摘要

溫度功率傳感器（Temperature Power Sensor, TPS）是一個(gè)在不同技術(shù)語(yǔ)境下具有雙重內(nèi)涵的概念。在工業(yè)控制領(lǐng)域，TPS特指一種基于雙金屬片原理的高性能控制型恒溫器，兼具溫度檢測(cè)與功率控制功能；在射頻與微波測(cè)量領(lǐng)域，TPS則泛指基于熱效應(yīng)原理的功率測(cè)量裝置。本文系統(tǒng)闡述溫度功率傳感器的定義、工作原理、分類體系及典型應(yīng)用場(chǎng)景，旨在為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員提供全面、準(zhǔn)確的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：溫度功率傳感器；TPS；雙金屬恒溫器；熱功率傳感器；溫度補(bǔ)償

一、引言

溫度與功率是工業(yè)自動(dòng)化和電子測(cè)量領(lǐng)域中最基本、最關(guān)鍵的物理參數(shù)。隨著電力電子技術(shù)、射頻通信技術(shù)和工業(yè)控制技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)溫度和功率的同步監(jiān)測(cè)與聯(lián)動(dòng)控制需求日益增長(zhǎng)。在此背景下，溫度功率傳感器（TPS）應(yīng)運(yùn)而生，并在多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出價(jià)值。

值得注意的是，“溫度功率傳感器"這一術(shù)語(yǔ)在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界存在兩種截然不同的技術(shù)內(nèi)涵：一是指基于雙金屬片原理的溫度控制型開(kāi)關(guān)器件（以日本松尾電器為代表）；二是指基于熱效應(yīng)原理的功率測(cè)量裝置（如熱敏電阻式、熱電偶式功率傳感器）。下文將對(duì)這兩種含義分別予以闡述。

二、作為控制型恒溫器的TPS

2.1 定義與定位

在工業(yè)控制領(lǐng)域，溫度功率傳感器被定義為一種高性能的控制型恒溫器，其核心特征在于：盡管采用傳統(tǒng)的雙金屬片結(jié)構(gòu)，卻能夠?qū)崿F(xiàn)接近電子恒溫器的控制精度和響應(yīng)性能。以日本松尾電器（MATSUO）為代表的企業(yè)將其作為產(chǎn)品名稱，TPS是該品牌雙金屬控制型恒溫器的專有產(chǎn)品代號(hào)。

傳統(tǒng)雙金屬恒溫器多為圓盤型保護(hù)器，能夠作為控制器使用的產(chǎn)品極為稀少。松尾電器自1975年開(kāi)始挑戰(zhàn)雙金屬控制型恒溫器這一技術(shù)難題，1980年實(shí)現(xiàn)全面量產(chǎn)銷售。TPS的問(wèn)世彌補(bǔ)了傳統(tǒng)雙金屬恒溫器在高精度控制領(lǐng)域的空白。

2.2 工作原理

雙金屬型TPS的核心執(zhí)行元件是由兩種熱膨脹系數(shù)差異顯著的金屬層壓復(fù)合而成的雙金屬片。當(dāng)溫度變化時(shí)，兩層金屬的伸長(zhǎng)量不同，導(dǎo)致雙金屬片發(fā)生彎曲。膨脹系數(shù)較高的一面為主動(dòng)層，膨脹系數(shù)較低的一面為被動(dòng)層——溫度升高時(shí)主動(dòng)層的形變大于被動(dòng)層，雙金屬片整體向被動(dòng)層一側(cè)彎曲。這一彎曲位移通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電觸點(diǎn)（常開(kāi)或常閉）的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定點(diǎn)的通斷控制。

TPS的關(guān)鍵設(shè)計(jì)在于將溫度感知與功率控制整合于一體：它既感知環(huán)境溫度（或被測(cè)表面溫度），又直接控制負(fù)載電路的導(dǎo)通與關(guān)斷，無(wú)需外部信號(hào)調(diào)理電路。這種“傳感-執(zhí)行"一體化的設(shè)計(jì)使其在簡(jiǎn)單性和可靠性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

2.3 技術(shù)特點(diǎn)與參數(shù)

以松尾電器TPS產(chǎn)品系列為例，其主要技術(shù)特點(diǎn)包括：

• 小動(dòng)作溫差（差動(dòng)） ：通過(guò)優(yōu)化雙金屬材料配方和精密控制觸點(diǎn)間隙，動(dòng)作溫差可小至3°C；

• 長(zhǎng)壽命：機(jī)械壽命達(dá)1000萬(wàn)次，額定條件下電氣壽命達(dá)10萬(wàn)次；

• 緊湊封裝：采用小型密閉外殼設(shè)計(jì)；

• 寬溫度控制范圍：典型控制范圍為-10°C至110°C；

• 高性價(jià)比：價(jià)格僅為電子恒溫器的幾分之一。

觸點(diǎn)容量方面，典型產(chǎn)品在AC125V下可達(dá)2A，AC250V下可達(dá)1.3A，DC12V下可達(dá)2A。

2.4 典型應(yīng)用

雙金屬型TPS廣泛應(yīng)用于溫度控制與過(guò)熱保護(hù)場(chǎng)景，主要用作控制器（控制用途）和保護(hù)器（過(guò)熱預(yù)防）。具體應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療、能源及消費(fèi)電子等。在光伏逆變器散熱管理、新能源車充電樁熱控系統(tǒng)等場(chǎng)景中，TPS可實(shí)現(xiàn)±1°C的控溫精度。

