溫度傳感器

朱曉旭 周修文

（北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院 100083）

1 溫度傳感器的現(xiàn)狀

隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的日漸普及，全球傳感器市場(chǎng)在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。傳感器種類繁多、功能各異，是信息產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)元件。據(jù)INTECHNO咨詢公司統(tǒng)計(jì)，2008年全球傳感器市場(chǎng)規(guī)模突破506億美元并繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2012年可超過600億美元。其中，溫度傳感器已表現(xiàn)出日漸成熟的特征，占到整個(gè)傳感器市場(chǎng)的14%。據(jù)專家統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2009年溫度傳感器市場(chǎng)規(guī)模已超過50億元，市場(chǎng)份額大大超過了其他傳感器，廣泛應(yīng)用在航天、軍工、家電、汽車電子、IT、醫(yī)療和特種設(shè)備等方面。

2 溫度傳感器的分類

溫度是與人類的生活和工作關(guān)系最密切的也是各學(xué)科與工程研究設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到和必須精確測(cè)定的物理量。溫度測(cè)量必須用溫度傳感器實(shí)現(xiàn)。溫度傳感器按照測(cè)量方式一般分為接觸式和非接觸式。

2.1 接觸式溫度傳感器

接觸式的檢測(cè)部分與被測(cè)對(duì)象有良好的接觸，又稱溫度計(jì)。在一定的溫度內(nèi)，它甚至能夠測(cè)量出物體內(nèi)部的溫度的分部情況。測(cè)量精度比較高，但若測(cè)量運(yùn)動(dòng)的、熱容量很小的物體或者小目標(biāo)，測(cè)量結(jié)果會(huì)有比較大的誤差。

2.1.1 熱電偶

1）基本原理和應(yīng)用原理

兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。 熱電偶溫度傳感器是基于熱電效應(yīng)原理的測(cè)溫傳感器，當(dāng)兩個(gè)電極組成一個(gè)閉合回路，只要兩結(jié)點(diǎn)溫度不同，回路中就有熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的[2]。

熱電偶，因直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響，測(cè)量精度高；常用的溫度傳感器熱電偶從-50~+1600℃均可邊續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-269℃(金鐵鎳鉻)，最高可達(dá)+2800℃(鎢錸)。

2）熱電偶的結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)

熱電阻一般由敏感元件、內(nèi)引線、外引線、絕緣套管、外保護(hù)套管以及接線盒等幾部分組成。與熱電偶相比，其優(yōu)點(diǎn)是不需冷端溫度補(bǔ)償，但制作工藝比熱電偶復(fù)雜。

工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)熱電阻與控制室之間存在一定距離，所以需要有引線，而引線對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大的影響。二線制測(cè)量精度較低，一般采用三線制和四線制。三線制通過與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，四線制可以完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測(cè)[3]。

為了保護(hù)溫度傳感器感溫元件，使其不與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，避免或減少有害介質(zhì)的侵蝕，火焰和氣流的沖刷輻射以及機(jī)械損傷，通常采用保護(hù)管，保護(hù)管同時(shí)還起著固定和支撐傳感器感溫元件的作用。在我國(guó)輕微腐蝕和一般工業(yè)應(yīng)用中，304、316、321不銹鋼是最常用的保護(hù)管。

對(duì)于需要精確測(cè)量的場(chǎng)合，需選用響應(yīng)速度更快的傳感器。影響響應(yīng)時(shí)間的因素與保護(hù)管材料、直徑、厚度密切相關(guān)，而且還與其結(jié)構(gòu)形式、安裝方法、置入深度以及被測(cè)介質(zhì)流速、種類有關(guān)。一般保護(hù)管直徑2mm，需要2s的熱響應(yīng)時(shí)間，而當(dāng)保護(hù)管直徑達(dá)8mm甚至更長(zhǎng)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間會(huì)達(dá)到30s。所以選用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理確定相關(guān)參數(shù)。

2.1.2 熱電阻

1）基本原理和應(yīng)用原理

熱電阻溫度傳感器是利用純金屬、合金和半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度變化的特性，對(duì)溫度和溫度有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的裝置。

最常見的熱電阻是鉑電阻和銅電阻，鉑電阻與溫度之間的關(guān)系在-200～630.74℃范圍內(nèi)接近于線性。鉑電阻具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，通常用作標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，它的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)性可達(dá)到10-4K。在測(cè)溫精度要求不高，且測(cè)溫范圍比較小的情況下，可采用銅電阻做成熱電阻材料代替鉑電阻。在-50～150℃的溫度范圍內(nèi)，銅電阻與溫度成線性關(guān)系。銅熱電阻和鉑電阻相比具有溫度系數(shù)大價(jià)格低，而且易于提純等優(yōu)點(diǎn)，但存在電阻率小，熱慣性也大，機(jī)械強(qiáng)度差等缺點(diǎn)。

