表面溫度感測器

表面溫度感測器是在航空、航天、能源、化工、紡織和其它科研和生產領域中測量表面溫度的元件。表面溫度感測器為專用的表面溫度計，通常，專用的表面溫度感測器是具有極薄厚度的片狀外形，根據測量溫度的要求分為表面熱電阻和表面熱電偶感應感測器。

基本介紹

• 中文名：表面溫度感測器
• 適用範圍：航空、航天、能源
• 功能：測量表面溫度的元件
• 類別：感測器

產生背景

在航空、航天、能源、化工、紡織和其它科研和生產中存在大量的表面溫度測試問題。但是環境狀況、溫度感測器和被測表面相互影響，形成一個複雜的系統。各種影響因素直接或間接影響了表面溫度的準確度。因此，表面溫度測量是一種經常需要但又很難進行的測量。

如果使用通常形狀的溫度感測器（如針狀、球狀、圓柱狀等），將由於感測器的自身形狀導熱干擾原溫度場而引起測量誤差。

因此，對於表面溫度的精確測量應選用專用的表面溫度計。換句話說，應選用帶有專用表面溫度感測器的溫度計對表面溫度進行精確的測量。

通常，專用的表面溫度感測器是具有極薄厚度的片狀外形。

選擇方法

為了準確地測量表面溫度，建議一般選用專用的表面溫度感測器。

通過縱覽各種感測器類型和技術規格表，可以清楚地發現表面熱電阻和表面熱電偶感應感測器之間的最明顯差別。在一些套用中（如涉及在中等溫度下進行臨時非關鍵性測量的套用），兩種類型都足以勝任，只有價格是決定因素。一般而言，熱電偶具有更寬的工作溫度範圍和更快的回響速度，並且價格稍微低一些。

表面熱電偶在結構上堅固得多，並且不受因安裝材料或方法所引起的應變的影響。它們具有設計簡單的固有特點，從而使成本較低。所有熱電偶表面感測器都具有能夠在與表面熱電阻感測器相比高出很多的溫度下正常工作以及回響更加快速的特定。但是，熱電偶感測器生成的電壓信號較低，可能需要進行附加放大，這在電氣噪聲很高的環境中是一個缺點。

與表面熱電偶感測器不同，表面熱電阻感測器不需要參考點、冰浴或溫度補償電路。這些感測器具有非常低的熱質量，因此可提供真實的表面溫度測量值以及快到50 ms的回響時間。鉑感測器被公認為是一種精密溫度測量感測器，它可在-190℃～ 660℃溫度範圍來定義國際溫標（ITS-90）。將鉑溫度計選擇作為首要標準的主要原因是，它的電阻溫度參數具有優異的穩定性和重複性。表面熱電阻的信號輸出大小是熱電偶輸出的50～200倍。這意味著溫度測量常常可使用標準儀表來進行。

注意事項

通常套用是將裝在保護管中的感測器浸沒在受控制流體中或放置在已知環境中，而表面溫度測量需要將感測器放置在環境條件可能對測量結果產生影響的容器外面。另外，表面輪廓、表面的熱力性能以及感測器與測量對象之間的導電通路等因素也會影響輸出信號的完整性。同時，感測器的選型及安裝技術也會對測量系統的性能產生影響。表面溫度測量套用廣泛，對於評估不能接觸位置處的狀況十分有用。所使用的感測器的種類和安裝技術也各種各樣。選型時應根據諸如量程、準確度、可靠性以及與測量元件接觸的物質的敏感度等溫度測量因素，以及感測器的厚度、柔軟性和與測量對象和周圍環境之間的熱量交換。

在使用表面感測器時，應注意以下兩個最重要規則1) 安裝表面感測器時，能夠得到最高的熱接觸和最小的機械應力。RdF 感測器很容易正確進行安裝。

圖1

2) 表面感測器必須進行絕緣或隔離，以使其溫度儘可能接近表面溫度。這是由用戶來控制的。

為了對這些問題進行說明，圖1顯示了一個典型的表面溫度感測器。本例中的感測器安裝在輸送流體的管道上。實際可安裝感測器的與流體最接近的點是管道外壁。如果流體流動比較充分並且溫度波動不嚴重，則外壁溫度將十分接近流體的溫度。

感測器只能測量其自身溫度，必須嘗試使表面溫度與感測器溫度相同。通過在感測器上布置一個絕緣層以減少環境的影響並通過選擇一種在表面與感測器之間提供良好熱接觸的安裝方法，可以實現這一點。

所選擇的感測器安裝方法十分重要，因為雖然需要良好的熱接觸，但熱膨脹係數的較大不匹配可能會引起導線式電阻溫度感測器中產生應變。這種應變會產生電阻上的變化，可能會被誤解釋為一個溫度改變。當安裝電阻和熱電偶感測器時，應使引線與感應表面接觸一段長度，以便降低感應導線或結點的熱傳導效應。

