温度检测技术及发展现状

摘要温度测量是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目。它在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而重要的测量参数。本文就温度测量的发展现状进行了深入的探讨,具有一定的参考价值。

关键词温度测量;发展现状;薄膜温度传感器0 引言

温度是表征物体冷热程度的物理量,是国际单位制中7个基本物理量之一,它与人类生活、工农业生产和科学研究有着密切关系。随着科学技术水平的不断提高,温度测量技术也得到了不断的发展。

1 温标的发展

在生产和科学研究中,为了便于测量结果准确一致,需要给物体冷热程度以定量的描述。因此,有必要建立适当的标尺来衡量物体的冷热程度,以便科学地描述物体各种性能随温度变化的关系。温标就是温度的数值表示方法,它是借助于随温度变化而变化的物理量来定义温度数值的。各种各样温度计的数值都是由温标来决定的。所以可以说温标就是温度的标尺。温标是表示温度数值的一套规则,它明确了温度的单位。温度测量离不开温标的概念,温标是温度测量中的参照标准。随着社会生产及科学技术的进步,温标的复现也在不断地发展。大约每20年对温标作一次较大的修改或更新。1990年国际温标是根据第18届国际计量大会第7号决议的要求,由第77届国际计量委员会于1989年会议通过的。

本世纪初国际权度局制定的“标准温标”范围从0℃~100℃,其复现性为0.02℃,随着科学技术的发展,标准温标的复现精度大幅提高,前苏联计量科学研究院在0℃~400℃范围内温标定点精度达0.0005℃,美国标准局水三相点的温度复现性达0.0001℃。

2 温度测量的成果

在温度测量方面各国均取得了许多可喜的成果,其中前苏联的压电石英频率温度计分辨能力可达0.0001℃,理论上可达0.00001℃,而且在-40℃~230℃范围内具有温度与频率的线性特性;日本利用所谓石英温度频率转换器-80℃~200℃的温度范围,最大分辨率达0.0001℃;美国标准局研制的电阻温度计25欧标准铂电阻温度计,电桥分辨0.00002℃;我国生产的石英温度传感器分辨率达到0.0001℃,误差在0.05℃以内,中国航天工业总公司702所研制的5901(STP-1000)型粘贴式测温片,其静态测温精度为0.5%,快速响应时间小于0.013s。

3 温度测量技术近年来的发展重点

传统的热电偶、热电阻测温方法以其技术成熟、结构简单、使用方便等特点,在未来温度测量领域中,依然能够广泛使用。随着新材料、新工艺以及一些新技术的发展,其应用范围更加拓展。

1)薄膜温度传感器

在传感器结构改进方面,出现了薄膜温度传感器,它是随着薄膜技术的成熟而发展起来的新型微传感器,其敏感元件为微米级的薄膜,具有体积小、热扰动小、热动态响应时间短、灵敏度高、便于集成和安装的特点,并且具有耐磨、耐压、耐热冲击和抗剥离的优良性能,特别适合于微尺度或小空间温度测量、表面温度的测量等场合。近年来发展的陶瓷薄膜热电偶,可以测量更高的温度,克服了金属薄膜热电偶的一些催化效应和冶金效应等缺点,在高温表面温度测量领域应用更为广泛。

2)热电偶材料性能的提高

在热电偶丝材料方面,一些类型的热电偶性能得到了提高,并出现了一些新型热电偶类型。

(1)N型热电偶越来越受到重视。

与K型热电偶相比,N型热电偶的高温稳定性与使用寿命均明显提高。目前国外N 型热电偶得到了广泛的应用,而国内应用仍旧不是很普遍,但随着对加工产品质量控制要求的提高,N型热电偶使用将会越来越多。

(2)钨铼热电偶抗氧化技术得到了发展,拓宽了其应用领域。主要是采用热电偶丝材镀膜或采用高致密保护套管隔绝等技术,可以延长钨铼热电偶在氧化气氛下的使用时间,使之不局限在还原条件下使用,可在一定程度上取代铂铑等贵金属热电偶。