2）熱電阻的結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)

熱電阻一般由敏感元件、引線、絕緣套管、外保護(hù)套管以及接線盒等幾部分組成。與熱電偶相比，其優(yōu)點(diǎn)是不需冷端溫度補(bǔ)償，但制作工藝比熱電偶復(fù)雜。

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)熱電阻與控制室之間存在一定距離，需要有引線。二線制測(cè)量精度較低，一般采用三線制和四線制。三線制通過與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，四線制可以完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測(cè)[3]。

為了保護(hù)溫度傳感器感溫元件，使其不與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，避免或減少有害介質(zhì)的侵蝕通常采用保護(hù)管，其同時(shí)還起著固定和支撐傳感器感溫元件的作用。

對(duì)于需要精確測(cè)量的場(chǎng)合，需選用響應(yīng)速度更快的傳感器。影響響應(yīng)時(shí)間的因素與保護(hù)管材料、直徑、厚度密切相關(guān)。一般保護(hù)管直徑2mm，需要2s的熱響應(yīng)時(shí)間，而當(dāng)保護(hù)管直徑達(dá)8mm甚至更長(zhǎng)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間會(huì)達(dá)到30s。

3）其他接觸式溫度傳感器

熱敏電阻是一種如氧化半導(dǎo)體陶瓷那樣的電阻體，其阻值隨溫度變化非常顯著；有正溫度系數(shù)PTC和負(fù)溫度系數(shù)的NTC，還有達(dá)到一定溫度阻值急劇變化的CTR。利用阻值隨溫度變化的熱敏電阻、鉑熱電阻等是將測(cè)溫電阻構(gòu)成橋路對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，這樣可以消除由于溫度變化引起的溫漂。

另外，一些新型傳感器，例如，利用半導(dǎo)體PN結(jié)中電流/電壓特性隨溫度變化的半導(dǎo)體集成傳感器，利用光纖傳播特性隨溫度變化或半導(dǎo)體透光隨溫度變化的光纖傳感器，利用彈性表面波及振子的震蕩頻率隨溫度變化的傳感器，利用核磁共振的震蕩頻率隨溫度變化的NQR傳感器，利用在居里溫度附近磁性急劇變化的磁性溫度傳感器以及利用液晶或涂料顏色隨溫度變化的傳感器等[1]。

2.2 非接觸式溫度傳感器

敏感元件與被測(cè)對(duì)象互不接觸。測(cè)運(yùn)動(dòng)物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度瞬變對(duì)象的表面溫度，它不會(huì)破壞溫度場(chǎng)的溫度，用于測(cè)量溫度場(chǎng)的溫度分布。

2.2.1 輻射溫度計(jì)

最常用的非接觸式測(cè)溫儀表基于黑體輻射的基本定律。自然界中任何物體只要其溫度在絕對(duì)零點(diǎn)以上，就會(huì)不斷地向周圍空間輻射能量。溫度越高，輻射能量就越多。任何物體又都能對(duì)輻射能量進(jìn)行吸收、透射或反射。掌握了這些對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以知道物體的溫度，輻射式就是基于這一原理研制而成的。

輻射測(cè)溫法包括亮度法、幅射法和比色法。相應(yīng)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，則必須進(jìn)行材料表面發(fā)射率的修正。

熱輻射能探測(cè)器不必達(dá)到與被測(cè)對(duì)象同樣的溫度，測(cè)溫上限不受傳感器材料熔點(diǎn)的限制；屬于被動(dòng)式溫度測(cè)量；檢測(cè)時(shí)傳感器不必和被測(cè)對(duì)象達(dá)到熱平衡，響應(yīng)時(shí)間短，檢測(cè)速度快，適于快速測(cè)溫。測(cè)量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對(duì)最高可測(cè)溫度原則上沒有限制，可達(dá)到2500℃以上[4]。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。

[1] 何希才.傳感器技術(shù)與應(yīng)用.北京：北京航天航空大學(xué),2005.4

[2] 孟立凡,藍(lán)金輝.傳感器原理與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社,2007.8:130

[3] 高震,李丞.民營(yíng)科技——漫談溫度傳感器,2011年第12期

[4] 楊挺.淺談溫度傳感器的種類與工作特性.航空兵器,1997.第2期.