温度传感器的基础知识

一、温度测量的基本概念
1、温度定义：
温度是表征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来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。
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，中间划分100等份，每等分为摄氏1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，中间划分180等份每等份为华氏1度符号为℉。
热力学温标（符号T）又称开尔文温标（符号K），或绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度。
国际温标：国际实用温标是一个国际协议性温标，它与热力学温标相接近，而且复现精度高，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-68温度存在一定的不捉，国际计量委员会在 18届国际计量大会第七号决议授权予1989年会议通过1990年国际ITS-90，ITS-90温标替代IPS-68。我国自1994年1月1日起全面 实施ITS-90国际温标。1990年国际温标：
a、温度单位：热力学温度是基本功手物理量，它的单位开尔文，定义为水三相点的热力学温度的1/273.16，使用了与273.15K（冰点）的差值来表 示温度，因此现在仍保留这个方法。根据定义，摄氏度的大小等于开尔文，温差亦可用摄氏度或开尔文来表示。国际温标ITS-90同时定义国际开尔文温度（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向上到普朗克辐射定律使用单色辐射实际可测量的最高温度。ITS-90是这样制订的即在全量 程，任何于温度采纳时T的最佳估计值，与直接测量热力学温度相比T90的测量要方便的多，而且更为精密，并且有很高的复现性。
c、ITS-90的定义：
第一温区为0.65K到5.00K之间，T90由3He和4He的蒸汽压与温度的关系式来定义。
第二温区为3.0K到氖三相点（24.5661K）之间T90是氦气体温度计来定义。
第三温区为平蘅氢三相点（13.8033K）到银的凝固点（961.78℃）之间，T90是由铂电阻温度计来定义，它使用一组规定的定义内插法来分度。银凝固点（961.78℃）以上的温区，T90是按普朗克辐射定律来定义的，复现仪器为光学高温计。
二、温度测量仪表的分类
温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。通常来说接触式测温仪表比较简单、可靠、测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交 金刚，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温是通过热辐射原理来 测量温度的，测量元件不需要与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、 测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。
三、传感器的选用国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转 换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传 输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
（一）、现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理选用传感器，是在进行某个量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。
1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型：要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为， 即使测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，那一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下具体问题：量程的大 小；被测位置对传感器的体积要求；测量方式为接触式或非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，是进口还是国产的，价格能否接受，还 是自行研制。
2、灵敏度的选择：通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好，因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号才比较大有利于信号处理。 但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度，因此要求传感器本身具有很高的信躁比，尽量减少 从外界引入的厂忧信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器，如果被测量是多维向 量，则要求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被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定的延迟，希望延 迟越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动 态测量中，应根据信号的特点（稳态、随机等）响应特性，以免产生过火的误差。
4、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。从理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值，传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证 一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。 当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内可以将非线性误差较小的传感器近似看作线性，这会给测量带来极大的方便。
5、稳定性：传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称稳定性。影响传感器长期稳定的因素除传感器本身结构外，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，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取 适当的措施，减少环境影响。在某些要求传感器能长期使用而又轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求严格，要能够经受住长时间的考验。
6、精度：精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要 满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高，这样就可以在满足同一测量的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用 重复
度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。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一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的，它不广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。
① 热电阻测温原理及材料：热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用铑、镍、锰等材料制造热电阻。
② 热电阻测温系统的组成：热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和数码温度控制显示表等组成。必须注意两点：“热电阻和数码温度控制显示表的分度号必须一致；为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采取三线制接法。”
2、热敏电阻：NTC热敏电阻器，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，一致性等特点。广泛应用于空调、暖气设备、电子体温计、液位传感器、汽车电子、电子台历等领域。
3、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。常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。
③ 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。
(1)．热电偶测温基本原理
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。
(2)．热电偶的种类
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。
非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定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都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端 （自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上， 它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。在使用热电偶补偿导线时 必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。
四、我国在温控领域的八大进展
我国仪器仪表在实现微型化、数字化、智能化、集成化和网络化等方面紧跟国际发展的步伐，加大具有自主知识产权部分的开发研制及产业化的力度，取得了显著的进展。其中，值得提出的重大科技进展主要包括以下八个方面：
1.先进工业自动化仪器仪表及系统实现了模块化与全数字集成，达到产业化要求，广泛用于钢、电、煤、化、油、交通、建筑、国防、食品、医药、农业、环保等领域，向具有自主知识产权方向迈出了坚实的一步。
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。