溫度檢測(cè)技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀

1、摘要 溫度測(cè)量是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科研等部門最普遍的測(cè)量項(xiàng)目。它在工農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)、現(xiàn)代科學(xué)研究及高新技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中也是一個(gè)極其普遍而重要的測(cè)量參 數(shù)。本文就溫度測(cè)量的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了深入的探討 , 具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞 溫度測(cè)量 ; 發(fā)展現(xiàn)狀 ;薄膜溫度傳感器 0 引言 溫度是表征物體冷熱程度的物理量 , 是國(guó)際單位制中 7 個(gè)基本物理量之一 ,它與 人類生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究有著密切關(guān)系。 隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高 溫度測(cè)量技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展。1 溫標(biāo)的發(fā)展 在生產(chǎn)和科學(xué)研究中 , 為了便于測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確一致 ,需要給物體冷熱程度以定量 的描述。因此, 有必要建立適當(dāng)?shù)臉?biāo)尺來(lái)衡量物

2、體的冷熱程度 , 以便科學(xué)地描述物 體各種性能隨溫度變化的關(guān)系。溫標(biāo)就是溫度的數(shù)值表示方法 , 它是借助于隨溫 度變化而變化的物理量來(lái)定義溫度數(shù)值的。 各種各樣溫度計(jì)的數(shù)值都是由溫標(biāo)來(lái) 決定的。所以可以說(shuō)溫標(biāo)就是溫度的標(biāo)尺。溫標(biāo)是表示溫度數(shù)值的一套規(guī)則 , 它 明確了溫度的單位。 溫度測(cè)量離不開(kāi)溫標(biāo)的概念 , 溫標(biāo)是溫度測(cè)量中的參照標(biāo)準(zhǔn)。 隨著社會(huì)生產(chǎn)及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步 ,溫標(biāo)的復(fù)現(xiàn)也在不斷地發(fā)展。 大約每 20 年對(duì)溫 標(biāo)作一次較大的修改或更新。 1990年國(guó)際溫標(biāo)是根據(jù)第 18 屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)第 7 號(hào)決議的要求 ,由第 77屆國(guó)際計(jì)量委員會(huì)于 1989年會(huì)議通過(guò)的。本世紀(jì)初國(guó)際權(quán)度局制定的

3、“標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)”范圍從oc 100C,其復(fù)現(xiàn)性為0.02 C,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 , 標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)的復(fù)現(xiàn)精度大幅提高 ,前蘇聯(lián)計(jì)量科學(xué)研究院在 0C 400C范圍內(nèi)溫標(biāo)定點(diǎn)精度達(dá) 0.0005 c ,美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局水三相點(diǎn)的溫度復(fù)現(xiàn)性 達(dá) 0.0001 c。2 溫度測(cè)量的成果在溫度測(cè)量方面各國(guó)均取得了許多可喜的成果 ,其中前蘇聯(lián)的壓電石英頻率溫度 計(jì)分辨能力可達(dá)0.0001 c ,理論上可達(dá)0.00001 c ,而且在-40C230C范圍內(nèi)具 有溫度與頻率的線性特性；日本利用所謂石英溫度頻率轉(zhuǎn)換器-80C 200C的溫 度范圍 , 最大分辨率達(dá) 0.0001 c; 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局研制的電阻溫度計(jì) 25歐標(biāo)準(zhǔn)鉑

4、電阻 溫度計(jì), 電橋分辨 0.00002c； 我國(guó)生產(chǎn)的石英溫度傳感器分辨率達(dá)到 0.0001c, 誤差在0.05 C以內(nèi),中國(guó)航天工業(yè)總公司702所研制的5901(STP-1000)型粘貼式 測(cè)溫片, 其靜態(tài)測(cè)溫精度為 0 . 5%,快速響應(yīng)時(shí)間小于 0.013s。3 溫度測(cè)量技術(shù)近年來(lái)的發(fā)展重點(diǎn) 傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻測(cè)溫方法以其技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn) , 在 未來(lái)溫度測(cè)量領(lǐng)域中 , 依然能夠廣泛使用。隨著新材料、新工藝以及一些新技術(shù) 的發(fā)展 , 其應(yīng)用范圍更加拓展。1) 薄膜溫度傳感器 在傳感器結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面 , 出現(xiàn)了薄膜溫度傳感器 , 它是隨著薄膜技術(shù)的成熟而發(fā) 展起來(lái)的新型

