表面温度传感器

　　一、生物传感器：图5
　　生物样本通常都要经过冷冻以供将来使用。一些例子为：
　　A. 将肿瘤细胞冷冻以供将来研究之用。
　　B. 将从尸体上取下的皮肤组织进行冷冻以便在烧伤病人身上进行移植。
　　C. 对动物精子进行冷冻以便将来授精和特殊繁育。
　　活性组织中主要成分为水，随着冷冻的进行，水将会膨胀，从而引起细胞中产生摩擦，并可能将样本破坏。因此，小心地控制冷冻速度是极为重要的。在这种应用中，可以使用一个表面热电偶。可以选择一个T型热电偶，因为它具有已公布的0℃以下误差限值。由于热电偶珠的热质量很低，它可以精确地跟随样本的冷却过程。在样本温度稳定之后，可以将它移动到一个储存区内，并可将热电偶取下以便在另外一个容器上使用。在此情况下，可以方便地使用一种硅橡胶压敏粘合剂
　　二、模具温度传感器（图6）
　　成型塑料箱盒的厂商需要对模具内的温度进行测量。这种测量用于指示出温度的变化，并对循环速度进行控制以优化生产、减少残次品。由于模具具有复杂的设计形式，因此使用典型浸没式传感器时需要进行很大改动，经证明成本较高。另外，常规热电偶传感器的通常热质量也会阻止传感器指示出真实模具温度。可以将一个金属箔热电偶安装到成型腔的内侧壁上，由于它的热质量极小，因此对任何变化都会迅速产生响应。这种形式的传感器易于安装，可将引线布置在模具中各种部件之间。
　　三、结构测量（图7）
　　复杂军用喷气式飞机的厂商需要在飞机试验飞行期间对各种结构上的多种温度进行测量。这些测量可帮助在生产开始之前检测设计缺陷，并在原型机上对性能
　　进行优化。传感器必须具有非常宽的温度范围，因为温度可在发动机附近500°F与机翼末端的零度以下之间变化。传感器必须还要具有很小的质量，以便不影响极微小部件的正常功能。像聚酰亚胺绝缘柔性传感器就非常适合这种测量。聚酰亚胺是一种热稳定材料，而这种传感器加上引线的重量还不到6克。Teflon® 绝缘引线很容易与连接器或仪表进行连接。Teflon® 和聚酰亚胺对于航空工业中使用的多数燃料、溶剂、液压油、清洁剂和其他化学品都具有化学惰性。这些传感器也很容易使用通常的环氧树脂粘合剂来安装。
　　四、锅炉管测量（图8）
　　锅炉管用于输送压力和温度都很高的水。这些管通常被捆束在一起，中间的间隙很小。由于流动限制会影响锅炉性能并且管之间缺乏间隙，因此进行温度测量的方法是进行外部表面测量。刚性带夹具的表面温度传感器就非常适合进行这种测量。它的感应片出厂成形以与管的半径相配。可将传感器夹持或焊接到管上，并将引线布置到管束另一侧的连接点。此时，传感器成为装置中的一个性部件，其坚固程度足以耐受正常维护过程中的非故意性过度接触。
　　五、能源管理（图9）
　　鉴于现在高昂的能源成本，对于多数大型设施来说，能源管理系统已成为不可缺少的部分。当在旧建筑中安装这些系统时，需要对最初建造该建筑时安装的管道进行温度测量。承包商不知道这种管道的材料或状况，因此不愿意进行任何加工，因为他们担心管道发生断裂或故障将需要进行昂贵的维修。配备有一个管道夹的表面温度 传感器适合这种应用。可以对夹子进行选择以配合管道尺寸。传感器可由人员安装在空间狭小的位置，无需事先培训。由于安装简便，因此它适用于在建立系统时作为一种型或临时测量方法。

