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新型測溫元件及傳感技術
2013-7-12 閱讀(3071)
隨著計算機、通信和網絡技術的迅速進步，現代檢測技術在信號放大器、模／數轉換器、信號處理器、存儲器、顯示器等方面得到了相應的發展，但在傳感技術及其器件的研究與發展方面卻相對緩慢，遠遠落后于實際需要。所以，傳感技術目前是現代檢測技術的重點與難點。目前大量使用的是傳感器有熱電偶、熱電阻、雙金屬溫度計等系列。下面介紹近年來已得到成功應用的一些新型溫度傳感器及其測溫技術。
1．光纖溫度傳感器
光纖溫度傳感器是采用光纖作為敏感元件或能量傳輸介質而構成的新型測溫儀表，它有接觸式和非接觸式等多種墅式。光纖傳感器的特點是靈敏度高，電絕緣性能好，可適用于強烈電磁干擾、強輻射的惡劣環境；體積小、重量輕、可彎曲；可實現不帶電的全光型探頭等。近幾年來光纖溫度傳感器在許多領域得到應用。
光纖傳感器由光源激勵、光源、光纖（含敏感元件）、光檢測器、光電轉換及處理系統和各種連接件等部分構成。光纖傳感器可分為功能型和非功能型兩種型式，功能型傳感器是利用光纖的各種特性，由光纖本身感受被測量的變化，光纖既是傳輸介質，又是敏感元件；非功能型傳感器又稱傳光型，是由其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光信號的傳輸介質。非功能型光纖溫度傳感器在實際中得到較多的應用，并有多種類型，已實用化的溫度計有液晶光纖溫度傳感器、熒光光纖溫度傳感器、半導體光纖溫度傳感器和光纖輻射溫度計等。
（1）液晶光纖溫度傳感器液晶光纖溫度傳感器利用液晶的“熱色”效應而工作。例如在光纖端面上安裝液晶芯片，在液晶片中按比例混入三種液晶，溫度在10～45℃范圍變化，液晶顏色由綠變成深紅，光的反射率也隨之變化，測量光強變化可知相應溫度，其精度約為0.1℃。不同型式的液晶光纖溫度傳感器的測溫范圍可在-50～250℃之間。
（2）熒光光纖溫度傳感囂熒光光纖溫度傳感器的工作原理是利用熒光材料的熒光強度隨溫度而變化，或熒光強度的衰變速度隨溫度而變化的特性，前者稱熒光強度型，后者稱熒光余輝型。其結構是在光纖頭部粘接熒光材料，用紫外光進行激勵，熒光材料將會發出熒光，檢測熒光強度就可以檢測溫度。熒光強度型傳感器的測溫范圍為-50～200℃；熒光余輝型溫度傳感器的測溫范圍為-50～250℃。
（3）半導體光纖溫度傳感器半導體光纖溫度傳感器是利用半導體的光吸收響應隨溫度而變化的特性，根據透過半導體的光強變化檢測溫度。例如單波長式半導體光纖溫度傳感器，半導體材料的透光率與溫度的特性曲線如圖2-18所示，溫度變化時，半導體的透光率曲線亦隨之變化。當溫度升高時，曲線將向長波方向移動，在光源的光譜處于A。，附近的特定入射波長的波段內，其透過光強將減弱；測出光強變化就可知對應的溫度變化。這類溫度計的測溫范圍為-30～300℃。
（4）光纖輻射溫度計光纖輻射溫度計的工作原理、分類與普通的輻射測溫儀表類似，它可以接近或接觸目標進行測溫。目前，因受光纖傳輸能力的限制，其工作波長一般為短波，采用亮度法或比色法測量。
光纖輻射溫度計的光纖可以直接延伸為敏感探頭，也可以經過耦合器，用剛性光導棒延伸。光纖敏感探頭有多種型式，例如直型、楔型、帶透鏡型和黑體型等。
典型的光纖輻射溫度計的測量溫范圍為200～4000℃，分辨率可達0.01℃，在高溫時精度可優于±0.2%讀數值，其探頭耐溫一般可達300℃，加冷卻后可到500℃。
（5）光纖測溫技術的應用 光纖測溫技術是在zui近十多年才發展起來的新技術，在某些傳統方法難以解決的測溫場合，可以采用光纖測溫技術。它的主要應用場合如下。
