熱敏電橋傳感器技術(shù)的突破性研究

金 義 忠 姜培剛

（1.重慶凌卡分析儀器有限公司，重慶400041；2.北京泰和聯(lián)創(chuàng)科技有限公司，北京102208）

1 熱敏電橋傳感器的定義及范圍

1.1 定 義

凡敏感元件具有自熱溫度效應(yīng)，采用惠斯通電橋原理參比測量法設(shè)計(jì)的傳感器，可稱為熱敏電橋傳感器。

1.2 范 圍

熱敏電橋傳感器是一個(gè)廣義的專業(yè)技術(shù)概念，包括：

分析儀器行業(yè)的熱導(dǎo)式氣體傳感器、熱磁式氧傳感器、磁壓力式氧傳感器（采用熱敏電阻元件），采用電橋原理的各種可燃、有毒氣體報(bào)警器，采用電阻敏感元件測溫電橋的溫度計(jì)和恒溫器。

此外，分析儀的微流量紅外傳感器，流量測量的壓力變送器都有可能參考適用。

2 熱敏電橋傳感器的突破方向

（1）技術(shù)性能以穩(wěn)定性為代表的核心技術(shù)指標(biāo)，而非靈敏度。

（2）傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化以更徹底實(shí)現(xiàn)其測量原理為第一重點(diǎn)。

（3）特殊工藝要有相應(yīng)非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備充分保障。

（4）整個(gè)技術(shù)鏈從敏感元件的材質(zhì)、性能為技術(shù)原點(diǎn)起要徹底貫通。

（5）追求簡單化，便于務(wù)實(shí)操作和生產(chǎn)，至簡才有可能至優(yōu)。

3 參比測量法惠斯通電橋的分類

3.1 參比測量法

惠斯通電橋常用于物理量、熱工參量測量的傳感器（或變送器），為了降低各種影響誤差，特別是環(huán)境溫度影響誤差，普遍采用參比測量法，具有很悠久的歷史。

3.2 電橋的分類

（1）等臂（對稱）電橋和有平衡調(diào)節(jié)的等臂（對稱）電橋（也稱為全橋），見圖1。

圖1 等臂電橋和有平衡調(diào)節(jié)的等臂電橋

（2）第Ⅰ對稱電橋（圖2）

（3）第Ⅱ?qū)ΨQ電橋（圖3）

圖3 第Ⅱ?qū)ΨQ電橋

前4種電橋，若以穩(wěn)定性優(yōu)先來評價(jià)，第Ⅱ?qū)ΨQ電橋最優(yōu)，第Ⅰ對稱電橋最差。

（4）第Ⅱ?qū)ΨQ復(fù)合電橋（圖4）

圖4 第Ⅱ?qū)ΨQ復(fù)合電橋

4 低漂移熱導(dǎo)式氣體傳感器（發(fā)明專利）

（1）熱導(dǎo)式敏感元件

熱敏材料為Ф0.02mm高穩(wěn)定性的高純鉑絲，細(xì)長棍狀結(jié)構(gòu)，熔包玻璃，耐腐蝕，單向引出線。

（2）敏感元件配對工藝

以動(dòng)態(tài)電阻溫度系數(shù)配對工藝，取代傳統(tǒng)的常溫靜態(tài)電阻配對工藝，使其應(yīng)用中的溫度穩(wěn)定性有突破性提高。

（3）第Ⅱ?qū)ΨQ復(fù)合電橋

前述5種電橋比較，第Ⅱ?qū)ΨQ復(fù)合電橋穩(wěn)定性最好。第Ⅱ?qū)ΨQ復(fù)合電橋具有按需要進(jìn)行低漂移校正的功能，這是特別重要的技術(shù)突破。只用一對（兩只）敏感元件比用兩對（四只）敏感元件的成本更低，配對更容易，傳感器結(jié)構(gòu)更容易小型化。

（4）傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳感器恒溫54.6℃，零溫度梯度設(shè)計(jì)，氣體在其中只有熱傳導(dǎo)作用，不會(huì)產(chǎn)生熱對流作用的影響誤差，使熱導(dǎo)原理得以免受干擾地充分實(shí)現(xiàn)（圖5）。

圖5 低漂移傳感器外形圖

（5）傳感器的零漂移校正工藝

第Ⅱ?qū)ΨQ復(fù)合電橋借助校正電橋（R5、R6、R7、R8）的校正作用，按校正工藝操作可以對熱敏電橋傳感器按需要實(shí)施低漂移校正，不必挑選傳感器，也能實(shí)現(xiàn)大體一致的低漂移性能。

