电力是现代社会使用*为广泛的二次能源，电力工业则是关系到国计民生的重要基础产业和公用事业。不言而喻，传感器相当于电力工业的视觉神经，是电力能够安全、可靠运行和保质保量稳定供应的重要保障。 在电力生产过程中，温度测量与控制十分重要，温度参数的准确测量对电能的输出品质、生产效率和安全可靠的运行至关重要。目前，在电力生产和检修过程中已逐渐开始采用先进的红外温度计等非传统测温传感器，来代替传统的热电偶、热电阻类的热电式温度传感器，从而实现电力的生产过程或者重要设备的温度监视和控制。 红外温度传感器的试验方法和优点 红外辐射俗称红外线，是指辐射波长大致为0.75-1000mm频谱范围内的电磁波。红外辐射的物理本质是热辐射，当物体温度处于*零度以上时，其内部带电粒子的热运动就会向外发射出红外线。物体的温度越高，辐射出来的红外线就会越多，红外辐射的能量也就越强。红外温度计是基于物体红外辐射的能量大小及其波长的分布，与物体表面温度的对应关系，并通过对物体自身辐射的红外能量的测量，来准确地测定物体的表面温度。 与热电偶、热电阻等常规温度传感器相比，红外温度计具有测温范围宽、寿命长、性能可靠、反应极快和非接触性等诸多优点。另外，红外温度计还特别适合测量腐蚀性的介质和运动物体的温度，而且不会破坏到被测对象的温度场。 近年来，随着微处理器芯片和红外测温传感技术的迅速发展，红外测温传感器的性能得到不断的提高，其适用范围已经可以覆盖到低、中、高温的不同区段。 电气设施及过程测控中的中低温红外温度传感器 英国Calex电子公司生产的PyroCouple M系列微型化红外温度传感器（见图1），其测温范围为-20℃～+500℃，精度可达读数的±1%，重复性为读数的±0.5%，响应时间是200ms，防护等级达IP65，并可在环境温度范围为0℃～70℃和相对湿度为95%下的环境中使用，而且可以输出电流、电压或热偶信号。在发电厂，其主要用于非接触方式实时测量锅炉空预器、汇流排、重要断路器、电机轴承、电机绕组、变压器绕组、UPS或其它电气接头处的温度，并用来及时发现设备的热点或连接故障等，从而提供电气系统或设备的诊断、状态检修和维护等。

图1

图2所示为Fluke下属的雷泰公司新推出的CM系列的小型集成式红外温度计，其输出信号为0-5V或J、K型热电偶的连续信号和开关报警的触点信号，并带有RS232的数字通讯接口，探头状态以及自诊断显示LED，专用于工业制造流程的连续温度监视。在现场电磁干扰大的场合，可用于替代易受影响的普通热电偶和热电阻等。该温度计响应时间快，可达150ms，能够实现疏水管线温度、疏水袋温差式水位和抽气管线积水的探测等场合的实时监测功能，完全可以满足电厂的防进水保护，以及检测的快速响应时间和可靠性要求。

图2

炉膛应用中的红外高温计 一般测量高温（700℃以上）的红外温度计，它的有用波段主要在0.76～3mm的近红外区，透射的光学材料主要是选用光学玻璃或石英等。 雷泰公司生产的Marathon 系列红外测温仪（见图3）是专为恶劣的工业环境应用所设计的工业级产品，测温范围为-40℃～3000℃，这款红外测湿仪拥有高性能的光学镜头，光学分辨率*高可达300:1，响应时间有2ms、60ms和120ms三种可选，并具备IP65的防护等级，可以防止安装、设置和使用过程中的污染和损伤。而且带标准的模拟量、数字量和分布式的继电器输出，能够同时传输数据、报警触发和控制信号。内置智能型的电路盒以及易于使用的操作界面等。此外，该红外测温仪坚固的不锈钢外壳也可以确保在苛刻的工业环境下能够安全使用。

