温度检测方法与温度传感器

1、 第12卷第1期1999年1月聊城师院学报(自然科学版 Journal of L iaocheng T eachers U niversity (N at . Sci . V o l . 12N o. 1Jan . 1999温度检测方法与温度传感器王立新1杨少卿2郑宏军2赵桂青2(1 聊城师范学院教育工程系, 聊城252059; 2 物理系 摘要介绍了常用的温度检测方法及相应的温度传感器的应用情况, 度传感器存在的问题及发展方向1关键词温度, 检测方法, 传感器分类号O 551、化学、热力学、飞行力学、流体力学等1许多工农业产品的质量, , 许多化学反应就不能正常进行甚至不能进行; ; 没有合

2、适的温度环境, 农作物就不能正常生长, 许多电子仪器就不能正常工作, 粮仓的储粮就会变质霉烂, 家禽的孵化也不能进行1可见, 温度的测量与控制十分重要11温度检测方法与相应的温度传感器温度的检测方法有多种, 常用的有电阻式、热电偶式、辐射型及石英谐振型PN 结型、等1它们都是基于温度变化引起其物理参数(如电阻值, 热电势等 的变化的原理1随着测量技术的不断发展, 出现了适用于高温、强磁场干扰等恶劣环境的光纤温度传感器1下面分别予以介绍1111电阻温度传感器这种传感器以电阻作为温度敏感元件1根据敏感材料不同又可分成热电阻式和热敏电阻式1热电阻式一般用金属材料制成, 如铂、铜、镍等1热敏电阻是以半

3、导体材料制成的陶瓷器件, 如锰、镍、钴等金属的氧化物与其它化合物按不同配比烧结而成111111热电阻传感器1热电阻的温度系数一般为正值1以铂电阻为例, 其阻值R t 与温度t 间的关系为R t =R 0(1+A t +B t 2 , 0t 650; R t =R 01+A t +B t 2+C t 3(t -100 ,-200t 0, 其中A =319684×10-8 , B =-518470×10-7 2, C =-412200×10-12 4, R 0为0时的值1由此可见, 在一定温度范围内, 阻值与温度近似收稿日期:1998204210 32聊城师院学报(自

4、然科学版 第12卷呈线性关系1由于铂电阻测温范围宽, 精度高, 制作误差小, 结构简单且已有统一的国际标准, 铂电阻温度传感器已广泛应用于许多场合的温度测量与控制111112热敏电阻传感器1用作温度敏感元件的热敏电阻具有负温度系数, 其值约为-3%-5% ,在常温范围内(0200 其阻值R t 与温度T 的关(T -1 T 0 系(图1 R t =R 0 e B 1 , 其中R 0为T 0对应的阻值, B 为与热敏电阻材料有关的常数1热敏电阻具有体积小、灵敏度高、反应速度快、分辩率高等优点, 在各个领域广泛用作测温控温及温度补偿的敏感元件1热敏电阻温度传感器的缺点是线性度低、稳定性差1图111

5、2热电偶温度传感器热电偶测温是基于“热电动势效应”1B 成闭合回路, 1若A 、B 两导体的结点(热端 温度为T , 而另一端( T (0 =(-0(ln N A N b k e ,其中k , e , N A , N b 为与材料有关的常数1测量E (T , T 0 的大T 1, 如钨铼丝热电偶, 可测温度高达2450; 而铜2铜锡热电偶可测量-271-243的低温, 镍铬2铁金热电偶在-2690间具有131720的灵敏度1热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特V点, 已广泛用作温度传感器的敏感元件1以上所述利用电阻及热电偶检测温度, 需将其与被测物体直接接触以充分进行

6、热交换, 热交换不充分就会造成测量误差1因此普通的热电偶只能用于测量气体、液体的温度, 为便于测量各种形状的固体的温度, 人们研制出了特殊的热电偶, 如薄膜热电偶、表面热电偶等1热电阻测温同样存在问题, 一往采用的绕线式电阻耐压及振动能力差, 如今已出现薄膜式铂电阻, 薄膜式铜电阻感温元件1随着计算机技术的发展, 测温精度不断提高, 现已可将热电偶测温、热电阻测温及计算机技术相结合, 大大地扩展了测温范围, 提高了测量精度1113PN 结型及集成电路式温度传感器半导体PN 结测温是近几年来发展起来的一种新型测温手段1众所周知, PN 结的反向电流随温度呈指数规律变化,而当正向电流不变时, 其正

7、向压降随温度近似线性变化1现代的PN 结温度传感器都是利用正向压降进行测温1PN 结正向压降V b e 与绝对温度T 间的关系为:V b e =kT ln (I I 0图2集成温度传感器+1 q , 其中I 和I 0分别为PN 结的正向电流和反向饱和电流, k 和q 分别为波尔兹曼常数和电子电荷1由此可见, 只有I 感温部分线路 第1期王立新等:温度检测方法与温度传感器33与I 0的比值稳定, V b e 与T 间的关系才能确定1现代的温度传感器都将恒流源、放大电路、补偿电路集成在一起做成集成温度传感器, 其感温部分线路如图2所示1由图可知, 输出电压V b e 与温度的关系为:V be =k

