温度传感器

介绍

温度是所有物理参数中被感知最广泛的参数,因为它在分子水平上对材料和过程具有重要意义。温度是指参照特定尺度的特定的热或冷程度。温度也被定义为一个系统或物体的热量。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温度变化时发生的变化。温度传感器可以检测对应于温度变化的物理量的变化。物理量可以是任何东西,如电阻或电压。电热能传感器利用通过导体的电流的热效应。基于热能到电能的传感器将需要一个温差来操作。

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温度传感器的类型

温度传感可以是两种类型:基于接触和非接触的基于。在基于接触的温度传感中,传感器将与所感测的物体进行物理接触。在基于非接触的温度传感中,传感器解释热源的辐射能量。辐射能量是电磁谱的红外部分发射的能量形式。可以使用非接触技术监测非反射固体和液体。

这两种类型的温度传感器可分为三大类: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

人的身体是如此的神奇,我们要么感觉太冷,要么感觉太热,这取决于天气状况。我们的身体有自我调节机制,它有能力调节和保持体温在370同理,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,用于测量家庭内部的温度。它被发明回来17th世纪,现在我们有现代的恒温器小工具。如今,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以流动或中断。恒温器可以是电子或机械式。这两种类型的功能都不同,但它们测量房间的温度。

顾名思义,双金属恒温器是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。材料的线性膨胀率或膨胀系数是温度每一度变化时长度的分数变化。当加热时,带钢会弯曲,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感知。

1.Bi-metallic地带
Bi-metallic地带

2.Bi-metallic带弯曲
Bi-metallic带弯曲

恒温器的工作

工作的基本原理是热膨胀使电路接通或断开。它由镍、铜、钨和铝这两种不同的金属组成。任何两种金属的结合形成复合带材。它们通过热和压结合在一起。这就是所谓的Bi-metallic地带。两种金属的膨胀速率不同。因此,当加热作用于带钢时,它会经历机械弯曲运动。双金属带就像一座桥,帮助连接或断开住宅或工业内部的加热或冷却系统的电路。

当金属处于低温状态时,触点闭合,从而导致电流通过恒温器。在加热过程中,双金属带材变热。这导致一种金属比另一种温度高。带钢越热,其膨胀越大,导致梁的弯曲。这是转弯使电路断开,并关闭冷却或加热开关。断开电触点,停止电流。

过了一段时间,漫画开始变冷。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,电路就会接触,并立即开始冷却/加热过程。

温度传感器图2

外刻度盘调节温度

2路连接表盘与温度传感器

3 -带1金属(黄铜)

4 -带2nd金属(铁)

5 .内部电路

温度传感器图3

温度传感器图片4

2.灯泡和毛细管恒温器:它们利用毛细管膨胀或收缩液体的作用来制造或打破电接触。

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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组合而成,其中一种是氧化锌。这种组合插入一个陶瓷底座,这是一个绝缘体。

图5温度传感器

热敏电阻根据温度系数分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。

当热敏电阻为正温度系数时,电阻与温度成正比,即电阻随着温度的升高而增大。

当热敏电阻的温度系数为负时,电阻与温度成反比,即电阻随着温度的升高而减小。负温度系数热敏电阻提供更高的灵敏度,可在小配置快速热响应。NTC由陶瓷和聚合物制成。钴、镍、铁和氧化铜等材料被使用。

电阻温度器件(RTD)

与热敏电阻类似,电阻式温度装置的电阻变化来测量和控制温度。电阻式测温装置由传感元件、连接线和测量仪器组成。在传感元件和测量仪器之间使用连接线,并在过程中使用支架对元件进行定位。

传感元件是一个电阻随温度变化的电阻。传感元件由一个线圈组成,线圈上刻有导线。这是封装在陶瓷和密封陶瓷玻璃。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

