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文檔簡介

1、常用溫度傳感器的對比分析及選擇大致的要點:1溫度傳感器概述:應(yīng)用領(lǐng)域,重要性;2四種主要的溫度傳感器類型的橫向比較3熱電偶傳感器4熱電阻傳感器5熱敏電阻傳感器6集成電路溫度傳感器以及典型產(chǎn)品舉例7溫度傳感器的正確選擇及應(yīng)用在各種各樣的測量技術(shù)中,溫度的測量可能是最為常見的一種,因為任何的應(yīng)用領(lǐng)域,掌握溫度的確切數(shù)值,了解溫度與實際狀態(tài)之間的差異等,都具有極為重要的意義。就以測量為例,在力的測量,壓力,流量,位置及電平高低等測量的過程中,為了提高測量精度,通常都會要求對溫度進行監(jiān)視,如壓力或力的測量,往往是使用惠斯登電阻電橋,但組成電橋的電阻隨溫度變化引起的誤差,往往會大大超過待測力引起的電阻值

2、變化,如不對溫度進行監(jiān)控并據(jù)此校正測量結(jié)果,則測量完全不可能進行或者毫無效果。其他參數(shù)測量也有類似問題,可以說,各種的物理量都是溫度的函數(shù),要得到精確的測定結(jié)果,必須針對溫度的變化,作出精確的校正。本文就是幫助讀者針對特定的用途,選擇最為合適的溫度傳感器,并進行精確的溫度測量。工業(yè)上常用的溫度傳感器有四類:即熱電偶、熱電阻、熱敏電阻及集成電路溫度傳感器;每一類溫度傳感器有自己獨特的溫度測量范圍,有自己適用的溫度環(huán)境;沒有一種溫度傳感器可以通用于所有的用途:熱電偶的可測溫度范圍最寬,而熱電阻的測量線性度最優(yōu),熱敏電阻的測量精度最高。表1是四類傳感器的各自獨特的性能特性及相互比較。表2是四類傳感器

3、的典型應(yīng)用領(lǐng)域。婷電阻RTD熾敏咀列割虛電席熱戦牧S-270一1&DCC-25000勺-toot-ISOC-55-150XStlilRKdt*s十jivrc0.00305Si/Ce-fQ/Qi,!BCa決*工藝直術(shù)黑敬匱可鎚rpv/C測徂和度L5Poorc0.1ftC*19am霍IE產(chǎn)宦JE畫覬第嗨或或BL奪玻的閃飆擁就!S至少楚二次窘卬式成是苓魄的對掘蓋箱鑒至少54三慶弭項式K桃言十UM內(nèi)無箱嫂性住ae熱怎惶城徑較WL便赴科傳岳樓較為盤實.加之岸莊:進境陵沌一步曲聲It強厘3電陰犢界國篁哉両嘶?壬畫耀血于比類鵲雪31雜逵妊$4晟帕雅針駅怕格1。一50臺運0-EOOO鼻元2-I口箕沅*1DSE

4、re&I將收電陰.業(yè)上最需用的四=宛恥廈估isau注有一馨淫it傳吞的呵取硏韋應(yīng)用躲載-的豊屯建范出垠養(yǎng)陽電陰協(xié)堰性喙廚口捕牧帝昭的弼図祁龍曜離麗軒舷且瓏鵝麼傳藝弱到可應(yīng)實現(xiàn)群宏議在電弗円并禹圃液鼻莠淮出承怖欝皿練站IST-*QWli-T-l?inT3ri熱電偶-通用而經(jīng)濟熱電偶由二根不同的金屬線材,將它們一端焊接在一起構(gòu)成,如圖1所示;參考端溫度(也稱冷補償端)用來消除鐵-銅相聯(lián)及康銅-銅聯(lián)接端所貢獻的誤差;而兩種不同金屬的焊接端放置于需要測量溫度的目標上。兩種材料這樣聯(lián)接后會在未焊接的一端產(chǎn)生一個電壓,電壓數(shù)值是所有聯(lián)接端溫度的函數(shù),熱電偶無需電壓或電流激勵。實際應(yīng)用時,如果試圖提供電壓或

