简述温度传感器工作原理及其分类标准

温度传感器是最早开发、应用最广的一类传感器,是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器,是温度测量仪表的核心部分。

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  温度是一个基本的物理量,实际应用中经常需要测试的参数,自然界中的一切过程无不与温度密切相关,从钢铁制造到半导体生产,很多工艺都要依靠温度来实现,温度测量变得非常重要。

  温度测量应用非常广泛,不仅生产工艺需要温度控制,有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量,如计算机要监控CPU的温度,马达控制器要知道功率驱动IC的温度等等。

       温度传感器是应用系统与现实世界之间的桥梁。

简述温度传感器工作原理及其分类

温度传感器工作原理

  温度传感器是最早开发,应用最广的一类传感器,是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器,是温度测量仪表的核心部分,品种繁多,主要基于以下工作原理:

  金属膨胀原理设计的传感器:金属在环境温度变化后会产生一个相应的延伸,因此传感器可以以不同方式对这种反应进行信号转换。

  双金属片式传感器:双金属片由两片不同膨胀系数的金属贴在一起而组成,随着温度变化,材料A比另外一种金属膨胀程度要高,引起金属片弯曲。弯曲的曲率可以转换成一个输出信号。

  双金属杆和金属管传感器:随着温度升高,金属管(材料A)长度增加,而不膨胀钢杆(金属B)的长度并不增加,这样由于位置的改变,金属管的线性膨胀就可以进行传递。反过来,这种线性膨胀可以转换成一个输出信号。

  液体和气体的变形曲线设计的传感器:在温度变化时,液体和气体同样会相应产生体积的变化。

  多种类型的结构可以把这种膨胀的变化转换成位置的变化,这样产生位置的变化输出(电位计、感应偏差、挡流板等等)。

简述温度传感器工作原理及其分类

温度传感器分类

  温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。温度传感器应用广泛,涵盖食品加工、HVAC 环境控制、医疗器械、化学品处理和汽车引擎罩下监控(如冷却剂、进气管、气缸盖温度等)。温度传感器用于测量热度,以确保某个过程在应对极端高温、危险或无法接触的测量点时,要么能在一定范围内保持稳定,使应用安全,要么满足一个强制性条件的要求。温度传感器按照不同的分类标准,有不同的种类。

  按测量方式区分

  按照测量方式,温度传感器可分为接触式和非接触式两大类。

     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。

    非接触式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。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。

  非接触式温度传感器的优点是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。

简述温度传感器工作原理及其分类

  按材料及电子元件特性区分

  按照传感器材料及电子元件特性,温度传感器分为热电阻和热电偶两类。

  热敏电阻是用半导体材料, 大多为负温度系数,即阻值随温度增加而降低。

  温度变化会造成大的阻值改变,因此它是最灵敏的温度传感器。但热敏电阻的线性度极差,并且与生产工艺有很大关系。

  热敏电阻还有其自身的测量技巧。热敏电阻体积小是优点,它能很快稳定,不会造成热负载。不过也因此很不结实,大电流会造成自热。由于热敏电阻是一种电阻性器件,任何电流源都会在其上因功率而造成发热。功率等于电流平方与电阻的积。因此要使用小的电流源。如果热敏电阻暴露在高热中,将导致永久性的损坏。

  热电偶是温度测量中最常用的温度传感器。其主要好处是宽温度范围和适应各种大气环境,而且结实、价低,无需供电,也是最便宜的。电偶是最简单和最通用的温度传感器,但热电偶并不适合高精度的的测量和应用。

简述温度传感器工作原理及其分类

  按温度传感器输出信号的模式区分

  按照温度传感器输出信号的模式,可大致划分为三大类:数字式温度传感器、逻辑输出温度传感器、模拟式温度传感器。

  数字式温度传感器采用硅工艺生产的数字式温度传感器,其采用PTAT结构,这种半导体结构具有精确的,与温度相关的良好输出特性。

  逻辑输出温度传感器。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。

简述温度传感器工作原理及其分类

   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。

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