溫度傳感器是最早開發(fā),應(yīng)用最廣的一類傳感器。溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀(jì)初人們開始利用溫度進(jìn)行測量。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下,本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng),根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律,相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。
兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體,如在某點(diǎn)互相連接在一起,對這個(gè)連接點(diǎn)加熱,在它們不加熱的部位就會出現(xiàn)電位差。這個(gè)電位差的數(shù)值與不加熱部位測量點(diǎn)的溫度有關(guān),和這兩種導(dǎo)體的材質(zhì)有關(guān)。這種現(xiàn)象可以在很寬的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn),如果精確測量這個(gè)電位差,再測出不加熱部位的環(huán)境溫度,就可以準(zhǔn)確知道加熱點(diǎn)的溫度。由于它必須有兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體,所以稱之為熱電偶。不同材質(zhì)做出的熱電偶使用于不同的溫度范圍,它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點(diǎn)溫度變化1℃時(shí),輸出電位差的變化量。對于大多數(shù)金屬材料支撐的熱電偶而言,這個(gè)數(shù)值大約在5~40微伏/℃之間。
熱電偶傳感器有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺陷,它靈敏度比較低,容易受到環(huán)境干擾信號的影響,也容易受到前置放大器溫度漂移的影響,因此不適合測量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無關(guān),用非常細(xì)的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性,這種細(xì)微的測溫元件有極高的響應(yīng)速度,可以測量快速變化的過程。
溫度傳感器是五花八門的各種傳感器中最為常用的一種,現(xiàn)代的溫度傳感器外形非常得小,這樣更加讓它廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域中,也為我們的生活提供了無數(shù)的便利和功能。
溫度傳感器有四種主要類型:熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。
接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸,又稱溫度計(jì)。
溫度計(jì)通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡,從而使溫度計(jì)的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi),溫度計(jì)也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運(yùn)動體、小目標(biāo)或熱容量很小的對象則會產(chǎn)生較大的測量誤差,常用的溫度計(jì)有雙金屬溫度計(jì)、玻璃液體溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計(jì)。隨著低溫技術(shù)在國防工程、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門的廣泛應(yīng)用和超導(dǎo)技術(shù)的研究,測量120K以下溫度的低溫溫度計(jì)得到了發(fā)展,如低溫氣體溫度計(jì)、蒸汽壓溫度計(jì)、聲學(xué)溫度計(jì)、順磁鹽溫度計(jì)、量子溫度計(jì)、低溫?zé)犭娮韬偷蜏販夭铍娕嫉取5蜏販囟扔?jì)要求感溫元件體積小、準(zhǔn)確度高、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結(jié)而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計(jì)的一種感溫元件,可用于測量1.6~300K范圍內(nèi)的溫度。
非接觸式溫度傳感器的敏感元件與被測對象互不接觸,又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運(yùn)動物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速(瞬變)對象的表面溫度,也可用于測量溫度場的溫度分布。
總電流I0是溫度靈敏的,它與絕對溫度了成正比。這個(gè)電 流就是電源電流,只要電源電壓處在電路正常工作的范圍內(nèi),電流I0的大小與施加于電路兩端的電壓大小無關(guān),其一是基極偏流,特別是 pnp管的基極偏流,使兩支電流不嚴(yán)格相等,引進(jìn)了誤差。另外一個(gè)問題是T1和T2的集電極電壓不相等,T3和T4的 集電極電壓也不等,因此集電極電壓對這些管子的基區(qū)調(diào)制效應(yīng)的影響不同,也會引進(jìn)誤差。此外,在實(shí)際電路中還要考慮到電路在接上電源后應(yīng)能自動可靠的進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài),以及不會產(chǎn)生不穩(wěn)定的振蕩現(xiàn)象等等。
電路的改進(jìn),一種實(shí)際的電流型集成 溫度傳感電路的簡化電路如圖4-7所示。圖中晶體管T1,T3和T9,T11的作用相當(dāng)于圖4-4中的T1~T4等四只晶體管的作用。它們在圖4-7所示的電路中仍然是最基本的關(guān)鍵元件。管子邊上標(biāo)注的數(shù)字是發(fā)射區(qū)的等效個(gè)數(shù)。如pnp管T1和T3的發(fā)射區(qū)面積是T6管發(fā)射區(qū)的二倍,pnp管T9的發(fā)射區(qū)面積是pnp管T10或T11,發(fā)射區(qū)面積的8倍等。作為對圖4-4的重要改進(jìn),電路中間插入了由T7和T8組成的差分放大 器。和的工作電流來自二極管接法的晶體管T10。