一、溫度測量的基本概念

1 .溫度定義:

溫度是表示物體冷熱程度的物理量。 溫度只能通過隨溫度變化的物體特性間接測量，測量物體溫度值的比例稱為溫度比例。 規(guī)定溫度讀取開始點(零點)和測量溫度的基本單位。 現(xiàn)在國際上常用的溫度標(biāo)準(zhǔn)是華氏、攝氏、熱力學(xué)溫度標(biāo)準(zhǔn)和國際實用溫度標(biāo)準(zhǔn)。

攝氏溫度坐標(biāo)(℃)規(guī)定為，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點為0度，水的沸點為100度，中間為100等分，等分?jǐn)z氏1度，符號為℃。

華氏溫度標(biāo)記(?)表示在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點為32度，水的沸點為212度，中間為180等分時華氏1度的符號為⊙222222222222222222226

熱力學(xué)溫度坐標(biāo)(符號t )也稱為開爾文溫度坐標(biāo)(符號k )或溫度坐標(biāo)，將分子運動停止時的溫度規(guī)定為零度。

國際溫度標(biāo)準(zhǔn):國際實用溫度標(biāo)準(zhǔn)是國際協(xié)議性溫度標(biāo)準(zhǔn)，接近熱力學(xué)溫度標(biāo)準(zhǔn)，再現(xiàn)精度高，使用方便。 現(xiàn)在國際通用的溫度標(biāo)準(zhǔn)是1975年第15屆國際權(quán)力大會上通過的“1968年國際實用溫度標(biāo)準(zhǔn)-1975年修訂版”，記載為IPTS-68(REV-75 )。 但是，由于IPTS-68的溫度存在一定的不安，國際計量委員會在18次國際計量大會第7號決議中批準(zhǔn)1989年會議采用1990年國際ITS-90、ITS-90的溫度標(biāo)準(zhǔn)代替IPS-68。 我國自1994年1月1日起全面實施ITS-90國際溫度標(biāo)準(zhǔn)。

1990年國際溫度標(biāo)準(zhǔn):

a、溫度單位:熱力學(xué)溫度是基本功手的物理量，其單位為開爾文，水的三相點與定義的熱力學(xué)溫度的1/273.16以273.15K (冰點以下)之差表示溫度，因此至今仍保留該方法。 根據(jù)定義，攝氏的大小和開爾文一樣，溫度差也可以用攝氏和開爾文來表現(xiàn)。 國際溫度標(biāo)準(zhǔn)ITS-90同時定義國際開爾文溫度(符號T90 )和國際攝氏溫度(符號T90 )。

b、國際溫度標(biāo)準(zhǔn)ITS-90的通則: ITS-90從0.65K向普朗克輻射法則用單色輻射可實際測量的zui高溫。 ITS-90是全范圍，溫度采用時t的zui較佳推定值被規(guī)定為，與直接測定熱力學(xué)溫度相比，T90的測定更方便，而且精密，再現(xiàn)性高。

c、ITS-90的定義:

*溫帶在0.65K到5.00K之間，T90由3He和4hh的蒸汽壓力和溫度的關(guān)系式定義。

第二溫區(qū)在3.0K到氖三相點( 24.5661K )之間的T90由氦氣溫度計定義。

第三溫區(qū)從平樟氫三相點( 13.8033K )到銀的凝固點( 961.78℃)之間，T90由鉑電阻溫度計定義，其采用規(guī)定的定義插值法算出。 在銀凝固點( 961.78℃)以上的溫度范圍內(nèi)，T90由普朗克輻射定律定義，再現(xiàn)裝置是光學(xué)高溫計。

二、溫度測量儀器的分類

溫度測量儀器根據(jù)測溫方式大致分為接觸式和非接觸式。 通常，接觸式測溫計比較簡單，可靠性高，測量精度高，但測溫元件和被測介質(zhì)需要進(jìn)行充分的熱交換金剛，達(dá)到熱平衡需要一定的時間，因此在存在測溫延遲現(xiàn)象的同時，被高溫材料所限制，不能應(yīng)用于高溫測量。 非接觸式儀表的測溫是根據(jù)熱輻射的原理來測量溫度的，測量元件不需要與被測介質(zhì)接觸，測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，不破壞被測物體的溫度場，反應(yīng)速度一般較快，但受物體發(fā)射率、測量距離、煙塵、水分等外在因素的影響，測量誤差較大。

三、傳感器的選擇

國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87的傳感器下定義如下。 &ldquo； 可以感受能夠根據(jù)規(guī)定的測量、一定規(guī)則將光信號轉(zhuǎn)換成可用信號的設(shè)備和裝置，通常由靈敏元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成&rdquo； 的雙曲馀弦值。 傳感器是檢測測定的信息，將檢測出的信息以一定規(guī)則轉(zhuǎn)換成電信號或其他必要形式的信息輸出，滿足信息傳送、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求的檢測裝置。 這是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的主要環(huán)節(jié)。

