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温度传感器概念、发展与分类

特普生科技 特普生科技 2023-05-09 12 550

一、温度传感器基本概念

1、温度

温度(temperature)是表示物体冷热程度的物理量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度,温度越高,表示物体内部分子热运动越剧烈。

温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量,而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。国际单位为热力学(K)。目前国际上用得较多的其他温标有华氏温标(°F)、摄氏温标(°C)和国际实用温标。

从分子运动论观点看,温度是物体分子运动平均动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现,含有统计意义。

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模拟图:在一个密闭的空间里,气体分子在高温时的运动速度比低温时快!

2、温度传感器

温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器,是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中,温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。工业生产自动化流程,温度测量点要占全部测量点的一半左右。

3、温度传感器构成

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二、温度传感器的发展

对热冷的感知是人类体验的基础,然而找出测量温度的方法却难倒了很多伟人。目前尚不清楚是古希腊人还是中国人最早找到测温的方法,但有资料记载,温度传感器的历史是从文艺复兴时期开始。

我们先从温度测量面临的挑战开始,然后从不同方面介绍了温度传感器的发展历史【资料来源于 OMEGA 工业测量白皮书文件】:

1、测量的挑战

热量是用来衡量一个整体或物体所含的能量,能量越大,温度越高。然而,与质量和长度等物理性质不同,热量难以直接衡量,因此大部分测量方法都是间接的,通过观察加热时物体的效果来推断温度。因此,热量的测量标准一直是一个挑战。

在1664年,罗伯特·胡克提议用水的冰点作为温度的基准点。奥勒·雷默则认为要确定两个固定点,他选择了胡克的冰点和水的沸点。但是,如何测量热物体和冷物体的温度一直是一个问题。19世纪,研究气体定律的科学家盖·吕萨克等人发现,当气体在恒压下受热时,温度升高1摄氏度,体积会增大1/267(后来修改为1/273.15),推导出了绝对零度-273.15℃的概念。

2、观察膨胀:液体和双金属

根据报道,据信伽利略在1592年左右曾制造过一种显示温度变化的装置。这个装置通过控制一个容器内空气的收缩来影响水柱,水柱的高度表示冷却的程度。但由于这种装置很容易受到气压的影响,因此只能被视为是一种新奇的玩具。

目前我们所知的温度计是由三托里奥(SantorioSantorii)在意大利于 1612年发明的。他把液体密封在一个玻璃管内,观察其膨胀时的移动。

在管子上做一些刻度更容易观察变化,但这套系统还是缺少精准的单元。和雷默一起共事的是加布里埃尔·华伦海特。他用酒精和水银作为液体,开始生产温度计。水银是完美的,因为它在一个大范围内对温度变化有着线性的响应,但毒性大,因此现在使用越来越少。人们正在研究其他可替代的液体,但目前仍被广泛使用。

双金属温度传感器发明于 19 世纪末期。它利用了两种金属片结合时的不均匀膨胀现象。温度改变造成金属片弯曲,这可用来激活类似于用在气格栅里的恒温器或计量器。这种传感器的精度不高,可能是正负两度,但因其低廉的价格,应用也十分广泛。

3、热电效应

在19世纪初期,电学是一项令人兴奋的领域。科学家发现不同金属具有不同的电阻和传导性。1821年,托马斯·约翰塞贝克发现了热电效应,即将不同金属连接在一起并放置在不同温度下可产生电压。戴维演示了金属电阻率和温度的相关性。贝克雷尔提议使用铂-铂热电偶进行温度测量,真正的装置是在1829年由利奥波德创造的。铂也可用于电阻温度探测器中,由迈尔斯于1932年发明。它是测量温度的最精确传感器之一。

绕线 RTD具有易碎的特征,因此不适合工业应用。近些年见证了薄膜 RTD 的发展,薄膜RTD 精度不及绕线 RTD,但它更加坚固。20世纪也见证了半导体测温设备的发明。半导体测温设备响应温度变化,且具有高精度,但直到最近,它还是缺少线性度。

4、热辐射

非常热的金属和熔融金属会发热,散发出热量和可见光。在较低温度下,它们也会辐射热能,但具有更长的波长。英国天文学家威廉·赫歇尔在 1800 年首次发现这个“模糊”光或红外光会产热。

在和同胞梅洛尼一起工作时,罗贝里发现了探测这种辐射能量的方法,即把热电偶一系列地连接起来,产生热电堆。紧接其后的是 1878 年的辐射热测定器。这由美国塞缪尔·兰利发明,它采用两根铂条,一根在单臂电桥安排中变黑。红外辐射加热产生了可测量的电阻变化。辐射热测定器对大范围波长的红外线很敏感。

与此相反,自 1940 年代开始发展的辐射量子探测器类型的设备只对一个有限波段内的红外线做出响应。今天,价格便宜的高温计应用十分广泛,而且热成像摄像机价格下滑,应用将会更加广泛。

5、温标

当华氏制作温度计时,他意识到他需要一个温标。他把30度盐水设为冰点,超过180度盐水设为沸点25 年后,安德斯·摄氏提议用 0 —100 的标度,今天的“摄氏度”也是用他名字命名的。

后来,威廉·汤姆森发现在标度一端设定固定点的好处,随后,开尔文提议把绝对零度设置为摄氏度系统的起点。这就形成了今天科学领域使用的开氏温标。

三、温度传感器分类

温度传感器种类繁多,按照不同的分类标准有不同的名称。

1、按测量方式分类

按照测量方式可分为接触式和非接触式两大类。

(1)接触式温度传感器:

传感器直接与被测物体接触进行温度测量,由于被测物体的热量传递给传感器,降低了被测物体温度,特别是被测物体热容量较小时,测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件,是被测物体的热容量足够大。

(2)非接触式温度传感器:

主要是利用被测物体热辐射而发出红外线,从而测量物体的温度,可进行遥测。其制造成本较高,测量精度却较低。优点是不从被测物体上吸收热量;不会干扰被测对象的温度场;连续测量不会产生消耗;反应快等。

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2、按照不同的物理现象分类

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此外,还有微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已获得应用,有的尚在研制中。

特普生,成立于2011年,是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片热敏电阻温度传感器储能线束储能CCS集成采集母排储能模组铝巴等温度采集产品系列。一体化研制、一致性品质的特普生,竞争力优势明显:自主研制NTC芯片核心技术及实现医用0.3%精度;专利百项,保留不公开技术2项;为全球新能源产品、大消费品与工业品提供了定制化的温度采集技术。

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