随着计算机、通信和网络技术的迅速进步,现代检测技术在信号放大器、模/数转换器、信号处理器、存储器、显示器等方面得到了相应的发展,但在传感技术及其器件的研究与发展方面却相对缓慢,远远落后于实际需要。所以,传感技术目前是现代检测技术的重点与难点。目前大量使用的是传感器有热电偶、热电阻、双金属温度计等系列。下面介绍近年来已得到成功应用的一些新型温度传感器及其测温技术。
1.光纤温度传感器
光纤温度传感器是采用光纤作为敏感元件或能量传输介质而构成的新型测温仪表,它有接触式和非接触式等多种墅式。光纤传感器的特点是灵敏度高,电绝缘性能好,可适用于强烈电磁干扰、强辐射的恶劣环境;体积小、重量轻、可弯曲;可实现不带电的全光型探头等。近几年来光纤温度传感器在许多领域得到应用。
光纤传感器由光源激励、光源、光纤(含敏感元件)、光检测器、光电转换及处理系统和各种连接件等部分构成。光纤传感器可分为功能型和非功能型两种型式,功能型传感器是利用光纤的各种特性,由光纤本身感受被测量的变化,光纤既是传输介质,又是敏感元件;非功能型传感器又称传光型,是由其他敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为光信号的传输介质。非功能型光纤温度传感器在实际中得到较多的应用,并有多种类型,已实用化的温度计有液晶光纤温度传感器、荧光光纤温度传感器、半导体光纤温度传感器和光纤辐射温度计等。
(1)液晶光纤温度传感器液晶光纤温度传感器利用液晶的“热色”效应而工作。例如在光纤端面上安装液晶芯片,在液晶片中按比例混入三种液晶,温度在10~45℃范围变化,液晶颜色由绿变成深红,光的反射率也随之变化,测量光强变化可知相应温度,其精度约为0.1℃。不同型式的液晶光纤温度传感器的测温范围可在-50~250℃之间。
(2)荧光光纤温度传感嚣荧光光纤温度传感器的工作原理是利用荧光材料的荧光强度随温度而变化,或荧光强度的衰变速度随温度而变化的特性,前者称荧光强度型,后者称荧光余辉型。其结构是在光纤头部粘接荧光材料,用紫外光进行激励,荧光材料将会发出荧光,检测荧光强度就可以检测温度。荧光强度型传感器的测温范围为-50~200℃;荧光余辉型温度传感器的测温范围为-50~250℃。
(3)半导体光纤温度传感器半导体光纤温度传感器是利用半导体的光吸收响应随温度而变化的特性,根据透过半导体的光强变化检测温度。例如单波长式半导体光纤温度传感器,半导体材料的透光率与温度的特性曲线如图2-18所示,温度变化时,半导体的透光率曲线亦随之变化。当温度升高时,曲线将向长波方向移动,在光源的光谱处于A。,附近的特定入射波长的波段内,其透过光强将减弱;测出光强变化就可知对应的温度变化。这类温度计的测温范围为-30~300℃。
(4)光纤辐射温度计光纤辐射温度计的工作原理、分类与普通的辐射测温仪表类似,它可以接近或接触目标进行测温。目前,因受光纤传输能力的限制,其工作波长一般为短波,采用亮度法或比色法测量。
光纤辐射温度计的光纤可以直接延伸为敏感探头,也可以经过耦合器,用刚性光导棒延伸。光纤敏感探头有多种型式,例如直型、楔型、带透镜型和黑体型等。
典型的光纤辐射温度计的测量温范围为200~4000℃,分辨率可达0.01℃,在高温时精度可优于±0.2%读数值,其探头耐温一般可达300℃,加冷却后可到500℃。
(5)光纤测温技术的应用 光纤测温技术是在zui近十多年才发展起来的新技术,在某些传统方法难以解决的测温场合,可以采用光纤测温技术。它的主要应用场合如下。
