溫度傳感器
一、簡(jiǎn)介
溫度傳感器是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。溫度傳感器是溫度測(cè)量儀表的核心部分，品種繁多。
二、主要分類
1、接觸式
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)量范圍內(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，常用的溫度計(jì)有雙金屬溫度計(jì)、玻璃液體溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、熱敏電阻和溫差電偶等。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)在國防工程、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)用和超導(dǎo)技術(shù)的研究，測(cè)量120K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)、蒸氣壓溫度計(jì)、聲學(xué)溫度計(jì)、順磁鹽溫度計(jì)、量子溫度計(jì)、低溫?zé)犭娮韬偷蜏販夭顭犭娕嫉?。低溫溫度?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少杰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1.6-300K范圍內(nèi)的溫度。
2、非接觸式
它的敏感元件與被測(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）所測(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，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關(guān)，因此很難準(zhǔn)確測(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)式中ε為材料表面發(fā)射率，ρ為反射鏡的反射率。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)所測(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。
三、工作原理
1、金屬膨脹原理設(shè)計(jì)的傳感器
金屬在環(huán)境溫度變化后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的延伸，因此傳感器可以以不同方式對(duì)這種反應(yīng)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。
2、雙金屬片式傳感器
雙金屬片由兩片不同膨脹系數(shù)的金屬貼在一起而組成，隨著溫度變化，材料A比另外一種金屬膨脹程度要高，引起金屬片彎曲。彎曲的曲率可以轉(zhuǎn)換成一個(gè)輸出信號(hào)。
3、雙金屬桿和金屬管傳感器
隨著溫度升高，金屬管（材料A）長度增加，而不膨脹鋼桿（金屬B）的長度并不增加，這樣由于位置的改變，金屬管的線性膨脹就可以進(jìn)行傳遞。反過來，這種線性膨脹可以轉(zhuǎn)換成一個(gè)輸出信號(hào)。
4、液體和氣體的變形曲線設(shè)計(jì)的傳感器
在溫度變化時(shí)，液體和氣體同樣會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生體積的變化。
多種類型的結(jié)構(gòu)可以把這種膨脹的變化轉(zhuǎn)換成位置的變化，這樣產(chǎn)生位置的變化輸出（電位計(jì)、感應(yīng)偏差、擋流板等等）。
電阻傳感
金屬隨著溫度變化，其電阻值也發(fā)生變化。
對(duì)于不同金屬來說，溫度每變化一度，電阻值變化是不同的，而電阻值又可以直接作為輸出信號(hào)。
電阻共有兩種變化類型
正溫度系數(shù)
溫度升高 = 阻值增加
溫度降低 = 阻值減少
負(fù)溫度系數(shù)
溫度升高 = 阻值減少
溫度降低 = 阻值增加
熱電偶傳感
熱電偶由兩個(gè)不同材料的金屬線組成，在末端焊接在一起。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。由于它須***有兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，所以稱之為熱電偶。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5～40微伏/℃之間。
由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無關(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)量快速變化的過程。
