溫度傳感器技術(shù)特點

溫度，作為單位制SI中7個基本物理量之一，是工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中應(yīng)用zui常見、zui重要的測量或控制參數(shù)，因而溫度傳感器也是*應(yīng)用頻率zui高、應(yīng)用范圍zui廣的傳感器。 

基于傳感器與被測介質(zhì)或物體是否直接物理接觸的不同，可將溫度傳感器分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式溫度傳感器測量是建立在傳感器與被測對象處于熱平衡狀態(tài)的前提下，具體包括膨脹式、熱電偶式、RTD熱電阻式、熱敏電阻式、半導(dǎo)體式、石英式、接觸式光纖溫度傳感器等類型。非接觸式溫度傳感器是通過感知被測對象發(fā)出的輻射能或通過其它媒介與被測媒介溫度的相關(guān)性等方法來實現(xiàn)溫度測量，常用的有輻射式溫度傳感器、非接觸式光纖溫度傳感器、聲波溫度傳感器等類型。 

常用接觸式溫度傳感器 

膨脹式溫度傳感器是指根據(jù)物體熱脹冷縮原理工作的測溫儀表，又可細分為：日常生活中常見的玻璃液體溫度計、適用于工業(yè)場合的雙金屬溫度傳感器和充灌式溫度傳感器等。雙金屬溫度傳感器是利用結(jié)合在一起的兩種體膨脹系數(shù)不同的金屬熱膨脹差異原理工作的溫度檢測儀表，可靠性高，壽命長，在軍事、太空和常規(guī)工業(yè)領(lǐng)域均有應(yīng)用。充灌式溫度傳感器由充有感溫流體的溫包、毛細管和壓力敏感元件構(gòu)成，因根據(jù)封閉容器中的感溫介質(zhì)受熱后體積膨脹引起壓力變化的原理來測量溫度，故又稱為壓力式溫度計。具有響應(yīng)速度較快、可遠距離測溫的特點。 

熱電偶是利用塞貝克效應(yīng)工作的熱電式溫度傳感器，其溫度測量回路由熱電偶、補償導(dǎo)線及測量儀表構(gòu)成。常用熱電偶分度號類型有鎳鉻-鎳硅K型、鎳鉻-銅鎳E型、銅-銅鎳T型、鐵-銅鎳J型和鉑銠10-鉑S型等。因其具有工作可靠、響應(yīng)較快、易于使用、成本低、測溫范圍廣、適于遠距離測控等優(yōu)點，在電力、化工、石油等工業(yè)場合應(yīng)用較普遍，廣泛用來測量-200℃～1300℃范圍內(nèi)的溫度。 

熱電阻RTD是指利用某種金屬材料電阻隨溫度變化而變化的特性來測量溫度的溫度檢測儀表。其具有準確度高、輸出信號大、靈敏度高、測溫范圍廣、穩(wěn)定性好、無需參考點等優(yōu)點，在流程工業(yè)中有大量應(yīng)用。常用的RTD類型有鉑熱電阻、銅熱電阻，引線方式有兩線制、三線制及四線制。 

熱敏電阻溫度傳感器實際上是一種電阻值隨其溫度呈指數(shù)變化的半導(dǎo)體熱敏感元件，分為電阻隨溫度升高而增加的正溫度系數(shù)PTC型，以及電阻隨溫度升高而降低的負溫度系數(shù)NTC型。其研制時間早在1940年，zui初是用于通信儀器的溫度補償及自動放大裝置，上世紀60年代開始用于工業(yè)溫度測量。熱敏電阻溫度傳感器具有靈敏度高、電阻值高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)時間短、功耗小、價格低、化學(xué)穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，其使用頻度僅次于熱電偶和熱電阻，現(xiàn)大量用于家電、汽車、HVAC采暖通風(fēng)、醫(yī)療、電信和特定工業(yè)場合的溫度測量。因普通的熱敏電阻溫度傳感器測溫范圍較小（＜350℃）且其阻值與溫度的關(guān)系呈非線性，故在過程工業(yè)中應(yīng)用較少。 

硅（半導(dǎo)體）溫度傳感器是利用半導(dǎo)體材料比兩種不同摻雜區(qū)結(jié)點處電阻大的特點而工作。特別在低溫場合，硅溫度傳感器具有電阻和溫度近乎線性增大的PTC正溫度系數(shù)特性。當將測量硅半導(dǎo)體集成進含有放大器的集成電路時，即可極大改善硅結(jié)區(qū)的溫度特性，構(gòu)成新的IC集成電路式溫度傳感器。IC溫度傳感器能提供直接的數(shù)字式溫度指示，而不需要A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，常用于需要溫度測量且要求小型化、低成本測溫傳感器的場合，如計算機和小型家用電子產(chǎn)品中。據(jù)統(tǒng)計在2011年中IC溫度傳感器在半導(dǎo)體和電子工業(yè)中占據(jù)其溫度傳感器份額的13.5%。圖1所示為瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的基于4C COMSens?數(shù)字傳感技術(shù)的STS21集成電路式數(shù)字溫度傳感器，外形尺寸僅為3×3×1.1mm，測量范圍-40℃～+125℃，典型精度誤差±0.2℃。

石英式溫度傳感器是利用石英晶體固有頻率隨溫度而變化的特性來實現(xiàn)溫度測量的。具有高分辨率（可高達0.001℃）、高精度、高穩(wěn)定度、熱滯后誤差小等優(yōu)點，因而常用作高精度、高分辨率的溫度測量及作為量值傳遞的標準溫度計使用。但在使用中應(yīng)注意其抗強沖擊性能較差。 

