温度传感器原理与应用知识
温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和IC集成温度传感器等接触式温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器等非接触式温度传感器。
一、接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。
温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差。
它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量-153℃以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量-271.4℃～27℃范围内的温度。
温度计常用的有：
1、热电阻
根据电阻的温度效应而制，有随温度升高而变大的是正温度系数，也有随温度升高而减小的是负温度系数，使用时取其分压放大后AD转换即可。
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。
（1）热电阻测温原理及材料
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻。各种热电阻的测量范围和优缺点：
PT100/ PT1000型热电阻：铂电阻，温度范围-200～850℃。PT100（或PT1000）即0度时阻值为100欧姆（或1000欧姆），根据测量的精度选择。金属铂材料的优点是化学稳定性好、能耐高温，容易制得纯铂，又因其电阻率大，可用较少材料制成电阻，此外其测温范围大。它的缺点是：在还原介质中，特别是在高温下很容易被从氧化物中还原出来的蒸汽所沾污，使铂丝变脆，并改变电阻与温度之间的关系。
CU50型热电阻：铜电阻，温度范围-50～150℃。铜热电阻的价格便宜，线件度好，工业上在-50～+150℃范围内使用较多。铜热电阻怕潮湿，易被腐蚀，熔点亦低。
（2）热电阻的结构
精通型热电阻：从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制。
铠装热电阻：由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为φ2~φ8mm，最小可达φmm。与普通型热电阻相比，它有下列优点：①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击；③能弯曲，便于安装④使用寿命长。
端面热电阻：感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。
隔爆型热电阻：通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型热电阻可用于Bla~B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。
（3）热电阻测温系统的组成
热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点：
①热电阻和显示仪表的分度号必须一致
②为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。
2、热电偶
利用不同金属的热效应，产生电势差，其温度范围很宽，一般用来测量几百度的温度。
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：
①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。
②测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。
③构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。
（1）热电偶测温基本原理
两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为“热电偶”。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40mV／℃之间。
热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。
（2）热电偶的种类
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。各种热电偶的测量范围和优缺点：
S型热电偶：铂铑10-铂热电偶，温度范围0～1600℃，旧分度号LB-3。优点：耐热性、安定性、再现性良好及较优越的精确度；耐氧化、耐腐浊性良好；可以做为标准使用。缺点：热电动势值小；在还元性气体环境较脆弱（特别是氢、金属蒸气）；补偿导线误差大；价格高昂。
R型热电偶：铂铑13-铂热电偶，温度范围0～1600℃。优点：耐热性、安定性、再现性良好及较优越的精确度；耐氧化、耐腐浊性良好；可以做为标准使用。缺点：热电动势值小；在还元性气体环境较脆弱（特别是氢、金属蒸气）；补偿导线误差大；价格高昂。
B型热电偶：铂铑30-铂铑6热电偶，温度范围600～1800℃，旧分度号LL-2，自由端在0～50℃内可以不用补偿导线。优点：适用1000℃以上至1800℃；在常温环境下热电动势非常小，不需补偿导线；耐氧化、耐腐浊性良好；耐热性与机械强度较R型优良。缺点：在中低温域之热电动势极小，600℃以下测定温度不准确；热电动势值小；热电动势之直线性不佳；价格高昂。
K型热电偶：镍铬-镍硅热电偶、镍铬-镍铝热电偶，温度范围-200～1300℃。优点：热电动势之直线性良好；1000℃以下耐氧化性良好；在金属热电偶中安定性属良好。缺点：不适用于还元性气体环境，特别是一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气体；热电动势与贵金属热电偶相比较经时变化较大；受短范围排序之影响会产生误差。
N型热电偶：镍铬硅--镍硅热电偶，温度范围-270～1300℃。优点：热电动势之直线性良好；1200℃以下耐氧化性良好；为K型之改良型，受GreenRot之影响较小，耐热温度较K型高。缺点：不适用于还元性气体环境；热电动势与贵金属热电偶相比较经时变化较大。
E型热电偶：镍铬硅-康铜热电偶，温度范围-270～1000℃。优点：现有热电偶中感度最佳者；与J热电偶相比耐热性良好；两脚不具磁性；适于氧化性气体环境；价格低廉。缺点：不适用于还元性气体环境；稍具履历现象。
J型热电偶：铁--康铜热电偶，温度范围-210～1200℃。优点：可使用于还元性气体环境；热电动势较K热电偶大20%；价格较便宜，适用于中温区域。缺点：(＋)脚易生锈；再现性不佳。
T型热电偶：铜-康铜热电偶，温度范围-270～400℃。优点：热电动势之直线性良好；低温之特性良好；再现性良好、高精度；可使用于还元性气体环境。缺点：使用温度限度低；(＋)脚之铜易氧化；热传导误差大。
（3）热电偶的结构形成
热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：
①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；
②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；
③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；
④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
（4）热电偶冷端的温度补偿
热电偶自由端温度为0℃，由热电偶测温原理知道，只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电动势才是被测温度的单位函数。在实际应用时，由于热电偶的冷端离热端很近，冷瑞又暴露在空间，容易受到周围环境温度变化的影响，因而冲端温度难以保持恒定。为此必须进行冷端温度补偿处理。
由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。
在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。
3、IC集成温度传感器
全数字化读取，必须配合单片机使用，可以连接成网络使用，三线即可读取温度，电源、地、数据。
4、三极管有时在要求不高时也可当温度传感器使用，但是它线性不是很好，由于其价格低，在多种场合还是被采纳。
二、非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。
这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，从而提高有效发射系数。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。
非接触测温优点：测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800℃以上的高温，主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展，辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展，700℃以下直至常温都已采用，且分辨率很高。
