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温度传感器在生活中的应用
发布时间:2015.01.15 新闻来源:山东佰测|西安先行|变送器|传感器-山东佰测仪表有限公司 浏览次数:
 


    温度是一个基本的物理量,自然界中的一切过程无不与温度密切

相关。温度传感器是最早开发,应用最广的一类传感器。根据美国仪

器学会的调查,1990 年,温度传感器的市场份额大大超过了其他的

传感器。从 17 世纪初伽利略发明温度计开始,人们开始利用温度进

行测量。真正把温度变成电信号的传感器是 1821 年由德国物理学家

赛贝发明的,这就是后来的热电偶传感器。五十年以后,另一位德国

人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下,本世纪相继

开发了半导体热电偶传感器、PN 结温度传感器和集成温度传感器。

与之相应,根据波与物质的相互作用规律,相继开发了声学温度传感

器、红外传感器和微波传感器。 

    温度传感器是检测温度的器件,其种类最多,应用最广,发展最

快。众所周知,日常使用的材料及电子元件大部分特性都随温度而变

化。 

    最常用的热电阻和热电偶两类产品。 

    一、热电偶: 

    比如两种不同材质的导体,如在某点互相连接在一起,对这个连

接点加热,在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值

与不加热部位测量点的温度有关,和这两种导体的材质有关。这种现

象可以在很宽的温度范围内出现,如果精确测量这个电位差,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”。不同材质作出的热

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 摄氏度时,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 到 40 微伏每摄

氏度之间。由于构成热电偶的金属材料可以耐受很高的温度,例如钨

铼热电偶能够工作在 2000 摄氏度以上的高温,常常用来检测高温环

境的热物理参数,还有的材料能够在低温下工作,例如金铁热电偶能

够在液氮的温度附近工作。可见热电偶传感器能够在很广泛的温度范

围内工作。

    1、热电偶的工作原理 

    简单的说,就是当有两种不热电偶的电极由两根不同导体材质组

成。当测量端与参比端存在温差时,就会产生热电势,工作仪表便显

示出热电势所对应的温度值。 

    当有两种不同的导体和半导体 A 和 B 组成一个回路,其两端相互

连接时只要两结点处的温度不同,一端温度为 T,称为工作端或热端,

另一端温度为 TO,称为自由端(也称参考端)或冷端,则回路中就有

电流产生,即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同

而产生电动势的现象称为塞贝克效应。与塞贝克有关的效应有两个:

其一,当有电流流过两个不同导体的连接处时,此处便吸收或放出热

量(取决于电流的方向),称为珀尔帖效应;其二,当有电流流过存在

温度梯度的导体时,导体吸收或放出热量(取决于电流相对于温度梯

度的方向),称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热

电偶。热电偶的热电势 EAB(T,T0)是由接触电势和温差电势合成的。

接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势,此电势

与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。温差电势是指同

一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势,此电势只与导体或半

导体的性质和两端的温度有关,而与导体的长度、截面大小、沿其长

度方向的温度分布无关。无论接触电势或温差电势都是由于集中于接

触处端点的电子数不同而产生的电势,热电偶测量的热电势是二者的

合成。当回路断开时,在断开处 a,b 之间便有一电动势差△V,其极

性和大小与回路中的热电势一致。并规定在冷端,当电流由 A 流向 B

时,称 A 为正极,B 为负极。实验表明,当△V 很小时,△V 与△T 成

正比关系。定义△V 对△T 的微分热电势为热电势率,又称塞贝克系

数。塞贝克系数的符号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特

性和结点的温度差。 

    2.热电偶的种类 

    目前,国际电工委员会(IEC)推荐了 8 种类型的热电偶作为标

准化热电偶,即为 T 型、E 型、J 型、K 型、N 型、B 型、R 型和 S 型。

热电阻 

    1.热电阻材料的特性 

    导体的电阻值随温度变化而改变,通过测量其阻值推算出被测物

体的温度,利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器,这种传感

器主要用于-200—500℃温度范围内的温度测量。 

    纯金属是热电阻的主要制造材料,热电阻的材料应具有以下特

性: 

