溫度傳感器定義

溫度傳感器是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器是溫度測量?jì)x表的核心部分，品種繁多。溫度傳感器對于環(huán)境溫度的測量非常準確，廣泛應用于農業(yè)、工業(yè)、車(chē)間、庫房等領(lǐng)域。

溫度傳感器發(fā)展歷史

公元1600年，伽利略研制出氣體溫度計。一百年后，研制成究竟溫度計和水銀溫度計。隨著(zhù)現代工業(yè)技術(shù)發(fā)展的需要，相繼研制出金屬絲電阻、溫差電動(dòng)勢元件、雙金屬式溫度傳感器。1950年以后，相繼研發(fā)制成半導體熱敏電阻器。最近，隨著(zhù)原材料、加工技術(shù)的飛速發(fā)展、又陸續研制出各種類(lèi)型的溫度傳感器。

溫度傳感器分類(lèi)

按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類(lèi)。

1、接觸式

接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱(chēng)溫度計。

溫度計通過(guò)傳導或對流達到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。

一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內，溫度計也可測量物體內部的溫度分布。但對于運動(dòng)體、小目標或熱容量很小的對象則會(huì )產(chǎn)生較大的測量誤差，常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、商業(yè)等部門(mén)。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。

2、非接觸式

它的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱(chēng)非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來(lái)測量運動(dòng)物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可用于測量溫度場(chǎng)的溫度分布。

最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱(chēng)為輻射測溫儀表。各類(lèi)輻射測溫方法只能測出對應的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測溫度才是真實(shí)溫度。如欲測定物體的真實(shí)溫度，則必須進(jìn)行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和波長(cháng)，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀(guān)組織等有關(guān)，因此很難精確測量。

非接觸式溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對最高可測溫度原則上沒(méi)有限制。

按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類(lèi)。

1、熱電阻

熱敏電阻是用半導體材料， 大多為負溫度系數，即阻值隨溫度增加而降低。

溫度變化會(huì )造成大的阻值改變，因此它是最靈敏的溫度傳感器。但熱敏電阻的線(xiàn)性度極差，并且與生產(chǎn)工藝有很大關(guān)系。

熱敏電阻還有其自身的測量技巧。熱敏電阻體積小是優(yōu)點(diǎn)，它能很快穩定，不會(huì )造成熱負載。不過(guò)也因此很不結實(shí)，大電流會(huì )造成自熱。由于熱敏電阻是一種電阻性器件，任何電流源都會(huì )在其上因功率而造成發(fā)熱。功率等于電流平方與電阻的積。因此要使用小的電流源。如果熱敏電阻暴露在高熱中，將導致永久性的損壞。

2、熱電偶

熱電偶是溫度測量中最常用的溫度傳感器。其主要好處是寬溫度范圍和適應各種大氣環(huán)境，而且結實(shí)、價(jià)低，無(wú)需供電，也是最便宜的。電偶是最簡(jiǎn)單和最通用的溫度傳感器，但熱電偶并不適合高精度的的測量和應用。

按照溫度傳感器輸出信號的模式，可大致劃分為三大類(lèi)：數字式溫度傳感器、邏輯輸出溫度傳感器、模擬式溫度傳感器。

1、數字式溫度傳感器

它采用硅工藝生產(chǎn)的數字式溫度傳感器，其采用PTAT結構，這種半導體結構具有精確的，與溫度相關(guān)的良好輸出特性。

2、邏輯輸出溫度傳感器

在許多應用中，我們并不需要嚴格測量溫度值，只關(guān)心溫度是否超出了一個(gè)設定范圍，一旦溫度超出所規定的范圍，則發(fā)出報警信號，啟動(dòng)或關(guān)閉風(fēng)扇、空調、加熱器或其它控制設備，此時(shí)可選用邏輯輸出式溫度傳感器

3、模擬式溫度傳感器

模擬溫度傳感器，如熱電偶、熱敏電阻和RTDS對溫度的監控，在一些溫度范圍內線(xiàn)性不好，需要進(jìn)行冷端補償或引線(xiàn)補償；熱慣性大，響應時(shí)間慢。集成模擬溫度傳感器與之相比，具有靈敏度高、線(xiàn)性度好、響應速度快等優(yōu)點(diǎn)，而且它還將驅動(dòng)電路、信號處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片IC上，有實(shí)際尺寸小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)的模擬溫度傳感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103電壓輸出型、AD590電流輸出型。

溫度傳感器工作原理

1、熱電偶傳感器工作原理

當有兩種不同的導體和半導體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為T(mén)，稱(chēng)為工作端或熱端，另一端溫度為T(mén)O，稱(chēng)為自由端或冷端，則回路中就有電流產(chǎn)生，即回路中存在的電動(dòng)勢稱(chēng)為熱電動(dòng)勢。這種由于溫度不同而產(chǎn)生電動(dòng)勢的現象稱(chēng)為塞貝克效應。與塞貝克有關(guān)的效應有兩個(gè)：其一，當有電流流過(guò)兩個(gè)不同導體的連接處時(shí)，此處便吸收或放出熱量(取決于電流的方向)，稱(chēng)為珀爾帖效應；其二，當有電流流過(guò)存在溫度梯度的導體時(shí)，導體吸收或放出熱量(取決于電流相對于溫度梯度的方向)，稱(chēng)為湯姆遜效應。兩種不同導體或半導體的組合稱(chēng)為熱電偶。