5、電流激勵反而會將誤差引進系統(tǒng)。鑒于熱電偶的電壓產(chǎn)生于兩種不同線材的開路端,其與外界的接口似乎可通過直接測量兩導(dǎo)線之間的電壓實現(xiàn);如果熱電偶的的兩端頭不是聯(lián)接至另外金屬,通常是銅,那末事情真會簡單至此。但熱電偶需與另外一種金屬聯(lián)接這一事實,實際上又建立了新的一對熱電偶,在系統(tǒng)中引入了極大的誤差,消除此誤差的唯一辦法是檢測參考端的溫度(參見圖1),以硬件或硬件-軟件相結(jié)合的方式將這一聯(lián)接所貢獻的誤差減掉,純硬件消除技術(shù)由于線性化校正的因素,比軟件-硬件相結(jié)合技術(shù)受限制更大。一般情況下,參考端溫度的精確檢測用熱電阻,熱敏電阻或是集成電路溫度傳感器進行。原則上說,熱電偶可由任意的兩種不同金屬構(gòu)建而成,

6、但在實踐中,構(gòu)成熱電偶的兩種金屬組合已經(jīng)標準化,因為標準組合的線性度及所產(chǎn)生的電壓與溫度的關(guān)系更趨理想。表與圖是常用的熱電偶的特性。髦翼ex曰円兔礙E特-ZOOtD9K9eouv/cn立.ktcJ-jmOto陽SiiiV/CBV.IWsHM*TR-ZWto37140mVCJR1L強-導(dǎo)直電FataKi*nlata-200k124I40pVCHIMI-rpbtjcp/M0V/Ciit5TJTTTfrnu亠nDio轆陽12|1VCtugjE/3w-tTinJIOOC200030C04000環(huán)驍渥度軍氏)5000ffi2煥電偶柱寫廣的溫Jg范0S內(nèi)均十牛靈敏.使之適用于備種惡黔環(huán)壌下的渦度測娜熱電偶

7、是一種高度非線性器件,需作大力線性化算法處置。表3的西貝克系數(shù)是某種熱電偶在規(guī)定溫度下的平均飄移。熱電偶交貨時,其性能由制造商按標準保證(此標準已被采納),標準規(guī)定了熱電偶的溫度特性以及所用原材料的品質(zhì)。與熱電阻,熱敏電阻及集成電路硅傳感器相比,熱電偶的非線性極其嚴重,因此,在電路部分,必須進行復(fù)雜的算法處理,表所示是復(fù)雜算法的一個實例,這是型熱電偶的溫度系數(shù),可將其在度至度范圍內(nèi)予以線性化,這些系數(shù)應(yīng)用于以下方程:式中:是熱電偶兩端的電壓;是溫度1.7600413-686X10253.39212W975XW*2C21.5558770032XW&-9.945759?&74x10s1040945

8、19XlO19=5-5.6072B448S9x10lS5.6Q75C59G59X=7.-X2020720Q03K10CS.7151147152x10-1.2104721275K102t表4叢列是K型熬電憐的嘉fib可陽于0-H72)攝氏茂逞癢范固內(nèi)對揄出溫度作線性世處珪.所強各乘JS%閤于握性北方程中.另一種這些復(fù)雜計算方法的應(yīng)用是在處理程序中制作一張對照表,這樣一張表所列的型熱電偶的系數(shù)計算對照表是-組陣列的十進制數(shù),范圍為-除此之外,熱電偶由于與參考溫度之間有一定的函數(shù)關(guān)系,它能確定溫度的數(shù)值,(參考溫度定義為熱電偶導(dǎo)線相對其焊接端的遠端端頭溫度,通常用熱電阻,熱敏電阻或硅集成電路傳感器測

9、定)。與熱電阻,熱敏電阻相比,熱電偶的熱質(zhì)量較小,因此其響應(yīng)速度較快。這種溫度傳感器由于其寬廣的溫度檢測范圍,在一些惡劣環(huán)境下幾乎成為獨一無二的選擇。熱電偶誤差分析熱電偶比較其他溫度傳感器的成本低,結(jié)構(gòu)強度大,體積??;但材料所受的任何應(yīng)力,如彎曲,拉伸,壓縮均可改變熱梯度特性;此外,腐蝕介質(zhì)可穿透其絕緣外皮,引起其熱力學(xué)特性的改變,給熱電偶加一保護性管殼,如陶瓷管以作高溫保護是可行的,金屬熱阱也可提供機械保護。熱電偶電壓沿兩種不同金屬的長度方向上存在電壓降,但這并不意味著長度較短的熱電偶與長度較大的熱電偶相比,肯定會有不同的西貝克系數(shù)。線材長度短,當(dāng)然會使溫度梯度陡峻,但從導(dǎo)電效應(yīng)來看,線材長

