温度传感器应用（精选十篇）
温度传感器应用 篇1
1.1 光纤温度传感器的种类
按照不同的工作原理,可以将光纤温度传感器分功能型和传输型两类。与传输型传感器不同,功能型传感器中的光纤不仅是传感器,还是光信号的载体。下面我们介绍两种比较常用的光纤温度传感器:
1.1.1 分布式光纤温度传感器
在光纤传送的过程中,激光的反射光包括三部分,即瑞利散射、拉曼散射以及布里渊散射。分布式光纤温度传感器开始是基于后向瑞利散射的液芯光纤分布式温度监控系统,后来发展为基于光时域和光频域拉曼散射的光纤温度测控系统。至现阶段,分布式光纤温度传感器可以实现长达30km的温度测量,测量精度可以控制在0.5℃范围绕内,而空间定位精度可控制在0.25m以内,温度分辩率高达约0.01℃。现在分布式光纤温度传感器进行连续分布式测量时,主要仍是基于拉曼散射效应与光时域射计技术相结合来实现的;而现在光纤温度传感器的研究热点则是基于布里渊散射光时域和光频域系统。
1.1.2 光纤光栅点式温度传感器
光纤纤芯会形成空间相位光栅,而光纤材料自身又具有光敏性,因此光纤光栅温度传感器就利用光纤材料的这一特性实现温度的测控。光纤光栅的编码即为其波长,因此光纤光栅温度传感器在建筑、电力、石油甚至航天领域均得到广泛的应用。光纤光栅温度传感器又分为Bragg光纤光栅温度传感器以及长周期光纤光栅传感器。其中Bragg光纤光栅指的是单模掺锗光纤经过紫外光照射成栅技术所形成的全新的光纤型Bragg光栅,其成栅后光纤的纤芯折射率呈现出周期性的分布条纹,同时产生Bragg光栅效应。它的基本光学特性是窄带光学滤波器,其以共振波长为中心,并满足下述光学方程式:λb=2nΛ
上式中:λb:Bragg波长;Λ:光栅周期;n:光纤模式下有效拆射率。
此外还有长周期光纤光栅,相对而言该光纤光栅比较特殊,它把前向传输的基模耦合到同是前向传输的包层模中。其背景发射很低,而且宽带滤波,属于新型的宽带带阻滤波器。
1.2 光纤温度传感器的工作原理
光时域反射技术:当光脉冲进入光纤后,光纤中内部因子的折射率不均交,光就会与其产生碰撞再反射回来,从而连续的产生瑞利背向散射光然后回到入射端。在定位受测温度点时,就可以根据光纤中光波的传播速度及背向光回波的时间间隔来进行。例如采样频率设为f,光纤中光的速度为v,真空环境下光的速度设为c,光纤折射率为n,光脉冲在光纤中的距离S为单程距离L的两倍,则可得出下式:S=2L=vt=cnf
上式反映出光时域反射技术在进行光纤故障点、受测点以及断点的定位时,均有着重要的作用。
1.3 背向Raman散射
当脉冲激光器所发射的光脉冲入光纤后,光波就会产生非弹性碰撞,从而光波频率就会出现偏移,能量也随之转移,最终产生Raman散热。
1.4 瑞利散射
光通过激光器脉冲入光纤后,激光脉冲就会和光纤中的离子产生弹性碰撞,其中一部分光被散射回来,这部分光中有些频率和入射光相等,即为瑞利后向散射光。
2 光纤温度传感器在温度监测系统中的应用
2.1 提高系统的信噪比
利用DTS测出的温度信号比较微弱,如果在噪声很大的环境中,会导致有效温度信号的数据丢失。所以分析这种微弱的温度信号时,要先对其做相应的预处理。在解调过程中信噪比要能够与测量的精度要求相符,因此可以利用小波分解结合互相关延时过程的方法进行所采集微弱信号的去噪处理,以提高其信噪比。因为小波函数中Haar函数在处理信噪比相对较低的系统信号时比较有效,所以系统在处理信号时可以选择Haar函数。而互相关函数可以准确出输出信号受输入信号影响的程度,可以有效的修正测量过程中由于噪声源所导致的误差,且互相关的过程又满足系统处理信号的要求,所以选择其进行信号处理。将上述两种方法相结合,对信号进行去噪处理可以得到很好的效果。
2.2 系统的结构和解调原理
分布式光纤温度传感器系统所利用的是上述光时域反射技术及光纤背向Raman散射温度效应。当脉冲激光器LD射出脉冲光后,其经过定向耦合器向传感光纤输出,背向散射光带有受测点的温度信息,传感光纤再将其传回至定向耦合器并分为路,其中一种可以直接由背向散射光提取瑞利光,而另外一路则经过波分复用器后滤出反斯托克斯光。APD,即光电检测器可以探测出这两路光信号的空间温度,并将光信号转换为电信号再进行放大,将放大后的电信号传输至数据采集及处理电路进行双高速A/D转换以及数据处理,接着将处理好的数据传送至计算机系统,计算机的屏幕上就会实时的显示出数据处理的过程。再通过小波函数结合互相关过程的方法对信号去噪,最终根据解调的温度信号获取受测区的温度分布信息。
系统通过反斯托克斯和瑞利后向散射比解调的方法进行温度信号的解调,通过瑞利散射的光时域反射仪曲线解调反斯托克斯光的光时域反射仪曲线,最终获取需测量的温度。系统通过双通道测量的方法获取温度值,获取的解调温度数据精确度更高,系统的稳定性及灵敏度均有所提高。
3 系统测试结果
对上述系统进行测试:把920m处的光纤置于50℃恒温环境中进行相关试验,同时也将普通的酒精温度计置于同一环境。在试验过程中,酒精温度计的温度显示为49~50℃时,光纤传感器温度监测系统所显示出的温度值为50℃,而定位光标仪所显示的光标1则为920m;当温度试验区的受测温度出现明显变化时,该系统的测试结果与酒精温度计的测量结果相符。
参考文献
[1]吕宗岩.分布式光纤温度传感器的系统设计[D].秦皇岛:燕山大学,2006.
[2]苏国民.光纤温度传感器在煤矿井下温度测量系统中的应用[J].科技资讯,2009,(11).