安裝方法

安裝表面感測器的第一步是確定安裝方法。某些剛性表面溫度感測器提供了機械安裝件，但多數情況下，需要使用一種粘合劑。在選擇粘合劑時，應考慮以下問題：

1. 預期工作溫度範圍與適合所考慮的粘合劑嗎？

2. 感測器、表面和粘合劑的熱膨脹係數相近嗎？

3. 粘合劑的塗布與安裝方式相容嗎？例如，如果粘合劑需要在較高溫度下固化，則在遠距離安裝的情況下這會成為一個問題。

4. 粘合劑安裝是針對永久性安裝還是臨時安裝？

用於安裝感測器的粘合劑通常有以下幾種：

1) 環氧樹脂粘合劑

這種粘合劑可以各種形式提供，包括液體、膏狀、薄膜和粉末等形式，當通常使用的是雙組分粘合劑，使用之前必須將兩個組分進行混合。固化時間從室溫下5分鐘一直到較高溫度下的幾個小時。多數環氧樹脂粘合劑在基體樹脂中加有填料，使它們適合填充縫隙或在感測器上塗層。

2) 氰基丙烯酸酯粘合劑

這些粘合劑為超快速固化型粘合劑。它們在室溫下在10～60秒內即可固化。它們的使用受到溫度和濕度的限制。由於多數氰基丙烯酸酯基粘合劑不含填料或填充空洞的能力有限，因此被粘部件之間必須緊密接觸。

3) 矽橡膠粘合劑

矽橡膠粘合劑的優點是具有橡膠彈性，可在感測器與表面之間提供一種富有彈性的低應力粘接。它們以單組分或雙組分膏狀形式提供，甚至可以雙面膠帶的形式提供，這種膠帶可瞬間被貼上在感測器和表面上。它們具有非常寬的使用溫度範圍。膏狀的矽橡膠粘合劑需要的固化時間較長，如果在所需使用溫度之上沒有固化，粘合劑可能會逆轉為原狀。

4) 聚醯亞胺粘合劑

有幾個系列的聚合物粘合劑可提供優異的粘接力和高溫穩定性。但是，它們必須在仔細控制的溫度和壓力下進行固化。這就使得現場安裝十分困難。

5) 陶瓷粘合劑

陶瓷粘合劑或粘結劑的優點是具有非常高的使用溫度。它們可以膏狀形式來使用，裡面添加有金屬氧化物填料，以一種酸作為粘料。它們通常需要較高溫度才能固化。固化之後，陶瓷粘結劑一般堅硬、易碎並具有吸濕性。

6) 溶劑釋放型粘合劑

一些常見的較便宜的粘合劑需要從樹脂材料中釋放出溶劑以形成粘接層。應該注意，如果感測器對於該溶劑不具有滲透性，則粘合劑將不會正確固化。在選擇這些粘合劑時應加以小心。選擇了粘合劑後，必須制定一個可用來一致性地安裝感測器的步驟。

下面是典型安裝步驟的一般指南

表面準備（圖2）

安裝表面感測器的最重要步驟之一就是正確地準備感測器和安裝表面。髒物、沙礫、油脂和手指印等可充當一種脫模劑，會影響感測器與表面的正確粘接。感測器和表面必須至少用一塊蘸有乙醇、丙酮、甲乙酮或甲苯的清潔布進行清潔。注意：一些表面可能會受到某些溶劑的不利影響，建議使用溶劑在表面上進行預先試驗。對於金屬或光亮的硬表面，通常需要對面層進行粗糙化處理以獲得更好的粘接效果。可通過輕度噴砂處理或手工磨料打磨來提高粗糙度。粗糙處理完成之後，應使用清潔空氣來去除砂礫，然後用溶劑通過上面所述方法進行清潔。

圖2

粘合劑準備

在選擇了粘合劑之後，應仔細參閱廠商使用說明。應特別注意混合比例、固化說明和儲存時間。如果有超過廠商提出的使用限制的可能，則應向廠商諮詢，以徵求意見或建議。制定安裝步驟時，應遵循廠商提出的限值或容差。

安裝（圖3和4）

首先應將感測器保持在要進行安裝的區域以檢查有無尺寸或輪廓問題。應確定一種可緩解應力並提供散熱的引線固定方法。當完成所有安裝前準備工作之後，向感測器和表面上塗布粘合劑，並將感測器推到位以擠出過量的粘合劑。較薄的膠水層與較厚的膠水層相比可產生更好的溫度測量結果。如果將柔性感測器安裝在彎曲的表面上，電阻纏繞方向應與彎曲部分垂直以降低應力效應。固化過程中應向感測器施一定的壓力，以保證整個感測器粘接在表面輪廓上。壓力可通過夾在感測器上的一個橡膠墊來施加。橡膠的彈性可向感測器施加相等的壓力。應在橡膠墊上塗一層脫模劑或Teflon® 塗層以防止粘合劑粘在橡膠上。

