温度传感器原理

温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：

1.传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要是能够进行非电量和电量之间转换。

2.模拟集成温度传感器/控制器。

3.智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。

温度传感器的分类

温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。

接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这是的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。

非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理。此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。

温度传感器的发展

1.传统的分立式温度传感器——热电偶传感器

热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到-269℃，钨——铼最高可达2800℃。

2.模拟集成温度传感器

集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。

模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

2．1光纤传感器

光纤式测温原理

光纤测温技术可分为两类:一是利用辐射式测量原理,光纤作为传输光通量的导体,配合光敏

元件构成结构型传感器;二是光纤本身就是感温部件同时又是传输光通量的功能型传感器。光纤挠性好、透光谱段宽、传输损耗低,无论是就地使用或远传均十分方便而且光纤直径小,可以单根、成束、Y型或阵列方式使用,结构布置简单且体积小。因此,作为温度计,适用的检测对象几乎无所不包,可用于其他温度计难以应用的特殊场合,如密封、高电压、强磁场、核辐射、严格防爆、防水、防腐、特小空间或特小工件等等。目前,光纤测温技术主要有全辐射测温法、单辐射测温法、双波长测温法及多波长测温等

2.1.1 全辐射测温法

全辐射测温法是测量全波段的辐射能量,由普朗克定律:

测量中由于周围背景的辐射、测试距离、介质的吸收、发射及透过率等的变化都会严重影响准确度。同时辐射率也很难预知。但因该高温计的结构简单,使用操作方便,而且自动测量,测温范围宽,故在工业中一般作为固定目标的监控温度装置。该类光纤温度计测量范围一般在600～3000℃,最大误差为16℃。

2.1.2 单辐射测温法

由黑体辐射定律可知,物体在某温度下的单色辐射度是温度的单值函数,而且单色辐射度的增长速度较温度升高快得多,可以通过对于单辐射亮度的测量获得温度信息。在常用温度与波长范围内,单色辐射亮度用维恩公式表示:

2.1.3 双波长测温法

双波长测温法是利用不同工作波长的两路信号比值与温度的单值关系确定物体温度。两路信号的比值由下式给出:

际应用时,测得R(T)后,通过查表获知温度T。同时,恰当地选择λ1和λ2,使被测物体在这两特定波段内,ε(λ1,T)与ε(λ2,T)近似相等,就可得到与辐射率无关的目标真实温度。这种方法响应快,不受电磁感应影响,抗干扰能力强。特别在有灰尘,烟雾等恶劣环境下,对目标不充满视场

的运动或振动物体测温,优越性显著。但是,由于它假设两波段的发射率相等,这只有灰体才满足,因此在实际应用中受到了限制。该类仪器测温范围一般在600～3000℃,准确度可达2℃。

2.1.4 多波长辐射测温法

多波长辐射测温法是利用目标的多光谱辐射测量信息,经过数据处理得到真温和材料光谱发射率。考虑到多波长高温计有n个通道,其中第i个通道的输出信号Si可表示为:

将式(9)～(13)中的任何一式与式(8)联合,便可通过拟合或解方程的方法求得温度T和光谱发射率。Coates[8,9]在1988年讨论了式(9)、(10)假设下多波长高温计数据拟合方法和精度问题。1991年Mansoor[10]等总结了多波长高温计数据拟合方法和精度问题。该方法有很高的精度,目前欧共体及美国联合课题组的Hiernaut等人已研究出亚毫米级的6波长高温计(图4),用于2000～5000K真温的测量[11]。哈尔滨工业大学研制成了棱镜分光的35波长高温计,并用于烧蚀材料的真温测量。多波长高温计在辐射真温测量中已显出很大潜力,在高温,甚高温,特别是瞬变高温对象的真温测量方面,多波长高温计量是很有前途的仪器。该类仪器测温范围广,可用于600～5000℃温度区真温的测量,准确度可达±1%。

2.1.5 结论

光纤技术的发展,为非接触式测温在生产中的应用提供了非常有利的条件。光纤测温技术解决了许多热电偶和常规红外测温仪无法解决的问题。而在高温领域,光纤测温技术越来越显示出强大的生命力。全辐射测温法是测量全波段的辐射能量而得到温度,周围背景的辐射、介质吸收率的变化和辐射率εT的预测都会给测量带来困难,因此难于实现较高的精度。单辐射测温法所选波段越窄越好,可是带宽过窄会使探测器接收的能量变得太小,从而影响其测量准确度。多波长辐射测温法是一种很精确的方法,但工艺比较复杂,且造价高,推广应用有一定困难。双波长测温法采用波长窄带比较技术,克服了上述方法的诸多不足,在非常恶劣的条件下,如有烟雾、灰尘、蒸汽和颗粒的环境中,目标表面发射率变化的条件下,仍可获得较高的精度

