Methods of Temperature Measurement in Microwave Field Cao Ye, Hu Wenxiang* （Institute of Military Medical Sciences, Department of General Equipment, Beijing 100101，P.R.China） Abstract This paper summarizes several major methods of temperature measurement in microwave field. Key words Microwave , Temperature sensor , Temperature measurement 摘要 本文概述了微波场测温的几种主要方法并对其进行了讨论。 关键词 微波 温度传感器 温度测量 微波场测温方法 曹晔 胡文祥** （总装备部军事医学研究所 北京 100101） 微波是指频率范围为300MHz到300GHz的电磁辐射，由于它的频率很高，在电磁波谱中属于超高频电磁波。60年代以后，微波作为一种新型热源得到迅速发展，由于微波能迅速、均匀地加热物体，因而被广泛用于医疗、化学研究、食品加工、材料热处理等行业中，但由于强电磁场的存在，在微波场下的温度测量依然是一个技术难题。我们研制的微波反应器的温度测量也遇到同样的问题。在强电磁场下，当用常规温度传感器（如热电偶、热电阻等）测温时，金属材料制作的测温探头及导线在高频电磁场下产生感应电流，由于集肤效应和涡流效应，使其自身温度升高，对温度测量造成严重干扰，使温度示值产生很大误差或者无法进行稳定的温度测量。因此，研究用于微波场下无干扰的温度传感器具有重大的现实意义。我们结合微波反应器的测温问题，对可用于微波场测温的几种方法进行了比较研究。 1 常规热电偶、热电阻用于测量微波场下的温度 常规热电偶和热电阻具有准确、稳定、可靠及价廉等优点。但由于它们本身及其传输线是金属材料，可产生感生电流，如何消除或减少干扰是用热电偶、热电阻测温的关键。一般采用以下方法来解决：（1）尽可能减少金属元件的厚度和传输线的直径，如采用极细的材料作热电偶并选用电导率低、导磁率低的材料制作传输线和元件，以减少涡流效应、集肤效应和欧姆热效应的影响；（2）尽量减少处于电磁场中的闭合回路的环包面积，以减少感生电流；（3）在仪表输入端增设滤波电容；（4）调整元件和传输线的走向，使其尽可能与电场方向垂直，以减弱电磁耦合；（5）必要时采取停机测温方法，即关掉电器设备，在没有电磁场的条件下测温，待温度测量完毕后再开机工作。 采用上述方法，并事先通过实验，做出干扰对示值的综合影响量，并在测量时对测温结果作一定修正[1]，可使结果更可靠些。也可采用煤油玻璃温度计与热电偶相结合的方法测温[2]，但煤油温度计的精度和灵敏度都很低，测温范围也有限。但上述方法在连续测温、自动控温方面都不太理想。 由于金属材料对微波辐射具有较强的反射作用，常被用作微波屏蔽材料，可以把这些材料做成屏蔽保护套，加在热电偶或热电阻及导线外部，以屏蔽微波辐射的干扰[3],此方法已见于报道。 2 热敏电阻－高阻导线组成抗电磁干扰温度传感器 这种传感器是采用半导体热敏电阻器作测温探头，用非金属的高阻导线作信号传输线，热敏电阻器－高阻导线－金属传输线间的连接采用导电胶粘接，再配以简单的测量电路构成。电磁场中，介质材料析出的热量主要由材料中带电质点相互摩擦引起，单位体积中析出的热功率为: P＝2πfεE2 tgφc 式中：f——电场频率,ε——介质的介电常数，E——电场强度的有效值，φc——介质耗损角。 半导体介于介质和导体之间，其性质更接近于介质，其损耗角和介电常数都很小，在电磁场下析出的热功率很小。因无感应电流或感应电流极小，基本上不带来电磁干扰。 图1是一个典型的热敏电阻－高阻导线测温仪原理方块图，整个传感器采用四线引出，两根作为电源线，两根作为信号线，工作时通过恒流源供给热敏电阻电流，热敏电阻两端的电压用高输入阻抗放大器放大，再通过对数放大器实现热敏电阻－温度特性线性化校正之后，送给显示记录仪表。
图1 热敏电阻－高阻导线测温仪