10、度較大的熱電偶卻有它自己的優(yōu)點,這時溫度梯度是會小些,但導(dǎo)電損失也減??;但從長導(dǎo)線的負面效應(yīng)來看,長線材熱電偶的輸出電壓小,增加了后續(xù)信號調(diào)理電路的負擔(dān)。除了輸出信號小之外,器件的線性度差需要大額度的校準,通常是以硬件與軟件實現(xiàn),如以硬件實現(xiàn),需要一絕對溫度參考用作為冷端參考,如以軟件實現(xiàn),則以對照表或多項式計算以減小熱電偶誤差。最后,電磁干擾會耦合進這雙線系統(tǒng);小線規(guī)線材可用作高溫檢測,壽命也會長些,但如果靈敏度成為最重要因素,則大線規(guī)線材的測量性能好些??偲饋碇v,熱電偶由于可測溫度范圍大,機械強度高,及價格低,成為溫度測量的常選。高精度系統(tǒng)要求的線性度及準確度,要實現(xiàn)并不容易。如果精度要求

11、更高,則應(yīng)選擇其他的溫度傳感器。熱電阻熱電偶的絕對替代器件熱電阻測溫元件的技術(shù)在持續(xù)不斷地改進,溫度測量的質(zhì)量在不斷提高,但要真正實現(xiàn)高質(zhì)量、高精度的溫度測量系統(tǒng),熱電阻的器件選擇仍然極為重要。熱電阻系一電阻性的元件,由金屬制成,如鉑,鎳,銅等,所選金屬必須具有可以預(yù)測的電阻值隨溫度變化的特性,其物理性能要易于加工制造,電阻溫度系數(shù)必須足夠大,使其電阻隨溫度的改變易于準確測量。其他的溫度檢測器件,如熱電偶,并不能讓設(shè)計人員有一種相當(dāng)線性的電阻隨溫度變化特性,而熱電阻這種線性度極好的電阻溫度特性,大大簡化了信號處理電路的設(shè)計制作。圖5所示系熱電阻的溫度電阻特性,其中又以鉑電阻在三種金屬中具有最為

12、精確、可靠的溫度電阻特性。揀乜阻RTD材科o-c時船晌應(yīng)C時林料懈型電除率0.00365mi/PC(IEC751)a.aixiaaicmW砒踴時WCt?IIi5.91x10iSilcm0.00427ibiVC1,53x10s11cm5擒電限RTEJ對用第幹材糾制成,此種關(guān)件的電陽溫止那越單位是口也P叮07的)因此,鉑電阻最適于需要最高的絕對精度及重復(fù)性使用場合,它對環(huán)境的敏感度極低,與此相比,銅電阻則易產(chǎn)生腐蝕,長期穩(wěn)定性差,而鎳電阻雖然環(huán)境寬容度好,但適用溫度范圍較窄。鉑電阻的對溫度響應(yīng)的線性度好,化學(xué)惰性,容易加工制作直徑較細的線材或是厚度小的箔材,鉑的電阻率高于其他的熱電阻材料,在電阻值

13、相同的情況要求用材少,適于對成本考慮較強,對熱響應(yīng)講究的場合。鉑電阻的熱響應(yīng)速度影響測量時間,它還取決于電阻的殼體及本身的尺寸情況,元件本身的尺寸小,外殼尺寸也可做得小些,一般地說,鉑熱電阻的響應(yīng)速度要比以半導(dǎo)體制作的溫度傳感器響應(yīng)快。熱電阻在攝氏零度的絕對電阻數(shù)值范圍很大,可以由用戶規(guī)定,如鉑電阻的標準電阻為10歐0,但也有501,002,0等阻值。前已經(jīng)述及,熱電阻是以絕對法測量溫度的,而不是象熱電偶測的是相對兩端之差,因此,任何其他的傳感器無助于改善熱電阻的測量精度。多數(shù)情況下,熱電阻無需作線性化處理,表6所示是一套100歐姆熱電阻的溫度電阻特性,當(dāng)溫度從0度變化到100度時,其電阻的變

14、化量為:A?=fTlieriJiiriResponse)7?a-JrAR=M003SQO*CxWgrXR=3S.5I2與此同時,表中還以為單位,列出了鉑電阻在其工作溫度范圍內(nèi)電阻值的變化精度。就本文論及的熱電阻而言,鉑電阻是線性精度最好的,其線性化方程中只能兩個系數(shù)。1t2t溫度(0Cto859C)之間;t01t2tt1001溫度(200Cto0C)之間;t0式中:為熱電阻在測定溫度下的電阻值;tt為待測定的溫度;為0度時熱電阻的電阻值;和是經(jīng)實驗測定的校正系數(shù);這些方程是經(jīng)五次迭代后求解的,從而可以將求解精度達到土0.001C的精度。渥度(倒阻典型絕對值電組偏差H匾度偏差C-2002,00.

