船舶温度传感器种类、原理及发展趋势.doc

柴油机测试技术作业船舶温度传感器种类、原理及发展趋势【摘要】：温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、而电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展，新型温度传感器还会不断涌现。温度传感器与被测介质的接触方式分为两大类：接触式和非接触式。接触式温度传感器需要与被测介质保持热接触，使两者进行充分的热交换而达到同一温度。这一类传感器主要有电阻式、热电偶、PN结温度传感器等。非接触式温度传感器无需与被测介质接触，而是通过被测介质的热辐射或对流传到温度传感器，以达到测温的目的。这一类传感器主要有红外测温传感器。这种测温方法的主要特点是可以测量运动状态物质的温度（如慢速行使的火车的轴承温度，旋转着的水泥窑的温度）及热容量小的物体（如集成电路中的温度分布）。温度传感器的种类较多，我们介绍几种主要的温度传感器及应用电路【关键词】：传感器 热电阻 热电偶 光纤温度传感器输出信号【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由于工农业生产中温度测量的范围极宽，从零下几百度到零上几千度，而各种材料做成的温度传感器只能在一定的温度范围内使用。常用的测温传感器的种类与测温范围如附表一所示。 一热电偶温度传感器 工作原理 如果两种不同成分的均质导体形成回路，直接测温端叫测量端，接线端子端叫参比端，当两端存在温差时，就会在回路中产生电流，那么两端之间就会存在Seebeck热电势，即塞贝克效应。热电势的大小只与热电偶导体材质以及两端温差有关，与热电偶导体的长度、直径无关， 热电偶具有构造简单、适用温度范围广、使用方便、承受热、机械冲击能力强以及响应速度快等特点，常用于高温区域、振动冲击大等恶劣环境以及适合于微小结构测温场合；但其信号输出灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号和前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。 热电偶性能和参数 1.热响应时间 在温度出现阶跃变化时，热电偶的输出变化至阶跃变化值的50%所需要的时间称为热响应时间，用0.5表示。 2.公称压力 一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而不破裂，实际上，公称压力不仅与保护管材料、直径、壁厚有关，还与其结构形式、安装方法、置入深度以及被测介质的流速和种类等有关。 3.热电偶最小置入深度 应不小于其保护管外径的810倍（特殊产品例外）4.热电偶保护管 保护管的作用是保护感温元件，使其不与被测介质直接接触，避免或减少有害介质的侵蚀，火焰和气流的冲刷和辐射，以及机械损伤，同时还起着固定和支撑传感器感温元件的作用。321，304和316（316L）系列不锈钢保护管是用得最为广泛的材料，通常使用在900以下，部分产品也能用到1150；900以上一般使用非金属材料保护管。STTT-V系列热电偶温度传感器STTT-R系列热电偶温度传感器二热电阻传感器热电阻传感器主要是利用金属导体电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点，用于测量-200+500范围内的温度。下面主要具体介绍铂热电阻传感器 1.基本原理热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度的变化而变化的原理制成的。铂属贵重金属,具有耐高温、温度特性好、使用寿命长等特点,因而得到广泛应用。铂电阻阻值与温度之间的关系是非线性,即Rt = R0 ( I +t +t2 ) ( t在0630之间) (1)式中: Rt 铂热电阻的电阻值,;R0 铂热电阻在0时的电阻值, R = 100;一阶温度系数, = 3.908 10 -3 ( )二阶温度系数, = 5.802 10 -7 ( )在实际测温电路中,测量的是铂电阻的电压量,因而需由铂热电阻的电阻值推导出相应的电压值与温度之间的函数关系,即Ut = f (Rt ) = f f ( t) (2)从而计算出(即测量)实际的温度。2.设计方案 铂热电阻测温电路的总体方案为:依据铂热电阻阻值的测量从而计算出(测量)实际的温度。为了提高测量精度,减少误差,采用三导线单臂电桥测量,测量电压是毫伏级。为此测量电压必须经过放大器放大后,才能输入到微机A /D或V /F部分进行计算机处理,从而实现微机数字化温度测量，提高测温的准确性。 3测温电路的电源部分 由于铂热电阻接在三导线单臂电桥,铂热电阻的单臂电桥需要电源供电,供电电压UA = 5V。采用计算机进行测量,又需要提供微机整机电源。