發布日期：2022-10-09 點擊率：89
描述
溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工農業生產過程中一個很重要而普遍的測量參數。溫度的測量及控制對保證產品質量、提高生產效率、節約能源、生產安全、促進國民經濟的發展起到非常重要的作用。由于溫度測量的普遍性，溫度傳感器的數量在各種傳感器中居首位，約占50%。
溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接測量的。不少材料、元件的特性都隨溫度的變化而變化，所以能作溫度傳感器的材料相當多。溫度傳感器隨溫度而引起物理參數變化的有：膨脹、電阻、電容、而電動勢、磁性能、頻率、光學特性及熱噪聲等等。隨著生產的發展，新型溫度傳感器還會不斷涌現。
由于工農業生產中溫度測量的范圍極寬，從零下幾百度到零上幾千度，而各種材料做成的溫度傳感器只能在一定的溫度范圍內使用。
常用溫度傳感器原理和應用
溫度測量應用非常廣泛，不僅生產工藝需要溫度控制，有些電子產品還需對它們自身的溫度進行測量，如計算機要監控CPU的溫度，馬達控制器要知道功率驅動IC的溫度等等，下面介紹幾種常用的溫度傳感器。
溫度是實際應用中經常需要測試的參數，從鋼鐵制造到半導體生產，很多工藝都要依靠溫度來實現，溫度傳感器是應用系統與現實世界之間的橋梁。本文對不同的溫度傳感器進行簡要概述，并介紹與電路系統之間的接口。
熱敏電阻器
用來測量溫度的傳感器種類很多，熱敏電阻器就是其中之一。許多熱敏電阻具有負溫度系數（NTC），也就是說溫度下降時它的電阻值會升高。在所有被動式溫度傳感器中，熱敏電阻的靈敏度（即溫度每變化一度時電阻的變化）最高，但熱敏電阻的電阻/溫度曲線是非線性的。
表1是一個典型的NTC熱敏電阻器性能參數。
這些數據是對Vishay-Dale熱敏電阻進行量測得到的，但它也代表了NTC熱敏電阻的總體情況。其中電阻值以一個比率形式給出（R/R25），該比率表示當前溫度下的阻值與25℃時的阻值之比，通常同一系列的熱敏電阻器具有類似的特性和相同電阻/溫度曲線。以表1中的熱敏電阻系列為例，25℃時阻值為10Kω的電阻，在0℃時電阻為28.1Kω，60℃時電阻為4.086Kω；與此類似，25℃時電阻為5Kω的熱敏電阻在0℃時電阻則為 14.050Kω。
圖1是熱敏電阻的溫度曲線，可以看到電阻/溫度曲線是非線性的。
雖然這里的熱敏電阻數據以10℃為增量，但有些熱敏電阻可以以5℃甚至1℃為增量。如果想要知道兩點之間某一溫度下的阻值，可以用這個曲線來估計，也可以直接計算出電阻值，計算公式如下：
這里T指開氏絕對溫度，A、B、C、D是常數，根據熱敏電阻的特性而各有不同，這些參數由熱敏電阻的制造商提供。
熱敏電阻一般有一個誤差范圍，用來規定樣品之間的一致性。根據使用的材料不同，誤差值通常在1%至10%之間。有些熱敏電阻設計成應用時可以互換，用于不能進行現場調節的場合，例如一臺儀器，用戶或現場工程師只能更換熱敏電阻而無法進行校準，這種熱敏電阻比普通的精度要高很多，也要貴得多。
圖2是利用熱敏電阻測量溫度的典型電路。電阻R1將熱敏電阻的電壓拉升到參考電壓，一般它與ADC的參考電壓一致，因此如果ADC的參考電壓是5V，Vref也將是5V。熱敏電阻和電阻串聯產生分壓，其阻值變化使得節點處的電壓也產生變化，該電路的精度取決于熱敏電阻和電阻的誤差以及參考電壓的精度。
自熱問題
由于熱敏電阻是一個電阻，電流流過它時會產生一定的熱量，因此電路設計人員應確保拉升電阻足夠大，以防止熱敏電阻自熱過度，否則系統測量的是熱敏電阻發出的熱，而不是周圍環境的溫度。
熱敏電阻消耗的能量對溫度的影響用耗散常數來表示，它指將熱敏電阻溫度提高比環境溫度高1℃所需要的毫瓦數。耗散常數因熱敏電阻的封裝、管腳規格、包封材料及其它因素不同而不一樣。
系統所允許的自熱量及限流電阻大小由測量精度決定，測量精度為±5℃的測量系統比精度為±1℃測量系統可承受的熱敏電阻自熱要大。
應注意拉升電阻的阻值必須進行計算，以限定整個測量溫度范圍內的自熱功耗。給定出電阻值以后，由于熱敏電阻阻值變化，耗散功率在不同溫度下也有所不同。
