温度传感器简介

简谈温度传感器及研究进展

摘要：温度传感器是使用范围最广，数量最多的传感器，在日常生活，工业生产等领域都扮演着十分重要的角色。从17世纪温度传感器首次应用以来，依次诞生了接触式温度传感器，非接触式温度传感器，集成温度传感器。近年来在智能温度传感器在半导体技术，材料技术等新技术的支持下，温度传感器发展迅速。由于智能温度传感器的软件和硬件的合理配合既可以大大增强传感器的功能、提高传感器的精度，又可以使温度传感器的结构更为简单和紧凑，使用更加方便，因此智能温度传感器是当今的一个研究热点。微处理器的引入，使得温度信号的采集，记忆，存储，综合，处理与控制一体化，使温度传感器向智能化方向发展。关键词：温度传感器；智能温度传感器；接触式温度传感器

中图分类号：TP212.1 文献标识码：A

Abstract:temperature transducer is used most widely, the largest number of sensors, in daily life, such as industrial production field plays a very important role.Since the 17th century temperature sensor for the first time application, was born in turn contact temperature sensor, non-contact temperature sensor, integrated temperature sensor.Intelligent temperature sensor in recent years in semiconductor technology, materials technology, under the support of new technologies such as the temperature sensor is developing rapidly.Due to the software and hardware of the intelligent temperature sensor reasonable matching can greatly enhance the function of the sensor, improve the precision of the sensor, and can make the temperature sensor has simple and compact structure, use more convenient, thus intelligent temperature sensor is a hot spot nowadays.The introduction of the microprocessor, which makes the temperature signal collection, memory, storage, comprehensive, processing and control integration, make the temperature sensor to the intelligent direction.

Key words：temperature transducer; Smart temperature sensor; Contact temperature sensors

前言：温度作为国际单位制的七个基本量之一，测量温度的传感器的各种各样，温度传感器是温度测量仪表的核心部分，十分重要。据统计，温度传感器是使用范围最广，数量最多的传感器。简而言之，温度传感器（temperature transducer）就是是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。在材料技术的支持下，陶瓷，有机，纳米等新材料用于温度传感器中可以使温度的测量和控制更加科学和精确。由于智能温度传感器的软件和硬件的合理配合既可以大大增强传感器的功能、提高传感器的精度，又可以使温度传感器的结构更为简单和紧凑，使用更加方便，因此智能温度传感器是当今的一个研究热点。微处理器的引入，使得温度信号的采集，记忆，存储，综合，处理与控制一体化，使温度传感器向智能化方向发展。

1 温度传感器分类

按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。总体可分为热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器，IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段;最初的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。到80年代出现的模拟集成温度传感器/控制器。再到当今的研究热门智能温度传感器。目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。

1.1 根据测量方式分类

1.1.1 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,又称温度计。通过热传导及对流原理达到热平衡,这时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,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。此种测温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,也可测温度场的温度分布,但受环境的影响比较大。

常用的接触式温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6～300K范围内的温度。[1]

图1 接触式温度传感器实体图

1.1.2 非接触式温度传感器

非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也

可用于测量温度场的温度分布。最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。非接触温度传感器的测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800℃以上的高温，主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展，辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展，700℃以下直至常温都已采用，且分辨率很高。

辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，从而提高有效发射系数式中ε为材料表面发射率，ρ为反射镜的反射率。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。[2]

图2市场上的非接触类温度传感器

1.2 按照传感器材料及电子元件特性分类

1.2.1 热电阻传感器

其根据的原理是金属随着温度变化，电阻值也发生变化。对于不同金属来说，温度每变

化一度，电阻值变化是不同的，而电阻值又可以直接作为输出信号。电阻的变化有有正温度系数和负温度系数两种类型[3]。

1.2.2热电偶传感器

是传统的分立式传感器，是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器,其工作原理是：根据物理学中的塞贝克效应，即在两种金属的导线构成的回路中，若其接点保持不同的温度，则在回路中产生与此温差相对应的电动势.热电偶的结构简单、使用温度范围广、响应快、测量准确、复现性好、使用细偶丝还可测微区温度，并且无需电源。它与被测对象直接接触,不受中间介质的影响,具有较高的精确度;测量范围广,可从一50一1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁一镍铬,最低可测到一269℃,钨一徕最高可达2800℃[2]。热电偶由两个不同材料的金属线组成，在末端焊接在一起。再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为热电偶。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏/℃之间。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程[4]。

