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温度传感器介绍
来源:本站  更新时间:2019-11-17 15:48:57  查看次数:

     

 
  所有传感器中最常用的类型是那些检测温度或热量的传感器,这些类型的温度传感器从控制家用热水加热系统的简单开/关恒温设备到可以控制复杂的过程控制熔炉工厂的高度敏感的半导体类型不等。

 

我们从学校的科学课中记得,分子和原子的运动会产生热量(动能),并且运动越大,产生的热量就越大。 温度传感器测量物体或系统产生的热能甚至冷量,使我们能够“感知”或检测到该温度的任何物理变化,从而产生模拟或数字输出。

有许多不同类型的温度传感器 ,并且根据它们的实际应用都有不同的特性。 温度传感器包括两种基本的物理类型:

  • 接触式温度传感器类型 –这些类型的温度传感器必须与被感测对象物理接触,并使用传导来监视温度变化。 它们可用于检测各种温度范围内的固体,液体或气体。
  • 非接触式温度传感器类型 –这些类型的温度传感器使用对流和辐射来监视温度变化。 它们可用于检测在对流中热量升高和冷沉降到底部时散发辐射能的液体和气体,或检测以红外辐射(太阳)的形式从物体传输来的辐射能。

接触式或什至非接触式温度传感器的两种基本类型也可以细分为以下三类传感器:机电式 , 电阻式电子式,下面将对这三种类型进行讨论。

温控器

温控器是一种接触式机电温度传感器或开关,它基本上由两种不同的金属(例如镍,铜,钨或铝等)组成,它们结合在一起形成双金属条 。 当带材受热时,两种不同金属的不同线性膨胀率会产生机械弯曲运动。

双金属带材本身可以用作电气开关,也可以用作在恒温控制中操作电气开关的机械方式,并广泛用于控制锅炉,熔炉,热水储罐以及车辆中的热水加热元件散热器冷却系统。

双金属恒温器

bi-metallic strip thermostat

 

温控器由背靠背粘在一起的两种不同热金属组成。 寒冷时,触点闭合,电流流过恒温器。 当金属变热时,一种金属会比另一种金属膨胀得更多,并且粘合的双金属条会向上(或向下)弯曲以打开触点,从而阻止电流流动。

thermostat temperature sensor

 

开/关恒温器

双金属带材主要有两种类型,主要是基于它们在温度变化时的运动。 有“突跳动作”类型会在设定的温度点上对电触点产生瞬时的“ ON / OFF”或“ OFF / ON”类型动作,而较慢的“ creep-action”类型会逐渐改变其位置随着温度的变化。

速动型恒温器在我们的家庭中通常用于控制烤箱,熨斗,浸入式热水箱的温度设定点,并且还可以在墙壁上找到它们来控制家庭供暖系统。

爬行器类型通常由双金属线圈或螺旋线组成,随着温度变化,它们会缓慢展开或卷起。 通常,蠕变型双金属条比标准的按动开/关型对温度变化更敏感,因为该条较长且较薄,因此非常适合在温度表和刻度盘等中使用。

尽管非常便宜并且可以在很宽的工作范围内使用,但是当将标准速动型恒温器用作温度传感器时,其主要缺点之一是从电触点打开到再次闭合之间,它们具有较大的滞后范围。 例如,可以将其设置为20 o C,但直到22 o C才能打开,或者直到18 o C再关闭。

因此,温度摆幅的范围可能会很大。 家用的市售双金属恒温器确实具有温度调节螺钉,可以预先设定更精确的所需温度设定点和滞后水平。

NTC热敏电阻

热敏电阻是另一种类型的温度传感器,其名称是单词THERM- allyally resrestor的组合。 热敏电阻是一种特殊类型的电阻器,当暴露于温度变化时会改变其物理电阻。

thermistor temperature sensor

 

热敏电阻

热敏电阻通常由陶瓷材料制成,例如镀在玻璃中的镍,锰或钴的氧化物,使其容易损坏。 与快速动作类型相比,它们的主要优点是它们对温度,准确性和可重复性任何变化的响应速度。

大多数类型的热敏电阻都有一个负温度系数 (NTC) ,即它们的电阻值随温度的升高而下降,当然,也有一些正温度系数(PTC)是因为电阻值随温度升高而上升。

热敏电阻由陶瓷型半导体材料使用锰,钴和镍等金属氧化物技术制成。半导体材料通常形成为小型密封盘或球,这些密封盘或球被密封以对温度的任何变化做出相对快速的响应。

通过在室温下(通常在25 o C时)的电阻值,其时间常数(对温度变化做出反应的时间)以及相对于流过它们的电流的额定功率来对热敏电阻进行评级。 像电阻器一样,热敏电阻在室温下的电阻值范围从MΩ的10到低至几Ohms,但是出于感测目的,通常使用千电阻的类型。

热敏电阻是无源电阻设备,这意味着我们需要使电流流过它以产生可测量的电压输出。 然后,通常将热敏电阻与合适的偏置电阻器串联连接,以形成一个分压器网络,选择电阻器可在某个预定温度点或某个值提供电压输出,例如:

温度传感器示例

以下热敏电阻在25 o C时的电阻值为10KΩ,在100 o C时的电阻值为100Ω。计算与两个1kΩ电阻串联时在两个温度下热敏电阻的压降,从而计算出其输出电压(Vout)。跨12v电源。

thermistor circuit

 

25 o C

thermistor at 25 degrees

 

100 o C

thermistor at 100 degrees

 

