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温度传感器的基本原理及类型

2020-8-10 10:37:12 显示全部楼层
温度传感器基本原理                        
作者:Carolyn Mathas
digikey

温度传感器应用广泛,涵盖食品加工、HVAC 环境控制、医疗器械、化学品处理和汽车引擎罩下监控(如冷却剂、进气管、气缸盖温度等)。 温度传感器用于测量热度,以确保某个过程在应对极端高温、危险或无法接触的测量点时,要么能在一定范围内保持稳定,使应用安全,要么满足一个强制性条件的要求。

温度传感器分为接触式和非接触式两大类。 接触式传感器包括与待测物体接触的热电偶和热敏电阻,非接触式传感器则通过测量热源产生的热辐射来确定其温度。 非接触式传感器进行远距离测量,通常用于危险环境。

温度传感器的类型

热电偶

热电偶 (TC) 是由两种不同的非相似金属组成的一对结。 其中,一个结代表参考温度,另一个结则代表待测温度。 当温差产生电压时热电偶工作(赛贝克效应),这个电压由温度决定并被转换成温度读数。 TC 成本低廉、性能可靠、坚固耐用且不需要电池,工作温度范围大,因此得以广泛使用。 热电偶在 2,750°C 高温下也能实现良好性能,甚至能在低至 –250° 的低温以及达到 3,000°C 的高温下短时工作。

热电偶的优势和面临的挑战包括:
  • 测量自身温度。
  • 被测物体的温度必须推测得出,用户必须保证它们之间没有热流动。
  • 长时间使用易产生读数误差。 原因何在? 是否潮湿或者热条件使导线绝缘失效,或者是否环境中存在化学品、核辐射或者机械干扰。
  • 因为是电气导体,所以不能接触其它电源。
  • 不在结上测量。
  • 比电阻式温度计反应迅速。

热敏电阻

热敏电阻类似热电偶,使用简单,是现成的低成本、自适应温度传感器。 然而,这些器件仅用于简单的温度测量,而非高温应用。 热敏电阻由半导体材料制成,其电阻率对温度尤其敏感。 热敏电阻的电阻值随着温度的升高而减小,因此温度变化时可预测电阻变化。 热敏电阻大量应用于浪涌电流限制器、温度传感器、自复位过流保护器和自调节热元件中。

热敏电阻与电阻式温度探测器 (RTD) 有两点不同:(1) RTD 采用纯金属材料;(2) 两者的温度响应方式不同。 根据 K 值的正负,热敏电阻分为两类(该函数引用了 Steinhart-Hart 热敏电阻方程,将热敏电阻的电阻值转换为开氏温度值)。 如 K 值为正,则电阻值随着温度升高而增大,该器件称作正温度系数 (PTC) 热敏电阻。 如 K 值为负,则电阻值随着温度升高而减小,该器件称作负温度系数 (NTC) 热敏电阻。

我们以 GE 的 MA 型系列热敏电阻组件为例来考察 NTC 热敏电阻,该系列专用于间歇或者连续监测患者体温。 这种应用要求设备具有可重复性和快速响应性能,尤其在用于婴幼儿以及全身麻醉期间。

MA300(图 1)利用了将患者皮肤作为体温指示器这一便利,能有效地对患者进行常规的连续体温监测。 所用的不锈钢外壳可用于重复应用和一次性应用,同时保持了最大的患者舒适度。 25°C 时的标称电阻值为 2,252 Ω、3,000 Ω、5,000 Ω 和 10,000 Ω。
图 1:GE 的 MA300 热敏电阻组件采用不锈钢和医疗级 PVC 铁氟龙绝缘材料制成。 (感谢 GE 提供数据)。

电阻式温度探测器

电阻式温度探测器 (RTD) 是采用了特殊电阻器的温度传感器,该电阻器的电阻值会随温度的变化而变化。 RTD 器件以其精确性和可重复性而著称,拥有非常宽的工作温度范围,其薄膜型为 -50°C 至 500°C,绕线型为 -200°C 至 850°C。

薄膜型 RTD 元件的基材上有一薄层铂。 器件制造时采用了一种能形成一个电路的形式,且该电路经调整后能产生一个特定的电阻值。 连接引线后进行涂层处理,以保护薄膜层和连接部分。 相比之下,绕线元件可做成线圈并封装在陶瓷或玻璃管中,或者直接缠绕到玻璃或陶瓷材料上。

我们以 Honeywell 的 TD 系列为例讨论 RTD,该系列可用于许多应用,如 HVAC(房间、风道、制冷剂温度)、电机过载保护、汽车(空气或油温)。 在 TD 系列中,TD4A 液态温度传感器采用双端子螺纹式阳极氧化铝外壳。 这种环境密封式液态温度传感器旨在简化安装,如安装在卡车一侧,但不是完全浸入式。 时间参数相同时,静止在空气中的典型响应时间为 4 分钟,静止在水中时则为 15 秒。
图 2:TD 系列:电阻值温度变化曲线。 (感谢 Honeywell 提供数据)

TD 系列温度传感器对温度变化响应迅速(图 2),在 20C° 时的准确度为 ±0.7C°,并且不需要校准即可完全互换使用。 该系列属于 RTD(电阻式温度探测器)传感器,灵敏度为 8 Ω/°C 并提供固有的近似线性输出。

RTD 比热电偶拥有更优的准确度以及良好的互换性。 该系列还具有长期稳定性。 这些器件凭借如此之强的耐高温能力,通常用于工业装置中。 采用铂金属的 RTD 稳定性更强,不会被腐蚀或氧化。

红外线传感器

红外线传感器用于测量 -70°C 至 1,000°C 范围内的表面温度。 这类器件能将物体发出的 0.7 um 至 20 um 波长的能量转换为电气信号,经过环境温度补偿后电气信号被转换为可以显示的温度信号。

这些器件在下列情况下用于温度测量:
  • 无法使用热电偶或者探头。
  • 如果目标物体在移动(如滚筒、移动的机械、输送皮带)。
  • 如果目标物体处于真空环境
  • 如果存在高电压等危险。
  • 测量距离大。
  • 温度过高不适于采用接触式传感器。
  • 需要极快的温度响应。
选择红外产品时,需要考虑的关键因素包括观察视野(视角)、辐射率(相同温度下一个物体和一个理想辐射体的辐射能量之比)、光谱响应、温度范围和安装方式。

TMP006(图 3)是 Texas Instruments 最近推出的一款采用芯片级封装的红外线热电堆传感器。 该器件属于非接触式传感器,采用热电堆来吸收被测物体发出的红外能量,并利用相应的热电堆电压变化来确定被测物体温度。
图 3:TMP006 的柱状图。 (感谢 Texas Instruments 提供数据)

红外传感器的电压范围适合 –40°C 至 125°C 温度区间,能够适应各种不同的应用。 该器件具有低功耗和低工作电压,适合电池供电型应用。 芯片级形式的低封装高度允许采用标准的大批量装配方法,并适用于与被测物体之间的可用间距受限的场合。

使用接触或者非接触传感器测量温度时,需要做出基本假设和推断。 因此,仔细阅读产品规格书非常重要,此外,还必须充分了解各种影响因素,这样才能确信所显示的温度就是实际温度。

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Awen

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Awen 2020-8-11 08:24:21 显示全部楼层
我们一般用热电偶来进行高温环境下,器件表面温度测试
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