1.2 溫度傳感器

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是需要測量和控制的重要參數(shù)之一。溫度傳感器一般分為接觸式和非接觸式兩大類，所謂接觸式就是傳感器直接與被測物體接觸進(jìn)行溫度測量，這是溫度測量的基本形式；而非接觸式是通過測量物體熱輻射發(fā)出的紅外線測量物體的溫度。接觸式溫度傳感器有熱電偶、熱電阻等，利用其產(chǎn)生的熱電動勢或電阻隨溫度變化的特性來測量物體的溫度，廣泛應(yīng)用于家用電器、汽車、船舶、控制設(shè)備、工業(yè)測量、通信設(shè)備等方面。

1.2.1 熱電偶

1.熱電偶工作原理

如圖1-5所示，將兩種不同成分的導(dǎo)體組成一個閉合回路，當(dāng)閉合回路的兩個接點分別置于不同的溫度場時，回路中將產(chǎn)生一個電動勢，該電動勢的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點的溫度有關(guān)，這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”。單個導(dǎo)體稱為“熱電極”；兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”。熱電偶的兩個接點，一個稱為工作端或熱端（T），另一個稱為自由端或冷端（T0）。

對于各種不同導(dǎo)體組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有著不同的函數(shù)關(guān)系。使用熱電偶測量時，需要查閱熱電偶分度表（T0=0℃時溫度與熱電動勢的對應(yīng)表），根據(jù)熱電動勢的大小確定測量溫度。

課堂討論

2.熱電偶的材料及結(jié)構(gòu)

1）熱電偶的材料

目前我國大量生產(chǎn)和使用的熱電偶共有七個品種，分別是：鉑銠10-鉑、鉑銠13-鉑、鉑銠30-鉑銠6、鎳鉻-鎳鋁、銅-銅鎳、鐵-銅鎳及鎳鉻-銅鎳。這些材料的熱電偶性能符合專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（或國家標(biāo)準(zhǔn)），并具有統(tǒng)一的分度表，被稱為定性熱電偶材料。此外，我國還生產(chǎn)一些未定性的熱電偶材料，如鉑銠20 -鉑銠5、鎢錸5 -鎢錸26等。

2）熱電偶的結(jié)構(gòu)

（1）普通工業(yè)熱電偶的結(jié)構(gòu)。通常由熱電極、絕緣管、保護(hù)管和接線盒四個部分組成（如圖1-6所示）。熱電極又稱偶絲，普通金屬絲做成的偶絲的直徑一般為0.5～3.2mm，貴重金屬做成的偶絲的直徑一般為0.3～0.6mm；絕緣管又稱絕緣子，是用于熱電極之間及熱電極與保護(hù)管之間進(jìn)行絕緣保護(hù)的裝置，材料為黏土質(zhì)、高鋁質(zhì)、剛玉質(zhì)等；保護(hù)管是用來保護(hù)熱電偶感溫元件免受被測介質(zhì)化學(xué)腐蝕和機(jī)械損傷的裝置，材料有金屬、非金屬及金屬陶瓷三大類；接線盒是用來固定接線座和作為連接補償導(dǎo)線的裝置。

（2）鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)。鎧裝熱電偶（如圖1-7所示）是將熱電極、絕緣管和保護(hù)管一起拉制后加工而成的纜狀組合體，絕緣材料為氧化鎂，保護(hù)管通常是不銹鋼管。

3.熱電偶的冷端補償

由于熱電偶的分度表是在冷端溫度為0℃時作出的，因此在使用時要使冷端溫度恒為0℃。但在實際應(yīng)用中，熱電偶的冷端通常靠近被測對象，且受到周圍環(huán)境的影響，其溫度不是恒定不變的，為此，必須采用一些相對應(yīng)的措施進(jìn)行補償或修正。常用的方法有冷端恒溫法、補償導(dǎo)線法、計算修正法、電橋補償法、顯示儀表零位調(diào)整法（機(jī)械零位調(diào)整法）等。

