温度传感器

简介

温度是所有物理参数中最被广泛感知的参数,因为它在分子水平上对材料和过程具有重要意义。温度是指与某一特定尺度相关的特定的热或冷程度。温度也被定义为系统或物体中的热量。热能与分子能量直接相关:热能越高,分子能量越大。

温度传感器监测材料或物体在温度变化时发生的变化。温度传感器可以检测到与温度变化相对应的物理量的变化。物理量可以是任何东西,比如电阻或电压。基于电热能的传感器利用电流通过导体的加热效应。基于热能到电能的传感器将需要一个温差来工作。

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温度传感器的种类

温度传感可以有两种类型:基于接触的和基于非接触的。在基于接触的温度传感中,传感器将与被传感的物体进行物理接触。在非接触式温度传感中,传感器解释热源的辐射能。辐射能是在电磁波谱的红外部分发射的能量的形式。非反射固体和液体可以使用非接触技术监测。

这两种类型的温度传感器可以分为三个家族:机电,电阻和电子。

温度传感器图像1

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机电传感器

双金属恒温器或双金属条

人类的身体是如此神奇,我们要么觉得太冷,要么觉得太热,这取决于天气状况。我们的身体有自我调节机制,它有能力调节和维持体温在370C.同样的道理,在我们家里的时候我们需要保持室温恒温器使用。

温控器是用于测量室内温度的接触式机电传感器。它是17年发明的th世纪,现在我们有了现代恒温器。今天的恒温器由热激活开关和温度传感器组成。开关将打开或关闭,并导致电路流动或中断。恒温器可以是电子式或机械式。这两种类型的功能是不同的,但他们测量房间的温度。

顾名思义,双金属恒温器由两种不同的金属铆接在一起形成复合条。这两条金属条在热和压力下结合在一起。通过在两种金属上采用不同的膨胀率或线性膨胀率,可以将热能转化为机电运动。材料的线性膨胀率或膨胀系数是长度每度温度变化的分数。当加热时,带材会弯曲,因为一种金属的膨胀系数比另一种高。任何位移传感器都能感应到这种弯曲。

1.Bi-metallic地带
Bi-metallic地带

2.双金属带材弯头
双金属带材弯头

温控器的工作原理

工作的基本原则是热膨胀开关电路的开关。它由两种不同的金属组成,如镍、铜、钨或铝。任何两种金属结合形成复合带。它们通过热和压力结合在一起。这叫做Bi-metallic地带.两种金属的膨胀速率不同。因此,当热施加在带钢上时,它会经历机械弯曲运动。双金属条的作用就像一座桥,有助于连接或断开房屋或工业内部加热或冷却系统的电路。

当金属处于低温状态时,触点关闭,从而导致电流流过恒温器。在受热过程中,双金属带材变热。这导致一种金属比另一种金属更热。越热的钢条越膨胀,导致梁的弯曲。这是使电路断开并关闭冷却或加热开关。电触点打开,电流停止流动。

过了一段时间,这条带子开始冷却。当它开始冷却时,在加热过程中膨胀的金属会收缩并试图恢复到原来的大小。当它恢复到原来的尺寸时,电路将接触并立即开始冷却/加热过程。

温度传感器图2

1 -外部表盘调节温度

2 -电路连接表盘与温度传感器

3 -带1金属(铜)

4 -带2nd金属(铁)

5 -内电电路

温度传感器

温度传感器图4

2.灯泡和毛细管恒温器:它们利用流体膨胀或收缩的毛细管作用来产生或中断电接触。

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电阻式传感器

热敏电阻

什么是热敏电阻?

热敏电阻是热敏电阻。在热敏电阻中,电阻随温度的变化而变化。它们是由两种或三种金属氧化物结合而成,其中一种是氧化锌。这种组合被插入一个陶瓷底座,这是一个绝缘体。

温度传感器图5

热敏电阻根据温度系数有两种类型:正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。

对于正温度系数的热敏电阻,电阻和温度成正比,即电阻随着温度的升高而增加。

对于负温度系数热敏电阻,电阻与温度成反比,即电阻随温度升高而减小。负温度系数热敏电阻提供了更高的灵敏度,并可在小配置快速热响应。NTC是由陶瓷和聚合物制成的。使用钴、镍、铁和铜氧化物等材料。

电阻式温度器件(RTD)