四、挑選方法
如果要進(jìn)行可靠的溫度測(cè)量，首先就需要選擇正確的溫度儀表，也就是溫度傳感器。其中熱電偶、熱敏電阻、鉑電阻(RTD)和溫度IC都是測(cè)試中***常用的溫度傳感器。
以下是對(duì)熱電偶和熱敏電阻兩種溫度儀表的特點(diǎn)介紹。
1、熱電偶
熱電偶是溫度測(cè)量中***常用的溫度傳感器。其主要好處是寬溫度范圍和適應(yīng)各種大氣環(huán)境，而且結(jié)實(shí)、價(jià)低，無需供電，也是***便宜的。熱電偶由在一端連接的兩條不同金屬線(金屬A和金屬B)構(gòu)成，當(dāng)熱電偶一端受熱時(shí)，熱電偶電路中就有電勢(shì)差。可用測(cè)量的電勢(shì)差來計(jì)算溫度。
不過，電壓和溫度間是非線性關(guān)系，溫度由于電壓和溫度是非線性關(guān)系，因此需要為參考溫度(Tref)作第二次測(cè)量，并利用測(cè)試設(shè)備軟件或硬件在儀器內(nèi)部處理電壓-溫度變換，以***終獲得熱偶溫度(Tx)。Agilent34970A和34980A數(shù)據(jù)采集器均有內(nèi)置的測(cè)量了運(yùn)算能力。
簡(jiǎn)而言之，熱電偶是***簡(jiǎn)單和***通用的溫度傳感器，但熱電偶并不適合高精度的的測(cè)量和應(yīng)用。
2、熱敏電阻
熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料， 大多為負(fù)溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。
溫度變化會(huì)造成大的阻值改變，因此它是***靈敏的溫度傳感器。但熱敏電阻的線性度極差，并且與生產(chǎn)工藝有很大關(guān)系。制造商給不出標(biāo)準(zhǔn)化的熱敏電阻曲線。
熱敏電阻體積非常小，對(duì)溫度變化的響應(yīng)也快。但熱敏電阻需要使用電流源，小尺寸也使它對(duì)自熱誤差極為敏感。
熱敏電阻在兩條線上測(cè)量的是******溫度， 有較好的精度，但它比熱偶貴， 可測(cè)溫度范圍也小于熱偶。一種常用熱敏電阻在25℃時(shí)的阻值為5kΩ，每1℃的溫度改變?cè)斐?00Ω的電阻變化。注意10Ω的引線電阻僅造成可忽略的 0.05℃誤差。它非常適合需要進(jìn)行快速和靈敏溫度測(cè)量的電流控制應(yīng)用。尺寸小對(duì)于有空間要求的應(yīng)用是有利的，但須***注意防止自熱誤差。
熱敏電阻還有其自身的測(cè)量技巧。熱敏電阻體積小是優(yōu)點(diǎn)，它能很快穩(wěn)定，不會(huì)造成熱負(fù)載。不過也因此很不結(jié)實(shí)，大電流會(huì)造成自熱。由于熱敏電阻是一種電阻性器件，任何電流源都會(huì)在其上因功率而造成發(fā)熱。功率等于電流平方與電阻的積。因此要使用小的電流源。如果熱敏電阻暴露在高熱中，將導(dǎo)致長久性的損壞。
選用注意：
1、被測(cè)對(duì)象的溫度是否需記錄、報(bào)警和自動(dòng)控制，是否需要遠(yuǎn)距離測(cè)量和傳送；
2、測(cè)溫范圍的大小和精度要求；
3、測(cè)溫元件大小是否適當(dāng)；
4、在被測(cè)對(duì)象溫度隨時(shí)間變化的場(chǎng)合，測(cè)溫元件的滯后能否適應(yīng)測(cè)溫要求；
5、被測(cè)對(duì)象的環(huán)境條件對(duì)測(cè)溫元件是否有損害；
6、價(jià)格如保，使用是否方便。
五、技術(shù)參數(shù)
1、測(cè)量準(zhǔn)確度：0.01級(jí);分辨率0.1uV和0.1mΩ；
2、掃描開關(guān)寄生電勢(shì)：≤0.4μV；
3、溫度范圍： 水槽：(室溫+5~95)℃ 油槽：(95 ~ 300)℃ 低溫恒溫槽：(-80 ~ 100)℃ 高溫爐：(300~1200)℃；
4、控溫穩(wěn)定度：優(yōu)于0.01℃/10min(油槽、水槽、低溫恒溫槽);0.2℃/min(管式檢定爐)；
5、總不確定度：熱電偶檢定，測(cè)量不確定度優(yōu)于0.7℃，重復(fù)性誤差<0.25℃;熱電阻檢定測(cè)量不確定度優(yōu)于50mk，重復(fù)性誤差<10mk；
6、檢定數(shù)量：一次可同時(shí)檢熱電偶(1-8)支，一次可同時(shí)檢同線制熱電阻(1-7)支；
7、工作電源：AC220V±10%，50Hz，并有良好保護(hù)接地；
8、高溫爐功率：約2KW；
9、恒溫槽功率：約2KW；
10、微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)功率：<500。
溫度傳感器檢定裝置功能和特點(diǎn)：
1、檢定K、E、J、N、B、S、R、T等多種型號(hào)的工作用熱電偶；