实验证明[4]，这种测温方法既利用了半导体热敏电阻灵敏度高、体积小、反应迅速等优点，又有效地避免了强电磁干扰和自热误差。但是，这种传感器由于采用了非金属制的高阻导线，存在以下问题：(1）与高阻导线相匹配的高阻值热敏电阻不论在稳定性还是一致性上都较低阻者差，缺少长期的校准稳定性和非线性响应[5]；（2）高阻导线要求与其配合工作的前置放大器必须是高灵敏度、高输入阻抗的；（3）高阻导线是碳制的，稳定性差，电阻温度系数大，电路设计上必须克服这些干扰；（4）高阻导线的机械强度差、直径大。由于这种测温方法价格低廉，抗电磁干扰，经不断改进，还是极具推广价值的。 3 光纤温度传感器用于微波场温度测量 光纤测温是七十年代发展起来的一门新兴测温技术，与传统温度传感器相比，光纤温度传感器有一些独特的优点，如抗电磁干扰、耐高压、耐腐蚀、防爆防燃、体积小、重量轻等，为微波场的测温问题提供了一条有效途径。 光纤温度传感器按工作原理分为两大类，一类是传感型光纤温度传感器，这类传感器中，光纤不仅起传光作用，而且利用外界因素使其传光特性发生变化，以实现传感测量。第二类是传光型光纤温度传感器，在这类传感器中，光纤仅仅作为传光的媒介，对待测对象的调制功能是依仗其它物理性质的敏感元件来实现的。目前，国内外以传光型光纤温度传感器应用较广，适用于微波场测温的主要有以下几类：（1）半导体吸收式光纤温度传感器，它是利用GaAs、CdTe等半导体材料的光吸收特性与温度的关系构成，这类温度传感器国内已有研制报道[6]；（2）荧光辐射式光纤温度传感器，这种传感器是利用物质的荧光辐射现象构成[7]。通常设在光纤的一端固结着微量稀土磷化合物，受紫外光照射后，激励其发出荧光。此荧光强度随温度变化而变化。如美国培安公司的微波消解系统就是采用这类传感器测温的；（3）光纤热色温度传感器，可在光纤端面上配置液晶芯片，利用液晶独有的热色效应，即温度不同时液晶颜色不同的原理来测量温度；（4）光纤辐射温度传感器，为非接触测量，如国内有报道用国产氟化物光纤及硒化铅探测器构成光纤测温仪[8]；（5）干涉型光纤温度传感器[9]，属于传感型光纤传感器。温度变化可引起干涉仪相位变化，通过光纤干涉仪来检测相位的变化可测待测温度。 光纤温度传感器目前仍处在研究发展阶段[10]，在许多方面优于热电偶等常规测温传感器，但由于产品稳定性较差，造价高，限制了它在微波场测温中的推广应用。 4 红外测温仪和超声测温仪 红外测温仪是一种非接触测量仪表，用于对不同温度物体的表面温度测量。它根据被测物的红外辐射强度确定其温度。由于其非接触性，测量时不破坏被测物的温度测量，所以也可用于微波场温度测量。但自身的局限性也限制了它的应用范围，如，红外测温仪测温时要受物体发射率、气雾的影响，我们经实地实验，红外测温仪直接用于微波反应器测温受到视场小的局限，使用起来也不太便捷。 其它方法还有用超声波测温技术用于微波场测温，但造价昂贵，有待进一步开发研究。 随着微波加热技术在各行各业的广泛应用，能够抗强电磁场干扰、稳定性好、造价低的温度传感器，必然具有广阔的应用前景。 5 参考文献 [1] 张立儒.特殊条件下的温度测量.北京：中国计量出版社，1987:168 [2] 陈涵奎.微波生物效应应用与防护基础.上海：中国电子学会微波专业学会，1981:98 [3] 葛玻.微波炉温度的单片机控制.自动化仪表，1996，（17）6:20 [4] 王世杰.一种抗强电磁场干扰的温度传感器.传感器技术,1996,（1）: 49 [5] Michael J． Suess . 非电离辐射的防护.北京：人民卫生出版社，1986:164 [6] 杨文晖. 双波长光纤传感器的研究.仪器仪表学报，1995，16（2）:151 [7] G.W. Baxter , E.Maurice , G.Monnom,D.B.Ostrowsky . Development of an intrinsic optical fiber point temperature sensor using the green fluorescence intensity ratio in Er-Doped silic. Fiber Optic Sensors and Systems，1995，9（6）:10 [8] 颜华.中低温光纤辐射测温技术的研究.自动化仪表，1994，15（5）:26 [9] G .Smith , P .Axon .Temperature measurements and analysis of an optical fibre reflectometer with thin film amorphous semiconductor interfaces . Fiber Optic Sensors and Systems , 1995 , 9（7）:11 [10] 曹晔，胡文祥，谭生建.光纤温度传感器.科学（Scientific American 中文版），1996，（12）:41 曹晔 女，32岁，助研，从事仪器分析和应用等工作。 **联系人 99-01-28收稿，99-05-03修回