溫度傳感器的動態特性研究及測試方法實現

李 建

（慧石（上海）測控科技有限公司，上海 201799）

0 引言

溫度傳感器在各行各業有著廣泛應用，特別是在汽車行業，如汽車的發動機進氣溫度、冷卻液溫度、排氣溫度、變速箱溫度、電池包溫度等都需要溫度傳感器作為監控元件來進行閉環控制。對于溫度傳感器，通常比較關注的是其測溫范圍和測溫精度。然而，在被測介質溫度快速變化的環境下，溫度傳感器的動態響應特性會顯著影響傳感器的測溫精度，在開發過程中應予以充分關注。

本文介紹了溫度傳感器動態特性的概念、影響因素、測試方法及測試臺架的搭建，并以實例來說明溫度傳感器的動態特性對測溫精度的影響及改進措施。

1 溫度傳感器的動態特性

一般溫度傳感器的性能參數主要包括允差、絕緣電阻、熱響應時間、自熱參數等，其中熱響應時間也就是溫度傳感器的動態特性，它反映了溫度傳感器探測被測介質溫度并輸出準確信號的快慢程度。對于采用“接觸式”測量的溫度傳感器，其探頭部分必須置于被測介質中并經過一定時間與之達到熱平衡后，才能準確反映出被測介質的溫度。因此，溫度傳感器的動態特性反映了溫度傳感器探頭與周圍被測介質熱交換的快慢，同時也反映了溫度檢測延遲時間的長短。文獻[1]指出，在動態測溫中，熱響應時間會使溫度計的測量結果中溫度波動幅值小于被測物體的實際溫度波動幅值，并且熱響應時間越長，測得的波動幅值越小。

《溫度傳感器動態響應校準》（JJF 1049—1995）規定了測量流體溫度的接觸式溫度傳感器的動態響應特性測試方法。溫度傳感器的動態響應特性是指溫度傳感器的輸出溫度與被測介質溫度階躍之間的響應關系[2]。文獻[3]給出了溫度傳感器對被測介質溫度階躍的計算公式：

式中：T0為t=0時被測介質的溫度；Tf為被測介質的階躍溫度；τ為時間常數。

圖1為溫度傳感器對溫度階躍的動態特性曲線。

圖1 溫度傳感器對溫度階躍的動態特性曲線

溫度傳感器的動態特性主要包括熱響應時間（Thermal Response Time）和時間常數（Time Constant）兩個參數。其中，熱響應時間是指當被測介質溫度發生階躍變化（ΔT）時，溫度傳感器的輸出f（t）變化到該被測階躍溫度的某個規定百分數時（如10%、50%、90%等）所需要的時間，記作τx（τ0.1、τ0.5、τ0.9）。其中，時間常數是指溫度傳感器輸出變化到階躍溫度量的63.2%時的時間，用τ標記[2]。

2 溫度傳感器的動態特性影響因素及測試條件

溫度傳感器的動態特性與敏感元件、封裝結構、材料及工藝過程密切相關。文獻[4]指出，熱擴散率越大的材料，其導熱性能越好，溫度計的傳熱響應越好，傳熱從快到慢的順序依次為銅、鋁、陶瓷、鎳、鋼。結構直徑越小，越有利于溫度計內部的熱平衡，則溫度計的傳熱響應越好。

同樣外形尺寸、輸出特性的溫度傳感器，廠家不同，它們的動態特性也不相同。除此之外，溫度傳感器的動態特性還與被測介質特性、測試工況有關。也就是說，在對比溫度傳感器熱響應時間時，一定要使用在同樣的介質和測試工況下得到的結果。同一個溫度傳感器，在不同的應用環境下，其熱響應時間會有很大的差異。

溫度傳感器動態特性的測試可以參考如下要求：

（1）《工業鉑熱電阻及鉑感溫元件》（GB/T 30121—2013、IEC 60751：2008，IDT）中6.5.2規定：應記錄在流速大于0.2 m/s的水流中或流速為（3±0.3）m/s的氣流中的熱響應時間τ0.5。若有要求，還可記錄熱響應時間τ0.9和/或τ0.1[5]。

（2）《溫度傳感器動態響應校準》（JJF 1049—1995）分別規定了水流和氣流的測試條件。

在水流環境下：

1）水流必須被加熱到高于環境溫度。在30 min內，水流溫度的穩定度優于溫度階躍量的±1.0%。

2）水流速度在被校溫度傳感器插入方向均勻度優于10%，測量位置水流速度為（0.4±0.05）m/s。

3）水流流道寬度不小于被測傳感器直徑的10倍。

在氣流環境下：

對于高速氣流，要求在校準截面上速度、溫度均勻，脈動小。溫度＜1000℃時，溫度脈動優于±0.5℃，偏差優于±10℃。試驗氣流流速偏差控制在±1.7 m/s。校準段的橫截面積不小于被測傳感器直徑面積的10倍[2]。

