīng)用情況, 度傳感器存在的問題及發(fā)展方向1關(guān)鍵詞溫度, 檢測方法, 傳感器分類號O 551、化學、熱力學、飛行力學、流體力學等1許多工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量, , 許多化學反應(yīng)就不能正常進行甚至不能進行; ; 沒有合

2、適的溫度環(huán)境, 農(nóng)作物就不能正常生長, 許多電子儀器就不能正常工作, 糧倉的儲糧就會變質(zhì)霉爛, 家禽的孵化也不能進行1可見, 溫度的測量與控制十分重要11溫度檢測方法與相應(yīng)的溫度傳感器溫度的檢測方法有多種, 常用的有電阻式、熱電偶式、輻射型及石英諧振型PN 結(jié)型、等1它們都是基于溫度變化引起其物理參數(shù)(如電阻值, 熱電勢等 的變化的原理1隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展, 出現(xiàn)了適用于高溫、強磁場干擾等惡劣環(huán)境的光纖溫度傳感器1下面分別予以介紹1111電阻溫度傳感器這種傳感器以電阻作為溫度敏感元件1根據(jù)敏感材料不同又可分成熱電阻式和熱敏電阻式1熱電阻式一般用金屬材料制成, 如鉑、銅、鎳等1熱敏電阻是以半

3、導體材料制成的陶瓷器件, 如錳、鎳、鈷等金屬的氧化物與其它化合物按不同配比燒結(jié)而成111111熱電阻傳感器1熱電阻的溫度系數(shù)一般為正值1以鉑電阻為例, 其阻值R t 與溫度t 間的關(guān)系為R t =R 0(1+A t +B t 2 , 0t 650; R t =R 01+A t +B t 2+C t 3(t -100 ,-200t 0, 其中A =319684×10-8 , B =-518470×10-7 2, C =-412200×10-12 4, R 0為0時的值1由此可見, 在一定溫度范圍內(nèi), 阻值與溫度近似收稿日期:1998204210 32聊城師院學報(自

4、然科學版 第12卷呈線性關(guān)系1由于鉑電阻測溫范圍寬, 精度高, 制作誤差小, 結(jié)構(gòu)簡單且已有統(tǒng)一的國際標準, 鉑電阻溫度傳感器已廣泛應(yīng)用于許多場合的溫度測量與控制111112熱敏電阻傳感器1用作溫度敏感元件的熱敏電阻具有負溫度系數(shù), 其值約為-3%-5% ,在常溫范圍內(nèi)(0200 其阻值R t 與溫度T 的關(guān)(T -1 T 0 系(圖1 R t =R 0 e B 1 , 其中R 0為T 0對應(yīng)的阻值, B 為與熱敏電阻材料有關(guān)的常數(shù)1熱敏電阻具有體積小、靈敏度高、反應(yīng)速度快、分辯率高等優(yōu)點, 在各個領(lǐng)域廣泛用作測溫控溫及溫度補償?shù)拿舾性?熱敏電阻溫度傳感器的缺點是線性度低、穩(wěn)定性差1圖111

5、2熱電偶溫度傳感器熱電偶測溫是基于“熱電動勢效應(yīng)”1B 成閉合回路, 1若A 、B 兩導體的結(jié)點(熱端 溫度為T , 而另一端( T (0 =(-0(ln N A N b k e ,其中k , e , N A , N b 為與材料有關(guān)的常數(shù)1測量E (T , T 0 的大T 1, 如鎢錸絲熱電偶, 可測溫度高達2450; 而銅2銅錫熱電偶可測量-271-243的低溫, 鎳鉻2鐵金熱電偶在-2690間具有131720的靈敏度1熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、測量范圍寬、精度高、熱慣性小等特V點, 已廣泛用作溫度傳感器的敏感元件1以上所述利用電阻及熱電偶檢測溫度, 需將其與被測物體直接接觸以充分進行

