工業用接觸式測溫技術綜述

武漢紡織大學 湖北省紡織新材料與先進加工技術省部共建國家重點實驗室 孫曉曦 高 敏 余鵬舉

湖北三江航天紅陽機電有限公司 張文奇

武漢紡織大學 湖北省紡織新材料與先進加工技術省部共建國家重點實驗室 吳 茜

溫度是工業生產領域的重要參數，接觸式測溫技術是工業領域常用的測溫手段之一，本文分析和歸納了熱膨脹測溫、熱電偶、半導體溫度傳感器、鉑電阻、NTC熱敏電阻和數字溫度傳感器等多種接觸式測溫技術，分別描述了它們的測溫原理、測溫特點、測溫性能以及測溫優勢和劣勢，為工業應用中選用何種測溫方法提供了一定的參考。

溫度在工業生產中對于保證產品質量、節約生產能源、提高效率和安全性有著至關重要的作用。溫度測量技術分為接觸式、半接觸式和非接觸式。接觸式測溫指的是測量過程中，溫度傳感器與測溫對象直接進行測溫，其范圍廣泛，除了傳統方式外還包括隨著半導體和集成電路技術日新月異而蓬勃發展的數字傳感器測溫。本文主要介紹了幾種常用的接觸式溫度傳感器，就其原理和優缺點進行描述和介紹。

1 傳統測溫方式

1.1 熱膨脹測溫

利用氣、液、固三種形態的溫度膨脹材料測溫的主要有氣體溫度計、玻璃液體溫度計和金屬固體測溫計。

氣體溫度計利用氫氣和氦氣的熱脹冷縮特性，通過其在不同溫度下壓力或體積變化來進行溫度測量。此種溫度計測溫范圍廣，理論可達0～1000K，測量精度高，但價格昂貴，多用于校準、精密實驗和制作標準溫標。

玻璃液體溫度計分為全浸式和局浸式，利用溫度變化時玻璃外殼內水銀或者有機液體的體積變化來測量。此類溫度計精度由毛細管的制造工藝決定，反應靈敏、性能穩定，在環境監測、石油工業、醫用等領域得到了廣泛應用。其中，水銀溫度計雖然其中包含的水銀具有很強的生物毒性，但是因為缺乏理想的替代品，目前仍然是臨床上最常用的溫度計之一。

雙金屬溫度計由兩種不同膨脹系數的金屬疊壓成構成，通常為螺旋卷狀，當溫度變化時，金屬片發生膨脹，帶動螺旋卷形變，指針在表盤上指出相應的溫度值。雙金屬溫度計因體積小、線性度高、結果直觀、抗干擾能力強、壽命長、性能穩定等特點，長期應用于各個工業生產領域。

1.2 熱電偶

熱電偶是一種可直接測溫的測溫元件，其測溫原理為塞貝克效應。由兩種不同金屬導體連接在一起構成閉合金屬結，當兩端出現溫差，回路內有與溫度差正相關的電流和熱電動勢產生。通過連接在差分結處的電位計，根據熱電動勢的大小換算得到所測溫度。

常見的金屬熱電偶有J、K、E和S四種類型，其組成材料和測溫性能如表1所示。

表1 四種常見金屬熱電偶

熱電偶因具有種類繁多、測溫范圍廣、在測溫范圍內可連續測溫、結構簡單、成本低、壽命長等特點，在航空航天和工業生產測試的各個環節中得到普遍應用。

但是，在實際測量過程中，熱電偶仍有部分問題存在，首先，其體積相對較大，不適用于需要隨身攜帶的測量場所，其次，測量結果存在一定的計量誤差。常用的補償法有冰點法，公式修正法、恒溫法、集成溫度傳感器補償法，補償導線和補償電橋法等。

1.3 半導體溫度傳感器

半導體的PN結除了具有單向導電性外還具有溫敏特性，其正向壓降在一定范圍內與溫度近似線性關系，溫度系數為負。常用的半導體溫度傳感器有硅二極管MTS102、1N4148等，普遍具有價格低廉、體積較小、靈敏度優異、互換性高等特點，但是在使用時需要適當采用電屏蔽技術，以降低誤差。

2 熱電阻測溫

2.1 鉑電阻

金屬鉑以導線或者薄膜形態構成的電阻元件稱為鉑電阻，是最常用的幾種商業電阻之一，其不僅具有常規溫度測量元件的高靈敏度、高精度、高準確性、高可重復性等優點，在高溫高危環境下也可以保持長期穩定，1990年，國標ITS-90將鉑電阻定為基準測溫儀器。

