簡述溫度傳感器工作原理及其分類標準
時間：2020-03-16點擊：1444次
溫度是一個基本的物理量，實際應(yīng)用中經(jīng)常需要測試的參數(shù)，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)，從鋼鐵制造到半導體生產(chǎn)，很多工藝都要依靠溫度來實現(xiàn)，溫度測量變得非常重要。
溫度是一個基本的物理量，實際應(yīng)用中經(jīng)常需要測試的參數(shù)，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)，從鋼鐵制造到半導體生產(chǎn)，很多工藝都要依靠溫度來實現(xiàn)，溫度測量變得非常重要。溫度測量應(yīng)用非常廣泛，不僅生產(chǎn)工藝需要溫度控制，有些電子產(chǎn)品還需對它們自身的溫度進行測量，如計算機要監(jiān)控CPU的溫度，馬達控制器要知道功率驅(qū)動IC的溫度等等。溫度傳感器是應(yīng)用系統(tǒng)與現(xiàn)實世界之間的橋梁。
溫度傳感器工作原理
溫度傳感器是之前開發(fā)，應(yīng)用廣的一類傳感器，是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器，是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多，主要基于以下工作原理：
金屬膨脹原理設(shè)計的傳感器：金屬在環(huán)境溫度變化后會產(chǎn)生一個相應(yīng)的延伸，因此傳感器可以以不同方式對這種反應(yīng)進行信號轉(zhuǎn)換。
雙金屬片式傳感器：雙金屬片由兩片不同膨脹系數(shù)的金屬貼在一起而組成，隨著溫度變化，材料A比另外一種金屬膨脹程度要高，引起金屬片彎曲。彎曲的曲率可以轉(zhuǎn)換成一個輸出信號。
雙金屬桿和金屬管傳感器：隨著溫度升高，金屬管（材料A）長度增加，而不膨脹鋼桿（金屬B）的長度并不增加，這樣由于位置的改變，金屬管的線性膨脹就可以進行傳遞。反過來，這種線性膨脹可以轉(zhuǎn)換成一個輸出信號。
液體和氣體的變形曲線設(shè)計的傳感器：在溫度變化時，液體和氣體同樣會相應(yīng)產(chǎn)生體積的變化。
多種類型的結(jié)構(gòu)可以把這種膨脹的變化轉(zhuǎn)換成位置的變化，這樣產(chǎn)生位置的變化輸出（電位計、感應(yīng)偏差、擋流板等等）。
溫度傳感器分類
溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。溫度傳感器應(yīng)用廣泛，涵蓋食品加工、HVAC 環(huán)境控制、醫(yī)療器械、化學品處理和汽車引擎罩下監(jiān)控（如冷卻劑、進氣管、氣缸蓋溫度等）。溫度傳感器用于測量熱度，以確保某個過程在應(yīng)對高溫、危險或無法接觸的測量點時，要么能在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，使應(yīng)用安全，要么滿足一個強制性條件的要求。溫度傳感器按照不同的分類標準，有不同的種類。
按測量方式區(qū)分
按照測量方式，溫度傳感器可分為接觸式和非接觸式兩大類。
接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計。
溫度計通過傳導或?qū)α鬟_到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。
一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產(chǎn)生較大的測量誤差，常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。
非接觸式的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。
常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。各類輻射測溫方法只能測出對應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度，則要進行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和波長，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關(guān)，因此很難準確測量。
非接觸式溫度傳感器的優(yōu)點是測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對可測溫度原則上沒有限制。
按材料及電子元件特性區(qū)分
按照傳感器材料及電子元件特性，溫度傳感器分為熱電阻和熱電偶兩類。
熱敏電阻是用半導體材料， 大多為負溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。
溫度變化會造成大的阻值改變，因此它是靈敏的溫度傳感器。但熱敏電阻的線性度差，并且與生產(chǎn)工藝有很大關(guān)系。
熱敏電阻還有其自身的測量技巧。熱敏電阻體積小是優(yōu)點，它能很快穩(wěn)定，不會造成熱負載。不過也因此很不結(jié)實，大電流會造成自熱。由于熱敏電阻是一種電阻性器件，任何電流源都會在其上因功率而造成發(fā)熱。功率等于電流平方與電阻的積。因此要使用小的電流源。如果熱敏電阻暴露在高熱中，將導致?lián)p壞。
熱電偶是溫度測量中常用的溫度傳感器。其主要好處是寬溫度范圍和適應(yīng)各種大氣環(huán)境，而且結(jié)實、價低，無需供電，也是便宜的。電偶是簡單和通用的溫度傳感器，但熱電偶并不適合高精度的的測量和應(yīng)用。
按溫度傳感器輸出信號的模式區(qū)分
按照溫度傳感器輸出信號的模式，可大致劃分為三大類：數(shù)字式溫度傳感器、邏輯輸出溫度傳感器、模擬式溫度傳感器。
數(shù)字式溫度傳感器采用硅工藝生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器，其采用PTAT結(jié)構(gòu)，這種半導體結(jié)構(gòu)具有準確的，與溫度相關(guān)的良好輸出特性。
邏輯輸出溫度傳感器。在許多應(yīng)用中，我們并不需要嚴格測量溫度值，只關(guān)心溫度是否超出了一個設(shè)定范圍，一旦溫度超出所規(guī)定的范圍，則發(fā)出報警信號，啟動或關(guān)閉風扇、空調(diào)、加熱器或其它控制設(shè)備，此時可選用邏輯輸出式溫度傳感器。
模擬溫度傳感器，如熱電偶、熱敏電阻和RTDS對溫度的監(jiān)控，在一些溫度范圍內(nèi)線性不好，需要進行冷端補償或引線補償；熱慣性大，響應(yīng)時間慢。集成模擬溫度傳感器與之相比，具有靈敏度高、線性度好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，而且它還將驅(qū)動電路、信號處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片IC上，有實際尺寸小、使用方便等優(yōu)點。
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