武漢紡織大學(xué) 湖北省紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 孫曉曦 高 敏 余鵬舉

湖北三江航天紅陽機(jī)電有限公司 張文奇

武漢紡織大學(xué) 湖北省紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 吳 茜

溫度是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重要參數(shù)，接觸式測溫技術(shù)是工業(yè)領(lǐng)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(dǎo)體溫度傳感器、鉑電阻、NTC熱敏電阻和數(shù)字溫度傳感器等多種接觸式測溫技術(shù)，分別描述了它們的測溫原理、測溫特點(diǎn)、測溫性能以及測溫優(yōu)勢和劣勢，為工業(yè)應(yīng)用中選用何種測溫方法提供了一定的參考。

溫度在工業(yè)生產(chǎn)中對于保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約生產(chǎn)能源、提高效率和安全性有著至關(guān)重要的作用。溫度測量技術(shù)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(jìn)行測溫，其范圍廣泛，除了傳統(tǒng)方式外還包括隨著半導(dǎo)體和集成電路技術(shù)日新月異而蓬勃發(fā)展的數(shù)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(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行描述和介紹。

1 傳統(tǒng)測溫方式

1.1 熱膨脹測溫

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

氣體溫度計(jì)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(jìn)行溫度測量。此種溫度計(jì)測溫范圍廣，理論可達(dá)0～1000K，測量精度高，但價(jià)格昂貴，多用于校準(zhǔn)、精密實(shí)驗(yàn)和制作標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)。

玻璃液體溫度計(jì)分為全浸式和局浸式，利用溫度變化時(shí)玻璃外殼內(nèi)水銀或者有機(jī)液體的體積變化來測量。此類溫度計(jì)精度由毛細(xì)管的制造工藝決定，反應(yīng)靈敏、性能穩(wěn)定，在環(huán)境監(jiān)測、石油工業(yè)、醫(yī)用等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其中，水銀溫度計(jì)雖然其中包含的水銀具有很強(qiáng)的生物毒性，但是因?yàn)槿狈硐氲奶娲罚壳叭匀皇桥R床上最常用的溫度計(jì)之一。

雙金屬溫度計(jì)由兩種不同膨脹系數(shù)的金屬疊壓成構(gòu)成，通常為螺旋卷狀，當(dāng)溫度變化時(shí)，金屬片發(fā)生膨脹，帶動螺旋卷形變，指針在表盤上指出相應(yīng)的溫度值。雙金屬溫度計(jì)因體積小、線性度高、結(jié)果直觀、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，長期應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)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(yīng)。由兩種不同金屬導(dǎo)體連接在一起構(gòu)成閉合金屬結(jié)，當(dāng)兩端出現(xiàn)溫差，回路內(nèi)有與溫度差正相關(guān)的電流和熱電動勢產(chǎn)生。通過連接在差分結(jié)處的電位計(jì)，根據(jù)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(nèi)可連續(xù)測溫、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、壽命長等特點(diǎn)，在航空航天和工業(yè)生產(chǎn)測試的各個(gè)環(huán)節(jié)中得到普遍應(yīng)用。

但是，在實(shí)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(jié)果存在一定的計(jì)量誤差。常用的補(bǔ)償法有冰點(diǎn)法，公式修正法、恒溫法、集成溫度傳感器補(bǔ)償法，補(bǔ)償導(dǎo)線和補(bǔ)償電橋法等。

1.3 半導(dǎo)體溫度傳感器

半導(dǎo)體的PN結(jié)除了具有單向?qū)щ娦酝膺€具有溫敏特性，其正向壓降在一定范圍內(nèi)與溫度近似線性關(guān)系，溫度系數(shù)為負(fù)。常用的半導(dǎo)體溫度傳感器有硅二極管MTS102、1N4148等，普遍具有價(jià)格低廉、體積較小、靈敏度優(yōu)異、互換性高等特點(diǎn)，但是在使用時(shí)需要適當(dāng)采用電屏蔽技術(shù)，以降低誤差。

