船舶溫度傳感器種類、原理及發(fā)展趨勢.doc

柴油機測試技術(shù)作業(yè)船舶溫度傳感器種類、原理及發(fā)展趨勢【摘要】：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(shù)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(chǎn)的發(fā)展，新型溫度傳感器還會不斷涌現(xiàn)。溫度傳感器與被測介質(zhì)的接觸方式分為兩大類：接觸式和非接觸式。接觸式溫度傳感器需要與被測介質(zhì)保持熱接觸，使兩者進行充分的熱交換而達到同一溫度。這一類傳感器主要有電阻式、熱電偶、PN結(jié)溫度傳感器等。非接觸式溫度傳感器無需與被測介質(zhì)接觸，而是通過被測介質(zhì)的熱輻射或?qū)α鱾鞯綔囟葌鞲衅鳎赃_到測溫的目的。這一類傳感器主要有紅外測溫傳感器。這種測溫方法的主要特點是可以測量運動狀態(tài)物質(zhì)的溫度（如慢速行使的火車的軸承溫度，旋轉(zhuǎn)著的水泥窯的溫度）及熱容量小的物體（如集成電路中的溫度分布）。溫度傳感器的種類較多，我們介紹幾種主要的溫度傳感器及應用電路【關(guān)鍵詞】：傳感器 熱電阻 熱電偶 光纖溫度傳感器輸出信號【Abstract】：Temperature measurements are internal combustion engines and power unit one of the important test, the temperature measurement can be divided into contact and non-contact temperature measurement temperature measurement two categories, temperature sensitive components are not contacted with the measured medium. Temperature sensor output signal of the ship model can be broadly divided into three categories: digital temperature sensor, logic output temperature sensor, analog temperature sensor.【Keywords】：Sensor; Thermal Resistance; Thermocouple; Output signal由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(nèi)使用。常用的測溫傳感器的種類與測溫范圍如附表一所示。 一熱電偶溫度傳感器 工作原理 如果兩種不同成分的均質(zhì)導體形成回路，直接測溫端叫測量端，接線端子端叫參比端，當兩端存在溫差時，就會在回路中產(chǎn)生電流，那么兩端之間就會存在Seebeck熱電勢，即塞貝克效應。熱電勢的大小只與熱電偶導體材質(zhì)以及兩端溫差有關(guān)，與熱電偶導體的長度、直徑無關(guān)， 熱電偶具有構(gòu)造簡單、適用溫度范圍廣、使用方便、承受熱、機械沖擊能力強以及響應速度快等特點，常用于高溫區(qū)域、振動沖擊大等惡劣環(huán)境以及適合于微小結(jié)構(gòu)測溫場合；但其信號輸出靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號和前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。 熱電偶性能和參數(shù) 1.熱響應時間 在溫度出現(xiàn)階躍變化時，熱電偶的輸出變化至階躍變化值的50%所需要的時間稱為熱響應時間，用0.5表示。 2.公稱壓力 一般是指在工作溫度下保護管所能承受的靜態(tài)外壓而不破裂，實際上，公稱壓力不僅與保護管材料、直徑、壁厚有關(guān)，還與其結(jié)構(gòu)形式、安裝方法、置入深度以及被測介質(zhì)的流速和種類等有關(guān)。 3.熱電偶最小置入深度 應不小于其保護管外徑的810倍（特殊產(chǎn)品例外）4.熱電偶保護管 保護管的作用是保護感溫元件，使其不與被測介質(zhì)直接接觸，避免或減少有害介質(zhì)的侵蝕，火焰和氣流的沖刷和輻射，以及機械損傷，同時還起著固定和支撐傳感器感溫元件的作用。321，304和316（316L）系列不銹鋼保護管是用得最為廣泛的材料，通常使用在900以下，部分產(chǎn)品也能用到1150；900以上一般使用非金屬材料保護管。