溫度傳感器

朱曉旭 周修文

（北京林業大學理學院 100083）

1 溫度傳感器的現狀

隨著物聯網概念的日漸普及，全球傳感器市場在不斷變化的創新之中呈現出快速增長的趨勢。傳感器種類繁多、功能各異，是信息產業的重要基礎元件。據INTECHNO咨詢公司統計，2008年全球傳感器市場規模突破506億美元并繼續保持快速增長，預計2012年可超過600億美元。其中，溫度傳感器已表現出日漸成熟的特征，占到整個傳感器市場的14%。據專家統計，我國2009年溫度傳感器市場規模已超過50億元，市場份額大大超過了其他傳感器，廣泛應用在航天、軍工、家電、汽車電子、IT、醫療和特種設備等方面。

2 溫度傳感器的分類

溫度是與人類的生活和工作關系最密切的也是各學科與工程研究設計中經常遇到和必須精確測定的物理量。溫度測量必須用溫度傳感器實現。溫度傳感器按照測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

接觸式的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計。在一定的溫度內，它甚至能夠測量出物體內部的溫度的分部情況。測量精度比較高，但若測量運動的、熱容量很小的物體或者小目標，測量結果會有比較大的誤差。

2.1.1 熱電偶

1）基本原理和應用原理

兩種不同導體或半導體的組合稱為熱電偶。 熱電偶溫度傳感器是基于熱電效應原理的測溫傳感器，當兩個電極組成一個閉合回路，只要兩結點溫度不同，回路中就有熱電動勢產生。熱電偶就是利用這一效應來工作的[2]。

熱電偶，因直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響，測量精度高；常用的溫度傳感器熱電偶從-50~+1600℃均可邊續測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃(金鐵鎳鉻)，最高可達+2800℃(鎢錸)。

2）熱電偶的結構及技術特點

熱電阻一般由敏感元件、內引線、外引線、絕緣套管、外保護套管以及接線盒等幾部分組成。與熱電偶相比，其優點是不需冷端溫度補償，但制作工藝比熱電偶復雜。

工業生產現場熱電阻與控制室之間存在一定距離，所以需要有引線，而引線對測量結果有較大的影響。二線制測量精度較低，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[3]。

為了保護溫度傳感器感溫元件，使其不與被測介質直接接觸，避免或減少有害介質的侵蝕，火焰和氣流的沖刷輻射以及機械損傷，通常采用保護管，保護管同時還起著固定和支撐傳感器感溫元件的作用。在我國輕微腐蝕和一般工業應用中，304、316、321不銹鋼是最常用的保護管。

對于需要精確測量的場合，需選用響應速度更快的傳感器。影響響應時間的因素與保護管材料、直徑、厚度密切相關，而且還與其結構形式、安裝方法、置入深度以及被測介質流速、種類有關。一般保護管直徑2mm，需要2s的熱響應時間，而當保護管直徑達8mm甚至更長時，響應時間會達到30s。所以選用時應根據實際情況合理確定相關參數。

2.1.2 熱電阻

1）基本原理和應用原理

熱電阻溫度傳感器是利用純金屬、合金和半導體材料的電阻隨溫度變化的特性，對溫度和溫度有關的參數進行檢測的裝置。

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系在-200～630.74℃范圍內接近于線性。鉑電阻具有穩定的物理化學性質，通常用作標準溫度計，它的長時間穩定復現性可達到10-4K。在測溫精度要求不高，且測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，銅電阻與溫度成線性關系。銅熱電阻和鉑電阻相比具有溫度系數大價格低，而且易于提純等優點，但存在電阻率小，熱慣性也大，機械強度差等缺點。

2）熱電阻的結構及技術特點

熱電阻一般由敏感元件、引線、絕緣套管、外保護套管以及接線盒等幾部分組成。與熱電偶相比，其優點是不需冷端溫度補償，但制作工藝比熱電偶復雜。

生產現場熱電阻與控制室之間存在一定距離，需要有引線。二線制測量精度較低，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[3]。

為了保護溫度傳感器感溫元件，使其不與被測介質直接接觸，避免或減少有害介質的侵蝕通常采用保護管，其同時還起著固定和支撐傳感器感溫元件的作用。

對于需要精確測量的場合，需選用響應速度更快的傳感器。影響響應時間的因素與保護管材料、直徑、厚度密切相關。一般保護管直徑2mm，需要2s的熱響應時間，而當保護管直徑達8mm甚至更長時，響應時間會達到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PTC和負溫度系數的NTC，還有達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、鉑熱電阻等是將測溫電阻構成橋路對溫度進行測量，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，利用半導體PN結中電流/電壓特性隨溫度變化的半導體集成傳感器，利用光纖傳播特性隨溫度變化或半導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

敏感元件與被測對象互不接觸。測運動物體、小目標和熱容量小或溫度瞬變對象的表面溫度，它不會破壞溫度場的溫度，用于測量溫度場的溫度分布。

2.2.1 輻射溫度計

最常用的非接觸式測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零點以上，就會不斷地向周圍空間輻射能量。溫度越高，輻射能量就越多。任何物體又都能對輻射能量進行吸收、透射或反射。掌握了這些對應關系，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。

輻射測溫法包括亮度法、幅射法和比色法。相應只能測出對應的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度，則必須進行材料表面發射率的修正。

熱輻射能探測器不必達到與被測對象同樣的溫度，測溫上限不受傳感器材料熔點的限制；屬于被動式溫度測量；檢測時傳感器不必和被測對象達到熱平衡，響應時間短，檢測速度快，適于快速測溫。測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對最高可測溫度原則上沒有限制，可達到2500℃以上[4]。隨著紅外技術的發展，輻射測溫逐漸由可見光向紅外線擴展，700 ℃以下直至常溫都已采用，且分辨率很高。

[1] 何希才.傳感器技術與應用.北京：北京航天航空大學,2005.4

[2] 孟立凡,藍金輝.傳感器原理與應用.北京：電子工業出版社,2007.8:130

[3] 高震,李丞.民營科技——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.