与热敏电阻类似,电阻式温度装置的电阻变化以测量和控制温度。电阻式测温装置由传感元件、接线和测量仪表组成。在传感元件和测量仪器之间使用连接线,并在该过程中使用支架定位元件。

传感元件是一个电阻,其电阻随温度变化而变化。传感元件由一圈蚀刻了导体的电线组成。这是安置在陶瓷和密封的陶瓷玻璃。导电薄膜也可用来代替线圈。

电阻式温度器件

图片资源链接:archives.sensorsmag.com/articles/0101/24/main.shtml

传感元件的位置应能使其迅速达到工艺温度。对于经常发生高振动和冲击的应用场合,绕线装置应得到充分的保护。为了从远处测量电阻,传感元件和仪器之间可以使用延长线。

原则

它的工作原理是,当温度变化时,金属的电阻也会变化。一定量的电流通过RTD元件或电阻器。RTD元件电阻用万用表测量。得到的电阻值与温度有关。所以,顾名思义,当金属的温度升高时,金属的电阻也会增加。这导致电流增加。

RTD具有正温度系数(PTC)。铂材料主要用于RTD施工。因此,铂电阻温度计(PRT)也被称为,作为Pt100是流行的温度传感器。它在0处的标准值为100欧姆0C.使用铂是由于以下原因。

  • 化学惰性
  • 温度和电阻呈线性关系
  • 温度系数更大
  • 更稳定的

线路配置

当RTD有更多的导线时,据说更准确。有两线制和三线制配置系统。只有在需要近似的温度值时才采用两线制配置。工业上最常用的配置是三线制配置。通常,惠斯通电桥电路被用作引线补偿技术,如下图所示。

温度传感器图6

由上图可知,导线A和导线B的长度应该相同。电线A和B的阻抗作用在桥的另一条腿上,它们相互抵消。因此,导线C允许携带最小的电流。这是在惠斯顿桥的帮助下完成的。

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电子传感器

热电偶

当两个不同金属的导体在电路的一端连接时,它们就形成了热电偶。它们不包含像电阻式温度器件这样的传感元件,因此在使用材料方面受到的限制较少。它们可以处理比电阻温度器件高得多的温度。

热电偶的结构由导体和用于绝缘的陶瓷粉末组成。热电偶有两个结点:热结点和冷结点。热结为测量结,冷结为参考结。测量结暴露在工艺温度下,另一个结保持在参考温度。

4.Thermocouples

当这些结受到不同的温度时,一种与它们的温差成正比的电流就会在导线中流动。

热电偶原理

它的工作原理基于三个效应

  1. 塞贝克效应:当两种不同温度的不同材料连接在一起,并向其中任何一种金属提供热量时,电子就会从热金属流向冷金属。这种电子运动将导致电路中产生电流。金属之间的温差会引起它们之间的电位差。
  2. 珀尔帖效应:与塞贝克效应相反的是珀尔蒂埃效应。它指出,当两种金属之间施加电位差时,它会在连接的金属之间产生温差。
  3. 汤姆森的效果:当两种不同的金属结合在一起时,就会产生两个结点。在这种情况下,由于两种金属之间的温差,导体上会产生电压。

硅传感器

半导体材料的电阻特性被用于硅传感器。电阻特性是整体的,而不仅仅是不同掺杂区域的结。在低温下,硅传感器提供正的温度系数,即电阻随温度的增加线性增加。

红外高温计(IR高温计)

当温度高于绝对零度时00K,所有物体都发射红外能量。发射的红外能量与其温度有直接关系。红外传感器测量物体发出的红外能量,并将读数转换为电压。红外线的波长范围是4 ~ 20微米。输出电压通过调节电路调节以提供温度读数。影响红外传感精度的因素有反射率、透射率和发射率。衡量一个物体反射红外能量的能力是它的反射率。衡量一个物体传输红外能量的能力是它的透射率。测量一个物体辐射红外能量的能力是它的发射率。如果一个物体的发射率为0.0,则称为完美反射器。 An object with an emissivity of 1.0 will emit or absorb 100% of the IR energy applied to it.

