溫度傳感器原理與應(yīng)用知識(shí)

溫度傳感器原理與應(yīng)用知識(shí)

 溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過(guò)程無(wú)不與溫度密切相關(guān)。溫度傳感器是早開發(fā)，應(yīng)用廣的一類傳感器。溫度傳感器的大大過(guò)了其他的傳感器。從17世紀(jì)初人們開始利用溫度進(jìn)行測(cè)量。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)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(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)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(cè)部分與被測(cè)對(duì)象有良好的接觸，又稱溫度計(jì)。

溫度計(jì)通過(guò)傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，從而使溫度計(jì)的示值能直接表示被測(cè)對(duì)象的溫度。一般測(cè)量精度較高。在一定的測(cè)溫范圍內(nèi)，溫度計(jì)也可測(cè)量物體內(nèi)部的溫度分布。但對(duì)于運(yùn)動(dòng)體、小目標(biāo)或熱容量很小的對(duì)象則會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。

它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計(jì)。隨著低溫技術(shù)在、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門的廣泛應(yīng)用和導(dǎo)技術(shù)的研究，測(cè)量-153℃以下溫度的低溫溫度計(jì)得到了發(fā)展，如低溫氣體溫度計(jì)、蒸汽壓溫度計(jì)、聲學(xué)溫度計(jì)、順磁鹽溫度計(jì)、量子溫度計(jì)、低溫?zé)犭娮韬偷蜏販夭铍娕嫉取５蜏販囟扔?jì)要求感溫元件體積小、準(zhǔn)確度高、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結(jié)而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計(jì)的一種感溫元件，可用于測(cè)量-271.4℃～27℃范圍內(nèi)的溫度。

溫度計(jì)常用的有：

1、熱電阻

根據(jù)電阻的溫度效應(yīng)而制，有隨溫度升高而變大的是正溫度系數(shù)，也有隨溫度升高而減小的是負(fù)溫度系數(shù)，使用時(shí)取其分壓放大后AD轉(zhuǎn)換即可。

熱電阻是中低溫區(qū)常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量度是高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。

（1）熱電阻測(cè)溫原理及材料

熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)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(cè)量范圍和優(yōu)缺點(diǎn)：

PT100/ PT1000型熱電阻：鉑電阻，溫度范圍-200～850℃。PT100（或PT1000）即0度時(shí)阻值為100歐姆（或1000歐姆），根據(jù)測(cè)量的精度選擇。金屬鉑材料的優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)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(cè)溫范圍大。它的缺點(diǎn)是：在還原介質(zhì)中，特別是在高溫下很容易被從氧化物中還原出來(lái)的蒸汽沾污，使鉑絲變脆，并改變電阻與溫度之間的關(guān)系。

CU50型熱電阻：銅電阻，溫度范圍-50～150℃。銅熱電阻的價(jià)格便宜，線件度好，工業(yè)上在-50～+150℃范圍內(nèi)使用較多。銅熱電阻怕潮濕，易被腐蝕，熔點(diǎn)亦低。

（2）熱電阻的結(jié)構(gòu)

精通型熱電阻：從熱電阻的測(cè)溫原理可知，被測(cè)溫度的變化是直接通過(guò)熱電阻阻值的變化來(lái)測(cè)量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會(huì)給溫度測(cè)量帶來(lái)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(jiān)實(shí)體，它的外徑一般為φ2~φ8mm，小可達(dá)φmm。與普通型熱電阻相比，它有下列優(yōu)點(diǎn)：①體積小，內(nèi)部無(wú)空氣隙，熱慣性上，測(cè)量滯后小；②機(jī)械性能好、耐振，抗沖擊；③能彎曲，便于安裝④使用壽命長(zhǎng)。

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(jì)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(cè)端面的實(shí)際溫度，適用于測(cè)量軸瓦和其他機(jī)件的端面溫度。

隔爆型熱電阻：通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，把其外殼內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸限在接線盒內(nèi)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不會(huì)引爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla~B3c級(jí)區(qū)內(nèi)具有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)的溫度測(cè)量。

（3）熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)的組成

熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線和顯示儀表等組成。必須注意以下兩點(diǎn)：

①熱電阻和顯示儀表的分度號(hào)必須一致

②為了消除連接導(dǎo)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(yīng)，產(chǎn)生電勢(shì)差，其溫度范圍很寬，一般用來(lái)測(cè)量幾的溫度。

