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溫度傳感器是電路中一個比較常見的元器件，同時溫度傳感器的種類也是五花八門，那么種類繁多的溫度傳感器應(yīng)該怎么挑選呢？選擇溫度傳感器時又需要注意什么呢？

 

溫度傳感器是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。

 

 

接觸式

 

接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計。

 

溫度計通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。溫度傳感器一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動體、小目標(biāo)或熱容量很小的對象則會產(chǎn)生較大的測量誤差，常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。隨著低溫技術(shù)在國防工程、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門的廣泛應(yīng)用和超導(dǎo)技術(shù)的研究，測量120K以下溫度的低溫溫度計得到了發(fā)展，如低溫氣體溫度計、蒸汽壓溫度計、聲學(xué)溫度計、順磁鹽溫度計、量子溫度計、低溫?zé)犭娮韬偷蜏販夭铍娕嫉取５蜏販囟扔嬕蟾袦卦w積小、準(zhǔn)確度高、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結(jié)而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計的一種感溫元件，可用于測量1.6～300K范圍內(nèi)的溫度。

 

 

它的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。

 

最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。溫度傳感器輻射測溫法包括亮度法（見光學(xué)高溫計）、輻射法（見輻射高溫計）和比色法（見比色溫度計）。各類輻射測溫方法只能測出對應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）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(jìn)行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和波長，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關(guān)，因此很難精確測量。在自動化生產(chǎn)中往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。在這些具體情況下，物體表面發(fā)射率的測量是相當(dāng)困難的。對于固體表面溫度自動測量和控制，可以采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(fā)射系數(shù)。利用有效發(fā)射系數(shù)通過儀表對實測溫度進(jìn)行相應(yīng)的修正，最終可得到被測表面的真實溫度。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(fā)射系數(shù)式中ε為材料表面發(fā)射率，ρ為反射鏡的反射率。溫度傳感器至于氣體和液體介質(zhì)真實溫度的輻射測量，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(zhì)達(dá)到熱平衡后的圓筒空腔的有效發(fā)射系數(shù)。在自動測量和控制中就可以用此值對所測腔底溫度（即介質(zhì)溫度）進(jìn)行修正而得到介質(zhì)的真實溫度。

 

非接觸測溫優(yōu)點：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。對于1800℃以上的高溫，主要采用非接觸測溫方法。隨著紅外技術(shù)的發(fā)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。

 

利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。這些呈現(xiàn)規(guī)律性變化的物理性質(zhì)主要有體。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。如果您要進(jìn)行可靠的溫度測量，就需要為您的應(yīng)用選擇正確的溫度傳感器。熱電偶、熱敏電阻、鉑電阻（RTD）和溫度IC是測試中最常用的溫度傳感器。

 

 

熱電偶是溫度測量中最常用的傳感器。其主要好處是寬溫度范圍和適應(yīng)各種大氣環(huán)境，而且結(jié)實、價低，無需供電，尤其最便宜。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(gòu)成，如圖1所示。當(dāng)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溫度。

 

 

 

各類溫度傳感器的優(yōu)缺點

 

不過，電壓和溫度間是如圖2所示的非線性關(guān)系，溫度由于電壓和溫度是非線性關(guān)系，因此需要為參考溫度（Tref）作第二次測量，并利用測試設(shè)備軟件和∕或硬件在儀器內(nèi)部處理電壓-溫度變換，以最終獲得熱偶溫度（Tx）。Agilent34970A和34980A數(shù)據(jù)采集器均有內(nèi)置的測量了運算能力。

 

熱偶電路圖及熱偶電壓

 

簡而言之，熱偶是最簡單和最通用的溫度傳感器，但熱偶并不適合高精度的應(yīng)用。

 

 

熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料，大多為負(fù)溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化會造成大的阻值改變，因此它是最靈敏的溫度傳感器。但熱敏電阻的線性度極差，并且與生產(chǎn)工藝有很大關(guān)系。制造商給不出標(biāo)準(zhǔn)化的熱敏電阻曲線。

 

熱敏電阻電路圖

 

熱敏電阻體積非常小，對溫度變化的響應(yīng)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溫度， 有較好的精度，但它比熱偶貴，可測溫度范圍也小于熱偶。一種常用熱敏電阻在25℃時的阻值為5kΩ，每1℃的溫度改變造成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(jìn)行快速和靈敏溫度測量的電流控制應(yīng)用。尺寸小對于有空間要求的應(yīng)用是有利的，但必須注意防止自熱誤差。

 

2線RTD測量

 

 

熱敏電阻體積小是優(yōu)點，它能很快穩(wěn)定，不會造成熱負(fù)載。不過也因此很不結(jié)實，大電流會造成自熱。由于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(fā)熱。功率等于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(dǎo)致永久性的損壞。