这样需要提供两套电源。为了提高测量温度精度,减少对测温电路的干扰,这两套电源采用相互独立的电源供电,电路如图。UA = 5V为铂热电阻电源,U为微机电源。1.1测量电路工业测量用电阻温度计,其阻值Rt 的变化是用电桥来测量的。在现场中,为了提高测量精度,减少非线性误差,采用了三导线单臂电桥。 1.2 三导线单臂电桥图中电桥供电电压UA = 5V。为了保证电压精度,采用WR2 =来调节电桥电源电压UB ,使UB = 4V,WRt 为150的滑线电阻,其目的在于保证电桥电路中当t = 0时,Ut = 0V,Ao为电桥独立接地点。桥臂电阻R1 =R2 = 10K,根据串联电路特性求电桥a、b两点的电位,即Ua/Rt = UB/(R2 +Rt)Ub/WR1 = UB/(WR1 +Rt)则Ua =UB Rt / (R2 +Rt ) (3)Ub =UBWR1 / (R1 +WR1 ) (4)由电桥初始平衡条件可得R2/Rt = R1/WR1即R2 WR1 =R1 Rt而Rt = R0+ Rt由图可知: 将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 为毫伏级。电压放大回路由于三导线测量的电压U是毫伏级,而微机的A /D或V /F转换需要5V电压,为此测量电压必须经过精密放大器的放大后,才能作为A /D或V /F转换的输入值。精密放大器电路如图所示。式(1)适合的温度范围为0630代入式( 6)中,得Ut = 0. 084V。如果放大后的Uf 以5V为上限,则放大倍数Kmax =5V /Ut = 5 /0. 084=59. 25,即放大倍数不能超过此值,反之,如果放大倍数取得太小,那么A /D 或转换分辨力降低。因此,放大倍数应取3050为宜,本文取K = 50。图3精密放大器电路微机测温的计算由于K = 50,则Uf = KUt (7)将式(7)代入式(6)并代入相应参数值,经过整理得(1. 1604 - 0. 01172Uf ) t2 + (78. 942Uf - 7816. 04) t = 0 (8) 式(8)即是本文所要推导的t = f (Uf )的函数式。利用此式只要对A /D或V /F检测出Uf 的值,可能计算出测量温度值t = ( - b - b2 - 4ac) /2a。由于微机采用节节点浮点数进行计算,从而求出铂热电阻的实际温度值。4. 实际应用根据以上的铂热电阻测温电路的设计,进行实际应用测试。以实际温度为0 630进行测试计算,计算结果如附表。附表达式取值表 三PN结温度传感器 PN结温度传感器 工作原理 晶体二极管或三极管的PN结的结电压是随温度而变化的。例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1时，下降-2mV，利用这种特性，一般可以直接采用二极管（如玻璃封装的开关二极管1N4148）或采用硅三极管（可将集电极和基极短接）接成二极管来做PN结温度传感器。这种传感器有较好的线性，尺寸小，其热时间常数为0.22秒，灵敏度高。测温范围为-50+150。典型的温度曲线如图1所示。同型号的二极管或三极管特性不完全相同，因此它们的互换性较差。 应用电路 图（2）是采用PN结温度传感器的数字式温度计，测温范围-50150，分辨率为0.1,在0100范围内精度可达1。 图中的R1，R2，D，W1组成测温电桥，其输出信号接差动放大器A1，经放大后的信号输入02.000V数字式电压表（DVM）显示。放大后的灵敏度10mV/。A2接成电压跟随器。与W2配合可调节放大器A1的增益。 通过PN结温度传感器的工作电流不能过大，以免二极管自身的温升影响测量精度。一般工作电流为100300mA。采用恒流源作为传感器的工作电流较为复杂，一般采用恒压源供电，但必须有较好的稳压精度。 精确的电路调整非常重要，可以采用广口瓶装入碎冰渣（带水）作为0的标准，采用恒温水槽或油槽及标准温度计作为100或其它温度标准。在没有恒水槽时，可用沸水作为100的标准（由于各地的气压不同，其沸点不一定是100，可用0100的水银温度计来校准）。 将PN结传感器插入碎冰渣广口瓶中，等温度平衡，调整W1，使DVM显示为0V，将PN结传感器插入沸水中（设沸水为100），调整W2，使DVM实现为100.0V，若沸水温度不是100时，可按照水银温度计上的读数调整W2，使DVM显示值与水银温度计的数值相等。再将传感器插入0环境中，等平衡后看显示是否仍为0V，必要时再调整W1使之为0V，然后再插入沸水，看是否与水银温度计计数相等，经过几次反复调整即可。 图中的DVM是通用3位半数字电压表模块MC14433，可以装入仪表及控制系统中作显示器。MC14433的应用电路可参考本网站的常用A/D转换器中的技术手册。