工业用接触式测温技术综述

武汉纺织大学 湖北省纺织新材料与先进加工技术省部共建国家重点实验室 孙晓曦 高 敏 余鹏举

湖北三江航天红阳机电有限公司 张文奇

武汉纺织大学 湖北省纺织新材料与先进加工技术省部共建国家重点实验室 吴 茜

温度是工业生产领域的重要参数，接触式测温技术是工业领域常用的测温手段之一，本文分析和归纳了热膨胀测温、热电偶、半导体温度传感器、铂电阻、NTC热敏电阻和数字温度传感器等多种接触式测温技术，分别描述了它们的测温原理、测温特点、测温性能以及测温优势和劣势，为工业应用中选用何种测温方法提供了一定的参考。

温度在工业生产中对于保证产品质量、节约生产能源、提高效率和安全性有着至关重要的作用。温度测量技术分为接触式、半接触式和非接触式。接触式测温指的是测量过程中，温度传感器与测温对象直接进行测温，其范围广泛，除了传统方式外还包括随着半导体和集成电路技术日新月异而蓬勃发展的数字传感器测温。本文主要介绍了几种常用的接触式温度传感器，就其原理和优缺点进行描述和介绍。

1 传统测温方式

1.1 热膨胀测温

利用气、液、固三种形态的温度膨胀材料测温的主要有气体温度计、玻璃液体温度计和金属固体测温计。

气体温度计利用氢气和氦气的热胀冷缩特性，通过其在不同温度下压力或体积变化来进行温度测量。此种温度计测温范围广，理论可达0～1000K，测量精度高，但价格昂贵，多用于校准、精密实验和制作标准温标。

玻璃液体温度计分为全浸式和局浸式，利用温度变化时玻璃外壳内水银或者有机液体的体积变化来测量。此类温度计精度由毛细管的制造工艺决定，反应灵敏、性能稳定，在环境监测、石油工业、医用等领域得到了广泛应用。其中，水银温度计虽然其中包含的水银具有很强的生物毒性，但是因为缺乏理想的替代品，目前仍然是临床上最常用的温度计之一。

双金属温度计由两种不同膨胀系数的金属叠压成构成，通常为螺旋卷状，当温度变化时，金属片发生膨胀，带动螺旋卷形变，指针在表盘上指出相应的温度值。双金属温度计因体积小、线性度高、结果直观、抗干扰能力强、寿命长、性能稳定等特点，长期应用于各个工业生产领域。

1.2 热电偶

热电偶是一种可直接测温的测温元件，其测温原理为塞贝克效应。由两种不同金属导体连接在一起构成闭合金属结，当两端出现温差，回路内有与温度差正相关的电流和热电动势产生。通过连接在差分结处的电位计，根据热电动势的大小换算得到所测温度。

常见的金属热电偶有J、K、E和S四种类型，其组成材料和测温性能如表1所示。

表1 四种常见金属热电偶

热电偶因具有种类繁多、测温范围广、在测温范围内可连续测温、结构简单、成本低、寿命长等特点，在航空航天和工业生产测试的各个环节中得到普遍应用。

但是，在实际测量过程中，热电偶仍有部分问题存在，首先，其体积相对较大，不适用于需要随身携带的测量场所，其次，测量结果存在一定的计量误差。常用的补偿法有冰点法，公式修正法、恒温法、集成温度传感器补偿法，补偿导线和补偿电桥法等。

1.3 半导体温度传感器

半导体的PN结除了具有单向导电性外还具有温敏特性，其正向压降在一定范围内与温度近似线性关系，温度系数为负。常用的半导体温度传感器有硅二极管MTS102、1N4148等，普遍具有价格低廉、体积较小、灵敏度优异、互换性高等特点，但是在使用时需要适当采用电屏蔽技术，以降低误差。

2 热电阻测温

2.1 铂电阻

金属铂以导线或者薄膜形态构成的电阻元件称为铂电阻，是最常用的几种商业电阻之一，其不仅具有常规温度测量元件的高灵敏度、高精度、高准确性、高可重复性等优点，在高温高危环境下也可以保持长期稳定，1990年，国标ITS-90将铂电阻定为基准测温仪器。

