新型温度传感器的研究与发展

杨亮

【摘要】随着近些年科技的迅猛发展，各种传感器的研发工作也得到了很大程度的发展，其中温度传感器无疑是其中最主要的一大分支，温度传感器的主流类型有热电偶、热电阻及辐射温度计等。这一部分的温度传感器应用技术已经成型已久，也获得了良好的应用效果，但主流温度传感器的开发是针对传统领域的，对于近些年涌现出的诸多高科技领域，其应用效果并不理想，因此，致力于开发针对各新领域的新型温度传感器及特殊的实用测量技术成为我国研发人员在传感器领域的一大重要课题。

【关键词】温度传感器；光纤传感器；热敏电缆

温度是最为大家所熟知的物理参数，它是人们生产生活中接触最广泛也是最重要的一个工艺参数，无论是农业的生产还是工业的发展，甚至科学研究和现代化国防建设，都涉及到温度这一参数，也就自然而然的需要温度测量以及新型温度传感器和测量技术的研发。随着近些年科技的迅速发展，温度传感器俨然成为科技研发和工业生产中应用范围最广的传感器之一，也因此有了传统领域的传统温度传感器技术的迅猛发展。但是温度传感器或者说传感器的针对性很强，在不同领域的温度测量工作可能因为细微的环境变化就会造成测量精度的显著偏差，必须有针对性的进行应用才能取得满意的测量结果。特别是针对近些年涌现出的诸多高科技领域，情况更是明显。必须致力于开发针对各新领域的新型温度传感器及特殊的实用测量技术以满足科技研发以及工业发展的需求。本文将对近些年出现的一些新型温度传感器原理与应用前景进行简单介绍。

一、光纤温度传感器

光线温度传感器的出现得益于光导纤维（简称光纤）的出现和其在应用领域的潜力陆续被发现。光纤早在上个世纪70年代就被研发出来，随着相关技术的完善，光纤的一系列优点使其在众多传感材料中脱颖而出，特别是近几年激光技术的成熟，促使了光纤传感在应用领域得到了研发人员的青睐。光纤传感器的种类众多，主要有压力光纤传感器、位移光纤传感器、角速度和线速度光纤传感器、温度光纤传感器、电流光纤传感器、电压光纤传感器等近百种不同类型的光纤传感器，这些传感器的面世，解决了许多传统传感器力所不及的新型应用问题。虽然种类繁多，但众多光纤传感器原理大致相同，都是将被测量的物理参数的变化转变为可测的光信号。光纤传感器一般由三大部分构成——光耦合器、传输光纤及光电转换器。可以预料，在未来技术发展的新技术革命的浪潮中，光纤传感器必将扮演更加重要的作用。

二、特种测温热敏电缆

传统的温度传感器采用热电偶作为主要部件，并在传统温度测量领域取得了良好的测量效果。近些年随着应用领域的细化，也促进了特种温度传感器的发展。近年来，随着对火灾事故预警的重视，使得特种测温热敏电缆得到了广泛的应用。这一特种测温传感器也被称为连续热电偶或寻热式热电偶。

热敏电缆虽然也是利用电偶热电效应，但不同于传统温度传感器的是，它测量的不是偶头部的温度，而是沿热电极长度上最高温度点的温度。由于热敏电缆的这一优点，它首先被安装在航空母舰、军用飞机等高精度、高科技含量的军事设备中。随着近些年一些军用技术的民用化，热敏电缆也被应用在众多领域来预防和减少因“过热”引起的事故和损失。

目前，民用的热敏电缆主要有两个类型（FTLD和CTTC），它们测温原理相同，只是材料构成、外形尺寸、工作温度等主要技术参数不同。

热敏电缆的分度与普通热电偶虽有些许差异，但基本上可以忽略。这是因为，虽然连续热电偶的“临时”热接点不是紧密连接，热接点之外两电极间也并非完全绝缘，导致了热敏电缆的输出热电势与同种热电偶相比稍有降低，换算成温度大约相差十几摄氏度，但这一误差范围这对于火警预报来说仍在可以接受的范围之内。

三、石英温度计

随着技术向着高精尖方向发展，科学研发和工业发展对温度测量与控制的要求日趋苛刻，尤其是高精度、高分辨率的温度传感器在众多领域中扮演起越来越重要的角色，大有取代普通传感器的趋势，其中最为大家接受的当属石英温度传感器。石英温度传感器之所以能有理想的应用效果，主要得益于其精密的特性：

高分辨率：分辨率达0.001～0.0001℃。

高精度：在-50℃～120℃范围内，精度为±0.05℃。普通温度计的精度为±0.1℃。

误差小：热滞后误差小，响应时间为1s，可以忽略。

性能稳定：它是频率输出型传感器，故不受放大器漂移和电源波动的影响，即使将传感器远距离（如1500m）设置也不受影响，但是抗强冲击性能较差。

石英温度传感器的诸多优点使得其在一些特定应用领域大有一枝独秀的势头。石英温度计既可用于高精度、高分辨率的温度测量，又可作为标准温度计进行量值传递，也可以在现场稳态温度场合下进行精密测溫或用于恒温槽的精密控温，最让人称道的是利用它还可以远距离地进行多点温度测量。这些都是传统温度传感器力所不及之处，石英传感器的发展极大地填补了这一不足。

四、声学温度计

声学测温技术具有测温原理简单、非接触、测温范围宽（0～1900℃）、可在线测量等一系列优点，特别是非接触这一特性使得其成为显著区别于传统温度传感器的新型传感器。也使得其在诸如发电厂、垃圾焚烧炉、水泥回转窑这样测温环境恶劣、不是适宜接接触的工作环境中得到了广泛的应用。

五、利用超声波测量气体温度

超声波温度计的原理基础是超声波在气体中传播速度是一变化函数，当温度改变时，其传播速度也发生变化。同时，由于测量工作具有响应速度快、不受外壁热辐射影响等优点，使得超声波温度计的测量精度得到了保证。

声速的测量方法大致有两种：

脉冲法测量：如果发声器与声音接收装置间的距离为L，传播的时间为t，则可依据u=L/t，求得u。当测量环境的风速较大时，为保证测量精度，不要按照之前的方法直接测量声速，可以将声音发射器与声音接收器在一次测量后进行位置交换，然后进行第二次测量，选用两者的平均速度作为测量结果。

共振法测量：利用共振频率f=u/l可求得u。

除此之外，还有固体超声波温度计、核四级共振温度计 （NQR温度计）、DSl820智能温度传感器、热噪声温度计等诸多类型应用广泛的新型温度传感器。但无论种类如何繁多，新型传感器的发展方向始终是向着高精度、高灵敏度稳步前进。

结语

近年来，新型温度传感器的发展方式依然明了，各式温度传感器层出不穷，我们有理由相信随着未来生产与研发的加速，新型温度传感器的研发竞争将日趋惨烈，但也毕竟是各国科技竞争的必争之地。致力于开发针对各新领域的新型温度传感器及特殊的实用测量技术将是我国能否在传感器领域保持与世界同步甚至是超越诸多发达国家的关键课题之一。

参考文献

[1]胡玲.光纤温度传感器的研究与发展[J].科协论坛（下半月），2010（05）.

[2]胡鸿志.基于新型温度传感器的数字温度计设计[J].电子测量与仪器学报，2011（08）.

[3]王魁汉，张志鹏.温度传感器的国产化研究与应用[J].金属热处理，2014（12）.