温度传感器

介绍

温度是由于在分子水平及其对材料和工艺的意义的所有的物理参数的最广泛感测的参数。温度是热度或冷的具体程度作为参考特定比例。温度也定义为热能的系统或对象的量。热能直接关系到分子的能量:分子能量较大时,热能就越高。

温度传感器监测材料或物体在温度变化时所发生的变化。温度传感器可以检测与温度变化相对应的物理量的变化。物理量可以是电阻或电压之类的任何东西。基于电到热能的传感器利用电流通过导体的热效应。基于热能到电能的传感器将需要一个温差来运行。

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温度传感器类型

温度传感有两种类型:接触式和非接触式。在基于接触的温度传感中,传感器将与被感知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。辐射能是电磁波谱的红外部分所发射的能量的形式。非反射性固体和液体可以使用非接触技术进行监测。

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

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机电传感器

双金属恒温器或双金属条带

人体非常令人惊讶,因为根据天气状况,我们要么感到太酷或热。我们的身体具有自我调节机制,能够在37时调整和维持体温0C.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。

恒温器是接触式机电传感器,用于测量室内温度。它是在17年发明的th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。这个开关或开或合,使电路流动或中断。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,但它们测量房间的温度。

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粘在一起。通过对两种金属施加不同的膨胀率或线性膨胀率,可以将热能转化为机电运动。一种材料的线性膨胀系数或膨胀系数是温度每一度变化时长度的小幅度变化。当加热时,金属条会弯曲,因为一种金属的膨胀系数比另一种高。这种弯曲可以被任何位移传感器检测到。

1.双金属带
Bi-metallic地带

2.Bi-metallic带弯曲
Bi-metallic带弯曲

恒温器的工作

工作的基本原则是热膨胀接通或断开电路。它由两种不同的金属组成,如镍、铜、钨或铝。把任何两种金属结合起来就可制成复合条。它们是通过热和压力粘合在一起的。这就是所谓的Bi-metallic地带.两种金属的膨胀率不同。因此,当加热作用在带钢上时,带钢发生机械弯曲运动。双金属条就像一座桥,帮助连接或断开室内或工业内部加热或冷却系统的电路。

当金属处于冷条件时,触点被关闭,这导致通过恒温器流动流动。在施加热量期间,双金属条热。这导致一个金属比另一个更热。更热的条带延伸,导致光束弯曲。这是转弯使电路破裂并关闭冷却或加热开关。打开电接触,停止电流。

过了一段时间,漫画开始冷却。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尺寸。当它恢复到原来的尺寸时,电路就会接触并立即开始冷却/加热过程。

温度传感器

1 - 外盘调节温度

2 -连接刻度盘和温度传感器的电路

3 -带1金属(铜)

4 -带2nd金属(铁)

5 -内部电路

温度传感器

温度传感器

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断开电接触。

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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,电阻随温度而变化。它们由两种或三种金属氧化物和其中一种氧化锌组成。这种组合被插入到一个陶瓷底座上,该底座是一个绝缘体。

温度传感器

热敏电阻有两种基于温度系数的类型:正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。

在正温度系数热敏电阻的情况下,电阻和温度彼此直接成比例即,随着温度升高,电阻增加。

对于负温度系数的热敏电阻,电阻和温度是成反比的,即电阻随着温度的升高而减小。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由陶瓷和聚合物制成。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,电阻温度器件的电阻变化以测量和控制温度。电阻温度器件由传感元件,连接电线和测量仪器组成。连接线在传感元件和测量仪器之间使用,并且支撑件用于定位该过程中的元件。

感应元件是一个电阻,其电阻随温度而变化。传感元件由一圈导线组成,导线上蚀刻着导线。这是封装在陶瓷和陶瓷玻璃。导电薄膜也可用来代替线圈。

电阻温度设备

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

传感元件应以速度快速达到处理温度的方式定位。对于高振动和冲击常见的应用,应充分固定绕线装置。为了测量从距离的电阻,可以使用传感元件和仪器之间的延伸线。

原则

它的工作原理是当温度变化时,金属的电阻也会发生变化。通过RTD元件或电阻的电流量。用万用表测量RTD元件的电阻。所得的电阻值与温度有关。所以,顾名思义,当金属的温度升高时,金属的电阻就会增加。这导致电流增加。

