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  • 温度传感器的常见分类以及应用

    2019-09-19 14:47:10
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    来源: 网络整理

    温度传感器的主要类型有:热电偶传感器、热敏电阻传感器、电阻温度检测器(RTD)、IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出传感器和数字输出传感器两种类型。

    热电偶传感器

        热电偶是一种感温元件,是一种仪表。它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势——热电动势,这就是所谓的塞贝克效应(Seebeckeffect)。两种不同成份的均质导体为热电极,温度较高的一端为工作端,温度较低的一端为自由端,自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表;分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的,不同的热电偶具有不同的分度表。

    温度传感器种类汇总及应用分析

        在热电偶回路中接入第三种金属材料时,只要该材料两个接点的温度相同,热电偶所产生的热电势将保持不变,即不受第三种金属接入回路中的影响。因此,在热电偶测温时,可接入测量仪表,测得热电动势后,即可知道被测介质的温度。

    热电偶传感器应用

        热电偶是两种不同的导体连接在一起形成的,当测量及参考连接点分别处于不同温度上时即产生出所谓的热电磁力(EMF)。连接点用途测量连接点是处于被测温度上的热电偶连接点部分。参考连接点则是保持在一已知温度上,或温度变化能自动补偿的热电偶连接点部分。

    温度传感器种类汇总及应用分析

        在常规工业应用中,热电偶元件一般端接在接头上;但参考连接点却很少位于接头上,而是利用适当的热电偶延伸线来转接到温度比较稳定的被控环境中。连接点类型接壳式热电偶连接点与探针壁物理连接(焊接),这能实现很好的热传输——即从外部通过探针壁将热量传至热电偶连接点。建议用接壳式热电偶来测量静态或流动腐蚀性气体与液体的温度,以及一些高压应用。在绝缘式热电偶中,热电偶连接点与探针壁分开并由一种软性粉末包围。虽然绝缘式热电偶的响应速度比接壳式热电偶的响应速度要慢,但它能提供电绝缘。建议使用绝缘式热电偶来测量腐蚀性环境,可理想地通过护套屏蔽来将热电偶与周围环境完全电绝缘。露端式热电偶允许连接点顶端深入到周围环境中,这种类型可提供最佳的响应时间,但仅限于在非腐蚀、非危险及非加压应用中使用。响应时间以时间常数来表示,时间常数定义为传感器在被控环境中在初始值和最终值之间改变63.2%所需的时间。露端式热电偶具有最快的响应速度,而且探针护套直径越小,则响应速度就越快,但其最大允许测量温度也就越低。延伸线热电偶延伸线是一对具有与其相连热电偶相同温度电磁频率特征的线。当连接合适时,延伸线将参考连接点从热电偶转接至线的另一端,而这一端通常位于被控环境中。

    温度传感器种类汇总及应用分析

        选择热电偶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。

    热敏电阻传感器

        热敏电阻传感器主要元件是热敏电阻,当热敏材料周围有热辐射时,它就会吸收辐射热,产生温度升高,引起材料的阻值发生变化。

    温度传感器种类汇总及应用分析

    热敏电阻传感器的应用

    1.热敏电阻传感器测温

        作为测量温度的热敏电阻传感器一般结构较简单,价格较低廉。没有外面保护层的热敏电阻只能应用在干燥的地方;密封的热敏电阻不怕湿气的侵蚀、可以使用在较恶劣的环境下。由于热敏电阻传感器的阻值较大,故其连接导线的电阻和接触电阻可以忽略,因此热敏电阻传感器可以在长达几千米的远距离测量温度中应用,测量电路多采用桥路。利用其原理还可以用作其他测温、控温电路等。

    2.热敏电阻传感器用于温度的补偿

        热敏电阻传感器可在一定的温度范围内对某些元器件湿度进行补偿。例如,动圈式仪表表头中的动圈由铜线绕制而成。温度升高,电阻增大,引起温度的误差。因而可以在动圈的回路中将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝电阻并联后再与被补偿元器件串联,从而抵消内于温度变化所产生的误差。在晶体管电路、对数放大器中,也常用热敏电阻组成补偿电路。补偿由于温度引起的漂移误差。

    温度传感器种类汇总及应用分析

    3.热敏电阻传感器的过热保护

        过热保护分直接保护利间接保护。对小电流场合,可把热敏电阻传感器直接串人负载中,防止过热损坏以保护器件,对大电流场合,可用于对继电器、晶体管电路等的保护。不论哪种情况,热敏电阻都与被保护器件紧密结合在一起,从而使两者之间充分进行热交换,一旦过热,热敏电阻则起保护作用。例如,在电动机的定子绕组中嵌入突变型热敏电阻传感器并与继电器串联。当电动机过载时,定子电流增大,引起发热。当温度大于突变点时,电路中的电流可以内十分之几毫安突变为几十毫安,因此继电器动作,从而实现过热保护。

    4.热敏电阻传感器用于液面的测量

        给NTC热敏电阻传感器施加一定的加热电流,它的表面温度将高于周围的空气温度,此时它的阻值较小。当液而高于它的安装高度时,液体将带走它的热量,使之温度下降、阻值升高。判断它的阻值变化,就可以知道液面是否低于设定值。汽车油箱中的油位报警传感器就是利用以上原理制作的。热敏电阻在汽车中还用于测量油温、冷却水混等。

    电阻温度检测器(RTD)

        RTD通常用铂金、铜或镍。这几种金属的电阻-温度关系如图所示,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。

    温度传感器种类汇总及应用分析

        RTD是目前最精确和最稳定的温度传感器。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最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。

    电阻温度检测器(RTD)的应用

        核电厂广泛采用电阻温度探测器测量温度。RTD的测温原理是: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。因此RTD有点像是一个温电转换器,把温度变化转化为电压变化。最适合RTD使用的金属是在给定温度范围内保持稳定的纯金属。电阻-温度变化关系最好是线性的,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。只有少数几种金属能够满足这样的要求。

    温度传感器种类汇总及应用分析

    IC温度传感器

    (1)模拟集成温度传感器

        集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的,因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的,它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。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。目前在国内外仍普遍应用的一种集成传感器,下面介绍一种具有高灵敏度和高精度的IC温度传感器—AN6701。

        AN6701的原理图如下图所示,它由温度检测电路、温度补偿电路以及缓冲放大器3部分组成。

    温度传感器种类汇总及应用分析

        IC温度传感器的检测电路是利用晶体管对两个发射极的电流密度差产生基极-发射极之间的电压差(VbC)的原理而工作的。下图所示为温度检测及温度补偿电路图。上图中,T1-T5为检测电路,T8-T11及RC组成的电路产生正比其绝对温度的电流,该电流通过T12和T13注入T7,即可获得对应于注入电流的补偿温度。RC为外接电阻,使传感器的校准比较方便。

    温度传感器种类汇总及应用分析

    (2)数字输出传感器

        数字温度传感器是在20世纪90年代中期问世的。它是微天庄国际注册技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前,国际上已开发出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。

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