熱敏電橋傳感器技術的突破性研究

金 義 忠 姜培剛

（1.重慶凌卡分析儀器有限公司，重慶400041；2.北京泰和聯創科技有限公司，北京102208）

1 熱敏電橋傳感器的定義及范圍

1.1 定 義

凡敏感元件具有自熱溫度效應，采用惠斯通電橋原理參比測量法設計的傳感器，可稱為熱敏電橋傳感器。

1.2 范 圍

熱敏電橋傳感器是一個廣義的專業技術概念，包括：

分析儀器行業的熱導式氣體傳感器、熱磁式氧傳感器、磁壓力式氧傳感器（采用熱敏電阻元件），采用電橋原理的各種可燃、有毒氣體報警器，采用電阻敏感元件測溫電橋的溫度計和恒溫器。

此外，分析儀的微流量紅外傳感器，流量測量的壓力變送器都有可能參考適用。

2 熱敏電橋傳感器的突破方向

（1）技術性能以穩定性為代表的核心技術指標，而非靈敏度。

（2）傳感器的結構設計優化以更徹底實現其測量原理為第一重點。

（3）特殊工藝要有相應非標準設備充分保障。

（4）整個技術鏈從敏感元件的材質、性能為技術原點起要徹底貫通。

（5）追求簡單化，便于務實操作和生產，至簡才有可能至優。

3 參比測量法惠斯通電橋的分類

3.1 參比測量法

惠斯通電橋常用于物理量、熱工參量測量的傳感器（或變送器），為了降低各種影響誤差，特別是環境溫度影響誤差，普遍采用參比測量法，具有很悠久的歷史。

3.2 電橋的分類

（1）等臂（對稱）電橋和有平衡調節的等臂（對稱）電橋（也稱為全橋），見圖1。

圖1 等臂電橋和有平衡調節的等臂電橋

（2）第Ⅰ對稱電橋（圖2）

（3）第Ⅱ對稱電橋（圖3）

圖3 第Ⅱ對稱電橋

前4種電橋，若以穩定性優先來評價，第Ⅱ對稱電橋最優，第Ⅰ對稱電橋最差。

（4）第Ⅱ對稱復合電橋（圖4）

圖4 第Ⅱ對稱復合電橋

4 低漂移熱導式氣體傳感器（發明專利）

（1）熱導式敏感元件

熱敏材料為Ф0.02mm高穩定性的高純鉑絲，細長棍狀結構，熔包玻璃，耐腐蝕，單向引出線。

（2）敏感元件配對工藝

以動態電阻溫度系數配對工藝，取代傳統的常溫靜態電阻配對工藝，使其應用中的溫度穩定性有突破性提高。

（3）第Ⅱ對稱復合電橋

前述5種電橋比較，第Ⅱ對稱復合電橋穩定性最好。第Ⅱ對稱復合電橋具有按需要進行低漂移校正的功能，這是特別重要的技術突破。只用一對（兩只）敏感元件比用兩對（四只）敏感元件的成本更低，配對更容易，傳感器結構更容易小型化。

（4）傳感器結構優化設計

傳感器恒溫54.6℃，零溫度梯度設計，氣體在其中只有熱傳導作用，不會產生熱對流作用的影響誤差，使熱導原理得以免受干擾地充分實現（圖5）。

圖5 低漂移傳感器外形圖

（5）傳感器的零漂移校正工藝

第Ⅱ對稱復合電橋借助校正電橋（R5、R6、R7、R8）的校正作用，按校正工藝操作可以對熱敏電橋傳感器按需要實施低漂移校正，不必挑選傳感器，也能實現大體一致的低漂移性能。

（6）LKA100R、THA100R 型 熱 導 式 氣 體 分析儀

采用“低漂移熱導式氣體傳感器”發明專利的LKA100R、THA100R型熱導式氣體分析儀，具有真正突破性的高穩定性，實測零點穩定性幾乎為零（末位顯示值無變化），量程穩定性為0.18%／7d，溫度影響誤差指標≤±0.5%FS／（5～45）℃，重復性指標≤0.25%。

（7）LKA100R型熱導式氣體分析儀開機（預熱）零點穩定性曲線

LKA100R型熱導式氣體分析儀開機（預熱）零點穩定性曲線，實測結果如圖6所示。

圖6 LKA100R型低漂移熱導分析儀的零點穩定性曲線

漂移偏差的最大值為－1.1%FS，出現在通電開機后3分鐘之時，此時傳感器還遠沒有達到恒溫狀態（36.5℃），9分鐘時才開始進入54.6℃的恒溫溫度。

據此似乎可以說：LKA100R通電開機后，隨即就能進入正常的工程應用。圖6還能證明和揭秘一個重要的傳感器技術秘密：只要徹底根治了傳感器的溫度影響誤差，傳感器的高穩定性就自然得到最妥善和最經濟的解決，或許就就是我們夢寐以求的最終理想解。

5 傳感器研發的技術大視野

5.1 筆者研發傳感器的經歷

筆者長期深入研究熱導式傳感器至今已有41年之久，早年鉆研過專著《電橋的理論與計算》，深入解析過國內4家公司、國外4家（美、德、意、日）公司的熱導分析儀，特別是破解美國貝克曼公司4C型熱導分析儀的高穩定性秘密，有突破性意義。先后研制過三代熱導式傳感器，最終才得以洞察熱導式傳感器的技術秘密。

5.2 傳感器研發的技術大視野

（1）真正明確工程應用的真實需要

（2）研發重點定位準確

以穩定性為傳感器研發的首選突破方向，以傳感器的結構優化為第一重點，以最大程度地消除溫度影響誤差為完勝目標。

（3）傳感器研發、分析儀生產及工程應用要有很長期的實際經驗積累。例如德國H＆B公司有的工程師只持續研發同一類（例如微音器紅外）傳感器（即檢測器），才創造出國際龍頭地位的先進技術。

（4）技術風格的徹底開放性

對于外企的先進技術、同行業甚至跨界的先進技術，首先要有開放的心態，認真學習、借鑒、消化和引用，甚至采用“拿來主義”的技術引進，包括購買專利技術，韓國三星公司稱此為“反向工程”，取得極大成功。

（5）試以日本橫河公司的熱導式氣體分析儀為例

該儀器的熱導電橋及測量原理如圖7（來源于該公司樣本）所示，它正是本文特別強調的第Ⅱ對稱參比測量電橋，該儀器的穩定性因此就該被信任。

圖7 橫河公司熱導電橋及測量原理

6 用系統學理論評論傳感器

根據錢學森院士的系統學理論，傳感器可認為是一個開放的技術系統，因為它與其外部環境（千差萬別的樣氣條件、環境條件、應用要求等）以及分析儀整機存在復雜的動態的物質交換、能量交換和信息交換。我們在研制傳感器過程中，可以據此拓展技術思路和打開新的技術創新空間。