8、T ln (I c 1 I c 2 q , 只要保持I c 1 I c 2为定值, 测量已知电阻R 上的电压V be 便可得到温度值1集成电路温度传感器具有体积小、重量轻、精度高等特点, 测温范围在-50150, 也正好是最常见的温度范围1文献报导的一种电流输出型温度传感器在020内灵敏度可达1106, 线性误差不超过±012, 稳定性为0102 4h 1A114辐射式温度传感器众所周知, 自然界的所有物体对辐射都具有吸收和反射的能力1辐射式温度传感器就是利用物体的热辐射特性制成的1被测物体的辐射能被热敏元件(如热电偶、热敏电阻等 吸收时可使其物理参数(如输出电势、电阻值等 发生变化

9、, 变化就可得被测温度1根据敏感原理不同, 式、光电亮度式和光电比色式等, . 全辐; 红外辐射式传感比色式传感器是基于物体温度1如辐射体温度由12001, 总辐射能仅增加215倍, 而波长为01660M 的红光单色亮度可增加10, 因此此方法是辐射测温中最精确的一种1115石英谐振型温度传感器目前广泛采用的电阻式、半导体式、热电偶式温度传感器有时难以满足分辨率及精度的要求1近来出现的石英谐振型温度传感器是将用水热和法生长的人造石英晶体按一定角度切割而获得的性能优良的传感器1它以石英晶体的谐振频率f 为温度T 的敏感参数2f =f 01+(T -T 0 +(T -T 0 +,其中T 0为基准点

10、温度, f 0为T 0所对应的频率, 及为常数1只要测出振荡频率即可确定温度T 1石英晶体的谐振曲线非常尖锐且稳定性好, 并可将温度转化成频率以数字量的形式输出, 因此可达到很高的分辨率和精度, 采用合适的晶体切型还可使其只对温度而不对其它参数敏感1116光纤温度传感器这是70年代发展起来的新型传感器1它是将光源的光经光纤送入调制区, 在调制区内被测参数(温度 与进入调制区的光相互作用使光的光学性质(如强度、波长、频率等 发生变化而成为被调制的信号光, 再经光纤送入光检测器及解调器而获得被测参数, 此种方法也适于其它参数的测量1根据传感原理不同, 光纤温度传感器可分成功能型和传输型1功能型传感

11、器中光纤既是传光的介质又是温度敏感元件, 因此结构巧妙、简洁, 但既满足传输要求又满足敏感要求的光纤制作难度大, 所以只在有特殊要求的场合使用; 传输型传感器中光纤只起传光的作用, 对温度的敏感作用由其它元件来实现, 因此结构较前者复杂, 但可通过分别选择性能优良的光纤和敏感元件而达到较高的性能1现在使用和研制的光 34聊城师院学报(自然科学版 第12卷纤传感器以传输性居多, 温度敏感元件可以是热电阻、热敏电阻、热电偶等180年代日本松下电器公司生产的光纤温度计在-1040间测温精度可达±01051在高温领域内, 有热电阻式(如铂等 、辐射式等光纤高温计, 如美、日等生产的管缆热电阻

12、温度传感器可测温度高达1000, 精度015级1中国科学院西安光机所于1989年12月申请专利的“双波长光纤温度传感器”可用于高温测量, 相对误差小于1%, 响应速度在010“光纤黑体腔温度传感器”在4001300m m s 1清华大学1989年1月申请专利的间灵敏度可达011, 空间分辨率达几百个微米1哈尔滨工业大学研制的GFB 201型光导式辐射比高精度测温仪可测温度为6001300, 精度达±013%; 在低温领域, 同样可用铂作敏感元件, 另外还有美国研制的两种碳电阻, 可测温度分别为-26818-25310及-27219-273101热敏电阻传感器一般用于常温范围, 国内已

13、有Si C 薄膜热敏电阻温度传感器、镍薄膜温度传感器, 精度可达110级1亦可用于常温测量, 在1050, 精度可达±015, 机械、磁、光学性质的变化, 、双金属片、水银等12, 测温范围也很宽, 高可达几千度低可接近绝对零度, 但在测量精度、稳定性、抗干扰等方面仍存在问题1如铂电阻温度计, 虽然其测温范围宽、精度高但抗机械震动能力差; 热敏电阻温度计灵敏度高、体积小、响应速度快但稳定性较差; 热电偶温度传感器缺点是灵敏度低; 因此应进一步改进敏感元件的制作工艺及结构, 充分利用微机的软件功能改善传感器的性能1光纤温度传感器的发展应从改善光纤、光源、检测器电路和制作工艺等方面入手,

14、 提高精度、可靠性并降低成本, 特别要发展满足特殊测温要求的温度传感器, 如3000以上和-250以下的超高温和超低温传感器1充分利用微处理技术发展数字化、集成化和自动化的温度传感器, 同时探索新的敏感机理, 寻求新型温度敏感元件也是温度传感器的发展方向之一1D e tec tion M e thod a nd S enso r of Tem pe ra tureW ang L ix in 1 Yang Shaoqing2 2 Zheng Hongjun 2 Zhao Gu iqing 2 (1 D epartm ent of Educati on Engineering , L iaocheng T eachers U niversity , L iaocheng 252059; D epartm ent of Physics Abstract T h is paper in troduced the detecti on m