溫度傳感器在熱學實驗中的應用

章登宏， 鐘菊花， 房 毅， 顧英俊， 陳建華

(華東理工大學物理系，上海200237)

0 引言

在現代科技迅猛發展的21世紀，人類的活動信息化，傳感和檢測技術的重要性就顯得尤為突出。一切科學研究和生產過程要獲取信息，要通過傳感器轉換為容易傳輸與處理的電信號。而傳感器技術是關于傳感器的設計、制造及應用的綜合技術，它是傳感與控制技術、通信技術和計算機技術三大技術之一［1-3］。傳感器既是現代信息系統的源頭，又是信息社會賴以存在和發展的物質與技術基礎。傳感器(Transducer/Sensor)的定義:能感受規定的被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或者裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成［4-5］。近來對傳感器有了新評價:“沒有傳感器技術就沒有現代科學技術”的觀點已眾所周知。

應用、研究和發展傳感器技術是信息時代的必然要求，而且科學技術與實驗結合必須面向國民經濟［6］，面向各級各類教學環節。在三大技術中，傳感器是一種獲得信息的手段，它將感受或影響規定的被測量，按一定規律轉換成可輸出信號，以滿足信息的傳輸、存儲、處理、顯示和控制等要求。在各種測量信號中，由于電信號測量技術和手段發展的較好，其采集、傳輸、處理、顯示最為方便，因而，人們常將各種非電量轉換為電量來測量。

實驗教學是學科基礎，是培養學生基本操作技能和創新能力的重要途徑［7］。對開設的熱學實驗，所測量的溫度、氣壓、光強度、熱量等物理量，能夠按照要求選用傳感器來進行檢測和控制。根據高校創新性實驗教學的內涵［8］，結合傳感器技術和計算機技術的應用，溫度傳感器和壓力傳感器逐步取代傳統的水銀溫度計和U型壓力計，數據通過接口設備可以按照設計的程序自動記錄、分析并存儲。

1 傳感器的發展和分類

溫度傳感器的發展大致經歷了以下3個階段:①傳統的分立式溫度傳感器(含敏感元件);②模擬集成溫度傳感器/控制器;③ 智能溫度傳感器。國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數字式、由集成化向智能化、網絡化的方向發展。

傳感器的分類目前無統一規定，加上本身種類繁多、原理各異、檢測對象五花八門，通常的分類:① 若按被測量分有以下三類:熱工量、機械量、物性量等;②若按物理原理分類，分為壓阻式、壓電式、電感式、電容式、應變式、霍爾式等;③ 若按能量的傳遞方式分類，分為有源傳感器和無源傳感器兩大類;④若按其功能來分，可分近20種。這些傳感器可以檢測的對象很多，例如:熱量、壓力、溫度、濕度、長度、體積、含量、濃度、畸變、氣味等。另外，根據傳感器輸出是模擬信號還是數字信號，可分為模擬傳感器和數字傳感器;根據轉換過程可逆與否，可分為雙向傳感器和單向傳感器等等。

2 傳感器在熱學實驗中的運用

在熱學實驗中，使用傳感器時主要考慮:①實驗的具體情況和要求，② 傳感器的實際使用條件和特性。例如測溫控制，一般情況下測溫范圍常在0～100℃。能夠滿足此條件的器件很多，如各種熱電偶、熱敏電阻、半導體PN結溫度傳感器等均可以。結合實驗就要進行合理的選擇，主要考慮測量電路要簡單、成本要低廉、測量精度要高，那么選擇半導體PN結溫度傳感器最合適。

溫度傳感器是科研和工業生產中最常見的一種傳感器。它將物體的溫度轉化為電信號輸出，具有結構簡單、測量范圍寬、穩定性好、精度高等優點。不同的溫度傳感器材料不同、制作方法不同，實驗使用的主要有熱電阻、熱電偶、集成型產品及數字式溫度傳感器等。

