溫度傳感器應用廣泛，種類繁多，但常見的主要類型有：熱電偶、 熱電阻、熱電堆、電阻溫度檢測器、IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬 輸出傳感器和數字輸出傳感器兩種類型。按照溫度傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。

熱電偶溫度傳感器

一、熱電偶的基本定義 

熱電偶是工業上最常用的溫度檢測元件之一，熱電偶工作原理是基于賽貝克 (seeback)效應,即兩種不同成分的導體兩端連接成回路，如兩連接端溫度不同， 則在回路內產生熱電流的物理現象。

作為工業測溫中最廣泛使用的溫度傳感器之一熱電偶，與鉑熱電阻一起， 約占整個溫度傳感器總量的 60%，熱電偶通常和顯示儀表等配套使用，直接測量 各種生產過程中-40～1800℃范圍內的液體、蒸氣和氣體介質以及固體的表面溫度。優點有測量精度高，測量范圍廣，構造簡單，使用方便。

二、熱電偶測溫基本原理 

熱電偶是一種感溫元件，可直接測量溫度并將其轉換為熱電動勢信號。該信號經過電氣儀表轉換成被測介質的溫度。熱電偶的工作原理是由兩種不同成份的導體組成閉合回路，在溫度梯度存在時，電流會通過回路，產生熱電動勢，這就是塞貝克效應。熱電偶的兩種導體稱為熱電極，其中一端為工作端（溫度較高），另一端為自由端（通常處于恒定溫度下）。根據熱電動勢與溫度的關系，制作熱電偶分度表，不同的熱電偶有不同的分度表。

當在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶產生的熱電勢將保持不變，不受第三種金屬的影響。因此，在熱電偶測溫時，可以接入測量儀表，通過測量熱電動勢來確定被測介質的溫度。熱電偶將導體或半導體A和B焊接成閉合回路。

熱電偶將兩種不同材料的導體或半導體 A 和 B 焊接起來，構成一個閉合回路，如圖所示。

當導體A和B兩個執著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢, 因而在回路中形成一個大小的電流,這種現象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這 一效應來工作的。

兩種不同成份的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當接合點 的溫度不同時，在回路中就會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應，而這種電動 勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量 介質溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產生的熱電勢。

熱電偶是一種能量轉換器，將熱能轉換為電能，通過測量所產生的熱電勢來衡量溫度。在研究熱電偶的熱電勢時，需要注意以下幾個問題：

1）熱電偶的熱電勢是熱電偶兩端溫度之差的函數，而不是熱電偶兩端溫度差的函數。

2）熱電偶產生的熱電勢的大小與熱電偶的長度和直徑無關，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關，前提是熱電偶材料均勻。

3）在確定熱電偶兩個熱電偶絲的材料成份后，熱電偶熱電勢的大小僅與熱電偶的溫度差有關。如果熱電偶冷端的溫度保持恒定，熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數。

常用的熱電偶材料有：

三、熱電偶的種類及結構 

種類

熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所謂標準熱電偶是指國家 標準規定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統一的標準分度表的熱電偶， 它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數量級上均不 及標準化熱電偶，一般也沒有統一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。

熱電偶的基本構造

工業測溫用的熱電偶，其基本構造包括熱電偶絲材、絕緣管、保護管和接線 盒等。

常用熱電偶絲材及其性能：

A、鉑銠 10－鉑熱電偶（分度號為Ｓ，也稱為單鉑銠熱電偶該熱電偶的正極成份為含銠10%的鉑銠合金，負極為純鉑；

特點：

1. 熱電性能穩定、抗氧化性強、宜在氧化性氣氛中連續使用、長期使用 溫度可達 1300℃，超達 1400℃時，即使在空氣中、純鉑絲也將會再結晶，使晶 粒粗大而斷裂；

2. 精度高，它是在所有熱電偶中，準確度等級最高的，通常用作標準或 測量較高的溫度；

3. 使用范圍較廣，均勻性及互換性好；

4. 主要缺點有：微分熱電勢較小，因而靈敏度較低；價格較貴，機械強 度低，不適宜在還原性氣氛或有金屬蒸汽的條件下使用。

B、鉑銠 13－鉑熱電偶（分度號為Ｒ，也稱為單鉑銠熱電偶） 該熱電偶的正極為含 13%的鉑銠合金，負極為純鉑，同 S 型相比，它的電勢 率大 15%左右，其它性能幾乎相同，該種熱電偶在日本產業界，作為高溫熱電偶 用得最多，而在中國，則用得較少；