熱電偶是工業(yè)上常用的溫度檢測(cè)元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是：

①測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。

②測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可邊續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶低可測(cè)到-269℃（如金鐵鎳鉻），高可達(dá)+2800℃（如鎢-錸）。

③構(gòu)造簡(jiǎn)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(hù)套管，用起來(lái)非常方便。

（1）熱電偶測(cè)溫基本原理

兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，如在某點(diǎn)互相連接在一起，對(duì)這個(gè)連接點(diǎn)加熱，在它們不加熱的部位就會(huì)出現(xiàn)電位差。這個(gè)電位差的數(shù)值與不加熱部位測(cè)量點(diǎn)的溫度有關(guān)，和這兩種導(dǎo)體的材質(zhì)有關(guān)。這種現(xiàn)象可以在很寬的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如果測(cè)量這個(gè)電位差，再測(cè)出不加熱部位的環(huán)境溫度，就可以準(zhǔn)確知道加熱點(diǎn)的溫度。由于它必須有兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，以稱之為“熱電偶”。不同材質(zhì)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(diǎn)溫度變化1℃時(shí)，輸出電位差的變化量。對(duì)于大多數(shù)金屬材料支撐的熱電偶而言，這個(gè)數(shù)值大約在5～40mV／℃之間。

熱電偶傳感器有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號(hào)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(cè)量微小的溫度變化。由于熱電偶的靈敏度與材料的粗細(xì)無(wú)關(guān)，用非常細(xì)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(xì)微的測(cè)溫元件有的響應(yīng)速度，可以測(cè)量快速變化的過(guò)程。

（2）熱電偶的種類

常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。各種熱電偶的測(cè)量范圍和優(yōu)缺點(diǎn)：

S型熱電偶：鉑銠10-鉑熱電偶，溫度范圍0～1600℃，舊分度號(hào)LB-3。優(yōu)點(diǎn)：耐熱性、安定性、再現(xiàn)性良好及較的度；耐氧化、耐腐濁性良好；可以做為標(biāo)準(zhǔn)使用。缺點(diǎn)：熱電動(dòng)勢(shì)值小；在還元性氣體環(huán)境較脆弱（特別是氫、金屬蒸氣）；補(bǔ)償導(dǎo)線誤差大；價(jià)格高昂。

R型熱電偶：鉑銠13-鉑熱電偶，溫度范圍0～1600℃。優(yōu)點(diǎn)：耐熱性、安定性、再現(xiàn)性良好及較的度；耐氧化、耐腐濁性良好；可以做為標(biāo)準(zhǔn)使用。缺點(diǎn)：熱電動(dòng)勢(shì)值小；在還元性氣體環(huán)境較脆弱（特別是氫、金屬蒸氣）；補(bǔ)償導(dǎo)線誤差大；價(jià)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(hào)LL-2，自由端在0～50℃內(nèi)可以不用補(bǔ)償導(dǎo)線。優(yōu)點(diǎn)：適用1000℃以上至1800℃；在常溫環(huán)境下熱電動(dòng)勢(shì)非常小，不需補(bǔ)償導(dǎo)線；耐氧化、耐腐濁性良好；耐熱性與機(jī)械強(qiáng)度較R型優(yōu)良。缺點(diǎn)：在中低溫域之熱電動(dòng)勢(shì)極小，600℃以下測(cè)定溫度不準(zhǔn)確；熱電動(dòng)勢(shì)值小；熱電動(dòng)勢(shì)之直線性不佳；價(jià)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(yōu)點(diǎn)：熱電動(dòng)勢(shì)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(diǎn)：不適用于還元性氣體環(huán)境，特別是一氧化碳、二氧化硫、硫化氫等氣體；熱電動(dòng)勢(shì)與貴金屬熱電偶相比較經(jīng)時(shí)變化較大；受短范圍排序之影響會(huì)產(chǎn)生誤差。

N型熱電偶：鎳鉻硅--鎳硅熱電偶，溫度范圍-270～1300℃。優(yōu)點(diǎn)：熱電動(dòng)勢(shì)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(diǎn)：不適用于還元性氣體環(huán)境；熱電動(dòng)勢(shì)與貴金屬熱電偶相比較經(jīng)時(shí)變化較大。

