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        2014年2月7星期五下午9:10:34
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        溫度傳感器介紹
        來源:本站  更新時間:2019-11-17 15:48:57  查看次數:

             

         
          所有傳感器中最常用的類型是那些檢測溫度或熱量的傳感器,這些類型的溫度傳感器從控制家用熱水加熱系統的簡單開/關恒溫設備到可以控制復雜的過程控制熔爐工廠的高度敏感的半導體類型不等。

         

        我們從學校的科學課中記得,分子和原子的運動會產生熱量(動能),并且運動越大,產生的熱量就越大。 溫度傳感器測量物體或系統產生的熱能甚至冷量,使我們能夠“感知”或檢測到該溫度的任何物理變化,從而產生模擬或數字輸出。

        有許多不同類型的溫度傳感器 ,并且根據它們的實際應用都有不同的特性。 溫度傳感器包括兩種基本的物理類型:

        • 接觸式溫度傳感器類型 –這些類型的溫度傳感器必須與被感測對象物理接觸,并使用傳導來監視溫度變化。 它們可用于檢測各種溫度范圍內的固體,液體或氣體。
        • 非接觸式溫度傳感器類型 –這些類型的溫度傳感器使用對流和輻射來監視溫度變化。 它們可用于檢測在對流中熱量升高和冷沉降到底部時散發輻射能的液體和氣體,或檢測以紅外輻射(太陽)的形式從物體傳輸來的輻射能。

        接觸式或什至非接觸式溫度傳感器的兩種基本類型也可以細分為以下三類傳感器:機電式 , 電阻式電子式,下面將對這三種類型進行討論。

        溫控器

        溫控器是一種接觸式機電溫度傳感器或開關,它基本上由兩種不同的金屬(例如鎳,銅,鎢或鋁等)組成,它們結合在一起形成雙金屬條 。 當帶材受熱時,兩種不同金屬的不同線性膨脹率會產生機械彎曲運動。

        雙金屬帶材本身可以用作電氣開關,也可以用作在恒溫控制中操作電氣開關的機械方式,并廣泛用于控制鍋爐,熔爐,熱水儲罐以及車輛中的熱水加熱元件散熱器冷卻系統。

        雙金屬恒溫器

        bi-metallic strip thermostat

         

        溫控器由背靠背粘在一起的兩種不同熱金屬組成。 寒冷時,觸點閉合,電流流過恒溫器。 當金屬變熱時,一種金屬會比另一種金屬膨脹得更多,并且粘合的雙金屬條會向上(或向下)彎曲以打開觸點,從而阻止電流流動。

        thermostat temperature sensor

         

        開/關恒溫器

        雙金屬帶材主要有兩種類型,主要是基于它們在溫度變化時的運動。 有“突跳動作”類型會在設定的溫度點上對電觸點產生瞬時的“ ON / OFF”或“ OFF / ON”類型動作,而較慢的“ creep-action”類型會逐漸改變其位置隨著溫度的變化。

        速動型恒溫器在我們的家庭中通常用于控制烤箱,熨斗,浸入式熱水箱的溫度設定點,并且還可以在墻壁上找到它們來控制家庭供暖系統。

        爬行器類型通常由雙金屬線圈或螺旋線組成,隨著溫度變化,它們會緩慢展開或卷起。 通常,蠕變型雙金屬條比標準的按動開/關型對溫度變化更敏感,因為該條較長且較薄,因此非常適合在溫度表和刻度盤等中使用。

        盡管非常便宜并且可以在很寬的工作范圍內使用,但是當將標準速動型恒溫器用作溫度傳感器時,其主要缺點之一是從電觸點打開到再次閉合之間,它們具有較大的滯后范圍。 例如,可以將其設置為20 o C,但直到22 o C才能打開,或者直到18 o C再關閉。

        因此,溫度擺幅的范圍可能會很大。 家用的市售雙金屬恒溫器確實具有溫度調節螺釘,可以預先設定更精確的所需溫度設定點和滯后水平。

        NTC熱敏電阻

        熱敏電阻是另一種類型的溫度傳感器,其名稱是單詞THERM- allyally resrestor的組合。 熱敏電阻是一種特殊類型的電阻器,當暴露于溫度變化時會改變其物理電阻。

        thermistor temperature sensor

         