C、鉑銠 30－鉑銠 6 熱電偶（分度號為Ｂ，也稱為雙鉑銠熱電偶） 該熱電偶的正極是含銠 30%的鉑銠合金，負極為含銠 6%的鉑銠合金，在室溫 下，其熱電勢很小，故在測量時一般不用補償導線，可忽略冷端溫度變化的影響；長期使用溫度為 1600℃，短期為 1800℃，因熱電勢較小，故需配用靈敏度較高 的顯示儀表。

Ｂ型熱電偶適宜在氧化性或中性氣氛中使用，也可以在真空氣氛中的短期使 用；即使在還原氣氛下，其壽命也是Ｒ或Ｓ型的 10～20 倍；由于其電極均由鉑 銠合金制成，故不存在鉑銠－鉑熱電偶負極上所有的缺點、在高溫時很少有大結 晶化的趨勢，且具有較大的機械強度；同時由于它對于雜質的吸收或銠的遷移的 影響較少，因此經過長期使用后其熱電勢變化并不嚴重、缺點價格昂貴（相對于 單鉑銠而言）。

D、鎳鉻－鎳硅（鎳鋁）熱電偶（分度號為Ｋ） 該熱電偶的正極為含鉻 10%的鎳鉻合金，負極為含硅 3%的鎳硅合金（有些國 家的產品負極為純鎳）。可測量 0～1300℃的介質溫度，適宜在氧化性及惰性氣 體中連續使用，短期使用溫度為 1200℃，長期使用溫度為 1000℃，其熱電勢與 溫度的關系近似線性，價格便宜，是目前用量最大的熱電偶。

Ｋ型熱電偶是抗氧化性較強的賤金屬熱電偶，不適宜在真空、含硫、含碳氣 氛及氧化還原交替的氣氛下裸絲使用；當氧分壓較低時，鎳鉻極中的鉻將擇優氧 化，使熱電勢發生很大變化，但金屬氣體對其影響較小，因此，多采用金屬制保護管。

E、鎳鉻硅－鎳硅熱電偶（分度號為Ｎ） 該熱電偶的主要特點是：在 1300℃以下調溫抗氧化能力強，長期穩定性及 短期熱循環復現性好，耐核輻射及耐低溫性能好，另外，在 400～1300℃范圍內， Ｎ型熱電偶的熱電特性的線性比Ｋ型偶要好；但在低溫范圍內（-200～400℃） 的非線性誤差較大，同時，材料較硬難于加工。

E、銅－銅鎳熱電偶（分度號為Ｔ） T 型熱電電偶,該熱電偶的正極為純銅，負極為銅鎳合金（也稱康銅），其主要特點是：在賤金屬熱電偶中，它的準確度最高、熱電極的均勻性好；它的使用 溫度是-200～350℃，因銅熱電極易氧化，并且氧化膜易脫落，故在氧化性氣氛 中使用時，一般不能超過 300℃，在-200～300℃范圍內，它們靈敏度比較高， 銅－康銅熱電偶還有一個特點是價格便宜，是常用幾種定型產品中最便宜的一種。

F、鐵－康銅熱電偶（分度號為Ｊ） 

J 型熱電偶,該熱電偶的正極為純鐵，負極為康銅（銅鎳合金），具特點是價 格便宜,適用于真空氧化的還原或惰性氣氛中，溫度范圍從-200～800℃，但常用 溫度只是 500℃以下，因為超過這個溫度后，鐵熱電極的氧化速率加快，如采用 粗線徑的絲材，尚可在高溫中使用且有較長的壽命；該熱電偶能耐氫氣（Ｈ2） 及一氧化碳（ＣＯ）氣體腐蝕，但不能在高溫（例如 500℃）含硫（Ｓ）的氣氛 中使用。

G、鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶（分度號為Ｅ） 

Ｅ型熱電偶是一種較新的產品，它的正極是鎳鉻合金，負極是銅鎳合金（康 銅），其最大特點是在常用的熱電偶中，其熱電勢最大，即靈敏度最高；它的應 用范圍雖不及Ｋ型偶廣泛，但在要求靈敏度高、熱導率低、可容許大電阻的條件 下，常常被選用；使用中的限制條件與Ｋ型相同，但對于含有較高濕度氣氛的腐 蝕不很敏感。

