【正文】 溫度是國際單位制給出的基本物理量之一。它是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中需要經(jīng)常測量和控制的主要參數(shù)，也是與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相關(guān)的一個(gè)重要的物理量。溫度傳感器是開發(fā)最早、應(yīng)用最廣的一類傳感器?，F(xiàn)在，溫度傳感器的市場份額大大超過了其他傳感器的市場份額。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、熱敏電阻溫度傳感器和集成溫度傳感器等。 【知識(shí)要求】 、地位、分類和發(fā)展趨勢。 。 。 。 。 重點(diǎn)：理解熱電偶、熱電阻、熱敏電阻傳感器的工作原 理，掌握其性能特點(diǎn)，了解其應(yīng)用。 【能力要求】 統(tǒng)中的作用。 ，能夠根據(jù)工作系統(tǒng)的特點(diǎn)及溫度要求，找 出匹配的溫度傳感器。 ，熟練掌握溫度傳感器的測 量方法。 。 （一）溫度概述 溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)非常重要的參數(shù)。許多生產(chǎn)過程都是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，需要測量溫度和控制溫度。從熱平衡的觀點(diǎn)來看，溫度是物體內(nèi)部分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的標(biāo)志，溫度高的物體，其內(nèi)部分子平均動(dòng)能大；溫度低的物體，其內(nèi)部分子的平均動(dòng)能小。溫度不能直接測量，只能借助于冷熱不同的物體之間的熱交換，以及物體的某些物理性質(zhì)隨著冷熱程度不同而變化的特性間接測量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)溫度的測量越來越普遍，而且對(duì)溫度測量的準(zhǔn)確度也有了更高的要求。 為了定量地描述溫度的高低，必須建立溫度標(biāo)尺，即溫標(biāo)。溫標(biāo)是衡量溫度的標(biāo)準(zhǔn)尺度，它保證了溫度量值的統(tǒng)一和準(zhǔn)確的數(shù)值表示方法。各種溫度計(jì)和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標(biāo)確定。熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度數(shù)值為熱力學(xué)溫度（符號(hào)為 T），單位為開爾文（符號(hào)為 K）， 1K等于水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的 1/。熱力學(xué)溫度是國際上公認(rèn)的最基本溫度，國際溫標(biāo)最終以它為標(biāo)準(zhǔn)而不斷完善。我國目前實(shí)行的是 1990年國際溫標(biāo)（ ITS90），它同時(shí)定義了國際開爾文溫度（ T90）和國際攝氏溫度（ t90）， T90和 t90之間的關(guān)系為 ??KTCt 式中 C— 攝氏溫度的單位； K— 開爾文溫度單位。 2．溫度測量的主要方法和分類及發(fā)展方向 (1)溫度傳感器的組成 在工程中無論是簡單的還是復(fù)雜的測溫傳感器，就測量系統(tǒng)的功能而言，通常由現(xiàn)場的感溫元件和控制室的顯示裝置兩部分組成，如圖所示。簡單的溫度傳感器往往是由感溫元件和顯示裝置組成一體的，一般在現(xiàn)場使用。各種傳感器因測量范圍不同而被使用在不同的場合，其測溫范圍分類見表。 溫度傳感器組成框圖 測溫范圍分類 特征 傳感器名稱 超高溫用傳感器 1500℃ 以上 光學(xué)高溫計(jì)、輻射傳感器 高溫用傳感器 1000～ 1500℃ 光學(xué)高溫計(jì)、輻射傳感器、熱電偶 中高溫用傳感器 500～ 1000℃ 光學(xué)高溫計(jì)、輻射傳感器、熱電偶 中溫用傳感器 0～ 500℃ 熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、感溫鐵氧體、石英晶體振動(dòng)器、雙金屬溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、玻璃制溫度計(jì)、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導(dǎo)體集成電路傳感器、可控硅 低溫用傳感器 250～ 0℃ 晶體管、熱敏電阻、壓力式玻璃制溫度計(jì) 極低溫用傳感器 270～ 250℃ BaSrTiO3陶瓷 溫度傳感器測溫范圍分類 (2)溫度測量方法及分類 測量方法按感溫元件是否與被測介質(zhì)接觸，可以分為接觸式與非接觸式兩大類。 