温度傳感器

接觸式温度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱温度計。

温度計通過傳導或對流達到熱平衡，從而使温度計的示值能直接表示被測對象的温度。一般測量精度較高。在一定的測温範圍內，温度計也可測量物體內部的温度分佈。但對於運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產生較大的測量誤差，常用的温度計有雙金屬温度計、玻璃液體温度計、壓力式温度計、電阻温度計、熱敏電阻和温差電偶等。它們廣泛應用於工業、農業、商業等部門。在日常生活中人們也常常使用這些温度計。隨着低温技術在國防工程、空間技術、冶金、電子、食品、醫藥和石油化工等部門的廣泛應用和超導技術的研究，測量120K以下温度的低温温度計得到了發展，如低温氣體温度計、蒸汽壓温度計、聲學温度計、順磁鹽温度計、量子温度計、低温熱電阻和低温温差電偶等。低温温度計要求感温元件體積小、準確度高、復現性和穩定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結而成的滲碳玻璃熱電阻就是低温温度計的一種感温元件，可用於測量1.6～300K範圍內的温度。

它的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測温儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或温度變化迅速（瞬變）對象的表面温度，也可用於測量温度場的温度分佈。

最常用的非接觸式測温儀表基於黑體輻射的基本定律，稱為輻射測温儀表。輻射測温法包括亮度法（見光學高温計）、輻射法（見輻射高温計）和比色法（見比色温度計）。各類輻射測温方法只能測出對應的光度温度、輻射温度或比色温度。只有對黑體（吸收全部輻射並不反射光的物體）所測温度才是真實温度。如欲測定物體的真實温度，則必須進行材料表面發射率的修正。而材料表面發射率不僅取決於温度和波長，而且還與表面狀態、塗膜和微觀組織等有關，因此很難精確測量。在自動化生產中往往需要利用輻射測温法來測量或控制某些物體的表面温度，如冶金中的鋼帶軋製温度、軋輥温度、鍛件温度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的温度。在這些具體情況下，物體表面發射率的測量是相當困難的。對於固體表面温度自動測量和控制，可以採用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發射係數。利用有效發射係數通過儀表對實測温度進行相應的修正，最終可得到被測表面的真實温度。最為典型的附加反射鏡是半球反射鏡。球中心附近被測表面的漫射輻射能受半球鏡反射回到表面而形成附加輻射，從而提高有效發射係數式中ε為材料表面發射率，ρ為反射鏡的反射率。至於氣體和液體介質真實温度的輻射測量，則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。通過計算求出與介質達到熱平衡後的圓筒空腔的有效發射係數。在自動測量和控制中就可以用此值對所測腔底温度（即介質温度）進行修正而得到介質的真實温度。

非接觸測温優點：測量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而對最高可測温度原則上沒有限制。對於1800℃以上的高温，主要採用非接觸測温方法。隨着紅外技術的發展，輻射測温 逐漸由可見光向紅外線擴展，700℃以下直至常温都已採用，且分辨率很高。

金屬膨脹原理設計的傳感器

金屬在環境温度變化後會產生一個相應的延伸，因此傳感器可以以不同方式對這種反應進行信號轉換。

雙金屬片式傳感器

雙金屬片由兩片不同膨脹係數的金屬貼在一起而組成，隨着温度變化，材料A比另外一種金屬膨脹程度要高，引起金屬片彎曲。彎曲的曲率可以轉換成一個輸出信號。

雙金屬桿和金屬管傳感器

隨着温度升高，金屬管（材料A）長度增加，而不膨脹鋼杆（金屬B）的長度並不增加，這樣由於位置的改變，金屬管的線性膨脹就可以進行傳遞。反過來，這種線性膨脹可以轉換成一個輸出信號。

液體和氣體的變形曲線設計的傳感器

在温度變化時，液體和氣體同樣會相應產生體積的變化。

多種類型的結構可以把這種膨脹的變化轉換成位置的變化，這樣產生位置的變化輸出（電位計、感應偏差、擋流板等等）。

金屬隨着温度變化，其電阻值也發生變化。

對於不同金屬來説，温度每變化一度，電阻值變化是不同的，而電阻值又可以直接作為輸出信號。

電阻共有兩種變化類型

温度升高 = 阻值增加

温度降低 = 阻值減少

温度升高 = 阻值減少

温度降低 = 阻值增加

熱電偶由兩個不同材料的金屬線組成，在末端焊接在一起。再測出不加熱部位的環境温度，就可以準確知道加熱點的温度。由於它必須有兩種不同材質的導體，所以稱之為熱電偶。不同材質做出的熱電偶使用於不同的温度範圍，它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點温度變化1℃時，輸出電位差的變化量。對於大多數金屬材料支撐的熱電偶而言，這個數值大約在5～40微伏/℃之間。 ^[1] 