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额外的信息

热敏电阻

热敏电阻器是热敏电阻器,通常用金属氧化物混合物制成。热敏电阻器的结构与碳成分电阻器的结构相似。热敏电阻可以采取许多物理形式,如棒,板,珠,微型珠,也封装在金属容器中。根据建筑中使用的混合物的类型,热敏电阻有一个正温度系数和负温度系数。正温度系数热敏电阻不太常见,而且非常非线性。负温度系数热敏电阻是最常用的,它遵循对数定律,电阻没有剧烈变化。如果热敏电阻在某个温度θ下的电阻已知2,则温度θ时的电阻1可由下式计算:

R1= R2(B/θ1- (b /θ2))

在哪里

B是热敏电阻常数

θ1和θ2温度单位是开尔文吗

R1和R2抗性。

负温度系数(NTC)热敏电阻是常用的热敏电阻,用于温度控制应用。一些应用是深冷冻室恒温器,过程控制器,低温烤箱控制器和室温传感器。负温度系数热敏电阻的温度范围为-1500C到2000C.一些负温度系数的热敏电阻可以承受高达600的温度0C.热敏电阻的相关电路将是限制温度范围的关键因素。这是因为与电阻的范围相比,温度的范围非常小。

顾名思义,负温度系数的热敏电阻器在温度升高时电阻会发生负变化。典型的负温度系数热敏电阻特性如下所示。

5.NTC热敏电阻特性

曲线的形状是指数而不是线性的。在几乎所有的应用中,负温度系数热敏电阻比双金属带有相当大的优势。

采用负温度系数热敏电阻的测温电路如下图所示。

6.NTC热敏电阻温度传感电路

它利用运算放大器,可通过改变反馈比来调节灵敏度。

温度系数大于电阻器温度系数的半导体材料用于构造负温度系数热敏电阻。术语NTC热敏电阻用于具有较大负温度系数的器件。术语NTC电阻用于具有小负温度系数的器件。

正温度系数热敏电阻器是近年来发展起来的一种热敏电阻器,应用于温度感应保护电路中。与负温度系数热敏电阻不同,正温度系数热敏电阻的电流电压特性呈现方向变化。

电阻与温度的典型图或正温度系数热敏电阻的特性曲线如下所示。

7.PTC热敏电阻特性

直接使用正温度系数热敏电阻是在非常少的应用,因为它是不希望有控制电流通过热敏电阻。

热敏电阻的结构使它们成为任何基于温度的传感器中最敏感的。热敏电阻很便宜,因为它们不含铂。热敏电阻是动力装置,也就是说,它们需要外部电输入才能工作。由于热敏电阻是电阻器件,除了被测量的热量外,它们还会产生热量。根据结构的不同,热敏电阻可以是坚固的,也可以是脆弱的。珠型热敏电阻有非常细的导线,必须保护免受振动和冲击。

热敏电阻具有成本低、响应快、体积小、电阻高等优点。

缺点是自加热,没有电阻标准,需要额外的电路来控制应用负载和低温暴露比热电偶。

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热电偶

热电偶是热传感器中最常用的传感元件。热电偶由两种不同金属的导体组成。热电偶的原理是,这两种金属之间总是有一个接触势,这个接触势在温度上发生变化。要测量接触电位,电路中需要两个或两个接点。这些结称为热结或测量结,冷结或参考结。热结或测量结暴露在工艺温度下,冷结或参考结保持在已知的参考温度下。当连接点处于不同的温度时,电流将在导线中流动,电流与温差成正比,电压可以被检测到。一般来说,电压将在几毫伏的数量级。如果两个结点的温度相同,则输出电压为零。当结的温度增加时,输出电压增加,直到达到峰值。 The characteristic curve of a thermocouple is shown below.