除了以上 8 種常用的熱電偶外，作為非標準化的熱電偶還有鎢錸熱電偶，鉑 銠系熱電偶，銥鍺系熱電偶，鉑鉬系熱電偶和非金屬材料熱電偶等。下表所列的是常用熱電偶的材料規格和線徑使用溫度的關系：

熱電偶分度號線徑（mm）長期短期 

ＳΦ0。513001600 

ＲΦ0。513001600 

ＢΦ0。516001800 

ＫΦ1。28001000 

四、熱電偶冷端的溫度補償 

為了節省熱電偶材料的成本，特別是在使用貴金屬時，通常采用補償導線將熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度相對穩定的控制室內，并連接到儀表端子上。需要明確的是，熱電偶補償導線的作用僅限于延伸熱電極，將熱電偶的冷端移至控制室內的儀表端子上，它本身不能消除冷端溫度變化對溫度測量的影響，不能起到補償的作用。

絕緣管 

該熱電偶的工作端被牢固焊接在一起，熱電極之間需要用絕緣管進行保護。絕緣管有多種材料可選，主要分為有機和無機絕緣兩類。對于高溫端，必須選擇無機材料作為絕緣管。一般在1000℃以下可選用粘土質絕緣管，在1300℃以下可選用高鋁管，在1600℃以下可選用剛玉管。

保護管

保護管的作用是使熱電偶電極與被測介質不直接接觸。它的作用不僅延長熱電偶的壽命，還能提供支撐和固定熱電極的功能，增強其強度。因此，正確選擇熱電偶保護管和絕緣材料對于熱電偶的使用壽命和測量準確性至關重要。保護管的材料主要分為金屬和非金屬兩大類。

熱電偶是工業溫度測量中常用的傳感器，具有高精度、經濟和適用于廣泛溫度范圍的特點。它通過測量熱端和冷端之間的溫度差來進行測量。

為了獲得熱端感測點的絕對溫度，需要測量冷端溫度并相應地調節熱電偶的輸出。通常，冷端與熱電偶信號處理單元的輸入端通過具有高熱導率的材料片保持同溫。銅是具有理想熱導率（381W/mK）的材料。輸入連接需要電隔離，以避免熱電偶信號與片上的熱傳導相互影響。整個信號處理單元最好處于這種同溫環境中。

熱電偶的信號范圍通常在微伏/℃級別，熱電偶信號處理單元對電磁干擾（EMI）非常敏感，而熱電偶線路經常受到EMI的干擾。EMI增加了接收信號的不確定性，對采集的溫度數據精度造成損害。此外，連接所需的專用熱電偶纜線也很昂貴，如果不小心使用其他類型的纜線進行替代，可能會導致分析困難。

由于 EMI 與線長度成正比，所以要使干擾最小的通常選擇是把控制電路靠近 感測點，增加一個靠近感測點的遠程板或采用復雜的信號濾波和纜線屏蔽。一個 比較妙的方案是在靠近感測點數字化熱電偶輸出。

五、熱電偶工藝生產流程

熱電偶的生產過程控制包括以下內容：

1) 偶絲檢驗：檢查幾何尺寸和熱電勢。

2) 補償導線檢驗：檢查幾何尺寸和熱電勢。

3) 準備和檢驗塑料插座、鋁帽、耐火底座、紙管和小紙管等組件。

4) 熱端焊接：通過P控制圖驗證焊點的合格率和長度的合格率。

5) 偶絲退火：包括一次退火（堿洗、酸洗后的退火）和二次退火（穿U形管后的退火），控制退火溫度和時間。

6) 過程檢驗：包括極性判斷、回路電阻和外觀質量以及幾何尺寸的檢查。

7) 冷端焊接：控制焊接電壓，檢查焊點形狀和球形大小。

8) 組裝灌注：按要求進行組裝，包括控制熱端位置和補線距離。灌注要求包括水泥配制、烘烤溫度和時間，并進行絕緣電阻測量。

9) 最終檢驗：檢查幾何尺寸、回路電阻、正負極性和絕緣電阻。

六、熱電偶傳感器應用 

熱電偶是兩種不同的導體連接在一起形成的，當測量及參考連接點分別處于 不同溫度上時即產生出所謂的熱電磁力（EMF）。連接點用途測量連接點是處于 被測溫度上的熱電偶連接點部分。