有時需要對熱敏電阻的輸入進行標定以便得到合適的溫度分辨率，圖3是一個將10～40℃溫度范圍擴展到ADC整個0～5V輸入區間的電路。
運算放大器輸出公式如下：
一旦熱敏電阻的輸入標定完成以后，就可以用圖表表示出實際電阻與溫度的對應情況。由于熱敏電阻是非線性的，所以需要用圖表表示，系統要知道對應每一個溫度ADC的值是多少，表的精度具體是以1℃為增量還是以5℃為增量要根據具體應用來定。
累積誤差
用熱敏電阻測量溫度時，在輸入電路中要選擇好傳感器及其它元件，以便和所需要的精度相匹配。有些場合需要精度為1%的電阻，而有些可能需要精度為0.1%的電阻。在任何情況下都應用一張表格算出所有元件的累積誤差對測量精度的影響，這些元件包括電阻、參考電壓及熱敏電阻本身。
如果要求精度高而又想少花一點錢，則需要在系統構建好后對它進行校準，由于線路板及熱敏電阻必須在現場更換，所以一般情況下不建議這樣做。在設備不能作現場更換或工程師有其它方法監控溫度的情況下，也可以讓軟件建一張溫度對應ADC變化的表格，這時需要用其它工具測量實際溫度值，軟件才能創建相對應的表格。對于有些必須要現場更換熱敏電阻的系統，可以將要更換的元件（傳感器或整個模擬前端）在出廠前就校準好，并把校準結果保存在磁盤或其它存儲介質上，當然，元件更換后軟件必須要能夠知道使用校準后的數據。
總的來說，熱敏電阻是一種低成本溫度測量方法，而且使用也很簡單，下面我們介紹電阻溫度探測器和熱電偶溫度傳感器。
電阻溫度探測器
電阻溫度探測器（RTD）實際上是一根特殊的導線，它的電阻隨溫度變化而變化，通常RTD材料包括銅、鉑、鎳及鎳/鐵合金。RTD元件可以是一根導線，也可以是一層薄膜，采用電鍍或濺射的方法涂敷在陶瓷類材料基底上。
RTD的電阻值以0℃阻值作為標稱值。0℃ 100ω鉑RTD電阻在1℃時它的阻值通常為100.39ω，50℃時為119.4ω，圖4是RTD電阻/溫度曲線與熱敏電阻的電阻/溫度曲線的比較。 RTD的誤差要比熱敏電阻小，對于鉑來說，誤差一般在0.01%，鎳一般為0.5%。除誤差和電阻較小以外，RTD與熱敏電阻的接口電路基本相同。
熱電偶
熱電偶由兩種不同金屬結合而成，它受熱時會產生微小的電壓，電壓大小取決于組成熱電偶的兩種金屬材料，鐵-康銅（J型）、銅-康銅（T型）和鉻-鋁（K型）熱電偶是最常用的三種。
熱電偶產生的電壓很小，通常只有幾毫伏。K型熱電偶溫度每變化1℃時電壓變化只有大約40μV，因此測量系統要能測出4μV的電壓變化測量精度才可以達到0.1℃。
由于兩種不同類型的金屬結合在一起會產生電位差，所以熱電偶與測量系統的連接也會產生電壓。一般把連接點放在隔熱塊上以減小這一影響，使兩個節點處以同一溫度下，從而降低誤差。有時候也會測量隔熱塊的溫度，以補償溫度的影響（圖5）。
測量熱電偶電壓要求的增益一般為100到300，而熱電偶擷取的噪聲也會放大同樣的倍數。通常采用測量放大器來放大信號，因為它可以除去熱電偶連線里的共模噪聲。市場上還可以買到熱電偶信號調節器，如模擬器件公司的AD594/595，可用來簡化硬件接口。
固態熱傳感器
最簡單的半導體溫度傳感器就是一個PN結，例如二極管或晶體管基極-發射極之間的PN結。如果一個恒定電流流過正向偏置的硅 PN結，正向壓降在溫度每變化1℃時會降低1.8mV。很多IC利用半導體的這一特性來測量溫度，包括美信的MAX1617、國半的LM335和LM74 等等。半導體傳感器的接口形式多樣，從電壓輸出到串行SPI/微線接口都可以。
溫度傳感器種類很多，通過正確地選擇軟件和硬件，一定可以找到適合自己應用的傳感器。
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熱電偶溫度傳感器的應用：常用溫度傳感器原理和應用 第1張" title="熱電偶溫度傳感器的應用：常用溫度傳感器原理和應用 第1張-傳感器知識網"/>
