【導讀】溫度傳感器是指能感受溫度并轉(zhuǎn)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。溫度傳感器對于環(huán)境溫度的測量非常準確,廣泛應用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、車間、庫房等領域。
溫度傳感器定義
溫度傳感器是指能感受溫度并轉(zhuǎn)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。溫度傳感器對于環(huán)境溫度的測量非常準確,廣泛應用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、車間、庫房等領域。
溫度傳感器發(fā)展歷史
公元1600年,伽利略研制出氣體溫度計。一百年后,研制成究竟溫度計和水銀溫度計。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術發(fā)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年以后,相繼研發(fā)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(fā)展、又陸續(xù)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?qū)α鬟_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(nèi),溫度計也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產(chǎn)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。它們廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)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,也可用于測量溫度場的溫度分布。
最常用的非接觸式測溫儀表基于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(吸收全部輻射并不反射光的物體)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(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和波長,而且還與表面狀態(tài)、涂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(yōu)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(shù),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,并且與生產(chǎn)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(yōu)點,它能很快穩(wěn)定,不會造成熱負載。不過也因此很不結(jié)實,大電流會造成自熱。由于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(fā)熱。功率等于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(huán)境,而且結(jié)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,但熱電偶并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,可大致劃分為三大類:數(shù)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(shù)字式溫度傳感器
它采用硅工藝生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器,其采用PTAT結(jié)構(gòu),這種半導體結(jié)構(gòu)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,我們并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(guī)定的范圍,則發(fā)出報警信號,啟動或關閉風扇、空調(diào)、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(jiān)控,在一些溫度范圍內(nèi)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(yōu)點,而且它還將驅(qū)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(yōu)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、熱電偶傳感器哦工作原理
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(jié)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(chǎn)生,即回路中存在的電動勢稱為熱電動勢。這種由于溫度不同而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)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(取決于電流的方向),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(取決于電流相對于溫度梯度的方向),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(gòu)成的傳感器就是電阻溫度傳感器,這種傳感器主要用于-200—500℃溫度范圍內(nèi)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(shù)要大而且穩(wěn)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)、材料的復現(xiàn)性和工藝性好,價格低。
(4)、在測溫范圍內(nèi)化學物理特性穩(wěn)定。
目前,在工業(yè)中應用最廣的鉑和銅,并已制作成標準測溫熱電阻。
3、紅外溫度傳感器
在自然界中,當物體的溫度高于絕對零度時,由于它內(nèi)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于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(shù)字式溫度傳感器
它采用硅工藝生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器,其采用PTAT結(jié)構(gòu),這種半導體結(jié)構(gòu)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(diào)制成數(shù)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(shù)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(yōu)于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(guī)定的范圍,則發(fā)出報警信號,啟動或關閉風扇、空調(diào)、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AD590兩端電壓不低于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(zhuǎn)換器所引入的附加電阻造成的誤差。適用于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(huán)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,測溫元件的滯后能否適應測溫要求。
4、測溫范圍的大小和精度要求。
5、測溫元件大小是否適當。
6、價格如保,使用是否方便。
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(xiàn),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,保護管和拉線板污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干擾,由此引起的誤差有時可達上百度。
4、熱惰性引入的誤差
由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測溫度的變化,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(huán)境許可時,甚至可將保護管取去。由于存在測量滯后,用熱電偶檢測出的溫度波動的振幅較爐溫波動的振幅小。測量滯后越大,熱電偶波動的振幅就越小,與實際爐溫的差別也就越大。