由於熱電偶温度傳感器的靈敏度與材料的粗細無關，用非常細的材料也能夠做成温度傳感器。也由於製作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細微的測温元件有極高的響應速度，可以測量快速變化的過程。

如果要進行可靠的温度測量，首先就需要選擇正確的温度儀表，也就是温度傳感器。其中熱電偶、熱敏電阻、鉑電阻(RTD)和温度IC都是測試中最常用的温度傳感器。

以下是對熱電偶和熱敏電阻兩種温度儀表的特點介紹。

1、熱電偶

熱電偶是温度測量中最常用的温度傳感器。其主要好處是寬温度範圍和適應各種大氣環境，而且結實、價低，無需供電，也是最便宜的。熱電偶由在一端連接的兩條不同金屬線(金屬A和金屬B)構成，當熱電偶一端受熱時，熱電偶電路中就有電勢差。可用測量的電勢差來計算温度。

不過，電壓和温度間是非線性關係，温度由於電壓和温度是非線性關係，因此需要為參考温度(Tref)作第二次測量，並利用測試設備軟件或硬件在儀器內部處理電壓-温度變換，以最終獲得熱偶温度(Tx)。Agilent34970A和34980A數據採集器均有內置的測量了運算能力。

簡而言之，熱電偶是最簡單和最通用的温度傳感器，但熱電偶並不適合高精度的的測量和應用。

2、熱敏電阻

熱敏電阻是用半導體材料， 大多為負温度係數，即阻值隨温度增加而降低。温度變化會造成大的阻值改變，因此它是最靈敏的温度傳感器。但熱敏電阻的線性度極差，並且與生產工藝有很大關係。製造商給不出標準化的熱敏電阻曲線。

熱敏電阻體積非常小，對温度變化的響應也快。但熱敏電阻需要使用電流源，小尺寸也使它對自熱誤差極為敏感。

熱敏電阻在兩條線上測量的是絕對温度， 有較好的精度，但它比熱偶貴， 可測温度範圍也小於熱偶。一種常用熱敏電阻在25℃時的阻值為5kΩ，每1℃的温度改變造成200Ω的電阻變化。注意10Ω的引線電阻僅造成可忽略的 0.05℃誤差。它非常適合需要進行快速和靈敏温度測量的電流控制應用。尺寸小對於有空間要求的應用是有利的，但必須注意防止自熱誤差。

熱敏電阻還有其自身的測量技巧。熱敏電阻體積小是優點，它能很快穩定，不會造成熱負載。不過也因此很不結實，大電流會造成自熱。由於熱敏電阻是一種電阻性器件，任何電流源都會在其上因功率而造成發熱。功率等於電流平方與電阻的積。因此要使用小的電流源。如果熱敏電阻暴露在高熱中，將導致永久性的損壞。