传感元件的定位应能使其快速达到工艺温度。对于常见的高振动和冲击的应用场合,绕线装置应适当地固定。为了从一定距离测量电阻,可以使用传感元件和仪器之间的延长线。

原则

其工作原理是当温度变化时,金属的电阻也会发生变化。一定量的电流通过RTD元件或电阻。用万用表测量RTD元件的电阻。得到的电阻值与温度相关。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)。铂材料主要用于RTD建筑。因此,铂电阻温度计(PRT)又称Pt100,是目前流行的温度传感器。它在0时的标准值是100欧姆0C.使用铂是因为以下原因。

  • 化学惰性
  • 温度和电阻是线性的
  • 有较大的温度系数吗
  • 更稳定的

RTD线配置

当RTD有更多的线,它被认为是更准确的。有二线和三线配置系统。只有在需要近似温度值时,才使用两线配置。工业上最常用的配置是三线配置。一般情况下,惠斯通电桥电路被用作引线补偿技术如下所示。

温度传感器图6

由上图可知,导线A和B的长度应该相同。导线A和B的阻抗作用在电桥的另一端,它们相互抵消。因此,导线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

当两个由不同金属组成的导体连接在电路的一端时,它们就形成热电偶。它们不包含电阻式温度器件等传感元件,因此在材料使用方面受到的限制较少。它们可以处理比电阻式温度装置高得多的温度。

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:热结和冷结。热结为测量结,冷结为参考结。测量结暴露在工艺温度下,而另一个结保持在参考温度。

4.Thermocouples

当连接处受到不同温度的影响时,一股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

它基于三种效果

  1. 塞贝克效应:当两种不同温度的不同材料连接在一起时,向任何一种金属提供热量,就会有电子从热金属流向冷金属。这种电子运动将在电路中产生电流。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:与塞贝克效应相反的是珀尔蒂埃效应。它指出,当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度差。
  3. 汤姆森的效果:只要两种不同的金属结合在一起,就会产生两个接点。在这种情况下,由于两种金属之间的温度差,导体就会产生电压。

硅传感器

半导体材料的电阻特性用于硅传感器。耐耐抗性,而不是仅仅是不同掺杂区域的结。在低温下,硅传感器提供正温度系数,即线性增加耐温性随温度的增加。

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。红外的波长范围是4到20微米。输出电压通过一个调节电路来提供温度读数。影响红外传感精度的因素有反射率、透射率和发射率。一个物体反射红外能量的能力的衡量是它的反射率。衡量一个物体传输红外能量的能力是它的透过率。一个物体辐射红外能量的能力的量度是它的发射率。如果一个物体的发射率是0.0,就称为完美反射器。 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而成。热敏电阻器的结构类似于碳成分电阻器。热敏电阻可以有许多物理形式,如棒、板、珠、微型珠,也可以封装在金属容器中。根据结构中使用的混合物类型,热敏电阻具有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,电阻变化不大。如果已知热敏电阻在温度θ时的电阻2,则θ温度下的电阻1可以用下式计算:

R1= R.2((B /θ1) - (B /θ2)))

在哪里

B是热敏电阻常数

θ1和θ2是开氏温度

R1和R2是抵抗力。

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 - 2000一些负温度系数热敏电阻可以承受高达600的温度0热敏电阻的相关电路将是限制温度范围的一个关键因素。这是因为温度的范围比电阻的范围小得多。

顾名思义,负温度系数的热敏电阻随着温度的升高会有负的电阻变化。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。在几乎所有的应用中,负温度系数热敏电阻比双金属带具有相当大的优势。

采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.NTC热敏电阻温度传感电路

它利用运算放大器,可以通过改变反馈比来调整灵敏度。

温度系数大于电阻温度系数的半导体材料用于构造负温度系数热敏电阻。NTC热敏电阻是指具有较大负温度系数的器件。NTC电阻是指负温度系数小的器件。

正温度系数热敏电阻器是近年来发展起来的一种新型热敏电阻器,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方向变化。

