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一篇读懂温度传感器

特普生科技 特普生科技 2022-11-18 12 108

温度是国际单位制中7个基本物理量之一。在生产和科学研究中,许多物理现象和化学过程都是在一定的温度下进行的,人们的生活也和它密切相关。

温度传感器的种类

温度传感器是温度测量仪表的核心部分,品种繁多。按测量方式,可分为接触式和非接触式两大类: 

接触式温度传感器

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。常用的有双金属温度计、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。

新能源车/充电枪用温度传感器

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。检测部分与被测对象有良好的接触,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。

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,而接触式温度传感器一般测量精度较高。

非接触式温度传感器

非接触式温度传感器可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速对象的表面温度,也可用于测量温度场的温度分布。


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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。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。

最常用工作原理基于黑体辐射基本定律的辐射测温法。

辐射测温法包括:亮度法、辐射法、比色法。

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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。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。

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按工作原理有下列形式的温度传感器

1、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。

2、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。

3、双金属杆和金属管传感器

随着温度升高,金属管长度增加,而不膨胀钢杆的长度并不增加,这样由于位置改变,金属管的线性膨胀就可以进行传递。反过来可以转换成一个输出信号。

4、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)。

5、热敏电阻温度传感器

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。制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。

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热敏电阻体积非常小,对温度变化的响应也快。但热敏电阻需要使用电流源,小尺寸也使它对自热误差极为敏感。

热敏电阻在两条线上测量的是绝对温度, 有较好的精度,但它比热偶贵, 可测温度范围也小于热偶。它非常适合需要进行快速和灵敏温度测量的电流控制应用。尺寸小对于有空间要求的应用是有利的,但必须注意防止自热误差。

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。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。

6、热电偶温度传感器

热电偶由两个不同材料的金属线组成,在末端焊接在一起。当热电偶一端受热时,热电偶电路中就有电势差。可用测量的电势差来计算温度。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。

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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。

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。热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。

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的,常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时,湿敏电容的介电常数发生变化,使其电容量也发生变化,其电容变化量与相对湿度成正比。

七个基本类型的温度测量传感器

七个基本类型的温度测量传感器是热电偶,电阻温度设备,红外辐射器,双金属设备,液体膨胀设备,分子状态变化和硅二极管。最常见的温度传感器是热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。

1、热电偶:测温范围广,便宜 

热电偶是电压设备,可指示电压变化时的温度测量。随温度升高热电偶的输出电压升高——不一定是线性的。热电偶通常位于金属或陶瓷屏蔽罩内,以防止其暴露于各种环境中。金属护套热电偶也可提供多种类型的外部涂层,例如铁氟龙,可在酸和强碱溶液中无故障使用。

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热电偶由两条不同材料的金属线组成,在末端焊接在一起,组成回路。这个末端连接点被称为Hot Junction(热端),而金属线连接的另一端叫冷端。 

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热电偶是最简单和最通用的温度传感器,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,尤其最便宜;缺点是精度不够高,不适合高精度的应用。常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量,某些特殊热电偶最低可测到-269℃,最高可达+2800℃。

2、热敏电阻:体积小,响应快

热敏电阻由半导体制成,其电阻随温度而变化,其电阻值也发生变化,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。 

热敏电阻采用的是半导体,大多是负温度系统,即阻值随温度增加而降低,而温度小的变化会造成大的阻值改变,因此它是最灵敏的温度传感器。同时体积非常小,对温度变化的响应快,对自热误差极为敏感,精度较高,但需要使用电流源,测温范围较小,价格较贵。

但热敏电阻线性度极差,表现出高度非线性电阻-温度曲线。而这与与生产工艺有很大关系,所以制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。 

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一个典型的NTC热敏电阻器性能参数


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热敏电阻的温度曲线,可看到电阻/温度曲线是非线性


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3、RTD(电阻温度探测器):最精确、最稳定

电阻式温度测量装置也是电性的。它不像热电偶那样使用电压,而是利用物质的另一个随温度变化的特性--电阻。而使用的电阻器件可分为:金属电阻温度器件(RTD)和热敏电阻。

RTD与热敏电阻类似,都是电阻随温度而变化,只要测量出感温热电阻的阻值变化,就可以测量出温度。不同的是,热敏电阻由半导体材料制成a,而RTD则由金属制成,所以也叫铂电阻,也有部分是由镍或铜制成的。RTD可以采用许多不同的形状,例如绕线,薄膜等。

