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新型測(cè)溫元件及傳感技術(shù)
2013-7-12 閱讀(2933)
隨著計(jì)算機(jī),、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速進(jìn)步,，現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)在信號(hào)放大器、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器,、信號(hào)處理器,、存儲(chǔ)器、顯示器等方面得到了相應(yīng)的發(fā)展,，但在傳感技術(shù)及其器件的研究與發(fā)展方面卻相對(duì)緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)際需要,。所以,，傳感技術(shù)目前是現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。目前大量使用的是傳感器有熱電偶,、熱電阻,、雙金屬溫度計(jì)等系列,。下面介紹近年來(lái)已得到成功應(yīng)用的一些新型溫度傳感器及其測(cè)溫技術(shù)。
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(zhì)而構(gòu)成的新型測(cè)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(diǎn)是靈敏度高，電絕緣性能好,，可適用于強(qiáng)烈電磁干擾、強(qiáng)輻射的惡劣環(huán)境,；體積小,、重量輕、可彎曲,；可實(shí)現(xiàn)不帶電的全光型探頭等,。近幾年來(lái)光纖溫度傳感器在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用,。
光纖傳感器由光源激勵(lì),、光源、光纖（含敏感元件）,、光檢測(cè)器,、光電轉(zhuǎn)換及處理系統(tǒng)和各種連接件等部分構(gòu)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(cè)量的變化,，光纖既是傳輸介質(zhì)，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(cè)量的變化,，光纖僅作為光信號(hào)的傳輸介質(zhì)。非功能型光纖溫度傳感器在實(shí)際中得到較多的應(yīng)用,，并有多種類型,，已實(shí)用化的溫度計(jì)有液晶光纖溫度傳感器、熒光光纖溫度傳感器,、半導(dǎo)體光纖溫度傳感器和光纖輻射溫度計(jì)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(yīng)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(cè)量光強(qiáng)變化可知相應(yīng)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(cè)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(qiáng)度隨溫度而變化,，或熒光強(qiáng)度的衰變速度隨溫度而變化的特性,，前者稱熒光強(qiáng)度型，后者稱熒光余輝型,。其結(jié)構(gòu)是在光纖頭部粘接熒光材料,，用紫外光進(jìn)行激勵(lì),，熒光材料將會(huì)發(fā)出熒光，檢測(cè)熒光強(qiáng)度就可以檢測(cè)溫度,。熒光強(qiáng)度型傳感器的測(cè)溫范圍為-50～200℃；熒光余輝型溫度傳感器的測(cè)溫范圍為-50～250℃,。
（3）半導(dǎo)體光纖溫度傳感器半導(dǎo)體光纖溫度傳感器是利用半導(dǎo)體的光吸收響應(yīng)隨溫度而變化的特性,，根據(jù)透過(guò)半導(dǎo)體的光強(qiáng)變化檢測(cè)溫度。例如單波長(zhǎng)式半導(dǎo)體光纖溫度傳感器,，半導(dǎo)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(shí),，半導(dǎo)體的透光率曲線亦隨之變化。當(dāng)溫度升高時(shí),，曲線將向長(zhǎng)波方向移動(dòng),，在光源的光譜處于A。,，附近的特定入射波長(zhǎng)的波段內(nèi),，其透過(guò)光強(qiáng)將減弱,；測(cè)出光強(qiáng)變化就可知對(duì)應(yīng)的溫度變化。這類溫度計(jì)的測(cè)溫范圍為-30～300℃,。
（4）光纖輻射溫度計(jì)光纖輻射溫度計(jì)的工作原理,、分類與普通的輻射測(cè)溫儀表類似，它可以接近或接觸目標(biāo)進(jìn)行測(cè)溫,。目前,，因受光纖傳輸能力的限制,，其工作波長(zhǎng)一般為短波，采用亮度法或比色法測(cè)量,。
光纖輻射溫度計(jì)的光纖可以直接延伸為敏感探頭,，也可以經(jīng)過(guò)耦合器，用剛性光導(dǎo)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(jì)的測(cè)量溫范圍為200～4000℃，分辨率可達(dá)0.01℃,，在高溫時(shí)精度可優(yōu)于±0.2%讀數(shù)值,，其探頭耐溫一般可達(dá)300℃，加冷卻后可到500℃,。
（5）光纖測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用 光纖測(cè)溫技術(shù)是在zui近十多年才發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，在某些傳統(tǒng)方法難以解決的測(cè)溫場(chǎng)合,，可以采用光纖測(cè)溫技術(shù),。它的主要應(yīng)用場(chǎng)合如下。
