溫度傳感器的基礎知識

一、溫度測量的基本概念
1、溫度定義：
溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，而用來量度物體溫度數(shù)值的標尺叫溫標。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點（零點）和測量溫度的基本單位。目前國際上用得較多的溫標有華氏溫標、攝氏溫標、熱力學溫標和國際實用溫標。
攝氏溫標（℃）規(guī)定：在標準大氣壓下，冰的熔點為0度，水的沸點為100度，中間劃分100等份，每等分為攝氏1度，符號為℃。華氏溫標（℉）規(guī)定：在標準大氣壓下，冰的熔點為32度，水的沸點為212度，中間劃分180等份每等份為華氏1度符號為℉。
熱力學溫標（符號T）又稱開爾文溫標（符號K），或絕對溫標，它規(guī)定分子運動停止時的溫度為絕對零度。
國際溫標：國際實用溫標是一個國際協(xié)議性溫標，它與熱力學溫標相接近，而且復現(xiàn)精度高，使用方便。目前國際通用的溫標是1975年第15屆國際權(quán)度大會通 過的《1968年國際實用溫標-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，國際計量委員會在 18屆國際計量大會第七號決議授權(quán)予1989年會議通過1990年國際ITS-90，ITS-90溫標替代IPS-68。我國自1994年1月1日起全面 實施ITS-90國際溫標。1990年國際溫標：
a、溫度單位：熱力學溫度是基本功手物理量，它的單位開爾文，定義為水三相點的熱力學溫度的1/273.16，使用了與273.15K（冰點）的差值來表 示溫度，因此現(xiàn)在仍保留這個方法。根據(jù)定義，攝氏度的大小等于開爾文，溫差亦可用攝氏度或開爾文來表示。國際溫標ITS-90同時定義國際開爾文溫度（符 號T90）和國際攝氏溫度（符號t90）。
b、國際溫標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際可測量的最高溫度。ITS-90是這樣制訂的即在全量 程，任何于溫度采納時T的最佳估計值，與直接測量熱力學溫度相比T90的測量要方便的多，而且更為精密，并且有很高的復現(xiàn)性。
c、ITS-90的定義：
第一溫區(qū)為0.65K到5.00K之間，T90由3He和4He的蒸汽壓與溫度的關系式來定義。
第二溫區(qū)為3.0K到氖三相點（24.5661K）之間T90是氦氣體溫度計來定義。
第三溫區(qū)為平蘅氫三相點（13.8033K）到銀的凝固點（961.78℃）之間，T90是由鉑電阻溫度計來定義，它使用一組規(guī)定的定義內(nèi)插法來分度。銀凝固點（961.78℃）以上的溫區(qū)，T90是按普朗克輻射定律來定義的，復現(xiàn)儀器為光學高溫計。
二、溫度測量儀表的分類
溫度測量儀表按測溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。通常來說接觸式測溫儀表比較簡單、可靠、測量精度較高；但因測溫元件與被測介質(zhì)需要進行充分的熱交 金剛，需要一定的時間才能達到熱平衡，所以存在測溫的延遲現(xiàn)象，同時受耐高溫材料的限制，不能應用于很高的溫度測量。非接觸式儀表測溫是通過熱輻射原理來 測量溫度的，測量元件不需要與被測介質(zhì)接觸，測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，也不會破壞被測物體的溫度場，反應速度一般也比較快；但受到物體的發(fā)射率、 測量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。
三、傳感器的選用國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn) 換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳 輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。
（一）、現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理選用傳感器，是在進行某個量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也可以確定了。測量結(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)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型：要進行一個具體的測量工作，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。因為， 即使測量同一物理量，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)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下具體問題：量程的大 ??；被測位置對傳感器的體積要求；測量方式為接觸式或非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，是進口還是國產(chǎn)的，價格能否接受，還 是自行研制。
2、靈敏度的選擇：通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好，因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號才比較大有利于信號處理。 但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度，因此要求傳感器本身具有很高的信躁比，盡量減少 從外界引入的廠憂信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器，如果被測量是多維向 量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。
3、頻率響應特性：傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有一定的延遲，希望延 遲越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動 態(tài)測量中，應根據(jù)信號的特點（穩(wěn)態(tài)、隨機等）響應特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。
4、線性范圍：傳感器的線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，傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證 一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。 當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)可以將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性，這會給測量帶來極大的方便。
