萬金筆

[摘 要]溫度測量，使用測溫儀表對物體的溫度進行定量的測量。根據(jù)溫度測量所依據(jù)的物理定律和所選擇作為溫度標(biāo)志的物理量。本文就溫度的測量方法及傳感器進行介紹。

[關(guān)鍵詞]溫度測量 傳感器 接觸 輻射

中圖分類號：TP211 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）09-0151-01

溫度的測量方法按照感溫元件是否與被測介質(zhì)接觸，可以分為接觸式與非接觸式兩大類。

1 接觸時溫度測量

接觸式測溫的方法就是使溫度敏感元件與被測溫度對象相接觸，使其進行充分的熱交換，當(dāng)熱交換平衡時，溫度敏感元件與被測溫度對象的溫度相等，測溫傳感器的輸出大小即反映了被測溫度的高低。常用的接觸式測溫的溫度傳感器主要有熱膨脹式溫度傳感器、熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和溫敏晶體管等。這類傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量精度高、穩(wěn)定性好、價格低；缺點是有較大的滯后現(xiàn)象（測溫時由于要進行充分的熱交換），不方便對運動物體進行溫度測量，被測對象的溫度場是受傳感器接觸的影響，測溫范圍受到感溫元件材料性質(zhì)的限制等。

常見的接觸式測溫的溫度傳感器主要有將溫度轉(zhuǎn)化為非電量和將溫度轉(zhuǎn)化為電量兩大類。而轉(zhuǎn)化為非電量的溫度傳感器主要是熱膨脹式溫度傳感器；轉(zhuǎn)化為電量的溫度傳感器主要是熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和集成溫度傳感器等。由于熱電偶、熱電阻和熱敏電阻都屬于熱電式傳感器，是把溫度轉(zhuǎn)換成電勢和電阻的方法并且目前已在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，在此不予述說。主要介紹熱膨脹式溫度傳感器和集成溫度傳感器的原理及應(yīng)用。

（1） 熱膨脹式溫度傳感器

熱膨脹式溫度傳感器是基于液體、固體、氣體受熱時產(chǎn)生熱膨脹的工作原理而制成的，因而這類溫度傳感器有液體膨脹式、固體膨脹式和氣體膨脹式三大類。

日常生活中常用的酒精溫度計、水銀溫度計就是液體膨脹式溫度傳感器。它是在有刻度而又透明的細(xì)玻璃管內(nèi)充入液體（酒精、水銀），當(dāng)液體因溫度的變化而在玻璃管內(nèi)伸縮變化時，通過讀取液體表面對應(yīng)的刻度值即可獲取溫度值。

固體膨脹式溫度傳感器是由兩片具有不同熱膨脹系數(shù)的熱敏金屬緊固結(jié)合在一起而成的雙金屬片構(gòu)成的，為了提高靈敏度，雙金屬片常常作為螺旋型，螺旋型雙金屬片一端固定，一端根指針軸相連。當(dāng)溫度變化時，螺旋型雙金屬片跟指針連接的自由端便繞中心軸旋轉(zhuǎn)，同時帶動指針在刻度盤上指示出相應(yīng)的溫度值。

氣體膨脹式溫度傳感器是基于封閉在密封容器中的氣體壓力隨溫度變化而變化這一原理進行測溫的，利用這一原理制作的溫度傳感器常常又稱為壓力式溫度傳感器。當(dāng)溫度變化時，文包內(nèi)的氣體壓力也會隨著改變，氣壓通過毛細(xì)管傳遞，帶動彈簧管運動，進而改變指針在刻度盤上所指的位置，從而測得溫包所處的溫度，即被測溫度。

（2） 集成溫度傳感器

由于晶體管PN結(jié)的正向電壓降都是以大約-2mV/℃在斜率隨溫度變化而變化，并且比較穩(wěn)定，同時晶體管的基極發(fā)射極電壓與溫度基本上呈線性關(guān)系，故可利用這些特殊性對溫度進行測量。

1） 集成溫度傳感器的基本工作原理

把測溫晶體管和激勵電路、放大電路等集成在一個小硅片上，就構(gòu)成了集成溫度傳感器。與其他測溫傳感器相比較，它具有線性度高、精度高、體積小、響應(yīng)快、價格低等優(yōu)點；缺點是測溫范圍窄，一般為-50℃～150℃。