热敏电阻的典型温度曲线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

正温度系数热敏电阻的直接使用在很少的应用中,因为它是不可取的控制电流通过热敏电阻。

热敏电阻的构造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,即它们需要外部电子输入来工作。由于热敏电阻是电阻器件,它们在被测量的热量之外还产生热量。根据结构的不同,热敏电阻可以是坚固的,也可以是脆弱的。珠型热敏电阻有很细的引线,必须防止振动和冲击。

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,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,而这个电势在温度上变化。要测量接触电位,需要在一个电路中有两个连接或结。这些结称为热结或测量结和冷结或参考结。热结或测量结暴露于工艺温度,而冷结或参考结保持在已知的参考温度。当连接点处于不同的温度时,电流将在导线中流动,该电流与温差和电压成正比,可以检测到。电压一般在几毫伏左右。如果两个结的温度相同,输出电压为零。当结处温度升高时,输出电压升高,直到达到峰值。 The characteristic curve of a thermocouple is shown below.

8.热电偶的特征

从上面的特性曲线可以清楚地看出,热电偶只有在一定的温度范围内才有用。这是由于曲线的非线性形状和在温度高于转换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、佩尔蒂埃效应和汤姆森效应。

热电偶利用塞贝克效应来计算电动势。根据塞贝克效应,热电偶中的电动势由下式表示。

e = a +bθ+cθ2

其中,a、b和c是热电偶中所用金属类型的常数,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是这对金属的测量常数,T是温差。

当温度低于转变点时,α的值通常很小且被忽略。所以电动势几乎与温差成正比。

根据Peltier效应,当两种不同的金属连接形成两个接点时,由于两个接点之间的温差,电路中会产生电动势。

根据汤姆森效应,当两个不同的金属连接到形成两个结时,由于沿着导体的长度的温度梯度,电路中存在电位。

当电流流经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度释放出来。

热电偶的工作原理如下说明。

9.热电偶电路

两个金属A和B连接在一起以形成两个结,P和Q。结P是热插拔或测量结,而结Q是冷结或参考交界处。P和Q处的温度分别为T1和T2。如果连接点的温度是相同的,则在结处产生相等且相对的EMF,并且净电流为零。

但是如果结的温度不同,那么电路中就会产生一个电动势,它是结温度差异的函数。

热电偶中使用的金属的一些常见组合是铜 - 常数,铁 - 常数和铂 - 铑。铜 - 常数型热电偶通常用于较低范围的温度。铂 - 铑型热电偶主要用于更高的温度范围。

热电偶的输出电压很小,一般用放大电路来放大。当热电偶与灵敏毫伏计一起使用时,就不需要放大电路。

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,温度范围可以从-2000C - 23150C.下面描述了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和90%铂的合金,10%铑作为其它金属。这种类型的热电偶推荐用于高温,温度范围为00C - 14000必须用带有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和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其他金属组成的。温度范围为00c到800.0C.它们适用于真空或惰性气氛。在较高的温度下,建议使用粗线,因为超过540℃时铁会迅速氧化0C和氧化的环境会降低寿命。
  4. 凯西:类型它使用镍-铬和镍-铝合金。K型热电偶的温度范围为00C - 11000由于铁不被用作金属之一,所以它们适合在540℃以上的连续氧化气氛中使用0C.当暴露于硫时,型型热电偶可能受到失败。在816的温度之间0C - 10380C和在低氧浓度下,铬的优先氧化导致绿色腐蚀和大的负校准漂移。为防止这种情况,可以进行保护管的通风或密封。
  5. e:这种类型使用镍-铬和铜-镍合金作为热电偶。这些类型推荐用于连续氧化环境。它们提供所有可用热电偶中最高的热电输出。温度的范围是00c到800.0C。
  6. T型:它使用铜作为金属之一和铜 - 镍作为其他金属的合金。可用于真空,氧化,惰性气氛,也可以在分零温度下工作。温度范围为-2000C - 4000C.在潮湿环境中耐腐蚀。