接觸式測溫方法是使溫度敏感元件直接和被測溫度對(duì)象相接觸，當(dāng)被測溫度與感溫元件達(dá)到熱平衡時(shí)，溫度敏感元件與被測溫度對(duì)象的溫度相等。這類溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、精度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。使用這類測溫方法的溫度傳感器主要有膨脹式溫度傳感器、電阻式溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器。 常用的接觸式溫度傳感器的材料有以下幾種： ①常用熱電阻。測量范圍為 260～＋ 850℃ ，精度為 。改進(jìn)后可連續(xù)工作 2022小時(shí)，失效率小于 1%，使用期為 10年。 ②管纜熱電阻。測量范圍為 20～＋ 500℃ ，最高上限為1000℃ ，精度為 。 ③陶瓷熱電阻。測量范圍為 200～ +500℃ ，精度為 、 級(jí)。 ④超低溫?zé)犭娮琛煞N碳電阻，可分別測量 ～ 253℃ 和～ ℃ 的溫度。 ⑤熱敏電阻器。適用于高靈敏度的微小溫度測量場合。經(jīng)濟(jì)性好、價(jià)格便宜。 非接觸式測溫方法是應(yīng)用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。物體輻射能量的大小與溫度有關(guān)，并且以電磁波形式向四周輻射。當(dāng)選擇合適的接收檢測裝置時(shí)，便可測得被測對(duì)象發(fā)出的熱輻射能量并且轉(zhuǎn)換成可測量和顯示的各種信號(hào)，實(shí)現(xiàn)溫度的測量。非接觸式溫度傳感器理論上不存在熱接觸式溫度傳感器的測量滯后和在溫度范圍上的限制，可測高溫、腐蝕、有毒、運(yùn)動(dòng)物體及固體、液體表面的溫度，不干擾被測溫度場，但精度較低，使用不太方便。 非接觸式溫度傳感器的材料有以下幾種： ①輻射高溫計(jì)。用來測量 1000℃ 以上高溫。一般分為光學(xué)高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、輻射高溫計(jì)和光電高溫計(jì)。 ②光譜高溫計(jì)。其測量范圍為 400～ 6000℃ ，它是采用電子化自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，保證有足夠準(zhǔn)確的精度進(jìn)行自動(dòng)測量。 ③超聲波溫度傳感器。特點(diǎn)是響應(yīng)快 (約為 10ms)，方向性強(qiáng)。目前國外有可測到 5000℃ 的產(chǎn)品。 ④激光溫度傳感器。適用于遠(yuǎn)程和特殊環(huán)境下的溫度測量。如 NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射計(jì)可測很高的溫度，精度為 1%。美國麻省理工學(xué)院正在研制一種激光溫度計(jì)，最高溫度可達(dá) 8000℃ ，專門用于核聚變研究。瑞士 Browa Borer研究中心用激光溫度傳感器可測幾千開 (K)的高溫。 （ 3）溫度傳感器的發(fā)展方向 ①超高溫與超低溫傳感器，如 +3000℃ 以上和 250℃ 以下的溫度傳感器。 ②提高溫度傳感器的精度和可靠性。 ③研制家用電器、汽車及農(nóng)畜業(yè)所需要的價(jià)廉的溫度傳感器。 ④發(fā)展新型產(chǎn)品，擴(kuò)展和完善管纜熱電偶與熱敏電阻；發(fā)展薄膜熱電偶；研究節(jié)省鎳材和貴金屬以及厚膜鉑的熱電阻；研制系列晶體管測溫元件、快速高靈敏 CA型熱電偶以及各類非接觸式溫度傳感器。 ⑤發(fā)展適應(yīng)特殊測溫要求的溫度傳感器。 ⑥發(fā)展數(shù)字化、集成化和自動(dòng)化的溫度傳感器。 （二）熱電偶溫度傳感器 熱電偶是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它除了具有結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號(hào)為電信號(hào)，便于遠(yuǎn)傳或信號(hào)轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)外，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶可用于測量快速及動(dòng)態(tài)變化的溫度。 兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體 A和 B組合成如圖所示回路，若導(dǎo)體 A和 B的連接處溫度不同（設(shè) T＞ T0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動(dòng)勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在 1821年首先由西拜克（ Seeback）發(fā)現(xiàn)，所以又稱西拜克效應(yīng)。 熱電偶原理圖 這樣的兩種不同導(dǎo)體的組合稱為熱電偶，相應(yīng)的電動(dòng)勢和電流稱為熱電動(dòng)勢和熱電流，熱電動(dòng)勢由兩部分組成，即溫差電動(dòng)勢和接觸電動(dòng)勢。導(dǎo)體 A、 B稱為熱電極，置于被測溫度（ T） 的一端稱為工作端（熱端），另一端 （ T0） 稱為參考端（冷端）。實(shí)驗(yàn)證明，熱電動(dòng)勢與熱電偶兩端的溫度差成正比例，即 )(),( 00 TTKTTE AB ??式中， K與導(dǎo)體的電子濃度有關(guān)。 當(dāng)熱電偶的材料均勻時(shí)，熱電偶的熱電動(dòng)勢大小與電極的幾何尺寸無關(guān)，僅與熱電偶材料的成分及冷、熱兩端的溫度差有關(guān)。但是，熱電偶的使用溫度與線徑有關(guān)，線徑越粗，使用溫度越高，若冷端溫度恒定，熱電動(dòng)勢就與被測溫度呈單值關(guān)系。同時(shí)也應(yīng)指出，同種金屬導(dǎo)體不能構(gòu)成熱電偶，熱電偶兩端溫度相同不能測溫。 理論上講，任何兩種不同材料的導(dǎo)體都可以組成熱電偶，但為了準(zhǔn)確可靠地測量溫度，對(duì)組成熱電偶的材料必須經(jīng)過嚴(yán)格的選擇。工程上用于熱電偶的材料應(yīng)滿足以下條件：熱電動(dòng)勢變化盡量大，熱電動(dòng)勢與溫度關(guān)系盡量接近線性關(guān)系，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，易加工，復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，有良好的互換性。 （ 1）熱電偶常用材料（見表） （ 2）常用熱電偶的結(jié)構(gòu)類型 盡管熱電偶的熱電動(dòng)勢與熱電偶的結(jié)構(gòu)類型無關(guān)，但是由于使用要求不同，熱電偶的結(jié)構(gòu)類型又分為普通型、鎧裝型、薄膜型等。與普通型熱電偶相比，鎧裝型熱電偶具有體積小、響應(yīng)快、精度高、強(qiáng)度好、可撓性好、抗震性好等優(yōu)點(diǎn)。表面熱電偶又稱為薄膜型熱電偶，專門用于測量物件的表面溫度，使用時(shí)用膠水貼附于被測物表面，它的熱慣性極小，響應(yīng)極快?？焖贌犭娕加糜跍y量高溫熔融物質(zhì)的溫度，通常是一次性使用，故又稱為消耗式熱電偶。 熱電偶 名稱 分度號(hào) 線徑 Φ (工業(yè)用 ) 正極 材料 負(fù)極 材料 溫度 ℃ 特點(diǎn) 長期 短期 鉑－鉑銠 LB－ 3 mm 鉑銠合金絲 鉑絲 1300 1600 材料性能穩(wěn)定，測量準(zhǔn)確度較高；可做成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或基準(zhǔn)熱電偶。用途：實(shí)驗(yàn)室或校驗(yàn)其他熱電偶。測量溫度較高，一般用來測量 1000 ℃ 以上高溫。在高溫還原性氣體中（如氣體中含 CO、 H2等）易被侵蝕，需要用保護(hù)套管。材料屬貴金屬，成本較高。熱電動(dòng)勢較弱 鎳鉻－鎳硅 (鎳鋁 )熱電 偶 (K型 ) EU－ 2 ~ mm 鎳鉻合金 2%～ 3% Si， ～ %Co 其余 Ni 1000 1300 價(jià)格比較便宜，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。高溫下抗氧化能力強(qiáng)，在還原性氣體和含有 SO H2S等氣體中易被侵蝕。復(fù)現(xiàn)性好，熱電動(dòng)勢大，但精度不如 WRLB 鎳鉻－考銅 EA－ 2 ～ 2 mm 鎳鉻合金 56%Cu， 44%Ni 600 80