15、5G1”3-1GD61,50,320.60100,0土0,t20.3100136,50-300.8200177.0七0,43土1.3300的5/?::fc0-6*t土1”8400254,0092.3500292.Sjb0.93土2.800331.0:t1.06土3.3700369,51.17士3.86D0408.0上1.28*4.3養(yǎng)6英國裁采加仝司的100歐姆柏唱陰允許儁差,義列的鈾電隕產(chǎn)品1M氐0度的熱響曲丸0.Qgs黑V/V(tEC)熱電阻的誤差分析除表6所示的元件初始誤差外,還有其他的誤差源會影響熱電阻溫度傳感器的總精度,器件應(yīng)用時的機械缺陷,如線材的彎曲,使用中不慎產(chǎn)生的沖擊,器件受

16、熱膨脹時由于外殼的收縮所引起的應(yīng)力,以及震動等,均會對傳感器的測量重復(fù)性產(chǎn)生長周期的影響。以上所述的機械應(yīng)力會影響熱電阻的穩(wěn)定性,信號調(diào)理,增益,對輸出信號的數(shù)字化等電氣設(shè)計也可影響熱電阻的精度,其中的一項是激勵電流對熱電阻的加熱效應(yīng),因為熱電阻需要用激勵電流才能將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓,人們希望流過電阻的激勵電流大些,以使輸出信號大大高于系統(tǒng)的噪聲電平,但這樣做的負面效應(yīng)傳感器會自行發(fā)熱,因為電流與電阻產(chǎn)生了熱功率使器件溫度升高,而這一溫升又使電阻增加。如已知器件的熱阻:,激勵電流數(shù)值,以及熱電阻的阻值,上述誤差很容易計算。例如,如器件的熱阻為50C/W,熱電阻名義值為501,激勵電流為5毫安

17、,則因生熱而產(chǎn)生的溫升為J5C=r2S0Ux=on25&c這一實例說明了將激勵電流選擇得盡可能小,如小于毫安的重要性。第二項誤差源是與器件連接的往返引線,將器件連接至電路的其余部分系一極為重要的一環(huán),有三種形式可考慮采用:圖3所示二線方式是最為經(jīng)濟的,但激勵電流同埋流經(jīng)引線及熱電阻二者,引線之一部分與熱電阻一起暴露于同溫度下,引線電阻隨溫度的變化成為一個重要問題,例如,設(shè)引線用的是5號銅絲,長度為50米(引線電阻為0Q/),則往返兩股導(dǎo)線使熱電阻增加0.10208,對100歐姆名義電阻而言,所引起的測量誤差在零度時為0.2度6,對整個測量產(chǎn)生非線性,圖所示這一精度較差的二導(dǎo)線引線方式可有效地改

18、在三線或四線方式,以完全消除導(dǎo)線引入的誤差。圖Z松電BI斗二妓.三四雄式軸閒,二ts式禺廈晁辱,囚詡西掃:的刖坡迫RUL耳就號薪瀆為L雪玻式構(gòu)度量萬,罔為測粗時可飆削帕濟技常鞘試遷清眸;&.)三疑煉電晦毎畫重廣O迥址礎(chǔ)啤K1F*度離站二馥觸電用桂圧低熱敏電阻-溫度測量精度最高如高精度成為至高無上關(guān)注要點,則溫度傳感器應(yīng)選熱敏電阻類,它有兩個品種,一是負溫度系數(shù),二是正溫度系數(shù)前者是陶瓷制品,由過渡屬元素(如錳,鉆,銅,鎳等)的金屬氧化物為其成份,它需激勵電流,溫度系數(shù)是負的,有相當(dāng)好的線性,且重復(fù)度優(yōu)異,其工作范圍為至50度之間,經(jīng)封裝后,其電阻隨溫度連續(xù)可變,且隨溫度的變化程度極大高于熱電阻,即靈敏度高得多。圖系熱敏電阻的典型溫度特性及其與熱電阻的對照,可清楚看出二者溫度系數(shù)的極大差異,其溫度系數(shù)呈負值,在其工作溫度范圍內(nèi),電阻值可變

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