STTT-V系列熱電偶溫度傳感器STTT-R系列熱電偶溫度傳感器二熱電阻傳感器熱電阻傳感器主要是利用金屬導體電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點，用于測量-200+500范圍內(nèi)的溫度。下面主要具體介紹鉑熱電阻傳感器 1.基本原理熱電阻溫度傳感器是利用導體或半導體的電阻率隨溫度的變化而變化的原理制成的。鉑屬貴重金屬,具有耐高溫、溫度特性好、使用壽命長等特點,因而得到廣泛應用。鉑電阻阻值與溫度之間的關(guān)系是非線性,即Rt = R0 ( I +t +t2 ) ( t在0630之間) (1)式中: Rt 鉑熱電阻的電阻值,;R0 鉑熱電阻在0時的電阻值, R = 100;一階溫度系數(shù), = 3.908 10 -3 ( )二階溫度系數(shù), = 5.802 10 -7 ( )在實際測溫電路中,測量的是鉑電阻的電壓量,因而需由鉑熱電阻的電阻值推導出相應的電壓值與溫度之間的函數(shù)關(guān)系,即Ut = f (Rt ) = f f ( t) (2)從而計算出(即測量)實際的溫度。2.設(shè)計方案 鉑熱電阻測溫電路的總體方案為:依據(jù)鉑熱電阻阻值的測量從而計算出(測量)實際的溫度。為了提高測量精度,減少誤差,采用三導線單臂電橋測量,測量電壓是毫伏級。為此測量電壓必須經(jīng)過放大器放大后,才能輸入到微機A /D或V /F部分進行計算機處理,從而實現(xiàn)微機數(shù)字化溫度測量，提高測溫的準確性。 3測溫電路的電源部分 由于鉑熱電阻接在三導線單臂電橋,鉑熱電阻的單臂電橋需要電源供電,供電電壓UA = 5V。采用計算機進行測量,又需要提供微機整機電源。這樣需要提供兩套電源。為了提高測量溫度精度,減少對測溫電路的干擾,這兩套電源采用相互獨立的電源供電,電路如圖。UA = 5V為鉑熱電阻電源,U為微機電源。1.1測量電路工業(yè)測量用電阻溫度計,其阻值Rt 的變化是用電橋來測量的。在現(xiàn)場中,為了提高測量精度,減少非線性誤差,采用了三導線單臂電橋。 1.2 三導線單臂電橋圖中電橋供電電壓UA = 5V。為了保證電壓精度,采用WR2 =來調(diào)節(jié)電橋電源電壓UB ,使UB = 4V,WRt 為150的滑線電阻,其目的在于保證電橋電路中當t = 0時,Ut = 0V,Ao為電橋獨立接地點。橋臂電阻R1 =R2 = 10K,根據(jù)串聯(lián)電路特性求電橋a、b兩點的電位,即Ua/Rt = UB/(R2 +Rt)Ub/WR1 = UB/(WR1 +Rt)則Ua =UB Rt / (R2 +Rt ) (3)Ub =UBWR1 / (R1 +WR1 ) (4)由電橋初始平衡條件可得R2/Rt = R1/WR1即R2 WR1 =R1 Rt而Rt = R0+ Rt由圖可知: 將R2 WR1 =R Rt , Rt = R0 + Rt 及式(1)式入式(5)得Ut =Ua - Ub =UB R1R0 (t +t2 ) /2t2R0 + R0 + R2 )(R1 +WR1 ) (6)式(6)中的Ut 為毫伏級。電壓放大回路由于三導線測量的電壓U是毫伏級,而微機的A /D或V /F轉(zhuǎn)換需要5V電壓,為此測量電壓必須經(jīng)過精密放大器的放大后,才能作為A /D或V /F轉(zhuǎn)換的輸入值。精密放大器電路如圖所示。式(1)適合的溫度范圍為0630代入式( 6)中,得Ut = 0. 084V。如果放大后的Uf 以5V為上限,則放大倍數(shù)Kmax =5V /Ut = 5 /0. 084=59. 25,即放大倍數(shù)不能超過此值,反之,如果放大倍數(shù)取得太小,那么A /D 或轉(zhuǎn)換分辨力降低。因此,放大倍數(shù)應取3050為宜,本文取K = 50。圖3精密放大器電路微機測溫的計算由于K = 50,則Uf = KUt (7)將式(7)代入式(6)并代入相應參數(shù)值,經(jīng)過整理得(1. 1604 - 0. 01172Uf ) t2 + (78. 942Uf - 7816. 04) t = 0 (8) 式(8)即是本文所要推導的t = f (Uf )的函數(shù)式。利用此式只要對A /D或V /F檢測出Uf 的值,可能計算出測量溫度值t = ( - b - b2 - 4ac) /2a。由于微機采用節(jié)節(jié)點浮點數(shù)進行計算,從而求出鉑熱電阻的實際溫度值。4. 實際應用根據(jù)以上的鉑熱電阻測溫電路的設(shè)計,進行實際應用測試。以實際溫度為0 630進行測試計算,計算結(jié)果如附表。附表達式取值表 三PN結(jié)溫度傳感器 PN結(jié)溫度傳感器 工作原理 晶體二極管或三極管的PN結(jié)的結(jié)電壓是隨溫度而變化的。