    ①电阻温度系数要大而且稳定,电阻值与温度之间应具有良好的

线性关系。 

    ②电阻率高,热容量小,反应速度快。 

    ③材料的复现性和工艺性好,价格低。 

    ④在测温范围内化学物理特性稳定。 

    目前,在工业中应用最广的铂和铜,并已制作成标准测温热电阻。

    2.铂电阻 

    铂电阻与温度之间的关系接近于线性,在 0~630.74℃范围内可

用下式表示 Rt=R0(1+At+Bt2) (2-1)在-190~0℃范围内为 Rt=

R0(1+At+Bt2 十 Ct3) (2-2)式中,RO、Rt 为温度 0°\u21450X t°\u26102X铂电阻

的电阻值,t 为任意温度,A、B、C 为温度系数,由实验确定,A=3.9684

×10-3/℃,B=-5.847×10-7/℃2,C=-4.22×10-l2/℃3。由式(2-1)

和式(2-2)看出,当 R0 值不同时,在同样温度下,其 Rt 值也不同。 

    3.铜电阻 

    在测温精度要求不高,且测温范围比较小的情况下,可采用铜电

阻做成热电阻材料代替铂电阻。在-50~150℃的温度范围内,铜电阻

与温度成线性关系,其电阻与温度关系的表达式为 Rt=R0(1+At)

(2-3)式中,A=4.25×10-3~4.28×10-3℃为铜电阻的温度系数。 

    下面介绍各种温度传感器在生活中的具体应用。 

    1.温度传感器在汽车中的应用。 

    车用传感器是汽车电子设备的重要组成部分,担负着信息收集的

任务。在汽车电喷发动机系统、自动空调系统中,温度是需测量和控

制的重要参数之一。发动机热状态的测量、气体及液体温度的测量,

都需要温度传感器来完成。因而车用温度传感器是必不可少的。 

由于发动机工作在高温(发动机表面温度可达 150℃、排气歧管可达

650℃)、振动(加速度 30g)、冲击(加速度 50g)、潮湿(100%RH,-40

℃-120℃)以及蒸汽、盐雾、腐蚀和油泥污染的恶劣环境中,因此发

动机控制系统用传感器耐恶劣环境的技术指标要比一般工业用传感

器高 1-2 个数量级,其中最关键的是测量精度和可靠性。否则,由传

感器带来的测量误差将最终导致发动机控制系统难以正常工作或产

生故障。 

    温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温

度、燃油温度以及催化温度等。温度用传感器有线绕电阻式、热敏电

阻式和热偶电阻式三种主要类型。三种类型传感器各有特点,其应用

场合也略有区别。线绕电阻式温度传感器的精度高,但响应特性差;

热敏电阻式温度传感器灵敏度高,响应特性较好,但线性差,适应温

度较低;热偶电阻式温度传感器的精度高,测量温度范围宽,但需要

配合放大器和冷端处理一起使用。 

    已实用化的产品有热敏电阻式温度传感器(通用型-50℃~130

℃,精度 1.5%,响应时间 10ms;高温型 600℃~1000℃,精度 5%,

响应时间 10ms)、铁氧体式温度传感器(ON/OFF 型,-40℃~120℃,

精度 2.0%)、金属或半导体膜空气温度传感器(-40℃~150℃,精度

2.0%、5%,响应时间 20ms)等。 

    2.温度传感器在家用电器中的应用. 