温度传感器的特性及应用设计 篇2
集成温度传感器是将作为感温器件的晶体管及其外围电路集成在同一芯片上的集成化温度传感器。这类传感器已在科研，工业和家用电器等方面、广泛用于温度的精确测量和控制。
一、目的要求 1． 2． 测量温度传感器的伏安特性及温度特性，了解其应用。
利用AD590集成温度传感器，设计制作测量范围20℃～100℃的数字
显示测温装置。3． 4． 对设计的测温装置进行定标和标定实验，并测定其温度特性。写出完整的设计实验报告。
二、仪器装置
AD590集成温度传感器、变阻器、导线、数字电压表、数显温度加热设备等。
三、实验原理图
AD590
R=1KΩ
E=（0-30V）
四、实验内容与步骤
㈠测量伏安特性――确定其工作电压范围 ⒈按图摆好仪器，并用回路法连接好线路。
⒉注意，温度传感器内阻比较大，大约为20MΩ左右，电源电压E基本上都加在了温度传感器两端，即U＝E。选择R4＝1KΩ，温度传感器的输出电流I＝V/R4＝V（mV）/1KΩ＝│V│（μA）。
⒊在0～100℃的范围内加温，选择0.0、10.0、20.0……90.0、100.0℃，分别测量在0.0、1.0、2.0……25.0、30.0V时的输出电流大小。填入数据表格。
⒋根据数据，描绘V～I特性曲线。可以看到从3V到30V，基本是一条水平线，说明在此范围内，温度传感器都能够正常工作。
⒌根据V～I特性曲线，确定工作电压范围。一般确定在5V～25V为额定工作电压范围。
㈡测量温度特性――确定其工作温度范围
⒈按图连接好线路。选择工作电压为10V，输出电流为I＝V/R4＝V（mV）/1KΩ＝│V│（μA）。
⒉升温测量：在0～100℃的范围内加热，选择0.0、10.0、20.0……90.0、100.0℃时，分别同时测量输出电流大小。将数据填入数据表格。
注意：一定要温度稳定时再读输出电流值大小。由于温度传感器的灵敏度很高，大约为k=1μA／℃，所以，温度的改变量基本等于输出电流的改变量。因此，其温度特性曲线是一条斜率为k=1的直线。⒊根据数据，描绘I～T温度特性曲线。
⒋根据I～T温度特性曲线，求出曲线斜率及灵敏度。
⒌根据I～T温度特性曲线，在线性区域内确定其工作温度范围。㈢实验数据: ⒈温度特性
结论：
由IT特性曲线可知：AD590的灵敏度为：K=1 μΑ/ ℃； 工作温度范围大于20 ℃ ～100 ℃。⒉伏安特性
由V～I特性曲线可知：温度传感器工作电压从3V到30V。（一般确定为：5V～30V）
四、探索与设计
㈠利用温度传感器，设计一个数码显示温度计
用AD590集成温度传感器制作一个热力学温度计，画出电路图，说明调节方法。
原理图 ⒈按图摆好仪器，并用回路法连接好线路。
⒉绝对零度定标：将电源负极C端认为是绝对零度T0＝－273.15℃，将电路B端认为是0℃，则从C到B，温度每变化1℃，压变化1mV，所以，UBC＝273.15mV。因此，调整R2、R3电阻大小，使UBC＝273.15mV。这就是绝对零度定标。⒊室温TS定标：同理，将温度传感器放置于室温为TS的水中，认为电路A端是TS℃。因此，应当有UAB＝│TS│mV。调整R4电阻大小，使UAB＝│TS│mV。这就是室温TS定标。
⒋升温测量：如将表头分度值标定为1℃，就从0℃开始，每升高1℃测量一次输出电压（电流）大小。如将表头分度值标定为5℃，就从0℃开始，每升高5℃测量一次输出电压（电流）大小。
⒌将升降温的数据填入数据表格，准备数据处理。
⒍根据数据，描绘（电压～温度）V～T特性曲线。根据V～T特性曲线，将数字式（或指针式）电压表重新标定为温度表。
⒎温度计的改装
: 根据左图V～T特性曲线,将电压表重新标定为温度计,间隔为5 ℃
㈡利用温度传感器设计温差温度计 ⒈原理图:
⒉温差温度计的调节方法: 按A图用回路法接好电路
绝对零度定标:将C端认为是绝对零度-273.15 ℃,将B端认为是0 ℃.调整R2,R3电阻的大小（实验如图标记）,使UBC=273.15mV 室温TS定标:将两个传感器置于室温TS的水中,认为A、D端是TS=20 ℃.调整R4、R5的大小（实验如图标记）,使UAB= UDB =20mV 再按B图接好电路
升温测量:将D端温度保持室温(20 ℃),A端每升高5 ℃测量一次输出电压 根据数据,绘制V～T特性曲线,将电压表重新标定为温差温度计 ⒊温差温度计的改装: 改装: 根据左图V～T特性曲线,将电压表重新标定为温差温度计,间隔为5 ℃㈢创新设计的优缺点: 优点: AD590互换性好,抗干扰能力强,温度与电压呈良好的线性关系,精度高
加热设备采用水浴加热,可以防止极间短路;试管中加入煤油,保证AD590与杜瓦瓶中水之间有良好的热传递 缺点: AD590的灵敏度可能不是严格的1 μA/ ℃,使温度计误差增大 升温测量中,温度不好控制
由于条件限制,温度计只能从室温开始测温 温度计表头分度值为5 ℃,灵敏度比较小
温度传感器应用 篇3
Catalyst半导体公布首款温度传感器产品线新产品。新推出的CAT6095是一款采用超薄0.55mmUDFN封装的12位数字输出式温度传感器，特别适用于DDR3内存模组，此类内存被广泛应用于高速PC和笔记本电脑，环境控制系统和工业控制处理设备。相比标准的2mmx3mmx0.8mm TDFN封装，UDFN封装在体积缩小30%的基础上提供更精确的温度侦测。
CAT6095遵循JEDEC规范JC42.4规格，在 -20℃～+125℃温度区间误差为±3℃，而在+75℃～ +95℃ 这一温度区间提供了误差仅为±1℃的精度，此特性涵盖器件的整个工作电压范围（3.0V～3.6V）。CAT6095大约每秒钟测量/记录温度10次，并与存储在内部寄存器中的３个触发阈值相比较，主机可通过I2C/SMBus接口读取温度值，开漏（open-drain）结构的事件（EVENT）引脚则可以输出温度高过或低过阈值的状态信号。
除了提供节省空间的2mmx 3mmx0.55mmUDFN封装，CAT6095还提供标准的2mmx3mmx 0.8mmTDFN封装。两种封装都包含了底部金属脚垫来加强PCB板的热传导并能实现更快的温度侦测。
温度传感器的研究和应用 篇4
温度是七个国际单位制的基本量之一, 不仅紧密关系着人们的生活环境, 而且也是科研、生产中需要准确测量的重要物理量之一。在各行各业中, 温度能否被准确测量关系到能否制造出高质量、高品质的产品, 从而提高产品在市场中的核心竞争力[1]。因此, 温度计量在工业生产和人们的日常生活中起着举足轻重的作用。在科学研究、环境保护和工农业生产中, 主要使用温度传感器完成温度计量的任务[2]。
2温度传感器的发展
人类对温度的计量可以追溯到伽利略发明温度计开始。而后德国物理学家塞贝最早将温度转化为电参数信号, 从而将温度的计量提升到另一个高度。也就是, 我们所说的电偶传感器。继电偶温度传感器以后, 德国物理学家西门子发明了电阻温度传感器[3]。随着科技的进步, 半导体技术也应用在温度传感器中, 从而发明了半导体热电偶温度传感器。在半导体热电偶温度传感器之后, 依据波与物质的相互作用规律, 发明了微波温度传感器、红外线温度传感器和声学温度传感器。随着激光技术的飞速发展和对光纤技术的研究, 越来越多的光纤温度传感器使用在各个行业中。由于光纤技术的优越性, 在众多类型的温度传感器中, 光纤温度传感器将会有更好的发展前景和更广泛的应用[4]。
3温度传感器的分类
首先, 根据传感器与待测介质的接触方式, 温度传感器可以分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器。
其次, 根据传感器的工作原理和物理效应, 温度传感器可以分为以下五大类:电阻式温度传感器、PN结式温度传感器、热电式温度传感器、辐射式温度传感器和其他温度传感器。
4温度传感器的应用
温度传感器主要应用于以下几个方面:
(1) 感测应用:温度会受到周围环境的影响, 据此可以通过温度传感器的热传递方式测量周围环境的各种物理量, 包括有气压、湿度、气体种类等。
(2) 生物医学领域:生物医学领域一般都使用特殊的温度传感器, 而且要求使用的温度传感器具有功耗低、稳定性好、可靠性高和精度高 (精确度小于0.1℃) 等优点。
(3) 太空应用:热敏电阻和硅PN结温度传感器主要应用于太空中的温度测量。将来的卫星设计会使用更多的带有数字输出功能的温度传感器, 传送的数字信息要求能够与微处理器兼容。
(4) 工业应用:根据市场对成本较低、稳定性好和可靠性高的通信系统的需求量越来越高, 对温度传感器的要求也越来越高。目前, 智能温度传感器由于其优越的性能在工业中被广泛应用。
5总结
随着社会的不断进步, 需要不断提高工业生产效率、自动化水平等。工业中, 能够准确计量温度, 对整个生产过程具有举足轻重的作用, 从而对温度传感器性能的要求也越来越高。文章主要对温度传感器的分类、发展历程和应用进行了研究分析。在将来的工业生产中, 越来越多的光纤温度传感器和智能温度传感器将会被广泛应用。
参考文献
[1]何碧青.温度传感器[J].贵州教育学院学报, 2005, (2) :38-41.