通過對兩種温度儀表的介紹，希望對大家工作學習有所幫助。

1、被測對象的温度是否需記錄、報警和自動控制，是否需要遠距離測量和傳送；

2、測温範圍的大小和精度要求；

3、測温元件大小是否適當；

4、在被測對象温度隨時間變化的場合，測温元件的滯後能否適應測温要求；

5、被測對象的環境條件對測温元件是否有損害；

6、價格如保，使用是否方便。

1、《JJG229-2010工業鉑、銅熱電阻檢定規程》

2、《JJG833-2007標準組鉑銠10-鉑熱電偶檢定規程》

3、《JJG141-2000工作用貴金屬熱電偶檢定規程》

4、《JJG351-1996工作用廉金屬熱電偶檢定規程》

5、《JJG368-2000工作用銅-銅鎳熱電偶檢定規程》

1、測量準確度：0.01級;分辨率0.1uV和0.1mΩ；

2、掃描開關寄生電勢：≤0.4μV；

3、温度範圍： 水槽：(室温+5~95)℃ 油槽：(95 ~ 300)℃ 低温恆温槽：(-80 ~ 100)℃ 高温爐：(300~1200)℃；

4、控温穩定度：優於0.01℃/10min(油槽、水槽、低温恆温槽);0.2℃/min(管式檢定爐)；

5、總不確定度：熱電偶檢定，測量不確定度優於0.7℃，重複性誤差<0.25℃;熱電阻檢定測量不確定度優於50mk，重複性誤差<10mk；

6、檢定數量：一次可同時檢熱電偶(1-8)支，一次可同時檢同線制熱電阻(1-7)支；

7、工作電源：AC220V±10%，50Hz，並有良好保護接地；

8、高温爐功率：約2KW；

9、恆温槽功率：約2KW；

10、微機測控系統功率：<500。

1、檢定K、E、J、N、B、S、R、T等多種型號的工作用熱電偶；

2、檢定Pt100、Pt10、Cu50、Cu100等各種工作用熱電阻，玻璃液體温度計、壓力式温度計、雙金屬温度計；

3、多路低電勢自動轉換開關，寄生電勢≤0.4μV；

4、控制1-4台高温爐；

5、温場測試：可進行檢定爐、油槽、水槽、低温恆温槽的温場測試；

6、線制轉換：可進行二線制、三線制、四線制電阻檢定；

7、軟件具有比對實驗、重複性實驗、温場實驗等相關實驗功能；

8、在Windows2000/XP以上平台，全中文界面，標準Windows操作系統，方便快捷。可實現：

1）設備自檢、查線；

2）屏幕顯示並保存控温曲線≤0.4μV；

3）檢測數據自動採集；

4）自動生成符合要求的檢定記錄；

5）自動保存檢定結果，且不可人工更改；

6）查詢各種熱電偶、熱電阻分度表及其它幫助；

7）熱電偶、熱電阻所有歷史檢定數據、控温曲線查詢 統計及計量的智能化管理功能。

温度傳感器在安裝和使用時，應當注意以下事項方可保證最佳測量效果：

1、安裝不當引入的誤差

如熱電偶安裝的位置及插入深度不能反映爐膛的真實温度等，換句話説，熱電偶不應裝在太靠近門和加熱的地方，插入的深度至少應為保護管直徑的8～10倍;熱電偶的保護套管與壁間的間隔未填絕熱物質致使爐內熱溢出或冷空氣侵入，因此熱電偶保護管和爐壁孔之間的空隙應用耐火泥或石棉繩等絕熱物質堵塞以免冷熱空氣對流而影響測温的準確性;熱電偶冷端太靠近爐體使温度超過100℃;熱電偶的安裝應儘可能避開強磁場和強電場，所以不應把熱電偶和動力電纜線裝在同一根導管內以免引入干擾造成誤差；熱電偶不能安裝在被測介質很少流動的區域內，當用熱電偶測量管內氣體温度時，必須使熱電偶逆着流速方向安裝，而且充分與氣體接觸。

2、絕緣變差而引入的誤差

如熱電偶絕緣了，保護管和拉線板污垢或鹽渣過多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良，在高温下更為嚴重，這不僅會引起熱電勢的損耗而且還會引入干擾，由此引起的誤差有時可達上百度。

3、熱惰性引入的誤差

由於熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落後於被測温度的變化，在進行快速測量時這種影響尤為突出。所以應儘可能採用熱電極較細、保護管直徑較小的熱電偶。測温環境許可時，甚至可將保護管取去。由於存在測量滯後，用熱電偶檢測出的温度波動的振幅較爐温波動的振幅小。測量滯後越大，熱電偶波動的振幅就越小，與實際爐温的差別也就越大。當用時間常數大的熱電偶測温或控温時，儀表顯示的温度雖然波動很小，但實際爐温的波動可能很大。為了準確的測量温度，應當選擇時間常數小的熱電偶。時間常數與傳熱係數成反比，與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比，如要減小時間常數，除增加傳熱係數以外，最有效的辦法是儘量減小熱端的尺寸。使用中，通常採用導熱性能好的材料，管壁薄、內徑小的保護套管。在較精密的温度測量中，使用無保護套管的裸絲熱電偶，但熱電偶容易損壞，應及時校正及更換。

