- 溫度傳感器集錦
- 各種傳感器的原理
溫度測(cè)量的最新進(jìn)展
當(dāng)前，雖然主要的溫度傳感器，如熱電偶、熱電阻及輻射溫度計(jì)等的技術(shù)已經(jīng)成熟，但是只能在傳統(tǒng)的場(chǎng)合應(yīng)用，不能滿足許多領(lǐng)域的要求，尤其是高科技領(lǐng)域。因此，各國(guó)專(zhuān)家都在針對(duì)性的競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)發(fā)各種新型溫度傳感器及特殊的實(shí)用測(cè)量技術(shù)。
光纖溫度傳感器
光導(dǎo)纖維（簡(jiǎn)稱光纖）自20世紀(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，從理論和實(shí)踐上都已證明它具有一系列的優(yōu)越性，光纖在傳感技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用也日益受到廣泛重視。光纖傳感器是一種將被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置。它是由光耦合器、傳輸光纖及光電轉(zhuǎn)換器等三部分組成。目前已有用來(lái)測(cè)量壓力、位移、應(yīng)變、液面、角速度、線速度、溫度、磁場(chǎng)、電流、電壓等物理量的光纖傳感器問(wèn)世，解決了傳統(tǒng)方式難以解決的測(cè)量技術(shù)問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前約有百余種不同形式的光纖傳感器，用于不同領(lǐng)域進(jìn)行檢測(cè)?？梢灶A(yù)料，在新技術(shù)革命的浪潮中，光纖傳感器必將得到廣泛的應(yīng)用，并發(fā)揮出更多的作用。
特種測(cè)溫?zé)崦綦娎|
熱電偶是傳統(tǒng)的溫度傳感器，用途非常廣泛。近年來(lái)，又發(fā)展出了一種新的測(cè)溫技術(shù)，能在火災(zāi)事故預(yù)警中有獨(dú)特的應(yīng)用。這種新型溫度傳感器稱為特種測(cè)溫?zé)崦綦娎|，又被稱為連續(xù)熱電偶ContinuousThermocouple)或?qū)崾綗犭娕迹℉eatingSeekingThermocouple）。
熱敏電纜利用電偶熱電效應(yīng)，但測(cè)量的不是偶頭部的溫度，而是沿?zé)犭姌O長(zhǎng)度上最高溫度點(diǎn)的溫度。由于這種獨(dú)特功能，最初被發(fā)達(dá)國(guó)家作為高精技術(shù)設(shè)備鋪設(shè)在航空母艦、驅(qū)逐艦的艦艙以及軍用飛機(jī)等軍事設(shè)備中。目前，已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域來(lái)預(yù)防和減少因“過(guò)熱”引起的事故和損失。
熱敏電纜的主要性能
目前，熱敏電纜主要有兩種產(chǎn)品類(lèi)型（FTLD和CTTC），它們測(cè)溫原理相同，只是技術(shù)參數(shù)不同。
材料構(gòu)成外層保護(hù)管：FTLD型采用雙層聚四氟乙烯，CTTC型采用鉻鎳鐵合金。為有效避免測(cè)量環(huán)境中的粉塵、油脂以及水分等介質(zhì)浸入，以及溫度范圍不同而引起的誤報(bào)，故采用不同材料。測(cè)溫元件：K型熱電偶。
外形尺寸目前現(xiàn)有的產(chǎn)品長(zhǎng)度約6~15m，若需長(zhǎng)度加大，可以將幾根熱敏電纜連接起來(lái)。外徑尺寸FTLD為f3.5mm，CTTC為f9.3~18.7mm，可安裝在傳統(tǒng)探頭無(wú)法鋪設(shè)到的惡劣環(huán)境中。
工作溫度FTLD為-40~200℃，CTTC為-40~899℃。
分度與靈敏度熱敏電纜的分度與普通熱電偶相近，由于連續(xù)熱電偶的“臨時(shí)”熱接點(diǎn)不是緊密連接，熱接點(diǎn)之外兩電極間也并非完全絕緣，所以熱敏電纜的輸出熱電勢(shì)與同種熱電偶相比稍有降低，換算成溫度大約相差十幾攝氏度，這對(duì)于火警預(yù)報(bào)來(lái)說(shuō)是可以接受的。