RTD具有正温度系数(PTC)。铂金材料主要用于RTD建设。因此,铂电阻温度计(PRT),也称为作为的Pt100是流行的温度传感器。这具有100欧姆的在0的标准值0C.使用铂的原因如下:

  • 化学惰性
  • 温度和电阻是线性
  • 有更大的温度系数
  • 更稳定

RTD线配置

当RTD有更多的电线时,据说更准确。有两种线和三线配置系统。仅在需要近似温度值时使用双线配置。工业中最常用的配置是三线配置。通常,惠斯通桥电路用作铅补偿技术,如下所示。

温度传感器

由上图可知,A线和B线的长度应该相同。导线A和B的阻抗作用于桥的另一端,它们相互抵消。因此,电线C被允许携带最小的电流。这是在惠斯通桥的帮助下完成的。

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电子传感器

热电偶

当不同的金属的两个导体在电路的端部被接合时,它们形成一个热电偶。它们不含有像电阻温度装置的感测元件,所以它们是在所使用的材料而言更小的限制。他们可以处理比电阻温度装置高得多的温度。

热电偶的构建由导体和陶瓷粉末组成,用于绝缘。热电偶有两个连接点:热插拔和冷点。热结界点是测量结,冷结是参考交界处。测量结暴露于工艺温度,并且在参考温度下保持其他结。

4.Thermocouples

当交叉点经受不同的温度时,与其温差成比例的电流将在线流动。

热电偶的原则

它基于三种效果

  1. 塞贝克效应:当在不同温度下两种不同材料连接在一起,并且热量被提供给所述金属中的任何一个,将有来自热金属电子的流向冷金属。该电子移动将导致产生在电路中的电流的。金属之间的温度差将引起它们之间的电位差。
  2. 珀尔帖效应:塞贝克效应的反向是珀耳帖效应。它指出,当在两个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:每当两种不同的金属结合在一起时,就会产生两个结。在这种情况下,由于两种金属之间的温差,导体上就会产生一个电压。

硅传感器

半导体材料的电阻特性被用于硅传感器。电阻特性是在整体上而不仅仅是在不同掺杂区域的结合处。在低温下,硅传感器的温度系数为正,即电阻随温度的升高而线性增加。

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的关系。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到20微米。输出电压通过调节电路来提供温度读数。影响红外探测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。衡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,则该物体称为完美反射器。 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,通常由金属氧化物混合物构成。热敏电阻的结构类似于碳组成电阻。热敏电阻可以有许多物理形式,如棒、板、珠、微珠,也可以封装在金属容器中。根据建筑中使用的混合物类型,热敏电阻有正的温度系数和负的温度系数。正温度系数热敏电阻是不常见的,是非常非线性的。负温度系数热敏电阻是最常用的,它遵循对数定律,电阻不会发生剧烈变化。如果已知热敏电阻在某一温度θ下的电阻2,然后是温度θ下的电阻1可以使用以下等式计算:

R1= R2((B /θ1) - (b /θ2))

在哪里

B是热敏电阻常数

θ1和θ2是在开尔文的温度

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。其中一些应用是深冰箱恒温器,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 - 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。这是因为与电阻范围相比,温度范围非常少。

顾名思义,负温度系数热敏电阻在温度升高时,其电阻会发生负变化。典型的负温度系数热敏电阻特性如下图所示。

5.NTC热敏电阻特性

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

使用负温度系数热敏电阻进行温度传感的电路如下图所示。

6.热敏电阻温度传感电路

它利用运放,灵敏度可以通过改变反馈比来调整。

负温度系数热敏电阻采用温度系数大于电阻温度系数的半导体材料。术语NTC热敏电阻用于负温度系数大的器件。NTC电阻器这个术语用于负温度系数小的器件。

正温度系数热敏电阻是近年来发展起来的,用于温度传感保护电路中。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出方向性变化。

典型的电阻温度曲线或正温度系数热敏电阻的特性曲线如下图所示。

7.PTC热敏电阻特性

直接使用正温度系数热敏电阻的应用是非常少的,因为控制电流通过热敏电阻是不可取的。

热敏电阻的结构使其成为所有温度传感器中最敏感的。热敏电阻很便宜,因为它们不含铂。热敏电阻是供电设备,也就是说,它们需要外部电输入来工作。由于热敏电阻是电阻性器件,它们在被测量的热量之外还会产生热量。根据结构的不同,热敏电阻可以是坚固的,也可以是脆弱的。珠状热敏电阻有很薄的引线,必须防止振动和冲击。