2） 電流輸出型集成溫度傳感器

集成溫度傳感器的輸出有電壓輸出和電流輸出兩大類，其中電流輸出型的應(yīng)用比較廣泛。

2 非接觸式溫度測量

任何物體受熱后都會有一部分熱量轉(zhuǎn)變成輻射能（又稱為熱輻射），溫度越高，輻射到周圍的能量也就越多，而且兩者之間滿足一定的函數(shù)關(guān)系。由于非接觸式溫度測量是利用了物體的熱輻射，故常常也成為輻射是溫度測量。

非接觸式溫度測量系統(tǒng)一般由兩部分構(gòu)成：

a. 光學(xué)系統(tǒng)，由于瞄準(zhǔn)被測物體，把被測物體的輻射集中到檢測元件上；

b. 檢測元件，由于把匯聚的輻射能轉(zhuǎn)換為電信號。

非接觸式溫度傳感器按傳感器的輸入量可分為輻射式溫度傳感器、亮度式溫度傳感器和比色溫度傳感器。下面分別給予介紹。

（1） 輻射式溫度傳感器

輻射式溫度傳感器分為全輻射溫度傳感器和部分輻射溫度傳感器。

1） 全輻射溫度傳感器是利用物體在全光譜范圍內(nèi)總輻射能量與溫度的關(guān)系來測量溫度的，由于是對全輻射波長進行測量，所以希望光學(xué)系統(tǒng)有較寬的光譜特性，而且熱敏檢測元件也采用沒有光譜選擇性的元件。

2） 部分熱輻射溫度傳感器為了提高溫度傳感器的靈敏度，有時也可根據(jù)特殊測量的要求，采用具有光譜選擇性的檢測元件。常見的部分熱輻射溫度傳感器的檢測元件主要有光電池、光敏電阻、紅外探測元件等。

下面，對紅外溫度傳感器的測溫原理做簡單介紹。

自然界中的任何物體，只要其溫度在絕對零度以上，都會產(chǎn)生紅外光向外界輻射能量。所輻射能量的大小，直接與該物體的溫度有關(guān)，用公式可表達(dá)為：

E=（T4-T04）

式中，E——物體在溫度T時單位面積和單位時間的紅外輻射總量；

——斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)，=5.67×10-8W/m2K4 ；

——物體的輻射率，即物體表面輻射本領(lǐng)與黑體輻射本領(lǐng)之比值，黑體

T——物體的溫度（K） ；

T0——物體周圍的環(huán)境溫度（K） 。

紅外溫度傳感器的測溫范圍很寬，從-50到3000以上。在不同的溫度范圍，對象發(fā)出的電磁波能量的波長分布不同，在常溫（0～100）范圍內(nèi)，能量主要集中在中紅外和遠(yuǎn)紅外波長。

紅外溫度傳感器測溫的原理圖如下

瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

上圖中，朱光學(xué)系統(tǒng)有兩個作用：把北側(cè)為值得紅外線集中到檢測元件上；把進入儀表的紅外線發(fā)射面限制在固定的范圍內(nèi)；檢測元件把紅外線能量轉(zhuǎn)換為電信號；信號處理單元吧檢測元件輸出的信號，用電子技術(shù)和計算機技術(shù)進行處理，變成人們需要的各種模擬量和數(shù)字量信息；顯示單元把處理過的信號變成人們可閱讀的數(shù)字或圖表；瞄準(zhǔn)系統(tǒng)用于瞄準(zhǔn)（或指示）被測部位，有些紅外溫度傳感器不需要瞄準(zhǔn)。

（2） 亮度式溫度傳感器

亮度式溫度傳感器是利用物體的單色輻射亮度LλT隨溫度變化的原理，一被測物體光譜的一個狹窄區(qū)域內(nèi)的亮度與標(biāo)準(zhǔn)輻射體的亮度進行比較來測量溫度的。由于實際物體的單色輻射發(fā)射系數(shù)ελ小于絕對黑體，即ελ<1，因而實際物體的單色亮度LλT小于絕對黑體的單色亮度。由于在溫度T時，絕對黑體的單色輻射亮度L*λT為

式中，c1-第一輻射常數(shù)，c1=2C2

C2-----第二輻射常數(shù)，c2=ch/k=0.014 388 m

（3） 比色溫度傳感器

比色溫度傳感器是以兩個波長的輻射亮度之比隨溫度變化的原理來進行溫度測量的。

參考文獻(xiàn)

[1]余成波 胡新宇 趙勇.《傳感器與自動檢測技術(shù)》