彎曲半徑除和熱敏電纜組成材料的性能和質(zhì)量有關(guān)外，還與隔離材料的密實(shí)程度有關(guān)。一般彎曲半徑為熱敏電纜外徑的10~20倍。
石英溫度計(jì)
隨著生產(chǎn)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各部門(mén)對(duì)溫度測(cè)量與控制的要求越來(lái)越高，尤其對(duì)高精度、高分辨率溫度傳感器的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，普通的傳感器難以滿足要求。
石英溫度計(jì)的特性
高分辨率分辨率達(dá)0.001~0.0001℃。
高精度在-50℃~120℃范圍內(nèi)，精度為±0.05℃。普通溫度計(jì)的精度為±0.1℃。
誤差小熱滯后誤差小，響應(yīng)時(shí)間為1s，可以忽略。
性能穩(wěn)定它是頻率輸出型傳感器，故不受放大器漂移和電源波動(dòng)的影響，即使將傳感器遠(yuǎn)距離（如1500m）設(shè)置也不受影響，但是抗強(qiáng)沖擊性能較差。
石英溫度計(jì)的應(yīng)用
石英溫度計(jì)既可用于高精度、高分辨率的溫度測(cè)量，又可作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)進(jìn)行量值傳遞，也可以在現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)合下進(jìn)行精密測(cè)溫或用于恒溫槽的精密控溫，還可用作遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度測(cè)量等。
聲學(xué)溫度計(jì)
聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)具有測(cè)溫原理簡(jiǎn)單、非接觸、測(cè)溫范圍寬（0~1900℃）、可在線測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已應(yīng)用于發(fā)電廠、垃圾焚燒爐、水泥回轉(zhuǎn)窯等工業(yè)過(guò)程的溫度測(cè)量和控制。
利用超聲波測(cè)量氣體溫度
利用測(cè)量超聲波在氣體中傳播速度因溫度不同而變化的溫度計(jì)稱為超聲波溫度計(jì)。用超聲波測(cè)量氣體溫度具有響應(yīng)速度快、不受外壁熱輻射影響等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量對(duì)象十分廣泛，從滾梯上方氣體的平均溫度，到內(nèi)燃機(jī)混合氣體爆炸燃燒時(shí)的溫度測(cè)量等。
超聲波測(cè)量氣體溫度的工作原理與聲學(xué)測(cè)溫相同，聲速的測(cè)量方法有兩種：
脈沖法測(cè)量如果揚(yáng)聲器與收音器間的距離為l，傳播的時(shí)間為τ，則可依據(jù)u=l／τ，求得u。當(dāng)測(cè)量場(chǎng)所有風(fēng)時(shí)，若直接測(cè)量聲速將產(chǎn)生誤差。在這種情況下，將揚(yáng)聲器與收音器交換測(cè)量，選用兩者的平均速度更為準(zhǔn)確。
共振法測(cè)量利用共振頻率f=u/l可求得u。
固體超聲波溫度計(jì)
利用聲波在固體中傳播速度，隨溫度而變化的溫度計(jì)稱為固體超聲波溫度計(jì)。由于聲波在固體中傳播時(shí)，聲速的靈敏度隨溫度的升高而增大，因此，這種溫度計(jì)更適用于高溫測(cè)量。
核四級(jí)共振溫度計(jì)(NQR溫度計(jì))