2 熱電阻測溫

2.1 鉑電阻

金屬鉑以導(dǎo)線或者薄膜形態(tài)構(gòu)成的電阻元件稱為鉑電阻，是最常用的幾種商業(yè)電阻之一，其不僅具有常規(guī)溫度測量元件的高靈敏度、高精度、高準(zhǔn)確性、高可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，在高溫高危環(huán)境下也可以保持長期穩(wěn)定，1990年，國標(biāo)ITS-90將鉑電阻定為基準(zhǔn)測溫儀器。

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

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

其中R0為0℃時(shí)鉑電阻阻值，A、B、C為R-T系數(shù)，其值如表2所示。

表2 R-T系數(shù)值

PT100鉑電阻在大多數(shù)低溫場合都可以精確應(yīng)用，為了保證長距離測試環(huán)境下鉑電阻仍能保證應(yīng)有精度，通常采用四線制接線法，在原有兩線制基礎(chǔ)上，額外增加AD采樣補(bǔ)償線和AD對地補(bǔ)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(yīng)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(guān)系，可用指數(shù)公式粗略估算：

其中R1為熱敏電阻在T1(25℃)時(shí)的阻值，B為材料常數(shù)，計(jì)算時(shí)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(yīng)快、體積小便于攜帶、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在溫度測量與控制、補(bǔ)償領(lǐng)域前景廣闊，但是其不足之處同樣明顯，首先，其互換性差，個(gè)體差異可高達(dá)5%～10%，在長期使用后還有可能出現(xiàn)阻值漂移等老化現(xiàn)象。其次，由于熱敏電阻本身的非線性，在實(shí)際運(yùn)用中必須進(jìn)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(shù)字溫度傳感器

與傳統(tǒng)測溫方式不同，數(shù)字化溫度傳感器將溫度直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)過濾波放大后，通過端口直接傳送至單片機(jī)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(fù)雜程度，數(shù)字傳感器可以分為單總線數(shù)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(shù)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(shè)置報(bào)警溫度、寄生電源供電和數(shù)據(jù)掉電保存。

其測量數(shù)據(jù)位數(shù)為9～12位，響應(yīng)時(shí)間200ms，測溫范圍-55～125℃，在-10～85℃范圍內(nèi)精度達(dá)±0.5℃。由于每個(gè)DS18B20都具有獨(dú)立的64位產(chǎn)品編號，所以可以將多個(gè)DS18B20連接到同一根總線上，進(jìn)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(qiáng)，可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，但需要注意的是，DS18B20數(shù)據(jù)傳輸采用串行方式，故對傳輸時(shí)序要求嚴(yán)格，編寫軟件時(shí)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(fā)生產(chǎn)，可獨(dú)立完成溫濕度測量、信號轉(zhuǎn)換、AD轉(zhuǎn)換，通過DATA（數(shù)據(jù)線）和SCK（時(shí)鐘線）與單片機(jī)連接。

SHT溫濕度傳感器通常使用I2C協(xié)議進(jìn)行串行通訊，其優(yōu)勢為在保證高準(zhǔn)確性、高響應(yīng)和高精度、小尺寸的情況下可以同時(shí)進(jìn)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(huán)境中，可以保證傳感器精度不受影響。新開發(fā)的SHT3X系列在原有基礎(chǔ)上又增加了信號處理、兩個(gè)獨(dú)立可選的I2C器件地址、可編程溫濕度上限報(bào)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(jī)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(yōu)缺點(diǎn)。其中，傳統(tǒng)的熱膨脹測溫和熱電偶、熱電阻測溫技術(shù)已經(jīng)非常成熟，可以滿足絕大部分工業(yè)領(lǐng)域的測溫需求，但是其存在外圍外圍電路復(fù)雜，精度參差不齊等缺點(diǎn)，數(shù)字傳感器的出現(xiàn)給接觸式溫度測量技術(shù)帶來了重大變革，此類測溫元件目前還處于高速發(fā)展階段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，必將有更為先進(jìn)的溫度傳感器出現(xiàn)，現(xiàn)有的也將更加完善，在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用。