課堂討論

【注意】 使用熱電偶補償導(dǎo)線進(jìn)行溫度補償時，要注意各種補償導(dǎo)線只能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（0～100℃）與相應(yīng)型號的熱電偶配用，連接時兩根補償導(dǎo)線與熱電偶兩個熱電極的接點溫度必須相同，還要注意補償導(dǎo)線的極性（紅色為正極，其他顏色為負(fù)極），切勿接反。補償導(dǎo)線外形圖如圖1-9所示。

4.熱電偶的應(yīng)用

使用熱電偶測量溫度，一支熱電偶用于測量某一點的溫度；兩支型號相同的熱電偶同向串聯(lián)可以測量兩點的溫度之和；兩支型號相同的熱電偶反向串聯(lián)可以測量兩點之間的溫度之差；多支型號相同的熱電偶并聯(lián)可以測量多點的平均溫度（如圖1-10所示）。

1.2.2 熱電阻傳感器

熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性進(jìn)行測量的溫度傳感器，可以分成金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類。具有測量精度高、測量范圍較大（尤其是中低溫區(qū)）、易于使用的優(yōu)點，在自動測量和遠(yuǎn)距離測量中應(yīng)用廣泛。

1.金屬熱電阻

金屬熱電阻是利用金屬導(dǎo)體電阻值隨溫度的升高而升高的特性來測量溫度的。目前使用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅，隨著測量技術(shù)的發(fā)展，已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。

鉑熱電阻性能穩(wěn)定，主要用于高精度的溫度測量和標(biāo)準(zhǔn)測溫裝置，測量精度高，測溫范圍為-200～850℃；銅熱電阻價格便宜，易于提純，在溫度稍高或侵蝕性介質(zhì)中使用時易氧化，所以測溫范圍較小，在-50～150℃范圍內(nèi)性能較好。

應(yīng)用時，熱電阻測量電路的接線方式有二線制、三線制和四線制（如圖1-11所示）。

課堂討論

問題：某測溫現(xiàn)場使用鉑電阻測溫，通過實驗測溫效果很好，現(xiàn)在想將測量信號引到控制室統(tǒng)一管理，應(yīng)該怎樣連線？

答案：從測溫現(xiàn)場到控制室之間有一段距離，用導(dǎo)線直接連接時，周圍溫度會發(fā)生變化，導(dǎo)線電阻的阻值會隨溫度的變化而變化，產(chǎn)生較大的誤差。因此，應(yīng)該使用三線制或四線制，通過電橋平衡消除延長導(dǎo)線帶來的測量誤差。

2.半導(dǎo)體熱電阻

半導(dǎo)體熱電阻又稱為熱敏電阻，它是一種新型半導(dǎo)體測溫元件，可分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR），特性曲線如圖1-12所示。

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻常見的是由金屬氧化物組成的，如錳、鈷、鐵、鎳、銅等多種氧化物混和燒結(jié)而成；正溫度系數(shù)熱敏電阻通常是在鈦酸鋇陶瓷中加入雜質(zhì)以增大電阻溫度系數(shù)，當(dāng)流過PTC的電流超過一定限度或PTC感受到的溫度超過一定限度時，其阻值突然增加，起限流保護(hù)作用；臨界溫度系數(shù)熱敏電阻是一種具有開關(guān)特性的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，當(dāng)外界溫度達(dá)到阻值急劇轉(zhuǎn)變的溫度時，引起半導(dǎo)體與金屬之間的變化，利用這種特性可制成熱保護(hù)開關(guān)、溫控報警器件等。

3.熱敏電阻的應(yīng)用

1）測量溫度

熱敏電阻結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、使用方便。沒有外面保護(hù)層的熱敏電阻只能應(yīng)用在干燥的地方；密封的熱敏電阻不怕濕氣的侵蝕，可以使用在較惡劣的環(huán)境下。

2）溫度補償

在一定溫度范圍內(nèi)，熱敏電阻可以對金屬元件進(jìn)行溫度補償，如動圈式表頭的金屬動圈；也可以補償電路中由于溫度變化引起的漂移誤差，如三極管電路。

3）溫度控制

熱敏電阻與繼電器配合使用，可以實現(xiàn)溫度控制或過熱保護(hù)。