1.2 温度传感器
在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类，所谓接触式就是传感器直接与被测物体接触进行温度测量，这是温度测量的基本形式；而非接触式是通过测量物体热辐射发出的红外线测量物体的温度。接触式温度传感器有热电偶、热电阻等，利用其产生的热电动势或电阻随温度变化的特性来测量物体的温度，广泛应用于家用电器、汽车、船舶、控制设备、工业测量、通信设备等方面。
1.2.1 热电偶
1.热电偶工作原理
图1-5 热电偶回路
如图1-5所示，将两种不同成分的导体组成一个闭合回路，当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场时，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关，这种现象称为“热电效应”。单个导体称为“热电极”；两种导体组成的回路称为“热电偶”。热电偶的两个接点，一个称为工作端或热端（T），另一个称为自由端或冷端（T0）。
对于各种不同导体组成的热电偶，温度与热电动势之间有着不同的函数关系。使用热电偶测量时，需要查阅热电偶分度表（T0=0℃时温度与热电动势的对应表），根据热电动势的大小确定测量温度。
课堂讨论
问题：某工厂测温现场，在热电偶回路中加入显示仪器后产生测量误差，原因是什么？
答案：在热电偶回路中直接加入显示仪器，相当于加入第三种导体，产生测量误差就应该考虑加入导体的接点温度是否相同。因为热电偶回路产生电动势的原因是不同导体内电子移动产生的，加入第三种导体的接点温度不同时会引起多余电子的移动，产生测量误差。
2.热电偶的材料及结构
1）热电偶的材料
目前我国大量生产和使用的热电偶共有七个品种，分别是：铂铑10-铂、铂铑13-铂、铂铑30-铂铑6、镍铬-镍铝、铜-铜镍、铁-铜镍及镍铬-铜镍。这些材料的热电偶性能符合专业标准（或国家标准），并具有统一的分度表，被称为定性热电偶材料。此外，我国还生产一些未定性的热电偶材料，如铂铑20 -铂铑5、钨铼5 -钨铼26等。
2）热电偶的结构
（1）普通工业热电偶的结构。通常由热电极、绝缘管、保护管和接线盒四个部分组成（如图1-6所示）。热电极又称偶丝，普通金属丝做成的偶丝的直径一般为0.5～3.2mm，贵重金属做成的偶丝的直径一般为0.3～0.6mm；绝缘管又称绝缘子，是用于热电极之间及热电极与保护管之间进行绝缘保护的装置，材料为黏土质、高铝质、刚玉质等；保护管是用来保护热电偶感温元件免受被测介质化学腐蚀和机械损伤的装置，材料有金属、非金属及金属陶瓷三大类；接线盒是用来固定接线座和作为连接补偿导线的装置。
图1-6 普通工业热电偶的结构
（2）铠装热电偶的结构。铠装热电偶（如图1-7所示）是将热电极、绝缘管和保护管一起拉制后加工而成的缆状组合体，绝缘材料为氧化镁，保护管通常是不锈钢管。
图1-7 铠装热电偶
3.热电偶的冷端补偿
由于热电偶的分度表是在冷端温度为0℃时作出的，因此在使用时要使冷端温度恒为0℃。但在实际应用中，热电偶的冷端通常靠近被测对象，且受到周围环境的影响，其温度不是恒定不变的，为此，必须采用一些相对应的措施进行补偿或修正。常用的方法有冷端恒温法、补偿导线法、计算修正法、电桥补偿法、显示仪表零位调整法（机械零位调整法）等。
课堂讨论
问题：热电偶传感器的分度表可以直接根据测得的热电动势大小查出被测温度，但分度表的冷端温度必须为0℃，那么当冷端温度不为0℃时，我们应该怎么办？
答案：分两种情况考虑，第一种情况是被测对象周围温度恒定时，工程上常采用机械零位调整法，即在工作前将温度显示仪表的指针调到已知的冷端温度Tn上，在测量前预先加入冷端温度产生的热电动势E（Tn，0），使接入热电偶后，输入到仪表中的热电动势为