[2]马净, 李晓光, 宁伟.几种常见温度传感器的研究及发展[J].使用与维修, 2005, (6) :1-2.
[3]沙占友.智能温度传感器的发展趋势[J].电子技术应用, 2002, (5) :6-7.
[4]雷飞鹏, 宁提纲, 周倩, 等.基于光纤的温度传感器[J].光电技术应用, 2010, (5) :39-42.
温度传感器课程设计 篇5
当选择一个温度传感器的时候，将不再限制在模拟输出或数字输出装置。与你系统需要相匹配的传感器类型现在又很大的选择空间。市场上供应的所有温度感应器都是模拟输出。热电阻，RTDs和热电偶是另一种输出装置，矽温度感应器。在多数的应用中，这些模拟输出装置在有效输出时需要一个比较器，ADC，或一个扩音器。因此，当更高技术的集成变成可能的时候，有数字接口的温度传感器变成现实。这些集成电路被以多种形式出售，从超过特定的温度时才有信号简单装置，到那些报告远的局部温度提供警告的装置。现在不只是在模拟输出和数字输出传感器之间选择，还有那些应该与你的系统需要相匹配的更广阔的感应器类型的选择，温度传感器的类型：
图一：传感器和集成电路制造商提供的四中温度传感器
在图一中举例说明四种温度感应器类型。一个理想模拟传感器提供一个完全线性的功能输出电压（A）。在传感器（B）的数字I/O类中，温度数据通常通过一个串行总线传给微控制器。沿着相同的总线，数据由温度传感器传到微控制器，通常设定温度界限在引脚得数字输出将下降的时候。当超过温度界限的时候，报警中断微控制器。这个类型的装置也提供风扇控制。
模拟输出温度传感器：
图2 热阻和矽温度传感器这两个模拟输出温度探测器的比较。
热电阻和矽温度传感器被广泛地使用在模拟输出温度感应器上。图2清楚地显示当电压和温度之间为线性关系时，矽温度传感器比热阻体好的多。在狭窄的温度范围之内，热电阻能提供合理的线性和好的敏感特性。许多构成原始电路的热电阻已经被矽温度感应器代替。
矽温度传感器有不同的输出刻度和组合。例如，与绝对温度成比例的输出转换功能，还有其他与摄氏温度和华氏温度成比例。摄氏温度部份提供一种组合以便温度能被单端补给得传感器检测。
在最大多数的应用中，这些装置的输出被装入一个比较器或A/D转换器，把温度数据转换成一个数字格式。这些附加的装置，热电阻和矽温度传感器继续被利用是由于在许多情况下它的成本低和使用方便。数字I/O温度传感器： 大约在五年前，一种新类型温度传感器出现了。这种装置包括一个允许与微控制器通信的数字接口。接口通常是12C或SMBus序列总线，但是其他的串行接口例如SPI是共用的。阅读微控制器的温度报告，接口也接受来自温控制器的指令。那些指令通常是温度极限，如果超过，将中断微控制器的温度传感器集成电路上的数字信号。微控制器然后能够调整风扇速度或减慢微处理器的速度，例如，保持温度在控制之下。
图3：设计的温度传感器可遥测处理器芯片上的p-n结温度
图4。温度传感器可检测它自己的温度和遥测四个p-n结温度。
图5。风扇控制器/温度传感器集成电路也可使用PWM或一个线性模式的控制方案。
在图4中画是一个类似的装置：而不是检测一个p-n结温度，它检测四个结和它的自己内部的温度。因此内部温度接近周围温度。周围温度的测量给出关于系统风扇是否正在适当地工作的指示。
在图5中显示，控制风扇是在遥测温度时集成电路的主要功能。这个部分的使用能在风扇控制的二个不同的模式之间选择。在PWM模式中，微处理控制风扇速度是通过改变送给风扇的信号周期者测量温度一种功能。它允许电力消耗远少于这个部分的线性模式控制所提供的。因为某些风扇在PWM信号控制它的频率下发出一种听得见的声音，这种线性模式可能是有利的，但是需要较高功率的消耗和附加的电路。额外的功耗是整个系统功耗的一小部分。
当温度超出指定界限的时候，这个集成电路提供中断微控制器的警告信号。这个被叫做过热温度的信号形式里，安全特征也被提供。如果温度升到一个危险级别的时候温控制器或软件锁上，警告信号就不再有用。然而，温度经由SMBus升高到一个水平，过热在没有微控制器被使用去控制电路。因此，在这个非逻辑控制器高温中，过热能被直接用去关闭这个系统电源，没有为控制器和阻力潜在的灾难性故障。
装置的这个数字I/O普遍使用在服务器，电池组和硬盘磁碟机上。为了增加服务器的可靠性温度在很多的位置中被检测：在主板（本质上是在底盘内部的周围温度），在处理器钢模之内，和在其它发热元件例如图形加速器和硬盘驱动器。出于安全原因电池组结合温度传感器和使其最优化已达到电池最大寿命。
检测依靠中心马达的速度和周围温度的硬盘驱动器的温度有两个号的理由：在驱动器中读取错误增加温度极限。而且硬盘的MTBF大大改善温度控制。通过测量系统里面温度，就能控制马达速度将可靠性和性能最佳化。驱动器也能被关闭。在高端系统中，警告能为系统管理员指出温度极限或数据可能丢失的状况。
图6。温度超过某一界限的时候，集成电路信号能报警和进行简单的ON/OFF风扇控制。
图7.热控制电路部分在绝对温标形式下，频率与被测温度成比例的产生方波的温度传感器
图8。这个温度传感器传送它的周期与被测温度成比例的方波，因为只发送温度数据需要一条单一线，就需要单一光绝缘体隔离信道。
模拟正温度感应器
“模拟正量”传感器通常匹配比较简单的测量应用软件。这些集成电路产生逻辑输出量来自被测温度，而且区别于数字输入/输出传感器。因为他们在一条单线上输出数据，与串行总线相对。
在一个模拟正量传感器的最简单例子中，当特定的温度被超过的时候，逻辑输出出错：其它，是当温度降到一个温度极限的时候。当其它传感器有确定的极限的时候，这些传感器中的一些允许使用电阻去校正温度极限。
在图6中，装置显示购买一个特定的内在温度极限。这三个电路举例说明这个类型装置的使用：提供警告，关闭仪器，或打开风扇。
当需要读实际温度时，微控制器是可以利用的，在单线上传送数据的传感器可能是有用的。用微处理器的内部计数器，来自于这个类型温度感应器的信号很容易地被转换成温度的测量。图7传感器输出频率与周围温度成比例的方波。在图8中的装置是相似的，但是方波周期是与周围温度成比例的。
图9。用一条公共线与8个温度传感器连接的微控制器，而且从同一条线上接收每个传感器传送的温度数据。
图9，在这条公共线上允许连接达到八个温度传感器。当微控制器的I/O端口同时关闭这根线上的所有传感器的时候，开始提取来自这些传感器的温度数据。微控制器很快地重新装载接收来的每个传感器的数据，在传感器关闭期间，数据被编码。在特定时间内每个传感器对闸口脉冲之后的时间编码。分配给每个感应器自己允许的时间范围，这样就避免冲突。
通过这个方法达到的准确性令人惊讶：0.8 是典型的室温，正好与被传送方波频率的电路相匹配，同样适用于方波周期的装置。
这些装置在有线电线应用中同样显著。举例来说，当一个温度传感器被微控制器隔离的时候，成本被保持在一个最小量，因为只需要一个光绝缘体。这些传感器在汽车制造HVAC应用中也是很有效，因为他们减少铜的损耗数量。温度传感器的发展：
集成电路温度传感器提供各式各样的功能和接口。同样地这些装置继续发展，系统设计师将会看见更多特殊应用就像传感器与系统接口连接的新方式一样。最后，在相同的钢模区域内集成更多的电子元件，芯片设计师的能力将确保温度传感器很快将会包括新的功能和特殊接口。
总结
通过这些天的查找资料，我了解了很多关于温度传感器方面的知识。我的大家都知道温度的一些基本知识，温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。利用温度所创造出来的传感器即温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。并且从资料中显示温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，在本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。
这些天,我通过许多的资料了解到两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称它为“热电偶”。我查找的资料显示数据:不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏／℃之间。