(3)一些非标准分度的金属、非金属热电偶正在研制并逐步得到应用。为了提高温度测量上限,一些非标准分度的铂铑、铱铑等贵金属热电偶已经在工程上得到应用。另外,一些非金属热电偶材料得到了人们的重视,其特点有:①热电动势和微分电势大;②熔点高,测温上限也高;③价格低;④选用合适的非金属材料,可制成抗氧化或抗碳化的热电偶,用于恶劣条件下温度的测量。其缺点是复现性和机械性能差。目前,取得进展的非金属热电偶有C-TiC (ZrB2、NbC、SiC)、SiC-SiC、ZrB2(NbC)-ZrC、MoSi2-WSi2以及B4C-C等。

3)温度传感器保护套管材料

保护套管材料在温度测量中对敏感元件起着保护作用,对其测量准确度和使用寿命有很大影响,可由金属、非金属或金属陶瓷等材料制成。近年来金属陶瓷保护套管材料性能得到了很大提高,如Al2O3基、MgO基、ZrO2基和碳化钛基等几种金属陶瓷,具有耐腐蚀、抗热冲击、耐高温性,可以在氧化、还原和中性气氛下使用,在冶金行业中可用于高温金属熔液温度的测量。

4)辐射测温技术

随着光电和红外探测器的发展,出现了多种多样的红外测温仪,红外测温技术得到了更多的应用。具体表现在:(1)测温范围从高温、中温向中、低温部分拓展;(2)准确度和稳定性更高;(3)工作波段多样化, 可根据被测对象的特性选择;(4)从

点测量发展到二维面测量;(5)红外测温仪具有小型化和智能化的特点;(6)从测量原理和方法上消除发射率影响,实现物体的真温测量。

多光谱测温技术也逐步开始在科研和工程领域中得到了应用。其原理是在一个仪器中制成多个光谱通道,利用多个光谱的物体辐射能量信息,经过数据处理得到物体的真实温度。该方法测量温度上限和测量准确度高、响应快,受中间介质影响小,非常适合非透明火焰温度和高温表面温度的测量。

5)光纤测温技术

黑体空腔式光纤高温计是由黑体空腔与被测介质达到温度平衡,通过光纤将黑体腔的辐射能量传输给光电探测器件,从而实现温度测量。如蓝宝石黑体空腔式光纤高温计,具有测温高、响应快、寿命长的特点,可以部分取代贵金属热电偶。还有一种测量钢水温度的消耗型光纤温度传感器,也是基于以上原理,由普通石英光纤实现测温,因其价格低、准确度高的特点可以取代消耗型贵金属热电偶。

分布式光纤测温系统是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的传感系统,它是一种分布式的、连续的、功能型光纤温度测量技术。其中,光纤既是传输媒体也是传感媒体,利用光纤后向喇曼散射的温度效应,可以对光纤所在的温度场进行实时测量,利用光时域反射技术(OTDR)可以对测量点进行精确定位。分布式的结构使得该系统能够实现实时快速多点测温。

光纤布拉格光栅(FBG)是最近十几年发展最为迅速的光纤无源器件之一,它是利用掺杂(如锗、磷等)光纤的光敏性,通过某种工艺方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用,导致纤芯折射率沿纤轴方向周期或非周期性地永久性变化,在纤芯内形成空间相位光栅。当温度变化时,光纤的栅距和折射率发生变化,导致其响应波长的移动,通过检测响应波长即可确定温度。它可以在一根光纤上实现多点测量,并能同时测量温度和应变。利用这些原理制作的光纤多点温度传感器,可以应用在油井温度测量、大坝或地质灾害监测、飞机蒙皮的健康监测方面等场合,具有很好的应用前景,是近几年温度测量技术发展的重点之一。

4 结论

虽然温度测量方法多种多样,但在很多情况下,对于实际工程现场或一些特殊条件下的温度测量,比如对极限温度、高温腐蚀性介质温度、气流温度、表面温度、固体内部温度分布、微尺寸目标温度、大空间温度分布、生物体内温度、电磁干扰条件下温度测量来讲,要想得到准确可靠的结果并非易事,需要非常熟悉各种测量方法的原理及特点,结合被测对象要求选择合适的测量方法才能完成。同时,还要不断探索新的温度测量方法,改进原有测量技术,以满足各种条件下的温度测量需求。