 

 

與熱敏電阻相似，鉑電阻溫度傳感器（RTD）也是用鉑制成的熱敏感電阻。當(dāng)通過測量電壓計算RTD 溫度時，數(shù)字萬用表用已知電流源測量該電流源所產(chǎn)生的電壓。這一電壓為兩條引線（Vlead）上的壓降加RTD上的電壓（Vtemp）。例如，常用RTD 的電阻為100Ω，每1℃僅產(chǎn)生0.385Ω的電阻變化。如果每條引線有10Ω電阻，就將造成26℃的測量誤差，這是不可接受的。所以應(yīng)對RTD作4線歐姆測量。

 

RTD是最精確和最穩(wěn)定的溫度傳感器，它的線性度優(yōu)于熱偶和熱敏電阻。但RTD也是最慢和最貴的溫度傳感器。因此RTD最適合對精度有嚴(yán)格要求，而速度和價格不太關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域。

 

 

4線測量

 

·使用5mA電流源會因自熱造成2.5℃的溫度測量誤差。因此把自熱誤差減到最小是極為重要的。

 

·4線測量更為精確，但需要兩倍的引線和兩倍的開關(guān)。

 

 

溫度集成電路（IC）是一種數(shù)字溫度傳感器，它有非常線性的電壓∕電流-溫度關(guān)系。有些IC傳感器甚至有代表溫度、并能被微處理器直接讀出的數(shù)字輸出形式。

 

 

·電壓IC: 10 mV/K。

 

·電流IC: 1μA/K。

 

溫度IC 的輸出是非常線性的電壓∕℃。實際產(chǎn)生的是電壓∕Kelvin，因此室溫時的1℃輸出約為3V。溫度IC需要有外電源。通常溫度IC是嵌入在電路中而不用于探測。

 

 

電流傳感器（左）和電壓傳感器（右）

 

溫度IC缺點是溫度范圍非常有限，也存在同樣的自熱、不堅固和需要外電源的問題。總之，溫度IC提供產(chǎn)生正比于溫度的易讀讀數(shù)方法。它很便宜，但也受到配置和速度限制。

 

 

·溫度IC 體積較大，因此它變化慢，并可能造成熱負(fù)載。

 

·把溫度IC用于接近室溫的場合。這是它最流行的應(yīng)用。雖然測量范圍有限，但也能測量150℃的高溫。

 

 

我們已討論了各類常用溫度傳感器的優(yōu)點和缺點。如果您了解必須的權(quán)衡，為您的應(yīng)用仔細(xì)選擇正確的傳感器，您就能避免常見的缺憾而實現(xiàn)可靠的溫度測量。

 

 

 

鉑銠10-鉑熱電偶（S型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定為0.5mm，允許偏差-0.015mm，其正極（SP）的名義化學(xué)成分為鉑銠合金，其中含銠為10%，含鉑為90%，負(fù)極（SN）為純鉑，故俗稱單鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。

 

S型熱電偶在熱電偶系列中具有準(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點。它的物理，化學(xué)性能良好，熱電勢穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。由于S型熱電偶具有優(yōu)良的綜合性能，符合國際使用溫標(biāo)的S型熱電偶，長期以來曾作為國際溫標(biāo)的內(nèi)插儀器，“ITS-90”雖規(guī)定今后不再作為國際溫標(biāo)的內(nèi)查儀器，但國際溫度咨詢委員會（CCT）認(rèn)為S型熱電偶仍可用于近似實現(xiàn)國際溫標(biāo)。

 

S型熱電偶不足之處是熱電勢，熱電勢率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資較大。

 

鉑銠13-鉑熱電偶（R型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定為0.5mm，允許偏差-0.015mm，其正極（RP）的名義化學(xué)成分為鉑銠合金，其中含銠為13%，含鉑為87%，負(fù)極（RN）為純鉑，長期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。

 

R型熱電偶在熱電偶系列中具有準(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點。其物理，化學(xué)性能良好，熱電勢穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。由于R型熱電偶的綜合性能與S型熱電偶相當(dāng)，在我國一直難于推廣，除在進(jìn)口設(shè)備上的測溫有所應(yīng)用外，國內(nèi)測溫很少采用。1967年至1971年間，英國NPL，美國NBS和加拿大NRC三大研究機構(gòu)進(jìn)行了一項合作研究，其結(jié)果表明，R型熱電偶的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性比S型熱電偶均好，我國目前尚未開展這方面的研究。

 

R型熱電偶不足之處是熱電勢，熱電勢率較小，靈敏讀低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資較大。

 

 