2.2半导体吸收式光纤温度传感器是一种传光型光纤温度传感器。所谓传光型光纤温度传感器是指在光纤传感系统中，光纤仅作为光波的传输通路，而利用其它如光学式或机械式的敏感元件来感受被测温度的变化。这种类型主要使用数值孔径和芯径大的阶跃型多模光纤。由于它利用光纤来传输信号，因此它也具有光纤传感器的电绝缘、抗电磁干扰和安全防爆等优点，适用于传统传感器所不能胜任的测量场所。在这类传感器中，半导体吸收式光纤温度传感器是研究得比较深入的一种。

半导体吸收式光纤温度传感器由一个半导体吸收器、光纤、光发射器和包括光探测器的信号处理系统等组成。它体积小，灵敏度高，工作可靠，容易制作，而且没有杂散光损耗。因此应用于象高压电力装置中的温度测量等一些特别场合中，是十分有价值的。

B 半导体吸收式光纤温度传感器的测温原理

半导体吸收式光纤温度传感器是利用了半导体材料的吸收光谱随温度变化的特性实现的。根据的研究，在20~972K 温度范围内，半导体的禁带宽度能量Eg 与

温度T 的关系为

"

3.智能温度传感器

智能温度传感器(亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE_）的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平。

3.1数字温度传感器。

随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益繁多，数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。其中，比较有代表性的数字温度传感器有DS1820、MAX6575、DS1722、MAX6635等。

一、DS1722的工作原理

1 、DS1722的主要特点

DS1722是一种低价位、低功耗的三总线式数字温度传感器，其主要特点如表1所示。

2、DS1722的内部结构

数字温度传感器DS1722有8管脚m-SOP封装和8管脚SOIC封装两种，其引脚排列如图1所示。它由四个主要部分组成：精密温度传感器、模数转换器、SPI/三线接口电子器件和数据寄存器，其内部结构如图2所示。

开始供电时，DS1722处于能量关闭状态，供电之后用户通过改变寄存器分辨率使其处于连续转换温度模式或者单一转换模式。在连续转换模式下，DS1722连续转换温度并将结果存于温度寄存器中，读温度寄存器中的内容不影响其温度转换；在单一转换模式，DS1722执行一次温度转换，结果存于温度寄存器中，然后回到关闭模式，这种转换模式适用于对温度敏感的应用场合。在应用中，用户可以通过程序设置分辨率寄存器来实现不同的温度分辨率，其分辨率有8位、9位、10位、11位或12位五种，对应温度分辨率分别为1.0℃、0.5℃、0.25℃、0.125℃或0.0625℃，温度转换结果的默认分辨率为9位。DS1722有摩托罗拉串行接口和标准三线接口两种通信接口，用户可以通过SERMODE管脚选择通信标准。

3、DS1722温度操作方法

传感器DS1722将温度转换成数字量后以二进制的补码格式存储于温度寄存器中，通过SPI 或者三线接口，温度寄存器中地址01H和02H中的数据可以被读出。输出数据的地址如表2所示，输出数据的二进制形式与十六进制形式的精确关系如表3所示。在表3中，假定DS1722 配置为12位分辨率。数据通过数字接口连续传送，MSB（最高有效位）首先通过SPI传输，LSB（最低有效位）首先通过三线传输。

4、DS1722的工作程序

DS1722的所有的工作程序由SPI接口或者三总线通信接口通过选择状态寄存器位置适合的地址来完成。表4为寄存器的地址表格，说明了DS1722两个寄存器（状态和温度）的地址。

1SHOT是单步温度转换位，SD是关闭断路位。如果SD位为“1”，则不进行连续温度转换，1SHOT位写入“1”时，DS1722执行一次温度转换并且把结果存在温度寄存器的地址位01h(LSB)和02h(MSB)中，完成温度转换后1SHOT自动清“0”。如果SD位是“0”，则进入连续转换模式，DS1722将连续执行温度转换并且将全部的结果存入温度寄存器中。虽然写到1SHOT位的数据被忽略，但是用户还是对这一位有读/写访问权限。如果把SD改为“1”，进行中的转换将继续进行直至完成并且存储结果，然后装置将进入低功率关闭模式。

