溫度傳感器的特性與分類以及結(jié)構(gòu)詳解

　　前言：溫度壓力傳感器是由溫度敏感元件和檢測線路組成的。溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類，前者是讓溫度傳感器直接與待測物體接觸，來敏感被測物體溫度的變化，而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距離，檢測從待測物體放射出的紅外線，從而達(dá)到測溫的目的。

　　傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻、熱敏電阻及半導(dǎo)體溫度傳感器都是將溫度值經(jīng)過一定的接口電路轉(zhuǎn)換后輸出模擬電壓或電流信號，利用這些電壓或電流信號即可進(jìn)行測量控制。而將模擬溫度傳感器與數(shù)字轉(zhuǎn)換接口電路集成在一起，就成為具有數(shù)字輸出能力的數(shù)字溫度傳感器。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體溫度傳感器與相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路、接口電路以及各種其它功能電路逐漸集成在一起，形成了功能強(qiáng)大、精確、價廉的數(shù)字溫度傳感器。

　　溫度傳感器的特性

　　溫度傳感器是檢測溫度的器件，被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，其種類多，發(fā)展快．溫度傳感器一般分為接觸式和非接觸式兩大類．所謂接觸式就是傳感器直接與被測物體接觸進(jìn)行溫度測量，這是溫度測量的基本形式．而非接觸式是測量物體熱輻射而發(fā)出的紅外線從而測量物體的溫度，可進(jìn)行遙測，這是接觸方式所做不到的． 接觸式溫度傳感器有熱電偶、熱敏電阻以及鉑電阻等，利用其產(chǎn)生的熱電動勢或電阻隨溫度變化的特性來測量物體的溫度，被廣泛用于家用電器、汽車、船舶、控制設(shè)備、工業(yè)測量、通信設(shè)備等．另外，還有一些新開發(fā)研制的傳感器，例如，有利用半導(dǎo)體PN 結(jié)電流/電壓特性隨溫度變化的半導(dǎo)體集成傳感器；有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；有利用彈性表面波及振子的振蕩頻率隨溫度變化的傳感器；有利用核四重共振的振蕩頻率隨溫度變化的NQR 傳感器；有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． 非接觸方式是通過檢測光傳感器中紅外線來測量物體的溫度，有利用半導(dǎo)體吸收光而使電子遷移的量子型與吸收光而引起溫度變化的熱型傳感器．非接觸傳感器廣泛用于接觸溫度傳感器、輻射溫度計、報警裝置、來客告知器、火災(zāi)報警器、自動門、氣體分析儀、分光光度計、資源探測等． 公司專業(yè)生產(chǎn)各種溫度傳感器系列：熱電偶、熱電阻、雙金屬溫度計、溫度變送器系列等，歡迎客戶前來選型。溫度傳感器原理

　　一、溫度傳感器熱電偶的應(yīng)用原理

　　溫度傳感器熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點是：

　?、贉y量精度高。因溫度傳感器熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。

　?、跍y量范圍廣。常用的溫度傳感器熱電偶從-50~+1600℃均可邊續(xù)測量，某些特殊溫度傳感器熱電偶最低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800℃（如鎢-錸）。

　?、蹣?gòu)造簡單，使用方便。溫度傳感器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，用起來非常方便。

　　1．溫度傳感器熱電偶測溫基本原理　　

將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路，當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個執(zhí)著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，因而在回路中形成一個大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。溫度傳感器熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。

　　2．溫度傳感器熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)形成

　?。?）溫度傳感器熱電偶的種類

　　常用溫度傳感器熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器熱電偶兩大類。所謂標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的溫度傳感器熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化溫度傳感器熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化溫度傳感器熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標(biāo)準(zhǔn)化溫度傳感器熱電偶 我國從1988年1月1日起，溫度傳感器熱電偶和溫度傳感器熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化溫度傳感器熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型溫度傳感器熱電偶。

　?。?）溫度傳感器熱電偶的結(jié)構(gòu)形式

　　為了保證溫度傳感器熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結(jié)構(gòu)要求如下：

　?、?組成溫度傳感器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(yīng)很好地絕緣，以防短路；

　?、?補(bǔ)償導(dǎo)線與溫度傳感器熱電偶自由端的連接要方便可靠；

　?、?保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。

　　3．溫度傳感器熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償

　　由于溫度傳感器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(yuǎn)，為了節(jié)省熱 電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把溫度傳感器熱電偶的冷 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，溫度傳感器熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使溫度傳感器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(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法來補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時對測溫的影響。