透光隨溫度變化的光纖傳感器；有利用彈性表面波及振子的振蕩頻率隨溫度變化的傳感器；有利用核四重共振的振蕩頻率隨溫度變化的NQR傳感器；有利用在居里溫度附近磁性急劇變化的磁性溫度傳感器以及利用液晶或涂料顏色隨溫度變化的溫度傳感器等． 非接觸方式是通過檢測光傳感器中紅外線來測量物體的溫度，有利用半導體吸收光而使電子遷移的量子型與吸收光而引起溫度變化的溫度傳感器． 非接觸溫度傳感器廣泛用于接觸溫度傳感器、輻射溫度計、報警裝置、來客告知器、火災報警器、自動門、氣體分析儀、分光光度計、資源探測等． 溫度傳感器原理 溫度傳感器熱電偶的應用原理 溫度傳感器熱電偶是工業上最常用的溫度檢測元件之一。 其優點是： ①測量精度高。因溫度傳感器熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響。 ②測量范圍廣。常用的溫度傳感器熱電偶從-50~+1600℃均可邊續測量，某些特殊溫度傳感器熱電偶最低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800℃（如鎢-錸）。 ③構造簡單，使用方便。溫度傳感器熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。 溫度傳感器熱電偶測溫基本原理 將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合回路，當導體A和B的兩個執著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢，因而在回路中形成一個大小的電流，這種現象稱為熱電效應。溫度傳感器熱電偶就是利用這一效應來工作的。
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溫度傳感器的原理及應用 來源：西安博適自動化儀表有限公司 公司網址： 熱線：029一、溫度傳感器的分類： 溫度傳感器熱電偶 溫度傳感器熱電阻 二、溫度傳感器熱電偶 1、溫度傳感器熱電偶的應用原理及特點 將兩種不同的導體或半導體A、B焊接起來，組成一個閉合回路。當A、B的兩個執著點1、2之間存在溫差時，兩者之間便產生了電動勢，因而在回路中形成了一個大、小電流，這種現象稱之為熱電效應。熱電偶就是依據這一效應來工作的。 溫度傳感器熱電偶是工業最常用的溫度檢測元件之一，它的主要特點是： 測量精度高（因為熱電偶與被測介質直接接觸，不受其他介質的影響） 測量范圍廣 結構簡單，使用方便（熱電偶傳感器通常是由兩種不同的金屬材料組成，而且不受大小及開頭的限制，外界有保護管，使用非常方便） 2、溫度傳感器熱電偶的種類及結構 熱電偶的種類 常用溫度傳感器熱電偶可分為標準溫度傳感器熱電偶和非標準溫度傳感器熱電偶 標準溫度傳感器熱電偶是指國家標準規定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差，并有統一標準分度表的溫度傳感器熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可以選用。 非標準溫度傳感器熱電偶，在使用范圍或數量級上均不及標準溫度傳感器熱電偶。一般也沒有統一的分度表，主要用于某些特殊場合 結構形式 為了保證溫度傳感器熱電偶能可靠、穩定的工作，對它的結構我們做了以下要求： 組成溫度傳感器熱電偶的兩個熱電極必須焊接牢固； 兩個電極之間之間必須很好的絕緣，以防短路； 補償導線與熱電偶的自由端連接要方便可靠； 保護套管應能保證熱電極與有害物質絕對隔離。 熱電偶的冷端補償 由于熱電偶的材料一般比較貴，而測量點到儀表間的距離又比較遠為了節省材料、降低成本，通常我們采用補償導線把熱電偶冷端延伸到溫度比較穩定的控制室，再連接到儀表端子上。特別指出補償導線的特性與熱電偶的特性相近，補償導線的作用只起延伸熱電極，使溫度傳感器熱電偶的的冷端移動到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對測量的影響，不起補償作用。因此，還需要采用其他的修正方法來補償冷端溫度t0≠0℃時對測溫的影響。在使用溫度傳感器熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。 三、溫度傳感器熱電阻 熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高、性能穩定。其中鉑熱電阻測量精度最高，而且被制成標準的基準儀。 