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1、2002年第5期低温工程No152002总第129期CRYOGENICSSumNo1129①国外低温温度传感器的研制现状王克军(中国航天科技集团公司一院101所北京100074)摘要温度测量是低温研究部门的一个普遍项目。对近年来一些国家(特别是发达国家)的低温温度传感器研制、应用情况做了介绍,并分析了今后温度传感器的发展趋势,以及我国与国外存在的主要差距。主题词温度传感器低温述评1引言据统计,在各类温度传感器中,低温温度传感器约占5%。低温领域的特殊性以及相关技术的复杂性,增加了人们对低温温度的获得和准确测量的难度。近年来,随着近代物理学和电子技术的发展,低温温度传感器作为一门新兴技术,不仅得
2、到发达国家的普遍重视,也一直是各发展中国家竞相进行研究开发的热点,许多国家通过研究各种物理效应,探索新的低温测量方法,采用近代技术开发新产品,扩大测温范围,提高测量精度,占领世界市场,并取得了新进展。2常用低温温度传感器的发展211热电阻温度计在用来进行低温测量的热电阻温度计中,占比例最大的是铂电阻。ITS-90国际温标规定工业装置和实验研究的低温测量中,低温区1318033K～273116K范围内用铂电阻作标准温度计。目前,各国普遍将铂电阻温度计用于较精密的测量。按照正式实施的技术标准体系划分,铂电阻温度计有四个“派别”,除了在技术要求方面不一致外,分度表也不相同。1983年国际电工委员会(
3、IEC)正式颁布的铂电阻技术标准,采用电阻比W=R(100℃)/R(0℃)=113850的分度表。俄罗斯和一些东欧国家自成体系,采用W=R(100℃)/R(0℃)=113910的分度表,日本采用W=R(100℃)/R(0℃)=113916的分度表。美国也有自己的铂电阻技术标准,它采用W=113920的分度表,但这个标准不是强制性的,而是推荐性的。美国大部分铂电阻公司既生产符合美国技术标准的产品,也生产其他标准的产品,即按照客户的需要进行供应。此外,美国一些铂电阻公司对自己产品提出的要求甚至超过了国际电工委员会的规定,从这一点可以看出美国人的商业观念和产品意识。此①本文于2002年6月20日收到
4、。王克军,男,31岁,工程师。50低温工程2002年外,美国铂电阻行业为了适应核电站、核工厂以及高可靠性场合的需要,正在大力开发、试验、生产高可靠性铂电阻温度计,并制定了相应的高标准,代表了目前国际上最先进的技术水平。在电阻材料方面,美国研制成功直径4μm钨丝制成的电阻温度计,可测量80K～400K、温度变化频率为30Hz的氦气温度,研制成的碳电阻温度计,定点测量几十mK到30K的低温,复现性达01005K。日本研制出利用锑化铟材料做成的半导体温度传感器,用于150K以下的低温温度测量,30K以上显示较好的线性,灵敏度高,离散性小。德国1888年首创的精密锰铜电阻,至今为止仍然是最稳定的电阻材
5、料,近年试制成功的一种锗搀杂的锰-7铜,电阻率413×10Ω·m,被用来制作精密铜电阻温度计。由于常用的低温电阻温度计在低温状态下比热变小,所以易受外部干扰,产生较大误差。为解决这一问题,日本研究了利用铌薄膜作电极制造的低温温度计。由于铌薄膜能在一极窄的温度范围内产生超导转移,所以可以利用这一特定温度来进行温度计的自我校正和经时变化的监视,以提高测量的可靠性,灵敏度随温度降低而增加,从室温的0125Ω/K到412K的96Ω/K。铂电阻的发展越来越依靠工艺装备。近年来,国际上铂电阻生产厂用真空沉积、阴极溅射和烧结浆料等不同工艺方法推出一种新薄膜铂电阻,这种膜层工艺改变了原来的线绕工艺制造铂电阻,
6、在一些需表面、小区域和快速测温以及需高阻值元件的场合特别适用。薄膜铂电阻在法国、德国生产发展很快,有完整的流水线,产量也很高。212热电偶温度计热电偶温度计是用来测量低温的常用传感器,其结构原则没有太大改变。国外主要变化是为适应市场需要,发展了大量的各种结构的变型品种。以美国为代表的一些发达国家生产的热电偶有这样的特点:⑴装配式热电偶和铠装热电偶并行发展,但装配式廉金属热电偶越来越少,铠装热电偶有最终占领市场的趋势。受工艺影响,装配式廉金属热电偶其价格并不“廉”,只有铠装化才能使金属材料大量节约,成本降低,并且具有耐压、耐冲击、耐腐蚀、热响应时间短、使用寿命长、易于安装的优点。由于热电偶铠装化
7、的明显优点,近年来美国一些主要研究机构花了很大力量研究铠装热电偶的性能,不但廉金属热电偶已经有了各种规格的铠装式,而且连贵金属热电偶也向铠装化发展。⑵热电偶的材料品种多。美国国家标准学会公布的热电偶材料品种、代号和国际电工委员会确认的品种、代号是一致的,即B,S,K,E,J,T,R,N共8种,但不少厂家还生产许多非标准热电偶,数量达几十种,在这些非标准热电偶中有一些是很出色的,他们大多是由金、钨、