图3一种热电偶温度传感器

1.3 按讯号输出方式上的不同分类

1.3.1模拟温度传感器

模拟温度传感器有多种输出形式( 绝对温度、摄氏温度和华氏温度) 以及电压偏移值。后者让组件在使用单电源的情形下就能对负温度值进行监测。模拟温度传感器的输出还可以送到比较器来产生超温指示信号, 或直接送到模拟数字转换器的输入, 用来显示实时温度数据。模拟温度传感器适合需要低成本、小体积和低功耗的应用。

1.3.2 数字温度传感器

对于更紧密控制能力、更高精度和更大分辨率的需求带动了数字温度传感器的发展。被

测温度信号从敏感元件接收的非电量到转换为微处理器可处理的数字信号, 环节较多, 而且模拟信号在长距离传输的过程中, 受到的干扰较多, 误差较大。因此, 从非电量转换到数字信号, 一般将其处理过程集在单片IC 器件体内部, 这样就形成了功能强大, 精确的数字传感器[3]。数字式传感器与模拟传感器相比, 由于采取高集成度设计和数字化处理, 在可靠性、抗干扰能力以及器件微小化方面都有明显的优点, 但受半导体器件本身限制, 数字式传感器还存在以下不够理想的地方。

2 温度传感器的发展

近十年来，为了适应工业上精度要求高，极端条件，微型化以及芯片上高度集成等的需求，研发出了模拟集成温度传感器与智能温度传感器。

2.1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。与传统分立温度传感器相比,集成温度传感器有着明显的优势。传统温度传感器大多是基于分立的感温元件,例如pt100,这种类型的温度传感器需要一定的外围电路来测量。对于现在高集成度的电子产品来说,这显然是不太实用和方便的。当然,集成温度传感器相对于分立传感器来说也有本事固有的缺点:测量精度受工艺波动的限制。在学术界虽然己经有较高精度的CMOS集成温度传感器的文献发表(±0.1°C) [5]。但是由于TRIM成本较高,并不能完全应用于实际的大规模量产中。考虑到实际应用的需要,并不是所有的应用都需要到达如此精度,

2.2智能温度传感器

智能温度传感器(亦称数字温度传感器)与各种微处理器结合，连接到网络中，通过智能理论（人工智能技术、神经网技术、模糊技术等）对采样数据进行处理，形成带有信号处理、温度控制、逻辑功能等一系列功能的智能温度传感器[6]。

智能温度传感器是在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转换器、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,其智能化取决于软件的开发水平。智能温度传感器发展的新趋势[7]：1提高测温精度和分辨力

2增加测试功能

3总线技术的标准化与规范化

4可靠性及安全性设计

5虚拟温度传感器和网络温度传感器

发展前景：

近年来，我国工业现代化的进程和电子信息产业连续的高速增长，带动了传感器市场的快速上升。温度传感器作为传感器中的最重要一类，占整个传感器总需求量的40%以上[8]。温度传感器用途十分广阔，可用作温度测量与控制、温度补偿、流速、流量和风速测定、液位指示、温度测量、紫外光和红外光测量、微波功率测量等而被广泛的应用于彩电、电脑彩色显示器、切换式电源、热水器、电冰箱、厨房设备、空调、汽车等领域。近年来汽车电子、消费电子行业的快速增长带动了我国温度传感器需求的快速增长。但是随着工业生产效率的不断提高,自动化水平与范围的不断扩大,对温度传感器的要求也越来越高,智能温度传感器虽然能够做到高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性，但是仍有很多技术限制有待解决，比如所开发虚拟传感器和网络传感器、单片测温系统等。因此，笔者预计在将来，随着智能温度传感器的普及、成本的降低和技术瓶颈的突破，其将会取代传统的传感器的地位，但是如今距离那一步仍有很长的一段路要走。

参考文献：

[1]马净，几种常用温度传感器的原理及发展[J]，中国仪器仪表，2004,6 (1) 45-46

[2]严芸，浅谈温度传感器的现状与发展[D]，无锡商业职业技术学院, 江苏无锡，2008

[3]廖泽鑫，温度传感器的设计与研究[D]，上海，复旦大学硕士论文，2012，

[4]王琳，浅谈温度传感器的特点及应用[j]，未知期刊，哈尔滨学院，2011

[5]姜世昌，温度传感器，上海工业自动化仪表研究所，2008,0310,44-46

[6]衣英刚，朴慧京，姚兆. 简介温度传感器[J]，家电检修技术2009，(2)100-101

[7]Greed Huddleston 主编，张鼎译.智能传感器设计.北京：人民邮电出版社出版.2009：

172~176.

[8]田村洋一. 温度传咸器及其发展趋势2008,20-22