温度传感器

介绍

温度是所有物理参数的最广泛感测的参数,因为它对分子水平的材料和过程的意义。温度是参考特定规模的特定热度或寒冷。温度也定义为系统或物体中的热能量。热能与分子能直接相关:当热能较高时,分子能量更大。

温度传感器监控材料或物体中发生的变化,因为它们的温度变化。温度传感器可以检测对应于温度变化的物理量的变化。物理量可以是电阻或电压的任何东西。电气到基于热能的传感器使用电流通过导体的加热效果。热到电能的传感器将需要温差以运行。

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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个家庭: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.C.在我们的家中,在我们的家中,我们需要维持室温恒温器使用。

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,双金属恒温器由两个不同的金属组成,铆接在一起以形成复合条。两个金属条在热量和压力下粘合在一起。通过在两个金属上采用不同的膨胀率或线性扩张,可以将热能转换成机电运动。材料的线性扩张或膨胀系数是每度温度变化的长度的分数变化。加热时,条带将弯曲,因为一个金属具有更高的膨胀系数,另一个金属具有更高的膨胀系数。该弯曲可以通过任何位移传感器感测。

双金属条带
双金属条带

2.双金属条弯曲
双金属条弯曲

恒温器

工作的基本原则是热膨胀打开和关闭电路。它由两种不同的金属组成,如镍,铜,钨或铝。任何两种金属的组合都形成复合条。它们使用热压和压力粘合在一起。这就是所谓的双金属条带。两种金属具有不同的膨胀率。因此,当在条带上施加热量时,它经历了机械弯曲运动。双金属条带像桥一样操作,有助于连接或断开房屋或行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。

在某个时候,条带开始冷却。当它开始冷却时,加热期间扩展的金属将收缩并试图回到原来的尺寸。当它恢复原来的尺寸时,电路将接触并立即开始冷却/加热过程。

温度传感器图像2

外刻度盘调节温度

2 - 用温度传感器连接表盘的电路

3 - 带1英石金属(黄铜)

4 - 带2n金属(铁)

5 - 内电路

温度传感器图像3

温度传感器图像4

2.灯泡和毛细管恒温器:它们使用毛细管作用扩展或收缩流体以制造或破坏电接触。

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电阻传感器

热敏电阻

什么是热敏电阻?

热敏电阻是热敏电阻器。在热敏电阻中,电阻根据其温度而变化。它们由其中一中的氧化锌的两种或三种金属氧化物组合。该组合插入陶瓷基底,该陶瓷基底是绝缘体。

温度传感器图像5

热敏电阻以两种类型的基于温度系数: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。

来到负温度系数热敏电阻,电阻和温度彼此成反比。由于温度升高,电阻降低。负温度系数热敏电阻提供更高程度的灵敏度,并且可用于小型配置,以便快速热响应。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。

传感元件是电阻器,其电阻随温度而变化。传感元件由带有导体蚀刻的导线的线圈组成。这是陶瓷和用陶瓷玻璃密封的。也可以使用导电膜而不是线圈。

电阻温度装置

图像资源链接: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

它适用于当温度变化时,金属的阻力也会发生变化。电流的量通过RTD元件或电阻器。使用万用表测量RTD元件的电阻。所获得的电阻值与温度相关。因此,当名称暗示金属的温度增加时,金属的电阻增加。这导致电流的增加。

RTD具有正温度系数(PTC)。铂材料主要用于RTD结构。因此,铂电阻温度计(PRT)也称为,因为PT100是流行的温度传感器。这标准值为100欧姆00.C.由于以下原因使用铂金。

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

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。

温度传感器图像6

从上面的图中,得出结论,线A和B应该具有相同的长度。电线A和B的阻抗在桥梁的相对腿上采用,它们彼此取消。由此,允许线C承载最小的电流。这是通过惠斯通桥的帮助来完成的。

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电子传感器

热电偶

当两个导体在电路的一端连接不同的金属,它们形成热电偶。它们不含电阻温度器件等感测元件,因此它们在所用材料方面不太有限。它们可以处理比电阻温度装置更高的温度。

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.热电偶

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

它基于三个效果

  1. 塞贝克效应:当不同温度的两种不同材料连接在一起并向任何一种金属提供热量时,将有来自热金属的电子流向冷金属。该电子移动将导致电路中的电流产生。金属之间的温度差异将引起它们之间的潜在差异。
  2. Peltier效果: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:每当两个不同的金属组合在一起时,将产生两个结。在这种情况下,由于两个金属之间的温度差,将在导体上产生电压。

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。

红外线高温计(IR高温计)

当温度高于绝对零时0.0.K,所有物体都发出红外线。发出的IR能量与其温度之间存在直接相关性。红外传感器测量从物体发出的IR能量,并将读数转换为电压。红外线的波长范围为4至20微米。使用调节电路调节输出电压以提供温度读数。影响红外感测的准确性的因素是反射率,透射率和发射率。物体反映IR能量的衡量标准是其反射率。对象传输IR能量能力的衡量标准是其透射率。对象辐射IR能量能力的衡量标准是其发射率。如果其发射率为0.0,则一个物体被称为完美的反射器。 An object with an emissivity of 1.0 will emit or absorb 100% of the IR energy applied to it.