指示值能够正确反映测量温度。
另一种情况是被测对象受到周围环境温度的影响，冷端温度变化时，可以通过补偿导线将热电偶的冷端延长到温度恒定的地方或使用电桥补偿冷端温度变化产生的热电动势，如图1-8所示。
图1-8 温度补偿
【注意】 使用热电偶补偿导线进行温度补偿时，要注意各种补偿导线只能在规定的温度范围内（0～100℃）与相应型号的热电偶配用，连接时两根补偿导线与热电偶两个热电极的接点温度必须相同，还要注意补偿导线的极性（红色为正极，其他颜色为负极），切勿接反。补偿导线外形图如图1-9所示。
图1-9 补偿导线外形
4.热电偶的应用
使用热电偶测量温度，一支热电偶用于测量某一点的温度；两支型号相同的热电偶同向串联可以测量两点的温度之和；两支型号相同的热电偶反向串联可以测量两点之间的温度之差；多支型号相同的热电偶并联可以测量多点的平均温度（如图1-10所示）。
图1-10 热电偶测量温度
1.2.2 热电阻传感器
热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性进行测量的温度传感器，可以分成金属热电阻和半导体热电阻两大类。具有测量精度高、测量范围较大（尤其是中低温区）、易于使用的优点，在自动测量和远距离测量中应用广泛。
1.金属热电阻
金属热电阻是利用金属导体电阻值随温度的升高而升高的特性来测量温度的。目前使用最广泛的热电阻材料是铂和铜，随着测量技术的发展，已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。
铂热电阻性能稳定，主要用于高精度的温度测量和标准测温装置，测量精度高，测温范围为-200～850℃；铜热电阻价格便宜，易于提纯，在温度稍高或侵蚀性介质中使用时易氧化，所以测温范围较小，在-50～150℃范围内性能较好。
应用时，热电阻测量电路的接线方式有二线制、三线制和四线制（如图1-11所示）。
图1-11 热电阻测量电路
课堂讨论
问题：某测温现场使用铂电阻测温，通过实验测温效果很好，现在想将测量信号引到控制室统一管理，应该怎样连线？
答案：从测温现场到控制室之间有一段距离，用导线直接连接时，周围温度会发生变化，导线电阻的阻值会随温度的变化而变化，产生较大的误差。因此，应该使用三线制或四线制，通过电桥平衡消除延长导线带来的测量误差。
2.半导体热电阻
半导体热电阻又称为热敏电阻，它是一种新型半导体测温元件，可分为负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度系数热敏电阻（CTR），特性曲线如图1-12所示。
图1-12 热敏电阻特性曲线
负温度系数热敏电阻常见的是由金属氧化物组成的，如锰、钴、铁、镍、铜等多种氧化物混和烧结而成；正温度系数热敏电阻通常是在钛酸钡陶瓷中加入杂质以增大电阻温度系数，当流过PTC的电流超过一定限度或PTC感受到的温度超过一定限度时，其阻值突然增加，起限流保护作用；临界温度系数热敏电阻是一种具有开关特性的负温度系数热敏电阻，当外界温度达到阻值急剧转变的温度时，引起半导体与金属之间的变化，利用这种特性可制成热保护开关、温控报警器件等。
3.热敏电阻的应用
1）测量温度
热敏电阻结构简单、价格便宜、使用方便。没有外面保护层的热敏电阻只能应用在干燥的地方；密封的热敏电阻不怕湿气的侵蚀，可以使用在较恶劣的环境下。
2）温度补偿
在一定温度范围内，热敏电阻可以对金属元件进行温度补偿，如动圈式表头的金属动圈；也可以补偿电路中由于温度变化引起的漂移误差，如三极管电路。
3）温度控制
热敏电阻与继电器配合使用，可以实现温度控制或过热保护。