温度作为表征物体冷热程度的物理量,是国际单位制中七个基本物理量之一,它与人们的日常生活、工业与农业生产、军事领域的广泛应用甚至是科学研究领域都有着密切的联系。得益于材料科学、电子学的快速发展,以及材料制备技术水平的不断提高,温度测量技术也获得了长足的发展。从日常生活中常见的利用热胀冷缩原理实现的水银温度计,到利用温度与材料的电学特性制作的电量式测温,或是根据单色光线照射透明物体时会发生散射来制作的光谱测温,都是通过一次次的科学与技术进步来解决温度测量过程中的种种困难。对于相当一部分的实际应用,为了保证产品品质的精益求精,对反应过程温度的监控,精确到1℃的普通温度计已经难以满足生产与科研的需求,精确到0.1℃甚至0.01℃的高精度温度计变得必不可少。而对于多种测温方式,基本的低精度测温国内外技术都已经十分成熟,但是在极端环境(超低温或超高温)测温、远程非接触式测温以及高精度的温度测量方面,仍处于探索研究阶段。
对于高精度测温,我们所面临的问题不仅仅是超高精度情况下对于元器件精度的苛刻要求,同时需要面对包括温度-电阻的非线性关系、引线电阻、元件自身热效应、元器件特征值漂移等多方面的影响,这些因素都会导致最终的产品在高精度情况下出现误差。因此,如何有效修正这些误差,使得在0.01℃精度的情况下获得准确的温度,便是当前研究的热点,更是生产实践的迫切需求。
同时,我们呢不仅仅需要获得精确的温度数据,还需要对于目标的温度进行精确的控制,实现准确的升温、降温或保持温度恒定,来保证实验或生产的准确稳定进行。因此需要考虑在温度测量的同时,依据自动控制理论,使系统实现对温度的自动调节,从而满足生产与科研的切实需求。与温度的测量相类似,现有的自动控制理论已经十分成熟,可以在较为宽松的环境下实现有效的反馈调节,但是在面对可能的0.1℃的温度偏差时,如何实现快速、准确、低超调的温度调节,才是一切工作的重点与难点。
在精密工业领域,已经有很多公司制造出了性能十分优秀的高精度温度测量产品。例如美国的哈特公司,他们设计生产的超高精度温度测量仪器均具有极为优秀的性能,其中1575温度计的测量精度是±0.001℃、1590温度计的测量精度是±0.00025℃,都具有业界领先的超高精度,但是其极高的价格也限制了它的应用范围必定局限于军事工业或航空航天等高精尖领域。
国内在高精度测温领域,以清华大学为首的以石英晶体传感器作为测温传感器,将温度变化的模拟信号转化为石英晶体振荡频率的数字信号,通过测量石英晶体振荡频率便可以计算出温度值,实验证实它可以测出±0.001℃范围的温度变化量。不过,我国温度计产业总的形势是不断进步的,产品在集成化、微型化、总线化、智能化等发展方向上紧跟国际。在高精度温度测量研究方面也做出了一定的成果,例如我国生产的石英温度传感器温度测量精度达到±0.001℃,误差在±0.05℃内。
但是,外国在高精度温度测量领域仍处于领先地位,原因不只是我们的温度测量技术本身的不足,同时在材料科学,工业精加工领域等多个方面都有待发展。例如国内公司就没有能力生产出具有稳定品质的在高精度温度测量中占重要地位的标准热敏电阻和标准铂电阻,而国外一贯将这类传感器的制造技术视为商业机密,军用品质的极精密温度传感器对中国甚至是禁售的。因此在我国设计基于铂电阻的高精度温度测量系统必须要花费大价钱购买国外的低端产品,这从客观上就限制了我国在高精度温度测量领域的发展。
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