温度传感器基础知识

一、温度测量的基本概念

1、温度定义：

温度是表示物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性间接测量，用于测量物体温度值的尺度称为温度标准。它规定了温度读数的起点（零点）和测量温度的基本单位。目前，华氏温度标准、摄氏温度标准、热力学温度标准和国际实用温度标准在世界上应用广泛。

摄氏温标(℃)规定：在标准大气压下，冰的熔点为0度，水的沸点为100度，中间分为100等份，每等分为1摄氏度，符号为℃。

华氏温标(℉)规定：在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间分为180等份℉。

热力学温标(符号T)又称开尔文温标(符号)K)，或者绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零。

国际温度标准：国际实用温度标准是热力学温标的国际协议性温标，复制精度高，使用方便。目前国际通用的温标是1975年第15届国际权度大会通过的《1968年国际实用温标-1975年修订版》，记为：IPTS-68(REV-75)。但由于IPTS-1989年国际计量大会第七号决议授权国际计量委员会通过1990年国际会议ITS-90，ITS-90温标替代IPS-68。中国自1994年1月1日起全面实施ITS-90国际温标。

国际温标1990年：

a、温度单位:热力学温度是基本功手的物理量，其单位开尔文定义为水三相点热力学温度的1/273.16，使用了与273.15K(冰点)的差值表示温度，所以这种方法仍然保留。根据定义，摄氏度等于开尔文，温差也可以用摄氏度或开尔文来表示。国际温标ITS-国际开尔文温度同时定义(符号)T90)和国际摄氏温度(符号)t90)。

b、国际温标ITS-90的通则：ITS-90由0.65K普朗克辐射定律使用单色辐射实际可测量的最高温度。ITS-这直接测量热力学温度相比，90就是这样制定的。T90的测量要方便得多，而且更精确，复现性也很高。

c、ITS-90的定义：

第一温区为0.65K到5.00K之间，T90由3He和4He定义蒸汽压与温度的关系。

第二温区为3.0K到霓虹三相点(24).5661K)之间T90是氦气温度计定义的。

第三温区为平衡氢三相点.8033K)到银的凝固点(961.78℃)之间，T90是由铂电阻温度计定义的，它使用一组规定的定义法进行分度。银凝固点(961.78℃)上述温区，T90是根据普朗克辐射定律定义的，复制仪器是光学高温计。

二、温度测量仪表的分类

温度测量仪表可分为接触式和非接触式两类。一般来说，接触式温度测量仪表相对简单、可靠、测量精度高；但由于温度测量元件和测量介质需要足够的热交量金刚，需要一定的时间来实现热平衡，因此温度测量延迟，受高温材料的限制，不能温测量。非接触式仪器的温度测量是通过热辐射原理来测量的。测量元件不需要接触被测介质，温度测量范围广，不受温度测量上限的限制，不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般较快；但受物体发射率、测量距离、烟气、水气等外部因素的影响，测量误差较大。

三、传感器的选择

国家标准GB7665-87对传感器的定义是：通常由敏感元件和转换元件组成元件和转换元件组成，可以感觉到规定的测量并按照一定的规律转换为可用信号。传感器是一种检测装置，可以感受到测量的信息，并将检测到的信息转换为电信号或其他形式的信息输出，以满足信息传输、处理、存储、显示、记录和控制的要求。它是实现自动检测和自动控制的主要环节。

（1）现代传感器在原理和结构上有很大的不同。如何根据具体的测量目的、对象和测量环境合理选择传感器是在一定数量下首先要解决的问题。当确定传感器时，也可以确定匹配的测量方法和测量设备。测量结果的成败在很大程度上取决于传感器的选择是否合理。

1、根据测量对象和测量环境确定传感器的类型：进行具体的测量工作，首先考虑传感器的原理，需要分析各种因素。因为，即使测量相同的物理量，也有多种原理的传感器可供选择，该原理的传感器更合适，需要根据测量特性和传感器的使用条件考虑以下具体问题：范围大小；测量位置对传感器的体积要求；测量方法为接触或非接触；信号输出方法、有线或非接触测量；传感器来源是进口还是国内，价格是否可接受，还是自己开发。

2.灵敏度的选择：通常，在传感器的线性范围内，传感器的灵敏度越高越好，因为只有当灵敏度高时，与测量变化对应的输出信号才更有利于信号处理。但需要注意的是，传感器灵敏度高，与测量无关的外部噪声容易混合，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，传感器本身需要具有较高的易怒比，以尽量减少从外部引入的工厂担忧信号。传感器的灵敏度是方向性的。当测量为单向量且方向性要求较高时，应选择其他方向灵敏度较小的传感器。如果测量为多维向量，传感器的交叉灵敏度越小越好。

3、频率响应特性：传感器的频率响应特性决定了测量的频率范围，必须在允许的频率范围内保持不失真。事实上，传感器的响应总是有一定的延迟，希望延迟越短越好。传感器频率响应高，可测信号频率范围宽。由于结构特性的影响，机械系统惯性大，传感器可测信号频率低。在动态测量中，应根据信号的特性(稳态、随机等)进行响应，避免过度误差。