　　安装表面传感器的步是确定安装方法。某些刚性表面温度传感器提供了机械安装件，但多数情况下，需要使用一种粘合剂。在选择粘合剂时，应考虑以下问题：
　　1. 预期工作温度范围与适合所考虑的粘合剂吗？
　　2. 传感器、表面和粘合剂的热膨胀系数相近吗？
　　3. 粘合剂的涂布与安装方式相容吗？例如，如果粘合剂需要在较高温度下固化，则在远距离安装的情况下这会成为一个问题。
　　4. 粘合剂安装是针对性安装还是临时安装？
　　用于安装传感器的粘合剂通常有以下几种：
　　1) 环氧树脂粘合剂
　　这种粘合剂可以各种形式提供，包括液体、膏状、薄膜和粉末等形式，当通常使用的是双组分粘合剂，使用之前必须将两个组分进行混合。固化时间从室温下5分钟一直到较高温度下的几个小时。多数环氧树脂粘合剂在基体树脂中加有填料，使它们适合填充缝隙或在传感器上涂层。
　　2) 氰基丙烯酸酯粘合剂
　　这些粘合剂为超快速固化型粘合剂。它们在室温下在10～60秒内即可固化。它们的使用受到温度和湿度的限制。由于多数氰基丙烯酸酯基粘合剂不含填料或填充空洞的能力有限，因此被粘部件之间必须紧密接触。
　　3) 硅橡胶粘合剂
　　硅橡胶粘合剂的优点是具有橡胶弹性，可在传感器与表面之间提供一种富有弹性的低应力粘接。它们以单组分或双组分膏状形式提供，甚至可以双面胶带的形式提供，这种胶带可瞬间被粘贴在传感器和表面上。它们具有非常宽的使用温度范围。膏状的硅橡胶粘合剂需要的固化时间较长，如果在所需使用温度之上没有固化，粘合剂可能会逆转为原状。
　　4) 聚酰亚胺粘合剂
　　有几个系列的聚合物粘合剂可提供优异的粘接力和高温稳定性。但是，它们必须在仔细控制的温度和压力下进行固化。这就使得现场安装十分困难。
　　5) 陶瓷粘合剂
　　陶瓷粘合剂或粘结剂的优点是具有非常高的使用温度。它们可以膏状形式来使用，里面添加有金属氧化物填料，以一种酸作为粘料。它们通常需要较高温度才能固化。固化之后，陶瓷粘结剂一般坚硬、易碎并具有吸湿性。
　　6) 溶剂释放型粘合剂
　　一些常见的较便宜的粘合剂需要从树脂材料中释放出溶剂以形成粘接层。应该注意，如果传感器对于该溶剂不具有渗透性，则粘合剂将不会正确固化。在选择这些粘合剂时应加以小心。选择了粘合剂后，必须制定一个可用来一致性地安装传感器的步骤。
　　下面是典型安装步骤的一般指南
　　表面准备（图2）
　　图2
　　图2
　　安装表面传感器的最重要步骤之一就是正确地准备传感器和安装表面。脏物、沙砾、油脂和手指印等可充当一种脱模剂，会影响传感器与表面的正确粘接。传感器和表面必须至少用一块蘸有乙醇、丙酮、甲乙酮或甲苯的清洁布进行清洁。注意：一些表面可能会受到某些溶剂的不利影响，建议使用溶剂在表面上进行预先试验。对于金属或光亮的硬表面，通常需要对面层进行粗糙化处理以获得更好的粘接效果。可通过轻度喷砂处理或手工磨料打磨来提高粗糙度。粗糙处理完成之后，应使用清洁空气来去除砂砾，然后用溶剂通过上面所述方法进行清洁。
　　粘合剂准备
　　在选择了粘合剂之后，应仔细参阅厂商使用说明。应特别注意混合比例、固化说明和储存时间。如果有超过厂商提出的使用限制的可能，则应向厂商咨询，以征求意见或建议。制定安装步骤时，应遵循厂商提出的限值或容差。
　　安装（图3和4）
　　首先应将传感器保持在要进行安装的区域以检查有无尺寸或轮廓问题。应确定一种可缓解应力并提供散热的引线固定方法。当完成所有安装前准备工作之后，向传感器和表面上涂布粘合剂，并将传感器推到位以挤出过量的粘合剂。较薄的胶水层与较厚的胶水层相比可产生更好的温度测量结果。如果将柔性传感器安装在弯曲的表面上，电阻缠绕方向应与弯曲部分垂直以降低应力效应。固化过程中应向传感器施一定的压力，以保证整个传感器粘接在表面轮廓上。压力可通过夹在传感器上的一个橡胶垫来施加。橡胶的弹性可向传感器施加相等的压力。应在橡胶垫上涂一层脱模剂或Teflon® 涂层以防止粘合剂粘在橡胶上。
　　电气检查
　　粘合剂固化之后，必须将夹子卸下，将绝缘层覆于传感器上，并将引线与仪表导线相连。此时，应使用一块万用表来进行电气连续性测试。如果传感器是一个热电阻，则可在电阻-温度关系表上找到一个估计电阻值。对于热电偶传感器，可将一块伏特表与引线相连，通过向感应区域施以一定热量，将会产生一个信号，从而确认传感器的完整性并确定导线的极性。当安装表面为导电表面时，应检查传感器与表面之间的短接状况，方法是检查表面与传感器引线之间的连续性。对于一个接地热电偶，这应该是一个完全短路；对于所有其他传感器，万用表应指示出至少1 MΩ的电阻值。
　　刚性传感器
　　带有刚性金属外壳的传感器也可粘接在表面上，单通常更多是通过机械方法进行安装，如焊接、钎焊、螺丝固定或夹持。使用刚性传感器是为了针对苛刻环境提供坚固耐用的传感器，这样，除了钎焊或焊接过程中的过度热量除外，上述的安装技术将不会使传感器损坏。传感器损坏的最常见原因是引线的应力消除不充分。在传感器经受摩擦或其他大量机械接触的场合，建议使用带不锈钢编织层或铠装护套的电缆。安装之后，应进行上述的电气检查。

