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溫度傳感器分類及工作原理介紹

2020-05-19 14:29:06 來源:互聯網

溫度傳感器定義

溫度傳感器是指能感受溫度並轉換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分,品種繁多。溫度傳感器對於環境溫度的測量非常准確,廣泛應用於農業、工業、車間、庫房等領域。


溫度傳感器發展曆史

公元1600年,伽利略研制出氣體溫度計。一百年後,研制成究竟溫度計和水銀溫度計。隨著現代工業技術發展的需要,相繼研制出金屬絲電阻、溫差電動勢元件、雙金屬式溫度傳感器。1950年以後,相繼研發制成半導體熱敏電阻器。最近,隨著原材料、加工技術的飛速發展、又陸續研制出各種類型的溫度傳感器。


溫度傳感器分類

按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。

1、接觸式

接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸,又稱溫度計。

溫度計通過傳導或對流達到熱平衡,從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。

一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內,溫度計也可測量物體內部的溫度分布。但對於運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產生較大的測量誤差,常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應用於工業、農業、商業等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。

2、非接觸式

它的敏感元件與被測對象互不接觸,又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速(瞬變)對象的表面溫度,也可用於測量溫度場的溫度分布。

最常用的非接觸式測溫儀表基於黑體輻射的基本定律,稱為輻射測溫儀表。各類輻射測溫方法只能測出對應的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體(吸收全部輻射並不反射光的物體)所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度,則必須進行材料表面發射率的修正。而材料表面發射率不僅取決於溫度和波長,而且還與表面狀態、塗膜和微觀組織等有關,因此很難精確測量。

非接觸式溫度傳感器的優點是測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制,因而對最高可測溫度原則上沒有限制。


按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。

1、熱電阻

熱敏電阻是用半導體材料, 大多為負溫度系數,即阻值隨溫度增加而降低。

溫度變化會造成大的阻值改變,因此它是最靈敏的溫度傳感器。但熱敏電阻的線性度極差,並且與生產工藝有很大關系。

熱敏電阻還有其自身的測量技巧。熱敏電阻體積小是優點,它能很快穩定,不會造成熱負載。不過也因此很不結實,大電流會造成自熱。由於熱敏電阻是一種電阻性器件,任何電流源都會在其上因功率而造成發熱。功率等於電流平方與電阻的積。因此要使用小的電流源。如果熱敏電阻暴露在高熱中,將導致永久性的損壞。

2、熱電偶

熱電偶是溫度測量中最常用的溫度傳感器。其主要好處是寬溫度范圍和適應各種大氣環境,而且結實、價低,無需供電,也是最便宜的。電偶是最簡單和最通用的溫度傳感器,但熱電偶並不適合高精度的的測量和應用。


按照溫度傳感器輸出信號的模式,可大致劃分為叁大類:數字式溫度傳感器、邏輯輸出溫度傳感器、模擬式溫度傳感器。

1、數字式溫度傳感器

它采用矽工藝生產的數字式溫度傳感器,其采用PTAT結構,這種半導體結構具有精確的,與溫度相關的良好輸出特性。

2、邏輯輸出溫度傳感器

在許多應用中,我們並不需要嚴格測量溫度值,只關心溫度是否超出了一個設定范圍,一旦溫度超出所規定的范圍,則發出報警信號,啟動或關閉風扇、空調、加熱器或其它控制設備,此時可選用邏輯輸出式溫度傳感器

3、模擬式溫度傳感器

模擬溫度傳感器,如熱電偶、熱敏電阻和RTDS對溫度的監控,在一些溫度范圍內線性不好,需要進行冷端補償或引線補償;熱慣性大,響應時間慢。集成模擬溫度傳感器與之相比,具有靈敏度高、線性度好、響應速度快等優點,而且它還將驅動電路、信號處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片IC上,有實際尺寸小、使用方便等優點。常見的模擬溫度傳感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103電壓輸出型、AD590電流輸出型。


溫度傳感器工作原理

1、熱電偶傳感器工作原理

當有兩種不同的導體和半導體A和B組成一個回路,其兩端相互連接時,只要兩結點處的溫度不同,一端溫度為T,稱為工作端或熱端,另一端溫度為TO,稱為自由端或冷端,則回路中就有電流產生,即回路中存在的電動勢稱為熱電動勢。這種由於溫度不同而產生電動勢的現象稱為塞貝克效應。與塞貝克有關的效應有兩個:其一,當有電流流過兩個不同導體的連接處時,此處便吸收或放出熱量(取決於電流的方向),稱為珀爾帖效應;其二,當有電流流過存在溫度梯度的導體時,導體吸收或放出熱量(取決於電流相對於溫度梯度的方向),稱為湯姆遜效應。兩種不同導體或半導體的組合稱為熱電偶。

