温度传感器和参数测试优化策略

在机电工程中，温度是一个重要的被测参量和被控参量。物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关。许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的，需要测量温度和控制温度。随着科学技术的发展，对温度的测量越来越普遍，而且对温度测量的准确度也有更高的要求。

温度是表征物体冷热程度的物理量。温度不能直接加以测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性间接测量。

温度的测试常利用某些材料或元件的性能随温度变化的特征，如通过测试材料的热电动势、电阻、光学特性等，通过测试该性能参数而达到测温的目的。

按被测介质与测温传感器是否接触，温度测试可分为接触式和非接触式两大类。

1）接触式测温方法是基于热平衡原理，其特点是测温传感器直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时测温传感器的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。接触式测温的优点是直观可靠；缺点是被测温度场的分布易受测温传感器的影响，接触不良或安装方法不科学时会带来误差；此外，温度太高和腐蚀性介质对测温传感器的性能和寿命会产生不利影响。

2）非接触式测温方法是利用物质的热辐射原理，其特点是测温传感器不与被测对象接触，而是通过辐射进行热交换，据此测出被测对象的温度，可避免接触式测温法的缺点，具有较高的测温上限。主要有全辐射高温计、红外温度传感器、比色高温计和射流温度传感器等，在此不做详细介绍。非接触测温法的热惯性小，所以适合测试运动物体的温度和快速变化的温度。

温度的精确测量与控制在现代机电工程中是极其重要的。要进行可靠的温度测试，就要针对被测对象具体的应用环境选用不同种类和封装的传感器。常用的接触式测温方法如表2-1所示。

表2-1 常用接触式测温法常用的传感器

（1）热电偶 热电偶是基于两种不同材料的热电效应的温度传感器，它实际上是一种将热能转换为电能的能量转换元件，具有结构简单、测量范围宽、热容量小、准确度高、热惯性小、输出信号为电信号、信号便于远距离传输和易于转换等优点。

1）热电偶的测温原理。在两种不同成分的导体（或者半导体）A和B组成的闭合回路中，如果它们的两个接点的温度不同，则回路中会产生一个电动势，称为热电动势。它的大小和两端温度差有关。A、B这两种导体的组合就称为热电偶，单独的导线称为热电极，两个接合点中温度高的一端称为工作端（热端），温度低的一端称为自由端（冷端）。冷端和热端温度相差越大，回路中产生的电流也就越大，或者说电流的大小取决于两端所处的温度差。热电偶就是利用了这种温度差与其产生的热电势的关系，来测量被测处的温度值的。

2）热电偶的种类。按照热电偶的构成材料不同，可以将热电偶分成B、C、E、J、K、R、S、T型，在实际中常用J、K、S型。按照封装结构不同，可将热电偶划分为：普通热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶、表面热电偶、浸入式热电偶等。

3）热电偶冷端补偿。由热电偶测温原理可知，热电偶的热电动势大小与热电极材料及两个接点的温度有关，其输出电动势只有在冷端温度不变的条件下，才与工作端温度成单值函数关系。因此，为实现热电偶测温，必须采取措施，使热电偶冷端（参考端）保持温度恒定，或者对冷端温度进行实时测量，以进行实时修正计算，或者采用温度补偿的方式。实际使用时，由于热电偶热端（测量端）与冷端相距很近，冷端又暴露于空气中，易受环境的影响，因而冷端温度很难保证恒定，这样会产生测量误差，因此必须把冷端延伸并进行温度补偿。在实际工程中常用的温度补偿方法有0℃恒温法、补偿导线法、电子补偿法、修正法和补偿电桥。

①0℃恒温法。将热电偶冷端置于0℃（如装有冰水混合物）的恒温器内，使其工作状态与分度表状态一致，测出电动势后查分度表直接得到热端温度值。这种冷端处理法主要用于实验室测温和热电偶标定。

②冷端温度计算修正法。由于热电偶的温度—热电动势分度表是在冷端温度保持0℃情况下得到的，但在实际使用中，热电偶冷端保持0℃比较麻烦，但将其保持在某一恒温下，将热电偶冷端置于一恒温箱里还是可以做到的。因此，在冷端温度不等于0℃时，需要对输出温度值进行修正。

假设冷端温度稳定在T_n，根据中间温度定律

式中，T为工作温度；T_n为实际的冷端温度；0为表示冷端温度为0℃；E_AB（T，T_n）为热电偶工作在T与T_n时，传感器输出的热电动势值；E_AB（T，0）和E_AB（T_n，0）为热电偶冷端为0℃，工作温度分别为T与T_n时的热电动势值（由热电偶分度表中查得）。

