温度传感器在热学实验中的应用

章登宏， 钟菊花， 房 毅， 顾英俊， 陈建华

(华东理工大学物理系，上海200237)

0 引言

在现代科技迅猛发展的21世纪，人类的活动信息化，传感和检测技术的重要性就显得尤为突出。一切科学研究和生产过程要获取信息，要通过传感器转换为容易传输与处理的电信号。而传感器技术是关于传感器的设计、制造及应用的综合技术，它是传感与控制技术、通信技术和计算机技术三大技术之一［1-3］。传感器既是现代信息系统的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。传感器(Transducer/Sensor)的定义:能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或者装置，通常由敏感元件和转换元件组成［4-5］。近来对传感器有了新评价:“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已众所周知。

应用、研究和发展传感器技术是信息时代的必然要求，而且科学技术与实验结合必须面向国民经济［6］，面向各级各类教学环节。在三大技术中，传感器是一种获得信息的手段，它将感受或影响规定的被测量，按一定规律转换成可输出信号，以满足信息的传输、存储、处理、显示和控制等要求。在各种测量信号中，由于电信号测量技术和手段发展的较好，其采集、传输、处理、显示最为方便，因而，人们常将各种非电量转换为电量来测量。

实验教学是学科基础，是培养学生基本操作技能和创新能力的重要途径［7］。对开设的热学实验，所测量的温度、气压、光强度、热量等物理量，能够按照要求选用传感器来进行检测和控制。根据高校创新性实验教学的内涵［8］，结合传感器技术和计算机技术的应用，温度传感器和压力传感器逐步取代传统的水银温度计和U型压力计，数据通过接口设备可以按照设计的程序自动记录、分析并存储。

1 传感器的发展和分类

温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段:①传统的分立式温度传感器(含敏感元件);②模拟集成温度传感器/控制器;③ 智能温度传感器。国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。

传感器的分类目前无统一规定，加上本身种类繁多、原理各异、检测对象五花八门，通常的分类:① 若按被测量分有以下三类:热工量、机械量、物性量等;②若按物理原理分类，分为压阻式、压电式、电感式、电容式、应变式、霍尔式等;③ 若按能量的传递方式分类，分为有源传感器和无源传感器两大类;④若按其功能来分，可分近20种。这些传感器可以检测的对象很多，例如:热量、压力、温度、湿度、长度、体积、含量、浓度、畸变、气味等。另外，根据传感器输出是模拟信号还是数字信号，可分为模拟传感器和数字传感器;根据转换过程可逆与否，可分为双向传感器和单向传感器等等。

2 传感器在热学实验中的运用

在热学实验中，使用传感器时主要考虑:①实验的具体情况和要求，② 传感器的实际使用条件和特性。例如测温控制，一般情况下测温范围常在0～100℃。能够满足此条件的器件很多，如各种热电偶、热敏电阻、半导体PN结温度传感器等均可以。结合实验就要进行合理的选择，主要考虑测量电路要简单、成本要低廉、测量精度要高，那么选择半导体PN结温度传感器最合适。

温度传感器是科研和工业生产中最常见的一种传感器。它将物体的温度转化为电信号输出，具有结构简单、测量范围宽、稳定性好、精度高等优点。不同的温度传感器材料不同、制作方法不同，实验使用的主要有热电阻、热电偶、集成型产品及数字式温度传感器等。

2．1 热电阻

热电阻是利用导体电阻随温度变化这一特性来测量温度的，在测温和控温中广泛应用，如各种家用电器的温度控制器、火警报警器、恒温箱等。用于制造热电阻的材料，电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度的关系最好成线性。热电阻种类较多，常用的有铂、铜电阻。铂丝是热电阻用的最好材料，物理、化学性能非常稳定，测量精度高。铂电阻主要用作标准电阻温度计，常用的有Pt100，测温范围为－200～+960℃。考虑到精度要求，通常使用阻一温特性成良好线性的铂电阻，其特征方程为［9］:当 －200℃ ＜t＜0℃时，