2、電阻傳感器工作原理

導體的電阻值隨溫度變化而改變，通過(guò)測量其阻值推算出被測物體的溫度，利用此原理構成的傳感器就是電阻溫度傳感器，這種傳感器主要用于-200—500℃溫度范圍內的溫度測量。純金屬是熱電阻的主要制造材料，熱電阻的材料應具有以下特性：

(1)、電阻溫度系數要大而且穩定，電阻值與溫度之間應具有良好的線(xiàn)性關(guān)系。

(2)、電阻率高，熱容量小，反應速度快。

(3)、材料的復現性和工藝性好，價(jià)格低。

(4)、在測溫范圍內化學(xué)物理特性穩定。

目前，在工業(yè)中應用最廣的鉑和銅，并已制作成標準測溫熱電阻。

3、紅外溫度傳感器

在自然界中,當物體的溫度高于絕對零度時(shí)，由于它內部熱運動(dòng)的存在,就會(huì )不斷地向四周輻射電磁波，其中就包含了波段位于0.75～100μm的紅外線(xiàn)，紅外溫度傳感器就是利用這一原理制作而成的。

4、數字式溫度傳感器

它采用硅工藝生產(chǎn)的數字式溫度傳感器，其采用PTAT結構，這種半導體結構具有精確的，與溫度相關(guān)的良好輸出特性。PTAT的輸出通過(guò)占空比比較器調制成數字信號，占空比與溫度的關(guān)系如下式：DC=0.32 0.0047*t，t為攝氏度。輸出數字信號故與微處理器MCU兼容，通過(guò)處理器的高頻采樣可算出輸出電壓方波信號的占空比，即可得到溫度。該款溫度傳感器因其特殊工藝，分辨率優(yōu)于0.005K。

5、邏輯輸出型溫度傳感器

設定一個(gè)溫度范圍，一旦溫度超出所規定的范圍，則發(fā)出報警信號，啟動(dòng)或關(guān)閉風(fēng)扇、空調、加熱器或其它控制設備，此時(shí)可選用邏輯輸出式溫度傳感器。LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。

6、模擬溫度傳感器

常見(jiàn)的模擬溫度傳感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103電壓輸出型、AD590電流輸出型。

AD590是美國模擬器件公司的電流輸出型溫度傳感器，供電電壓范圍為3~30V，輸出電流223μA（-50℃）~423μA（ 150℃），靈敏度為1μA/℃。當在電路中串接采樣電阻R時(shí)，R兩端的電壓可作為輸出電壓。注意R的阻值不能取得太大，以保證AD590兩端電壓不低于3V。AD590輸出電流信號傳輸距離可達到1km以上。作為一種高阻電流源，最高可達20MΩ，所以它不必考慮選擇開(kāi)關(guān)或CMOS多路轉換器所引入的附加電阻造成的誤差。適用于多點(diǎn)溫度測量和遠距離溫度測量的控制。

挑選溫度傳感器注意事項

1、被測對象的環(huán)境條件對測溫元件是否有損害。

2、被測對象的溫度是否需記錄、報警和自動(dòng)控制，是否需要遠距離測量和傳送。 3800 100

3、在被測對象溫度隨時(shí)間變化的場(chǎng)合，測溫元件的滯后能否適應測溫要求。

4、測溫范圍的大小和精度要求。

5、測溫元件大小是否適當。

如何避免誤差

溫度傳感器在安裝和使用時(shí)，應當避免以下誤差的出現，保證最佳測量效果。

1、安裝不當引入的誤差

如熱電偶安裝的位置及插入深度不能反映爐膛的真實(shí)溫度等，換句話(huà)說(shuō)，熱電偶不應裝在太靠近門(mén)和加熱的地方，插入的深度至少應為保護管直徑的8～10倍。

2、熱阻誤差

高溫時(shí)，如保護管上有一層煤灰，塵埃附在上面，則熱阻增加，阻礙熱的傳導，這時(shí)溫度示值比被測溫度的真值低。因此，應保持熱電偶保護管外部的清潔，以減小誤差。

3、絕緣變差而引入的誤差

如熱電偶絕緣了，保護管和拉線(xiàn)板污垢或鹽渣過(guò)多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良，在高溫下更為嚴重，這不僅會(huì )引起熱電勢的損耗而且還會(huì )引入干擾，由此引起的誤差有時(shí)可達上百度。

4、熱惰性引入的誤差

由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測溫度的變化，在進(jìn)行快速測量時(shí)這種影響尤為突出。所以應盡可能采用熱電極較細、保護管直徑較小的熱電偶。測溫環(huán)境許可時(shí)，甚至可將保護管取去。由于存在測量滯后，用熱電偶檢測出的溫度波動(dòng)的振幅較溫度波動(dòng)的振幅小。測量滯后越大，熱電偶波動(dòng)的振幅就越小，與實(shí)際溫都的差別也就越大。