常用非接觸式溫度傳感器 

在工業(yè)生產(chǎn)中，通常采用前述的接觸式溫度傳感器。接觸式測溫方法雖有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、準確度高等優(yōu)點，但在某些場合下（如等離子體加熱或受控?zé)岷朔磻?yīng)等），必須采用非接觸式測溫。較接觸式而言，非接觸式溫度傳感器技術(shù)相對較新，還處于動態(tài)發(fā)展上升階段。 

輻射式溫度傳感器是通過被測對象發(fā)出的熱輻射強度來測量其溫度的。其優(yōu)點是能夠測量運動物體的溫度并且不破壞其被測溫度場，又可以在中溫或低溫領(lǐng)域進行測量。常用的輻射式溫度傳感器包括光學(xué)高溫計、光電高溫計、輻射高溫計、比色溫度計、紅外溫度計或熱像儀等。 

其中，光學(xué)高溫計發(fā)展zui早，應(yīng)用zui廣。在確定波長下，根據(jù)Ｍ.普朗克定律，通過測量單色輻射強度即單色輻射亮度來測量溫度。具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，測溫范圍廣（700℃～3200℃）的特點，常用于測量高溫爐窯的溫度。 

光電高溫計是在光學(xué)高溫計基礎(chǔ)上發(fā)展起來的能自動連續(xù)測溫的傳感器，主要優(yōu)點有靈敏度高（高達0.5℃）、準確度高、使用波長范圍不受限制（可見光、紅外范圍段均可應(yīng)用）、響應(yīng)時間短（可在10-6s內(nèi)）等。 

輻射高溫計習(xí)慣上也稱全輻射溫度計，是專指以熱電堆為熱接受元件的輻射感溫器與電壓指示或記錄儀表構(gòu)成的溫度測量儀表，是基于被測物體的輻射熱效應(yīng)而進行工作的，優(yōu)點是靈敏度高、堅固耐用、可測較低溫度，缺點是測量易受環(huán)境中的水蒸汽、CO2的影響。 

比色溫度計是通過測量熱輻射體在兩個或兩個以上波長的光譜輻射亮度之比來測量溫度的，其特點是測溫準確度高、響應(yīng)快、可測量小目標，適用于冶金、水泥、玻璃等行業(yè)，常用于測量鐵液、鍋液、熔渣及回轉(zhuǎn)窯物料溫度等。 

紅外溫度傳感器是根據(jù)熱輻射體在紅外波段的輻射能量來測量溫度的，屬部分輻射式溫度傳感器。按測量方式可分為固定式與掃描式，依據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的不同又可分為可變焦點式與固定焦點式等。具有使用壽命長、性能可靠、反應(yīng)快等優(yōu)點，在國外塑料、五金、食品和飲料行業(yè)等垂直市場中的應(yīng)用非常廣泛。 

熱像儀是通過檢測物體所發(fā)射的3～5.6μm（短波）或8～14μm（長波）紅外線束，利用熱圖像技術(shù)，給出熱輻射體的溫度、溫度分布的數(shù)值，并轉(zhuǎn)換成可見的熱圖像。因其具有測量范圍廣（-170℃～2000℃）、準確度高（能分辨到0.1℃）、響應(yīng)快（ms級）、測溫距離寬（從幾厘米到天文距離）等優(yōu)點，近幾年發(fā)展很快，應(yīng)用范圍也越來越廣，常用于工業(yè)、天文、氣象、資源探測、*、醫(yī)療、軍事等部門。如食品和飲料工業(yè)中常用于檢測食物的溫度變化，在過程工業(yè)中常用其測量電氣或機械設(shè)備的表面溫度及缺陷定位，實現(xiàn)狀態(tài)檢修等。 

其它類別的溫度傳感器 

光纖溫度傳感器是當前發(fā)展迅速和應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴大的溫度傳感器。根據(jù)光纖在傳感器中的作用，可將其細分為功能型光纖傳感器（光纖不僅作為導(dǎo)光物質(zhì)，也作為感溫元件）、非功能型傳感器（光纖僅起導(dǎo)光作用，感溫功能由非光纖型敏感元件完成）、拾光型傳感器（用光纖作探頭，接收被測對象輻射的光或被其反射、散射的光）。根據(jù)使用方法分類為接觸式光纖溫度傳感器（如熒光光纖溫度傳感器、半導(dǎo)體吸收光纖溫度傳感器、分布參數(shù)式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器等）和非接觸式光纖溫度傳感器（如輻射光纖溫度傳感器等）。這類產(chǎn)品具有電/磁絕緣性好、高靈敏度、體積小、重量輕、可彎曲等優(yōu)點。光纖測溫技術(shù)方興未艾，前途*。 

聲波溫度傳感器是基于聲波或超聲波在氣體介質(zhì)中的傳播速度與該氣體溫度平方根的函數(shù)關(guān)系來測量氣體溫度及其溫度場的。具有測量原理簡單、非接觸、測量范圍寬（0～1900℃）、可在線測量等優(yōu)點，已在發(fā)電廠鍋爐、垃圾焚燒爐、水泥回轉(zhuǎn)窯等溫度測量中得到應(yīng)用。圖2和圖3分別為美國Enertechnix公司所生產(chǎn)的PyroMetrixTM聲波高溫計的信號發(fā)生器和信號接收器。該產(chǎn)品可瞬時測量如鍋爐等大容積空間內(nèi)的平均溫度，精度可高達1%。

核四級共振溫度傳感器是利用NQR核四級共振吸收頻率隨溫度升高而減少的特性制成的溫度測量儀表，具有高準確度（可達±0.005℃）、高分辨率（可達1mK）、重現(xiàn)性好、互換性佳、溫度范圍廣等優(yōu)點，可以用作標準溫度計或高精度實用溫度計。