热敏电阻的优点包括成本低,响应速度快,小尺寸和高电阻。

缺点是自加热,无电阻标准,要求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。热电偶由两个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电势,这个接触电势随温度而变化。要测量接触电势,一个电路中需要两个连接或结。这些结被称为热结或测量结和冷结或参考结。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,电流就会在导线中流动,电流与温差成正比,电压就会被检测到。一般来说,电压在几毫伏的量级。如果两个接点的温度相同,则输出电压为零。当结点温度升高时,输出电压增加,直至达到峰值。 The characteristic curve of a thermocouple is shown below.

8.热电偶的特征

从上面的特性曲线清楚的是一个热电偶仅在温度的特定有限范围是有用的。这是因为曲线的非直线形状,并且在温度是高于转变点或翻转点发生在曲线的逆转。

热电偶的工作基于三个效果:塞贝克效应,珀耳帖效果和汤姆森效应。

为了计算EMF,热电偶利用塞贝克效应。根据塞贝克效应,热电偶中的EMF由以下等式给出。

E = a + bθ + cθ2

其中,a,b和c是在热电偶所使用的类型的金属的常数,θ是它们之间的温度差。

如果冷接点保持在00C,电动势是

E =αt.2+βt.

其中α和β是对金属的测量常数,T是温度差。

当温度低于转变点时,α值通常很小,被忽略。所以电动势几乎和温差成正比。

根据Peltier效应,当两种不同的金属连接成两个结时,由于两个结之间的温差,电路中就会产生电动势。

根据汤姆逊效应,当两种不同的金属连接成两个结时,由于沿着导体长度的温度梯度,电路中存在一个电势。

当电流流过导体,其端部分保持在不同的温度下,热量一定量的成比例的温度梯度和电流的乘积的速率被释放。

热电偶的工作进行说明。

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的温度分别是T1和T2。如果两个结的温度相同,则在结处产生相等而相反的电动势,净电流为零。

但是,如果结的温度是不同的,那么一个EMF是在处于结的温度的差的函数的电路产生。

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

通常,一个放大器电路用于放大热电偶的输出电压,因为它们是非常小的。没有必要为一个放大电路,当热电偶以用于温度测量的灵敏伏特计毫一起使用。

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

  1. S型:它使用纯铂作为一种金属和一种90%铂,10%铑作为其他金属的合金。这种类型的热电偶适用于高温,温度范围为00C到14000C,必须用带有陶瓷绝缘体的非金属管保护。
  2. 类型R:它使用纯铂作为一种金属和合金铂87%,铑13%作为其他金属。它类似于S型,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的合金 - 其它金属镍。的温度范围为00C - 8000C.它们适用于真空或惰性气氛。在温度较高的情况下,建议使用粗线,因为铁在540度以上会迅速氧化0C和氧化环境将减少生命。
  4. 凯西:类型它采用镍铬合金和镍铝合金。K型热电偶的温度范围为00Ç - 11000C.由于铁不是作为金属之一使用,它们适合于540以上的连续氧化气氛0C.当接触硫时,K型热电偶可能失效。温度在816度之间0C - 10380在低氧浓度下,铬的优先氧化导致绿腐和较大的负校准漂移。为了防止这种情况,可以进行通风或密封保护管。
  5. 艾凡:类型采用镍铬合金和铜镍合金作为热电偶。这些类型推荐用于连续氧化气氛。它们提供所有热电偶中最高的热电偶输出。温度范围为00C - 8000C。
  6. T型:它使用铜作为其中一种金属和铜镍合金作为其他金属。适用于真空、氧化、惰性环境,也可在零度以下工作。温度范围为-2000C - 4000C.在潮湿的环境中耐腐蚀。