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附加信息

热敏电阻

热敏电阻是热敏电阻器,通常使用金属氧化物的混合物形成。热敏电阻的构造类似于碳组合物电阻器。热敏电阻可以采取许多物理形式,如杆,板,珠子,微型珠子,也封装在金属容器中。基于结构中使用的混合物的类型,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并且非常非线性。负温度系数热敏电阻最常使用并遵循对数定律,没有巨大的阻力变化。如果热敏电阻的电阻在温度θ中是已知的2,然后在温度θ处的电阻1可以用下式计算:

R.1= R.2* E((b /θ1) - (B /θ2)))

在哪里

B是热敏电阻常数

θ.1和θ.2是开氏温度

R.1和R.2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-1500.C到200.0.C.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。

当名称表示时,负温度系数热敏电阻将具有耐受性的负变化以增加温度。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具有相当大的优势,在双金属条带上。

采用负温度系数热敏电阻进行温度感测的电路如下所示。

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。

具有大于电阻器的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是最近的开发,并用于保护电路以进行传感温度。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表现出方向变化。

下面示出了典型的电阻与正温度系数热敏电阻的温度或特征曲线的图表。

7.PTC热敏电阻特性

正温度系数热敏电阻的直接用途是在很少的应用中,因为不希望通过热敏电阻的控制电流。

热敏电阻的构造使其成为任何基于温度的传感器最敏感的传感器。热敏电阻廉价,因为它们不含铂金。热敏电阻是供电的设备,即它们需要外部电气输入到功能。由于热敏电阻是电阻装置,因此除了测量的热量之外,它们还产生热量。根据施工,热敏电阻可以坚固或脆弱。珠型热敏电阻具有非常薄的引线,必须免受振动和冲击的保护。

热敏电阻的优点包括低成本,响应速度快,尺寸小,电阻大。

缺点是自加热,无阻力标准,要求额外的电路控制施加载荷和低温暴露而不是热电偶。

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热电偶

热电偶是热传感器中最常用的传感元件。热电偶由两个不同的金属导体组成。热电偶原理是这两个金属总始终具有它们之间的接触电位,并且这种潜在的温度变化。为了测量接触电位,需要电路中的两个连接或结。这些交界处称为热插拔或测量结和冷结或参考交界处。热或测量结暴露于工艺温度,并且冷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,电流将在与温差成比例的电线中流动,并且可以检测电压。通常,电压将按几毫升伏特的顺序。如果两个连接处的温度相同,则输出电压为零。当结的温度增加时,输出电压增加,直到它达到峰值。 The characteristic curve of a thermocouple is shown below.

8.热电偶的特征

从上述特征曲线,显然热电偶仅在一定有限的温度范围内使用。这是因为曲线的非线性形状和在温度下发生的曲线的逆转,这更高的过渡点或转过点。

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,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。

如果冷条点保持在00.C,EMF是

E =αT2+βT

其中α和β是该对金属的测量常数,并且T是温度差异。

当温度低于过渡点时,α的值通常小而忽略。因此,EMF几乎与温度差异成正比。

根据珀耳帖效果,当两个不同的金属连接到形成两个结时,由于两个连接点之间的温差,在电路中产生EMF。

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。

当电流流过导体时,其端部保持在不同温度的导体,以与温度梯度和电流的乘积成比例的速率释放一定量的热量。

下面解释热电偶的工作。

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,如果连接点的温度是不同的,则在电路中产生EMF,其是结的温度差异的函数。

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。

通常,放大器电路用于放大热电偶的输出电压,因为它们非常小。当热电偶与敏感的毫升电流表一起使用时,不需要放大电路进行温度测量。

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-2000.C至2315.0.C.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00.c到1400.0.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%铂的合金,13%铑作为其它金属。它类似于S类型,但型R用于工业用途,并且类型S用于实验室目的。
  3. j:它由铁作为一种金属和铜 - 镍作为其他金属的合金组成。温度范围为00.c到800.0.C.它们适用于真空或惰性气氛。在较高的温度下,建议使用重型压力线,因为铁迅速氧化在540以上0.C和氧化的环境会降低寿命。
  4. k:它采用镍铬和镍铝的合金。K热电偶类型的温度范围为00.C - 1100.0.C.由于铁不用为金属之一,它们适合于连续氧化大气主要超过5400.C.当暴露于硫时,型型热电偶可能受到失败。在816的温度之间0.c到1038.0.C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。建议使用这些类型以连续氧化大气。它们提供所有可用热电偶的最高热电产输出。温度范围为00.c到800.0.C。
  6. type t: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-2000.c到400.0.C.它耐腐蚀性气氛腐蚀。

