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温度传感器的定义与分类

贡献者:行业知识百科


温度传感器的定义与分类

利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。温度传感器是温度测量仪表的核心部分,品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类,按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

接触式温度传感器
  接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触,又称温度计。 温度计通过传导或对流达到热平衡,从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内,温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差,常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究,测量120K以下温度的低温温度计得到了发展,如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件,可用于测量1.6~300K范围内的温度。 

压力传感器

非接触式温度传感器
  它的敏感元件与被测对象互不接触,又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速(瞬变)对象的表面温度,也可用于测量温度场的温度分布。 
  最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律,称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法(见光学高温计)、辐射法(见辐射高温计)和比色法(见比色温度计)。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体(吸收全部辐射并不反射光的物体)所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度,则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长,而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关,因此很难精确测量。在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度,如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下,物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制,可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正,最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射,从而提高有效发射系数式中ε为材料表面发射率,ρ为反射镜的反射率。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量,则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度(即介质温度)进行修正而得到介质的真实温度。 
  非接触测温优点:测量上限不受感温元件耐温程度的限制,因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800℃以上的高温,主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展,辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展,700℃以下直至常温都已采用,且分辨率很高。 
热电偶
工作原理
  当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,一端温度为T,称为工作端或热端,另一端温度为TO,称为自由端(也称参考端)或冷端,则回路中就有电流产生,如图2-1(a)所示,即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。与塞贝克有关的效应有两个:其一,当有电流流过两个不同导体的连接处时此处便吸收或放出热量(取决于电流的方向),称为珀尔帖效应;其二,当有电流流过存在温度梯度的导体时,导体吸收或放出热量(取决于电流相对于温度梯度的方向),称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势EAB(T,T0)是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势,此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势,此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关,而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势,热电偶测量的热电势是二者的合成。当回路断开时,在断开处a,b之间便有一电动势差△V,其极性和大小与回路中的热电势一致,如图2-1(b)所示。并规定在冷端,当电流由A流向B时,称A为正极,B为负极。实验表明,当△V很小时,△V与△T成正比关系。定义△V对△T的微分热电势为热电势率,又称塞贝克系数。塞贝克系数的符号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。 
种类
  目前,国际电工委员会(IEC)推荐了8种类型的热电偶作为标准化热电偶,即为T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。 
热电阻
材料特性
  导体的电阻值随温度变化而改变,通过测量其阻值推算出被测物体的温度,利用此原理构    
温度传感器
成的传感器就是电阻温度传感器,这种传感器主要用于-200—500℃温度范围内的温度测量。纯金属是热电阻的主要制造材料,热电阻的材料应具有以下特性: 
  ①电阻温度系数要大而且稳定,电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。 
  ②电阻率高,热容量小,反应速度快。 
  ③材料的复现性和工艺性好,价格低。 热敏电阻温度特性 
  ④在测温范围内化学物理特性稳定。 
  目前,在工业中应用最广的铂和铜,并已制作成标准测温热电阻。 
铂电阻
  铂电阻与温度之间的关系接近于线性,在0~630.74℃范围内可用下式表示Rt=R0(1+At+Bt2)在-190~0℃范围内为Rt=R0(1+At+Bt2十Ct3) 。 
  式中:RO、Rt为温度0°及t°时铂电阻的电阻值,t为任意温度,A、B、C为温度系数,由实验确定,A=3.9684×10-3/℃,B=-5.847×10-7/℃2,C=-4.22×10-l2/℃3。由公式可看出,当R0值不同时,在同样温度下,其Rt值也不同。 
铜电阻
  在测温精度要求不高,且测温范围比较小的情况下,可采用铜电阻做成热电阻材料代替铂电阻。在-50~150℃的温度范围内,铜电阻与温度成线性关系,其电阻与温度关系的表达式为Rt=R0(1+At)(2-3)式中,A=4.25×10-3~4.28×10-3℃为铜电阻的温度系数。 
模拟温度传感器
  传统的模拟温度传感器,如热电偶、热敏电阻和RTDS对温度的监控,在一些温度范围内线性不好,需要进行冷端补偿或引线补偿;热惯性大,响应时间慢。集成模拟温度传感器与之相比,具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点,而且它还将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上,有实际尺寸小、使用方便等优点。常见的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型、AD590电流输出型。这里主要介绍该类器件的几个典型。 
  AD590温度传感器 
  AD590是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器,供电电压范围为3~30V,输出电流223μA(-50℃)~423μA(+150℃),灵敏度为1μA/℃。当在电路中串接采样电阻R时,R两端的电压可作为喻出电压。注意R的阻值不能取得太大,以保证AD590两端电压不低于3V。AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。作为一种高阻电流源,最高可达20MΩ,所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。 
  LM135/235/335温度传感器 
  LM135/235/335系列是美国国家半导体公司(NS)生产的一种高精度易校正的集成温度传感器,工作特性类似于齐纳稳压管。该系列器件灵敏度为10mV/K,具有小于1Ω的动态阻抗,工作电流范围从400μA到5mA,精度为1℃,LM135的温度范围为-55℃~+150℃,LM235的温度范围为-40℃~+125℃,LM335为-40℃~+100℃。封装形式有TO-46、TO-92、SO-8。该系列器件广泛应用于温度测量、温差测量以及温度补偿系统中。 
逻辑输出型温度传感器
  在许多应用中,我们并不需要严格测量温度值,只关心温度是否超出了一个设定范围,一旦温度超出所规定的范围,则发出报警信号,启动或关闭风扇、空调、加热器或其它控制设备,此时可选用逻辑输出式温度传感器。LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。 
  LM56温度开关 
  LM56是NS公司生产的高精度低压温度开关,内置1.25V参考电压输出端。最大只能带50μA的负载。电源电压从2.7~10V,工作电流最大230μA,内置传感器的灵敏度为6.2mV/℃,传感器输出电压为6.2mV/℃×T+395mV。 
   
