温度传感器工作原理

gaoxianqu

1.温度传感器简介
      温度传感器 temperature transducer，利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为可用输出信号。温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段;最初的传统的分立式温度传感器(含敏感元件),主要是能够进行非电量和电量之间转换。到80年代出现的模拟集成温度传感器/控制器。再到当今的研究热门智能温度传感器。目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。

2.温度传感器分类
      根据测量方式分类有接触式温度传感器与非接触式温度传感器；按照传感器材料及电子元件特性分类有热电阻传感器与热电偶传感器；按讯号输出方式分类有模拟温度传感器与数字温度传感器。

3.接触式温度传感器
      接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触,又称温度计。通过热传导及对流原理达到热平衡,这时的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较高,并可测量物体内部的温度分布。但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象,种方法将会产生很大的误差。
      常用的接触式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。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。

4.非接触式温度传感器
      非接触式温度传感器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。非接触温度传感器的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。
      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。

5.热电阻传感器&热电偶传感器
      热电阻传感器的原理是金属随着温度变化，电阻值也发生变化。对于不同金属来说，温度每变化一度，电阻值变化是不同的，而电阻值又可以直接作为输出信号。电阻的变化有有正温度系数和负温度系数两种类型。
      热电偶传感器是传统的分立式传感器，是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器,其工作原理是：根据物理学中的塞贝克效应，即在两种金属的导线构成的回路中，若其接点保持不同的温度，则在回路中产生与此温差相对应的电动势.热电偶的结构简单、使用温度范围广、响应快、测量准确、复现性好、使用细偶丝还可测微区温度，并且无需电源。它与被测对象直接接触,不受中间介质的影响,具有较高的精确度;测量范围广,可从-50一1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁一镍铬,最低可测到-269℃,钨一徕最高可达2800℃。
      其实热电偶由两个不同材料的金属线组成，在末端焊接在一起。再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为热电偶。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏/℃之间。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。

6.模拟温度传感器&数字温度传感器
      模拟温度传感器有多种输出形式( 绝对温度、摄氏温度和华氏温度) 以及电压偏移值。后者让组件在使用单电源的情形下就能对负温度值进行监测。模拟温度传感器的输出还可以送到比较器来产生超温指示信号,或直接送到模拟数字转换器的输入, 用来显示实时温度数据。模拟温度传感器适合需要低成本、小体积和低功耗的应用。
      数字温度传感器对于更紧密控制能力、更高精度和更大分辨率的需求带动了数字温度传感器的发展。被测温度信号从敏感元件接收的非电量到转换为微处理器可处理的数字信号, 环节较多, 而且模拟信号在长距离传输的过程中, 受到的干扰较多, 误差较大。因此, 从非电量转换到数字信号, 一般将其处理过程集在单片 IC 器件体内部, 这样就形成了功能强大, 精确的数字传感器。


7.集成温度传感器
      集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺制成的,因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的,它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温,不需要进行非线性校准,外围电路简单。在学术界己经有较高精度的CMOS集成温度传感器发表(±0.1°C) 。与传统分立温度传感器相比,集成温度传感器有着明显的优势。传统温度传感器大多是基于分立的感温元件,例如pt100,这种类型的温度传感器需要一定的外围电路来测量。对于现在高集成度的电子产品来说,这显然是不太实用和方便的。当然集成温度传感器相对于分立传感器来说也有固有的缺点：测量精度受工艺波动的限制。