温度传感器

　　本文从测温的物理依据来描述测温仪表的工作原理和特点，并将目前常用种类繁多的测温仪表归为三大类。

　　在这里，我们暂不对温度这个与冷热相关的参数下一确切的定义，因为从不同角度出发可得出不同的定义，历史上也确实有不少人对温度参数定义过。在人类各种活动中，却实实在在遇到与冷热有关的现象，如热胀冷缩或冷胀热缩现象，水在4℃以上是热胀冷缩，而在4℃以下是冷胀热缩。人们掌握了物质与冷热相关的规律后，总结了各种与温度T相关的公式。当然，有的冷热现象目前尚未被总结成公式的形式，如人的情绪与冷热季节的关系。顾名思义，温度传感器是测量温度的一种的仪器或工具。人们根据现已被总结出的与温度T有关的公式，通过技术手段，研究的适用于某一公式的工具。由于测温公式是从不同的物理现象中总结出来的，因而，测温仪表的工作原理也是各种各样的，涉及不同的物理分支。这种情况决定了测温原理的多样性，也决定了它的应用上的局限性，也进而导致测温技术应用的重要性。
　　以下，按不同的工作原理讨论测温仪表。　　

　　热膨胀类温度计
　　被选定的用做测温的介质，当它所处的温度变化时，它的几何尺寸，主要是体积或面积将发生变化。利用这种原

理制成的温度计，我们统称为膨胀式温度计。按所用介质的汽、液、固不同状态，又细分成气体式、液体式和固体式三大类。
　　（1）气体膨胀式温度计。
　　由于气体的体积与压力P有关，所以在制作这类温度计时，还必须考虑压力的因素。这类温度计的代表是作为基准温度计的气体温度计和工业用的压力式温度计。所用的公式为
　　P·V=R·T                                        （1）
　　式中P为气体的压力；V为气体的体积；R与气体的种类（分子量）和质量以及气体普适恒量有关，当所选的气体被认为是理想气体，R是常量。这种温度计有定容式和定压式两种。定容式是恒定装气体的容积，通过测量压P来确定温度T。定压式是通过恒定气体的压力，通过测定气体的容积变化来确定温度T的变化。精密型气体温度计是国际温标中规定的实现热力学第二定律的基准仪器。
　　工业用的压力式温度计通常是做成定容式，通过测量气体的压力来测定温度的。较多地用于锅炉的温度测量。
　　（2） 液体膨胀式温度计
　　这种温度计根据选用的介质不同而有种类繁多的品种，结构形式也很多。所用公式为
　　Vt=V0(1+α·Δt)                                     (2)
　　式中Vt为温度为T时的体积；Vo为原始体积i；Δt为变化的温度；α为膨胀系数；T=to+Δt；to为体积为Vo时的温度。这种温度计中最常见的是玻璃水银温度计。另外还有酒精等有机液体温度计。在工业用温度计中，液体温度计的精度是较高的。
　　（3） 固体膨胀式温度计
　　当两种热膨胀系数不同的材料，尤其是热膨胀系数相差较大的金属，被固定在一起时，在温度变化的情况下，就会产生弯曲。通过机械机构将弯曲转变成转角，则转角的大小就表示温度变化的大小。这就是双金属温度计。这种温度计的特点是抗振性能好。通过不同的金属材料的选配，可使温度计具有不同的测温范围。这种温度计的精度不很高，但稳定可靠。应用较多。

　　热电类温度计
　　许多纯金属、合金和半导体的某些电性能，会随着所处温度的变化而发生变化。人们利用这些变化来测量温度。属于这一类的温度仪表有热电偶、热电阻、热敏电阻温度计和半导体温度计。
　　（1） 热电偶
　　两种不同的金属或合金的一端连接在一起（称热端）时，即构成热电偶。敞开的两个端点（称冷端）之间就可能产生电动热E。将热端作为测温端，而通常将冷端置于0℃或用补偿导线和电测仪器将冷端补偿到0℃。E和被测温度t之间的关系与热电偶类别和被测温区间有关。以常用的铂铑类热电偶为例，E和t的关系，当冷端为0℃时，如（3）式：

