溫度傳感器基礎(chǔ)知識(shí)

一、溫度測(cè)量的基本概念

1、溫度定義：

溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過(guò)物體隨溫度變化的某些特性來(lái)間接測(cè)量，而用來(lái)量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測(cè)量溫度的基本單位。目前上用得較多的溫標(biāo)有華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和實(shí)用溫標(biāo)。

攝氏溫標(biāo)（℃）規(guī)定：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)為0度，水的沸點(diǎn)為100度，中間劃分100等份，每等分為攝氏1度，符號(hào)為℃。

華氏溫標(biāo)（℉）規(guī)定：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)為32度，水的沸點(diǎn)為212度，中間劃分180等份每等份為華氏1度符號(hào)為℉。

熱力學(xué)溫標(biāo)（符號(hào)T）又稱(chēng)開(kāi)爾文溫標(biāo)（符號(hào)K），或溫標(biāo)，它規(guī)定分子運(yùn)動(dòng)停止時(shí)的溫度為零度。

溫標(biāo)：實(shí)用溫標(biāo)是一個(gè)協(xié)議性溫標(biāo)，它與熱力學(xué)溫標(biāo)相接近，而且復(fù)現(xiàn)精度高，使用方便。目前通用的溫標(biāo)是1975年第15屆權(quán)度大會(huì)通過(guò)的《1968年實(shí)用溫標(biāo)-1975年修訂版》，記為：IPTS-68（REV-75）。但由于IPTS-68溫度存在一定的不捉，計(jì)量委員會(huì)在18屆計(jì)量大會(huì)第七號(hào)決議授權(quán)予1989年會(huì)議通過(guò)1990年ITS-90，ITS-90溫標(biāo)替代IPS-68。我國(guó)自1994年1月1日起全面實(shí)施ITS-90溫標(biāo)。

1990年溫標(biāo)：

a、溫度單位：熱力學(xué)溫度是基本功手物理量，它的單位開(kāi)爾文，定義為水三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度的1/273.16，使用了與273.15K（冰點(diǎn)）的差值來(lái)表示溫度，因此現(xiàn)在仍保留這個(gè)方法。根據(jù)定義，攝氏度的大小等于開(kāi)爾文，溫差亦可用攝氏度或開(kāi)爾文來(lái)表示。溫標(biāo)ITS-90同時(shí)定義開(kāi)爾文溫度（符號(hào)T90）和攝氏溫度（符號(hào)t90）。

b、溫標(biāo)ITS-90的通則：ITS-90由0.65K向上到普朗克輻射定律使用單色輻射實(shí)際可測(cè)量的zui高溫度。ITS-90是這樣制訂的即在全量程，任何于溫度采納時(shí)T的*估計(jì)值，與直接測(cè)量熱力學(xué)溫度相比T90的測(cè)量要方便的多，而且更為精密，并且有很高的復(fù)現(xiàn)性。

c、ITS-90的定義：

*溫區(qū)為0.65K到5.00K之間，T90由3He和4He的蒸汽壓與溫度的關(guān)系式來(lái)定義。

第二溫區(qū)為3.0K到氖三相點(diǎn)（24.5661K）之間T90是氦氣體溫度計(jì)來(lái)定義。

第三溫區(qū)為平蘅氫三相點(diǎn)（13.8033K）到銀的凝固點(diǎn)（961.78℃）之間，T90是由鉑電阻溫度計(jì)來(lái)定義，它使用一組規(guī)定的定義內(nèi)插法來(lái)分度。銀凝固點(diǎn)（961.78℃）以上的溫區(qū)，T90是按普朗克輻射定律來(lái)定義的，復(fù)現(xiàn)儀器為光學(xué)高溫計(jì)。

二、溫度測(cè)量?jī)x表的分類(lèi)

溫度測(cè)量?jī)x表按測(cè)溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類(lèi)。通常來(lái)說(shuō)接觸式測(cè)溫儀表比較簡(jiǎn)單、可靠、測(cè)量精度較高；但因測(cè)溫元件與被測(cè)介質(zhì)需要進(jìn)行充分的熱交金剛，需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，所以存在測(cè)溫的延遲現(xiàn)象，同時(shí)受耐高溫材料的限制，不能應(yīng)用于很高的溫度測(cè)量。非接觸式儀表測(cè)溫是通過(guò)熱輻射原理來(lái)測(cè)量溫度的，測(cè)量元件不需要與被測(cè)介質(zhì)接觸，測(cè)溫范圍廣，不受測(cè)溫上限的限制，也不會(huì)破壞被測(cè)物體的溫度場(chǎng)，反應(yīng)速度一般也比較快；但受到物體的發(fā)射率、測(cè)量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測(cè)量誤差較大。

三、傳感器的選用

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

（一）、現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量時(shí)首先要解決的問(wèn)題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也可以確定了。測(cè)量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。

1、根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類(lèi)型：要進(jìn)行一個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)椋词箿y(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，那一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下具體問(wèn)題：量程的大小；被測(cè)位置對(duì)傳感器的體積要求；測(cè)量方式為接觸式或非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線(xiàn)或是非接觸測(cè)量；傳感器的來(lái)源，是進(jìn)口還是國(guó)產(chǎn)的，價(jià)格能否接受，還是自行研制。

2、靈敏度的選擇：通常，在傳感器的線(xiàn)性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好，因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)才比較大有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度，因此要求傳感器本身具有很高的信躁比，盡量減少?gòu)耐饨缫氲膹S憂(yōu)信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量，而且對(duì)其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器，如果被測(cè)量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。