图3

通过电厂的锅炉炉膛和后炉膛区的温度，不仅可以直接反应出其内燃料的燃烧强度的大小，燃烧过程中的效率优劣，而且还能间接地影响到锅炉的受热面以及后续流程（如脱硝、灰份的控制等）的正常运行。从电厂的安全控制和效率角度来看，炉膛区的温度是十分重要的，而且需要运行监视的关键参数。在欧洲，有相当一部分电厂或锅炉的制造商（如法国Stein锅炉）即采用上述类型的红外光学高温计，用来测量大型的锅炉炉膛断面的烟气温度，并借此实现锅炉的全炉膛的火焰检测和炉膛灭火的保护功能。红外成像仪的应用优势 在电厂，运行或检修人员不仅需要知道被控对象表面的平均温度，有时更需要知晓被监测对象的温度场的分布情况，以便分析和研究运行是否正常，内部结构是否存在缺陷等。与先前叙述的点式红外测温传感器不同，红外成像仪则是采用面式测温方式，能将对象的温度场的分布以图像形式直观地显示出来，以满足温度场监视的需要。 红外成像仪主要是检测波长范围在0.9～14mm内的红外电磁频谱区的辐射量，通过热图像技术，给出热辐射体的温度值及温度场分布图，并转换成可见的热图像。大多数的成像仪不是采用常规的CCD或CMOS传感元件，而是采用特殊的FPA（焦平面阵列），以感应更长的波长段。*常用的FPA有InSb，InGaAs，HgCdTe和QWIP等。目前，世界上*的红外成像仪的温度灵敏度可高达0.03℃。 在实际使用红外热像仪时，只需要将热范围、热水平、大气温度、环境温度、被测物体的发射率以及测量距离等相关的参数输入到仪表内嵌计算机，就可以自动地得出温度分布等结果。 红外成像仪可以快捷和准确地探测电气设备的接头松动或不良接触、负荷不平衡、过载、过热等隐患（这些隐患可能造成的潜在危害是产生电弧、短路、设备起火或烧毁，以致酿成更加严重的事故或火灾等）。对于所有可以直接看见的设备，红外成像仪能够确定所有连接点的热隐患，而对于那些由于遮蔽导致无法直接看到的部分，则可以根据其热量传导到外面部件上的情况来发现其潜在的隐患。这种情况对传统的检测方法来说，除解体检查外，没有其它更好的办法。由此可见，在断路器、导体、母线以及其它部件的运行测试方面，红外成像仪的作用是无可取代的。 另外，红外成像仪也可以很容易地探测到输电或供电回路过载或三相负载的不平衡情况。 红外成像仪的检测实例 在美国，有几十家公司能够提供红外成像仪的检查服务，他们可以为电力客户的所有电气设备、配电系统，包括高压接触器、熔断器盘、主电源断路器盘、接触器以及所有的配电线、电动机和变压器等来进行红外成像仪的检查，以保证客户所有运行的电气设备不存在潜伏性的热隐患，并能够有效地防止火灾事故的发生。图4为利用成像仪可以轻松地检测出左侧熔断器工作异常的红外热图像。

此外，红外成像仪还可通过用于监视锅炉炉膛的火焰和汽包的水位，来判定设备冷却管是否堵塞不畅、汽轮发电机组或风机/泵组/电机等轴承温度是否过高、疏水管线的疏水是否流畅、调节阀/关断阀等是否存在内部泄漏、工艺管道或容器运行是否正常、危险或有害气体是否外漏等非正常现象。例如，SF6（六氟化硫）是一种温室气体，其温室效应是CO2气体有害程度的23900倍。而且由于它具有绝缘强度高，热传导性能良好和优异的灭弧性能等优点，因此，在高电压的设备中普遍采用SF6气体作为绝缘和灭弧介质。美国FLIR公司所生产的GasfindIR LW气体高敏感度式的红外成像仪，就可以检测出20余种温室或挥发性的有机化合物气体的泄漏或排放，也能用于实时检测电力设备是否存在SF6的泄漏，从而用以保护人类赖以生存的地球环境。 电感式传感器是如何检测一种黑金属的有无的？