(一)現(xiàn)代傳感器的原理和結(jié)構(gòu)千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目標(biāo)、測量對象和測量環(huán)境合理選擇傳感器，是進(jìn)行某些量測時首先要解決的問題。 傳感器確定后，也可確定相應(yīng)的測量方法和測量設(shè)備。 測量結(jié)果的成功與否很大程度上取決于傳感器的選擇是否合理。

1 .根據(jù)測量對象和測量環(huán)境決定傳感器的類型:進(jìn)行具體的測量工作，首先必須考慮采用哪種原理的傳感器，分析多方面的要素后再確定。 這是因為，即使測量相同的物理量，也能夠選擇各種原理的傳感器，因此若該原理的傳感器更適當(dāng)，則根據(jù)所測量的特征和傳感器的使用條件，對于需要考慮范圍的大小的被測量位置的傳感器的體積要求測量方式為接觸式或非接觸式的信號的讀出方法、有線或者非接觸式測量傳感器

2、靈敏度的選擇:通常在傳感器的線性范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度越高越好。 僅在靈敏度高的情況下，對應(yīng)于測定出的變化量的輸出信號對于信號處理有利。 但是應(yīng)該注意的是，傳感器的靈敏度高，還容易混入沒有被測定的外部的噪聲，被放大系統(tǒng)放大，影響測定精度，因此對傳感器自身要求高的可靠性，盡可能減少從外部導(dǎo)入的工廠的擔(dān)心信號。 傳感器的靈敏度有方向性。 如果所測量的傳感器是單向量并且其方向性要求較高，則需要選擇其他方向上的靈敏度較小的傳感器，以及如果通過多維向量進(jìn)行測量，則需要傳感器的交叉靈敏度越小越好。

3、頻率響應(yīng)特性:傳感器的頻率響應(yīng)特性必須確定所測量的頻率范圍，并保持在所允許的頻率范圍內(nèi)無失真的測量條件。 實際上傳感器的響應(yīng)總是有一定的延遲。 延遲越短越好。 如果傳感器的頻率響應(yīng)較高，則可測量信號的頻率范圍變寬，受結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，而且頻率較低的傳感器可以測量信號的頻率較低。 動態(tài)測量時，請勿根據(jù)信號的特性(穩(wěn)態(tài)、隨機(jī)等)產(chǎn)生過度誤差。

4、線性范圍:傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。 理論上，在該范圍內(nèi)靈敏度一定，傳感器的線性范圍越寬，其范圍越大，能夠保證一定的測量精度。 選擇傳感器時，確定傳感器的種類后，首先看其范圍是否滿足要求。 但是，實際上，任何傳感器都不能保證的直線性，其直線性也是相對的。 在所要求的測定精度低的情況下，可以將在一定范圍內(nèi)非線性誤差小的傳感器看作近似線性，在測定上非常方便。

5、穩(wěn)定性:傳感器使用一定時間后，其性能不變的能力稱為穩(wěn)定性。 影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素主要是傳感器的使用環(huán)境，除了傳感器本身的結(jié)構(gòu)以外。 因此，為了使傳感器具有穩(wěn)定性，傳感器需要較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。 在選擇傳感器之前，調(diào)查其使用環(huán)境，根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎虿扇∵m當(dāng)?shù)拇胧p少環(huán)境影響。 如果要求傳感器的長期使用，且易于更換或定位，那么對選定傳感器的穩(wěn)定性要求更苛刻，并且應(yīng)經(jīng)受長期考驗。

6、精度:精度是傳感器的重要性能指標(biāo)，它是整個測量系統(tǒng)測量精度的重要環(huán)節(jié)。 傳感器的精度越高，其價格越高，因此傳感器的精度只要滿足測量系統(tǒng)整體的精度要求即可，即使不太高地選擇，也能夠從滿足相同測量的多個傳感器中選擇比較廉價且簡單的傳感器。 如果測定目的是定性分析，則選擇反復(fù)精度高的傳感器即可，如果是不應(yīng)該選擇測定值的精度高的傳感器的定量分析所需要的測定值，則選定精度等級滿足要求的傳感器。 在特殊使用情況下，如果無法選擇合適的傳感器，需要自己設(shè)計和制造傳感器，自制傳感器的性能應(yīng)滿足使用要求。

(2)溫度計:

1、熱阻:熱阻是中低溫區(qū)zui常用的溫度檢測器。 其主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。 其中鉑電阻測量精度zui高，未廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，已成為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)儀器。

①測溫電阻體的原理和材料:測溫電阻體基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加的特性進(jìn)行溫度測量。 熱阻幾乎都是由金屬材料制成的，現(xiàn)在大多使用zui的是鉑和銅，另外，現(xiàn)在也開始用銠、鎳、錳等材料制造熱阻。

②測溫電阻體系統(tǒng)的構(gòu)成:測溫電阻體系統(tǒng)一般由測溫電阻體、連接線、數(shù)字溫度控制顯示表等構(gòu)成。 需要注意的兩點: &ldquo； 測溫電阻體和數(shù)字溫度控制顯示表的分度代號為消除必須一致的連接導(dǎo)線電阻變化的影響，必須采用三線制連接法。 &rdquo；