线性范围：传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。理论上，灵敏度在此范围内保持定值，传感器的线性范围越宽，量程越大，并能保证一定的测量精度。选择传感器时，确定传感器类型后，首先要看量程是否符合要求。但事实上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性也是相对的。当所需的测量精度相对较低时，非线性误差较小的传感器可以在一定范围内视为线性，这将给测量带来极大的便利。

5.稳定性:传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳定性。除传感器本身的结构外，影响传感器长期稳定的因素主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须具有较强的环境适应性。在选择传感器之前，应调查其使用环境，并根据具体使用环境选择合适的传感器，或采取适当措施减少环境影响。在一些要求传感器长期使用、易于更换或校准的情况下，所选传感器的稳定性要求更严格，能够承受长期的测试。

6.精度:精度是传感器的重要性能指标，是整个测量系统测量精度的重要环节。传感器的精度越高，价格就越贵。因此，只要传感器的精度满足整个测量系统的精度要求，就不必选择太高，以便在许多满足相同测量的传感器中选择更便宜、更简单的传感器。如果测量目的是定性分析，则可以选择重复精度高的传感器，而不是绝对值精度高的传感器；如果是定量分析，必须获得准确的测量值，则需要选择精度等级能够满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器，自制传感器的性能应满足使用要求。

(二) 测温器：

1、热电阻：热电阻是中低温区最常用的温度检测器。其主要特点是测量精度高，性能稳定。铂热电阻的测量精度最高，不广泛应用于工业温度测量，并制成标准基准仪。

① 热电阻温度测量原理和材料：热电阻温度测量是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加的。热电阻主要由金属材料制成。目前，铂和铜是应用最广泛的材料。此外，铑、镍、锰等材料已被用来制造热电阻。

② 热电阻温度测量系统的组成：热电阻温度测量系统一般由热电阻、连接导线和数字温度控制显示表组成。必须注意两点：热电阻和数字温度控制显示表的分度号必须一致；为消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线连接方法。

2.热敏电阻：NTC热敏电阻具有体积小、测试精度高、反应速度快、稳定可靠、抗老化、互换性好、一致性好等特点。广泛应用于空调、采暖设备、电子温度计、液位传感器、汽车电子、电子日历等领域。

热电偶：热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：

① 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质影响。

② 测量范围广。常用热电偶从-50~ 1600℃可连续测量，一些特殊热电偶最低-269℃(如金铁镍铬)最高可达 2800℃(如钨-磷)。

③ 结构简单，使用方便。热电偶通常由两种不同的金属丝组成，不受尺寸和开头的限制，外部有保护套，使用非常方便。

(1)热电偶测温的基本原理

A和两种不同材料的导体或半导体B当导体A和B当两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间产生电势，因此在电路中形成大小电流，称为热电效应。热电偶利用这种效应工作。

(2).热电偶的类型

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶。

标准热电偶是指国家标准规定其热电势与温度的关系、允许误差和统一标准分度表的热电偶。它有配套的显示仪器可供选择。

非标准化热电偶在使用范围或数量级上不如标准化热电偶，一般没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。

自1988年1月1日起，我国所有热电偶和热电阻均按IEC国际标准生产和指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

(3)热电偶冷端的温度补偿

由于热电偶的材料一般比较贵（特别是使用贵金属时），温度测量点远离仪器，为了节省热电偶材料，降低成本，热电偶的冷端（自由端）通常用补偿线延伸到相对稳定的温度控制室，连接到仪器端子。必须指出的是，热电偶补偿导线的作用只能延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上不能消除冷端温度变化对温度测量的影响，也不能起到补偿作用。因此，需要使用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃温度测量的影响。使用热电偶补偿导线时，必须注意型号的匹配，极性不能错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。

四、我国温控八大进展

我国仪器仪表在微型化、数字化、智能化、集成化、网络化等方面紧跟国际发展步伐，加强了自主知识产权的发展、研发和产业化，取得了显著进展。其中，值得提出的重大科技进步主要包括以下八个方面：

1.先进的工业自动化仪器和系统实现了模块化和全数字集成，满足了工业化的要求。广泛应用于钢铁、电力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、国防、食品、医药、农业、环保等领域。出了坚实的一步。

2.智能式系列测试仪器与自动测试系统的研究及产业化水平大幅度提高，组建了航空航天测试、机电产品测试、家用电器测试、地震监测、气象探测、环境监测等各行业的自动测试系统。总体水平达到国外先进产品水平，而售价明显低于国外产品。

3.微波毫米波矢量网络分析仪研制成功及批量生产，标志着我国成为继美国之后世界第二个能生产此类高精尖仪器的国家。

4.研究开发出有自己特色的纳米测控及微型仪器，碳纳米管的定向制备及结构与物理性质的探测居世界领先地位。

5.完成完整的电学量子标准和1.5×10－5级国家电能标准装置，使我国电计量标准处于国际先进水平。

6.开展了具有自主知识产权的科学仪器攻关，提升了我国科学仪器的整体水平。

7.建立了产学研相结合、国内外相结合的发展机制，拓宽了科学仪器的应用领域，如开发成功海关防伪票证的光谱仪器，在全国海关推广后，累计查获假票证价值540亿元，为国家挽回巨大经济损失。国产科学仪器的市场占有率由“八五”期间的13%提高到“九五”末期的25%。

8.高强度聚焦超声肿瘤治疗系统研制成功并批量生产，超声医疗仪器在肿瘤无创治疗方面具有国际领先优势。