    温度传感器广泛应用于家用电器(微波炉、空调、油烟机、吹风

机、烤面包机、电磁炉、炒锅、暖风机冰箱、冷柜、热水器、饮水机、

洗碗机、消毒柜、洗衣机、烘干机以及中低温干燥箱、恒温箱等场合

的温度测量与控制等)、医用/家用体温计,便携式非接触红外温度测

温仪等等许多方面。 

    下面以温度传感器在空调系统中的应用为例说明一下。 

    温度控制器是对空调房间的温度进行控制的电开关设备。温度控

制器所控制的空调房间内的温度范围一般在 18℃--28℃。窗式空调

常用的温度控制器是以压力作用原理来推动触点的通与断。其结构由

波纹管、感温包(测试管)、偏心轮、微动开关等组成一个密封的感

应系统和一个转送信号动力的系统。 

    控制方法一般分为两种; 一种是由被冷却对象的温度变化来进

行控制,多采用蒸气压力式温度控制器,另一种由被冷却对象的温差

变化来进行控制,多采用电子式温度控制器。温控器分为: 

机械式分为:蒸气压力式温控器、液体膨胀式温控器、气体吸附式温

控器、金属膨胀式温控器。 

    其中蒸气压力式温控器又分为:充气型、液气混合型和充液型。

家用空调机械式都以这类温控器为主。 

    电子式分为:电阻式温控器和热电偶式温控器。 

    电路系统的作用: 

    空调机电路系统的作用是控制空调正常和多功能的运行,保护压

缩机和风扇电机正常运行。电路系统的组成部件主要有:温度控制器、

热保护器、主控开关、运转电容器,风扇电动机的运转电容器等被固

定在控制盒内。左图为单冷式空调机的电气线路图。温度控制器的作

用只是控制压缩机的启动和停止。 

    工作原理 

    蒸气压力式 

    波纹管的动作作用于弹簧,弹簧的弹力是由控制板上的旋钮所控

制的,毛细管放在空调机的室内吸入空气的风口处,对室内循环回风

的温度起反应。当室温上升至调定的温度时,毛细管和波纹管中的感

温剂气体膨胀,使波纹管伸长并克服弹簧的弹力把开关触点接通,此

时压缩机运转,系统制冷,直到室温又降至设定的温度时,感温包气

体收缩,波纹管收缩与弹簧一起动作,将开关置于断开位置,使压缩

机的电动机电路切断。以此反复动作,从而达到控制房间温度的目的。

    电子式温度控制器 

    电子式温度控制器(电阻式)是采用电阻感温的方法来测量的,

一般采用白金丝、铜丝、钨丝以及半导体(热敏电阻等)为测温电阻,

这些电阻各有其优确点。家用空调的传感器大都是以热敏电阻式。 

热敏电阻式温控器是根据惠斯登电桥原理制成的,(左图)是惠斯登

电桥。在 BD 两端接上电源 E,根据基尔霍夫定律,当电桥的电阻 R1

×R4=R2×R3 时,A 与 C 两点的电位相等,输出端 A 与 C 之间没有电

流流过,热敏电阻的阻抗 R1 的大小随周围温度的上升或下降而改变,

使平衡受到破坏,AC 之间有输出电流。因此,在构成温控器时,可

以很容易地通过选择适当的热敏电阻来改变温度调节范围和工作温

度。 

    再介绍一下空调中压缩机变频控制的工作过程:首先在温度控制

器内设置一个给定值 QG,在蒸发器的进水管路上设置一个温度传感

器,由此温度传感器测量进水温度 Qa 并将信号 Qa 转换为 QZ 传送至

控制器和给定值 QG 进行比较。当住宅内的空调冷负荷减小时,进水

温度降低。这一降低的温度值通过温度传感器的传送,在温度控制器

内与给定值 QG 进行比较并得出差值信号 e(e=QG - QZ),温度控制器

根据这一差值信号对电动执行器发出控制压缩机电源频率的控制命

令,电动执行器(即变频器)依照命令将压缩机的电源频率调小,从

而减小压缩机的制冷量以达到节能的目的。只有当差值信号 e=0 时,

控制系统才不会动作。这样,就能始终控制压缩机在最经济的状态下

工作,取得较好的室温和节能效果。 

    随着科学技术的发展,温度传感器向着集成工艺和多变量复合传

感器,智能化传感器,网络化传感器的方向发展。各种不同类型的温

度传感器将会越来越多的出现在我们的日常生活中,给我们带来极大

的方便。

 

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