（6）LKA100R、THA100R 型 熱 導(dǎo) 式 氣 體 分析儀

采用“低漂移熱導(dǎo)式氣體傳感器”發(fā)明專利的LKA100R、THA100R型熱導(dǎo)式氣體分析儀，具有真正突破性的高穩(wěn)定性，實(shí)測零點(diǎn)穩(wěn)定性幾乎為零（末位顯示值無變化），量程穩(wěn)定性為0.18%／7d，溫度影響誤差指標(biāo)≤±0.5%FS／（5～45）℃，重復(fù)性指標(biāo)≤0.25%。

（7）LKA100R型熱導(dǎo)式氣體分析儀開機(jī)（預(yù)熱）零點(diǎn)穩(wěn)定性曲線

LKA100R型熱導(dǎo)式氣體分析儀開機(jī)（預(yù)熱）零點(diǎn)穩(wěn)定性曲線，實(shí)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 LKA100R型低漂移熱導(dǎo)分析儀的零點(diǎn)穩(wěn)定性曲線

漂移偏差的最大值為－1.1%FS，出現(xiàn)在通電開機(jī)后3分鐘之時(shí)，此時(shí)傳感器還遠(yuǎn)沒有達(dá)到恒溫狀態(tài)（36.5℃），9分鐘時(shí)才開始進(jìn)入54.6℃的恒溫溫度。

據(jù)此似乎可以說：LKA100R通電開機(jī)后，隨即就能進(jìn)入正常的工程應(yīng)用。圖6還能證明和揭秘一個(gè)重要的傳感器技術(shù)秘密：只要徹底根治了傳感器的溫度影響誤差，傳感器的高穩(wěn)定性就自然得到最妥善和最經(jīng)濟(jì)的解決，或許就就是我們夢寐以求的最終理想解。

5 傳感器研發(fā)的技術(shù)大視野

5.1 筆者研發(fā)傳感器的經(jīng)歷

筆者長期深入研究熱導(dǎo)式傳感器至今已有41年之久，早年鉆研過專著《電橋的理論與計(jì)算》，深入解析過國內(nèi)4家公司、國外4家（美、德、意、日）公司的熱導(dǎo)分析儀，特別是破解美國貝克曼公司4C型熱導(dǎo)分析儀的高穩(wěn)定性秘密，有突破性意義。先后研制過三代熱導(dǎo)式傳感器，最終才得以洞察熱導(dǎo)式傳感器的技術(shù)秘密。

5.2 傳感器研發(fā)的技術(shù)大視野

（1）真正明確工程應(yīng)用的真實(shí)需要

（2）研發(fā)重點(diǎn)定位準(zhǔn)確

以穩(wěn)定性為傳感器研發(fā)的首選突破方向，以傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化為第一重點(diǎn)，以最大程度地消除溫度影響誤差為完勝目標(biāo)。

（3）傳感器研發(fā)、分析儀生產(chǎn)及工程應(yīng)用要有很長期的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)積累。例如德國H＆B公司有的工程師只持續(xù)研發(fā)同一類（例如微音器紅外）傳感器（即檢測器），才創(chuàng)造出國際龍頭地位的先進(jìn)技術(shù)。

（4）技術(shù)風(fēng)格的徹底開放性

對于外企的先進(jìn)技術(shù)、同行業(yè)甚至跨界的先進(jìn)技術(shù)，首先要有開放的心態(tài)，認(rèn)真學(xué)習(xí)、借鑒、消化和引用，甚至采用“拿來主義”的技術(shù)引進(jìn)，包括購買專利技術(shù)，韓國三星公司稱此為“反向工程”，取得極大成功。

（5）試以日本橫河公司的熱導(dǎo)式氣體分析儀為例

該儀器的熱導(dǎo)電橋及測量原理如圖7（來源于該公司樣本）所示，它正是本文特別強(qiáng)調(diào)的第Ⅱ?qū)ΨQ參比測量電橋，該儀器的穩(wěn)定性因此就該被信任。

圖7 橫河公司熱導(dǎo)電橋及測量原理

6 用系統(tǒng)學(xué)理論評論傳感器

根據(jù)錢學(xué)森院士的系統(tǒng)學(xué)理論，傳感器可認(rèn)為是一個(gè)開放的技術(shù)系統(tǒng)，因?yàn)樗c其外部環(huán)境（千差萬別的樣氣條件、環(huán)境條件、應(yīng)用要求等）以及分析儀整機(jī)存在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)的物質(zhì)交換、能量交換和信息交換。我們在研制傳感器過程中，可以據(jù)此拓展技術(shù)思路和打開新的技術(shù)創(chuàng)新空間。