圖3-4

電氣檢查

粘合劑固化之後，必須將夾子卸下，將絕緣層覆於感測器上，並將引線與儀表導線相連。此時，應使用一塊萬用表來進行電氣連續性測試。如果感測器是一個熱電阻，則可在電阻-溫度關係表上找到一個估計電阻值。對於熱電偶感測器，可將一塊伏特表與引線相連，通過向感應區域施以一定熱量，將會產生一個信號，從而確認感測器的完整性並確定導線的極性。當安裝表面為導電錶面時，應檢查感測器與表面之間的短接狀況，方法是檢查表面與感測器引線之間的連續性。對於一個接地熱電偶，這應該是一個完全短路；對於所有其他感測器，萬用表應指示出至少1 MΩ的電阻值。

剛性感測器

帶有剛性金屬外殼的感測器也可粘接在表面上，單通常更多是通過機械方法進行安裝，如焊接、釺焊、螺絲固定或夾持。使用剛性感測器是為了針對苛刻環境提供堅固耐用的感測器，這樣，除了釺焊或焊接過程中的過度熱量除外，上述的安裝技術將不會使感測器損壞。感測器損壞的最常見原因是引線的應力消除不充分。在感測器經受摩擦或其他大量機械接觸的場合，建議使用帶不鏽鋼編織層或鎧裝護套的電纜。安裝之後，應進行上述的電氣檢查。

典型套用

一、生物感測器：圖5生物樣本通常都要經過冷凍以供將來使用。一些例子為：

圖5

A. 將腫瘤細胞冷凍以供將來研究之用。

B. 將從屍體上取下的皮膚組織進行冷凍以便在燒傷病人身上進行移植。

C. 對動物精子進行冷凍以便將來授精和特殊繁育。

活性組織中主要成分為水，隨著冷凍的進行，水將會膨脹，從而引起細胞中產生摩擦，並可能將樣本破壞。因此，小心地控制冷凍速度是極為重要的。在這種套用中，可以使用一個表面熱電偶。可以選擇一個T型熱電偶，因為它具有已公布的0℃以下誤差限值。由於熱電偶珠的熱質量很低，它可以精確地跟隨樣本的冷卻過程。在樣本溫度穩定之後，可以將它移動到一個儲存區內，並可將熱電偶取下以便在另外一個容器上使用。在此情況下，可以方便地使用一種矽橡膠壓敏粘合劑

二、模具溫度感測器（圖6）

成型塑膠箱盒的廠商需要對模具內的溫度進行測量。這種測量用於指示出溫度的變化，並對循環速度進行控制以最佳化生產、減少殘次品。由於模具具有複雜的設計形式，因此使用典型浸沒式感測器時需要進行很大改動，經證明成本較高。另外，常規熱電偶感測器的通常熱質量也會阻止感測器指示出真實模具溫度。可以將一個金屬箔熱電偶安裝到成型腔的內側壁上，由於它的熱質量極小，因此對任何變化都會迅速產生回響。這種形式的感測器易於安裝，可將引線布置在模具中各種部件之間。

圖6

三、結構測量（圖7）

複雜軍用噴氣式飛機的廠商需要在飛機試驗飛行期間對各種結構上的多種溫度進行測量。這些測量可幫助在生產開始之前檢測設計缺陷，並在原型機上對性能進行最佳化。感測器必須具有非常寬的溫度範圍，因為溫度可在發動機附近500°F與機翼末端的零度以下之間變化。感測器必須還要具有很小的質量，以便不影響極微小部件的正常功能。像聚醯亞胺絕緣柔性感測器就非常適合這種測量。聚醯亞胺是一種熱穩定材料，而這種感測器加上引線的重量還不到6克。Teflon® 絕緣引線很容易與連線器或儀表進行連線。Teflon® 和聚醯亞胺對於航空工業中使用的多數燃料、溶劑、液壓油、清潔劑和其他化學品都具有化學惰性。這些感測器也很容易使用通常的環氧樹脂粘合劑來安裝。

四、鍋爐管測量（圖8）

鍋爐管用於輸送壓力和溫度都很高的水。這些管通常被捆束在一起，中間的間隙很小。由於流動限制會影響鍋爐性能並且管之間缺乏間隙，因此進行溫度測量的最好方法是進行外部表面測量。剛性帶夾具的表面溫度感測器就非常適合進行這種測量。它的感應片出廠成形以與管的半徑相配。可將感測器夾持或焊接到管上，並將引線布置到管束另一側的連線點。此時，感測器成為裝置中的一個永久性部件，其堅固程度足以耐受正常維護過程中的非故意性過度接觸。

五、能源管理（圖9）

鑒於現在高昂的能源成本，對於多數大型設施來說，能源管理系統已成為不可缺少的部分。當在舊建築中安裝這些系統時，需要對最初建造該建築時安裝的管道進行溫度測量。承包商不知道這種管道的材料或狀況，因此不願意進行任何加工，因為他們擔心管道發生斷裂或故障將需要進行昂貴的維修。配備有一個管道夾的表面溫度 感測器適合這種套用。可以對夾子進行選擇以配合管道尺寸。感測器可由人員安裝在空間狹小的位置，無需事先培訓。由於安裝簡便，因此它適用於在建立系統時作為一種永久型或臨時測量方法。

圖9