传感器技术专题报告

大连理工大学机械工程学院

《传感器技术》大作业温度传感器测试技术浅析illThetemperaturesensortesttechnologyanalysis学生姓名： 韩宜池学 号： 201761222班 级： 机测1701本组成员个人重点工作签名王郁赫概述翟永祥特点旦增顿珠发展前景陈青出原理框图陈睿关键技术大连理工大学DalianUniversityofTechnology概要：温度传感器是我国工业现代化的进程关键的一环，本文从温度传感器的基本概念出发，分析了温度传感器的检测要求与精度指标，并对热电偶温度传感器等几种常见的温度传感器进行原理分析，分析了温度传感器的发展过程中的关键技术。并从接触方式的角度分析了不同类型温度传感器的特点。最后，本文通过对其当下的应用领域分析了温度传感器未来的发展趋势。关键词：温度传感器；接触方式；热电偶传感器TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1概述 1\o"CurrentDocument"2检测要求和精度指标分析 2\o"CurrentDocument"2.1检测要求 2\o"CurrentDocument"2.2精度指标分析 2\o"CurrentDocument"3检测原理及框图 2\o"CurrentDocument"3.1时域温度传感器 3\o"CurrentDocument"3.2超高温温度传感器 4\o"CurrentDocument"3.3超低温温度传感器 4\o"CurrentDocument"4关键技术 5\o"CurrentDocument"4.1热电偶测温 5\o"CurrentDocument"4.2热电阻测温 5\o"CurrentDocument"4.3红外测温 5\o"CurrentDocument"4.4光纤测温 6\o"CurrentDocument"5特点 7\o"CurrentDocument"5.1接触式温度传感器特点 7\o"CurrentDocument"5.2非接触式温度传感器特点 7\o"CurrentDocument"6发展趋势 8参考文献 81.概述温度传感器（temperaturetransducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。温度测量方法有很多，由于测量原理的多样性，很难找到一种完全理想的分类方法。在很多情况下，对于实际工程现场或一些特殊条件下的温度测量，并不容易得到测量结果，需要我们非常熟悉各种测量方法的原理及特点，结合实际情况进行选择。同时需要不断探索新的温度测量方法，改进原有测量技术，以满足各种条件下的温度测量需求。检测要求和精度指标分析2.1检测要求1） 被测对象的温度是否需记录、报警和自动控制，是否需要远距离测量和传送；2） 测温范围的大小和精度要求；3） 测温元件大小是否适当；4） 在被测对象温度随时间变化的场合，测温元件的滞后能否适应测温要求；5） 被测对象的环境条件对测温元件是否有损害；6） 价格需求，使用是否方便。2.2精度指标分析1） 测量准确度:0.01级;分辨率0.1uV和0.1m。；2） 扫描开关寄生电势：＜0.4pV；3） 温度范围:水槽：（室温+5~95）°C油槽：（95~300）°C低温恒温槽：（-80~100）°C高温炉：（300~1200）C；4） 控温稳定度：优于0.01C/10min（油槽、水槽、低温恒温槽）;0.2C/min（管式检定炉）；5） 总不确定度：热电偶检定，测量不确定度优于0.7C，重复性误差＜0.25C;热电阻检定测量不确定度优于50mk，重复性误差＜10mk；6） 检定数量：一次可同时检热电偶（1-8）支，一次可同时检同线制热电阻（1-7）支；7） 工作电源：AC220V±10%，50Hz，并有良好保护接地；8） 高温炉功率：约2KW；9） 恒温槽功率：约2KW；10） 微机测控系统功率：＜500。检测原理及框图3.1时域温度传感器时域温度传感器首先需要将温度信息转换为时间信息，环形振荡器是将温度转换为时域变量的一种方式。反相器的延时与温度有类线性关系。通过时间-数字转换器(Time-to-DigitalConverter，TDC)对频率进行测量，即可将温度最终转化为数字码字。为进一步提升准确性，通常还需要对转换后的数据加以校准。除此之外，对电源电压的校准还可以通过多次测量求方差来实现。基于带温度补偿的转换器的时域温度传感器的主要电路结构如图1所示。图1基于单环的时域温度传感器原理图本设计的传感部分主要利用温度与反相器延时的关系将温度转化为与之有关的时间变量脉冲宽度pulse_width。其电路原理图如图2所示。图2温度传感器的传感部分原理图由文献［4］可知，反相器的延时与温度存在以下定量关系:ih111DO其中W、L分别为构成晶体管的宽和长；CL和Cox分别为负载电容和单位面积的氧化层电容；口为电子(或空穴)的迁移率；VDD和Vth分别为电源电压和阈值电压。从式中可以看出反相器的延迟和多个参数有关，在这些参数中迁移率U和阈值电压Vth是受到温度影响的。晶体管宽长比的改变同时引起阈值电压和负载电容的改变，因此选取合适的晶体管尺寸对传感部分尤为重要。相比于迁移率，温度通过影响阈值电压而对反相器延迟造成的变化较小［7］且基本呈线性关系［8］。因此在本文所关心的50°C〜100°C这一测量范围内，可以只关注温度对于迁移率的影响。迁移率具有负温度系数，其具体关系如下：m一 想 T~其中q为电子(或空穴)的带电量；山为有效质量；T为温度；Ni为电离杂质浓度；A和B是相对系数。由式(1)可知：反相器延时与迁移率呈反比D-1/u；由式(2)可知：迁移率与温度呈类反比例关系u-1/T^a(此处a为接近于1的常数［4］)，由文献［9］可知，环形振荡器的频率F=1/(2ND)，因此振荡环的频率对温度的敏感度与晶体管的长宽比呈反比。振荡环的振荡频率过高会导致功耗较大从而引起较大的自热效应，因此干扰了对实际温度的测量。利用蒙特卡罗仿真方法最终得到PMOS合理的宽长比为L/W=0.3u/0.24U，由于电子迁移率约为空穴的2.5倍，为使反相器的上升时间和下降时间均衡，使NMOS的宽长比为L/W=0.3u/0.12u。综合考虑振荡频率以及温度系数，最终选定由31级反相器构成传感部分的环形振荡器。3.2超高温温度传感器随着科技的进步发展，在工业生产，航空航天等各个领域，对温度参数的监控和测量日渐增大，尤其是高温恶劣环境中的温度参数的获取。以航空航天领域为例，涡轮喷气式发动机是飞行器的核心部件，其工作性能的优良直接决定了飞行器的整机性能，对燃烧室的温度控制事关整个发动机运行的稳定性与可靠性，如图所示。考虑工程应用等各个方面，一旦涡轮前的燃气总温超过设计上限时，

