利用电子传感器测量测试的方法

1. 温度是什么？

热是一种分子运动。物体越热，它的分子运动得越快，绝对零点的定义是，在这温度下一切分子运动都停止了。可是，我们既然不能看到分子在运动，我们怎样测量温度呢?美国全国标准和技术NIST所用的基本标准是根据理想气体定律，这定律表明，温度升高时，气体的压力或者体积必须按比例增加，此数字表示，P×V=KT，其中P=压力，V=体积，T=绝对温度，而K是个常数。在固定的体积中把分子速度加倍会使每秒钟的分子碰撞次数加倍，或者使压力加倍。在绝对零度下，理想气体会缩小到零体积和压力，图1说明固定体积的气体温度计，理想气体并不存在，不过氦接近理想气体，利用汞压力计用来测量气体和蒸汽的压力和可调节的容器来测量充满氦的玻璃球的气体压力。温度改变时，就调节容器中的柱塞，使压力计的左臂保持固定的高度，因而使氦保持固定的体积。右臂上方被抽成真空时，汞柱的温度就显示出气体的压力，因而也显示出氦的温度，原理很简单，可是要精确地测量就困难了。温度会影响玻璃球的体积，而连接管子和无玻璃球的温度并不相同，而且汞柱较小的变化和汞表面的弯月也限制了测量的准确度，比这些问题更重要的是，必须对氦与理想气体定律的偏离程度作出修正。因此，利用气体定律测量温度的方法主要是国家的标准实验，如NIST才使用。


2. 温标

制造或者标准温度计的公司或实验室需要更实用的标准。因此，国际温标NIST就产生了，此前称为国标实用温标，以便与基本的气体定律温标加以区别，由一些国家标准实验室参与的国际会议经常对这温标加以检讨和修订。最新的修订是在1990年公布的，改为ITS-90。温标是从一系列获得公认的基本温度或者固定点开始的，与会的实验室同意指定某些高纯度材料的凝固点或者熔点。有时是三相点作为精确的温度数值。图2是典型的温度固定元件，盛载着高纯度金属的石墨坩锅被封存在石墨容器中，容器中还注入氩气或者一些其它惰性气体，表1列出几个温度的固定点，例如，银的凝固点被指定为开氏绝对温度1234.93度或者摄氏960.323度。水的三相点比其凝固点容易受到精确的控制，它被规定为273.16K或者0.01℃。三相点很像凝固点，只不过材料是封存在抽成真空的玻璃容器中。水所受到的只是它本身的蒸汽压而不是大气压。


因为凝固点是受到空气压力和污染的影响，三相点是可以更容易地重复获得的。三相点是指材料是处于三相平衡，气相、液相和固相，要使温标有实效，可以在规定的固定点之间插入传感器。ITS-90规定几个这样的传感器负责测量温标的各部分，温标的中间是在氢的三相点和它的凝固点之间，其间插入高级的电阻温度计，称为标准的全电阻温度计SIRT、SPRT是用高纯度的白金导线精心制造烧制，而且以最少的支承物装配，因而不受拉紧。在三个或多个固定点把温度计标准后，就可以在这些温度之间使用这个温度计。温度计的R-T方柱是非常复杂的。必须利用电脑来处理。图3是封在Pvrex玻璃套中的SPRT。温标的最低端低至0.65K，是由氦气法定律测温法规定的，几个重叠的范围是由各自的复杂方柱和图表规定的，在温标的高端，水银的凝固点以上的温度则利用辐射测温法来规定，辐射测温法根据的原理就在于，红外或光辐射是随着温度的升高而增加的，旧式的IPTS也是利用白金合金制成的热电偶去温度规定温标的一部分，不过在1990年修订时已经被取消了。


3. 商用传感器

下面，我们来看看和比较一下商用的温度传感器：热电偶、电阻温度计、热敏电阻以及硅IC传感器。我们先开始迅速观察一下，表1比较了它们的特性，而图4是它们的工作范围和准确度。热电偶只不过是两根不同的金属连在一起。连接之后，它就会产生电动势，这电动势随着温度的升高而近似线性增加。热电偶的灵敏度，线性和温度范围是和所用的金属有关。多年来，已经有几种热电偶成为标准，在美国，NIST公布了八种热电偶，让字母代码来识别的毫伏～温度表。其中五种J、K、T、G和N是由碱金属合金制成，有不同的温度范围和用途，灵敏度一般是每摄氏度几十毫伏，其中三种R、S和B是用的金属白金制成的，当然这是常最昂贵的，是最稳定和可以重复的热电偶，最常用于高温工作的，不过灵敏度较低。有些厂商和经销商生产依照这些标准的热电偶导线和无指针。


此外，有些厂商生产适合高温、低温和其它特别用途的特别热电偶。其中最常见的是钨合金热电偶，可以测量高达2015℃，即4260°F的温度。电阻或温度计会有细导线或者金属薄膜制成的线圈。大多数金属的电阻随着温度而变，不过白金或者镍最常用来制造电阻或温度计，通常，电阻式温度计比热电偶更为稳定、准确和灵敏，但只限于较低的温度，白金制的电阻式温度计是最稳定的、准确的。并且适用于最高的温度范围，综合的价格比较低，所以适合中等温度的工艺用途，不过，最近制造的金属薄膜元件的工艺进展已经抵消了镍的廉价优点，这种工艺类似金属膜电阻的原理，有时人们也使用其它金属，主要是铜和一种称为Balco的合金，大多数读者可能熟悉热敏电阻，它们和和热电阻无电阻式温度计不同，它们是高度敏感，非常非线性，只适用于有限的温度范围，热敏电阻也有正温度系数的类型，不过最适合温度的测量的是负温度系数PTC的器件，它的电阻随着温度的升高而减少，大约每度减少3％-5％的电阻，热敏电阻具有任何商用温度传感器的各种尺寸、外型、准确度和价格。温度传感器IC是适合大多数实验使用的最新和最容易的器件。它们是敏感和线性的，并且容易连接运算放大器和模数变换器，在缺点方面，这些IC并不像其它传感器那样标准化，经过精确地校准的IC是比较昂贵的，它们适用的温度范围大约和涂上环氧树脂的热敏电阻相同。

4. 什么传感器最好？

这和温度，用途和准确度有关。在高温下，热电偶可能是唯一的选择。最准确的通常是白金电阻式温度计，不过精确的热敏电阻在接近室温下是更加准确的，由于热敏电阻是有高敏度，它最适合窄量程的用途，例如医疗用温度计。热敏电阻和IC很适合中等准确度的测量和温度补偿的用途。IC和电阻式温度计可供选择的封装比较少。在小尺寸和快速应用方面，玻璃球型热敏电阻的直径是从0.014寸至0.005寸，而绝缘的热电偶导线的直径可低至0.005寸，在较大的尺寸方面，圆形热敏电阻的直径可达1寸，热电偶导线的粗细可达14AWG或者更粗些，其绝缘物包括PVC至陶瓷、纤维或陶瓷珠。要测量表面温度可用带状热电偶或者直接得找到金属表面的热电偶导线，以下再逐一详细介绍这些器件。