热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到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。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为我们的生活提供了无数的便利和功能。
温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6～300K范围内的温度。
非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可以用来测量运动物体、小目标还有热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可以用于测量温度场的温度分布。资料显示，最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法、辐射法和比色法。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体所测温度才是真实温度。如果想测定物体的真实温度，就必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取绝于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关连，因此很难精确测量。在自动化生产中我发现往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，这样才能提高有效发射系数。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即是介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。现在，我通过这些天的努力，了解了很多温度传感器及其相关的一些传感器的知识。他们在我们生活中的应用及其广泛，我们只有加紧的学习加紧的完成自己所学专业的知识，了解相关的最新信息，我们才能跟上科技前进的步伐。
参考文献：
温度传感器应用 篇6
关键词：控温仪表；温度传感元件；热电阻；温度补偿；环境温度 文献标识码：A
中图分类号：TP216 文章编号：1009-2374（2015）18-0085-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.044
控温仪表是一种控制温度的智能温度控制仪表，它采用了全数字化集成设计，具有多重PID调节、输出功率限幅曲线编程、实时数据查询等功能。控温仪表主要是通过温度传感器对环境温度自动进行采样、及时监控，当环境温度比控制设定值高时就会控制电路启动。
1 控温仪的简介
1.1 控温仪表的组成与工作原理
控温仪表对于许多工程都有着极大的作用，而下面将简单介绍控温仪表的组成。该系统主要是由恒温箱系统以及压力测量系统两大部分组成的，而恒温箱也包括许多部分。恒温系统包括电热系统、制冷系统、恒温工作区域、温度精密控制系统、冷热量混合交换机循环系统、保温系统、观察窗系统等，其中主要的就是制冷系统。它主要的作用就是降温，采用的是制冷量两档可调的复叠式机械制冷系统，还有主要的就是温度控制系统。温度系统包括电热温度控制部分和制冷温度控制部分。而对于压力测量系统来说，既然是压力测量，就必须有压力测量标准系统和被测压力仪表系统。除此之外，还有精密压力源、压力管路以及相关的压力阀门等。整个控温仪表的工作原理相对复杂些，其主要是根据热电阻的热效应，它是电阻测量温度的主要原因，会随着温度的变化而变化，因此只要测量出电阻就可以直接看出温度的变化。
1.2 控温仪表发生故障的原因
控溫仪表有的时候会出现故障，而导致其出现故障的原因有很多。有时候仪表各个系统的错误就会导致整个控温仪表的错误，有的时候利用曲线分析温控仪表会出现问题从而导致整个数据错误。记录曲线就是在控温仪表的工作过程中会记录温度变化的曲线。但是有的时候记录曲线出现问题，从而导致曲线变为直线变化甚至没有任何的变化，还有就是仪表所显示的温度不合理。一般来说，测温仪的上区升温要比其下区升温慢得多，但是由于一系列故障会导致结果恰恰相反。还有许多的突发情况导致控温仪表发生故障。比如控温仪的指针突然不动了，就会使测出的温度不准确，出现误差。有的控温仪表是有一定温度限制的，如果所测量的事物的温度高出或者低于控温仪表的范围的话，控温仪的指针就不能达到其真实的温度，甚至会烧坏热电阻丝。热电阻温度也会产生误差。一般热电阻是线性的，这样测量的温度更加准确，但是如果测量的温度值不在规定范围内就会出现非线性的问题，这样测量得就不够精确。在控温仪的工作工程中，热电阻的引线一直会处于被测温度的环境之中，从而导致其受到的波动较大，最终精确度出现问题，严重影响了控温仪表的工作与精确度。
1.3 热电阻的主要种类
控温仪表的主要部分就是热电阻。热电阻的质量决定了控温仪表的精密度。热电阻分为很多类：普通型热电阻，即通过热电阻组织的变化来直接测量温度的变化；铠装热电阻，它主要就是由感温元件、引线、不锈钢套管等组合而成的坚实体，体积更小，性能更好；断面热电阻，主要是由特殊处理的电阻丝缠绕制成，然后贴在温度计的端面，能够快速地测量出被测事物端面的实际真实温度；隔爆型热电阻，它的接线盒非常特殊，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。
2 对控温仪表的温度补偿
2.1 如何防治控温仪表的故障
对于控温仪表的故障一定要及时修护，以保证其正常运行。最主要的就是加强控温仪表的修护。对于控温仪表，要对其进行定期修护。对于记录曲线的故障，要检查其参数是否有误差，如果没有的话，再继续检查控温仪表的系统，直到找到出现问题的原因。对于仪表显示温度的异常问题，工作人员首先要检查上区控温仪，检测是否是由于上区仪表故障导致升温变快；如果上区一切正常，那么一定是由于下区控温仪升温太慢造成的，需要对测量下区温度的热电偶进行检查，可能是由于热电偶在使用时未加保护套管，直接使用其热电偶芯子以致使热电偶在接近根部处与电阻炉电源接线柱保护罩相碰，造成短路。除此之外，在购买控温仪表的方面要做好监督与质量的检测。要杜绝企业为了追求利益而向机器厂购买质量不好的控温仪表，这样既浪费了资源，还可能在工作过程中出现危险。
2.2 弥补仪表的温度趋向
如果控温仪表的温度传感热电阻是非线性的话，就会对控温仪表的精确度产生非常严重的影响，因此，相关工作人员要尽量弥补控温仪表的温度趋向。如果热电阻是非线性的，绘制的图样就是曲线，但是可以通过制热电阻温度采样的区间的割线来近似代替电阻与温度的曲线，如果要追求更高的精确度的话可以采用以下办法：可以在桥路中对非线性的热电阻进行非线性补偿。计算供给测量桥路的直流稳压电源大多是在5～6V的电压条件下工作，但是实际上的工作电压由于一系列原因不一定是5V的，这样的话就需要在实际的测量过程中尽量弥补控温仪表温度传感元件的热电阻温度，对于桥路进行调整以保证仪表在测量过程中的电阻与放大器输出的电压在规定的范围内，从而减小误差，弥补控温仪表的温度趋向。这种方法虽然比较复杂，但是改正后大大地提高了控温仪表的精确度。除此之外，还可以使用改进型使用有源电桥，这样的话也可以弥补控温仪表传感元件热电阻温度，减少测量误差。
2.3 加强专业工作人员的素质
由于技术人员的专业水平有所差异，因此，控温仪表在操作时会出现许多突发问题。因此，相关部门要多引进一些专业素质强的工作人员，相关企业应该注重人才的培养和引进。还有就是现在的控温仪表也会涉及到计算机技术和一些网络技术等高级的技术，使它更向信息化发展，相关企业还应该培养一些专门型人才，使人才利用率更高，建立高素质、高专业的人才团队来减少控温仪表在使用过程中所产生的问题。
3 结语
现在发现的控温仪表的传感元件的温度补偿方面的问题就有许多原因，但是在相关人员的研究下也都有了解决办法，相信在以后人们会对控温仪表的传感元件的温度补偿方面有更好的方法进行完善。
参考文献
[1] 王妍萍，曲冬辉，高勇.纺丝机高频加热器温度控制系统的设计与开发[J].北京服装学院学报（自然科学版），2013，（3）.