在计算机系统中，可以采用软件处理方法实现热电偶冷端温度补偿。例如冷端温度T_n恒定，但是T_n不等于0℃，只需对采样数据的处理中添加一个与冷端对应的系数即可。

③冷端温度实时测量计算修正法。这种补偿方法无须保持冷端温度T₀恒定，而是实时测量当前冷端温度，利用该值对热电偶输出的热电动势进行补偿修正，从而消除冷端温度变化所带来的测量误差。以K型热电偶为例进行计算机自动采集与计算修正过程如下：

a.自动采集两个输入量：一个是热电偶回路的温差电动势E_AB（T，T₀），即修正温差电动势，其中T为被测温度；一个是冷端温度T₀值；冷端温度的采集可用金属热电阻、热敏电阻型温度传感器来测得。

b.求取修正量：根据已测得的T₀值，自动查内存中的热电偶分度表，得到E_AB（T₀，0）值。

c.计算冷端为0℃时，两接点的总温差电动势E_AB（T，0）

d.查表求热端温度T：根据已求得回路总温差电动势E_AB（T，0）查内存中的热电偶分度表，可得热端温度T值，即为被测温度值。

其缺点是，完成对一个温度点的测量需要两个温度测量通道。

④电子补偿法：一般利用半导体的温度特性进行电路补偿。现在专门有带有温度自补偿的集成电路供电路设计时使用，在本书第3篇有关章节中有详细介绍。

⑤补偿导线法。补偿导线是一种与热电偶匹配使用的导线，它的特点是在工作范围内与被补偿的热电偶具有相同的特性。当在被测温度场附近保持热电偶冷端为恒定温度有困难时，常使用补偿导线法，即采用补偿导线将冷端远离热端，放置到恒温或温度变化比较小的地方，对于廉价热电偶，可直接将热电偶的冷端延长。由于各种标准热电偶的补偿导线分别与相应的热电偶相匹配，选用时要注意。此外，补偿导线在使用时极性不能接错，否则会有测量误差。

（2）热电阻式温度传感器热电阻式温度传感器是利用导体的电阻随温度变化的特性来测温的。作为测温用的热电阻应具有以下特性：电阻温度系数要尽可能大和稳定；电阻率大；电阻与温度变化近似成线性关系；在整个测温范围内应具有稳定的物理和化学性质。热电阻式温度传感器结构如图2-3所示。

目前应用较广泛的热电阻感温材料是铂和铜，实际工程应用中一般用来测量中低温区-200～500℃的温度。铂电阻测温精度高，稳定性好，电阻温度系数大，测温范围较宽，线性度优于热电偶，但贵金属铂价格昂贵。铜电阻价格便宜，在-50～150℃范围内，其电阻值与温度成良好的线性关系，但是铜电阻在高温下易氧化，不宜在高温和腐蚀性介质下工作。金属丝热电阻的缺点：使用存在热电效应，响应较慢。

图2-3 热电阻式温度传感器结构

1）测温原理。一般金属导体具有正的温度系数，电阻率随温度上升而增加，在一定温度范围内，电阻与温度的关系为

式中，R_T为温度为T℃时的电阻值；R₀为温度为0℃时的电阻值；a和b为电阻温度系数，与材料有关。

铂电阻在-200～0℃范围内，其电阻—温度特性为

在0～850℃范围内，其阻值—温度特性为

式中，R_T、R₀分别是铂热电阻在T℃和0℃时的阻值；电阻温度系数a、b、c为常数，a=3.96847×10^-3/℃，b=-5.847×10^-7/℃²，c=-4.22×10^-12/℃³。

由于铂电阻具有很好的精度、稳定性以及合适的测温范围，因此普遍选择铂（Pt）电阻作为温度传感器材料，可测量在-200～+850℃的温度范围。

目前，除列入标准系列且大量生产的铂热电阻和铜热电阻外，还有镍热电阻、镍铁热电阻和钨热电阻等。

2）热电阻温度测量的引线形式。热电阻式温度传感器内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种，分别如图2-4～图2-6所示。

图2-4 热电阻测温二线制

图2-5 热电阻测温三线制

图2-4中，在热电阻传感器感温元件两端各连接一根导线的引线形式为两线制热电阻。从图中可以看出热电阻两引线电阻R_W和热电阻R_T一起构成电桥测量臂，这样引线电阻R_W因引线环境温度变化引起的阻值变化量2ΔR_W和因被测温度变化引起的热电阻R_T的增量ΔR_T一起成为有效信号被转换成测量信号，从而影响温度测量精度。

图2-5中，在热电阻感温元件的一端连接两根引线，另一端连接一根引线，此种引线形式成为三线制热电阻。用三线制构成的测量电桥，可以清除内引线电阻的影响，测量精度高于两线制。在测量温度范围窄或引线长、导线途中温度容易发生变化的场合必须采用三线制热电阻。