2．1 熱電阻

熱電阻是利用導體電阻隨溫度變化這一特性來測量溫度的，在測溫和控溫中廣泛應用，如各種家用電器的溫度控制器、火警報警器、恒溫箱等。用于制造熱電阻的材料，電阻溫度系數要大，熱容量、熱慣性要小，電阻與溫度的關系最好成線性。熱電阻種類較多，常用的有鉑、銅電阻。鉑絲是熱電阻用的最好材料，物理、化學性能非常穩定，測量精度高。鉑電阻主要用作標準電阻溫度計，常用的有Pt100，測溫范圍為－200～+960℃。考慮到精度要求，通常使用阻一溫特性成良好線性的鉑電阻，其特征方程為［9］:當 －200℃ ＜t＜0℃時，

當0℃ ＜t＜850℃時，

式中:R0為溫度為零時電阻值(Pt100=100Ω);A、B、C為常數。由于最終輸出量為電阻值，可以直接通過歐姆表測量。代入即得實際溫度值。還可以與計算機相連進行數據采集和處理。

銅絲的特點是價格便宜、純度高、復制性好、線性特性僅次于鉑，比鉑電阻有較高的靈敏度，常用做－50～150℃范圍內的工業用電阻溫度計。

熱電阻的測量方法:有恒壓法和恒流法兩種。熱電阻測溫電路是電橋，采用普通電橋會因連接導線電阻受環境溫度變化造成測量誤差。實驗開設的是非電量電測:溫度電測法，采用不平衡電橋測非電量的標定方法，使用銅電阻體、電阻箱、微安表等儀器，電橋電源使用一定精度的穩壓電源。通過實驗，學生掌握了電阻溫度計測量溫度的基本原理、方法和不平衡電橋的應用，達到了理論與實踐結合的目標，提高了應用能力。

2．2 熱電偶

熱電偶(thermocouple)，基于塞貝克熱電效應在電路中產生電動勢的一對不同材料的導電體，或者:一端結合在一起的一對不同材料的導體，并應用其熱電效應實現溫度測量的敏感元件。熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表(二次儀表)轉換成被測介質的溫度。測溫范圍－270～1 800℃以上，它屬于自發電型傳感器，測量時可以不需外加電源，可直接驅動動圈式儀表。

從理論上講，任何兩種不同導體(或半導體)都可以制成熱電偶。但是作為實用的測溫元件，為了保證工程技術中的可靠性，以及足夠的測量精度，一般對熱電偶的電極材料有特殊的要求［10］。熱電偶通常由熱電極、絕緣套管、保護套管和接線盒等部分組成。在很寬的溫度測量范圍內，熱電偶的特性是非線性的，因此，不要公式計算，也不用特性曲線表示，而是用分度表給出。

在使用熱電偶測溫時，必須能夠熟練地運用熱電偶的參考端(冷端)處理方法、安裝方法、測溫電路、測溫儀表等實用技術。熱電偶的參考端(冷端)處理:熱電偶工作時，必須保持冷端溫度恒定(冰水混合物)，并且熱電偶的分度表是以冷端溫度為0℃作出的。

實驗開設的非電量電測實驗有溫度電測法、熱傳導系數的測定。前者學習熱電偶標定和測溫，使用銅-康銅熱電偶、電阻箱、微安表、水銀溫度計等儀器，電橋電源使用一定精度的穩壓電源;后者一般有穩態法和動態法，所做實驗利用穩態法測量固體的導熱系數。通過基礎實驗掌握了熱電偶測溫原理、熱傳導的基本原理和規律，提高了解決實際問題的能力。

2．3 集成溫度傳感器以及AD590

集成溫度傳感器實質上是一種半導體集成電路，它是利用晶體管的b—e結壓降的不飽和值U與熱力學溫度T和通過發射極電流I的關系實現對溫度的檢測。集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優點，得到廣泛應用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓、電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10 mV/K，溫度0℃時輸出為0，溫度25℃時輸出2．982 V;電流輸出型的靈敏度一般為1μA/K。