①采用普通測(cè)溫元件可能造成較大測(cè)量誤差,，甚至無(wú)法正常工作的強(qiáng)磁場(chǎng)范圍內(nèi)的目標(biāo)物體,，進(jìn)行溫度測(cè)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(guò)程的爐內(nèi)溫度測(cè)量,。光纖測(cè)溫技術(shù)在某些領(lǐng)域中有著優(yōu)勢(shì),，因?yàn)樗葻o(wú)導(dǎo)電部分引起的附加升溫,，又不受電磁場(chǎng)干擾,，因而能保證測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性。
②高壓電器的溫度測(cè)量,。zui典型的應(yīng)用是高壓變壓器繞組熱點(diǎn)的溫度測(cè)量,。英國(guó)電能研究中心從20世紀(jì)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(yù)報(bào),，現(xiàn)在由于計(jì)算機(jī)電能管理的應(yīng)用,，便轉(zhuǎn)入了安全過(guò)載行業(yè),，使系統(tǒng)處于*功率分配狀態(tài),。另一類可能應(yīng)用的場(chǎng)合是各種高壓裝置，發(fā)電機(jī),、高壓開關(guān),、過(guò)載保護(hù)裝置等。
③易燃易爆物的生產(chǎn)過(guò)程與設(shè)備的溫度測(cè)量,。光纖傳感器在本質(zhì)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(zhì)的溫度測(cè)量,。在冶金工業(yè)中,，當(dāng)溫度高于1300℃或1700℃時(shí),，或者溫度雖不高但使用條件惡劣時(shí)，尚存在許多測(cè)溫難題,。充分發(fā)揮光纖測(cè)溫技術(shù)的優(yōu)勢(shì),，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(guò)程中的連續(xù)測(cè)溫問(wèn)題,。
2．石英晶體溫度傳感器及其測(cè)溫技術(shù)
隨著生產(chǎn)和科技的發(fā)展,，許多地方對(duì)溫度測(cè)量與控制的要求愈來(lái)愈高，而普通常規(guī)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(cè)溫儀器。而石英晶體溫度傳感器及溫度計(jì)就是具有高分辨力（0. 0001℃）,、高線性度（0.002%）和高穩(wěn)定性,，適合中低溫測(cè)量的新型溫度傳感器和測(cè)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(lái)測(cè)溫的儀器,，稱為石英溫度計(jì)。
石英的固有振動(dòng)頻率可用下式表示 f=ng/2b√c/p
式中,，f為固有振動(dòng)頻率,；n為諧波次數(shù)；b為振子的厚度,；p為密度,；C為彈性常數(shù),。
石英振子的頻率還與溫度具有下列近似關(guān)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(shí)的頻率；ft為在溫度為 t時(shí)的頻率,；to為基準(zhǔn)參考溫度,；a，β,，Y為一次,、二次,、三次冪的溫度系數(shù)。
系數(shù)a,，β,，Y隨石英晶體的切割角度的改變而變化。當(dāng)切割角度不同時(shí),，溫度系數(shù)也明顯不同,，說(shuō)明石英的頻率溫度系列既是切割角度的函數(shù)，又是溫度的函數(shù),。所謂瓶率溫度系數(shù)，是指溫度增加1℃時(shí),，其頻率變化的相對(duì)偏移量,。大量研究和實(shí)驗(yàn)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(guān)系，其斜率（即頻率溫度系數(shù)）約1000HZ/℃,。
（2）石英晶體傳感器結(jié)構(gòu) 石英溫度計(jì)通常采用石英振蕩器,，構(gòu)成一個(gè)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(jié)構(gòu),。石英振子置于不銹鋼保護(hù)管的上部,，使其對(duì)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(wěn)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(dòng),，并且,，外界振動(dòng)及沖擊等又要改變其支撐位置，都對(duì)測(cè)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(dāng)困難的,。
（3）石英溫度計(jì)主要特性
①高分辨力：分辨力達(dá)o．001～0. oooi℃。
②高精度：在～50～120℃范圍內(nèi),，其誤差為±o．05℃（普通溫度計(jì)的差一般大于 ±0.1℃）,。
③高穩(wěn)定度：年變化在0.02℃以內(nèi)。
④熱滯后誤差小,，可以忽略,。
⑤因是頻率輸出型傳感器，后續(xù)測(cè)量與處理電路設(shè)計(jì)方便,、簡(jiǎn)單，且可不受放大器漂 移及電源波動(dòng)的影響,，可方便地遠(yuǎn)距離（如1500m）傳送溫度測(cè)量信號(hào),。
⑥其精度和穩(wěn)定性可以作為溫度量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)及次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)使用。
⑦石英傳感器的抗強(qiáng)沖擊性能較差,，故在安裝,、運(yùn)輸和使用需特別注意,。