极可能造成发动机的损坏，以致不可挽回的损失。此外，观测发动机工作过程中的温度参数历史存储，对发动机的日常检修和维护有着深远的意义。图3发动机结构示意图贴片反射式无线无源传感器结构如左图，包含温度传感器和询问天线。无线温度传感机理测量过程如右图所示:询问天线向温度传感器发送一定带宽的扫频信号，当扫频信号中的某一频率分量与温度传感器的谐振频率相同时，该频率分量会被温度传感器吸收并逐渐被消耗。其余部分的扫频信号会被反射回去，被询问天线接收。温度传感器的这种反射特性可用矢量网络分析仪追踪显示。当温度传感器所处环境的温度发生变化时，传感器基底的介电常数发生变化，检测到的谐振频率信号也发生变化，从而测量温度。图4原理图3.3超低温温度传感器超导温度传感器的测量部分是石英丝，先将石英丝点焊在支架的两端上，然后在石英丝的外表面上进行真空镀膜上金和锡,金与锡形成超导材料，通过调节金与锡的厚度和通过测量部分的电流可以使得温度传感器的特性曲线在使用范围内近似线性变化。从常导转变为超导的过程中，电阻的变化可用电压信号精确检出，从而测出温度。图5超低温传感器结构示意图关键技术关键技术主要从常见工况传感器原理进行介绍，主要包括热电偶测温，热电阻测温，红外测温和光纤测温。4.1热电偶测温热电偶测温的基本原理是两种不同材质的导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会产生电流通过，因此两端之间存在电动势一热电动势。热电偶的灵敏度、响应速度也能满足大部分需求，但它们的准确度不及电阻温度测量装置。热电偶测温范围通常在270°C〜3000°C，具有较广的普适性。图6热电偶测温4.2热电阻测温热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是伯和铜。现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。大量用于家电和汽车温度检测和控制，在过程控制中应用广泛。图7热电阻测温4.3红外测温红外测温仪采用非接触红外传感技术对目标进行安全、准确、快速、可靠地测量。红外测温仪就是通过透镜收集并汇集红外能量到红外传感器上，将其转化成一个电压信号，标定此电压与实际温度地对应关系，即可得到所测目标温度值。目前红外测温仪及应用系统，已广泛应用于测量机械、化工、陶瓷、热处理等行业高温、危险及难以接近物体表面的温度。图8红外测温4.4光纤测温光纤温度传感器是种新型的温度传感器，具有很高的灵敏度、较高的线性特性和较宽的动态范围。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。光纤传感技术市面上主要分为两种，一种是以光纤直接作为传感器，另一种是以光栅为基础的传感器。Blr帝庄射光 cifl射元图9光纤测温5.特点5.1接触式温度传感器特点接触式温度传感器的特点；传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。5.2非接触式温度传感器特点非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是不从被测物体上吸收热量不会干扰被测对象的温度场;连续测量不会产生消耗，反应快等。6.发展趋势近年来，我国工业现代化的进程和电子信息产业连续的高速增长，带动了传感器市场的快速上升。温度传感器作为传感器中的重要一类，占整个传感器总需求量的40%以上。温度检测技术将会由点测量发展到线、面、甚至立体的测量。应用范围将同工业领域延申到环境保护，家用电器等日常生活领域。在工业生产中，对许多场合的温度检测器有特殊要求。如防硫、防爆、耐磨等特性能要求，又如移动物体和高速旋转物体的测温等。温度仪表还会向数字化方向发展，其最大优点是直观、无读数误差、分辨率高、测量误差小，因而有广阔的销售市场。参考文献李响.利用非接触红外测温技术测量火焰温度[A].天津理工大学硕士学位研究生学位论文，2011.戴景民，金钊.火焰温度测量技术研究[