AD590是美國模擬器件公司生產的單片集成兩端感溫電流源，是一種應用廣泛的溫度敏感元件，接不同的信號調節電路可以滿足不同的測量控制精度要求。依據其主要特性［11］，開設了動態物理過程的實時測量，即實時觀測熱敏電阻的溫度特性［12］。實驗儀器主要有:雙路穩壓穩流源、LabCorder數據采集分析儀、計算機、智能溫控輻射式加熱器、AD590、鉑電阻、熱敏電阻等。將采集的電壓值轉換為相應的電阻與溫度值，AD590溫度傳感器給出溫度信號，熱敏電阻回路給出電阻阻值變化信號，運用相關的計算式得到一一對應的R-T數據，要求用坐標紙描繪熱敏電阻PTC的溫度特性曲線(計算機采集數據，合理選擇數據點進行記錄，并進行數據處理，繪制R-T圖)。該實驗能夠較好地反映學生的綜合素質、計算機數據采集和分析的能力，雖然有一定的綜合性和難度，學生普遍認為需要具備扎實的基本功，學到了知識，鍛煉了能力。

2．4 紅外、光纖和數字式溫度傳感器

自然界中，一切溫度高于絕對零度(－273．15℃)的物體，由于分子熱運動的存在，就會不斷地向周圍輻射電磁波，其中就包含了波段位于0．76～100μm的紅外線，其輻射能量密度與物體本身的溫度關系符合普朗克(Plank)定律，紅外溫度傳感器就是以此而成的。利用輻射熱效應，使探測器件接收輻射能后引起溫度升高，一般理解紅外測量的是物體的溫度，其實測的是目標物與傳感器或者說是物體與環境溫度之間的差值。多數情況下是通過賽貝克效應來探測輻射的，當器件接收輻射后，引起非電量的物理變化，也可通過適當變化變為電量后進行測量。測量溫度具有非接觸測量、靈敏度高、響應速度快、測溫范圍廣等特點。開設的熱腔輻射實驗，主要儀器包括熱輻射腔、光學基座、直線轉化器、轉動傳感器、紅外傳感器和熱電阻溫度傳感器等。該實驗學生掌握了不同顏色表面的熱輻射和熱腔輻射的原理和規律，以及傳感器的進一步應用，具有一定的綜合性與創新性，學生既學到了理論，又加強了實踐能力。

光纖技術的發展，為非接觸式測溫在生產中的應用提供了非常有利的條件。光纖溫度傳感器，利用光導纖維、熱輻射理論和普朗克原理制成［13］。光纖測溫技術解決了許多熱電偶和常規紅外測溫儀無法解決的問題。在較高溫度(1 000～1 500℃)的測量中，價格昂貴的金屬熱電偶必須接觸被測高溫物體，損壞快導致成本高。它具有抗電磁干擾、耐高溫、抗腐蝕、小型化等優點;光纖撓性好、透光譜段寬、傳輸損耗低、無論是就地使用或遠傳均十分方便，結構布置簡單且體積小。作為溫度計，可用于其它溫度計難以應用的特殊場合，如密封、高電壓、強磁場、核輻射、嚴格防爆、防水、防腐、特小空間等等。

數字式溫度傳感器是通過溫度敏感元件和相應電路轉換成方便計算機和智能儀表等數據采集設備直接讀取的數字量的傳感器。它與模擬式傳感器相比的特點是:測量的精度和分辨率更高、抗干擾能力更強、穩定性更好、易于微機接口、便于信號處理和實現自動化測量。如SMT16030該款溫度傳感器因其特殊工藝，分辨率優于0．005 K。測量溫度范圍－45～+130℃，故廣泛用于高精度場合。常用的有4類:編碼器、柵式數字傳感器、感應同步器、諧振式數字傳感器。