三、作為熱功率測(cè)量裝置的TPS

3.1 定義與定位

在射頻與微波測(cè)量領(lǐng)域，“溫度功率傳感器"或“熱功率傳感器"（Thermal Power Sensor）指一類基于熱效應(yīng)原理的功率測(cè)量裝置。這類傳感器利用射頻或微波信號(hào)在終端負(fù)載上耗散產(chǎn)生的熱量來(lái)間接測(cè)量輸入功率。

熱功率傳感器的核心優(yōu)勢(shì)在于其測(cè)量結(jié)果與信號(hào)波形無(wú)關(guān)——無(wú)論輸入信號(hào)是連續(xù)波、調(diào)制信號(hào)還是脈沖信號(hào)，只要功率相同，產(chǎn)生的熱效應(yīng)就相同。這一特性使其成為射頻功率測(cè)量的基準(zhǔn)級(jí)儀器。

3.2 主要類型與工作原理

熱功率傳感器主要包括以下三種類型：

（1）熱敏電阻式功率傳感器（Bolometer）

熱敏電阻式功率傳感器利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性來(lái)測(cè)量功率。輸入射頻功率被終端電阻吸收并轉(zhuǎn)化為熱量，導(dǎo)致熱敏電阻溫度升高、阻值發(fā)生變化。通過(guò)直流替代法（DC substitution），即用直流功率替代射頻功率使熱敏電阻恢復(fù)到相同的阻值，從而確定射頻功率的大小。這類傳感器能夠提供真實(shí)的平均功率測(cè)量值，且對(duì)信號(hào)特性的依賴性極小。

（2）熱電偶式功率傳感器（Thermocouple）

熱電偶式功率傳感器的核心部件是熱電偶。將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生溫差電勢(shì)——這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）。利用熱電偶直接吸收高頻信號(hào)功率，熱結(jié)點(diǎn)溫度升高，產(chǎn)生的溫差電勢(shì)大小正比于吸收的射頻功率值。多個(gè)熱電偶串聯(lián)構(gòu)成熱電堆，可顯著提高靈敏度。

基于GaAs MMIC（單片微波集成電路）技術(shù)和MEMS工藝的熱電式微波功率傳感器是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。這類傳感器采用“功率-熱-電壓"的轉(zhuǎn)換原理，將射頻功率轉(zhuǎn)化為熱能，再通過(guò)熱電手段測(cè)量。其優(yōu)點(diǎn)包括精確的物理定義、固有的寬頻帶范圍和數(shù)字化顯示，但主要缺陷是過(guò)載能力差、容易燒毀。

（3）量熱式功率傳感器（Calorimetric）

量熱式功率傳感器通過(guò)測(cè)量吸收體在吸收射頻功率后產(chǎn)生的溫升來(lái)測(cè)定功率。在微量熱計(jì)中，通過(guò)測(cè)量傳感器的有效效率來(lái)實(shí)現(xiàn)微波功率單位的復(fù)現(xiàn)與傳遞。量熱式傳感器是各國(guó)國(guó)家計(jì)量院建立微波功率基準(zhǔn)的主要手段。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)

熱功率傳感器面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括：

• 溫度補(bǔ)償：熱電偶型功率傳感器的測(cè)量結(jié)果對(duì)環(huán)境溫度變化敏感，需要通過(guò)溫度補(bǔ)償算法顯著減小溫度引起的測(cè)量誤差；

• 熱漂移：由于溫度引起的傳感器特性及內(nèi)部參考穩(wěn)定性變化，測(cè)量功率可能隨時(shí)間發(fā)生偏移；

• 過(guò)載保護(hù)：熱電式功率傳感器在高功率檢測(cè)時(shí)存在過(guò)載能力差、容易燒毀的缺陷。

3.4 典型應(yīng)用

熱功率傳感器廣泛應(yīng)用于射頻與微波功率測(cè)量場(chǎng)景：

• 測(cè)試與測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)與溯源；

• 放大器特性分析與測(cè)試；

• 微波系統(tǒng)研發(fā)與設(shè)備開(kāi)發(fā)；

• 法規(guī)合規(guī)性驗(yàn)證。

近年來(lái)，熱功率傳感器的應(yīng)用正向條件拓展。例如，是德科技（Keysight）與英國(guó)國(guó)家物理研究院（NPL）合作，實(shí)現(xiàn)了在低至3K低溫條件下運(yùn)行的射頻功率傳感器。羅德與施瓦茨（Rohde & Schwarz）推出的NRP140TWG(N)熱功率傳感器專為F頻段應(yīng)用打造，可溯源至德國(guó)國(guó)家計(jì)量院（PTB）。

四、兩類TPS的概念辨析

為便于讀者清晰區(qū)分，現(xiàn)將兩類溫度功率傳感器的核心差異歸納如下：

五、結(jié)語(yǔ)

溫度功率傳感器（TPS）作為一個(gè)跨領(lǐng)域的技術(shù)術(shù)語(yǔ)，在工業(yè)控制領(lǐng)域代表基于雙金屬片原理的高性能控制型恒溫器，在射頻測(cè)量領(lǐng)域則代表基于熱效應(yīng)原理的功率測(cè)量裝置。兩者雖共享“溫度-功率"關(guān)聯(lián)的技術(shù)內(nèi)涵，但在工作原理、輸出形式和應(yīng)用場(chǎng)景上存在本質(zhì)差異。

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、新能源技術(shù)和射頻通信技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)，無(wú)論是作為控制型恒溫器還是作為熱功率測(cè)量裝置，TPS都將在各自領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揮不可替代的作用。對(duì)于技術(shù)從業(yè)者而言，準(zhǔn)確理解TPS的雙重技術(shù)內(nèi)涵，有助于在選型和應(yīng)用中做出正確判斷。