溫度傳感器原理與應用知識

溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。溫度傳感器是最早開發，應用最廣的一類傳感器。溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀初人們開始利用溫度進行測量。在半導體技術的支持下，本世紀相繼開發了半導體熱電偶傳感器、PN結溫度傳感器和ic集成溫度傳感器等接觸式溫度傳感器。與之相應，根據波與物質的相互作用規律，相繼開發了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器等非接觸式溫度傳感器。

一、接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計。

溫度計通過傳導或對流達到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內，溫度計也可測量物體內部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產生較大的測量誤差。

它們廣泛應用于工業、農業、商業等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。隨著低溫技術在國防工程、空間技術、冶金、電子、食品、醫藥和石油化工等部門的廣泛應用和超導技術的研究，測量-153℃以下溫度的低溫溫度計得到了發展，如低溫氣體溫度計、蒸汽壓溫度計、聲學溫度計、順磁鹽溫度計、量子溫度計、低溫熱電阻和低溫溫差電偶等。低溫溫度計要求感溫元件體積小、準確度高、復現性和穩定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計的一種感溫元件，可用于測量-271.4℃～27℃范圍內的溫度。

溫度計常用的有：

1、熱電阻

根據電阻的溫度效應而制，有隨溫度升高而變大的是正溫度系數，也有隨溫度升高而減小的是負溫度系數，使用時取其分壓放大后AD轉換即可。

熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業測溫，而且被制成標準的基準儀。

(1)熱電阻測溫原理及材料

熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅，此外，現在已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。各種熱電阻的測量范圍和優缺點：

PT100/ PT1000型熱電阻：鉑電阻，溫度范圍-200～850℃。PT100(或PT1000)即0度時阻值為100歐姆(或1000歐姆)，根據測量的精度選擇。金屬鉑材料的優點是化學穩定性好、能耐高溫，容易制得純鉑，又因其電阻率大，可用較少材料制成電阻，此外其測溫范圍大。它的缺點是：在還原介質中，特別是在高溫下很容易被從氧化物中還原出來的蒸汽所沾污，使鉑絲變脆，并改變電阻與溫度之間的關系。

CU50型熱電阻：銅電阻，溫度范圍-50～150℃。銅熱電阻的價格便宜，線件度好，工業上在-50～+150℃范圍內使用較多。銅熱電阻怕潮濕，易被腐蝕，熔點亦低。

(2)熱電阻的結構

精通型熱電阻：從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。為消除引線電阻的影響同般采用三線制或四線制。

鎧裝熱電阻：由感溫元件(電阻體)、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體，它的外徑一般為φ2~φ8mm，最小可達φmm。與普通型熱電阻相比，它有下列優點：①體積小，內部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后小；②機械性能好、耐振，抗沖擊；③能彎曲，便于安裝④使用壽命長。

端面熱電阻：感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計端面。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。

隔爆型熱電阻：通過特殊結構的接線盒，把其外殼內部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發生的爆炸局限在接線盒內，生產現場不會引超爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla~B3c級區內具有爆炸危險場所的溫度測量。

(3)熱電阻測溫系統的組成

熱電阻測溫系統一般由熱電阻、連接導線和顯示儀表等組成。必須注意以下兩點：

①熱電阻和顯示儀表的分度號必須一致

②為了消除連接導線電阻變化的影響，必須采用三線制接法。

2、熱電偶

利用不同金屬的熱效應，產生電勢差，其溫度范圍很寬，一般用來測量幾百度的溫度。

熱電偶是工業上最常用的溫度檢測元件之一。其優點是：

①測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響。

②測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可邊續測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃(如金鐵鎳鉻)，最高可達+2800℃(如鎢-錸)。

③構造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。

(1)熱電偶測溫基本原理

兩種不同材質的導體，如在某點互相連接在一起，對這個連接點加熱，在它們不加熱的部位就會出現電位差。這個電位差的數值與不加熱部位測量點的溫度有關，和這兩種導體的材質有關。這種現象可以在很寬的溫度范圍內出現，如果精確測量這個電位差，再測出不加熱部位的環境溫度，就可以準確知道加熱點的溫度。由于它必須有兩種不同材質的導體，所以稱之為“熱電偶”。不同材質做出的熱電偶使用于不同的溫度范圍，它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點溫度變化1℃時，輸出電位差的變化量。對于大多數金屬材料支撐的熱電偶而言，這個數值大約在5～40mV／℃之間。

熱電偶傳感器有自己的優點和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。由于熱電偶的靈敏度與材料的粗細無關，用非常細的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細微的測溫元件有極高的響應速度，可以測量快速變化的過程。

(2)熱電偶的種類

常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調用標準熱電偶是指國家標準規定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統一設計型熱電偶。各種熱電偶的測量范圍和優缺點：

S型熱電偶：鉑銠10-鉑熱電偶，溫度范圍0～1600℃，舊分度號LB-3。優點：耐熱性、安定性、再現性良好及較優越的精確度；耐氧化、耐腐濁性良好；可以做為標準使用。缺點：熱電動勢值小；在還元性氣體環境較脆弱(特別是氫、金屬蒸氣)；補償導線誤差大；價格高昂。