　　式中，i=1,2,3…；ai、bi、ci、di及i的具体

数值与热电偶的种类和被测温区有关。
　　对铂铑10—铂热电偶：在-50~630.74℃ 温区，a=6；ai为具体常数；bi=ci=di=0。在630.54~1064.43℃温区，m=2；bi为具体常数；ai=ci=di=0。在1064.43~1665℃温区，n=3；ci为具体常数；ai=bi=di=0。在1665~1767.6℃温度，p=3；di为具体常数；ai=bi=ci=0。对铂铑30—铂6热电偶：在全部0~1820℃温区，a=8；ai为具体常数；bi=ci=di=0。对铂铑13—铂热电偶：在-50~630.74℃温区，a=7；ai为具体常数；bi=ci=ci=0。在630.74~1064.43℃温区，m=3；bi为具体常数；ai=ci=di=0。在1064.43~1665℃温区，n=3；ci为具体常数；ai=bi=di=0。在1665~1767.6℃温区，p=3；di为具体常数；ai=bi=ci=0。
　　热电偶的品种很多，除上述的铂铑类外，常用的还有镍铬—镍硅（镍铝）、镍铬—康铜、铁—康铜、铜—康铜、钨（钅来）5—钨（钅来）26、钨（钅来）3—钨（钅来）25以及铂铑40—铂铑20、铱铑40—铱等。热电偶的测温范围很宽，按热电偶的不同品种，测温下限可达-200℃，上限可达2300℃。热电偶的性能稳定，但对工作现场的气氛要求高。有的适用于氧化性气氛，如铂铑类，而不适用于还原性气氛；有的热电偶则相反，如钨（钅来）类。这种情况必须注意。否则，热电偶的工作寿命将大大缩短。由现场气氛问题而引出的热电偶保护管是热电偶现场应用方面的重要事项，此处从略。通过热电偶偶丝的不同连接方法，可直接测出两点之间的温差，从而避开两点分别测温而引入的误差。用裸丝测温固体表面温度时，为减小偶丝带走热量而造成被测表面温度降低，可将热电偶的热端断开（一般情况下是焊在一起的），把热电偶的两根极棒分别单独和被测表面良好连接。这样，两极棒之间的被测表面成了热端，增大了热容量，偶丝带走的热量就可忽略不计了，从而提高测量精度。热电偶还被用来测量高速气流的温度，其中的主要问题是：温度传感器在高速气流中的反应时间和恢复系数。目前，时间常数最快为10ms。

　

　　（2） 热电阻
　　某些金属的电阻值随它所处温度变化改变。人们把这种工作原理的测温仪表叫热电阻。目前，常用的多为纯金属。如铂、铜和镍。铂热电阻的电阻值与所处温度的关系符合下式：
　　Rt=Ro[1+A·t 2+B·t 2+C(t-100)t 3],(-200~0℃)                                     （4）
　　和Rt=(1+ A·t 2+B·t 2)  (0~850℃) （4’）
　　式中Rt和Ro为温度为t和0℃时的电阻值；A、B、C为常数。此式适于工业用的热电阻。对于实现国际温标的铂电阻，由于公式比较复杂，此处略。对于铜和镍热电阻，用公式（4’）。
　　热电阻的特点是测温精度高，覆盖温区也较宽。作为实现国际温标的铂电阻，它的低温限为13.8033K，高温限为961.78℃。当然，高温铂电阻的结构与低温铂电阻是不同的。工业用铂电阻的测温范围为-200~850℃。铜热电阻的测温范围较窄，为-50℃—150℃，精度也略低。但它的灵敏度高，价格也低。镍热电阻的灵敏度最高。热电阻在应用中有一个自热现象，应当予以关注。这是由于在测量热电阻的电阻值时，流过热电阻的电流使热电阻产生焦尔热，从而造成测温误差。通常采取的克服措施是将测试电流尽量降低。铂热电阻可做成喷涂式，以减少铂电阻的热容，进而减少响应时间。
　　（3）热敏电阻温度计
　　热敏电阻不是热电阻，两者不可混淆。热敏电阻不是由纯金属构成的。虽然，它们的电阻值都随着温度变化，但变化规律是完全不同的。热敏电阻的阻值与所处温度的关系符合下式：
　　RT=Ro·a B/T                          （5）
　　式中，RT为温度为T时的电阻值，；Ro通常为25℃时的电阻值；B为常数，绝对值在于500K~4000K之间；B值