E型熱電偶：鎳鉻硅-康銅熱電偶，溫度范圍-270～1000℃。優(yōu)點(diǎn)：現(xiàn)有熱電偶中感度佳者；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(huán)境；價(jià)格低廉。缺點(diǎn)：不適用于還元性氣體環(huán)境；稍具履歷現(xiàn)象。

J型熱電偶：鐵--康銅熱電偶，溫度范圍-210～1200℃。優(yōu)點(diǎn)：可使用于還元性氣體環(huán)境；熱電動(dòng)勢(shì)較K熱電偶大20%；價(jià)格較便宜，適用于中溫區(qū)域。缺點(diǎn)：(＋)腳易生銹；再現(xiàn)性不佳。

T型熱電偶：銅-康銅熱電偶，溫度范圍-270～400℃。優(yōu)點(diǎn)：熱電動(dòng)勢(shì)之直線性良好；低溫之特性良好；再現(xiàn)性良好、高精度；可使用于還元性氣體環(huán)境。缺點(diǎn)：使用溫度限度低；(＋)腳之銅易氧化；熱傳導(dǎo)誤差大。

（3）熱電偶的結(jié)構(gòu)形成

熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對(duì)它的結(jié)構(gòu)要求如下：

①組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固；

②兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；

③補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；

④保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。

（4）熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償

熱電偶自由端溫度為0℃，由熱電偶測(cè)溫原理知道，只有當(dāng)熱電偶冷端溫度保持不變時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)才是被測(cè)溫度的單位函數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，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(huán)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(jìn)行冷端溫度補(bǔ)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(shí)），而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動(dòng)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(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法來(lái)補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。

在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能過(guò)100℃。

3、IC集成溫度傳感器

全數(shù)字化讀取，必須配合單片機(jī)使用，可以連接成網(wǎng)絡(luò)使用，三線即可讀取溫度，電源、地、數(shù)據(jù)。

4、三極管有時(shí)在要求不高時(shí)也可當(dāng)溫度傳感器使用，但是它線性不是很好，由于其價(jià)格低，在多種場(chǎng)合還是被采納。

二、非接觸式溫度傳感器的敏感元件與被測(cè)對(duì)象互不接觸，又稱非接觸式測(cè)溫儀表。

這種儀表可用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對(duì)象的表面溫度，也可用于測(cè)量溫度場(chǎng)的溫度分布。常用的非接觸式測(cè)溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測(cè)溫儀表。輻射測(cè)溫法包括亮度法（見光學(xué)高溫計(jì)）、輻射法（見輻射高溫計(jì)）和比色法（見比色溫度計(jì)）。各類輻射測(cè)溫方法只能測(cè)出對(duì)應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對(duì)黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）測(cè)溫度才是真實(shí)溫度。如欲測(cè)定物體的真實(shí)溫度，則必須進(jìn)行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和波長(zhǎng)，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關(guān)，因此很難測(cè)量。在自動(dòng)化生產(chǎn)中往往需要利用輻射測(cè)溫法來(lái)測(cè)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(fā)射率的測(cè)量是相當(dāng)困難的。對(duì)于固體表面溫度自動(dòng)測(cè)量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測(cè)表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測(cè)表面的有效輻射和有效發(fā)射系數(shù)。利用有效發(fā)射系數(shù)通過(guò)儀表對(duì)實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行相應(yīng)的修正，終可得到被測(cè)表面的真實(shí)溫度。為典型的附加反射鏡是半球反射鏡。球中心附近被測(cè)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(fā)射系數(shù)。至于氣體和液體介質(zhì)真實(shí)溫度的輻射測(cè)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(guò)計(jì)算求出與介質(zhì)達(dá)到熱平衡后的圓筒空腔的有效發(fā)射系數(shù)。在自動(dòng)測(cè)量和控制中就可以用此值對(duì)測(cè)腔底溫度（即介質(zhì)溫度）進(jìn)行修正而得到介質(zhì)的真實(shí)溫度。

非接觸測(cè)溫優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對(duì)高可測(cè)溫度原則上沒有限制。對(duì)于1800℃以上的高溫，主要采用非接觸測(cè)溫方法。隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，輻射測(cè)溫逐漸由可見光向紅外線擴(kuò)展，700℃以下直至常溫都已采用，且分辨率很高。