4、熱阻誤差

高温時，如保護管上有一層煤灰，塵埃附在上面，則熱阻增加，阻礙熱的傳導，這時温度示值比被測温度的真值低。因此，應保持熱電偶保護管外部的清潔，以減小誤差。

近年來，我國工業現代化的進程和電子信息產業連續的高速增長，帶動了傳感器市場的快速上升。温度傳感器作為傳感器中的重要一類，佔整個傳感器總需求量的40%以上。温度傳感器是利用NTC的阻值隨温度變化的特性，將非電學的物理量轉換為電學量，從而可以進行温度精確測量與自動控制的半導體器件。温度傳感器用途十分廣闊，可用作温度測量與控制、温度補償、流速、流量和風速測定、液位指示、温度測量、紫外光和紅外光測量、微波功率測量等而被廣泛的應用於彩電、電腦彩色顯示器、切換式電源、熱水器、電冰箱、廚房設備、空調、汽車等領域。近年來汽車電子、消費電子行業的快速增長帶動了我國温度傳感器需求的快速增長。

2020年，中國國產紅外温度傳感器人體測温精度達0.1℃，高性能耳温槍、額温槍等非接觸式測温工具是當前對大規模人員進行發熱篩查的主要工具之一，其核心部件MEMS（微機電系統）紅外温度傳感器長期主要依賴進口。近日，中國兵器工業集團電子院華東光電集成器件研究所通過技術攻關，已完成傳感器芯片各類單項試驗，性能指標精度達到0.1℃，抗干擾能力優於目前市場主流產品（性能指標精度為0.3℃）。 ^[3] 

温度是表徵物體冷熱程度的物理量，是工農業生產過程中一個很重要而普遍的測量參數。温度的測量及控制對保證產品質量、提高生產效率、節約能源、生產安全、促進國民經濟的發展起到非常重要的作用。由於温度測量的普遍性，温度傳感器的數量在各種傳感器中居首位，約佔50%。

温度傳感器是通過物體隨温度變化而改變某種特性來間接測量的。不少材料、元件的特性都隨温度的變化而變化，所以能作温度傳感器的材料相當多。温度傳感器隨温度而引起物理參數變化的有：膨脹、電阻、電容、而電動勢、磁性能、頻率、光學特性及熱噪聲等等。隨着生產的發展，新型温度傳感器還會不斷湧現。

由於工農業生產中温度測量的範圍極寬，從零下幾百度到零上幾千度，而各種材料做成的温度傳感器只能在一定的温度範圍內使用。

温度傳感器與被測介質的接觸方式分為兩大類：接觸式和非接觸式。接觸式温度傳感器需要與被測介質保持熱接觸，使兩者進行充分的熱交換而達到同一温度。這一類傳感器主要有電阻式、熱電偶、PN結温度傳感器等。非接觸式温度傳感器無需與被測介質接觸，而是通過被測介質的熱輻射或對流傳到温度傳感器，以達到測温的目的。這一類傳感器主要有紅外測温傳感器。這種測温方法的主要特點是可以測量運動狀態物質的温度（如慢速行使的火車的軸承温度，旋轉着的水泥窯的温度）及熱容量小的物體（如集成電路中的温度分佈）。

温度傳感器 ^[2]  是最早開發，應用最廣的一類傳感器。温度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀初人們開始利用温度進行測量。在半導體技術的支持下，本世紀相繼 開發了半導體熱電偶傳感器、PN結温度傳感器和集成温度傳感器。

兩種不同材質的導體，如在某點互相連接在一起，對這個連接點加熱，在它們不加熱的部位就會出現電位差。這個電位差的數值與不加熱部位測量點的温度有關，和這兩種導體的材質有關。這種現象可以在很寬的温度範圍內出現，如果精確測量這個電位差，再測出不 加熱部位的環境温度，就可以準確知道加熱點的温度。由於它必須有兩種不同材質的導體，所以稱之為“熱電偶”。不同材質做出的熱電偶使用於不同的温度範圍，它們的靈敏度 也各不相同。

熱電偶傳感器有自己的優點和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器温度漂移的影響，因此不適合測量微小的温度變化。由於熱電偶温度傳感器的靈敏度與材料的粗細無關.