核磁共振是原子核系統(tǒng)的磁共振。具有核自旋的物質(zhì)處于靜磁場(chǎng)中，當(dāng)在靜磁場(chǎng)垂直方向加電磁波時(shí)，將對(duì)某頻率的電磁波產(chǎn)生吸收現(xiàn)象即為核磁共振。氯酸鉀KCIO3晶體中核自旋具有電四極矩的CI35原子核，在軸對(duì)稱電場(chǎng)梯度中，自旋產(chǎn)生能級(jí)躍遷，出現(xiàn)吸收電磁波的現(xiàn)象，稱核四級(jí)共振。利用共振吸收頻率隨溫度升高而減少的特性制成的溫度計(jì)，稱為核四級(jí)共振溫度計(jì)。該溫度計(jì)可以作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)或高精度實(shí)用溫度計(jì)。
NQR溫度計(jì)的特性
- 高準(zhǔn)確度、高分辨率準(zhǔn)確度可達(dá)±0.005K；共振吸收頻率與溫度的相關(guān)性好，在室溫附近為5kHz/K，分辨率達(dá)1mK。
- 不需要分度溫度與吸收頻率的關(guān)系，只取決于KCIO3的結(jié)構(gòu)，從根本上保證良好的重現(xiàn)性（在6Kz以下）。
- 互換性好在水三相點(diǎn)其互換性為±10Hz，性能極其優(yōu)越。
- 輸出為頻率信號(hào)，容易保護(hù)高精度可利用標(biāo)準(zhǔn)電波、電視信號(hào)等作高精度的基準(zhǔn)信號(hào)，便于數(shù)字化處理。
- 溫度范圍廣對(duì)于高精度測(cè)量適用于室溫至低溫范圍。
- 從檢測(cè)微弱的吸收信號(hào)直到轉(zhuǎn)換成溫度，可全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
- 熱噪聲溫度計(jì)
由于電子的熱運(yùn)動(dòng)，可在電阻的兩端產(chǎn)生由熱噪聲引起的電位起伏。這種熱噪聲又稱約翰遜噪聲，熱噪聲電壓與溫度之間存在確定關(guān)系。利用熱噪聲電壓與溫度的相互關(guān)系，可制成熱噪聲溫度計(jì)。熱噪聲溫度計(jì)具有如下特性：不需要分度；與傳感器材料無(wú)關(guān)，不受壓力影響；傳感器的阻值幾乎不影響測(cè)量精度；測(cè)溫范圍廣（4-1400K）。
因此，熱噪聲溫度計(jì)可望成為一種理想的測(cè)溫方式。然而，熱噪聲溫度計(jì)產(chǎn)生的電壓信號(hào)小，信號(hào)處理困難，操作也復(fù)雜，至今仍未實(shí)用化。
半導(dǎo)體集成電路溫度傳感器
眾所周知，晶體管的基極—發(fā)射極的正向壓降隨著溫度的升高而減少。利用P-N結(jié)的這一固有特性，可制成溫度傳感器。AD590集成電路溫度傳感器就是典型的一種，DS1820則是最新的發(fā)展。
DSl820智能溫度傳感器
智能溫度傳感器是在半導(dǎo)體集成溫度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。其主要優(yōu)點(diǎn)是采用數(shù)字化技術(shù)，能以數(shù)字形式直接輸出被測(cè)溫度；能夠遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)；用戶可設(shè)定溫度上、下限，具有越限自動(dòng)報(bào)警功能；自帶總線接口，適配各種微處理器和單片機(jī)，便于開(kāi)發(fā)具有一定智能功能的溫度測(cè)控系統(tǒng)。其中，DS1820就是典型的智能溫度傳感器。
基本特性
DSl820是美國(guó)生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。因體積小、轉(zhuǎn)換快、分辨率高、數(shù)字量傳輸?shù)?，使其在多點(diǎn)測(cè)溫、智能溫度檢測(cè)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。與其他溫度傳感器相比，DS1820具有以下特點(diǎn)：
●獨(dú)特的單線接口方式；
●支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能；
●在使用中不需要任何外圍元件。
●測(cè)溫范圍為-55~+125℃；
●測(cè)量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。