[2] 刘朝华，戴怡，石秀敏，杨雪翠.西门子840D数控系统温度误差补偿的研究与应用[J].机床与液压，2014，（9）.
[3] 许斌.控温仪表温度传感元件热电阻温度的补偿[J].数字技术与应用，2014，（4）.
作者简介：范玲（1973-），女，黑龙江依安人，东北轻合金有限责任公司工程师，研究方向：仪表。
为您的应用选择正确温度传感器 篇7
热电偶
热电偶是温度测量中最常用的传感器。其主要好处是宽温度范围和适应各种大气环境，而且结实、价低，无需供电，尤其最便宜。热电偶由在一端连接的两条不同金属线(金属A和金属B)构成，如图1所示。当热电偶一端受热时，热电偶电路中就有电势差。可用测量的电势差来计算温度。
不过,电压和温度间是如图2所示的非线性关系,温度变化时电压变化很小。例如J型热偶在0℃时产生的电压为50µV,每1℃的温度变化只产生5µV量级的电压变化。您需要用精密的测量设备来测量如此小的电压。此外,热偶也是最不灵敏和最不稳定的温度传感器。
由于电压和温度是非线性关系，因此需要为参考温度(Tref)作第二次测量，并利用测试设备软件和∕或硬件在仪器内部处理电压—温度变换，以最终获得热偶温度(Tx)。Agilent34970A和34980A数据采集器均有内置的测量了运算能力。
简而言之，热偶是最简单和最通用的温度传感器，但热偶并不适合高精度的应用。
热敏电阻
热敏电阻是用半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。但热敏电阻的线性度极差，并且与生产工艺有很大关系。制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。
热敏电阻体积非常小，对温度变化的响应也快。但热敏电阻需要使用电流源，小尺寸也使它对自热误差极为敏感。
热敏电阻在两条线上测量的是绝对温度，有较好的精度，但它比热偶贵，可测温度范围也小于热偶。一种常用热敏电阻在25℃时的阻值为5kΩ，每1℃的温度改变造成200Ω的电阻变化。注意10Ω的引线电阻仅造成可忽略的0.05℃误差。它非常适合需要进行快速和灵敏温度测量的电流控制应用。尺寸小对于有空间要求的应用是有利的，但必须注意防止自热误差。
测量技巧
热敏电阻体积小是优点，它能很快稳定，不会造成热负载。不过也因此很不结实，大电流会造成自热。由于热敏电阻是一种电阻性器件，任何电流源都会在其上因功率而造成发热。功率等于电流平方与电阻的积。因此要使用小的电流源。如果热敏电阻暴露在高热中，将导致永久性的损坏。
铂电阻温度传感器
与热敏电阻相似，铂电阻温度传感器(RTD)也是用铂制成的热敏感电阻。当通过测量电压计算RTD温度时，数字万用表用已知电流源测量该电流源所产生的电压。这一电压为两条引线(Vlead)上的压降加RTD上的电压(Vtemp)。例如，常用RTD的电阻为100Ω，每1℃仅产生0.385Ω的电阻变化。如果每条引线有10Ω电阻,就将造成26℃的测量误差,这是不可接受的。所以应对RTD作4线欧姆测量。
RTD是最精确和最稳定的温度传感器，它的线性度优于热偶和热敏电阻。但RTD也是最慢和最贵的温度传感器。因此RTD最适合对精度有严格要求，而速度和价格不太关键的应用领域。
测量技巧
·使用5mA电流源会因自热造成2.5℃的温度测量误差。因此把自热误差减到最小是极为重要的。
·4线测量更为精确，但需要两倍的引线和两倍的开关。
温度IC
温度集成电路(IC)是一种数字温度传感器，它有非常线性的电压∕电流—温度关系。有些IC传感器甚至有代表温度、并能被微处理器直接读出的数字输出形式。
有两类具有如下温度关系的温度IC:
·电压IC:10 mV/Kㄢ
·电流IC:1μA/Kㄢ
温度IC的输出是非常线性的电压∕℃。实际产生的是电压∕Kelvin，因此室温时的1℃输出约为3V。温度IC需要有外电源。通常温度IC是嵌入在电路中而不用于探测。
温度IC缺点是温度范围非常有限，也存在同样的自热、不坚固和需要外电源的问题。总之，温度IC提供产生正比于温度的易读读数方法。它很便宜，但也受到配置和速度限制。
测量技巧
·温度IC体积较大，因此它变化慢，并可能造成热负载。
·把温度IC用于接近室温的场合。这是它最流行的应用。虽然测量范围有限，但也能测量150℃的高温。
结语
我们已讨论了各类常用温度传感器的优点和缺点。如果您了解必须的权衡，为您的应用仔细选择正确的传感器，您就能避免常见的缺憾而实现可靠的温度测量。
参考文献
[1]数字万用表温度测量附件选购指南[R/OL].http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5988-5251EN.html
[2]34308A Thermistor Kit[R/OL].http://www.home.agilent.com/agilent/product.jspx?nid=-536902467.536880349.00&cc=CN&lc=chi
[3]工业表面温度探头[R/OL].http://w w w.home.agilent.com/agilent/product.jspx?nid=-536902467.714191.00&cc=CN&lc=chi
[4]温度探头适配器[R/OL].http://w w w.home.agilent.com/agilent/product.jspx?nid=-536902467.714193.00&cc=CN&lc=chi
温度传感器应用 篇8
随着电子技术的飞速发展, 各种电子产品的功能越来越强大, 集成度越来越高, 其产生的热量也越来越多。因此, 温度测控系统已经成为各种精密电子产品中不可或缺的组成部分。而精确的温度检测则是构成温度测控系统的基础。将介绍一款集成温度传感器芯片DS1820的原理、使用方法及应用实例。
1 DS1820主要特性
DS1820是美国DALLAS半导体公司生产的单总线数字温度传感器。无需外加A/D即可输出数字量, 把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。因为每一个DS1820有唯一的64位序列号, 所以在同一条1-Wire总线上可以挂接多个DS1820。全部传感元件及转换电路集成在一块极小的芯片上, 外形如同普通小功率塑封三极管, 体积很小, 在温度巡检系统中使用十分方便。与其它温度传感器相比DS1820具有以下特点: (1) 独特的单线接口方式。DS1820在与微处理器连接时仅需要一条接口线即可实现微处理器与DS1820的双向通讯。 (2) 多点功能简化了分布式温度检测的应用。 (3) DS1820在使用中无需任何外围元件。 (4) 可用数据线供电, 电压范围从3.0V到5.5V。 (5) 可测量的温度范围从-55℃到+125℃, 增量值0.5℃;华氏温度范围从-67°F到+257°F, 增量值0.9°F。 (6) 支持多点组网功能。多个DS 1820可以并接在同一条总线上, 实现多点测温。 (7) 9位的温度分辨率。测量结果以9位数字量方式串行传送。 (8) 用户可设定温度报警门限值。 (9) 有超温度搜寻功能。
2 DS1820引脚及功能
DS1820实物及引脚图见图1。
DS1820引脚说明见表1。
DS1820有两种供电方式可供选择, 即数据总线供电方式和外部供电方式。采取数据总线供电方式可以节省一根导线, 但完成温度测量的时间较长;采取外部供电方式会多用一根供电的导线, 好处是可以更快地得到温度测量的结果。
3 DS1820的工作原理
DS1820的内部结构框图如图2所示。