6、熱交換, 熱交換不充分就會造成測量誤差1因此普通的熱電偶只能用于測量氣體、液體的溫度, 為便于測量各種形狀的固體的溫度, 人們研制出了特殊的熱電偶, 如薄膜熱電偶、表面熱電偶等1熱電阻測溫同樣存在問題, 一往采用的繞線式電阻耐壓及振動能力差, 如今已出現(xiàn)薄膜式鉑電阻, 薄膜式銅電阻感溫元件1隨著計算機技術(shù)的發(fā)展, 測溫精度不斷提高, 現(xiàn)已可將熱電偶測溫、熱電阻測溫及計算機技術(shù)相結(jié)合, 大大地擴展了測溫范圍, 提高了測量精度1113PN 結(jié)型及集成電路式溫度傳感器半導體PN 結(jié)測溫是近幾年來發(fā)展起來的一種新型測溫手段1眾所周知, PN 結(jié)的反向電流隨溫度呈指數(shù)規(guī)律變化,而當正向電流不變時, 其正

7、向壓降隨溫度近似線性變化1現(xiàn)代的PN 結(jié)溫度傳感器都是利用正向壓降進行測溫1PN 結(jié)正向壓降V b e 與絕對溫度T 間的關(guān)系為:V b e =kT ln (I I 0圖2集成溫度傳感器+1 q , 其中I 和I 0分別為PN 結(jié)的正向電流和反向飽和電流, k 和q 分別為波爾茲曼常數(shù)和電子電荷1由此可見, 只有I 感溫部分線路 第1期王立新等:溫度檢測方法與溫度傳感器33與I 0的比值穩(wěn)定, V b e 與T 間的關(guān)系才能確定1現(xiàn)代的溫度傳感器都將恒流源、放大電路、補償電路集成在一起做成集成溫度傳感器, 其感溫部分線路如圖2所示1由圖可知, 輸出電壓V b e 與溫度的關(guān)系為:V be =k

8、T ln (I c 1 I c 2 q , 只要保持I c 1 I c 2為定值, 測量已知電阻R 上的電壓V be 便可得到溫度值1集成電路溫度傳感器具有體積小、重量輕、精度高等特點, 測溫范圍在-50150, 也正好是最常見的溫度范圍1文獻報導的一種電流輸出型溫度傳感器在020內(nèi)靈敏度可達1106, 線性誤差不超過±012, 穩(wěn)定性為0102 4h 1A114輻射式溫度傳感器眾所周知, 自然界的所有物體對輻射都具有吸收和反射的能力1輻射式溫度傳感器就是利用物體的熱輻射特性制成的1被測物體的輻射能被熱敏元件(如熱電偶、熱敏電阻等 吸收時可使其物理參數(shù)(如輸出電勢、電阻值等 發(fā)生變化

9、, 變化就可得被測溫度1根據(jù)敏感原理不同, 式、光電亮度式和光電比色式等, . 全輻; 紅外輻射式傳感比色式傳感器是基于物體溫度1如輻射體溫度由12001, 總輻射能僅增加215倍, 而波長為01660M 的紅光單色亮度可增加10, 因此此方法是輻射測溫中最精確的一種1115石英諧振型溫度傳感器目前廣泛采用的電阻式、半導體式、熱電偶式溫度傳感器有時難以滿足分辨率及精度的要求1近來出現(xiàn)的石英諧振型溫度傳感器是將用水熱和法生長的人造石英晶體按一定角度切割而獲得的性能優(yōu)良的傳感器1它以石英晶體的諧振頻率f 為溫度T 的敏感參數(shù)2f =f 01+(T -T 0 +(T -T 0 +,其中T 0為基準點

10、溫度, f 0為T 0所對應(yīng)的頻率, 及為常數(shù)1只要測出振蕩頻率即可確定溫度T 1石英晶體的諧振曲線非常尖銳且穩(wěn)定性好, 并可將溫度轉(zhuǎn)化成頻率以數(shù)字量的形式輸出, 因此可達到很高的分辨率和精度, 采用合適的晶體切型還可使其只對溫度而不對其它參數(shù)敏感1116光纖溫度傳感器這是70年代發(fā)展起來的新型傳感器1它是將光源的光經(jīng)光纖送入調(diào)制區(qū), 在調(diào)制區(qū)內(nèi)被測參數(shù)(溫度 與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用使光的光學性質(zhì)(如強度、波長、頻率等 發(fā)生變化而成為被調(diào)制的信號光, 再經(jīng)光纖送入光檢測器及解調(diào)器而獲得被測參數(shù), 此種方法也適于其它參數(shù)的測量1根據(jù)傳感原理不同, 光纖溫度傳感器可分成功能型和傳輸型1功能型傳感

