金 义 忠 姜培刚

（1.重庆凌卡分析仪器有限公司，重庆400041；2.北京泰和联创科技有限公司，北京102208）

1 热敏电桥传感器的定义及范围

1.1 定 义

凡敏感元件具有自热温度效应，采用惠斯通电桥原理参比测量法设计的传感器，可称为热敏电桥传感器。

1.2 范 围

热敏电桥传感器是一个广义的专业技术概念，包括：

分析仪器行业的热导式气体传感器、热磁式氧传感器、磁压力式氧传感器（采用热敏电阻元件），采用电桥原理的各种可燃、有毒气体报警器，采用电阻敏感元件测温电桥的温度计和恒温器。

此外，分析仪的微流量红外传感器，流量测量的压力变送器都有可能参考适用。

2 热敏电桥传感器的突破方向

（1）技术性能以稳定性为代表的核心技术指标，而非灵敏度。

（2）传感器的结构设计优化以更彻底实现其测量原理为第一重点。

（3）特殊工艺要有相应非标准设备充分保障。

（4）整个技术链从敏感元件的材质、性能为技术原点起要彻底贯通。

（5）追求简单化，便于务实操作和生产，至简才有可能至优。

3 参比测量法惠斯通电桥的分类

3.1 参比测量法

惠斯通电桥常用于物理量、热工参量测量的传感器（或变送器），为了降低各种影响误差，特别是环境温度影响误差，普遍采用参比测量法，具有很悠久的历史。

3.2 电桥的分类

（1）等臂（对称）电桥和有平衡调节的等臂（对称）电桥（也称为全桥），见图1。

图1 等臂电桥和有平衡调节的等臂电桥

（2）第Ⅰ对称电桥（图2）

（3）第Ⅱ对称电桥（图3）

图3 第Ⅱ对称电桥

前4种电桥，若以稳定性优先来评价，第Ⅱ对称电桥最优，第Ⅰ对称电桥最差。

（4）第Ⅱ对称复合电桥（图4）

图4 第Ⅱ对称复合电桥

4 低漂移热导式气体传感器（发明专利）

（1）热导式敏感元件

热敏材料为Ф0.02mm高稳定性的高纯铂丝，细长棍状结构，熔包玻璃，耐腐蚀，单向引出线。

（2）敏感元件配对工艺

以动态电阻温度系数配对工艺，取代传统的常温静态电阻配对工艺，使其应用中的温度稳定性有突破性提高。

（3）第Ⅱ对称复合电桥

前述5种电桥比较，第Ⅱ对称复合电桥稳定性最好。第Ⅱ对称复合电桥具有按需要进行低漂移校正的功能，这是特别重要的技术突破。只用一对（两只）敏感元件比用两对（四只）敏感元件的成本更低，配对更容易，传感器结构更容易小型化。

（4）传感器结构优化设计

传感器恒温54.6℃，零温度梯度设计，气体在其中只有热传导作用，不会产生热对流作用的影响误差，使热导原理得以免受干扰地充分实现（图5）。

图5 低漂移传感器外形图

（5）传感器的零漂移校正工艺

第Ⅱ对称复合电桥借助校正电桥（R5、R6、R7、R8）的校正作用，按校正工艺操作可以对热敏电桥传感器按需要实施低漂移校正，不必挑选传感器，也能实现大体一致的低漂移性能。

（6）LKA100R、THA100R 型 热 导 式 气 体 分析仪

采用“低漂移热导式气体传感器”发明专利的LKA100R、THA100R型热导式气体分析仪，具有真正突破性的高稳定性，实测零点稳定性几乎为零（末位显示值无变化），量程稳定性为0.18%／7d，温度影响误差指标≤±0.5%FS／（5～45）℃，重复性指标≤0.25%。

（7）LKA100R型热导式气体分析仪开机（预热）零点稳定性曲线

LKA100R型热导式气体分析仪开机（预热）零点稳定性曲线，实测结果如图6所示。

图6 LKA100R型低漂移热导分析仪的零点稳定性曲线

漂移偏差的最大值为－1.1%FS，出现在通电开机后3分钟之时，此时传感器还远没有达到恒温状态（36.5℃），9分钟时才开始进入54.6℃的恒温温度。

据此似乎可以说：LKA100R通电开机后，随即就能进入正常的工程应用。图6还能证明和揭秘一个重要的传感器技术秘密：只要彻底根治了传感器的温度影响误差，传感器的高稳定性就自然得到最妥善和最经济的解决，或许就就是我们梦寐以求的最终理想解。

5 传感器研发的技术大视野

5.1 笔者研发传感器的经历

笔者长期深入研究热导式传感器至今已有41年之久，早年钻研过专著《电桥的理论与计算》，深入解析过国内4家公司、国外4家（美、德、意、日）公司的热导分析仪，特别是破解美国贝克曼公司4C型热导分析仪的高稳定性秘密，有突破性意义。先后研制过三代热导式传感器，最终才得以洞察热导式传感器的技术秘密。

5.2 传感器研发的技术大视野

（1）真正明确工程应用的真实需要

（2）研发重点定位准确

以稳定性为传感器研发的首选突破方向，以传感器的结构优化为第一重点，以最大程度地消除温度影响误差为完胜目标。

（3）传感器研发、分析仪生产及工程应用要有很长期的实际经验积累。例如德国H＆B公司有的工程师只持续研发同一类（例如微音器红外）传感器（即检测器），才创造出国际龙头地位的先进技术。

（4）技术风格的彻底开放性

对于外企的先进技术、同行业甚至跨界的先进技术，首先要有开放的心态，认真学习、借鉴、消化和引用，甚至采用“拿来主义”的技术引进，包括购买专利技术，韩国三星公司称此为“反向工程”，取得极大成功。

（5）试以日本横河公司的热导式气体分析仪为例

该仪器的热导电桥及测量原理如图7（来源于该公司样本）所示，它正是本文特别强调的第Ⅱ对称参比测量电桥，该仪器的稳定性因此就该被信任。

图7 横河公司热导电桥及测量原理

6 用系统学理论评论传感器

根据钱学森院士的系统学理论，传感器可认为是一个开放的技术系统，因为它与其外部环境（千差万别的样气条件、环境条件、应用要求等）以及分析仪整机存在复杂的动态的物质交换、能量交换和信息交换。我们在研制传感器过程中，可以据此拓展技术思路和打开新的技术创新空间。