当0℃ ＜t＜850℃时，

式中:R0为温度为零时电阻值(Pt100=100Ω);A、B、C为常数。由于最终输出量为电阻值，可以直接通过欧姆表测量。代入即得实际温度值。还可以与计算机相连进行数据采集和处理。

铜丝的特点是价格便宜、纯度高、复制性好、线性特性仅次于铂，比铂电阻有较高的灵敏度，常用做－50～150℃范围内的工业用电阻温度计。

热电阻的测量方法:有恒压法和恒流法两种。热电阻测温电路是电桥，采用普通电桥会因连接导线电阻受环境温度变化造成测量误差。实验开设的是非电量电测:温度电测法，采用不平衡电桥测非电量的标定方法，使用铜电阻体、电阻箱、微安表等仪器，电桥电源使用一定精度的稳压电源。通过实验，学生掌握了电阻温度计测量温度的基本原理、方法和不平衡电桥的应用，达到了理论与实践结合的目标，提高了应用能力。

2．2 热电偶

热电偶(thermocouple)，基于塞贝克热电效应在电路中产生电动势的一对不同材料的导电体，或者:一端结合在一起的一对不同材料的导体，并应用其热电效应实现温度测量的敏感元件。热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。测温范围－270～1 800℃以上，它属于自发电型传感器，测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表。

从理论上讲，任何两种不同导体(或半导体)都可以制成热电偶。但是作为实用的测温元件，为了保证工程技术中的可靠性，以及足够的测量精度，一般对热电偶的电极材料有特殊的要求［10］。热电偶通常由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等部分组成。在很宽的温度测量范围内，热电偶的特性是非线性的，因此，不要公式计算，也不用特性曲线表示，而是用分度表给出。

在使用热电偶测温时，必须能够熟练地运用热电偶的参考端(冷端)处理方法、安装方法、测温电路、测温仪表等实用技术。热电偶的参考端(冷端)处理:热电偶工作时，必须保持冷端温度恒定(冰水混合物)，并且热电偶的分度表是以冷端温度为0℃作出的。

实验开设的非电量电测实验有温度电测法、热传导系数的测定。前者学习热电偶标定和测温，使用铜-康铜热电偶、电阻箱、微安表、水银温度计等仪器，电桥电源使用一定精度的稳压电源;后者一般有稳态法和动态法，所做实验利用稳态法测量固体的导热系数。通过基础实验掌握了热电偶测温原理、热传导的基本原理和规律，提高了解决实际问题的能力。

2．3 集成温度传感器以及AD590

集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b—e结压降的不饱和值U与热力学温度T和通过发射极电流I的关系实现对温度的检测。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压、电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10 mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2．982 V;电流输出型的灵敏度一般为1μA/K。

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源，是一种应用广泛的温度敏感元件，接不同的信号调节电路可以满足不同的测量控制精度要求。依据其主要特性［11］，开设了动态物理过程的实时测量，即实时观测热敏电阻的温度特性［12］。实验仪器主要有:双路稳压稳流源、LabCorder数据采集分析仪、计算机、智能温控辐射式加热器、AD590、铂电阻、热敏电阻等。将采集的电压值转换为相应的电阻与温度值，AD590温度传感器给出温度信号，热敏电阻回路给出电阻阻值变化信号，运用相关的计算式得到一一对应的R-T数据，要求用坐标纸描绘热敏电阻PTC的温度特性曲线(计算机采集数据，合理选择数据点进行记录，并进行数据处理，绘制R-T图)。该实验能够较好地反映学生的综合素质、计算机数据采集和分析的能力，虽然有一定的综合性和难度，学生普遍认为需要具备扎实的基本功，学到了知识，锻炼了能力。