①采用普通測溫元件可能造成較大測量誤差，甚至無法正常工作的強磁場范圍內的目標物體，進行溫度測量。如金屬的高頻熔煉與橡膠的硫化，木與織物、食品、藥品等的微波加熱烘烤過程的爐內溫度測量。光纖測溫技術在某些領域中有著優勢，因為它既無導電部分引起的附加升溫，又不受電磁場干擾，因而能保證測量溫度的準確性。
②高壓電器的溫度測量。zui典型的應用是高壓變壓器繞組熱點的溫度測量。英國電能研究中心從20世紀70午代中期就開始潛心研究這一課題，起初是為了故障診斷與預報，現在由于計算機電能管理的應用，便轉入了安全過載行業，使系統處于*功率分配狀態。另一類可能應用的場合是各種高壓裝置，發電機、高壓開關、過載保護裝置等。
③易燃易爆物的生產過程與設備的溫度測量。光纖傳感器在本質上是防火防爆器件，它不需要采用隔爆措施，十分安全可靠。
④高溫介質的溫度測量。在冶金工業中，當溫度高于1300℃或1700℃時，或者溫度雖不高但使用條件惡劣時，尚存在許多測溫難題。充分發揮光纖測溫技術的優勢，其中有些難題可望得到解決。例如，鋼水和鐵液在連軋和連鑄過程中的連續測溫問題。
2．石英晶體溫度傳感器及其測溫技術
隨著生產和科技的發展，許多地方對溫度測量與控制的要求愈來愈高，而普通常規溫度傳感器難以滿足要求，需要高精度、高分辨力的溫度傳感器和測溫儀器。而石英晶體溫度傳感器及溫度計就是具有高分辨力（0. 0001℃）、高線性度（0.002%）和高穩定性，適合中低溫測量的新型溫度傳感器和測溫儀器。
（1）工作原理 利用石英晶體的固有頻率隨溫度變化而變化的特性來測溫的儀器，稱為石英溫度計。
石英的固有振動頻率可用下式表示 f=ng/2b√c/p
式中，f為固有振動頻率；n為諧波次數；b為振子的厚度；p為密度；C為彈性常數。
石英振子的頻率還與溫度具有下列近似關系
ft =fo[l+ α（t-to）+β（t-to）2+Y（t-to）3] （2-40）
式中，fo為在溫度為t0時的頻率；ft為在溫度為 t時的頻率；to為基準參考溫度；a，β，Y為一次、二次、三次冪的溫度系數。
系數a，β，Y隨石英晶體的切割角度的改變而變化。當切割角度不同時，溫度系數也明顯不同，說明石英的頻率溫度系列既是切割角度的函數，又是溫度的函數。所謂瓶率溫度系數，是指溫度增加1℃時，其頻率變化的相對偏移量。大量研究和實驗表明采用Y切割的石英晶體片的振蕩頻率與溫度呈線性關系，其斜率（即頻率溫度系數）約1000HZ/℃。
（2）石英晶體傳感器結構 石英溫度計通常采用石英振蕩器，構成一個決定頻率的諧振回路，而石英振子部分，通常采用易接受溫度變化的結構。石英振子置于不銹鋼保護管的上部，使其對外界溫度變化敏感。由支柱支撐，振子的兩面粘帖有用金等性能穩定的金屬或合金制成的電極，并用引線與外部連通。石英振子雖由支柱支撐，但是它將阻礙振子振動，并且，外界振動及沖擊等又要改變其支撐位置，都對測溫不利。然而，若使石英片自由振蕩，支撐位置又不受沖擊是相當困難的。
（3）石英溫度計主要特性
①高分辨力：分辨力達o．001～0. oooi℃。
②高精度：在～50～120℃范圍內，其誤差為±o．05℃（普通溫度計的差一般大于 ±0.1℃）。
③高穩定度：年變化在0.02℃以內。
④熱滯后誤差小，可以忽略。
⑤因是頻率輸出型傳感器，后續測量與處理電路設計方便、簡單，且可不受放大器漂 移及電源波動的影響，可方便地遠距離（如1500m）傳送溫度測量信號。
⑥其精度和穩定性可以作為溫度量值傳遞的標準及次級標準使用。
⑦石英傳感器的抗強沖擊性能較差，故在安裝、運輸和使用需特別注意。