当电桥平衡时，可得到下列关系：

若使R₂=R₁，则上式就和r=0时的电桥平衡公式完全相同，即证明此种电线电阻r对热电阻测量毫无影响。

图2-6 热电阻测温四线制测量电路

在高精度的测量中，设计成四线制测量电路，如图2-6所示。I为恒流源，热电阻上引出各为R₁、R₄和R₂、R₃的四根导线，分别接在电流和电压的回路，导线上R₁、R₄引起的电压降，不在测量范围内，而导线R₂、R₃上有电阻但无电流（电位计测量时），所以四根导线的电阻对测量都没有影响。

由以上分析可知，二线制引线电阻对测量影响大，适用于测温精度不高场合；三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差；四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响，用于高精度温度检测。必须注意，无论是三线制或者四线制，都要从热电阻感温体的根部引出导线，不能从热电阻的接线端子上分出。

（3）热敏电阻 热敏电阻是一种电阻随温度成指数变化的半导体感温元件，它是由某些金属氧化物（主要用钴、锰、镍等的氧化物）根据产品性能的不同，采用不同比例的配方，经高温烧结而成的。热敏电阻与金属热电阻比较，具有灵敏度高、热惯性小、响应速度快、体积小等优点。热敏电阻元件的电阻值可达3Ω～700kΩ，远距离测量时，导线电阻的影响可不予考虑，但其缺点是非线性严重，互换性和稳定性较差，且不能在高温下使用。

热敏电阻通常可分为正温度系数（Positive Temperature Coefficient，PTC）热敏电阻、负温度系数（Negative Temperature Coefficient，NTC）热敏电阻和临界温度系数（Critical Temperature Coefficient，CTC）热敏电阻三类。负温度系数表示为

式中，R_T为热力学温度T时热敏电阻值，单位Ω；R₀为热力学温度为T₀时电阻值；B为材料常数；T为实测的热力学温度，单位为K；T₀为273.15K。

热敏电阻的主要技术参数有标称电阻、材料常数、电阻温度系数、时间常数、耗散系数、额定功率等。热敏电阻的应用很广泛，可用于温度测量与控制和温度补偿等。热敏电阻的测温范围一般为-50～+300℃，可用于液体、气体、固体等的温度测试。在测温时，通过热敏电阻的电流要小，以减少由于电流流经热敏电阻所产生的热量对测量结果的影响。

热敏电阻是一种高度非线性元件，由于热敏电阻有非线性化的缺点，一般需要经过线性化处理，使得输出电压与温度之间基本上成为线性关系。

非线性校正方法通常有硬件校正和软件校正两种方法，硬件校正由通常分为并联校正、串联校正两种基本形式。软件方法下面以某一类型热敏电阻为例，来分析介绍热敏电阻的非线性与线性化处理方法：

该热敏电阻的材料常数B=3420，T₂₅=25℃时，R₂₅=5kΩ。其电阻的标定曲线如图2-7所示。

（4）集成温度传感器 集成温度传感器是利用在一定电流条件下，感温PN结的正向电压与绝对温度呈线性关系这一特性，将感温晶体管和其外围电路（放大电路、线性化处理电路等）一起集成在同一芯片上制成的小型化、一体化的专用集成电路，具有体积小，反应快，线性好，灵敏度高的特点，克服了分立元件PN结型温度传感器存在的互换性和稳定性不够理想的缺点。不过，由于PN结耐热性能和特性范围的限制，它只能用来测量150℃以下的温度。

图2-7 热敏电阻的标定曲线

PN结型集成温度传感器的典型工作温度范围为-50～+150℃，目前广泛应用于温度测量与控制和温度补偿等方面。PN结型集成温度传感器可分为电流输出型、电压输出型和数字输出型三类传感器。下面重点介绍这三类温度传感器。

1）电流输出型集成温度传感器AD590。AD590是美国AD公司生产的一种典型的电流型单片双端集成温度传感器，其主要性能参数如下：

①电源电压：5～30V。

②线性电流输出：正比于热力学温度，1μA/K。

③宽温度范围：-55～150℃。

④重复性：±0.1℃。

它需要5～30V的直流电压供电，输出串接恒值电阻，在此电阻上流过的电流和被测温度成正比。其特性相当于一个恒流源，不易受引线电阻、接触电阻和噪声的干扰，使用十分方便，而且器件的一致性好，容易互换。其使用方法可查阅AD公司技术资料。

2）电压输出型。电压输出型集成温度传感器有三端输出型和四端输出型两种。三端输出型如LM135、LM235、LM335系列，它们的工作温度范围分别是-55～+155℃、-40～+125℃、-10～+100℃。四端输出型如日本松下公司的AN6701型。

3）数字输出型。DS1820是美国DALLSS公司推出的数字输出型集成温度传感器。它是一种高精度数字式单线温度传感器，测温范围为-55～+125℃，精度为0.5℃。通过输出9位（二进制）数字来直接表示所测量的温度值，并通过DS1820的数据总线直接输入到CPU，无需A/D转换。