各種溫度傳感器分類(lèi)及其原理

溫度傳感器是檢測溫度的器件，其種類(lèi)最多，應用最廣，發(fā)展最快。眾所周知，日常使用的材料及電子元件大部分特性都隨溫度而變化，在此我們暫時(shí)介紹最常用的熱電阻和熱電偶兩類(lèi)產(chǎn)品。

1.熱電偶的工作原理

當有兩種不同的導體和半導體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為T(mén)，稱(chēng)為工作端或熱端，另一端溫度為T(mén)O，稱(chēng)為自由端(也稱(chēng)參考端)或冷端，則回路中就有電流產(chǎn)生，如圖2-1(a)所示，即回路中存在的電動(dòng)勢稱(chēng)為熱電動(dòng)勢。這種由于溫度不同而產(chǎn)生電動(dòng)勢的現象稱(chēng)為塞貝克效應。與塞貝克有關(guān)的效應有兩個(gè)：其一，當有電流流過(guò)兩個(gè)不同導體的連接處時(shí)，此處便吸收或放出熱量(取決于電流的方向)，稱(chēng)為珀爾帖效應；其二，當有電流流過(guò)存在溫度梯度的導體時(shí)，導體吸收或放出熱量(取決于電流相對于溫度梯度的方向)，稱(chēng)為湯姆遜效應。兩種不同導體或半導體的組合稱(chēng)為熱電偶。熱電偶的熱電勢EAB(T，T0)是由接觸電勢和溫差電勢合成的。接觸電勢是指兩種不同的導體或半導體在接觸處產(chǎn)生的電勢，此電勢與兩種導體或半導體的性質(zhì)及在接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)。溫差電勢是指同一導體或半導體在溫度不同的兩端產(chǎn)生的電勢，此電勢只與導體或半導體的性質(zhì)和兩端的溫度有關(guān)，而與導體的長(cháng)度、截面大小、沿其長(cháng)度方向的溫度分布無(wú)關(guān)。無(wú)論接觸電勢或溫差電勢都是由于集中于接觸處端點(diǎn)的電子數不同而產(chǎn)生的電勢，熱電偶測量的熱電勢是二者的合成。當回路斷開(kāi)時(shí)，在斷開(kāi)處a，b之間便有一電動(dòng)勢差△V，其極性和大小與回路中的熱電勢一致，如圖2-1(b)所示。并規定在冷端，當電流由A流向B時(shí)，稱(chēng)A為正極，B為負極。實(shí)驗表明，當△V很小時(shí)，△V與△T成正比關(guān)系。定義△V對△T的微分熱電勢為熱電勢率，又稱(chēng)塞貝克系數。塞貝克系數的符號和大小取決于組成熱電偶的兩種導體的熱電特性和結點(diǎn)的溫度差。

2.熱電偶的種類(lèi)

目前，國際電工委員會(huì )（IEC）推薦了8種類(lèi)型的熱電偶作為標準化熱電偶，即為T(mén)型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。

熱電阻

1.熱電阻材料的特性

導體的電阻值隨溫度變化而改變，通過(guò)測量其阻值推算出被測物體的溫度，利用此原理構成的傳感器就是電阻溫度傳感器，這種傳感器主要用于-200―500℃溫度范圍內的溫度測量。

純金屬是熱電阻的主要制造材料，熱電阻的材料應具有以下特性：

①電阻溫度系數要大而且穩定，電阻值與溫度之間應具有良好的線(xiàn)性關(guān)系。
②電阻率高，熱容量小，反應速度快。
③材料的復現性和工藝性好，價(jià)格低。
④在測溫范圍內化學(xué)物理特性穩定。

目前，在工業(yè)中應用最廣的鉑和銅，并已制作成標準測溫熱電阻。

2．鉑電阻

鉑電阻與溫度之間的關(guān)系接近于線(xiàn)性，在0～630.74℃范圍內可用下式表示Rt＝R0(1+At+Bt2) (2-1)在-190～0℃范圍內為Rt＝R0(1+At+Bt2十Ct3) (2-2)式中，RO、Rt為溫度0°及t°時(shí)鉑電阻的電阻值，t為任意溫度，A、B、C為溫度系數，由實(shí)驗確定，A＝3.9684×10-3/℃，B＝-5.847×10-7／℃2，C＝-4.22×10-l2/℃3。由式(2-1)和式(2-2)看出，當R0值不同時(shí)，在同樣溫度下，其Rt值也不同。

3．銅電阻

在測溫精度要求不高，且測溫范圍比較小的情況下，可采用銅電阻做成熱電阻材料代替鉑電阻。在-50～150℃的溫度范圍內，銅電阻與溫度成線(xiàn)性關(guān)系，其電阻與溫度關(guān)系的表達式為Rt＝R0(1+At) (2-3)式中，A＝4.25×10-3～4.28×10-3℃為銅電阻的溫度系數

按照溫度傳感器

輸出信號的模式，可大致劃分為三大類(lèi)：數字式溫度傳感器、邏輯輸出溫度傳感器、模擬式溫度傳感器。

一、模擬溫度傳感器

傳統的模擬溫度傳感器，如熱電偶、熱敏電阻和RTDS對溫度的監控，在一些溫度范圍內線(xiàn)性不好，需要進(jìn)行冷端補償或引線(xiàn)補償；熱慣性大，響應時(shí)間慢。集成模擬溫度傳感器與之相比，具有靈敏度高、線(xiàn)性度好、響應速度快等優(yōu)點(diǎn)，而且它還將驅動(dòng)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(shí)際尺寸小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)的模擬溫度傳感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103電壓輸出型、AD590電流輸出型。這里主要介紹該類(lèi)器件的幾個(gè)典型。

1、AD590溫度傳感器

AD590是美國模擬器件公司的電流輸出型溫度傳感器，供電電壓范圍為3~30V，輸出電流223μA（-50℃）~423μA（+150℃），靈敏度為1μA/℃。當在電路中串接采樣電阻R時(shí)，R兩端的電壓可作為喻出電壓。注意R的阻值不能取得太大，以保證AD590兩端電壓不低于3V。AD590輸出電流信號傳輸距離可達到1km以上。作為一種高阻電流源，最高可達20MΩ，所以它不必考慮選擇開(kāi)關(guān)或CMOS多路轉換器所引入的附加電阻造成的誤差。適用于多點(diǎn)溫度測量和遠距離溫度測量的控制。

2、LM135/235/335溫度傳感器

LM135/235/335系列是美國國家半導體公司（NS）生產(chǎn)的一種高精度易校正的集成溫度傳感器，工作特性類(lèi)似于齊納穩壓管。該系列器件靈敏度為10mV/K，具有小于1Ω的動(dòng)態(tài)阻抗，工作電流范圍從400μA到5mA，精度為1℃，LM135的溫度范圍為-55℃~+150℃，LM235的溫度范圍為-40℃~+125℃，LM335為-40℃~+100℃。封裝形式有TO-46、TO-92、SO-8。該系列器件廣泛應用于溫度測量、溫差測量以及溫度補償系統中。

二、邏輯輸出型溫度傳感器

在許多應用中，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(gè)設定范圍，一旦溫度超出所規定的范圍，則發(fā)出報警信號，啟動(dòng)或關(guān)閉風(fēng)扇、空調、加熱器或其它控制設備，此時(shí)可選用邏輯輸出式溫度傳感器。LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。