2、檢定Pt100、Pt10、Cu50、Cu100等各種工作用熱電阻，玻璃液體溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、雙金屬溫度計(jì)；
3、多路低電勢(shì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，寄生電勢(shì)≤0.4μV；
4、控制1-4臺(tái)高溫爐；
5、溫場(chǎng)測(cè)試：可進(jìn)行檢定爐、油槽、水槽、低溫恒溫槽的溫場(chǎng)測(cè)試；
6、線制轉(zhuǎn)換：可進(jìn)行二線制、三線制、四線制電阻檢定；
7、軟件具有比對(duì)實(shí)驗(yàn)、重復(fù)性實(shí)驗(yàn)、溫場(chǎng)實(shí)驗(yàn)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)功能；
8、在Windows2000/XP以上平臺(tái)，全中文界面，標(biāo)準(zhǔn)Windows操作系統(tǒng)，方便快捷?？蓪?shí)現(xiàn)：
1）設(shè)備自檢、查線；
2）屏幕顯示并保存控溫曲線≤0.4μV；
3）檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集；
4）自動(dòng)生成符合要求的檢定記錄；
5）自動(dòng)保存檢定結(jié)果，且不可人工更改；
6）查詢各種熱電偶、熱電阻分度表及其它幫助；
7）熱電偶、熱電阻所有歷史檢定數(shù)據(jù)、控溫曲線查詢 統(tǒng)計(jì)及計(jì)量的智能化管理功能。
六、主要用途
溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一個(gè)很重要而普遍的測(cè)量參數(shù)。溫度的測(cè)量及控制對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到非常重要的作用。由于溫度測(cè)量的普遍性，溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中居******，約占50%。
溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接測(cè)量的。不少材料、元件的特性都隨溫度的變化而變化，所以能作溫度傳感器的材料相當(dāng)多。溫度傳感器隨溫度而引起物理參數(shù)變化的有：膨脹、電阻、電容、而電動(dòng)勢(shì)、磁性能、頻率、光學(xué)特性及熱噪聲等等。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，新型溫度傳感器還會(huì)不斷涌現(xiàn)。
由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫度測(cè)量的范圍極寬，從零下幾百度到零上幾千度，而各種材料做成的溫度傳感器只能在一定的溫度范圍內(nèi)使用。
溫度傳感器與被測(cè)介質(zhì)的接觸方式分為兩大類：接觸式和非接觸式。接觸式溫度傳感器需要與被測(cè)介質(zhì)保持熱接觸，使兩者進(jìn)行充分的熱交換而達(dá)到同一溫度。這一類傳感器主要有電阻式、熱電偶、PN結(jié)溫度傳感器等。非接觸式溫度傳感器無需與被測(cè)介質(zhì)接觸，而是通過被測(cè)介質(zhì)的熱輻射或?qū)α鱾鞯綔囟葌鞲衅?，以達(dá)到測(cè)溫的目的。這一類傳感器主要有紅外測(cè)溫傳感器。這種測(cè)溫方法的主要特點(diǎn)是可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)物質(zhì)的溫度（如慢速行使的火車的軸承溫度，旋轉(zhuǎn)著的水泥窯的溫度）及熱容量小的物體（如集成電路中的溫度分布）。
七、應(yīng)用領(lǐng)域
溫度傳感器是***早開發(fā)，應(yīng)用***廣的一類傳感器。溫度傳感器的市場(chǎng)份額大大超過了其他的傳感器。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)溫度傳感器和集成溫度傳感器。
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)，如果準(zhǔn)確測(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。由于它須***有兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，所以稱之為“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 溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無關(guān)
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