        熱敏電阻

        熱敏電阻通常由陶瓷材料制成,例如鍍在玻璃中的鎳,錳或鈷的氧化物,使其容易損壞。 與快速動作類型相比,它們的主要優點是它們對溫度,準確性和可重復性任何變化的響應速度。

        大多數類型的熱敏電阻都有一個負溫度系數 (NTC) ,即它們的電阻值隨溫度的升高而下降,當然,也有一些正溫度系數(PTC)是因為電阻值隨溫度升高而上升。

        熱敏電阻由陶瓷型半導體材料使用錳,鈷和鎳等金屬氧化物技術制成。半導體材料通常形成為小型密封盤或球,這些密封盤或球被密封以對溫度的任何變化做出相對快速的響應。

        通過在室溫下(通常在25 o C時)的電阻值,其時間常數(對溫度變化做出反應的時間)以及相對于流過它們的電流的額定功率來對熱敏電阻進行評級。 像電阻器一樣,熱敏電阻在室溫下的電阻值范圍從MΩ的10到低至幾Ohms,但是出于感測目的,通常使用千電阻的類型。

        熱敏電阻是無源電阻設備,這意味著我們需要使電流流過它以產生可測量的電壓輸出。 然后,通常將熱敏電阻與合適的偏置電阻器串聯連接,以形成一個分壓器網絡,選擇電阻器可在某個預定溫度點或某個值提供電壓輸出,例如:

        溫度傳感器示例

        以下熱敏電阻在25 o C時的電阻值為10KΩ,在100 o C時的電阻值為100Ω。計算與兩個1kΩ電阻串聯時在兩個溫度下熱敏電阻的壓降,從而計算出其輸出電壓(Vout)???2v電源。

        thermistor circuit

         

        25 o C

        thermistor at 25 degrees

         

        100 o C

        thermistor at 100 degrees

         

        通過將R2的固定電阻值(在我們的示例中為1kΩ)更改為電位計或預設值,可以在預定的溫度設定點獲得電壓輸出,例如在60 o C時為5v輸出,并且通過改變電位計的特定輸出電壓可以在更寬的溫度范圍內獲得水平。

        但是,需要注意的是,熱敏電阻是非線性器件,并且它們在室溫下的標準電阻值在不同的熱敏電阻之間是不同的,這主要是由于它們是由半導體材料制成的。 熱敏電阻隨溫度呈指數變化,因此具有Beta溫度常數( β ),可用于計算任何給定溫度點的電阻。

        但是,當與串聯電阻一起使用時,例如在分壓器網絡或惠斯通電橋類型的裝置中,響應于施加到分壓器/橋網絡的電壓而獲得的電流與溫度成線性關系。 然后,電阻兩端的輸出電壓隨溫度線性變化。

        電阻溫度檢測器(RTD)。

        電阻溫度傳感器的另一種類型是電阻溫度檢測器RTD 。 RTD是由高純度導電金屬(例如鉑,銅或鎳)制成的精密溫度傳感器,其纏繞成線圈后,其電阻隨溫度的變化而變化,類似于熱敏電阻。 也可以使用薄膜RTD。 這些設備具有沉積在白色陶瓷基板上的鉑糊薄膜。

        resistive temperature detector

         

        電阻RTD

        電阻溫度檢測器具有正溫度系數(PTC),但與熱敏電阻不同,它們的輸出極為線性,可產生非常精確的溫度測量值。

        但是,它們的熱敏性非常差,也就是說,溫度變化只會產生很小的輸出變化,例如1Ω/℃。

        RTD的最常見類型是鉑,稱為鉑電阻溫度計PRT ,其中最常用的都是Pt100傳感器,其在0 o C時的標準電阻值為100Ω。缺點是鉑這種裝置價格昂貴,而這種裝置的主要缺點之一就是成本。