有正、负之分。B为正值时，热敏电阻为正温度系数；B为负值时，热敏电阻为负温度系数。热敏电阻温度计的特点是灵敏度非常高，这对处理电路有好处；价格也低廉。它的缺点是性能的分散性大，这可从B值的变化范围看出。RT随温度变化的曲线弯曲程度也较大。通过对大量热敏电阻元件的筛选和计算机技术对热敏电阻特性曲线的处理，这种温度计也已取到较多的应用。
　　（4）半导体P-N结温度计
　　这种温度计是利用半导体二极管的P-N结上的正向压降随所处温度变化而制成的温度测量仪表。P-N结的正向压降VF与所处温度T的关系符合下式：
　　VF=Vg- K·T/q(LnD+r·LnT-LnIF )  （6）
　　式中，IF为正向流过P-N结的电流；Vg为材料的禁带宽度；K为波尔茨曼常数；q为电子电荷；D为与材料和工艺有关的常数；r为与迁移率有关的常数。实际上，在一定温度内，IF、Vg、K、q、D和r都是常数或可近似于常数，故VF的微分电压dVF/dT可变成
　　dVF /dT=-c1-c2LnT，c1、c2为常数。（6’）
　　在较窄的温度范围内，
　　dVF /dT·2.1mv/℃1。（6”）
　　大多数这类温度计是根据式（6”）制成的。这类温度计的特点是灵敏度高，也较稳定。不足之处是测温范围较窄，应用场合受限。
　　以上两大类温度计，有时被统称为接触式温度计。因为它们的传感器部分必须和被测介质直接接触，才能测到正确的温度值。在接触式温度测量中，另有两种测量工具：测温锥和测温纸，需要提一下。测温锥主要用于窑炉中，当窑温达到一定温度时，这种放在窑中的测温锥就会软化而倒下。很多地方的窑工就是用这种方法得知窑内温度的。根据不同的配方，可预制成不同软化点的测温锥。这种测温方法的测温精度是低的，也不能实现窑温的自动控制。测温纸的测温方法，是将这种测温纸粘在被测工件上，当被测工件的温度变化时，测温纸的颜色改变。不同颜色对应不同的温度。这种测温纸的价格便宜，其缺点是测温范围窄，无电信输出。

　　辐射类温度计
　　高于绝对零度（即开氏温标中的零）的物体都与周围物体进行以辐射形式的能量交换。物体一方面向周围发射能量，另一方面吸收来自周围物体的能量。发射的或吸收的能量是按波长分布的。波长的范围是0~∞。普通物体在有些波长或波段上发射或吸收的能量多些，而在另一些波长或波段上少些，甚至没有。而黑体，这种人为假想的物体，则在所有波长上都向外界发射能量和吸收来自外界的能量。黑体向外界发射的能量W（l,T），D符合普朗克公式，即下式：
　　W（l,T）=C1l-5·（exp (C2/l,T-1）-1 ) (7)
　　式中，C1和C2为常数，l为波长；T为黑体的温度，以开尔文计，即K计。黑体虽是假想的，但黑体模型能解释实际现象，并已被证实验验证。因此，普朗克公式已被普遍确认是正确的。有了黑体的名称，其他物体就称为非黑体了。有些地方把辐射能量表示成辐射功率，这是把时间因素加进去了，实质是一样的。辐射类测温的理论依据就是普朗克公式。由于现实的被测物体不是黑体，因此按黑体的辐射公式制作的辐射类温度计，在测量实际物体的温度时，就存在一个修正问题，通常称为发射率e（l.T）修正。这是这类温度计的一个先天不足地方。由于物体的发射率e（l.T）与波长l和温度T有关，而且还与被测物体的表面状态有关，如粗糙度。至今还没有找到一个普遍适用的发射率修正方法，只能靠经验了。值得庆幸的是，我们已经积累了较多的经验。
　　这类温度计的分类有不同的方法：按温度计所用的波段数量来分类，可分成单波段温度计、双波段温度计和多波段温度计。按波段的宽窄分类，可分成宽波段温度计和窄波段温度计。按所用波段在光谱中位置分类，可分成短波温度计和长波温度计。按所测量的目标大小分类，可分成大目标温度和小目标温度计和测微温度计。按可测温度的高低分类，可分成高温温度计和低温温度计。按被测目标的几何子分类，可分成点温度计、面温度计和体温度计。按温度计的响应速度分类，可分成一般速度温度计和快速温度计。另外还可按温度计对辐射信号处理情况分类，如取信号的最大值或最小值等。每一种分类，除和温度计的结构及所选用的元器件有关外，都和应用现场有关。处理不当，就影响现场测温精度。对用户而言，按不同分类方法选用温度计是非常重要的。这也是辐射类温度计的现场应用效果较差的重要原因。以下按温度计所用波段数量的分类方法进行叙述，兼论按被测目标几何因子的分类方法以及仪表。
　　（1） 单波段温度计。这种温度计的品种和数量在辐射类温度计中都是最多的。这种温度计的特点是容易做到根据被测对象的光谱特征确定温度计的工作波段，以取得满意结果。例如，玻璃在可见光的波段内是透明的，发射率接近零，即在可见光的波段内几乎不发射能量。而在4.8~5.6mm波段内，发射率近于1，非常接近黑体。这时，选用4.8