另一种常用的类型是B型,类似于R型和S型,但输出较低;N型被用作K型的替代品,K型的寿命较短,稳定性也有问题。

由于使用不同的材料组合,热电偶在不同温度下产生较高的输出电压,输出电压曲线接近线性。因此热电偶很容易与控制器连接。

热电偶中有三种类型的接点:接地、不接地和暴露的接点。

接地连接,为了保护热或测量结,将其焊接到保护金属护套的内部。这可能会影响热响应,但使其易于电磁干扰。

未接地的交界处,一种导热材料用于电绝缘热结从其保护金属护套。这将结与电磁干扰隔离,但增加热滞后。

暴露的交界处有最快的响应时间。在该结型中,为了形成热插拔,感测尖端由焊接和焊接连接的两个不同的电线制成。

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。

缺点是它在较高温度下的稳定性较差,需要额外的腐蚀保护,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器件(RTD)。电阻温度计以前只用作实验室设备。但是在结构上的进步使它们被用于许多曾经只有热电偶被考虑的应用。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/

尽管像镍、铜等几种材料可以用于电阻温度计的构造,铂是首选的,因为它具有相当大的优势,可以作为国际标准的参考材料,在-270范围内使用0C - 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,它可以在非常纯净的状态下制备。铂是一种非常稳定的材料,在电力和机械方面。因此,由于材料老化引起的电阻值漂移可以忽略不计。

最初,铂电阻温度计是一个庞大的设备,但是微型版本可用。即使它们很小,它们也结合了铂抗性原理的准确性,以铂金能力承受腐蚀性环境。

电阻温度计中的传感元件是由一段缠绕在陶瓷棒上的细铂丝制成的。导线的电阻随温度而变化,通过电流来测量。用合适的电桥来测量电压。当用延长线连接传感元件中的电阻时,需要采用2线或3线或4线排列。外接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。

用于电阻温度计的简单2线惠斯通桥电路如下所示。

12.Two Wire Resistance Thermometer

引线电阻R一个和Rb随传感器电阻的变化而变化。

三线排列如下所示。

11.Three Wire Resistance Thermometer

不建议采用两线排列,因为导线越长,引线电阻越大。采用三导线布置,假定所有引线电阻都是相同的,就可以很好地补偿引线电阻。为了达到更高的精度和引线补偿,优先采用四线排列。

对于所有使用电阻温度计的应用,电桥中的电流必须很低,这样铂金丝的自热可以忽略不计。为了在低电流下操作测量电桥而不降低灵敏度,使用了现代的高阻抗放大器。

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,暖通空调仪器和电子组件。

电阻温度计也用于医疗应用,如保温箱,呼吸和一次性。

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

  • 铂- 2700C - 6600C
  • 镍- 1000C - 3200C
  • 铜 - 75.0c到1500C
  • 镍 - 铁 - 00C - 2000C

用于连接传感元件和测量仪的电线由镍,镍,镀银铜,镀锡铜和镀镍铜制成。这些电线用PVC,Teflon和玻璃纤维等材料绝缘。

传感元件和引线被插入封闭端钢管中,封闭端钢管用陶瓷粉末填充,其用作振动阻尼或传热材料。

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度高、精度高、重复性好、输出电压比热电偶大、温度范围宽。

缺点是比热电偶成本更高,尺寸更大,自加热,在高振动环境中更不耐用。

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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= V.G0(1 - t / t0)+ V.BE0(t / t0+ (nKT / q) ln (T0/ t)+(kt / q)ln(iC/我C0)

在哪里

VG0带隙电压是否为绝对零度

t是k的温度

T0参考温度

VBE0在T时带隙电压是多少0和现在的我C0

N是器件常数

K是玻尔兹曼常数

Q在电子上充电

C是集电极电流

比较了两个温度相同的结在两种不同电流I下的带隙电压C1, 一世C2消去上述方程中的大部分变量。这种关系可以表述为

ΔV等于(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芯片上信号调理的IC版本。IC型硅带隙温度传感器具有内存,可以精确校准。

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

下一个-光传感器

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