温度测量的方法及传感器的介绍

温度测量的方法及传感器的介绍

作者：万金笔

来源：《中国科技博览》2016年第09期

[摘要]温度测量，使用测温仪表对物体的温度进行定量的测量。根据温度测量所依据的物理定律和所选择作为温度标志的物理量。本文就温度的测量方法及传感器进行介绍。

[关键词]温度测量传感器接触辐射

中图分类号：TP211 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0151-01

温度的测量方法按照感温元件是否与被测介质接触，可以分为接触式与非接触式两大类。

1 接触时温度测量

接触式测温的方法就是使温度敏感元件与被测温度对象相接触，使其进行充分的热交换，当热交换平衡时，温度敏感元件与被测温度对象的温度相等，测温传感器的输出大小即反映了被测温度的高低。常用的接触式测温的温度传感器主要有热膨胀式温度传感器、热电偶、热电阻、热敏电阻和温敏晶体管等。这类传感器的优点是结构简单、工作可靠、测量精度高、稳定性好、价格低；缺点是有较大的滞后现象（测温时由于要进行充分的热交换），不方便对运动物体进行温度测量，被测对象的温度场是受传感器接触的影响，测温范围受到感温元件材料性质的限制等。

常见的接触式测温的温度传感器主要有将温度转化为非电量和将温度转化为电量两大类。而转化为非电量的温度传感器主要是热膨胀式温度传感器；转化为电量的温度传感器主要是热电偶、热电阻、热敏电阻和集成温度传感器等。由于热电偶、热电阻和热敏电阻都属于热电式传感器，是把温度转换成电势和电阻的方法并且目前已在工业生产中得到了广泛的应用，在此不予述说。主要介绍热膨胀式温度传感器和集成温度传感器的原理及应用。

（1）热膨胀式温度传感器

热膨胀式温度传感器是基于液体、固体、气体受热时产生热膨胀的工作原理而制成的，因而这类温度传感器有液体膨胀式、固体膨胀式和气体膨胀式三大类。

日常生活中常用的酒精温度计、水银温度计就是液体膨胀式温度传感器。它是在有刻度而又透明的细玻璃管内充入液体（酒精、水银），当液体因温度的变化而在玻璃管内伸缩变化时，通过读取液体表面对应的刻度值即可获取温度值。

固体膨胀式温度传感器是由两片具有不同热膨胀系数的热敏金属紧固结合在一起而成的双金属片构成的，为了提高灵敏度，双金属片常常作为螺旋型，螺旋型双金属片一端固定，一端根指针轴相连。当温度变化时，螺旋型双金属片跟指针连接的自由端便绕中心轴旋转，同时带动指针在刻度盘上指示出相应的温度值。

气体膨胀式温度传感器是基于封闭在密封容器中的气体压力随温度变化而变化这一原理进行测温的，利用这一原理制作的温度传感器常常又称为压力式温度传感器。当温度变化时，文包内的气体压力也会随着改变，气压通过毛细管传递，带动弹簧管运动，进而改变指针在刻度盘上所指的位置，从而测得温包所处的温度，即被测温度。

（2）集成温度传感器

由于晶体管PN结的正向电压降都是以大约-2mV/℃在斜率随温度变化而变化，并且比较稳定，同时晶体管的基极发射极电压与温度基本上呈线性关系，故可利用这些特殊性对温度进行测量。

1）集成温度传感器的基本工作原理

把测温晶体管和激励电路、放大电路等集成在一个小硅片上，就构成了集成温度传感器。与其他测温传感器相比较，它具有线性度高、精度高、体积小、响应快、价格低等优点；缺点是测温范围窄，一般为-50℃～150℃。

2）电流输出型集成温度传感器

集成温度传感器的输出有电压输出和电流输出两大类，其中电流输出型的应用比较广泛。

2 非接触式温度测量

任何物体受热后都会有一部分热量转变成辐射能（又称为热辐射），温度越高，辐射到周围的能量也就越多，而且两者之间满足一定的函数关系。由于非接触式温度测量是利用了物体的热辐射，故常常也成为辐射是温度测量。

非接触式温度测量系统一般由两部分构成：

a. 光学系统，由于瞄准被测物体，把被测物体的辐射集中到检测元件上；

b. 检测元件，由于把汇聚的辐射能转换为电信号。

非接触式温度传感器按传感器的输入量可分为辐射式温度传感器、亮度式温度传感器和比色温度传感器。下面分别给予介绍。

（1）辐射式温度传感器

辐射式温度传感器分为全辐射温度传感器和部分辐射温度传感器。

1）全辐射温度传感器是利用物体在全光谱范围内总辐射能量与温度的关系来测量温度的，由于是对全辐射波长进行测量，所以希望光学系统有较宽的光谱特性，而且热敏检测元件也采用没有光谱选择性的元件。

2）部分热辐射温度传感器为了提高温度传感器的灵敏度，有时也可根据特殊测量的要求，采用具有光谱选择性的检测元件。常见的部分热辐射温度传感器的检测元件主要有光电池、光敏电阻、红外探测元件等。

下面，对红外温度传感器的测温原理做简单介绍。

自然界中的任何物体，只要其温度在绝对零度以上，都会产生红外光向外界辐射能量。所辐射能量的大小，直接与该物体的温度有关，用公式可表达为：

E=（T4-T04）

式中，E——物体在温度T时单位面积和单位时间的红外辐射总量；

——斯蒂芬—玻尔兹曼常数，=5.67×10-8W/m2K4 ；

——物体的辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领之比值，黑体

T——物体的温度（K）；

T0——物体周围的环境温度（K）。

红外温度传感器的测温范围很宽，从-50到3000以上。在不同的温度范围，对象发出的电磁波能量的波长分布不同，在常温（0～100）范围内，能量主要集中在中红外和远红外波长。

红外温度传感器测温的原理图如下

瞄准系统

上图中，朱光学系统有两个作用：把北侧为值得红外线集中到检测元件上；把进入仪表的红外线发射面限制在固定的范围内；检测元件把红外线能量转换为电信号；信号处理单元吧检测元件输出的信号，用电子技术和计算机技术进行处理，变成人们需要的各种模拟量和数字量