~5.6mm波段作温度计的工作波段，温度测量精度可做到非常高。类似的情况很多，如胶卷和其他塑料薄膜。而在测量一般不透明物体，如钢铁耐火材料的情况下，则选用工作波段处于短波的温度计较好。因为一般的不透明物体的发射率e（l.T）不为1，且随波长有明显地变动，但操作者并不知道发射率的具体数值，而人为凭经验修正也只能将发射率的主要部分修正，而发射率的波动部分，尤其是随温度变化的部分是难以修正的。这种情况下，发射率及其变化对短波温度计测温精度的影响小，对长波温度计的影响大。这种关系是可以用公式表达的（略）。单波段温度计的输出信号V与被测温度T的关系符合式（８）：

　　式中e（l,T）为被测对像的发射率，Tl为滤光片的透过率；Rl为探测元件的光谱响应率；C为机械常数。
　　（2） 双波段温度计。这种温度计是利用两个波段上的信号之比值与被测温度的关系进行测温的。其表达式如下：
　　T=f(V1/V2)                &nb

sp;                （9）
　　式中，V1和V2分别为第一波段和第二波段上产生的信号。从式（9）可以看出这种温度计的特点：当两个波段上的信号同时增加或缩小相同信号数时，比值V1/V2不变，进而温度计测得的温度值不变。这种温度计的应用场合是有完全不透明的低温固体颗粒遮挡被测目标的现场。因完全不透明的低温颗粒造成V1和V2以相同比例衰减，所以温度计的示值不变。这是单波段温度计做不到的。但当遮挡目标的颗粒是对波长有选择性的，即对V1和V2不是等比例衰减时，所造成的测温误差将比单波段温度计大得多。
　　除单波段温度计和双波段温度计外，还出现过多波段温度计，目的都是为了克服发射率和现场介质对测温精度的影响。但由于应用效果不够理想和技术上的复杂性，如难以得到较宽的测温范围，而没有得到推广。
　　（3） 线扫描温度计。将一组相同的探测元件相邻排列成直线，则每个元件通过光学系统瞄准被测目标上的一个点，这一组元件就取得被测目标上的一条线上各点的温度信号，也即这种温度计可测线上的温度分布。每个元件所得信号与被测点的温度值的关系也都符合式（8）。这种温度计称线温度计。与之对应的，只装一个探测元件的温度计可称点温度计，简称为点温计。
　　（4） 热像仪。也称面扫描温度计。将一组相同的探测元件集成到一个平面上，制成一个探测器列阵。列阵上每个元件通过光学系统瞄准被测目标上的一个点，则每个元件产生的信号对应于被测目标上相应点的温度。通过对列阵上元件的信号处理，就得到被测目标上一个相应面的温度分布，这种温度分布应该叫热图。这种温度计叫热象仪。从温度测量的角度看，它可称作面温度计。早期的热象仪是用一个探测元件的，通一组帧扫描镜和一组行扫描镜，按时间顺序，将目标上各点的辐射会聚到探测元件上，通过对元件产生的信号进行处理，得到目标上的热图。最早进入中国的热象仪是瑞典AGA公司的产品。
　　（5） 体温计。某些半透明物体，如玻璃，除表面发射能量外，在表面以下一定深度的地方发射的辐射能量可以穿过表面从而进入温度计。通过对这两部分信号的处理，温度计除可测量表面温度外，还可测量被测表面以下一定深度处的温度。这时的温度计可称作体温计，因它测得的温度分布情况构成了一个立体温度分布图。
　　顺便提一下，有人把辐射测温称作非接触测量。这种叫法似乎不太确切。虽然达种情况下，温度计没有与被测物体机械接触，但温度计是通过电磁场与被测物体接触的。因光波也是电磁波。另外，近些年来，光纤激光测温也渐已形成产品，最短分辨距离可达0.45米。由于篇幅，略。