溫度傳感器熱電阻的應用原理及材料： 熱電阻是基于金屬導體的電阻值隨溫度的變化而變化這一特性來進行測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅。下面介紹一下鎧裝溫度傳感器熱電阻 鎧裝溫度傳感器熱電阻是由感溫元件、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體。與普通型的溫度傳感器熱電阻相比，其具備以下優點： 體積小，內部無空氣隙，測量滯后小； 機械性能好、耐振、抗沖擊； 能彎曲，便于安裝； 使用壽命長. 溫度傳感器熱電阻熱電阻的結構： 由熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過溫度傳感器熱電阻阻值的變化來測量的。因此，溫度傳感器熱電阻的引出線等各種導線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。為了消除引線電阻的影響一般采用三線制或四線制。 溫度傳感器熱電阻測溫系統的組成： 溫度傳感器熱電阻測溫系統一般由溫度傳感器熱電阻、連接導線和顯示儀表等組成，必須注意以下兩點：溫度傳感器熱電阻和顯示儀表的分度號必須一致。為了消除連接導線電阻的變化的影響，必須采用三線制接法。 四、溫度傳感器熱電偶是與熱電阻區別 熱電偶是一種測溫度傳感器，與熱電阻一樣都是溫度傳感器，但是他和熱電阻的區別主要在于： 信號的性質：熱電阻本身是電阻，熱電阻溫度計是根據金屬絲的電阻隨溫度變化的原理工作的；而熱電偶：是將兩種不同材料的導線或半導體焊接起來，構成一個閉合回路，當導線的兩個接點之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢，因而在回路中形成一定大小的電流，這種現象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。 兩種傳感器檢測的溫度范圍：熱阻一般檢測0-150度溫度范圍，最高測量范圍可達600度左右，而熱電偶可檢測0-1000度的溫度范圍(甚至更高) 。 材料造價：熱電阻是一種金屬材料，具有溫度敏感變化的金屬材料，熱電阻是電阻信號，其輸出的是電阻值（Ω），無正負極。常用的有Pt100、Cu50。。而熱耦是雙金屬材料，既兩種不同的金屬材料，由于溫度的變化，在兩個不同金屬絲的兩端產生電勢差。可分為K、S、E、R、T、N型等分度號，可分別使用在不同的測量介質、測溫范圍。熱電偶是電壓信號，輸出的是毫伏值（mV），有正負極。有比電阻貴的，也有比電阻便宜的，但是算上補償導線，綜合造價熱電偶就高了。 與PLC的關系：PLC對應的熱電阻和熱電偶的輸入模塊
熱電偶溫度傳感器的應用：常用溫度傳感器原理和應用 第3張" title="熱電偶溫度傳感器的應用：常用溫度傳感器原理和應用 第3張-傳感器知識網"/>
在傳感器方面，它分為很多種類，就拿溫度傳感器來說，又分為熱電阻和熱電偶。今日小編來說一說這個熱電偶溫度傳感器，熱電偶溫度傳感器是眾多傳感器中使用比較廣泛的一種。下面賢集網小編給大家詳細介紹一下熱電偶溫度傳感器特點、優缺點、工作原理、應用、使用方法。
1.熱電偶溫度傳感器特點
熱電偶溫度傳感器分為鎧裝、薄膜和防爆三種，它們的特點分別如下：
1）鎧裝熱電偶傳感器特點：抗震、可彎曲、超長、動態響應快；
2）薄膜熱電偶傳感器特點：熱容量小、反應速度塊；
3）防爆熱電偶傳感器特點：機構強度較高、可防爆或隔爆。
2.熱電偶溫度傳感器優缺點
1）熱電偶溫度傳感器優點：
熱電偶傳感器屬于自發電式傳感器中的一種。在使用它進行測量的時候，我們不用外加電源，因為它會把直接將被測量轉化成電勢的輸出。因此，使用熱電偶傳感器是非常方便的，廣泛用于測量爐子、液體的溫度、管道內的氣體以及固體的表面溫度。而熱電偶傳感器測溫范圍是-270℃道2500℃之間。因此，熱電偶傳感器的優點是：方便制造、簡單的結構、很高的精確度、測量的范圍非常大、慣性小、可以遠傳輸出信號。
2）熱電偶溫度傳感器缺點：
熱電偶傳感器的靈敏度非常低，而且外部環境的信號很容易對熱電偶傳感器產生干擾。除此之外，熱電偶傳感器也非常容易地被前置放大器溫漂所影響，因此熱電偶傳感器不適宜用于測量很微小的溫度變化。熱電偶傳感器的靈敏度和材料粗細沒有必要的聯系，很細的材料也可以制造熱電偶傳感器。因為熱電偶傳感器的金屬材料的延展性很好，所以有著很高的響應速度。