　　通常应用是将装在保护管中的传感器浸没在受控制流体中或放置在已知环境中，而表面温度测量需要将传感器放置在环境条件可能对测量结果产生影响的容器外面。另外，表面轮廓、表面的热力性能以及传感器与测量对象之间的导电通路等因素也会影响输出信号的完整性。同时，传感器的选型及安装技术也会对测量系统的性能产生影响。表面温度测量应用广泛，对于评估不能接触位置处的状况十分有用。所使用的传感器的种类和安装技术也各种各样。选型时应根据诸如量程、准确度、可靠性以及与测量元件接触的物质的敏感度等温度测量因素，以及传感器的厚度、柔软性和与测量对象和周围环境之间的热量交换。
　　在使用表面传感器时，应注意以下两个最重要规则
　　1) 安装表面传感器时，能够得到的热接触和最小的机械应力。RdF 传感器很容易正确进行安装。
　　2) 表面传感器必须进行绝缘或隔离，以使其温度尽可能接近表面温度。这是由用户来控制的。
　　为了对这些问题进行说明，图1显示了一个典型的表面温度传感器。本例中的传感器安装在输送流体的管道上。实际可安装传感器的与流体最接近的点是管道外壁。如果流体流动比较充分并且温度波动不严重，则外壁温度将十分接近流体的温度。
　　传感器只能测量其自身温度，必须尝试使表面温度与传感器温度相同。通过在传感器上布置一个绝缘层以减少环境的影响并通过选择一种在表面与传感器之间提供良好热接触的安装方法，可以实现这一点。
　　所选择的传感器安装方法十分重要，因为虽然需要良好的热接触，但热膨胀系数的较大不匹配可能会引起导线式电阻温度传感器中产生应变。这种应变会产生电阻上的变化，可能会被误解释为一个温度改变。当安装电阻和热电偶传感器时，应使引线与感应表面接触一段长度，以便降低感应导线或结点的热传导效应。

为了准确地测量表面温度，建议一般选用专用的表面温度传感器。

通过纵览各种传感器类型和技术规格表，可以清楚地发现表面热电阻和表面热电偶感应传感器之间的最明显差别。在一些应用中（如涉及在中等温度下进行临时非关键性测量的应用），两种类型都足以胜任，只有价格是决定因素。一般而言，热电偶具有更宽的工作温度范围和更快的响应速度，并且价格稍微低一些。

表面热电偶在结构上坚固得多，并且不受因安装材料或方法所引起的应变的影响。它们具有设计简单的固有特点，从而使成本较低。所有热电偶表面传感器都具有能够在与表面热电阻传感器相比高出很多的温度下正常工作以及响应更加快速的特定。但是，热电偶传感器生成的电压信号较低，可能需要进行附加放大，这在电气噪声很高的环境中是一个缺点。

与表面热电偶传感器不同，表面热电阻传感器不需要参考点、冰浴或温度补偿电路。这些传感器具有非常低的热质量，因此可提供真实的表面温度测量值以及快到50 ms的响应时间。铂传感器被公认为是一种精密温度测量传感器，它可在-190℃～ 660℃温度范围来定义国际温标（ITS-90）。将铂温度计选择作为首要标准的主要原因是，它的电阻温度参数具有优异的稳定性和重复性。表面热电阻的信号输出大小是热电偶输出的50～200倍。这意味着温度测量常常可使用标准仪表来进行。

在航空、航天、能源、化工、纺织和其它科研和生产中存在大量的表面温度测试问题。但是环境状况、温度传感器和被测表面相互影响，形成一个复杂的系统。各种影响因素直接或间接影响了表面温度的准确度。因此，表面温度测量是一种经常需要但又很难进行的测量。

如果使用通常形状的温度传感器（如针状、球状、圆柱状等），将由于传感器的自身形状导热干扰原温度场而引起测量误差。

因此，对于表面温度的精确测量应选用专用的表面温度计。换句话说，应选用带有专用表面温度传感器的温度计对表面温度进行精确的测量。

通常，专用的表面温度传感器是具有极薄厚度的片状外形。