电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置。利用电感式传感器，能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行测量。

电感式传感器来检测一种黑金属的有无，一种在自动化装配过程中开关里的波形垫圈。传感器的长检测距离（20mm）保证了在安全距离的可靠检测。

在建设一条汽车开关的新自动化装配线。在每一个开关中，波形垫圈的功能是确保紧实的机械开关动作以及密封装配。垫圈的嵌入发生在较早的生产阶段：共15站中的第3站。为了保证*终成品的质量，波形垫圈的有无必须在加工件被送往下一站之前被检查到。

由于空间有限，传感器应该尺寸较小（不超过M18直径）。另外，传感器需要被安装在远离加工件组装的安全距离中，所以检测距离应当在15mm-20mm之间。光电式传感器不适合检测这种波形和暗色的目标物。电感式传感器可以用来检测这种金属部件。

500系列传感器可以解决客户这一需求。这种传感器是非齐平安装，圆柱形外壳，尺寸M18直径，检测距离20mm。提供了不同环境下优异的检测稳定性（尤其是温度），以及更长的检测距离。

传感器被安装在自动输送线的上方，放置在加工件托盘上的半组装开关在其下经过。如果传感器检测到了缺失的波形垫圈，把信号发送到控制系统，输送线上的制动器就会阻止加工件托盘被运送到下一站，同时蜂鸣器响起提醒操作员。

安全的检测距离保护传感器免受损害，避免了由此造成的频繁停机。卓越的稳定性保证了*终成品的质量，消除了潜在的客户抱怨的情况发生。

特点

减少了依赖传感器的停机时间

减少了废品率

环境稳定性，尤其是各种温度下长检测距离（3倍于标准）优异的性价比

电感式传感器具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强及测量精度高等一系列优点，因此在机电控制系统中得到广泛的应用。它的主要缺点是响应较慢，不宜于快速动态测量，而且传感器的分辨率与测量范围有关，测量范围大，分辨率低，反之则高。

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无论是哪种类型的传感器，所有温度传感器都要考虑以下四大因素：

对所测量的介质没有影响

不管测量什么，重要的是要确保测量设备自身不会影响所测量的介质。进行接触温度测量时，这一点尤为重要。选择正确的传感器尺寸和导线配置是重要的设计考虑因素，以减少"杆效应"及其他测量错误。

非常

将对测量介质的影响降至低之后，如何准确地测量介质就变得至关重要。准确性涉及传感器的基本特性、测量准确性等。如果未能解决有关"杆效应"的设计问题，再准确的传感器也无济于事。

响应即时（在多数情况下）

响应时间受传感器元件质量的影响，还会受到导线的一些影响。通常传感器越小，响应速度越快。

输出易于调节

使用微处理器后可以更轻松地调节非线性输出，因此传感器输出的信号调节也更不成问题。

传感器的特性分析

	NTC热敏电阻	铂RTD	热电偶	半导体
传感器	陶瓷金属氧化尖晶石	铂绕线式或金属薄膜	热电	半导体连接点
温度范围（常规）	-100 ~ +325˚C	-200 ~ +650˚C	200 ~ +1750˚C	-70 ~ 150˚C
准确性（常规）	0.05 ~ 1.5 ˚C	0.1 ~ 1.0˚C	0.5 ~ 5.0˚C	0.5 ~ 5.0˚C
100˚C时的长期稳定性	0.2˚C/年（环氧） 0.02˚C/年（玻璃）	0.05˚C/年（薄膜） 0.002˚C/年（电线）	可变，某些类型会随着 年限的变化而变化	>1˚C/年
输出	NTC电阻 -4.4%/˚C（常规）	PTC电阻 0.00385Ω/Ω/°C	热电压 10µV ~ 40µV/°C	数字，各种输出
线性度	指数函数	相当线性	多数类型呈非线性	线性
所需的电源	恒定电压或电流	恒定电压或电流	自供电	4 ~ 30 VDC
响应时间	较快，0.12 ~ 10秒	一般较慢，1 ~ 50秒	较快，0.10 ~ 10秒	较慢，5 ~ 50秒
对电噪声的敏感度	相当不敏感， 仅对高电阻敏感	相当不敏感	敏感/冷端补偿	很大程度上 取决于布局
导线电阻影响	仅低电阻零件	很敏感。 需要三线或四线配置	对短期运行无影响。 需要TC延长线。	不适用
成本	低到中	绕线式——高 薄膜——低	低	中