　　在使用溫度傳感器熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補(bǔ)償導(dǎo)線與溫度傳感器熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。

　　二、溫度傳感器熱電阻的應(yīng)用原理

　　溫度傳感器熱電阻是中低溫區(qū)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(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。

　　1．溫度傳感器熱電阻測溫原理及材料

　　溫度傳感器熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。溫度傳感器熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造溫度傳感器熱電阻。如Omega公司的PT100溫度傳感器，就包含一個100歐姆的鉑金電阻溫度探頭。

　　2．溫度傳感器熱電阻的結(jié)構(gòu)

　?。?）精通型溫度傳感器熱電阻 工業(yè)常用溫度傳感器熱電阻感溫元件（電阻體） 從溫度傳感器熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過溫度傳感器熱電阻阻值的變化來測量的，因此，溫度傳感器熱電阻的引出線等各種導(dǎo)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一般采用三線制或四線制。

　?。?）鎧裝溫度傳感器熱電阻 鎧裝溫度傳感器熱電阻是由感溫元件（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(dá)φmm。

　　與普通型溫度傳感器熱電阻相比，它有下列優(yōu)點：①體積小，內(nèi)部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后小；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。

　?。?）端面溫度傳感器熱電阻 端面溫度傳感器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。它與一般軸向溫度傳感器熱電阻相比，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(jī)件的端面溫度。

　?。?）隔爆型溫度傳感器熱電阻 隔爆型溫度傳感器熱電阻通過特殊結(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)生的爆炸局限在接線盒內(nèi)，生產(chǎn)現(xiàn)場不會引超爆炸。隔爆型溫度傳感器熱電阻可用于Bla~B3c級區(qū)內(nèi)具有爆炸危險場所的溫度測量。

　　3．溫度傳感器熱電阻測溫系統(tǒng)的組成

　　溫度傳感器熱電阻測溫系統(tǒng)一般由溫度傳感器熱電阻、連接導(dǎo)線和顯示儀表等組成。必須注意以下兩點：

　?、贉囟葌鞲衅鳠犭娮韬惋@示儀表的分度號必須一致

　?、跒榱讼B接導(dǎo)線電阻變化的影響，必須采用三線制接法。

　　溫度傳感器的主要類型

　　溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器（RTD）和IC溫度傳感器（見下表）。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。

　　熱電偶應(yīng)用很廣泛，因為它們非常堅固而且不太貴。熱電偶有多種類型，它們覆蓋非常寬的溫度范圍，從-200℃到2000℃。它們的特點是：低靈敏度、低穩(wěn)定性、中等精度、響應(yīng)速度慢、高溫下容易老化和有漂移，以及非線性。另外，熱電偶需要外部參考端。

　　RTD精度極高且具有中等線性度。它們特別穩(wěn)定，并有許多種配置。但它們的最高工作溫度只能達(dá)到400℃左右。它們也有很大的TC，且價格昂貴（是熱電偶的4～10倍），并且需要一個外部參考源。

　　模擬輸出IC溫度傳感器具有很高的線性度 （如果配合一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器或ADC可產(chǎn)生數(shù)字輸出）、低成本、高精度（大約1［［%］］）、小尺寸和高分辨率。它們的不足之處在于溫度范圍有限（-55℃～＋150℃），并且需要一個外部參考源

　　數(shù)字輸出IC溫度傳感器帶有一個內(nèi)置參考源，它們的響應(yīng)速度也相當(dāng)慢（100 ms數(shù)量級）。雖然它們固有地會自身發(fā)熱，但可以采用自動關(guān)閉和單次轉(zhuǎn)換模式使其在需要測量之前將IC設(shè)置為低功耗狀態(tài)，從而將自身發(fā)熱降到最低。

　　與熱敏電阻、RTD和熱電偶傳感器相比，IC溫度傳感器具有很高的線性，低系統(tǒng)成本，集成復(fù)雜的功能，能夠提供一個數(shù)字輸出，并能夠在一個相當(dāng)有用的范圍內(nèi)進(jìn)行溫度測量。