例如硅管的PN結(jié)的結(jié)電壓在溫度每升高1時，下降-2mV，利用這種特性，一般可以直接采用二極管（如玻璃封裝的開關(guān)二極管1N4148）或采用硅三極管（可將集電極和基極短接）接成二極管來做PN結(jié)溫度傳感器。這種傳感器有較好的線性，尺寸小，其熱時間常數(shù)為0.22秒，靈敏度高。測溫范圍為-50+150。典型的溫度曲線如圖1所示。同型號的二極管或三極管特性不完全相同，因此它們的互換性較差。 應用電路 圖（2）是采用PN結(jié)溫度傳感器的數(shù)字式溫度計，測溫范圍-50150，分辨率為0.1,在0100范圍內(nèi)精度可達1。 圖中的R1，R2，D，W1組成測溫電橋，其輸出信號接差動放大器A1，經(jīng)放大后的信號輸入02.000V數(shù)字式電壓表（DVM）顯示。放大后的靈敏度10mV/。A2接成電壓跟隨器。與W2配合可調(diào)節(jié)放大器A1的增益。 通過PN結(jié)溫度傳感器的工作電流不能過大，以免二極管自身的溫升影響測量精度。一般工作電流為100300mA。采用恒流源作為傳感器的工作電流較為復雜，一般采用恒壓源供電，但必須有較好的穩(wěn)壓精度。 精確的電路調(diào)整非常重要，可以采用廣口瓶裝入碎冰渣（帶水）作為0的標準，采用恒溫水槽或油槽及標準溫度計作為100或其它溫度標準。在沒有恒水槽時，可用沸水作為100的標準（由于各地的氣壓不同，其沸點不一定是100，可用0100的水銀溫度計來校準）。 將PN結(jié)傳感器插入碎冰渣廣口瓶中，等溫度平衡，調(diào)整W1，使DVM顯示為0V，將PN結(jié)傳感器插入沸水中（設(shè)沸水為100），調(diào)整W2，使DVM實現(xiàn)為100.0V，若沸水溫度不是100時，可按照水銀溫度計上的讀數(shù)調(diào)整W2，使DVM顯示值與水銀溫度計的數(shù)值相等。再將傳感器插入0環(huán)境中，等平衡后看顯示是否仍為0V，必要時再調(diào)整W1使之為0V，然后再插入沸水，看是否與水銀溫度計計數(shù)相等，經(jīng)過幾次反復調(diào)整即可。 圖中的DVM是通用3位半數(shù)字電壓表模塊MC14433，可以裝入儀表及控制系統(tǒng)中作顯示器。MC14433的應用電路可參考本網(wǎng)站的常用A/D轉(zhuǎn)換器中的技術(shù)手冊。它的主要技術(shù)指標如下：基本量程：1.999V(2V) 線性誤差：該讀數(shù)的0.05%1字電源：57.5V單電源平均功耗：300mW 過量程時：數(shù)字閃爍DU腳接地時：數(shù)據(jù)可保持 DA型線性PN結(jié)溫度傳感器 DA型線性PN結(jié)溫度傳感器是一種新型半導體敏感器件, 它是一種負溫度系數(shù)溫度電壓轉(zhuǎn)換器件。它以優(yōu)良的線性度，精確的互換性而擠身于熱電偶，鉑電阻，和熱敏電阻的測控溫行列之中。它兼有熱電偶，鉑電阻，熱敏電阻的各自優(yōu)點，又克服了這些傳統(tǒng)測溫器件難以克服的某些固有缺陷，成為一種新的計量器具，是自動控制技術(shù)和儀器儀表工業(yè)不可缺少的基礎(chǔ)元器件。在-30200常溫區(qū)內(nèi)，這種線性PN結(jié)溫度傳感器將有著及其寬廣的應用前途。 DA型線性PN結(jié)溫度傳感器，它徹底擺脫了傳統(tǒng)溫度傳感器非線性這一長久困擾電子設(shè)計人員的難題，它不需要線性化補償網(wǎng)絡(luò)與繁雜的設(shè)計和計算以及在生產(chǎn)過程中的復雜調(diào)試。四非接觸式雙波長光纖溫度傳感器如下圖所示，工作原理是光纖傳感頭接收黑體輻射腔發(fā)射的輻射光波，經(jīng)過傳輸光纖，從測量現(xiàn)場傳回至儀表，通過波分復用器將輻射光信號分別轉(zhuǎn)成電信號后，進行轉(zhuǎn)換，然后由二次儀表計算出溫度。它的主要優(yōu)點是：非接觸測量，可測運動物體的瞬間溫度；響應速度快，沒有一般溫度計的熱平衡時間；可作為高溫測量。五分布式光纖溫度傳感器 如下圖，光纖中的光線在溫度場中受到調(diào)制后，產(chǎn)生自發(fā)的喇曼散射。然后經(jīng)過分束器、反光鏡，通過雙光柵單色儀把接收到的反斯托克斯和斯托克斯散射光送到光電倍增管，然后通過鑒別器過濾噪聲、干擾，最后由光子計數(shù)器送到計算機進行處理。分布式光纖溫度傳感器在1KM的光纖上可以實現(xiàn)1攝氏度的溫度分辨率，7M的空間分辨率，時間分辨率為180S 在實際應用中對斯托克斯和反斯托克斯波長處不同的后向傳輸損耗必須做一些微小的修正，喇曼分布式傳感器的不足之處是返回信號非常弱，因為反斯托克斯 -喇曼散射比瑞利散射強度要弱20-30db。