8.热电偶特性

从上面的特性曲线可以清楚地看出热电偶只在一定的温度范围内有用。这是因为曲线的非线性形状,以及在温度高于过渡点或翻转点时发生的曲线反转。

热电偶的工作基于三种效应:塞贝克效应、珀尔蒂埃效应和汤姆逊效应。

为了计算电动势,热电偶利用塞贝克效应。根据塞贝克效应,热电偶中的电动势由下式给出。

E = a + bθ + cθ2

其中a, b和c是热电偶中使用的金属类型的常数,θ是它们之间的温差。

如果冷结保持在00C,电动势是

E = αt2+βT

其中α和β是金属对的测量常数,T是温度差。

当温度低于转变点时,α的值通常较小而被忽略。所以电动势几乎与温差成正比。

根据珀尔帖效应,当两种不同的金属连接在一起形成两个结时,由于两个结之间的温差,在电路中产生EMF。

根据汤姆逊效应,当两种不同的金属连接在一起形成两个结点时,由于沿导体长度的温度梯度,电路中存在电势。

当电流流过两端保持不同温度的导体时,一定数量的热量以与温度梯度和电流乘积成正比的速率释放出来。

下面将解释热电偶的工作原理。

9.热电偶电路

两种金属A和B连接在一起形成两个结p和q。结p是热结或测量结,结q是冷结或参考结。p和q处的温度分别为T1和T2。如果两个结点的温度相同,则相等和相反的电动势在结点处产生,净电流为零。

但如果连接的温度不同,则在电路中产生的电动势是连接温度差异的函数。

在热电偶中使用的一些常见的金属组合是铜-康斯坦坦,铁-康斯坦坦和铂-铑。铜铜型热电偶一般用于较低的温度范围。铂铑型热电偶主要用于较高的温度范围。

由于热电偶的输出电压很小,一般采用放大电路来放大输出电压。当热电偶与灵敏的毫伏电压表一起用于温度测量时,不需要放大电路。

在所有传感器技术中,热电偶具有最宽的温度范围。根据热电偶的类型,温度范围可以从-2000C至23150C.下面介绍一些最常见的热电偶类型。

  1. 类型:它使用纯铂作为一种金属,另一种金属是90%铂,10%铑的合金。这种类型的热电偶推荐用于高温,温度范围为00C至14000C且必须用带陶瓷绝缘体的非金属管保护。
  2. R型:它使用纯铂作为一种金属,87%铂合金,13%铑作为其他金属。它与S型类似,但R型用于工业用途,S型用于实验室用途。
  3. J型:它是由铁作为一种金属和铜镍合金作为另一种金属组成的。温度范围为00C到8000C.它们适用于真空或惰性环境。在更高的温度下,建议使用粗线,因为铁在540度以上会迅速氧化0C和氧化性大气会减少生命。
  4. 凯西:类型它使用镍铬合金和镍铝合金。K型热电偶的温度范围为00C - 11000C.由于铁不作为金属之一使用,它们适用于540以上的连续氧化气氛0C.当K型热电偶暴露在硫磺中时,可能会发生故障。温度在816度之间0C至10380C和在低氧浓度下,铬的优先氧化导致绿腐和一个大的负校准漂移。为了防止这种情况,可以对保护管进行通风或密封。
  5. 艾凡:类型这种类型使用镍铬和铜镍合金作为热电偶。这些类型推荐用于持续氧化气氛。它们提供所有可用热电偶中最高的热电输出。温度范围为00C到8000C。
  6. T型:它以铜为金属之一,以铜镍合金为其他金属。适用于真空,氧化,惰性气氛,也工作在零度以下的温度。温度范围是-2000C到4000C.在潮湿的环境中耐腐蚀。

其他常用的类型是B型,与R型和S型相似,但输出较低,N型用作K型的替代品,K型寿命较短,稳定性问题。

由于使用不同的材料组合,热电偶在不同温度下产生高输出电压,输出电压曲线接近线性。因此,热电偶很容易与控制器接口。

热电偶中使用的结有三种类型:接地,不接地和暴露结。

接地连接,为了保护热或测量结,将其焊接在保护金属套的内部。这可能会影响热响应,但使其容易受到电磁干扰。

无根据的结,使用导热材料将热结与其保护金属套绝缘。这隔离了结与电磁干扰,但增加热滞后。

暴露的结具有最快的响应时间。在这种结型中,为了形成热结,传感尖端由两根不同的电线通过焊接和焊接连接而成。

热电偶的优点是体积小,温度响应快,价格便宜,温度范围宽,耐振动和冲击。

缺点是它在高温下的稳定性较差,需要额外的保护以防止腐蚀,需要额外的电路来控制应用负载和使用特殊的延长线。

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电阻温度计

电阻温度计也被称为电阻温度探测器或电阻温度装置(RTD)。电阻温度计以前只作为实验室设备使用。但在结构上的进步使它们被用于许多只有热电偶曾经考虑过的应用。通过将电阻温度计的电阻与温度相关联来测量温度。

电阻温度计

图片资源链接:npl.co.uk/publications/good-practice-online-modules/temperature/types-of-thermometer/electrical-thermometers-resistance-thermometers/