3 某型號溫度傳感器動態特性測試臺架實現

在研發汽車排氣系統用溫度傳感器的過程中，客戶提出熱響應時間的試驗條件如下：

介質：空氣；

氣體流速：11 m/s；

溫度階躍：300℃；

時間常數要求：＜13 s。

為了保證研發及批量生產階段對于溫度傳感器性能及質量的要求，需要根據客戶要求，參考行業標準，搭建專用測試臺，建立溫度傳感器的動態特性測試能力。圖2為溫度傳感器動態特性測試系統原理圖。

圖2 溫度傳感器動態特性測試系統原理圖

設備由風道溫控系統、快速切換系統、控制系統三個主要部分組成。

（1）風道溫控系統：根據要求，設備需要模擬出一組能控制溫度和流速的風道，風量由風機結合變頻器控制。風道內部的溫度由加熱控制器根據出口的溫度，改變加熱器功率，形成閉環控制。常溫溫度不進行控制，只有吹風冷卻功能，溫度允許在20～30℃任意浮動。

（2）快速切換系統：快速切換系統包含三個熱風管道，中間的一個管道配有夾具，可安裝測試樣品。測試時，產品先在常溫風道中進行吹風冷卻。待傳感器輸出溫度穩定后，切換系統快速切換位置，使風道內熱風流過產品，測試溫度產生階躍變化。快速切換系統連接的管道設計一小段可伸縮的軟管，方便切換時密封，防止漏氣影響溫度。

（3）控制系統：由上位機和PLC組成，計算機結合采集板卡和調理電路，可分別與PLC通信，并采集溫度流量信號和被測傳感器溫度變化信號，繪制出曲線，計算出響應時間。PLC進行過程控制，穩定所需的溫度和風速，所有電磁閥、變頻器、加熱器控制器均由其控制。

溫度傳感器動態特性測試臺實物如圖3所示。

圖3 溫度傳感器動態特性測試臺實物

4 溫度傳感器動態特性測試及改進實例

通常溫度傳感器的輸出信號會作為輸入信號傳遞給控制模塊，以監測被測介質溫度，并按照預先設定的控制邏輯做出進一步的反饋。例如，在汽車發動機后處理系統中，需要用溫度傳感器實時監測SCR系統的排氣溫度。當排氣溫度達到預設閾值時，系統會啟動尿素噴射以中和尾氣中的氮氧化物。然而，由于熱響應時間的存在，當介質溫度快速變化時，溫度傳感器輸入給系統的信號會滯后于被測介質實際溫度，因此系統中所設定的排氣溫度閾值會低于目標值，從而保證系統正常工作。

在開發排氣溫度傳感器過程中，客戶會將我司生產的被測件（以下簡稱“被測件”）與標準件在發動機后處理系統臺架上進行對比測試。測試包括靜態對比測試（即在排氣溫度緩慢變化情況下，對比被測件與標準件的輸出信號差異）和動態對比測試（即在排氣溫度快速變化情況下，對比被測件與標準件的輸出信號差異）。圖4為臺架的靜態對比測試結果，圖5為臺架的動態對比測試結果，圖6為臺架動態特性對比測試的溫度差異值。

圖4 溫度傳感器臺架靜態測試輸出曲線對比

圖5 溫度傳感器臺架動態測試輸出曲線對比

圖6 臺架動態測試的溫度差異

從對比測試結果中可以看出，在靜態對比測試中，隨著排氣溫度的緩慢變化，被測件輸出信號與標準件輸出信號之間能夠保持一致，說明被測傳感器靜態下的精度能夠滿足要求；但是在動態測試中，隨著排氣溫度的快速變化，被測件輸出信號與標準件輸出信號之間存在差異，最大輸出溫度差異會達到10℃左右，無法滿足使用要求。

隨后，在我司開發的溫度傳感器動態特性測試臺上，將被測件及標準件的熱響應時間進行了對比測試。測試介質為空氣，測試參數均設置為氣體流速11 m/s，溫度階躍300℃。

經測試后發現，被測件與標準件之間的熱響應時間參數存在明顯差異。如圖7和圖8所示，標準件的時間常數為9.36 s，我司的被測件為12.35 s。因此需要改進被測件的熱響應時間性能，以滿足使用要求。

圖7 標準件熱響應時間測試結果

圖8 被測件熱響應時間測試結果

經分析論證，從以下幾個方面對溫度傳感器進行了改進：

（1）優化探頭部分結構設計，減小熱傳導路徑；

（2）改進導熱膠填充工藝，提高填充密實度；

（3）采用高導熱系數材料。

如圖9所示，改進后的溫度傳感器熱響應時間測試結果為8.66 s，優于標準件。改進后的溫度傳感器也順利通過了客戶后處理臺架對比測試。

圖9 改進后被測件熱響應時間測試結果

5 結語

采用接觸式測溫的溫度傳感器，當被測介質溫度快速變化時，溫度傳感器的動態特性（即溫度傳感器的熱響應時間）會顯著影響傳感器的測溫精度。溫度傳感器的動態特性既與敏感元件、封裝結構、材料及工藝過程有關，也與測試介質及測試參數條件密切相關。在產品開發中，應當建立符合測量環境要求的動態特性測試能力，以滿足設計要求。