2、電阻傳感器工作原理

導體的電阻值隨溫度變化而改變,通過測量其阻值推算出被測物體的溫度,利用此原理構成的傳感器就是電阻溫度傳感器,這種傳感器主要用於-200—500℃溫度范圍內的溫度測量。純金屬是熱電阻的主要制造材料,熱電阻的材料應具有以下特性:

(1)、電阻溫度系數要大而且穩定,電阻值與溫度之間應具有良好的線性關系。

(2)、電阻率高,熱容量小,反應速度快。

(3)、材料的複現性和工藝性好,價格低。

(4)、在測溫范圍內化學物理特性穩定。

目前,在工業中應用最廣的鉑和銅,並已制作成標准測溫熱電阻。

3、紅外溫度傳感器

在自然界中,當物體的溫度高於絕對零度時,由於它內部熱運動的存在,就會不斷地向四周輻射電磁波,其中就包含了波段位於0.75~100μm的紅外線,紅外溫度傳感器就是利用這一原理制作而成的。

4、數字式溫度傳感器

它采用矽工藝生產的數字式溫度傳感器,其采用PTAT結構,這種半導體結構具有精確的,與溫度相關的良好輸出特性。PTAT的輸出通過占空比比較器調制成數字信號,占空比與溫度的關系如下式:DC=0.32 0.0047*t,t為攝氏度。輸出數字信號故與微處理器MCU兼容,通過處理器的高頻采樣可算出輸出電壓方波信號的占空比,即可得到溫度。該款溫度傳感器因其特殊工藝,分辨率優於0.005K。

5、邏輯輸出型溫度傳感器

設定一個溫度范圍,一旦溫度超出所規定的范圍,則發出報警信號,啟動或關閉風扇、空調、加熱器或其它控制設備,此時可選用邏輯輸出式溫度傳感器。LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。

6、模擬溫度傳感器

常見的模擬溫度傳感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103電壓輸出型、AD590電流輸出型。

AD590是美國模擬器件公司的電流輸出型溫度傳感器,供電電壓范圍為3~30V,輸出電流223μA(-50℃)~423μA( 150℃),靈敏度為1μA/℃。當在電路中串接采樣電阻R時,R兩端的電壓可作為輸出電壓。注意R的阻值不能取得太大,以保證AD590兩端電壓不低於3V。AD590輸出電流信號傳輸距離可達到1km以上。作為一種高阻電流源,最高可達20MΩ,所以它不必考慮選擇開關或CMOS多路轉換器所引入的附加電阻造成的誤差。適用於多點溫度測量和遠距離溫度測量的控制。

挑選溫度傳感器注意事項

1、被測對象的環境條件對測溫元件是否有損害。

2、被測對象的溫度是否需記錄、報警和自動控制,是否需要遠距離測量和傳送。 3800 100

3、在被測對象溫度隨時間變化的場合,測溫元件的滯後能否適應測溫要求。

4、測溫范圍的大小和精度要求。

5、測溫元件大小是否適當。


如何避免誤差

溫度傳感器在安裝和使用時,應當避免以下誤差的出現,保證最佳測量效果。

1、安裝不當引入的誤差

如熱電偶安裝的位置及插入深度不能反映爐膛的真實溫度等,換句話說,熱電偶不應裝在太靠近門和加熱的地方,插入的深度至少應為保護管直徑的8~10倍。

2、熱阻誤差

高溫時,如保護管上有一層煤灰,塵埃附在上面,則熱阻增加,阻礙熱的傳導,這時溫度示值比被測溫度的真值低。因此,應保持熱電偶保護管外部的清潔,以減小誤差。

3、絕緣變差而引入的誤差

如熱電偶絕緣了,保護管和拉線板汙垢或鹽渣過多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良,在高溫下更為嚴重,這不僅會引起熱電勢的損耗而且還會引入幹擾,由此引起的誤差有時可達上百度。

4、熱惰性引入的誤差

由於熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落後於被測溫度的變化,在進行快速測量時這種影響尤為突出。所以應盡可能采用熱電極較細、保護管直徑較小的熱電偶。測溫環境許可時,甚至可將保護管取去。由於存在測量滯後,用熱電偶檢測出的溫度波動的振幅較溫度波動的振幅小。測量滯後越大,熱電偶波動的振幅就越小,與實際溫都的差別也就越大。


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