2、熱敏電阻: NTC熱敏電阻具有體積小、測試精度高、反應(yīng)速度快、穩(wěn)定可靠、抗老化、兼容性好、一致性好等特點。 廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣設(shè)備、電子體溫計、液位傳感器、汽車電子、電子日歷等領(lǐng)域。

3、熱電偶:熱電偶是工業(yè)上zui常用的溫度檢測元件之一。 優(yōu)勢包括:

①測量精度高。 由于熱電偶直接與被測對象接觸，因此不受中間介質(zhì)的影響。

②測量范圍廣。 通常的熱電偶可以從-50~+1600℃連續(xù)測量，特定的特殊熱電偶zui可以達(dá)到-269℃(例如，金鐵鎳鈷合金)，zui可以達(dá)到+2800℃(例如，鎢-錸)。

③結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。 熱電偶通常由兩種不同的電線組成，且不受大小和開頭限制，外面有保護(hù)套，使用方便。

(1) .熱電偶測溫的基本原理

焊接兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體a和b，構(gòu)成一個閉合電路。 當(dāng)導(dǎo)體a和b的兩個執(zhí)著點1和2之間存在溫度差時，在兩者之間產(chǎn)生電動勢，在電路中產(chǎn)生大電流的現(xiàn)象被稱為熱電效應(yīng)。 熱電偶利用這個效果發(fā)揮作用。

(2) .熱電偶的種類

常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩類。

標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)尺度的熱電偶，有與其配套的顯示器。

未標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶不及使用范圍或數(shù)量級標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的標(biāo)度表，主要用于特殊情況下的測量。

我國自1988年1月1日起，熱電偶和熱阻均按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，將s、b、e、k、r、j、t 7種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶指定為中國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。

(3) .熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償

熱電偶的材料一般是貴重的(特別是采用貴金屬時)，從測溫點到儀表的距離較遠(yuǎn)，為了節(jié)約熱電偶的材料，降低成本，通常使用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶的冷端(自由端)延長到溫度比較穩(wěn)定的控制室，并與儀表端子連接。 必須指出，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只是將熱電偶的冷端子移動到控制室的儀表端子，不能消除冷端子的溫度變化對測溫的影響，不能進(jìn)行補(bǔ)償。 因此，為了補(bǔ)償冷卻溫度t0&ne，還需要其他修正方法，對0℃下的測溫產(chǎn)生影響。 使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時，要注意形式一致，不能搞錯極性，補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶連接端的溫度不得超過100℃。

四、我國溫控領(lǐng)域的八大進(jìn)展

我國儀器在微細(xì)化、數(shù)字化、智能化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化等方面追隨著國際發(fā)展的步伐，加大了自主知識產(chǎn)權(quán)部分的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化力度，取得了顯著進(jìn)展。 其中，需要提出的重大科學(xué)技術(shù)進(jìn)展主要包括以下八個方面

1、先進(jìn)工業(yè)自動化儀器儀表與系統(tǒng)實現(xiàn)了模塊化和全數(shù)字整合，達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化要求，在鋼、電、煤、化、油、交通、建筑、防衛(wèi)、食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，向擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的方向邁出了堅實的一步。

2、智能系列測試儀器和自動測試系統(tǒng)的研究與產(chǎn)業(yè)化水平大大提高，建立了航天測試、機(jī)電產(chǎn)品測試、家電產(chǎn)品測試、地震監(jiān)測、氣象探測、環(huán)境監(jiān)測等各行業(yè)自動測試系統(tǒng)。 整體水平達(dá)到國外先進(jìn)產(chǎn)品水平，售價明顯低于國外產(chǎn)品。

3 .微波毫米波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的研制成功，成功批量生產(chǎn)標(biāo)志著中國成為僅次于美國的世界第二大高科技產(chǎn)品國家。

4 .研制出具有獨特特色的納米計量和微機(jī)械，碳納米管的定向制備、結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)探測處于世界ling之上。

5 .完成完整的電量子標(biāo)準(zhǔn)和1.5×的10-5級國家電能標(biāo)準(zhǔn)裝置，使我國的電量標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

六是開展自主知識產(chǎn)權(quán)科學(xué)儀器難關(guān)，提高了我國科學(xué)儀器的總體水平。

7、建立產(chǎn)學(xué)研結(jié)合、國內(nèi)外結(jié)合的發(fā)展機(jī)制，拓展科學(xué)儀器應(yīng)用領(lǐng)域，如開發(fā)海關(guān)防偽門票頻譜儀器，在全國海關(guān)普及后，累計征收假門票價值540億元，為國家恢復(fù)巨大經(jīng)濟(jì)損失。 國產(chǎn)科學(xué)儀器的市場占有率為&ldquo； 八五&rdquo； 期間的13%為&ldquo； 九五&rdquo； 是晚期的25%。

8 .成功研制出高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)，超聲醫(yī)療器械在腫瘤無創(chuàng)治療方面具有國際ling的優(yōu)勢

本文熱電偶高頻詞： 傳感器  測量 

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