RTD是最精确和最稳定的温度传感器,它的线性度优于热偶和热敏电阻。但RTD是最贵的温度传感器。因此最适合对精度有严格要求,而速度和价格不太关键的应用领域。

4、IC型温度传感器

IC型温度传感器是一种数字温度传感器,它有非常线性的电压 ∕ 电流—温度关系。有些IC传感器甚至有代表温度、并能被微处理器直接读出的数字输出形式。 

一篇读懂温度传感器

电流传感器(左)和电压传感器(右) 

温度IC提供产生正比于温度的易读读数方法,也很便宜,但缺点是会受到配置和速度限制,测温范围非常有限,存在自热、不坚固和需要外电源的问题。因为温度IC需要有外电源,所以通常是嵌入在电路中而不用于探测。

5、红外传感器

红外传感器是非接触式传感器。例如,如果您将一个典型的红外传感器无接触地举到桌子的前部,则该传感器会通过其辐射来告诉您桌子的温度——在正常室温下约为68°F。在非接触式冰水测量中,由于蒸发,冰水在0°C下会稍微测量,这会稍微降低预期的温度读数。

6、双金属装置

双金属装置在加热时利用金属膨胀的优势。在这些设备中,两种金属结合在一起并与指针机械连接。加热时,双金属带的一侧将比另一侧扩展更多。并且当正确地对准指针时,会显示温度测量值。优点是便携性和与电源的独立性。但是通常不如电气设备准确,并且无法像热电偶或RTD这样的电气设备轻松记录温度值。但是可移植性是正确应用程序的绝对优势。

7、液体膨胀装置——温度计

温度计是众所周知的液体膨胀装置。一般分为两个类别:汞类型和有机液体类型。两者区别明显,因为汞装置在如何安全运输或运输方面有一定的局限性。例如,汞被认为是环境污染物,因此破损可能是危险的。装运前,请务必检查当前对汞产品空运的限制。

8、硅二极管

硅二极管传感器是一种专门为低温范围开发的器件。从本质上讲,它们是一种线性器件,在低低温区域,二极管的电导率呈线性增长。无论你选择什么样的传感器,它都不可能单独工作。由于大多数传感器的选择在温度范围和精度上有重叠,因此传感器的选择将取决于如何将其集成到一个系统中。

10、状态变化传感器

状态变化温度传感器测量的就是温度变化带来的材料状态变化,就像从冰到水再到蒸汽的变化。市面上可以买到的这种类型的设备有标签、颗粒、蜡笔或油漆的形式。例如,标签可以用在蒸汽疏水阀上。当疏水阀需要调整时,它就会变热;然后,标签上的白点就会通过变黑来表示温度的上升。即使温度恢复正常,白点也会保持黑色。

例如,一个典型的标签在低于所感应的温度时是全黑的。随着温度测量值的上升,在例如33°F的位置会出现一种颜色--首先是蓝色,然后是绿色,最后是棕色,当它通过指定温度时。在任何特定的液晶设备中,您通常会看到两个相邻的色点--蓝色的色点略低于温度指示器,棕色的色点略高于温度指示器。这可以让您估计温度,例如,在85°和90°F之间。


温度传感器的封装形式

一、普通金属直管封装温度传感器

铂电阻PT100温度传感器使用温度150℃。

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这种温度传感器的封装形式多用在简单的安装环境里,根据测量的温度范围分为高温、中温或普通和低温温度传感器,高温测量温可达到长期工作温度400℃,低温可到-200℃。

二、螺纹封装温度传感器

螺纹温度传感器多用在需要固定温度传感器的环境,所用螺纹基本都是标准螺纹,根据温度传感器安装位置选择螺纹的大小。

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螺纹在前端的温度传感器

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螺纹在侧面的温度传感器

一篇读懂温度传感器

整体都是螺纹的温度传感器



三、法兰盘安装的大型温度传感器

这种温度传感器多用在大型的管道或设备上。

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水处理用法兰安装温度传感器探杆

四、壁挂式温度传感器

壁挂式温度传感器多用在室内或者箱体柜体中,安装简洁,带有显示屏的还可以现场读数。

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壁挂式带数显温度传感器

五、尾端带各种插头的温度传感器

温度传感器为方便安装可以在尾端加装各种插头,免除了接线的烦恼,即插即用。

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插在数据采集仪上的温度传感器

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M插头的温度传感器方便安装在温控器内

特普生主营温度传感器NTC热敏电阻传感器模块及一体化解决方案,特普生拥有发明专利5项,实用新型27项,保留不公开技术2项,是国内唯一拥有全尺寸全自动单端玻封机、单端热敏电阻测试机的具有芯片设计能力的源头实业,特普生温度传感器,特别好的温度传感器。

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