R型熱電偶：鉑銠13-鉑熱電偶，溫度范圍0～1600℃。優點：耐熱性、安定性、再現性良好及較優越的精確度；耐氧化、耐腐濁性良好；可以做為標準使用。缺點：熱電動勢值小；在還元性氣體環境較脆弱(特別是氫、金屬蒸氣)；補償導線誤差大；價格高昂。

B型熱電偶：鉑銠30-鉑銠6熱電偶，溫度范圍600～1800℃，舊分度號LL-2，自由端在0～50℃內可以不用補償導線。優點：適用1000℃以上至1800℃；在常溫環境下熱電動勢非常小，不需補償導線；耐氧化、耐腐濁性良好；耐熱性與機械強度較R型優良。缺點：在中低溫域之熱電動勢極小，600℃以下測定溫度不準確；熱電動勢值小；熱電動勢之直線性不佳；價格高昂。

K型熱電偶：鎳鉻-鎳硅熱電偶、鎳鉻-鎳鋁熱電偶，溫度范圍-200～1300℃。優點：熱電動勢之直線性良好；1000℃以下耐氧化性良好；在金屬熱電偶中安定性屬良好。缺點：不適用于還元性氣體環境，特別是一氧化碳、二氧化硫、硫化氫等氣體；熱電動勢與貴金屬熱電偶相比較經時變化較大；受短范圍排序之影響會產生誤差。

N型熱電偶：鎳鉻硅--鎳硅熱電偶，溫度范圍-270～1300℃。優點：熱電動勢之直線性良好；1200℃以下耐氧化性良好；為K型之改良型，受GreenRot之影響較小，耐熱溫度較K型高。缺點：不適用于還元性氣體環境；熱電動勢與貴金屬熱電偶相比較經時變化較大。

E型熱電偶：鎳鉻硅-康銅熱電偶，溫度范圍-270～1000℃。優點：現有熱電偶中感度最佳者；與J熱電偶相比耐熱性良好；兩腳不具磁性；適于氧化性氣體環境；價格低廉。缺點：不適用于還元性氣體環境；稍具履歷現象。

J型熱電偶：鐵--康銅熱電偶，溫度范圍-210～1200℃。優點：可使用于還元性氣體環境；熱電動勢較K熱電偶大20%；價格較便宜，適用于中溫區域。缺點：(＋)腳易生銹；再現性不佳。

T型熱電偶：銅-康銅熱電偶，溫度范圍-270～400℃。優點：熱電動勢之直線性良好；低溫之特性良好；再現性良好、高精度；可使用于還元性氣體環境。缺點：使用溫度限度低；(＋)腳之銅易氧化；熱傳導誤差大。

(3)熱電偶的結構形成

熱電偶的結構形式為了保證熱電偶可靠、穩定地工作，對它的結構要求如下：

①組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固；

②兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路；

③補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；

④保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離。

(4)熱電偶冷端的溫度補償

熱電偶自由端溫度為0℃，由熱電偶測溫原理知道，只有當熱電偶冷端溫度保持不變時，熱電動勢才是被測溫度的單位函數。在實際應用時，由于熱電偶的冷端離熱端很近，冷瑞又暴露在空間，容易受到周圍環境溫度變化的影響，因而沖端溫度難以保持恒定。為此必須進行冷端溫度補償處理。

由于熱電偶的材料一般都比較貴重(特別是采用貴金屬時)，而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導線把熱電偶的冷端(自由端)延伸到溫度比較穩定的控制室內，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補償導線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度t0≠0℃時對測溫的影響。

在使用熱電偶補償導線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。

3、IC集成溫度傳感器

全數字化讀取，必須配合單片機使用，可以連接成網絡使用，三線即可讀取溫度，電源、地、數據。

4、三極管有時在要求不高時也可當溫度傳感器使用，但是它線性不是很好，由于其價格低，在多種場合還是被采納。

二、非接觸式溫度傳感器的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。

這種儀表可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速(瞬變)對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法(見光學高溫計)、輻射法(見輻射高溫計)和比色法(見比色溫度計)。各類輻射測溫方法只能測出對應的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體(吸收全部輻射并不反射光的物體)所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度，則必須進行材料表面發射率的修正。而材料表面發射率不僅取決于溫度和波長，而且還與表面狀態、涂膜和微觀組織等有關，因此很難精確測量。在自動化生產中往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。在這些具體情況下，物體表面發射率的測量是相當困難的。對于固體表面溫度自動測量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發射系數。利用有效發射系數通過儀表對實測溫度進行相應的修正，最終可得到被測表面的真實溫度。最為典型的附加反射鏡是半球反射鏡。球中心附近被測表面的漫射輻射能受半球鏡反射回到表面而形成附加輻射，從而提高有效發射系數。至于氣體和液體介質真實溫度的輻射測量，則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。通過計算求出與介質達到熱平衡后的圓筒空腔的有效發射系數。在自動測量和控制中就可以用此值對所測腔底溫度(即介質溫度)進行修正而得到介質的真實溫度。

非接觸測溫優點：測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對最高可測溫度原則上沒有限制。對于1800℃以上的高溫，主要采用非接觸測溫方法。隨著紅外技術的發展，輻射測溫逐漸由可見光向紅外線擴展，700℃以下直至常溫都已采用，且分辨率很高。