5、穩(wěn)定性：傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(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的環(huán)境適應能力。在選擇傳感器之前，應對其使用環(huán)境進行調(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?shù)拇胧瑴p少環(huán)境影響。在某些要求傳感器能長期使用而又輕易更換或標定的場合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求嚴格，要能夠經(jīng)受住長時間的考驗。
6、精度：精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要 滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高，這樣就可以在滿足同一測量的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用 重復
度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設計制造傳感器，自制傳感器的性能應滿足使用要求。
（二) 測溫器：
1、熱電阻：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度是最高的，它不廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。
① 熱電阻測溫原理及材料：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進行溫度測量的。熱電阻大都由金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用銠、鎳、錳等材料制造熱電阻。
② 熱電阻測溫系統(tǒng)的組成：熱電阻測溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導線和數(shù)碼溫度控制顯示表等組成。必須注意兩點：“熱電阻和數(shù)碼溫度控制顯示表的分度號必須一致；為了消除連接導線電阻變化的影響，必須采取三線制接法。”
2、熱敏電阻：NTC熱敏電阻器，具有體積小，測試精度高，反應速度快，穩(wěn)定可靠，抗老化，互換性，一致性等特點。廣泛應用于空調(diào)、暖氣設備、電子體溫計、液位傳感器、汽車電子、電子臺歷等領域。
3、熱電偶：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：
① 測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)影響。
② 測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800℃（如鎢-錸）。
③ 構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。
(1)．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，構(gòu)成一個閉合回路。當導體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。熱電偶就是利用這一效應來工作的。
(2)．熱電偶的種類
常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。
標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。
非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，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。我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。
(3)．熱電偶冷端的溫度補償
由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時），而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導線把熱電偶的冷端 （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，熱電偶補償導線的作用只起延伸熱電極，使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，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度t0≠0℃時對測溫的影響。在使用熱電偶補償導線時 必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。
四、我國在溫控領域的八大進展
我國儀器儀表在實現(xiàn)微型化、數(shù)字化、智能化、集成化和網(wǎng)絡化等方面緊跟國際發(fā)展的步伐，加大具有自主知識產(chǎn)權(quán)部分的開發(fā)研制及產(chǎn)業(yè)化的力度，取得了顯著的進展。其中，值得提出的重大科技進展主要包括以下八個方面：
1.先進工業(yè)自動化儀器儀表及系統(tǒng)實現(xiàn)了模塊化與全數(shù)字集成，達到產(chǎn)業(yè)化要求，廣泛用于鋼、電、煤、化、油、交通、建筑、國防、食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領域，向具有自主知識產(chǎn)權(quán)方向邁出了堅實的一步。
2.智能式系列測試儀器與自動測試系統(tǒng)的研究及產(chǎn)業(yè)化水平大幅度提高，組建了航空航天測試、機電產(chǎn)品測試、家用電器測試、地震監(jiān)測、氣象探測、環(huán)境監(jiān)測等各行業(yè)的自動測試系統(tǒng)?？傮w水平達到國外先進產(chǎn)品水平，而售價明顯低于國外產(chǎn)品。
3.微波毫米波矢量網(wǎng)絡分析儀研制成功及批量生產(chǎn)，標志著我國成為繼美國之后世界第二個能生產(chǎn)此類高精尖儀器的國家。
4.研究開發(fā)出有自己特色的納米測控及微型儀器，碳納米管的定向制備及結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)的探測居世界領先地位
5.完成完整的電學量子標準和1.5×10－5級國家電能標準裝置，使我國電計量標準處于國際先進水平。
6.開展了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的科學儀器攻關，提升了我國科學儀器的整體水平。