參考連接點在熱電偶中起到保持在已知溫度上或自動補償溫度變化的作用。在常規工業應用中，熱電偶元件通常連接到接頭上，而參考連接點則通過適當的熱電偶延伸線連接到溫度比較穩定的被控環境中。連接點的類型可以是接殼式熱電偶連接點或絕緣式熱電偶連接點。

接殼式熱電偶連接點是通過物理連接（焊接）與探針壁相連，從外部通過探針壁將熱量傳遞至連接點，以實現良好的熱傳輸。這種類型的連接點適用于測量靜態或流動腐蝕性氣體和液體的溫度，以及一些高壓應用。

絕緣式熱電偶連接點則與探針壁分開，并由一種軟性粉末包圍。雖然絕緣式熱電偶的響應速度比接殼式熱電偶較慢，但它能提供電絕緣的特性。建議在測量腐蝕性環境時使用絕緣式熱電偶，可以通過護套屏蔽將熱電偶與周圍環境完全電絕緣。

露端式熱電偶允許連接點頂端深入到周圍環境中，這種類型的熱電偶提供最佳的響應時間，但僅適用于非腐蝕、非危險和非加壓的應用。響應時間可以用時間常數來表示，時間常數定義為傳感器在被控環境中從初始值到最終值改變63.2%所需的時間。露端式熱電偶具有最快的響應速度，而且探針護套直徑越小，響應速度越快，但其最大允許測量溫度也越低。

延伸線熱電偶使用延伸線將參考連接點從熱電偶轉接到另一端的線上，而該線通常位于被控環境中，并具有與熱電偶相同的溫度-電磁頻率特性。當正確連接時，延伸線將參考連接點傳輸到被控環境中。

熱電阻溫度傳感器

一、熱電阻的基本概念

熱電阻是一種常用于中低溫區的溫度檢測器，其原理是利用金屬導體的電阻隨溫度升高而增加。熱電阻具有高測量精度和穩定性的特點。其中，鉑熱電阻是測量精度最高的，被廣泛應用于工業溫度測量和標準儀器制造。

熱電阻主要由純金屬材料制成，常用的材料包括鉑、銅，以及近期開始采用的鎳、錳和銠等。其中，鉑絲是最常用的感溫材料。除了鉑絲，工業測量中還使用銅、鎳、鐵、鐵-鎳等金屬熱電阻材料。

二、熱電阻的工作原理

熱電阻是一種利用導體或半導體的電阻隨溫度變化而變化的特性來測量溫度及相關參數的器件。它主要由純金屬材料制成，最常用的是鉑和銅，而近期也開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。為了將電阻信號傳遞到計算機控制裝置或其他次級儀表上，通常需要使用引線來連接熱電阻。

三、熱電阻主要種類

①普通型熱電阻

從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。

②鎧裝熱電阻

鎧裝熱電阻是由感溫元件(電阻體)、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體，它的外徑一般為φ2--φ8mm，最小可達φmm。

與普通型熱電阻相比，它有下列優點:A.體積小，內部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后小；B.機械性能好、耐振，抗沖擊；C.能彎曲，便于安裝；D.使用壽命長。

③端面熱電阻

端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計端面。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。

④隔爆型熱電阻

隔爆型熱電阻通過特殊結構的接線盒，把其外殼內部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發生的爆炸局限在接線盒內，生產現場不會引超爆炸。隔爆型熱電阻可用于 Bla--B3c 級區內具有爆炸危險場所的溫度測量。

四、測溫原理

熱電阻的測溫原理與熱電偶的測溫原理有所不同。熱電阻是基于電阻的熱效應進行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度變化而變化。通過測量感溫熱電阻的阻值變化，可以確定溫度值。目前主要有金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩類熱電阻。

金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關系式表示，即

式中，Rt 為溫度 t 時的阻值;Rt0 為溫度 t0(通常 t0=0℃)時對應電阻值;α為溫度系數。

半導體熱敏電阻的阻值和溫度關系為：Rt=AeB/t

式中，Rt 為溫度為 t 時的阻值；A、B 取決于半導體材料的結構的常數。

相比較而言，熱敏電阻的溫度系數更大，常溫下的電阻值更高(通常在數千歐以上)，但互換性較差，非線性嚴重，測溫范圍只有-50~300℃左右，大量用于家電和汽車用溫度檢測和控制。金屬熱電阻一般適用于-200~500℃范圍內的溫度測量，其特點是測量準確、穩定性好、性能可靠，在程控制中的應用極其廣泛。