3.1 DS1820的寄生供电原理
DS1820有两种供电方式, 既可以由外部电源供电也可以利用总线信号寄生供电。在寄生供电情况下, 当总线信号为高电平时, DS1820从总线上获得能量并储存在内部电容上;当总线为低电平时, 由电容向DS1820供电。直到信号线变为高电平重新接上寄生 (电容) 电源为止。
我们利用DS1820的这一特点, 可以构成简洁明了的温度检测系统, 能节省大量的线材以及施工费用。
3.2 DS1820的测温原理
DS1820的测温原理框图如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小, 用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变, 所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1、计数器2和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数, 当计数器1的预置值减到0时, 温度计数器的值将加1, 计数器1的预置值将被重新装入, 计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数, 如此循环直到计数器2计数到0时, 停止温度寄存器的累加, 此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性, 其输出小于修正计数器1的预置值。
在正常测温情况下, DS1820的测温分辨率为0.5℃, 以y位数据格式表示, 其中最低有效位 (LSB) 由比较器进行0.25℃比较, 当计数器1中的余值转化成温度后低于0.25℃时, 清除温度寄存器的最低位 (LSB) ;当计数器1中的余值转化成温度后高于0.25℃时, 置位温度寄存器的最低位
DS1820通过门开通期间内, 低温度系数振荡器经历的时钟周期个数计数来测量温度。同时门开通期由高温度系数振荡器决定, 计数器预置对应于-55℃的基数。如果在门开通期结束前计数器达到零, 那么温度寄存器仍被预置到-55℃的数值。同时计数器用斜率累加器电路所决定的值进行预置。为了对遵循抛物线规律的振荡器温度特性进行补偿, 这种电路是必需的。时钟再次使计数器计值, 至它达到零。如果门开通时仍未结束, 那么此过程再次重复。
斜率累加器用于补偿振荡器温度特性的非线性, 以产生高分辨率的温度测量。通过改变温度每升高一度计数器必须经历的计数个数, 来实行补偿。因此为了获得所需的分辨率, 计数器的数值以及在给定温度处每一摄氏度的计数个数 (斜率累加器的值) 都必须事先知道。
此计算在DS1820内部完成, 以提供0.5℃的分辨率。温度读数以16位符号扩展的二进制补码读数形式提供。
输出数据与测量温度的关系如表2所示。
表2输出数据与测量温度关系
4 应用举例
数字温度传感器在测色系统中的应用 篇9
在光电积分式测色系统设计中, 通常选用硅光电池作为光电探测器, 硅光电池能够把光信息 (能量) 直接转化成电信息 (能量) , 便于对被测信号进行处理。由于标准光源照明体灯管壁温度较高, 对探测器内部的温度影响很大, 硅光电池受温度影响产生电压漂移, 这势必会影响到测量的精度和稳定性[1]。通过研究硅光电池的光电转换特性随温度变化的规律, 设计了使用数字温度传感器DS18B20的一种V-T曲线控制补偿方法, 对测色系统进行适当的电压补偿, 使其达到更好的性能指标[2]。
1 硅光电池特性
在测色系统中, 经过光电探测器把采集到的被测样本的光信号转换为电信号, 采集输出的电信号极其微弱, 需要对这些电信号进行转换和放大处理, 在这些环节中引起温度漂移的原因主要有2点:
(1) 硅光电池的温度特性对输出电压有很大影响[3];
(2) 在放大电路中, 任何参数的变化, 如电源电压的波动、元件的老化、半导体元件参数随温度变化而产生的变化, 都将产生输出电压的漂移。
硅光电池的温度特性[4]是指开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移, 影响测量精度或控制精度等重要指标, 因此温度特性是硅光电池的重要特性之一。从图1中可以看出硅光电池开路电压随温度上升而明显下降, 短路电流随温度上升却是缓慢增加的。因此, 在采用硅光电池作为检测元件时, 应考虑温度漂移的影响, 并采用相应的补偿措施。
2 DS18B20实时温度采集
DS18B20是DALLAS公司生产的单线式智能数字温度传感器, 具有3引脚TO-92小体积封装形式, 其中:DQ为数字信号输入/输出端;GND为电源地;VDD为外接供电电源输入端 (在寄生电源接线方式时接地) 。DS18B20内部结构[5]主要由4部分组成:64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的测温原理[6]如图2所示:每次测量前, 首先将-55 ℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数, 当减法计数器1的预置值减到0时, 温度寄存器的值将加1, 减法计数器1的预置将重新被装入, 减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数, 如此循环直到减法计数器2计数到0时, 停止温度寄存器值的累加, 此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性, 其输出用于修正减法计数器的预置值, 只要计数门仍未关闭就重复上述过程, 直至温度寄存器值达到被测温度值。
3 V-T曲线控制温度补偿的设计方案
光源产生的热量和探测器的机械结构使得光电探测器内部温度随测量时间的增加不断升高, 硅光电池采集的三路模拟信号的电压值随之逐渐下降。针对这种现象通常采用分时间段对这三路信号的电压值进行补偿。实验表明, 时间与电压值的关系并不能作为准确的控制3路模拟信号电压值补偿的依据: 一方面, 按时间变化采集的3路模拟信号的电压值并不是完全线性的;另一方面, 硅光电池的温度特性才是产生温度漂移最主要的原因。
这里采用温度传感器DS18B20获取实时温度, 结合电压值分析得出温度补偿系数进行电压补偿, 实现电压-温度曲线 (V-T曲线) 控制补偿。根据温度传感器的测温原理, 设计了一种实现V-T曲线补偿的方法, 系统总体框图如图3所示。按照式 (1) , 结合实际测量数据分析得到适当的温度补偿系数K, 实现温度上升时, 对实测电压进行适当的补偿, 使补偿后的实测电压值具有良好的稳定性。
式中, V0为电压初始值;V为电压实测值;T为实测温度;T0为温度初始值;K为温度补偿系数。
3.1 温度补偿系数的选择
V-T曲线控制温度补偿的核心在于温度补偿系数K的选择, 根据式 (1) 得到:
在测色系统中, 把调零后第一次测量标准白板时获得的电压值和温度值作为式 (2) 中的电压和温度的初始值。连续测量标准白板, 能够获取不同温度时3路模拟信号的电压值, 随着温度的升高, 硅光电池产生的电压漂移会反应在这些电压值中。结合实测数据计算电压值随温度线性变化的曲线斜率, 所得的曲线斜率即为温度补偿系数K。将温度补偿系数K引入到电压补偿中, 对于每次测量所得的电压值, 都可以结合实测的温度对电压测量值进行补偿, 得到实际的电压值。如式 (3) 所示:
式中, Vt为实际的电压值;V为电压测量值;T为温度实测值;T0为温度初始值;K为温度补偿系数。
3.2 硬件实现