它的主要技术指标如下：基本量程：1.999V(2V) 线性误差：该读数的0.05%1字电源：57.5V单电源平均功耗：300mW 过量程时：数字闪烁DU脚接地时：数据可保持 DA型线性PN结温度传感器 DA型线性PN结温度传感器是一种新型半导体敏感器件, 它是一种负温度系数温度电压转换器件。它以优良的线性度，精确的互换性而挤身于热电偶，铂电阻，和热敏电阻的测控温行列之中。它兼有热电偶，铂电阻，热敏电阻的各自优点，又克服了这些传统测温器件难以克服的某些固有缺陷，成为一种新的计量器具，是自动控制技术和仪器仪表工业不可缺少的基础元器件。在-30200常温区内，这种线性PN结温度传感器将有着及其宽广的应用前途。 DA型线性PN结温度传感器，它彻底摆脱了传统温度传感器非线性这一长久困扰电子设计人员的难题，它不需要线性化补偿网络与繁杂的设计和计算以及在生产过程中的复杂调试。四非接触式双波长光纤温度传感器如下图所示，工作原理是光纤传感头接收黑体辐射腔发射的辐射光波，经过传输光纤，从测量现场传回至仪表，通过波分复用器将辐射光信号分别转成电信号后，进行转换，然后由二次仪表计算出温度。它的主要优点是：非接触测量，可测运动物体的瞬间温度；响应速度快，没有一般温度计的热平衡时间；可作为高温测量。五分布式光纤温度传感器 如下图，光纤中的光线在温度场中受到调制后，产生自发的喇曼散射。然后经过分束器、反光镜，通过双光栅单色仪把接收到的反斯托克斯和斯托克斯散射光送到光电倍增管，然后通过鉴别器过滤噪声、干扰，最后由光子计数器送到计算机进行处理。分布式光纤温度传感器在1KM的光纤上可以实现1摄氏度的温度分辨率，7M的空间分辨率，时间分辨率为180S 在实际应用中对斯托克斯和反斯托克斯波长处不同的后向传输损耗必须做一些微小的修正，喇曼分布式传感器的不足之处是返回信号非常弱，因为反斯托克斯 -喇曼散射比瑞利散射强度要弱20-30db。它的主要优点是：非接触测量，可测运动物体的瞬间温度；响应速度快，没有一般温度计的热平衡时间，可作为高温测量。六智能温度传感器发展的新趋势进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。1提高测温精度和分辨力在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1。目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是912位A/D转换器，分辨力一般可达0.50.0625。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27s、9s。2增加测试功能新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。智能温度传感器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。3总线技术的标准化与规范化目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线（-Wire）总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线。4可靠性及安全性设计新型智能温度传感器（例如TMP03/04、LM74、LM83）普遍采用了高性能的-式A/D转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样分辨力将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，来提高有效分辨力。-式A/D转换器不仅能滤除量化噪声，而且对外围元件的精度要求低。为了避免在温控系统受到噪声干扰时产生误动作，在AD7416/7417/7817、LM75/76、MAX6625/6626等智能温度传感器的内部，都设置了一个可编程的“故障排队（fAultqueue）”计数器，专用于设定允许被测温度值超过上、下限的次数。仅当被测温度连续超过上限或低于下限的次数达到或超过所设定的次数n（n=14）时，才能触发中断端。若故障次数不满足上述条件或故障不是连续发生的，故障计数器就复位而不会触发中断端。这意味着假定n=3时，那么偶然受到一次或两次噪声干扰，都不会影响温控系统的正常工作。LM76型智能温度传感器增加了温度窗口比较器，非常适合设计一个符合ACPI（AdvAnced ConfigurAtion And Power InterfAce，即“先进配置与 电源 接口”）规范的温控系统。这种系统具有完善的过热保护功能。为防止因人体静电放电（ESD）而损坏芯片，一些智能温度传感器还增加了ESD保护电路，一般可承受10004000V的静电放电电压。通常是将人体等效于由100PF电容和1.2K欧姆电阻串联而成的电路模型。LM83型智能温度传感器则可承受4000V的静电放电电压。最新