2．4 红外、光纤和数字式温度传感器

自然界中，一切温度高于绝对零度(－273．15℃)的物体，由于分子热运动的存在，就会不断地向周围辐射电磁波，其中就包含了波段位于0．76～100μm的红外线，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合普朗克(Plank)定律，红外温度传感器就是以此而成的。利用辐射热效应，使探测器件接收辐射能后引起温度升高，一般理解红外测量的是物体的温度，其实测的是目标物与传感器或者说是物体与环境温度之间的差值。多数情况下是通过赛贝克效应来探测辐射的，当器件接收辐射后，引起非电量的物理变化，也可通过适当变化变为电量后进行测量。测量温度具有非接触测量、灵敏度高、响应速度快、测温范围广等特点。开设的热腔辐射实验，主要仪器包括热辐射腔、光学基座、直线转化器、转动传感器、红外传感器和热电阻温度传感器等。该实验学生掌握了不同颜色表面的热辐射和热腔辐射的原理和规律，以及传感器的进一步应用，具有一定的综合性与创新性，学生既学到了理论，又加强了实践能力。

光纤技术的发展，为非接触式测温在生产中的应用提供了非常有利的条件。光纤温度传感器，利用光导纤维、热辐射理论和普朗克原理制成［13］。光纤测温技术解决了许多热电偶和常规红外测温仪无法解决的问题。在较高温度(1 000～1 500℃)的测量中，价格昂贵的金属热电偶必须接触被测高温物体，损坏快导致成本高。它具有抗电磁干扰、耐高温、抗腐蚀、小型化等优点;光纤挠性好、透光谱段宽、传输损耗低、无论是就地使用或远传均十分方便，结构布置简单且体积小。作为温度计，可用于其它温度计难以应用的特殊场合，如密封、高电压、强磁场、核辐射、严格防爆、防水、防腐、特小空间等等。

数字式温度传感器是通过温度敏感元件和相应电路转换成方便计算机和智能仪表等数据采集设备直接读取的数字量的传感器。它与模拟式传感器相比的特点是:测量的精度和分辨率更高、抗干扰能力更强、稳定性更好、易于微机接口、便于信号处理和实现自动化测量。如SMT16030该款温度传感器因其特殊工艺，分辨率优于0．005 K。测量温度范围－45～+130℃，故广泛用于高精度场合。常用的有4类:编码器、栅式数字传感器、感应同步器、谐振式数字传感器。

3 温度传感器在热学实验教学中的发展趋势

根据教学大纲的基本要求，开设热学与传感器技术相结合的实验，在教学目的方面，① 培养学生用实验的方法去研究热学现象及规律的能力;②使学生在基础知识和基本技能方面得到训练;③重视培养科学素质和创新精神。在教学内容方面，应反映现代科技的发展，将传统的实验与现代新技术有效的结合起来，用新技术、新方法来设计和更新传统实验，使学生在知识结构及实验技能等方面能适应信息社会的需求。在教学方法上，运用问题探讨式和启发式，侧重于传感器应用方面的讲解，以提出、分析、解决问题为主线的能力培养体系，调动学习积极性和主动性，将抽象的知识具体化，发展学生的非智力素质。在教学过程中，要因材施教，通过实验掌握一些传感器的基本知识，了解其应用技术，有可借鉴的思路和方法，提高解决实际问题的能力，达到“构建多元化开放式实践教学体系培养大学生的“四种能力”［14］的实际效果。温度传感器在实验中的应用，改进了传统物理热学实验仪器，提高了实验的精确度，促进了传统实验教学转向创新实验教学。

4 结语

随着信息的剧增，对传感器提出了越来越高的要求，因此仍在高速发展。作为热学实验教学，加强传感器技术与新技术应用的实验，开设综合性、设计性与创新性实验能从多角度、多方位、多层次、多途径训练学生提出、分析和解决问题的能力，是培养学生创新能力的重要手段［15-18］，能够进一步促进素质教育，提高学生适应新技术发展的能力，培养具有工程创新的一代新人。

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