5、微傳感器 , 其敏感元件為微米級(jí)的薄膜 ,具有體積小、熱擾動(dòng)小、熱 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高、便于集成和安裝的特點(diǎn) , 并且具有耐磨、耐壓、耐 熱沖擊和抗剝離的優(yōu)良性能 , 特別適合于微尺度或小空間溫度測(cè)量、表面溫度的 測(cè)量等場(chǎng)合。近年來(lái)發(fā)展的陶瓷薄膜熱電偶 ,可以測(cè)量更高的溫度 , 克服了金屬薄 膜熱電偶的一些催化效應(yīng)和冶金效應(yīng)等缺點(diǎn) , 在高溫表面溫度測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用更為 廣泛。2) 熱電偶材料性能的提高在熱電偶絲材料方面 , 一些類型的熱電偶性能得到了提高 , 并出現(xiàn)了一些新型熱 電偶類型。(1) N 型熱電偶越來(lái)越受到重視。與 K 型熱電偶相比 ,N 型熱電偶的高溫穩(wěn)定性與使用壽命均明顯提

6、高。 目前國(guó)外 N 型熱電偶得到了廣泛的應(yīng)用 ,而國(guó)內(nèi)應(yīng)用仍舊不是很普遍 , 但隨著對(duì)加工產(chǎn)品質(zhì) 量控制要求的提高 ,N 型熱電偶使用將會(huì)越來(lái)越多。(2) 鎢錸熱電偶抗氧化技術(shù)得到了發(fā)展 , 拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。主要是采用熱電偶絲 材鍍膜或采用高致密保護(hù)套管隔絕等技術(shù) , 可以延長(zhǎng)鎢錸熱電偶在氧化氣氛下的 使用時(shí)間 ,使之不局限在還原條件下使用 , 可在一定程度上取代鉑銠等貴金屬熱 電偶。(3) 一些非標(biāo)準(zhǔn)分度的金屬、非金屬熱電偶正在研制并逐步得到應(yīng)用。為了提高 溫度測(cè)量上限 , 一些非標(biāo)準(zhǔn)分度的鉑銠、銥銠等貴金屬熱電偶已經(jīng)在工程上得到 應(yīng)用。另外 , 一些非金屬熱電偶材料得到了人們的重視 ,其

7、特點(diǎn)有 : 熱電動(dòng)勢(shì)和 微分電勢(shì)大;熔點(diǎn)高，測(cè)溫上限也高；價(jià)格低;選用合適的非金屬材料，可制 成抗氧化或抗碳化的熱電偶 , 用于惡劣條件下溫度的測(cè)量。其缺點(diǎn)是復(fù)現(xiàn)性和機(jī) 械性能差。目前, 取得進(jìn)展的非金屬熱電偶有 C-TiC (ZrB2 、NbC、SiC) 、SiC-SiC 、 ZrB2(NbC)-ZrC、MoSi2-WSi2以及 B4C-C等。3) 溫度傳感器保護(hù)套管材料 保護(hù)套管材料在溫度測(cè)量中對(duì)敏感元件起著保護(hù)作用 , 對(duì)其測(cè)量準(zhǔn)確度和使用壽 命有很大影響 , 可由金屬、非金屬或金屬陶瓷等材料制成。近年來(lái)金屬陶瓷保護(hù) 套管材料性能得到了很大提高，如AI2O3基、Mg(基、ZrO2基和碳化