通过将R2的固定电阻值(在我们的示例中为1kΩ)更改为电位计或预设值,可以在预定的温度设定点获得电压输出,例如在60 o C时为5v输出,并且通过改变电位计的特定输出电压可以在更宽的温度范围内获得水平。

但是,需要注意的是,热敏电阻是非线性器件,并且它们在室温下的标准电阻值在不同的热敏电阻之间是不同的,这主要是由于它们是由半导体材料制成的。 热敏电阻随温度呈指数变化,因此具有Beta温度常数( β ),可用于计算任何给定温度点的电阻。

但是,当与串联电阻一起使用时,例如在分压器网络或惠斯通电桥类型的装置中,响应于施加到分压器/桥网络的电压而获得的电流与温度成线性关系。 然后,电阻两端的输出电压随温度线性变化。

电阻温度检测器(RTD)。

电阻温度传感器的另一种类型是电阻温度检测器RTD 。 RTD是由高纯度导电金属(例如铂,铜或镍)制成的精密温度传感器,其缠绕成线圈后,其电阻随温度的变化而变化,类似于热敏电阻。 也可以使用薄膜RTD。 这些设备具有沉积在白色陶瓷基板上的铂糊薄膜。

resistive temperature detector

 

电阻RTD

电阻温度检测器具有正温度系数(PTC),但与热敏电阻不同,它们的输出极为线性,可产生非常精确的温度测量值。

但是,它们的热敏性非常差,也就是说,温度变化只会产生很小的输出变化,例如1Ω/℃。

RTD的最常见类型是铂,称为铂电阻温度计PRT ,其中最常用的都是Pt100传感器,其在0 o C时的标准电阻值为100Ω。缺点是铂这种装置价格昂贵,而这种装置的主要缺点之一就是成本。

像热敏电阻一样,RTD是无源电阻器件,通过使恒定电流流过温度传感器,就有可能获得随温度线性增加的输出电压。 典型的RTD在0 o C时的基极电阻约为100Ω,在-200至+600 o C的工作温度范围内,在100 o C时基极电阻会增加至140Ω。

由于RTD是电阻性设备,因此我们需要使电流流过它们并监视所产生的电压。 但是,当电流流过电阻线时,电阻线的自发热引起的任何电阻变化2 R (欧姆定律)都会导致读数误差。 为避免这种情况,RTD通常连接到惠斯通电桥网络中,该网络具有用于引线补偿和/或连接到恒流源的附加连接线。

热电偶

到目前为止, 热电偶是所有温度传感器类型中最常用的类型。 热电偶因其简单,易用以及其对温度变化的响应速度而广受欢迎,这主要是由于其尺寸小。 在所有温度传感器中,热电偶的温度范围最广,从-200 o C以下到超过2000 o C以上。

热电偶是一种热电传感器,基本上由两个不同的金属(例如铜和康斯坦康)的两个结焊接或压接在一起组成。 一个结保持在称为参考(冷)结的恒定温度,而另一个结则保持在测量(热)结。 当两个结的温度不同时,结两端会产生一个电压,该电压用于测量温度传感器,如下所示。

热电偶构造

thermocouple temperature sensor

 

热电偶的工作原理非常简单和基本。 当将两种不同金属(例如铜和康斯坦丁)融合在一起时,会产生“热电”效应,从而使它们之间的恒定电位差仅为几毫伏(mV)。 两个结之间的电压差称为“塞贝克效应”,因为沿着产生电动势的导线会产生温度梯度。 然后,热电偶的输出电压是温度变化的函数。

如果两个结处于相同温度,则两个结之间的电势差为零,也就是说,没有电压输出,因为1 = V 2 。 但是,当结点在电路内连接且都处于不同温度时,将检测到相对于两个结点之间的温差1 – V 2的电压输出。 电压差会随着温度的升高而增加,直到达到结峰值电压电平为止,这取决于所使用的两种不同金属的特性。

热电偶可以由多种不同的材料制成,可以测量-200 o C至+2000 o C以上的极端温度。 在如此众多的材料和温度范围内,已开发出国际认可的标准,并附有热电偶颜色代码,以使用户能够为特定应用选择正确的热电偶传感器。 标准热电偶的英国颜色代码如下。

热电偶颜色代码

热电偶传感器颜色代码扩展和补偿引线
代码类型 导体(+/-) 灵敏度 英国BS 1843:1952
Ë 镍铬/康斯坦丁 -200至900 o C type e thermocouple
Ĵ 铁/君士坦丁 0至750 o C type j thermocouple
ķ 镍铬/镍铝 -200至1250 o C type k thermocouple
ñ 镍铬硅/镍硅 0至1250 o C type n thermocouple
Ť 铜/康斯坦丁 -200至350 o C type t thermocouple
ü 铜/铜镍补偿“ S”和“ R” 0至1450 o C type u thermocouple
 

上面用于常规温度测量的三种最常见的热电偶材料是: 铁-康斯坦坦 (J型), 铜-康斯坦丁 (T型)和镍铬 (K型)。 热电偶的输出电压非常小,温度差变化10 o C时只需几毫伏(mV),由于这种小电压输出,通常需要某种形式的放大。

热电偶放大

temperature sensor amplifier

 

需要仔细选择放大器的类型,无论是分立的还是运算放大器的形式,因为需要良好的漂移稳定性以防止热电偶以频繁的间隔进行重新校准。 这使得斩波器和仪表放大器成为大多数温度感测应用的首选。

此处未提及的其他温度传感器类型包括:半导体结传感器,红外和热辐射传感器,医用温度计,指示器和变色油墨或染料。

 

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