它的主要優(yōu)點是：非接觸測量，可測運動物體的瞬間溫度；響應速度快，沒有一般溫度計的熱平衡時間，可作為高溫測量。六智能溫度傳感器發(fā)展的新趨勢進入21世紀后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。1提高測溫精度和分辨力在20世紀90年代中期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是8位A/D轉(zhuǎn)換器，其測溫精度較低，分辨力只能達到1。目前，國外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是912位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨力一般可達0.50.0625。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例，它對本地傳感器、每一路遠程傳感器的轉(zhuǎn)換時間分別僅為27s、9s。2增加測試功能新型智能溫度傳感器的測試功能也在不斷增強。例如，DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實時日歷時鐘（RTC），使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲功能，利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的E2PROM存儲器，可存儲用戶的短信息。另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開發(fā)多路溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。智能溫度傳感器都具有多種工作模式可供選擇，主要包括單次轉(zhuǎn)換模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、待機模式，有的還增加了低溫極限擴展模式，操作非常簡便。3總線技術(shù)的標準化與規(guī)范化目前，智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實現(xiàn)了標準化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線（-Wire）總線、I2C總線、SMBus總線和spI總線。4可靠性及安全性設(shè)計新型智能溫度傳感器（例如TMP03/04、LM74、LM83）普遍采用了高性能的-式A/D轉(zhuǎn)換器，它能以很高的采樣速率和很低的采樣分辨力將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再利用過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)，來提高有效分辨力。-式A/D轉(zhuǎn)換器不僅能濾除量化噪聲，而且對外圍元件的精度要求低。為了避免在溫控系統(tǒng)受到噪聲干擾時產(chǎn)生誤動作，在AD7416/7417/7817、LM75/76、MAX6625/6626等智能溫度傳感器的內(nèi)部，都設(shè)置了一個可編程的“故障排隊（fAultqueue）”計數(shù)器，專用于設(shè)定允許被測溫度值超過上、下限的次數(shù)。僅當被測溫度連續(xù)超過上限或低于下限的次數(shù)達到或超過所設(shè)定的次數(shù)n（n=14）時，才能觸發(fā)中斷端。若故障次數(shù)不滿足上述條件或故障不是連續(xù)發(fā)生的，故障計數(shù)器就復位而不會觸發(fā)中斷端。這意味著假定n=3時，那么偶然受到一次或兩次噪聲干擾，都不會影響溫控系統(tǒng)的正常工作。LM76型智能溫度傳感器增加了溫度窗口比較器，非常適合設(shè)計一個符合ACPI（AdvAnced ConfigurAtion And Power InterfAce，即“先進配置與 電源 接口”）規(guī)范的溫控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有完善的過熱保護功能。為防止因人體靜電放電（ESD）而損壞芯片，一些智能溫度傳感器還增加了ESD保護電路，一般可承受10004000V的靜電放電電壓。通常是將人體等效于由100PF電容和1.2K歐姆電阻串聯(lián)而成的電路模型。LM83型智能溫度傳感器則可承受4000V的靜電放電電壓。最新