11、器中光纖既是傳光的介質(zhì)又是溫度敏感元件, 因此結(jié)構(gòu)巧妙、簡潔, 但既滿足傳輸要求又滿足敏感要求的光纖制作難度大, 所以只在有特殊要求的場合使用; 傳輸型傳感器中光纖只起傳光的作用, 對溫度的敏感作用由其它元件來實現(xiàn), 因此結(jié)構(gòu)較前者復雜, 但可通過分別選擇性能優(yōu)良的光纖和敏感元件而達到較高的性能1現(xiàn)在使用和研制的光 34聊城師院學報(自然科學版 第12卷纖傳感器以傳輸性居多, 溫度敏感元件可以是熱電阻、熱敏電阻、熱電偶等180年代日本松下電器公司生產(chǎn)的光纖溫度計在-1040間測溫精度可達±01051在高溫領(lǐng)域內(nèi), 有熱電阻式(如鉑等 、輻射式等光纖高溫計, 如美、日等生產(chǎn)的管纜熱電阻

12、溫度傳感器可測溫度高達1000, 精度015級1中國科學院西安光機所于1989年12月申請專利的“雙波長光纖溫度傳感器”可用于高溫測量, 相對誤差小于1%, 響應(yīng)速度在010“光纖黑體腔溫度傳感器”在4001300m m s 1清華大學1989年1月申請專利的間靈敏度可達011, 空間分辨率達幾百個微米1哈爾濱工業(yè)大學研制的GFB 201型光導式輻射比高精度測溫儀可測溫度為6001300, 精度達±013%; 在低溫領(lǐng)域, 同樣可用鉑作敏感元件, 另外還有美國研制的兩種碳電阻, 可測溫度分別為-26818-25310及-27219-273101熱敏電阻傳感器一般用于常溫范圍, 國內(nèi)已

13、有Si C 薄膜熱敏電阻溫度傳感器、鎳薄膜溫度傳感器, 精度可達110級1亦可用于常溫測量, 在1050, 精度可達±015, 機械、磁、光學性質(zhì)的變化, 、雙金屬片、水銀等12, 測溫范圍也很寬, 高可達幾千度低可接近絕對零度, 但在測量精度、穩(wěn)定性、抗干擾等方面仍存在問題1如鉑電阻溫度計, 雖然其測溫范圍寬、精度高但抗機械震動能力差; 熱敏電阻溫度計靈敏度高、體積小、響應(yīng)速度快但穩(wěn)定性較差; 熱電偶溫度傳感器缺點是靈敏度低; 因此應(yīng)進一步改進敏感元件的制作工藝及結(jié)構(gòu), 充分利用微機的軟件功能改善傳感器的性能1光纖溫度傳感器的發(fā)展應(yīng)從改善光纖、光源、檢測器電路和制作工藝等方面入手,

14、 提高精度、可靠性并降低成本, 特別要發(fā)展?jié)M足特殊測溫要求的溫度傳感器, 如3000以上和-250以下的超高溫和超低溫傳感器1充分利用微處理技術(shù)發(fā)展數(shù)字化、集成化和自動化的溫度傳感器, 同時探索新的敏感機理, 尋求新型溫度敏感元件也是溫度傳感器的發(fā)展方向之一1D e tec tion M e thod a nd S enso r of Tem pe ra tureW ang L ix in 1 Yang Shaoqing2 2 Zheng Hongjun 2 Zhao Gu iqing 2 (1 D epartm ent of Educati on Engineering , L iaocheng T eachers U niversity , L iaocheng 252059; D epartm ent of Physics Abstract T h is paper in troduced the detecti on m