上述每种主要类型的传感器的基本操作理论都有所不同，有各自的特性：

温度范围

每种传感器的温度范围也有所不同。热电偶系列的温度范围广，跨越多个热电偶类型。

精度

精度取决于基本的传感器特性。所有传感器类型的精度各不相同，不过铂元件和热敏电阻的精度高。一般而言，精度越高，价格就越高。

长期稳定性

由传感器随时间的推移保持其精度的一致程度来决定。稳定性由传感器的基本物理属性决定。高温通常会降低稳定性。铂和玻璃封装的绕线式热敏电阻是稳定的传感器。热电偶和半导体的稳定性则差。

输出变化

传感器输出依照类型而有所变化。热敏电阻的电阻变化与温度成反比，因此具有负温度系数(NTC)。铂等基金属具有正温度系数(PTC)。热电偶的千伏输出较低，并且会随着温度的变化而变化。半导体通常可以调节，附带各种数字信号输出。

线性度

线性度定义了传感器的输出在一定的温度范围内一致变化的情况。热敏电阻呈指数级非线性，低温下的灵敏度远远高于高温下的灵敏度。随着微处理器在传感器信号调节电路中的应用越来越广泛，传感器的线性度愈发不成问题。

电压或电流

通电后，热敏电阻和铂元件都需要恒定的电压或电流。功率调节对于控制热敏电阻或铂RTD中的自动加热至关重要。电流调节对于半导体而言不太重要。热电偶会产生电压输出。

响应时间

即传感器指示温度的速度，取决于传感器元件的尺寸和质量（假定不使用预测方法）。半导体的响应速度慢，绕线式铂元件的响应速度是第二慢的。铂薄膜、热敏电阻和热电偶提供小包装，因此带有高速选件。玻璃微珠是响应速度快的热敏电阻配置。

错误偏差

会导致温度指示有误的电噪声是使用热电偶时的一个主要问题。在某些情况下，电阻极高的热敏电阻可能是个问题。

导线电阻可能会导致热敏电阻或RTD等电阻式设备内出现错误偏差。使用低电阻设备（例如100Ω铂元件）或低电阻热敏电阻时，这种影响会更加明显。对于铂元件，使用三线或四线导线配置来消除此问题。对于热敏电阻，通常会通过提高电阻值来消除此影响。热电偶必须使用相同材料的延长线和连接器作为导线，否则可能会引发错误。

性价比

尽管热电偶是廉价、应用广泛的传感器，但NTC热敏电阻的性价比却往往是高的。

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传感器的优势和劣势对比

	NTC热敏电阻	铂RTD	热电偶	半导体
传感器	陶瓷（金属氧化尖晶石）	铂绕线式或金属薄膜	热电	半导体 连接点
优势	·灵敏度 ·精度 ·成本 ·坚固耐用 ·包装灵活 ·密封 ·表面安装	·精度 ·稳定性 ·线性度	·温度范围 ·自供电 ·不会自动加热 ·坚固耐用	·易于使用 ·板式安装 ·坚固耐用 ·总成本
劣势	·非线性 ·自动加热 ·潮湿故障 （仅对于非玻璃设备）	·导线电阻错误 ·响应时间 ·抗振 ·大小 ·包装限制	·冷端补偿 ·精度 ·稳定性 ·TC延长线	·精度 ·有限的应用 ·稳定性 ·响应时间

热电偶传感器

热电偶传感器是一种自发电式传感器，测量时不需要外加电源，直接将被测量转换成电势输出，使用十分方便。它的测温范围很广：-270℃～2500℃，并具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。

