温度传感器

朱晓旭 周修文

（北京林业大学理学院 100083）

1 温度传感器的现状

随着物联网概念的日渐普及，全球传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。传感器种类繁多、功能各异，是信息产业的重要基础元件。据INTECHNO咨询公司统计，2008年全球传感器市场规模突破506亿美元并继续保持快速增长，预计2012年可超过600亿美元。其中，温度传感器已表现出日渐成熟的特征，占到整个传感器市场的14%。据专家统计，我国2009年温度传感器市场规模已超过50亿元，市场份额大大超过了其他传感器，广泛应用在航天、军工、家电、汽车电子、IT、医疗和特种设备等方面。

2 温度传感器的分类

温度是与人类的生活和工作关系最密切的也是各学科与工程研究设计中经常遇到和必须精确测定的物理量。温度测量必须用温度传感器实现。温度传感器按照测量方式一般分为接触式和非接触式。

2.1 接触式温度传感器

接触式的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。在一定的温度内，它甚至能够测量出物体内部的温度的分部情况。测量精度比较高，但若测量运动的、热容量很小的物体或者小目标，测量结果会有比较大的误差。

2.1.1 热电偶

1）基本原理和应用原理

两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。 热电偶温度传感器是基于热电效应原理的测温传感器，当两个电极组成一个闭合回路，只要两结点温度不同，回路中就有热电动势产生。热电偶就是利用这一效应来工作的[2]。

热电偶，因直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，测量精度高；常用的温度传感器热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃(金铁镍铬)，最高可达+2800℃(钨铼)。

2）热电偶的结构及技术特点

热电阻一般由敏感元件、内引线、外引线、绝缘套管、外保护套管以及接线盒等几部分组成。与热电偶相比，其优点是不需冷端温度补偿，但制作工艺比热电偶复杂。

工业生产现场热电阻与控制室之间存在一定距离，所以需要有引线，而引线对测量结果有较大的影响。二线制测量精度较低，一般采用三线制和四线制。三线制通过与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，四线制可以完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测[3]。

为了保护温度传感器感温元件，使其不与被测介质直接接触，避免或减少有害介质的侵蚀，火焰和气流的冲刷辐射以及机械损伤，通常采用保护管，保护管同时还起着固定和支撑传感器感温元件的作用。在我国轻微腐蚀和一般工业应用中，304、316、321不锈钢是最常用的保护管。

对于需要精确测量的场合，需选用响应速度更快的传感器。影响响应时间的因素与保护管材料、直径、厚度密切相关，而且还与其结构形式、安装方法、置入深度以及被测介质流速、种类有关。一般保护管直径2mm，需要2s的热响应时间，而当保护管直径达8mm甚至更长时，响应时间会达到30s。所以选用时应根据实际情况合理确定相关参数。

2.1.2 热电阻

1）基本原理和应用原理

热电阻温度传感器是利用纯金属、合金和半导体材料的电阻随温度变化的特性，对温度和温度有关的参数进行检测的装置。

最常见的热电阻是铂电阻和铜电阻，铂电阻与温度之间的关系在-200～630.74℃范围内接近于线性。铂电阻具有稳定的物理化学性质，通常用作标准温度计，它的长时间稳定复现性可达到10-4K。在测温精度要求不高，且测温范围比较小的情况下，可采用铜电阻做成热电阻材料代替铂电阻。在-50～150℃的温度范围内，铜电阻与温度成线性关系。铜热电阻和铂电阻相比具有温度系数大价格低，而且易于提纯等优点，但存在电阻率小，热惯性也大，机械强度差等缺点。

2）热电阻的结构及技术特点

热电阻一般由敏感元件、引线、绝缘套管、外保护套管以及接线盒等几部分组成。与热电偶相比，其优点是不需冷端温度补偿，但制作工艺比热电偶复杂。

生产现场热电阻与控制室之间存在一定距离，需要有引线。二线制测量精度较低，一般采用三线制和四线制。三线制通过与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，四线制可以完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测[3]。

为了保护温度传感器感温元件，使其不与被测介质直接接触，避免或减少有害介质的侵蚀通常采用保护管，其同时还起着固定和支撑传感器感温元件的作用。

对于需要精确测量的场合，需选用响应速度更快的传感器。影响响应时间的因素与保护管材料、直径、厚度密切相关。一般保护管直径2mm，需要2s的热响应时间，而当保护管直径达8mm甚至更长时，响应时间会达到30s。

3）其他接触式温度传感器

热敏电阻是一种如氧化半导体陶瓷那样的电阻体，其阻值随温度变化非常显著；有正温度系数PTC和负温度系数的NTC，还有达到一定温度阻值急剧变化的CTR。利用阻值随温度变化的热敏电阻、铂热电阻等是将测温电阻构成桥路对温度进行测量，这样可以消除由于温度变化引起的温漂。

另外，一些新型传感器，例如，利用半导体PN结中电流/电压特性随温度变化的半导体集成传感器，利用光纤传播特性随温度变化或半导体透光随温度变化的光纤传感器，利用弹性表面波及振子的震荡频率随温度变化的传感器，利用核磁共振的震荡频率随温度变化的NQR传感器，利用在居里温度附近磁性急剧变化的磁性温度传感器以及利用液晶或涂料颜色随温度变化的传感器等[1]。

2.2 非接触式温度传感器

敏感元件与被测对象互不接触。测运动物体、小目标和热容量小或温度瞬变对象的表面温度，它不会破坏温度场的温度，用于测量温度场的温度分布。

2.2.1 辐射温度计

最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律。自然界中任何物体只要其温度在绝对零点以上，就会不断地向周围空间辐射能量。温度越高，辐射能量就越多。任何物体又都能对辐射能量进行吸收、透射或反射。掌握了这些对应关系，就可以知道物体的温度，辐射式就是基于这一原理研制而成的。

辐射测温法包括亮度法、幅射法和比色法。相应只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。

热辐射能探测器不必达到与被测对象同样的温度，测温上限不受传感器材料熔点的限制；属于被动式温度测量；检测时传感器不必和被测对象达到热平衡，响应时间短，检测速度快，适于快速测温。测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制，可达到2500℃以上[4]。随着红外技术的发展，辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展，700 ℃以下直至常温都已采用，且分辨率很高。

[1] 何希才.传感器技术与应用.北京：北京航天航空大学,2005.4

[2] 孟立凡,蓝金辉.传感器原理与应用.北京：电子工业出版社,2007.8:130

[3] 高震,李丞.民营科技——漫谈温度传感器,2011年第12期

[4] 杨挺.浅谈温度传感器的种类与工作特性.航空兵器,1997.第2期.