鉑銠30-鉑銠6熱電偶（B型熱電偶）為貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定為0.5mm，允許偏差-0.015mm，其正極（BP）的名義化學(xué)成分為鉑銠合金，其中含銠為30%，含鉑為70%，負(fù)極（BN）為鉑銠合金，含銠為量6%，故俗稱雙鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1600℃，短期最高使用溫度為1800℃。

 

B型熱電偶在熱電偶系列中具有準(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長，測溫上限高等優(yōu)點。適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真空中，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸氣氣氛中。B型熱電偶一個明顯的優(yōu)點是不需用補償導(dǎo)線進(jìn)行補償，因為在0~50℃范圍內(nèi)熱電勢小于3μV。

 

B型熱電偶不足之處是熱電勢，熱電勢率較小，靈敏讀低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資較大。

 

 

鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型熱電偶）是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。正極（KP）的名義化學(xué)成分為：Ni：Cr=90：10，負(fù)極（KN）的名義化學(xué)成分為：Ni：Si=97：3，其使用溫度為-200~1300℃。

 

K型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優(yōu)點，能用于氧化性惰性氣氛中。廣泛為用戶所采用。

 

K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛中。

 

 

為廉金屬熱電偶，是一種最新國際標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶，是在70年代初由澳大利亞國防部實驗室研制成功的它克服了K型熱電偶的兩個重要缺點：K型熱電偶在300~500℃間由于鎳鉻合金的晶格短程有序而引起的熱電動勢不穩(wěn)定；在800℃左右由于鎳鉻合金發(fā)生擇優(yōu)氧化引起的熱電動勢不穩(wěn)定。正極（NP）的名義化學(xué)成分為：Ni:Cr:Si=84.4:14.2:1.4，負(fù)極（NN）的名義化學(xué)成分為：Ni:Si:Mg=95.5:4.4:0.1，其使用溫度為-200~1300℃。

 

N型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜，不受短程有序化影響等優(yōu)點，其綜合性能優(yōu)于K型熱電偶，是一種很有發(fā)展前途的熱電偶。

 

N型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性或還原，氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛中。

 

 

鎳鉻-銅鎳熱電偶（E型熱電偶）又稱鎳鉻-康銅熱電偶，也是一種廉金屬的熱電偶，正極（EP）為：鎳鉻10合金，化學(xué)成分與KP相同，負(fù)極（EN）為銅鎳合金，名義化學(xué)成分為：55%的銅，45%的鎳以及少量的錳，鈷，鐵等元素。該熱電偶的使用溫度為-200~900℃。

 

E型熱電偶熱電動勢之大，靈敏度之高屬所有熱電偶之最，宜制成熱電堆，測量微小的溫度變化。對于高濕度氣氛的腐蝕不甚靈敏，宜用于濕度較高的環(huán)境。E熱電偶還具有穩(wěn)定性好，抗氧化性能優(yōu)于銅-康銅，鐵-康銅熱電偶，價格便宜等優(yōu)點，能用于氧化性和惰性氣氛中，廣泛為用戶采用。

 

E型熱電偶不能直接在高溫下用于硫，還原性氣氛中，熱電勢均勻性較差。

 

 

鐵-銅鎳熱電偶（J型熱電偶）又稱鐵-康銅熱電偶，也是一種價格低廉的廉金屬的熱電偶。它的正極（JP）的名義化學(xué)成分為純鐵，負(fù)極（JN）為銅鎳合金，常被含糊地稱之為康銅，其名義化學(xué)成分為：55%的銅和45%的鎳以及少量卻十分重要的錳，鈷，鐵等元素，盡管它叫康銅，但不同于鎳鉻-康銅和銅-康銅的康銅，故不能用EN和TN來替換。鐵-康銅熱電偶的覆蓋測量溫區(qū)為-200~1200℃，但通常使用的溫度范圍為0~750℃

 

J型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價格便宜等優(yōu)點，廣為用戶所采用。

 

J型熱電偶可用于真空，氧化，還原和惰性氣氛中，但正極鐵在高溫下氧化較快，故使用溫度受到限制，也不能直接無保護(hù)地在高溫下用于硫化氣氛中。

 

 

（T型熱電偶）又稱銅-康銅熱電偶，也是一種最好的測量低溫的廉金屬的熱電偶。它的正極（TP）是純銅，負(fù)極（TN）為銅鎳合金，常之為康銅，它與鎳鉻-康銅的康銅EN通用，與鐵-康銅的康銅JN不能通用，盡管它們都叫康銅，銅-銅鎳熱電偶的蓋測量溫區(qū)為-200~350℃。

 