热电偶传感器的缺点是灵敏度比较低，容易受到环境的信号干扰，也容易受到前置放大器温漂的影响，不适合测量微小的温度变化。

热电偶传感器的灵敏度与材料的粗细无关，非常细的材料也能够做成温度传感器。由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。

对一般的工业应用来说，为了保护感温元件避免受到腐蚀和磨损，总是装在厚厚的护套里面，外观显得笨大，对于温度的反应也迟缓得多。使用热电偶的时候，必须消除环境温度对测量带来的影响。有的把它的自由端放在不变的温度场中，有的使用冷端补偿抵消这种影响。当测量点远离仪表时，还需要使用补偿导线。

因此选择热电偶时需考虑下列因素：1、被测温度范围；2、所需响应时间；3、连接点类型；4、热电偶或护套材料的抗化学腐蚀能力；5、抗磨损或抗振动能力；6、安装及限制要求等。

热敏电阻

热敏电阻（即“温度敏感型电阻器”）是一种高精度经济型温度测量传感器。按照温度系数分为NTC（负温度系数）和PTC（正温度系数）两种类型，NTC热敏电阻通常用于温度测量。

主要优势是：灵敏度：热敏电阻能随非常微小的温度变化而变化。精度：热敏电阻能提供很高的精度和误差。成本：对于热敏电阻的高性能，它的性价比很高。坚固性：热敏电阻的构造使得它非常坚固耐用。灵活性：热敏电阻可配置为多种物理形式，包括极小的包装。密封：玻璃封装为其提供了密封的包装，从而避免因受潮而导致传感器出现故障。表面安装：提供各种尺寸和电阻容差。

热敏电阻的劣势中，通常只有自动加热是一个设计考虑因素。必须采取适当措施将感应电流限制在一个足够低的值，以便使自动加热错误降低到一个可接受的值。如果将热敏电阻暴露在高热中，将会导致性的损坏。

非线性问题可通过软件或电路来解决，会引发故障的潮湿问题可通过玻璃封装来解决。

电阻温度检测器（RTD）

RTD通常用铂金、铜或镍，它们的温度系数较大，随温度变化响应快，能够抵抗热疲劳，而且易于加工制造成为精密的线圈，尤其用铂金等金属制成时，RTD非常稳定，不受腐蚀或氧化的影响。RTD的测温试验方法是：纯金属或某些合金的电阻随温度的升高而增大，随温度降低而减小。电阻-温度变化关系是线性的，温度系数（温度系数的定义是单位温度引起的电阻变化）越大越好，而且要能够抵抗热疲劳，随温度变化响应灵敏。目前只有少数几种金属能够满足这样的要求。

RTD还相对防止电气噪声，因此非常适合在工业环境中的温度测量，特别是在电动机、发电机及其它高压设备的周围使用。RTD是目前和稳定的温度传感器。它的线性度优于热电偶和热敏电阻。但RTD也是响应速度较慢而且价格比较贵的温度传感器。因此，RTD适合对精度有严格要求，而速度和价格不太关键的应用领域。

IC温度传感器

包括模拟输出和数字输出两种类型。

模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控测，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

数字温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。目前有多种智能温度传感器系列产品，智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）;并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化和谐也取决于软件的开发水平。

IC温度传感器有许多好处，包括：功耗低；可提供小型封装产品（有些尺寸小到0.8mm×0.8mm）；还可在某些应用中实现低器件成本。此外，由于IC传感器在生产测试过程中都经过校准，因此没有必要进一步校准。

缺点就是温度范围非常有限， 也存在同样的自热、不坚固和需要外电源的问题。总之，温度IC提供产生正比于温度的易读读数方法，虽然便宜，但也受到配置和速度限制。数字输出IC温度传感器的响应速度慢，而模拟输出IC温度传感器的线性度很高。

所有传感器都有特定的优势和劣势。要确保项目取得成功，关键是让传感器功能与应用相匹配。