溫度傳感器的特性與分類(lèi)以及結構詳解

　　前言：溫度壓力傳感器是由溫度敏感元件和檢測線(xiàn)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(lèi)，前者是讓溫度傳感器直接與待測物體接觸，來(lái)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(kāi)一定的距離，檢測從待測物體放射出的紅外線(xiàn)，從而達到測溫的目的。

　　傳統的熱電偶、熱電阻、熱敏電阻及半導體溫度傳感器都是將溫度值經(jīng)過(guò)一定的接口電路轉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字轉換接口電路集成在一起，就成為具有數字輸出能力的數字溫度傳感器。隨著(zhù)半導體技術(shù)的迅猛發(fā)展，半導體溫度傳感器與相應的轉換電路、接口電路以及各種其它功能電路逐漸集成在一起，形成了功能強大、精確、價(jià)廉的數字溫度傳感器。

　　溫度傳感器的特性

　　溫度傳感器是檢測溫度的器件，被廣泛用于工農業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，其種類(lèi)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(lèi)．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(xiàn)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(dòng)勢或電阻隨溫度變化的特性來(lái)測量物體的溫度，被廣泛用于家用電器、汽車(chē)、船舶、控制設備、工業(yè)測量、通信設備等．另外，還有一些新開(kāi)發(fā)研制的傳感器，例如，有利用半導體PN 結電流/電壓特性隨溫度變化的半導體集成傳感器；有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；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(guò)檢測光傳感器中紅外線(xiàn)來(lái)測量物體的溫度，有利用半導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(lái)客告知器、火災報警器、自動(dòng)門(mén)、氣體分析儀、分光光度計、資源探測等． 公司專(zhuān)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(hù)前來(lái)選型。溫度傳感器原理

　　一、溫度傳感器熱電偶的應用原理

　　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(diǎn)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+2800℃（如鎢-錸）。

　?、蹣嬙旌?jiǎn)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(kāi)頭的限制，外有保護套管，用起來(lái)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體或半導體A和B焊接起來(lái)，構成一個(gè)閉合回路，當導體A和B的兩個(gè)執著(zhù)點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢，因而在回路中形成一個(gè)大小的電流，這種現象稱(chēng)為熱電效應。溫度傳感器熱電偶就是利用這一效應來(lái)工作的。

　　2．溫度傳感器熱電偶的種類(lèi)及結構形成

　?。?）溫度傳感器熱電偶的種類(lèi)

　　常用溫度傳感器熱電偶可分為標準溫度傳感器熱電偶和非標準溫度傳感器熱電偶兩大類(lèi)。所謂標準溫度傳感器熱電偶是指國家標準規定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統一的標準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。非標準化溫度傳感器熱電偶在使用范圍或數量級上均不及標準化溫度傳感器熱電偶，一般也沒(méi)有統一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測量。標準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國際標準生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化溫度傳感器熱電偶為我國統一設計型溫度傳感器熱電偶。

　?。?）溫度傳感器熱電偶的結構形式

　　為了保證溫度傳感器熱電偶可靠、穩定地工作，對它的結構要求如下：

　?、?組成溫度傳感器熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固；

　?、?兩個(gè)熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路；

　?、?補償導線(xiàn)與溫度傳感器熱電偶自由端的連接要方便可靠；

　?、?保護套管應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(shí)），而測溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠，為了節省熱 電偶材料，降低成本，通常采用補償導線(xiàn)把溫度傳感器熱電偶的冷 端（自由端）延伸到溫度比較穩定的控制室內，連接到 儀表端子上。必須指出，溫度傳感器熱電偶補償導線(xiàn)的作用只起延伸熱電極，使溫度傳感器熱電偶的冷端移動(dòng)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，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來(lái)補償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對測溫的影響。

　　在使用溫度傳感器熱電偶補償導線(xiàn)時(shí)必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導線(xiàn)與溫度傳感器熱電偶連接端的溫度不能超過(guò)100℃。

　　二、溫度傳感器熱電阻的應用原理

　　溫度傳感器熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。

　　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體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來(lái)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，目前應用最多的是鉑和銅，此外，現在已開(kāi)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(gè)100歐姆的鉑金電阻溫度探頭。

　　2．溫度傳感器熱電阻的結構

　?。?）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(guò)溫度傳感器熱電阻阻值的變化來(lái)測量的，因此，溫度傳感器熱電阻的引出線(xiàn)等各種導線(xiàn)電阻的變化會(huì )給溫度測量帶來(lái)影響。為消除引線(xiàn)電阻的影響一般采用三線(xiàn)制或四線(xiàn)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(xiàn)、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實(shí)體，它的外徑一般為φ2~φ8mm，最小可達φmm。

　　與普通型溫度傳感器熱電阻相比，它有下列優(yōu)點(diǎn)：①體積小，內部無(wú)空氣隙，熱慣性上，測量滯后??；②機械性能好、耐振，抗沖擊；③能彎曲，便于安裝④使用壽命長(cháng)。

　?。?）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(shí)際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。

　?。?）隔爆型溫度傳感器熱電阻 隔爆型溫度傳感器熱電阻通過(guò)特殊結構的接線(xiàn)盒，把其外殼內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(xiàn)盒內，生產(chǎn)現場(chǎng)不會(huì )引超爆炸。隔爆型溫度傳感器熱電阻可用于Bla~B3c級區內具有爆炸危險場(chǎng)所的溫度測量。

　　3．溫度傳感器熱電阻測溫系統的組成

　　溫度傳感器熱電阻測溫系統一般由溫度傳感器熱電阻、連接導線(xiàn)和顯示儀表等組成。必須注意以下兩點(diǎn)：

　?、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接導線(xiàn)電阻變化的影響，必須采用三線(xiàn)制接法。

　　溫度傳感器的主要類(lèi)型

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

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

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

　　模擬輸出IC溫度傳感器具有很高的線(xiàn)性度 （如果配合一個(gè)模數轉換器或ADC可產(chǎn)生數字輸出）、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(gè)外部參考源

　　數字輸出IC溫度傳感器帶有一個(gè)內置參考源，它們的響應速度也相當慢（100 ms數量級）。雖然它們固有地會(huì )自身發(fā)熱，但可以采用自動(dòng)關(guān)閉和單次轉換模式使其在需要測量之前將IC設置為低功耗狀態(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(xiàn)性，低系統成本，集成復雜的功能，能夠提供一個(gè)數字輸出，并能夠在一個(gè)相當有用的范圍內進(jìn)行溫度測量。