另一种常用的类型是B类型,其类似于r和s类型,但是用较低的输出和型,它用作替代k型k型寿命和稳定性问题。

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,并且输出电压曲线几乎是线性的。因此,热电偶易于与控制器接口。

热电偶中有三种类型的接点:接地、不接地和暴露的接点。

接地结合,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,导热材料用于从其保护金属护套电绝缘热绝缘。这与电磁干扰的连接分离,但增加了热滞后。

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。

热电偶的优点是其体积小,温度快速响应,廉价,更宽的温度范围,耐用于振动和冲击。

缺点是在较高温度下的稳定性较小,要求额外保护免受腐蚀,需要额外的电路来控制应用载荷和使用特殊延长线的使用。

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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装置(RTD)。抵抗温度计以前仅用为实验室器件。但施工的进步使它们用于许多应用中,仅考虑热电偶。这些用于通过将电阻温度计的电阻与温度相关来测量温度。

电阻温度计

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

虽然几种材料如镍,铜可以用于施加电阻温度计,但铂是优选的,因为它是作为国际标准的参考材料的相当优势,用于-2700.c到660.0.C.铂还具有耐腐蚀的优点,具有几乎线性电阻 - 温度关系在宽范围的温度范围内,它可以以非常纯净的状态制备。铂金是一种非常稳定的材料,在电气和机械上都是非常稳定的材料。因此,由于材料的老化导致的电阻值差异可忽略不计。

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由缠绕在陶瓷棒周围的细卷材铂金属丝的长度制成。电线的电阻随温度而变化,通过通过电流来测量。使用合适的桥梁测量电压。在具有延长线的传感元件中终止电阻时,需要2根或3个线或四个线装置。还应考虑外带线的电阻的值。这是通过将引线连接到惠斯通桥来实现的。

用于电阻温度计的简单2线惠斯通桥电路如下所示。

12.电阻温度计

引线r的电阻一种和R.B.与传感器的电阻一起测量。

三个线布置如下所示。

11.三线电阻温度计

不建议使用两条线布置,因为导线越长,铅电阻越大。使用三个线布置将允许通过假设所有铅电阻相同的铅电阻良好的补偿水平。为了实现更高的精度和引线补偿,优选四个线布置。

对于使用电阻温度计的所有应用,桥中的电流必须低,使得铂金属丝的自加热可忽略不计。为了在低电流下操作测量桥而不会影响灵敏度,使用现代的高阻抗放大器。

电阻温度计在各种消费应用中使用,如恒温器,冰箱,烤箱,汽车,空调和即时热水器。

一些流行的行业应用是计算机,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,呼吸和一次性产品。

电阻温度计最常见的材料是铂,镍,铜和镍 - 铁合金。

不同材料的温度限制是

  • 铂金 - 270.0.c到660.0.C
  • 镍 - 100.0.C至320.0.C
  • 铜 - 75.0.c到1500.C
  • 镍 - 铁 - 00.C到200.0.C

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。

由于这些是阻力装置,因此必须考虑装置的质量和自加热。

电阻温度计的优点是电阻线性,精度,可重复性,比热电偶和宽范围的输出电压更大。

缺点较高的成本和更大的尺寸比热电偶,自加热和在高振动环境中更耐用。

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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使用的温度传感器的常用形式。硅带隙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BJT的发射极限结。

V.= V.G0.(1 - t / t0.)+ V.BE0.(t / t0.)+(nkt / q)ln(t0./ t)+(kt / q)ln(iC/ 一世C0.

在哪里

V.G0.绝对零是带隙电压

t是k的温度

T.0.是参考温度

V.BE0.是t处的带隙电压0.和当前的I.C0.

n是设备常数

K是玻尔兹曼常数

Q在电子上充电

一世C是收集器电流

在两个不同的电流中比较两个具有相同温度的带隙电压C1., 一世C2.消除上述等式中的大多数变量。这种关系可以制定为

δv=(kt / q)ln(iC1./ 一世C2.

可以校准该电压以计算温度。

硅带隙温度传感器可用于芯片信号调节的IC版本。IC型硅带隙温度传感器具有存储器,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比电阻温度计更小,温度范围有限,热响应较慢和较大的封装尺寸。

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