传感器上电时默认1SHOT位为“0”。R0，R1，R2为温度分辨率位，如表5所示（x=任意值）。用户可以读写访问R2，R1和R0位，上电默认状态时R2=“0”，R1=“0”，R0=“1”（9位转换）。此时，通信口保持有效，用户对SD位有读/写访问权限，并且其默认值是“1”（关闭模式）。

二、智能温度传感器DS18B20的原理与应用

DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

2DS18B20的内部结构

DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图1所示。

(1) 64 b闪速ROM的结构如下：

开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。

(2) 非易市失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。

(3) 高速暂存存储器

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E 2RAM。后者用于存储TH，TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给E 2RAM。而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节，他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下：

低5位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，即是来设置分辨率，如表1所示（DS18B20出厂时被设置为12位）。

由表1可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。

高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8个字节组成，其分配如下所示。其中温度信息（第1，2字节）、TH和TL值第3，4字节、第6～8字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。

当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1，2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0 062 5 ℃/LSB形式表示。温度值格式如下：

对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。表2是对应的一部分温度值。

DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH，TL作比较，若T>TH或T

(4) CRC的产生

在64 b ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。

3DS18B20的测温原理

DS18B20的测温原理如图2所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小〔1〕，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 ℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在 -55 ℃ 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

一、温度传感器热电偶的应用原理

温度传感器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。因温度传感器热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

②测量范围广。常用的温度传感器热电偶从-50~ 1600℃均可边续测量，某些特殊温度传感器热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达2800℃（如钨-铼）。

③构造简单，使用方便。温度传感器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．温度传感器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，如图2-1-1所示。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。温度传感器热电偶就是利用这一效应来工作的。

2．温度传感器热电偶的种类及结构形成

3．（1）温度传感器热电偶的种类

常用温度传感器热电偶可分为标准温度传感器热电偶和非标准温度传感器热电偶两大类。所调用标准温度传感器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温度传感器热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化温度传感器热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化温度传感器热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化温度传感器热电偶我国从1988年1月1日起，温度传感器热电偶和温度传感器热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化温度传感器热电偶为我国统一设计型温度传感器热电偶。

(2)温度传感器热电偶的结构形式为了保证温度传感器热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：

①组成温度传感器热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；

②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；

③补偿导线与温度传感器热电偶自由端的连接要方便可靠；

④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

3．温度传感器热电偶冷端的温度补偿

由于温度传感器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温度传感器热电偶的冷端（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，温度传感器热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使温度传感器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。

在使用温度传感器热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与温度传感器热电偶连接端的温度不能超过100℃。

二、温度传感器热电阻的应用原理

温度传感器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。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

1．温度传感器热电阻测温原理及材料

温度传感器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。温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造温度传感器热电阻。

2．温度传感器热电阻的结构

（1）精通型温度传感器热电阻工业常用温度传感器热电阻感温元件（电阻体）的结构及特点见表2-1-11。从温度传感器热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过温度传感器热电阻阻值的变化来测量的，因此，温度传感器热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制。

（2）铠装温度传感器热电阻铠装温度传感器热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，如图2-1-7所示，它的外径一般为φ2~φ8mm，最小可达φmm。

与普通型温度传感器热电阻相比，它有下列优点：①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击；③能弯曲，便于安装④使用寿命长。

（3）端面温度传感器热电阻端面温度传感器热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面，其结构如图2-1-8所示。它与一般轴向温度传感器热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。

（4）隔爆型温度传感器热电阻隔爆型温度传感器热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型温度传感器热电阻可用于Bla~B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。

3．温度传感器热电阻测温系统的组成

温度传感器热电阻测温系统一般由温度传感器热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点：

①温度传感器热电阻和显示仪表的分度号必须一致

②为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。具体内容参见本篇第三章。

（2）铠装温度传感器热电阻铠装温度传感器热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，如图2-1-7所示，它的外径一般为φ2~φ8mm，最小可达φmm。与普通型温度传感器热电阻相比，它有下列优点：①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击，③能弯曲，便于安装④使用寿命长。（3）端面温度传感器热电阻端面温度传感器热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面，其结构如图2-1-8所示。它与一般轴向温度传感器热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。

（4）隔爆型温度传感器热电阻隔爆型温度传感器热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影电阻体的断路修理必然要改变电阻丝的长短而影响电阻值，为此更换新的电阻体为好，若采用焊接修理，焊后要校验合格后才能使用温度传感器是工业生产中最常见的一种传感器。它将物体的温度转化为电信号输出，它具有结构简单，测量范围宽，稳定性好、精度高等优点。不同的温度传感器制作方法不同，常见的有热敏电阻、热电偶和集成型产品。其发展大体经历了从分体式、模拟集成到智能型阶段。现在的温度传感器不仅温度信号输出，还可以集成湿度测量，信号输出也由原来的单一信号变成多样化的输出形式，可以进行远距离通信，数据可以根据需要进行记录、上限报警和自控控制等多种功能。