①采用普通测温元件可能造成较大测量误差,甚至无法正常工作的强磁场范围内的目标物体,进行温度测量。如金属的高频熔炼与橡胶的硫化,木与织物、食品、药品等的微波加热烘烤过程的炉内温度测量。光纤测温技术在某些领域中有着优势,因为它既无导电部分引起的附加升温,又不受电磁场干扰,因而能保证测量温度的准确性。
②高压电器的温度测量。zui典型的应用是高压变压器绕组热点的温度测量。英国电能研究中心从20世纪70午代中期就开始潜心研究这一课题,起初是为了故障诊断与预报,现在由于计算机电能管理的应用,便转入了安全过载行业,使系统处于*功率分配状态。另一类可能应用的场合是各种高压装置,发电机、高压开关、过载保护装置等。
③易燃易爆物的生产过程与设备的温度测量。光纤传感器在本质上是防火防爆器件,它不需要采用隔爆措施,十分安全可靠。
④高温介质的温度测量。在冶金工业中,当温度高于1300℃或1700℃时,或者温度虽不高但使用条件恶劣时,尚存在许多测温难题。充分发挥光纤测温技术的优势,其中有些难题可望得到解决。例如,钢水和铁液在连轧和连铸过程中的连续测温问题。
2.石英晶体温度传感器及其测温技术
随着生产和科技的发展,许多地方对温度测量与控制的要求愈来愈高,而普通常规温度传感器难以满足要求,需要高精度、高分辨力的温度传感器和测温仪器。而石英晶体温度传感器及温度计就是具有高分辨力(0. 0001℃)、高线性度(0.002%)和高稳定性,适合中低温测量的新型温度传感器和测温仪器。
(1)工作原理 利用石英晶体的固有频率随温度变化而变化的特性来测温的仪器,称为石英温度计。
石英的固有振动频率可用下式表示 f=ng/2b√c/p
式中,f为固有振动频率;n为谐波次数;b为振子的厚度;p为密度;C为弹性常数。
石英振子的频率还与温度具有下列近似关系
ft =fo[l+ α(t-to)+β(t-to)2+Y(t-to)3] (2-40)
式中,fo为在温度为t0时的频率;ft为在温度为 t时的频率;to为基准参考温度;a,β,Y为一次、二次、三次冪的温度系数。
系数a,β,Y随石英晶体的切割角度的改变而变化。当切割角度不同时,温度系数也明显不同,说明石英的频率温度系列既是切割角度的函数,又是温度的函数。所谓瓶率温度系数,是指温度增加1℃时,其频率变化的相对偏移量。大量研究和实验表明采用Y切割的石英晶体片的振荡频率与温度呈线性关系,其斜率(即频率温度系数)约1000HZ/℃。
(2)石英晶体传感器结构 石英温度计通常采用石英振荡器,构成一个决定频率的谐振回路,而石英振子部分,通常采用易接受温度变化的结构。石英振子置于不锈钢保护管的上部,使其对外界温度变化敏感。由支柱支撑,振子的两面粘帖有用金等性能稳定的金属或合金制成的电极,并用引线与外部连通。石英振子虽由支柱支撑,但是它将阻碍振子振动,并且,外界振动及冲击等又要改变其支撑位置,都对测温不利。然而,若使石英片自由振荡,支撑位置又不受冲击是相当困难的。
(3)石英温度计主要特性
①高分辨力:分辨力达o.001~0. oooi℃。
②高精度:在~50~120℃范围内,其误差为±o.05℃(普通温度计的差一般大于 ±0.1℃)。
③高稳定度:年变化在0.02℃以内。
④热滞后误差小,可以忽略。
⑤因是频率输出型传感器,后续测量与处理电路设计方便、简单,且可不受放大器漂 移及电源波动的影响,可方便地远距离(如1500m)传送温度测量信号。
⑥其精度和稳定性可以作为温度量值传递的标准及次级标准使用。
⑦石英传感器的抗强冲击性能较差,故在安装、运输和使用需特别注意。