        像熱敏電阻一樣,RTD是無源電阻器件,通過使恒定電流流過溫度傳感器,就有可能獲得隨溫度線性增加的輸出電壓。 典型的RTD在0 o C時的基極電阻約為100Ω,在-200至+600 o C的工作溫度范圍內,在100 o C時基極電阻會增加至140Ω。

        由于RTD是電阻性設備,因此我們需要使電流流過它們并監視所產生的電壓。 但是,當電流流過電阻線時,電阻線的自發熱引起的任何電阻變化2 R (歐姆定律)都會導致讀數誤差。 為避免這種情況,RTD通常連接到惠斯通電橋網絡中,該網絡具有用于引線補償和/或連接到恒流源的附加連接線。

        熱電偶

        到目前為止, 熱電偶是所有溫度傳感器類型中最常用的類型。 熱電偶因其簡單,易用以及其對溫度變化的響應速度而廣受歡迎,這主要是由于其尺寸小。 在所有溫度傳感器中,熱電偶的溫度范圍最廣,從-200 o C以下到超過2000 o C以上。

        熱電偶是一種熱電傳感器,基本上由兩個不同的金屬(例如銅和康斯坦康)的兩個結焊接或壓接在一起組成。 一個結保持在稱為參考(冷)結的恒定溫度,而另一個結則保持在測量(熱)結。 當兩個結的溫度不同時,結兩端會產生一個電壓,該電壓用于測量溫度傳感器,如下所示。

        熱電偶構造

        thermocouple temperature sensor

         

        熱電偶的工作原理非常簡單和基本。 當將兩種不同金屬(例如銅和康斯坦?。┤诤显谝黄饡r,會產生“熱電”效應,從而使它們之間的恒定電位差僅為幾毫伏(mV)。 兩個結之間的電壓差稱為“塞貝克效應”,因為沿著產生電動勢的導線會產生溫度梯度。 然后,熱電偶的輸出電壓是溫度變化的函數。

        如果兩個結處于相同溫度,則兩個結之間的電勢差為零,也就是說,沒有電壓輸出,因為1 = V 2 。 但是,當結點在電路內連接且都處于不同溫度時,將檢測到相對于兩個結點之間的溫差1 – V 2的電壓輸出。 電壓差會隨著溫度的升高而增加,直到達到結峰值電壓電平為止,這取決于所使用的兩種不同金屬的特性。

        熱電偶可以由多種不同的材料制成,可以測量-200 o C至+2000 o C以上的極端溫度。 在如此眾多的材料和溫度范圍內,已開發出國際認可的標準,并附有熱電偶顏色代碼,以使用戶能夠為特定應用選擇正確的熱電偶傳感器。 標準熱電偶的英國顏色代碼如下。

        熱電偶顏色代碼

        熱電偶傳感器顏色代碼擴展和補償引線
        代碼類型 導體(+/-) 靈敏度 英國BS 1843:1952
        Ë 鎳鉻/康斯坦丁 -200至900 o C type e thermocouple
        ? 鐵/君士坦丁 0至750 o C type j thermocouple
        ? 鎳鉻/鎳鋁 -200至1250 o C type k thermocouple
        ñ 鎳鉻硅/鎳硅 0至1250 o C type n thermocouple
        ? 銅/康斯坦丁 -200至350 o C type t thermocouple
        ü 銅/銅鎳補償“ S”和“ R” 0至1450 o C type u thermocouple
         

        上面用于常規溫度測量的三種最常見的熱電偶材料是: 鐵-康斯坦坦 (J型), 銅-康斯坦丁 (T型)和鎳鉻 (K型)。 熱電偶的輸出電壓非常小,溫度差變化10 o C時只需幾毫伏(mV),由于這種小電壓輸出,通常需要某種形式的放大。

        熱電偶放大

        temperature sensor amplifier

         

        需要仔細選擇放大器的類型,無論是分立的還是運算放大器的形式,因為需要良好的漂移穩定性以防止熱電偶以頻繁的間隔進行重新校準。 這使得斬波器和儀表放大器成為大多數溫度感測應用的首選。

        此處未提及的其他溫度傳感器類型包括:半導體結傳感器,紅外和熱輻射傳感器,醫用溫度計,指示器和變色油墨或染料。

         

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