常用温度传感器的原理及发展
1 引言
科学技术离不开测量.测量的目的就是要获得被测对象的有关物理或化学性质的信息,以便根据这些信息对被测对象进行评价或控制,完成这一功能的器件就我们称之为传感器.传感器是信息技术的前沿尖端产品,被广泛用于工农业生产,科学研究和生等领域,尤其是温度传感器,使用范围广,数量多,居各种传感器之首.温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段;
(1)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.
(2)模拟集成温度传感器/控制器;
(3)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,由集成化向智能化,网络化的方向发展.
2 传感器的分类
传感器分类方法很多,常用的有2种:一种是按被测的参数分,另一种是按变换原理来分.通常按被测的参数来分类,可分为热工参数:温度,比热,压力,流量,液位等;机械量参数:位移,力,加速度,重量等;物性参数:比重,浓度,算监度等;状态量参数:颜色,裂纹,磨损等.温度传感器属于热工参数.
温度传感器按传感器于被测介质的接触方式可分为2大类:一类是接触式温度传感器,一类是非接触式温度传感器,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,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,并在一定程度上还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,或对感温元件有腐蚀作用的对象,这种方法将会产生很大的误差.
非接触测温的测温元件与被测对象互不接触.目前最常用的是辐射热交换原理.此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象,也可测温度场的温度分布,但受环境的影响比较大.
3 传感器的原理及发展
3.1传统的分立式温度传感器—热电偶传感器
热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器,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℃-1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁-镍铬,最低可测到-269℃,钨-铼最高可达2800℃.
热电偶传感器主要按照热电效应来工作.将两种不同的导体A和B连接起来,组成一个闭合回路,即构成感温元件,如图1所示.当导体A和B的两个接点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一定大小的电流,这种现象即称为热电效应,也叫温差电效应.热电偶就是利用这一效应进行工作的.热电偶的一端是将A,B两种导体焊接在一起,称为工作端,置于温度为t的被测介质中.另一端称为参比端或自由端,放于温度为t0的恒定温度下.当工作端的被测介质温度发生变化时,热电势随之发生变化,将热电势送入计算机进行处理,即可得到温度值.
热电偶两端的热电势差可以用下式表示:
Et=E(t)-E(t0)
式中:Et—热电偶的热电势
E(t)—温度为t时的热电势
E(t0)—温度为t0时的热电势
当参比端的温度t0恒定时,热电势只于工作端的温度有关,即Et=f(t).
当组成热电偶的热电极的材料均匀时,其热电势的大小与热电极本身的长度和直径无关,只与热电极的成分及两端的温度有关.
3.2集成(IC)温度传感器
(1)模拟集成温度传感器
集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的,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,它是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功能的专用IC.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,控测,不需要进行非线性校准,外围电路简单.目前在国内外仍普遍应用的一种集成传感器,下面介绍一种具有高灵敏度和高精度的IC温度传感器—AN6701.
AN6701的原理图如图2所示,它由温度检测电路,温度补偿电路以及缓冲放大器3部分组成.
IC温度传感器的检测电路是利用晶体管对两个发射极的电流密度差产生基极-发射极之间的电压差(VbC)的原理而工作的.图3所示为温度检测及温度补偿电路图.图2中,T1-T5为检测电路,T8-T11及RC组成的电路产生正比其绝对温度的电流,该电流通过T12和T13注入T7,即可获得对应于注入电流的补偿温度.RC为外接电阻,使传感器的校准比较方便.

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