  MAX6501/02/03/04温度监控开关 
  MAX6501/02/03/04是具有逻辑输出和SOT-23封装的温度监视器件 
  开关,它的设计非常简单:用户选择一种接近于自己需要的控制的温度门限(由厂方预设在-45℃到+115℃,预设值间隔为10℃)。直接将其接入电路即可使用,无需任何外部元件。其中MAX6501/MAX6503为漏极开路低电平报警输出,MAX6502/MAX6504为推/拉式高电平报警输出,MAX6501/MAX6503提供热温度预置门限(35℃到+115℃),当温度高于预置门限时报警;MAX6502/MAX6504提供冷温度预置门限(-45℃到+15℃),当温度低于预置门限时报警。对于需要一个简单的温度超限报警而又空间有限的应用如笔记本电脑、蜂窝移动电话等应用来说是非常理想的,该器件的典型温度误差是±0.5℃,最大±4℃,滞回温度可通过引脚选择为2℃或10℃,以避免温度接近门限值时输出不稳定。这类器件的工作电压范围为2.7V到5.5V,典型工作电流30μA。 
数字式温度传感器
  MAX6575/76/77数字温度传感器 
  如果采用数字式接口的温度传感器,上述设计问题将得到简化。同样,当A/D和微处理器的I/O管脚短缺时,采用时间或频率输出的温度传感器也能解决上述测量问题。以MAX6575/76/77系列SOT-23封装的温度传感器为例,这类器件可通过单线和微处理器进行温度数据的传送,提供三种灵活的输出方式--频率、周期或定时,并具备±0.8℃的典型精度,一条线最多允许挂接8个传感器,150μA典型电源电流和2.7V到5.5V的宽电源电压范围及-45℃到+125℃的温度范围。它输出的方波信号具有正比于绝对温度的周期,采用6脚SOT-23封装,仅占很小的板面。该器件通过一条I/O与微处理器相连,利用微处理器内部的计数器测出周期后就可计算出温度。 
   
  可多点检测、直接输出数字量的数字温度传感器 
  DS1612是美国达拉斯半导体公司生产的CMOS数字式温度传感器。内含两个不挥发性存储器,可以在存储器中任意的设定上限和下限温度值进行恒温器的温度控制,由于这些存储器具有不挥发性,因此一次定入后,即使不用CPU也仍然可以独立使用。DS1612传感器温度测量原理和精度:在芯片上分别设置了一个振荡频率温度系数较大的振荡器(OSC1)和一个温度系数较小的振荡器(OSC2)。在温度较低时,由于OSC2的开门时间较短,因此温度测量计数器计数值(n)较小;而当温度较高时,由于OSC2的开门时间较长,其计数值(m)增大。如果在上述计数值基础上再加上一个同实际温度相差的校正数据,就可以构成一个高精度的数字温度传感器。该公司将这个校正值定入芯片中的不挥发存储器中,这样传感器输出的数字量就可以作为实际测量的温度数据,而不需要再进行校准。它可测量的温度范围为-55℃~+125℃,在0℃~+70℃范围内,测量精度为±0.5℃,输出的9位编码直接与温度相对应。DS1621同外部电路的控制信号和数据的通信是通过双向总线来实现的,由CPU生成串行时钟脉冲(SCL),SDA是双向数据线。通过地址引脚A0、A1、A2将8个不同的地址分配给各器件。通过设定寄存器来设置工作方式,并对工作状态进行监控。被测的温度数据被存储在温度传感器寄存器中,高温(TH)和低温(TL)阈值寄存器存储了恒温器输出(Tout)的阈值。现在,各种集成的温度传感器的功能越来越专业化。比如,MAXIM公司近期推出的MAX1619是一种增强型精密远端数字温度传感器,能够监测远端P-N结和其自身封装的温度。它具有双报警输出:ALERT和OVERT。ALERT用于指示各传感器的高/低温状态,OVERT信号等价于一个自动调温器,在远端温度传感器超上限时触发,MAX1619与MAX1617A完全软件兼容,非常适合于系统关断或风扇控制,甚至在系统“死锁”后仍能正常工作。美国达拉斯半导体公司的DS1615是有记录功能的温度传感器。器件中包含实时时钟、数字式温度传感器、非易失性存储器、控制逻辑电路以及串行接口电路。数字温度传感器的测量范围为-40℃~+85℃,精度为±2℃,读取9位时的分辨率是0.03125℃。时钟提供的时间从秒至年月,并对到2100年以前的闰年作了修正。电源电压为2.2V~5.5V,8脚SOIC封装。DS17775是数字式温度计及恒温控制器集成电路。其中包含数字温度传感、A/D转换器、数字寄存器、恒温控制比较器以及两线串行接口电路。供电电压在3V至5V时的测量温度精度为±2℃,读取9位时的分辨率是0.5℃,读取13位时的分辨率是0.03125℃。 

发展趋势

  现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段;(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件);(2)模拟集成温度传感器/控制器;(3)智能温度传感器。国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器,采用的是8位A/D转换器,其测温精度较低,分辨力只能达到1°C。国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器,所用的是9~12位A/D转换器,分辨力一般可达0.5~0.0625°C。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器,能输出13位二进制数据,其分辨力高达0.03125°C,测温精度为±0.2°C。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例,它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27us、9us。进入21世纪后,智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。目前,智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化,所采用的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。
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