WSC-Y型测色色差计选用STC89C58RD+新一代超强抗干扰/高速/低功耗单片机作为主处理器[7]完成主要的测控任务。单片机单总线上挂接的DS18B20采用外接VDD供电方式 (而未用寄生供电) , 系统中CPU采用22 MHz晶振, DQ端为P1.1。系统主要部分硬件电路如图4所示。
3.3 软件实现
DS18B20简单的硬件接口是以相对复杂的接口编程为代价的。由于DS18B20通过单总线与单片机进行通信, 所以DS18B20与单片机的接口协议是通过严格的时序来实现的。单片机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤:初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。必须先启动DS18B20开始转换, 再读出温度转换值。另外, DS18B20在实际应用中应注意从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间, 所以在读取温度结束后需要延时1 s后, 再对数据进行处理, 这是必须要保证的, 否则将导致转换错误, 输出错误的温度值[8]。基于DS18B20的通信协议[9]编写温度传感器控制程序, 对DS18B20的操作的程序流程图如图5所示。
3.3.1 初始化子程序
测温系统采用P1.1作为为通信端口, 在DS18B20初始化的过程中, 单片机首先发出1个复位脉冲, 保持低电平时间要大于480 μs, 然后单片机释放总线, 等待DS18B20的应答脉冲, P1.1口收到0则初始化成功, 收到1则初始化失败。这样, 单片机与温度传感器就完成了1次初始化通信。
3.3.2 读取温度数据
使用默认的12位转换精度, 外接供电电源, 完成一次转换并读取温度值的程序[10]如下:
3.3.3 V-T曲线控制补偿子程序
温度补偿函数的实现如下:
4 实验结果分析与结论
将V-T曲线控制补偿电路的设计方案应用到测色系统后, 先将色差计预热30 min后, 使光源趋于稳定, 对仪器定标, 每隔5 min测量专用工作白板1次。测量中, 白板保持不动, 测量结果良好。表1和表2分别是对系统进行温度补偿前和温度补偿后, 测量同一块标准白板半小时的测量结果。
由测量数据可见, 在对系统进行温度补偿后, 测色系统的测量准确度大大提高, 误差明显变小。引入温度传感器后, 测色系统的测色色差ΔE均小于0.15 , 测量的重复性完全达到了国家计量院规定的15 min内ΔE<0.2的要求。根据测色系统的现实要求, 采用灵活的温度补偿技术, 和切实可行的电压补偿方法, 有效地完成了测色系统的稳定性控制。实验结果表明, 在使用了数字温度传感器对测色系统的实测电压进行补偿之后, 减少了测量误差, 提高了仪器的稳定性和准确度。
参考文献
[1]张桂彬, 谷玉海, 童亮, 等.全自动测色仪系统误差分析及技术改造[J].北京机械工业学院学报, 2007, 22 (2) :28-31.
[2]杨建芳, 谷玉海, 刘振宇.单总线技术的硅光电池特性实验装置[J].北京机械工业学院学报, 2007, 22 (2) :32-35.
[3]李永安.光电池光特性的电子测量[J].物理实验, 2005, 25 (6) :9-11.
[4]杜梅芳, 姜志进.光电池非线性区PN结光生伏特效应的研究[J].上海理工大学学报, 2002 (1) :65-67, 72.
[5]孟宪玲.浅析数字温度传感器DS18B20的应用[J].中国科技信息, 2007 (3) :70-71, 74.
[6]陆泽春.DS18B20集成温度传感器原理及其应用[J].今日科苑, 2007 (4) :73.
[7]徐华英, 徐秋华, 赵莉, 等.用DS18B20和单片机构成的最小测温系统[J].中国计量, 2003 (6) :61-64.
[8]张海.基于AT89C51和DS18B20的最简温度测量系统的设计[J].现代电子技术, 2007, 30 (9) :85-86, 89.
[9]雷建龙.数字温度传感器DS18B20读出数据错误分析[J].电子器件, 2007 (6) :2 178-2 182.
温度传感器应用 篇10
温度是电力设备的重要运行参数,通过监测电力设备温度信息获取电力设备的运行状况是电力系统故障预报与诊断的研究热点,研究内容包括各种新型的温度传感器的应用、电力设备的故障预报与诊断方法等[1]。其中光纤温度传感器在电力系统中的应用是近年来研究的热点,已广泛应用于发电厂、变电站等[2,3]。光纤传感器具有绝缘、抗电磁干扰、耐高电压、耐化学腐蚀,安全等特点[4]。本文对电力系统温度监测的基本内容进行了概述,研究了当前光纤温度传感器在电力系统中的应用,并对其发展趋势进行了展望。
1 光纤温度传感器
光纤温度传感器是上世纪70年代发展起来的一门新型的测温技术。它基于光信号传送信息,具有绝缘、抗电磁干扰、耐高电压等优势特征[5]。在国外,光纤温度传感器发展很快,形成了多种型号的产品,并已应用到多个领域,取得了很好的效果。国内在这方面的研究也如火如荼,多个大学、研究所与公司展开合作,研发了多种光纤测温系统投入到了现场应用。
按工作原理分,光纤温度传感器可分为功能性和传输型两种。功能型温度传感器中光纤作为传感器的同时也是光信号的载体,而传输型温度传感器中光纤则只传输光信号。目前主要的光纤温度传感器包括分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等。其中应用最多当属分布式光纤温度传感器与光纤光栅温度传感器。
(1)分布式光纤温度传感器[6,7]
分布式光纤传感器最早是在1981年由英国南安普敦大学提出的。激光在光纤传送中的反射光主要有瑞利散射(Rayleigh scatter)、拉曼散射(Raman scatter)、和布里渊散射(Brillouin scatter)三部分,如图1所示。分布式光纤传感器经历从最初的基于后向瑞利散射的液芯光纤分布式温度监控系统,到基于光时域(OTDR)拉曼散射的光纤测温系统,以及基于光频域拉曼散射光纤测温系统(ROFDA)等等。目前其测量距离最长可达30 km,测量精度最高可达0.5℃,空间定位精度最高可达0.25 m,温度分辨率最高可达到0.01℃左右。
目前,分布式光纤温度传感器主要基于拉曼散射效应及光时域反射计(OTDR)技术实现连续分布式测量,如York Sensa、Sensornet等公司产品。基于布里渊散射光时域及光频域系统也是当前光纤传感器领域研究的热点,LIOS、MICRION OPTICS等公司已有相应的产品。
(2)光纤光栅点式温度传感器
光纤光栅温度传感器是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅来进行测温的。光纤光栅以波长为编码,具有传统传感器不可比拟的优势,已广泛用于建筑、航天、石油化工、电力行业等[8,9]。
光纤光栅温度传感器主要有Bragg光纤光栅温度传感器和长周期光纤光栅传感器。Bragg光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术而形成的全新光纤型Bragg光栅,成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg光栅效应,其基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器,满足如下光学方程:
式中:λb为Bragg波长;Λ为光栅周期;n为光纤模式的有效折射率。