PT100鉑電阻測溫范圍為-200℃～850℃，精度達0.001℃，在該范圍內，阻值與溫度近似線性關系。

根據Callendar-van Dusen方程，在0～630℃，PT100鉑電阻的阻值與溫度存在對應公式：

其中R0為0℃時鉑電阻阻值，A、B、C為R-T系數，其值如表2所示。

表2 R-T系數值

PT100鉑電阻在大多數低溫場合都可以精確應用，為了保證長距離測試環境下鉑電阻仍能保證應有精度，通常采用四線制接線法，在原有兩線制基礎上，額外增加AD采樣補償線和AD對地補償線。

2.2 NTC熱敏電阻

熱敏電阻分為PTC和NTC兩種，其中NTC熱敏電阻更為常用，其阻值和溫度對應曲線如圖1所示。

圖1 NTC熱敏電阻R-T曲線圖

可以看出，二者呈非線性關系，可用指數公式粗略估算：

其中R1為熱敏電阻在T1(25℃)時的阻值，B為材料常數，計算時需將T和T1換算成開爾文溫度。

熱敏電阻測溫范圍為-100～300℃，具有靈敏度高響應快、體積小便于攜帶、成本低等優點，在溫度測量與控制、補償領域前景廣闊，但是其不足之處同樣明顯，首先，其互換性差，個體差異可高達5%～10%，在長期使用后還有可能出現阻值漂移等老化現象。其次，由于熱敏電阻本身的非線性，在實際運用中必須進行估算和軟件校正，常用的軟件校正方法有線性插值法、Steinhart-Hart方程法、Hoge方程法和曲線擬合法等。

3 數字溫度傳感器

與傳統測溫方式不同，數字化溫度傳感器將溫度直接轉化為數字信號，經過濾波放大后，通過端口直接傳送至單片機主控芯片。在保證精度和靈敏度的前提下，極大簡化了外圍電路，降低了使用門檻。按外圍電路復雜程度，數字傳感器可以分為單總線數字溫度傳感器和多總線溫度傳感器。

3.1 單總線溫度傳感器

DS18B20數字傳感器是典型的單總線溫度傳感器，通過單一信號線與主芯片通訊，支持設置報警溫度、寄生電源供電和數據掉電保存。

其測量數據位數為9～12位，響應時間200ms，測溫范圍-55～125℃，在-10～85℃范圍內精度達±0.5℃。由于每個DS18B20都具有獨立的64位產品編號，所以可以將多個DS18B20連接到同一根總線上，進行單總線分布式測溫。具有電路簡單、精度高、功耗低、抗干擾能力強，可遠距離傳輸等優點，但需要注意的是，DS18B20數據傳輸采用串行方式，故對傳輸時序要求嚴格，編寫軟件時需格外注意。

3.2 SHT系列溫濕度傳感器

SHT系列溫濕度傳感器由瑞士Sensirion公司研發生產，可獨立完成溫濕度測量、信號轉換、AD轉換，通過DATA（數據線）和SCK（時鐘線）與單片機連接。

SHT溫濕度傳感器通常使用I2C協議進行串行通訊，其優勢為在保證高準確性、高響應和高精度、小尺寸的情況下可以同時進行溫度和濕度測量，SHT11還具有加熱功能，可以通過加熱將自身溫度提高5℃左右，在濕度大于95%的環境中，可以保證傳感器精度不受影響。新開發的SHT3X系列在原有基礎上又增加了信號處理、兩個獨立可選的I2C器件地址、可編程溫濕度上限報警模式等功能，測溫范圍為-40～125℃，精度0.1℃，測濕度范圍為0-100%RH，精度1%，與單片機通訊速度提升至1MHz。

由于篇幅有限，本文只介紹了常用的幾種接觸式測溫傳感器的測溫原理、工作方式和優缺點。其中，傳統的熱膨脹測溫和熱電偶、熱電阻測溫技術已經非常成熟，可以滿足絕大部分工業領域的測溫需求，但是其存在外圍外圍電路復雜，精度參差不齊等缺點，數字傳感器的出現給接觸式溫度測量技術帶來了重大變革，此類測溫元件目前還處于高速發展階段。隨著科學技術的發展，必將有更為先進的溫度傳感器出現，現有的也將更加完善，在更多領域發揮作用。