3、頻率響應(yīng)特性：傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有一定的延遲，希望延遲越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)（穩(wěn)態(tài)、隨機(jī)等）響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過(guò)火的誤差。

4、線(xiàn)性范圍：傳感器的線(xiàn)性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。從理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值，傳感器的線(xiàn)性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類(lèi)確定以后首先要看其量程是否滿(mǎn)足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證的線(xiàn)性，其線(xiàn)性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)可以將非線(xiàn)性誤差較小的傳感器近似看作線(xiàn)性，這會(huì)給測(cè)量帶來(lái)極大的方便。

5、穩(wěn)定性：傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱(chēng)穩(wěn)定性。影響傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧瑴p少環(huán)境影響。在某些要求傳感器能長(zhǎng)期使用而又輕易更換或標(biāo)定的場(chǎng)合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格，要能夠經(jīng)受住長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)。

6、精度：精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿(mǎn)足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過(guò)高，這樣就可以在滿(mǎn)足同一測(cè)量的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。如果測(cè)量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得的測(cè)量值，就需選用精度等級(jí)能滿(mǎn)足要求的傳感器。對(duì)某些特殊使用場(chǎng)合，無(wú)法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計(jì)制造傳感器，自制傳感器的性能應(yīng)滿(mǎn)足使用要求。

（二） 測(cè)溫器：

1、熱電阻：熱電阻是中低溫區(qū)zui常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精度是zui高的，它不廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。

① 熱電阻測(cè)溫原理及材料：熱電阻測(cè)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(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。熱電阻大都由金屬材料制成，目前應(yīng)用zui多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開(kāi)始采用銠、鎳、錳等材料制造熱電阻。

② 熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)的組成：熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線(xiàn)和數(shù)碼溫度控制顯示表等組成。必須注意兩點(diǎn)：“熱電阻和數(shù)碼溫度控制顯示表的分度號(hào)必須一致；為了消除連接導(dǎo)線(xiàn)電阻變化的影響，必須采取三線(xiàn)制接法。”

2、熱敏電阻：NTC熱敏電阻器，具有體積小，測(cè)試精度高，反應(yīng)速度快，穩(wěn)定可靠，抗老化，互換性，一致性好等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣設(shè)備、電子體溫計(jì)、液位傳感器、汽車(chē)電子、電子臺(tái)歷等領(lǐng)域。

3、熱電偶：熱電偶是工業(yè)上zui常用的溫度檢測(cè)元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是：

① 測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)影響。

② 測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可連續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶zui低-269℃（如金鐵鎳鉻），zui高可達(dá)+2800℃（如鎢-錸）。

③ 構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。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(hù)套管，用起來(lái)非常方便。

（1）．熱電偶測(cè)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(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),因而在回路中形成一個(gè)大小的電流,這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作的。

（2）熱電偶的種類(lèi)

常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類(lèi)。

標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。

非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。

我國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。

（3）．熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償

由于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(cè)溫點(diǎn)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(xiàn)把熱電偶的冷端（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，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動(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(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法來(lái)補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與熱電偶連接端的溫度不能超過(guò)100℃。

四、我國(guó)在溫控領(lǐng)域的八大進(jìn)展

我國(guó)儀器儀表在實(shí)現(xiàn)微型化、數(shù)字化、智能化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化等方面緊跟發(fā)展的步伐，加大具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)部分的開(kāi)發(fā)研制及產(chǎn)業(yè)化的力度，取得了顯著的進(jìn)展。其中，值得提出的重大科技進(jìn)展主要包括以下八個(gè)方面：

1.先進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模塊化與全數(shù)字集成，達(dá)到產(chǎn)業(yè)化要求，廣泛用于鋼、電、煤、化、油、交通、建筑、國(guó)防、食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域，向具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)方向邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

2.智能式系列測(cè)試儀器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究及產(chǎn)業(yè)化水平大幅度提高，組建了航空航天測(cè)試、機(jī)電產(chǎn)品測(cè)試、家用電器測(cè)試、地震監(jiān)測(cè)、氣象探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等各行業(yè)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。總體水平達(dá)到*產(chǎn)品水平，而售價(jià)明顯低于國(guó)外產(chǎn)品。

3.微波毫米波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀研制成功及批量生產(chǎn)，標(biāo)志著我國(guó)成為繼美國(guó)之后*二個(gè)能生產(chǎn)此類(lèi)高精尖儀器的國(guó)家。

4.研究開(kāi)發(fā)出有自己特色的納米測(cè)控及微型儀器，碳納米管的定向制備及結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)的探測(cè)居世界地位。

5.完成完整的電學(xué)量子標(biāo)準(zhǔn)和1.5×10－5級(jí)國(guó)家電能標(biāo)準(zhǔn)裝置，使我國(guó)電計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)處于先進(jìn)水平。

6.開(kāi)展了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科學(xué)儀器攻關(guān)，提升了我國(guó)科學(xué)儀器的整體水平。

7.建立了產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合、國(guó)內(nèi)外相結(jié)合的發(fā)展機(jī)制，拓寬了科學(xué)儀器的應(yīng)用領(lǐng)域，如開(kāi)發(fā)成功海關(guān)防偽票證的光譜儀器，在全國(guó)海關(guān)推廣后，累計(jì)查獲假票證價(jià)值540億元，為國(guó)家挽回巨大經(jīng)濟(jì)損失。國(guó)產(chǎn)科學(xué)儀器的*由“八五”期間的13%提高到“九五”末期的25%。

8.高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)研制成功并批量生產(chǎn)，超聲醫(yī)療儀器在腫瘤無(wú)創(chuàng)治療方面具有優(yōu)勢(shì)。

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