T型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價格便宜等優(yōu)點，特別在-200~0℃溫區(qū)內(nèi)使用，穩(wěn)定性更好，年穩(wěn)定性可小于±3μV，經(jīng)低溫檢定可作為二等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行低溫量值傳遞。

 

T型熱電偶的正極銅在高溫下抗氧化性能差，故使用溫度上限受到限制。

 

溫度是工業(yè)生產(chǎn)必須控制的一個非常關(guān)鍵參數(shù)，對于工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備以及人身安全有直接的影響。選擇溫度檢測儀表不應(yīng)盲目要求測量的精度高、范圍大以及自動化程度高等，而應(yīng)結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)中的具體工藝、被測介質(zhì)的實際以及經(jīng)濟性等各種因素全盤考慮。需要遵循的原則是檢測儀表測量溫度的上下限應(yīng)當(dāng)大于被測介質(zhì)溫度的波動范圍、測量精度符合生產(chǎn)工藝技術(shù)要求、使用方式滿足測量人員觀察需要、便于日常檢修以及維護(hù)工作，并在此基礎(chǔ)上，盡可能選擇價經(jīng)濟實惠的檢測儀表。

 

 

假如只是就地顯示，通常可以選擇液體玻璃、雙金屬以及壓力式溫度計等。假如不僅需要具備測量溫度的功能，還要求具備當(dāng)被測溫度接近極限值的時候能夠報警，應(yīng)當(dāng)選擇附加報警裝置的液體玻璃、雙金屬以及壓力式溫度計等。假如要求遠(yuǎn)距離顯示的話，可以選擇熱電阻、熱電偶或者溫度變送器等。

 

 

被測量介質(zhì)的溫度是選擇適宜的檢測儀表的一個非常關(guān)鍵的依據(jù)。假如是測量常溫，可以選擇熱電偶溫度計、熱電阻溫度計、壓力式測度計以及雙金屬溫度計等。有機液體玻璃溫度計的特點是其指示液為紅色，有利于讀數(shù)，但是無法帶電接點，所以在測量溫度低于100℃的介質(zhì)并且不需要發(fā)送信號的時候，可以優(yōu)先選擇有機液體玻璃溫度計。雙金屬溫度計的主要優(yōu)點是其刻度比較清晰、耐振以及無水銀等，所以當(dāng)被測介質(zhì)的溫度低于300℃的時候，最好選擇雙金屬溫度計。如果被測介質(zhì)的穩(wěn)定低于150℃的時候，可以選擇銅熱電阻；如果被測介質(zhì)的溫度在300℃到600℃的范圍之內(nèi)，可以選擇鎳鉻-考銅熱電偶，然而因為考銅合金絲容易被氧化，所以用于測量超過500℃的蒸汽溫度的時候，最好選擇鎳鉻-鎳硅熱電偶，如果被測介質(zhì)的溫度在600℃到1000℃的時候可以選擇鎳鉻-鎳硅熱電偶；如果被測介質(zhì)的溫度在1000℃到1300℃的時候應(yīng)選擇鉑銠-鉑熱電偶。如果被測介質(zhì)的溫度非常高，可以選擇輻射式高溫計或者紅外線式高溫計。

 

 

假如要求的測量精度非常高，可以選擇鉑熱電阻、鉑銠-鉑熱電偶或者是鉑銠-鉑銠熱電偶。假如要求的測量精度不是很高，可以選擇銅熱電阻以及鎳鉻-鎳硅熱電偶。

 

 

大部分的熱電偶在氧化性或者中性介質(zhì)中其性質(zhì)非常穩(wěn)定，但是不宜在還原性介質(zhì)中長時間工作；同時鉑熱電阻也不宜在還原性介質(zhì)長時間中工作；溫度達(dá)到100℃的時候銅熱電阻容易被氧化；熱敏電阻也非常容易被氧化變質(zhì)。為此，應(yīng)當(dāng)通過安裝保護(hù)套管加以預(yù)防，應(yīng)按照被測介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)選擇適宜的保護(hù)套管材料。例如對于熱電偶而言：如果溫度低于600℃可以選擇中碳鋼、銅、鉛等當(dāng)作套管；溫度低于1000℃的話，通常選擇的是奧氏體不銹鋼(耐熱腐蝕)。另外，必須重視二次儀表的、熱電偶補償導(dǎo)線以及自由端溫度補償器等儀表的配套使用。安裝的時候必須保證檢測的準(zhǔn)確性，同時應(yīng)有利于儀表的維修校驗、避免測溫的滯后。

 

溫度傳感器的選型比較復(fù)雜，這本文中只能撿取一些簡單的挑選方法，關(guān)于其它方法在本文就不再贅述了，如有不足之處還望海涵。