热电偶有标准热电偶和非标准热电偶两种，标准热电偶严格遵循热电势与温度之前的关系，并有统一的分度号，其误差也在允许范围之内。非标准热电偶通常是根据特殊测量需要制作而成的，它没有测量范围上没有统一的标准，也没有分度号。

热电阻用得最多的当属铂电阻和铜热电阻，铂电阻测量温度范围更大，精度更高。铂电阻和铜热电阻其电阻和温度变化值都有统一的标准。Rt=R0[1+α（t-t0）]，它只跟初始温度和材料温度系数有关。

现在用的智能集成型温度传感器采用单片机技术，里面装有多位模数信号转换器，其测量精度更高，分辨力更是高达0.03度，里面还可以集成日历时钟，实现多种测量模式之间切换，输出更具规范化和标准化，可以有效抑制周围环境对温度信号输出的干扰，使得测量值更加精确。

温度传感器输出的温度不是待测物现在的温度，通常会有一定的误差。对于需要精确测量的场合，需选用响应速度更快的传感器。在测量过程要保护要探头，探头的寿命远远低于整个测量系统的寿命，当输出不正确的时候要及时更换。在响应时间要求不高的场合，可以用专用套管将探头包裹起来，主要可以延长探头的使用时间，不过这样会影响测量精度，两者之间需权衡好。很多热敏电阻表面都有涂敷层，要保护涂敷层不被损坏，涂敷层具有传温和保护里面元件的作用，可以防潮防腐蚀。

外部测温元件的电阻变化，导致内部电流改变，检测出温度大小。

一、温度传感器热电阻的应用原理

温度传感器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。其中铂热是阻

的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

1．温度传感器热电阻测温原理及材料

温度传感器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。温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造温度传感器热电阻。

2．温度传感器热电阻的结构

（1）精通型温度传感器热电阻工业常用温度传感器热电阻感温元件（电阻体）的结构及特点见表2-1-11。从温度传感器热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过温度传感器热电阻阻值的变化来测量的，因此，温度传感器热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制，有关具体内容参见本篇第三章第一节.

（2）铠装温度传感器热电阻铠装温度传感器热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，如图2-1-7所示，它的外径一般为φ2~φ8mm，最小可达φmm。

与普通型温度传感器热电阻相比，它有下列优点：①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击；③能弯曲，便于安装④使用寿命长。

（3）端面温度传感器热电阻端面温度传感器热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面，其结构如图2-1-8所示。它与一般轴向温度传感器热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。

（4）隔爆型温度传感器热电阻隔爆型温度传感器热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型温度传感器热电阻可用于Bla~B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。

3．温度传感器热电阻测温系统的组成

温度传感器热电阻测温系统一般由温度传感器热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点：

①温度传感器热电阻和显示仪表的分度号必须一致

②为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。具体内容参见本篇第三章。

（2）铠装温度传感器热电阻铠装温度传感器热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，如图2-1-7所示，它的外径一般为φ2~φ8mm，最小可达φmm。与普通型温度传感器热电阻相比，它有下列优点：①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；

②机械性能好、耐振，抗冲击，③能弯曲，便于安装④使用寿命长。

（3）端面温度传感器热电阻端面温度传感器热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面，其结构如图2-1-8所示。它与一般轴向温度传感器热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。

（4）隔爆型温度传感器热电阻隔爆型温度传感器热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影电阻体的断路修理必然要改变电阻丝的长

短而影响电阻值，为此更换新的电阻体为好，若采用焊接修理，焊后要校验合格后才能使用

随着时代的发展，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门，越来越需要采用湿度传感器，对产品质量的要求越业越高，对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件

之一。湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。

如何使用好湿度传感器，如何判断湿度传感器的性能，这对一般用户来讲，仍是一件较为复杂的技术问题。

下列此文供大家参考。

一、湿度传感器的分类及感湿特点

湿度传感器，分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。

国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一，质量价格都相差较大，用户如何选择性能价格比最优的理想产品确有一定难度，需要在这方面作深入的了解。湿度传感器具有如下特点：1、精度和长期稳定性