3 溫度傳感器在熱學實驗教學中的發展趨勢

根據教學大綱的基本要求，開設熱學與傳感器技術相結合的實驗，在教學目的方面，① 培養學生用實驗的方法去研究熱學現象及規律的能力;②使學生在基礎知識和基本技能方面得到訓練;③重視培養科學素質和創新精神。在教學內容方面，應反映現代科技的發展，將傳統的實驗與現代新技術有效的結合起來，用新技術、新方法來設計和更新傳統實驗，使學生在知識結構及實驗技能等方面能適應信息社會的需求。在教學方法上，運用問題探討式和啟發式，側重于傳感器應用方面的講解，以提出、分析、解決問題為主線的能力培養體系，調動學習積極性和主動性，將抽象的知識具體化，發展學生的非智力素質。在教學過程中，要因材施教，通過實驗掌握一些傳感器的基本知識，了解其應用技術，有可借鑒的思路和方法，提高解決實際問題的能力，達到“構建多元化開放式實踐教學體系培養大學生的“四種能力”［14］的實際效果。溫度傳感器在實驗中的應用，改進了傳統物理熱學實驗儀器，提高了實驗的精確度，促進了傳統實驗教學轉向創新實驗教學。

4 結語

隨著信息的劇增，對傳感器提出了越來越高的要求，因此仍在高速發展。作為熱學實驗教學，加強傳感器技術與新技術應用的實驗，開設綜合性、設計性與創新性實驗能從多角度、多方位、多層次、多途徑訓練學生提出、分析和解決問題的能力，是培養學生創新能力的重要手段［15-18］，能夠進一步促進素質教育，提高學生適應新技術發展的能力，培養具有工程創新的一代新人。

［1］ 李 成，樊尚春，錢 政，等．傳感器課堂與實驗教學的一體化建設與實踐［J］．實驗室研究與探索，2011，30(10):132-135．

［2］ 宋述燕，陳家鳳．《傳感器技術及應用》教學方法探討［J］．實驗科學與技術，2008，6(3):104-105，146．

［3］ 李科杰．現代傳感技術［M］．北京:電子工業出版社，2005．

［4］ 劉迎春，葉湘濱．現代新型傳感器原理與應用［M］．北京:國防工業出版社，1998．

［5］ 蔣敦斌，李文英．非電量測量與傳感器應用［M］．北京:國防工業出版社，2005．

［6］ 依俊卿．實驗室是現代綜合性大學發展的依托［J］．實驗室研究與探索，2005，24(7):2．

［7］ 趙洪霞，鮑吉龍，丁志群，等．在實驗教學改革中培養學生的創新能力［J］．實驗科學與技術，2009，7(1):91-92．

［8］ 章新友．關于高校創新性實驗教學的思考［J］．實驗室研究與探索，2005，24(6):68．

［9］ 林春方，胡偉全，徐鳳云．傳感器原理及應用［M］．合肥:安徽大學出版社，2004．

［10］ 李科杰．現代傳感技術［M］．北京:電子工業出版社，2005．

［11］ 黃繼昌，徐巧魚，張海貴．傳感器工作原理及應用實例［M］．北京:人民郵電出版社，1998．

［12］ 張兆奎，繆連元，張 立．大學物理實驗［M］．3版．北京:高等教育出版社，2008．

［13］ 劉麗華，王 軍，新 力，等．光纖溫度傳感器的應用及發展［J］．儀器儀表學報，2003，24(5):547-550．

［14］ 韋 化．構建多元化開放式實踐教學體系培養大學生的“四種能力" ［J］．實驗室研究與探索，2011，30(5):1．

［15］ 施鼎方，徐竟成，朱毓秀，等．開設綜合性實驗項目，促進創新能力培養［J］．實驗室研究與探索，2012，31(8):85-87．

［16］ 李 成，侯汝舜，樊尚春，等．傳感器設計性實驗教學的探索與建設［J］．實驗室研究與探索，2010，29(10):122-124．

［17］ 李 進．實驗教學重在過程［J］．實驗室研究與探索，2009，28(9):1-4．

［18］ 孫維民，趙麗軍，趙 褰，等．開設研究性與創新性實驗，提高學生創新能力［J］．實驗室研究與探索，2012，31(7):124-126．