8、鈦基等幾種 金屬陶瓷 , 具有耐腐蝕、 抗熱沖擊、 耐高溫性 , 可以在氧化、 還原和中性氣氛下使 用,在冶金行業(yè)中可用于高溫金屬熔液溫度的測(cè)量。4) 輻射測(cè)溫技術(shù)隨著光電和紅外探測(cè)器的發(fā)展 , 出現(xiàn)了多種多樣的紅外測(cè)溫儀 , 紅外測(cè)溫技術(shù)得 到了更多的應(yīng)用。具體表現(xiàn)在 :(1) 測(cè)溫范圍從高溫、 中溫向中、低溫部分拓展 ；(2) 準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性更高 ；(3) 工作波段多樣化 , 可根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特性選擇 ；(4) 從 點(diǎn)測(cè)量發(fā)展到二維面測(cè)量 ;(5) 紅外測(cè)溫儀具有小型化和智能化的特點(diǎn) ;(6) 從測(cè) 量原理和方法上消除發(fā)射率影響 , 實(shí)現(xiàn)物體的真溫測(cè)量。多光譜測(cè)溫技術(shù)也逐步開(kāi)始在科研和工程

9、領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。其原理是在一個(gè) 儀器中制成多個(gè)光譜通道 ,利用多個(gè)光譜的物體輻射能量信息 , 經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得 到物體的真實(shí)溫度。該方法測(cè)量溫度上限和測(cè)量準(zhǔn)確度高、響應(yīng)快 , 受中間介質(zhì) 影響小, 非常適合非透明火焰溫度和高溫表面溫度的測(cè)量。5) 光 纖測(cè)溫技術(shù) 黑體空腔式光纖高溫計(jì)是由黑體空腔與被測(cè)介質(zhì)達(dá)到溫度平衡 , 通過(guò)光纖將黑體 腔的輻射能量傳輸給光電探測(cè)器件 , 從而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。如藍(lán)寶石黑體空腔式光 纖高溫計(jì) ,具有測(cè)溫高、 響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn) ,可以部分取代貴金屬熱電偶。 還 有一種測(cè)量鋼水溫度的消耗型光纖溫度傳感器 , 也是基于以上原理 ,由普通石英 光纖實(shí)現(xiàn)測(cè)溫 , 因其價(jià)

10、格低、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)可以取代消耗型貴金屬熱電偶。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的 傳感系統(tǒng) ,它是一種分布式的、 連續(xù)的、功能型光纖溫度測(cè)量技術(shù)。 其中, 光纖既 是傳輸媒體也是傳感媒體 ,利用光纖后向喇曼散射的溫度效應(yīng) , 可以對(duì)光纖所在 的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,利用光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR可以對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行精確定 位。分布式的結(jié)構(gòu)使得該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)快速多點(diǎn)測(cè)溫。光纖布拉格光柵(FBG)是最近十幾年發(fā)展最為迅速的光纖無(wú)源器件之一，它是利 用摻雜(如鍺、磷等 )光纖的光敏性 , 通過(guò)某種工藝方法使外界入射光子和纖芯內(nèi) 的摻雜粒子相互作用 , 導(dǎo)致纖芯折射率沿纖軸方向周期或非周期性地永久性變化 在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。 當(dāng)溫度變化時(shí) , 光纖的柵距和折射率發(fā)生變化 , 導(dǎo)致 其響應(yīng)波長(zhǎng)的移動(dòng) , 通過(guò)檢測(cè)響應(yīng)波長(zhǎng)即可確定溫度。它可以在一根光纖上實(shí)現(xiàn) 多點(diǎn)測(cè)量 , 并能同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變。 利用這些原理制作的光纖多點(diǎn)溫度傳感器 , 可以應(yīng)用在油井溫度測(cè)量、 大壩或地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、 飛機(jī)蒙皮的健康監(jiān)測(cè)方面等場(chǎng) 合, 具有很好的應(yīng)用前景 , 是近幾年溫度測(cè)量技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)之一。4 結(jié)論 雖然溫度測(cè)量方法多種多樣 , 但在很多情況下 , 對(duì)于實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)或一些特殊條 件下的溫度測(cè)量 , 比如對(duì)極限溫度、 高溫腐蝕性介質(zhì)溫度、 氣流