长周期光纤光栅是一种特殊的光纤光栅,其传光原理是将前向传输的基模耦合到前向传输的包层模中。由于其宽带滤波、极低的背景发射等特点引起人们的重视,是一种新型的宽带带阻滤波器。
2 光纤温度传感器在电力系统中的应用
电力系统中大量设备需要检测温度信息,从而确定电力设备的运行情况,以便运行调度人员及时采取措施,消除异常,避免设备的损坏和事故的发生[10,11]。早期通过示温蜡片、数字温度传感器、红外温度仪等获取电力设备温度信息。但是示温蜡片与红外测温仪需要人工巡查,不能满足现代数字化电力系统的要求。数字温度传感器大多基于电量传送,受电磁场影响较大,只能测量关键点,有一定的局限性。光纤温度传感器则克服了以上缺点与不足,具有通信迅速、报警设置灵活、适应恶劣环境等优点。
目前,光纤温度传感器在电力行业中基本的应用模式如图2所示,现场工程机1为基于分布式光纤温度测温仪,现场工程机2为基于光纤光栅测温仪,多台工程机可通过网络将数据上传到集控室的上层机构成测温系统,实现集中控制显示。其主要内容包括:1)分布式光纤或者光纤光栅作为温度传感器紧贴在电气设备上;2)通过采集光信号进行相应计算得到温度分布;3)开发与设备相应的分析、报警软件;4)通过温度信息分析电气设备运行状态,从而保证电气设备运行在安全区域,避免事故的发生。在国内外,主要有以下几个应用领域。
2.1 电厂温度监控
光纤温度传感器代替传统的温度传感器实现电厂某些关键设备的温度监测是当前的研究热点问题。主要有:
(1)利用光纤光栅实现汽轮机内湿蒸汽的湿度与温度测量,若采用多点监测可动态确定汽轮机内温度场和湿度场的分布[12]。
(2)同步调相机转子温度的测量[13]。
(3)光纤温度-压力混合传感器用于核电站第四代反应堆(Gen-IV)高温、压力监测,可实现系统安全监测[14]。
(4)水电站大坝温度监测,目前已有很多现场应用的实例,如分布式光纤监测系统在长调水电站[15]、景洪电站[16]、云南大理小湾拱坝[17]等的应用。
2.2 电缆隧道火灾监控
发电厂和变电站内大量的高压电气设备都是通过电缆连接的,这些电缆都敷设在厂房或变电站下的电缆隧道。由于电缆隧道环境比较恶劣,且电缆数量较多,容易由于一根电缆的绝缘损坏、局部放电而引起大面积的火灾事故,造成严重的经济损失。针对电缆隧道易发生火灾的情况,传统的预防措施主要有:1)使用阻燃电缆或者电缆加涂阻燃层;2)隔层之间填充阻燃泥;3)在电缆隧道中通过感温电缆实现温度报警;4)电缆隧道中定距安装悬挂定温式的自动灭火器等[18]。以上措施并不能及时发现火灾隐患和防止火灾事故的发生。
分布式光纤温度监控系统是近年来应用于电缆隧道监测的一种新技术,它通过在电缆隧道中敷设一条光纤即可实现多条电缆的温度检测与整个电缆隧道的火灾报警[19]。总的来说,分布式光纤测温系统应用到电缆隧道火灾监控的优点有:1)实时检测光纤沿线温度,测温准确,分辨率较高。按测温距离与测温精度的不同,一般全线温度更新速度最短10s左右。2)存储历史温度数据用于作进一步分析。3)报警等各项指标设置灵活,可实现多条件报警设置。目前已有不少成功应用的案例,如在韶关电厂、宁夏石嘴山发电厂、南京扬子石化热电厂、济南钢铁等[20,21,22]。
2.3 高压电力电缆负荷安全监测
温度作为高压电力电缆的一个重要的运行参数越来越受到人们的重视。通过数字传感器的方式只能实现对电缆接头等重要部分的温度监测[23]。因此,近年来人们对一些重要的高压动力电缆应用分布式光纤温度监测系统[24,25,26]和光纤光栅测温系统实现电缆温度监控[27,28,29]。
分布式光纤测温根据光纤安置在电缆上位置可分为内置式与表贴式两种。内置式所测温度基本等于电缆缆芯温度,但其需要特殊生产,且敷设复杂[30]。目前研究比较多的是表贴式光纤测温系统在电力电缆上应用。
光纤测温系统测得电缆表皮温度后,结合实时电流计算出电缆线芯温度,可进一步推算出动态载流量并模拟各种运行状态[31,32]。电缆温度监测可以在电缆全长度范围内发现过热点和异常行为点,包括快速升温点和慢性升温点等,能发现限制电缆载流量的瓶颈点的温度与位置信息,预防电缆故障的同时为电力调度提供科学依据。
2.4 变压器绕组温度监测
电力变压器的内部故障主要是过热性故障,研究变压器的过热故障具有很大实用价值[34,35]。变压器的寿命与电力变压器绕组温度有一定关系[36]。
变压器绕组温度测量方法主要有三种:1)基于电信号的数字传感器测温;2)红外温度传感器测量;3)光纤温度传感器测量。利用光纤温度传感器测量又分为荧光光纤测温仪[37,38]和光纤光栅温度传感器。光纤光栅传感器测温是将光纤光栅粘贴在变压器绕组上测量绕组温度。通过对变压器绕组的连续监测,能掌握变压器工作状态以及了解设备的缺陷和退化情况[39]。
2.5 高压开关柜温度监测
高压开关柜用来开闭电力线,是实现输送、倒换电力负荷,退出故障设备和线路的关键设备。在长期的运行过程中,开关柜触点和母线连接处容易老化、松动和接触电阻过大而引起局部发热严重。开关柜过热如若发现不及时往往容易导致火灾事故,造成大面积停电等。对全封闭的高压开关柜实现在线实时温度监测,提前发现和排除隐患,对保证安全可靠供电具有重要的意义[40]。
应用分布式光纤温度传感器和光纤光栅温度传感器对高压开关柜的温度监测是当前的一种新的温度监测方法,能避免强电磁场的干扰,且耐高压、耐辐射,能有效提高高压开关柜的可靠性[41,42]。尤其光纤光栅温度传感器在变电站开关柜中的应用越来越广泛,如在天津天辰变电站、上辛口变电站等。
3 光纤温度传感器在电力系统中应用现状分析
光纤温度传感器作为一种新型的测温技术发展十分迅速,应用也越来越广泛。在电力系统中应用也得到了较好的发展,但存在以下几个方面的问题:
(1)光纤温度传感器在电力系统中的一些应用尚处于初步尝试阶段,尚需要开发温度与设备运行状态等的关系模型,从而更好地利用温度信息。目前在电缆监测上有缆芯温度计算模型、动态载流量模型。
(2)光纤温度传感器在价格上的劣势制约了其在电力系统中的推广应用,价格太高使得在某些应用场合监测的实际意义不大。
(3)光纤在某些电气设备上的敷设较为困难,最好能在敷设方式和敷设工艺等方面形成业内认可的施工指导与标准规范。
(4)目前生产光纤温度传感器的厂家基本都只具备专业研发与生产光纤温度传感器的能力,而在电力系统领域涉足较少,缺乏开发基于光纤温度传感器的电力系统故障诊断方面软件的理论支持与经验,难以将系统功能扩展。
4 展望
随着电力系统的发展,对电力设备的温度监测将会越来越受到重视。光纤测温系统成本的降低以及测温精度等指标的提高,必将促使其在电力系统中的应用更加广泛与深入。
(1)分布式温度监测系统与点式光纤光栅监测系统相结合构造厂站温度监控系统实现发电厂和变电站重要设备的温度监控,提供全厂(站)重要区域温度信息,及时发现安全隐患,保证电力安全生产、稳定可靠运行。
(2)分布式光纤测温系统与电缆故障诊断技术相结合构造基于光纤温度传感器的电缆在线故障诊断系统,不仅能实现电缆线芯温度实时监测和动态载流量分析,而且能将电量信号和温度信号结合实现电缆电气故障识别和定位。
(3)随着分布式光纤测温系统长距离监测技术的成熟,结合应力监测功能将其应用到海底电缆与架空线路的安全监测中也是将来发展的一个方向。
【温度传感器应用】相关文章：
温度传感器应用论文05-14
温度传感器应用论文05-29
温度传感器应用论文提纲11-15
光纤温度传感器的原理及应用研究09-11
应用于石油勘探温度和含水率测量的光纤传感器原理及方法研究09-11
废气温度传感器06-12
薄膜温度传感器06-24
温度传感器的论文05-12
温度传感器设计报告08-28