PT100铂电阻测温范围为-200℃～850℃，精度达0.001℃，在该范围内，阻值与温度近似线性关系。

根据Callendar-van Dusen方程，在0～630℃，PT100铂电阻的阻值与温度存在对应公式：

其中R0为0℃时铂电阻阻值，A、B、C为R-T系数，其值如表2所示。

表2 R-T系数值

PT100铂电阻在大多数低温场合都可以精确应用，为了保证长距离测试环境下铂电阻仍能保证应有精度，通常采用四线制接线法，在原有两线制基础上，额外增加AD采样补偿线和AD对地补偿线。

2.2 NTC热敏电阻

热敏电阻分为PTC和NTC两种，其中NTC热敏电阻更为常用，其阻值和温度对应曲线如图1所示。

图1 NTC热敏电阻R-T曲线图

可以看出，二者呈非线性关系，可用指数公式粗略估算：

其中R1为热敏电阻在T1(25℃)时的阻值，B为材料常数，计算时需将T和T1换算成开尔文温度。

热敏电阻测温范围为-100～300℃，具有灵敏度高响应快、体积小便于携带、成本低等优点，在温度测量与控制、补偿领域前景广阔，但是其不足之处同样明显，首先，其互换性差，个体差异可高达5%～10%，在长期使用后还有可能出现阻值漂移等老化现象。其次，由于热敏电阻本身的非线性，在实际运用中必须进行估算和软件校正，常用的软件校正方法有线性插值法、Steinhart-Hart方程法、Hoge方程法和曲线拟合法等。

3 数字温度传感器

与传统测温方式不同，数字化温度传感器将温度直接转化为数字信号，经过滤波放大后，通过端口直接传送至单片机主控芯片。在保证精度和灵敏度的前提下，极大简化了外围电路，降低了使用门槛。按外围电路复杂程度，数字传感器可以分为单总线数字温度传感器和多总线温度传感器。

3.1 单总线温度传感器

DS18B20数字传感器是典型的单总线温度传感器，通过单一信号线与主芯片通讯，支持设置报警温度、寄生电源供电和数据掉电保存。

其测量数据位数为9～12位，响应时间200ms，测温范围-55～125℃，在-10～85℃范围内精度达±0.5℃。由于每个DS18B20都具有独立的64位产品编号，所以可以将多个DS18B20连接到同一根总线上，进行单总线分布式测温。具有电路简单、精度高、功耗低、抗干扰能力强，可远距离传输等优点，但需要注意的是，DS18B20数据传输采用串行方式，故对传输时序要求严格，编写软件时需格外注意。

3.2 SHT系列温湿度传感器

SHT系列温湿度传感器由瑞士Sensirion公司研发生产，可独立完成温湿度测量、信号转换、AD转换，通过DATA（数据线）和SCK（时钟线）与单片机连接。

SHT温湿度传感器通常使用I2C协议进行串行通讯，其优势为在保证高准确性、高响应和高精度、小尺寸的情况下可以同时进行温度和湿度测量，SHT11还具有加热功能，可以通过加热将自身温度提高5℃左右，在湿度大于95%的环境中，可以保证传感器精度不受影响。新开发的SHT3X系列在原有基础上又增加了信号处理、两个独立可选的I2C器件地址、可编程温湿度上限报警模式等功能，测温范围为-40～125℃，精度0.1℃，测湿度范围为0-100%RH，精度1%，与单片机通讯速度提升至1MHz。

由于篇幅有限，本文只介绍了常用的几种接触式测温传感器的测温原理、工作方式和优缺点。其中，传统的热膨胀测温和热电偶、热电阻测温技术已经非常成熟，可以满足绝大部分工业领域的测温需求，但是其存在外围外围电路复杂，精度参差不齐等缺点，数字传感器的出现给接触式温度测量技术带来了重大变革，此类测温元件目前还处于高速发展阶段。随着科学技术的发展，必将有更为先进的温度传感器出现，现有的也将更加完善，在更多领域发挥作用。