而一般的工業應用總是把它裝進厚厚的護套里中，因為這樣子可以保護感溫元件，避免腐蝕以及磨損。但是這樣子會使得熱電偶傳感器顯得笨重，對溫度的反應也會變得更加遲緩。在用熱電偶時，要注意環境溫度的影響。可以將它的自由端放置于不變的溫度的環境中，也可以通過冷端補償消除。而當測量點離儀表很遠的時候，我們還要用補償導線。
3.熱電偶溫度傳感器工作原理
兩種不同成分的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，在回路中就會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端交錯冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產生的熱電勢。
4.熱電偶溫度傳感器應用
1）熱電偶傳感器用于金屬表面溫度的測量
測量方法一般采用直接接觸測量的方法。被測金屬表面溫度較低時，采用粘接劑將熱電偶傳感器的結點粘附于金屬表面，工藝比較簡單。被測金屬表面溫度較高時，采用焊接的方法，將熱電偶溫度傳感器的頭部焊于金屬表面。
2）熱電偶溫度傳感器測爐溫
5.熱電偶溫度傳感器使用方法
在安裝和使用熱電偶溫度傳感器時，應當注意以下事項以保證最佳測量效果：
1）安裝不當引入的誤差
如熱電偶安裝的位置及插入深度不能反映爐膛的真實溫度等，換句話說，熱電偶不應裝在太靠近門和加熱的地方，插入的深度至少應為保護管直徑的8～10倍；熱電偶的保護套管與壁間的間隔未填絕熱物質致使爐內熱溢出或冷空氣侵入，因此熱電偶保護管和爐壁孔之間的空隙應用耐火泥或石棉繩等絕熱物質堵塞以免冷熱空氣對流而影響測溫的準確性；熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過100℃；熱電偶的盡可能避開強磁場和強電場，所以不應把熱電偶和動力電纜線裝在同一根導管內以免引入干擾造成誤差；熱電偶不能安裝在被測介質很少流動的區域內，當用熱電偶測量管內氣體溫度時，必須使熱電偶逆著流速方向安裝，而且充分與氣體接觸。
2）絕緣變差而引入的誤差
如熱電偶絕緣了，保護管和拉線板污垢或鹽渣過多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良，在高溫下更為嚴重，這不僅會引起熱電勢的損耗而且還會引入干擾，由此引起的誤差有時可達上百度。
3）熱惰性引入的誤差
由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測溫度的變化，在進行快速測量時這種影響尤為突出。所以應盡可能采用熱電極較細、保護管直徑較小的熱電偶。測溫環境許可時，甚至可將保護管取去。由于存在測量滯后，用熱電偶檢測出的溫度波動的振幅較爐溫波動的振幅小。測量滯后越大，熱電偶波動的振幅就越小，與實際爐溫的差別也就越大。當用時間常數大的熱電偶測溫或控溫時，儀表顯示的溫度雖然波動很小，但實際爐溫的波動可能很大。為了準確的測量溫度，應當選擇時間常數小的熱電偶。時間常數與傳熱系數成反比，與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比，如要減小時間常數，除增加傳熱系數以外，最有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。使用中，通常采用導熱性能好的材料，管壁薄、內徑小的保護套管。在較精密的溫度測量中，使用無保護套管的裸絲熱電偶，但熱電偶容易損壞，應及時校正及更換。
4）熱阻誤差
高溫時，如保護管上有一層煤灰，塵埃附在上面，則熱阻增加，阻礙熱的傳導，這時溫度示值比被測溫度的真值低。因此，應保持熱電偶保護管外部的清潔，以減小誤差。
以上就是小編對“熱電偶溫度傳感器特點、優缺點、工作原理、應用、使用方法”的相關介紹了，相信大家看過之后，一定會對熱電偶溫度傳感器擁有更深的理解，希望大家在以后生活中碰到可以順利使用。
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