湿度传感器的精度应达到±2%~±5%RH，达不到这个水平很难作为计量器具使用，湿度传感器要达到±2%~±3%RH的精度是比较困难的，通常产品资料中给出的特性是在常温（20℃±10℃）和洁净的气体中测量的。在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题，年漂移量控制在1%RH水平的产品很少，一般都在±2%左右，甚至更高。

2、湿度传感器的温度系数

湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在0.2~0.8%RH/℃范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。温漂非线性，这需要在电路上加温度补偿式。采用单片机软件补偿，或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果，只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。多数湿敏元件难以在40℃以上正常工作。3、湿度传感器的供电

金属氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化锂等湿敏材料施加直流电压时，会导致性能变化，甚至失效，所以这类湿度传感器不能用直流电压或有直流成份的交流电压。必须是交流电供电。

4、互换性

目前，湿度传感器普遍存在着互换性差的现象，同一型号的传感器不能互换，严重影响了使用效果，给维修、调试增加了困难，有些厂家在这方面作出了种种努力，（但互换性仍很差）取得了较好效果。

5、湿度校正

校正湿度要比校正温度困难得多。温度标定往往用一根标准温度计作标准即可，而湿度的标定标准较难实现，干湿球温度计和一些常见的指针式湿度计是不能用来作标定的，精度无法保证，因其要求环境条件非常严格，一般情况，（最好在湿度环境适合的条件下）在缺乏完善的检定设备时，通常用简单的饱和盐溶液检定法，并测量其温度。

二、对湿度传感器性能作初步判断的几种方法

在湿度传感器实际标定困难的情况下，可以通过一些简便的方法进行湿度传感器性能判断与检查。

1、一致性判定，同一类型，同一厂家的湿度传感器产品最好一次购买两支以上，越多越说明问题，放在一起通电比较检测输出值，在相对稳定的条件下，观察测试的一致性。若进一步检测，可在24h内间隔一段时间记录，一天内一般都有高、中、低3种湿度和温度情况，可以较全面地观察产品的一致性和稳定性，包括温度补偿特性。

2、用嘴呵气或利用其它加湿手段对传感器加湿，观察其灵敏度、重复性、升湿脱湿性能，以及分辨率，产品的最高量程等。

3、对产品作开盒和关盒两种情况的测试。比较是否一致，观察其热效应情况。

4、对产品在高温状态和低温状态（根据说明书标准）进行测试，并恢复到正常状态下检测和实验前的记录作比较，考查产品的温度适应性，并观察产品的一致性情况。

产品的性能最终要依据质检部门正规完备的检测手段。利用饱和盐溶液作标定，也可使用名牌产品作比对检测，产品还应进行长期使用过程中的长期标定才能较全面地判断湿

度传感器的质量。

三、对市场上湿度传感器产品的几点分析

国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见，感湿材料种类主要为高分子聚合物，氯化锂和金属氧化物。电容式湿敏元件的优点在于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定，国外有些产品还具备高温工作性能。但是达到上述性能的产品多为国外名牌，价格都较昂贵。市场上出售的一些电容式湿敏元件低价产品，往往达不到上述水平，线性度、一致性和重复性都不甚理想，30%RH以下，80%RH以上感湿段变形严重。有些产品采用单片机补偿修正，使湿度出现"阶跃"性的跳跃，使精度降低，出现一致性差、线性差的缺点。无论高档次或低档次的电容式湿敏元件，长期稳定性都不理想，多数长期使用漂移严重，

湿敏电容容值变化为pF级，1%RH的变化不足0.5pF，容值的漂移改变往往引起几十RH%的误差，大多数电容式湿敏元件不具备40℃以上温度下工作的性能，往往失效和损坏。电容式湿敏元件抗腐蚀能力也较欠缺，往往对环境的洁净度要求较高，有的产品还存在光照失效、静电失效等现象，金属氧化物为陶瓷湿敏电阻，具有湿敏电容相同的优点，但尘埃环境下，陶瓷细孔被封堵元件就会失效，往往采用通电除尘的方法来处理，但效果不够理想，且在易燃易爆环境下不能使用，氧化铝感湿材料无法克服其表面结构"天然老化"的弱点，阻抗不稳定，金属氧物陶瓷湿敏电阻也同样存在长期稳定性差的弱点。氯化锂湿敏电阻，具有最突出的优点是长期稳定性极强，因此通过严格的工艺制作，制成的仪表和传感器产品可以达到较高的精度，稳定性强是产品具备良好的线性度、精密度及一致性，是长期使用寿命的可靠保证。氯化锂湿敏元件的长期稳定性其它感湿材料尚无法取代。