虽然镍、铜等几种材料可以用于电阻温度计的结构,但铂是首选,因为它是国际标准的参考材料,在-270范围内使用0C到6600C.铂还具有耐腐蚀的优点,在很宽的温度范围内具有几乎线性的电阻-温度关系,并且它可以在非常纯的状态下制备。铂在电性和机械性方面都是一种非常稳定的材料。因此,由于材料老化导致的电阻值漂移可以忽略不计。

原来,铂电阻温度计是一个笨重的设备,但微型版本是可用的。尽管它们很小,但它们结合了铂电阻原理的准确性和铂耐腐蚀环境的能力。

电阻温度计中的传感元件是由一段精细的铂丝缠绕在陶瓷棒上制成的。导线的电阻随温度而变化,通过通电来测量。电压是用合适的电桥测量的。当用延长线连接传感元件中的电阻时,需要2线或3线或4线排列。外部引线的阻值也应考虑在内。这是通过将导线连接到惠斯顿电桥来实现的。

一个简单的2线惠斯通电桥电路用于电阻温度计如下所示。

12.Two Wire Resistance Thermometer

引线的电阻R一个和Rb都是随传感器的电阻一起测量的。

三线排列如下所示。

11.Three Wire Resistance Thermometer

不建议使用两根导线,因为导线越长,引线电阻越大。假定所有的引线电阻都是相同的,使用三线排列可以使引线电阻得到很好的补偿。为了达到更高的精度和引线补偿,首选四线排列。

对于所有使用电阻温度计的应用,电桥中的电流必须很低,以便铂丝的自热可以忽略不计。为了在不影响灵敏度的情况下在低电流下操作测量桥,使用了现代高阻抗放大器。

电阻温度计用于各种消费应用,如恒温器,冰箱,烤箱,汽车,空调和即时热水器。

一些流行的工业应用是计算机,打印机,过程控制,电机温度,电源,HVAC仪器和电子组件。

电阻温度计也用于医疗应用,如培养箱,呼吸和一次性用品。

电阻温度计最常用的材料是铂、镍、铜和镍铁合金。

不同材料的温度极限是

  • 白金2700C到6600C
  • 镍- 1000C到3200C
  • 铜- 750C到1500C
  • 镍-铁- 00C到2000C

用于连接传感元件和测量仪器的电线由镍、镍合金、镀银铜、镀锡铜和镀镍铜制成。这些电线用聚氯乙烯、聚四氟乙烯和玻璃纤维等材料绝缘。

传感元件和引线插入一端封闭的钢管中,钢管内填充陶瓷粉末作为减振或传热材料。

由于这些是电阻器件,必须考虑器件的质量和自热。

电阻式温度计的优点是电阻线性,精度高,重复性好,输出电压比热电偶大,温度范围宽。

缺点是成本较高,尺寸比热电偶大,自加热,在高振动环境中不耐用。

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硅带隙温度传感器

硅带隙温度传感器是电子设备中常用的温度传感器。硅带隙温度传感器的原理是硅二极管正向电压的温度依赖性。正向电压可以是BJT的发射极-基极结。

V= VG0(1 - t / t0) + vBE0(t / t0) + (nKT / q) ln (T0/ T + (KT / q) ln (IC/我C0

在哪里

VG0带隙电压是绝对零度吗

T是温度单位K

T0是参考温度

VBE0T处的带隙电压是多少0和电流IC0

N为器件常数

K是玻尔兹曼常数

Q是电子上的电荷

C是集电极电流

比较了在两种不同电流I下,温度相同的两个结点的带隙电压C1,我C2消去上述方程中的大部分变量。这种关系可以表述为

ΔV= (KT / q) ln (IC1/我C2

这个电压可以通过校准来计算温度。

硅带隙温度传感器可在集成电路版本与片上信号调理。IC型硅带隙温度传感器具有存储器,可精确校准。

硅带隙温度传感器的应用是发动机冷却剂、空调、过热保护和电源。

硅带隙温度传感器的优点是比电阻温度计更便宜,比热敏电阻更线性,比热电偶和电阻温度计更高的输出和IC级制造。

硅带隙温度传感器的缺点是线性度不如电阻式温度计,温度范围有限,热响应较慢,封装尺寸较大。

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前位传感器

下一个-光传感器

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