其他常用的类型是类型B,它类似于类型R和S,但输出更低,类型N被用作类型K的替代品,有更短的寿命和稳定性问题。

因为不同的材料组合的使用的,热电偶在不同温度下产生高的输出电压和输出电压曲线几乎是线性的。因此,热电偶容易与控制器的接口。

热电偶有三种类型的接线点样式:接地,未接地和暴露的连接点。

接地连接,为了保护热或测量结,它被焊接到一个保护金属护套的内部。这可能会影响热响应,但使它容易受到电磁干扰。

无根据的结,导热材料被用于从保护金属护套电绝缘热结。这种隔离电磁干扰的交界处,但增加了热滞后。

暴露的结具有最快的响应时间。在这种结类型中,为了形成热结,传感尖端是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。

缺点是在较高温度下它的较低的稳定性,从腐蚀额外的保护的要求,附加的电路来控制应用程序加载要求,使用特殊的延长线的。

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电阻温度计

电阻温度计也称为电阻温度探测器或电阻温度器件(RTD)。电阻温度计以前只用作实验室设备。但由于结构上的进步,它们已被用于许多曾经只考虑热电偶的应用。它们是通过将电阻温度计的电阻与温度相关联来测量温度的。

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/

尽管一些材料,如镍,铜可以以电阻温度计的结构中使用,铂是优选的,因为是用于国际标准参考材料,在的范围内使用其相当大的优势-2700C - 6600铂也有耐腐蚀的优势,在很宽的温度范围内具有几乎线性的电阻-温度关系,它可以在非常纯的状态下制备。铂在电和机械方面都是一种非常稳定的材料。因此,由于材料老化而引起的电阻值漂移可以忽略不计。

最初,铂电阻温度计是一种笨重的设备,但现在有了微型版本。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性环境的能力。

电阻温度计中的传感元件是由一段细卷曲的铂丝缠绕在陶瓷棒上制成的。导线的电阻随温度而变化,通过通过电流来测量。电压是用合适的电桥测量的。当用延长线将电阻接在传感元件上时,需要采用2线或3线或4线的排列方式。外部引线的电阻值也应考虑在内。这是通过将引线连接到惠斯通电桥来实现的。

一个简单的2线惠斯顿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与传感器的电阻沿测量。

三线布置如下图所示。

11.Three Wire Resistance Thermometer

不建议采用两根导线,因为导线越长,引线电阻越大。采用三线制,假设所有的引线电阻都是相同的,可以很好地补偿引线电阻。为了实现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,这样铂丝的自热可以忽略不计。为了在低电流下操作测量桥而不影响灵敏度,使用了现代的高阻抗放大器。

电阻温度计被用于各种消费者应用,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,如孵化器,呼吸和一次性用品。

电阻温度计中最常用的材料是铂、镍、铜和镍铁合金。

不同材料的温度极限是

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

连接传感元件和测量仪器的导线由镍、镍合金、镀银铜、镀锡铜和镀镍铜组成。这些电线是用聚氯乙烯、特氟隆和玻璃纤维等材料绝缘的。

传感元件和导线被插入到一个封闭的端钢管中,该钢管内填充陶瓷粉,陶瓷粉作为减振或传热材料。

由于这些都是电阻器件,因此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、准确、重复性好,输出电压比热电偶大,温度范围宽。

缺点是更高的成本和比热电偶尺寸大,自加热和在高振动环境中的耐久性较差。

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硅带隙温度传感器

硅的带隙温度传感器是在电子设备中使用的温度传感器的常见形式。一个带隙的硅温度传感器的原理是硅二极管的正向电压的温度依赖性。正向电压可以是发射器 - 一个BJT的结。

V= VG0(1 - T / T.0) + VBE0(T / T0) + (nKT / q) ln (T0/ T + (KT / q) ln (IC/ 一世C0

在哪里

VG0带隙电压是否在绝对零度

T是温度,单位是K

T0参考温度

VBE0带隙电压在T0和现在的我C0

N是设备常数

k是boltzmann的常量

Q是电子的电荷

C是集电极电流

在两个结具有相同的温度带隙电压在两种不同的电流进行比较,我C1,我C2消除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/ 一世C2

这种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芯片信号调理。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领域包括发动机冷却液、空调、过热保护和电源。

硅带隙温度传感器的优点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和IC水平制造更高的输出。

硅带隙温度传感器的缺点是线性度小于电阻式温度计,温度范围有限,热响应慢,封装尺寸大。

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前位传感器

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