在工業上，雖然大多數金屬導體都具有電阻隨溫度變化的性質，但并不是所有金屬都適用于作為測溫熱電阻。金屬熱電阻材料通常具備以下要求：擁有盡可能大且穩定的溫度系數，具有較高的電阻率（以減小傳感器尺寸并保持靈敏度），在使用溫度范圍內具有穩定的化學物理性能，具有良好的復制性，電阻值與溫度變化之間具有明確的函數關系（最好呈線性關系）。

實際應用

目前，鉑和銅是應用最廣泛的熱電阻材料：

1. 鉑電阻：鉑電阻具有高精度、適用于中性和氧化性介質、穩定性好等特點。它在溫度變化時具有一定的非線性，溫度越高，電阻的變化率越小。

2. 銅電阻：銅電阻在測溫范圍內的電阻值與溫度呈線性關系，具有較高的溫度線性度。它適用于無腐蝕介質的環境。然而，超過150攝氏度時，銅電阻容易被氧化。

這兩種材料在不同的應用場景中具有各自的優勢和限制，選擇適合的熱電阻材料取決于具體的測溫需求和工作環境條件。

中國最常用的有 R0=10Ω、R0=100Ω和 R0=1000Ω等幾種，它們的分度號分別為 Pt10、Pt100、Pt1000;銅電阻有 R0=50Ω和 R0=100Ω兩種，它們的分度號為 Cu50 和 Cu100。其中 Pt100 和 Cu50 的應用最為廣泛。

接線方式

熱電阻是把溫度變化轉換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號通過引線傳遞到計算機控制裝置或者其它一次儀表上。工業用熱電阻安裝在生產現場，與控制室之間存在一定的距離，因此熱電阻的引線對測量結果會有較大的影響。

目前熱電阻的引線主要有三種方式：

二線制：

在熱電阻的兩端各連接一根導線來引出電阻信號的方式叫二線制:

這種引線方法很簡單，但由于連接導線必然存在引線電阻 r，r 大小與導線的材質和長度的因素有關，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合。

三線制：

在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業過程控制中的最常用的。

四線制：

在熱電阻的根部兩端各連接兩根導線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流 I，把 R 轉換成電壓信號 U，再通過另兩根引線把 U引至二次儀表。可見這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測。

熱電阻常采用三線制接法，這是為了消除連接導線電阻引起的測量誤差。由于測量熱電阻的電路通常是不平衡電橋，熱電阻作為電橋的一個橋臂電阻，連接導線也對電橋產生影響，導致測量誤差。采用三線制可以解決這個問題。其中，一根導線連接到電橋的電源端，另外兩根導線分別連接到熱電阻所在的橋臂和相鄰橋臂上，這樣可以消除導線電阻帶來的誤差，提高測量的準確性。

五、熱電阻結構及生產工藝特點

結構由熱電阻體、引出線、絕緣骨架、保護套管、接線盒等部分組成，熱電阻＝電阻體＋絕緣套管＋接線盒。

生產工藝特點

熱電阻體

云母骨架熱電阻：用直徑為 0。03-0。07mm 的鉑絲，采用雙線無感繞制法繞

在鋸齒形云母骨架上，兩面再各加云母片絕緣，外面用鉚釘及陶瓷卡件夾持而成。

在裝入保護套管時，云母骨架熱電阻體的兩面各綁一個完成半圓形，它的作用是把電阻體固定在保護套管中間，這樣即可增加抗震及抗沖擊性能，又可加強熱傳導，減小測溫后的之后和自熱影響絲。使用溫度 5000C 以下。

絕緣骨架

作用：纏繞、支撐和固定熱電阻絲的支架。它的質量影響技術指標。

目前常用的材料:云母,玻璃,石英,陶瓷,塑料。

(1)云母骨架熱電阻

(2)玻璃骨架熱電阻

(3)陶瓷骨架熱電阻

(4)塑料骨架熱電阻

引出線

定義：由熱電阻體至接線端子的連接導線稱為引出線。

問題：引出線有電阻值，影響測量精度。

解決方法：

A、選擇特定材料，內引出線要選用純度高，與電阻絲、接線端子之間產生的熱電勢小，而且在使用溫度下不揮發、抗氧化、不變質的材料。工業用鉑電阻用銀絲作引出線，高溫下用鎳絲作引出線。銅和鎳電阻可用銅絲和鎳絲作引出線。引出線的直徑比電阻絲的直徑大得多，這樣可減少引出線電阻。

B、接線方式的改變