如何选择温度检测传感器？

温度是工业生产和科学研究实验中的一个非常重要的参数。温度直接和生产安全、产品质量、生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系，物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，许多生产过程都是在一定温度范围内进行的，需要测量温度和控制温度的场合极其广泛。温度传感器是利用物体各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。这些随温度变化呈规律性变化的物理性质主要有：体积或压力的变化、电阻阻值的变化、两种材料连接点处温差电动势的变化、热辐射效应、颜色或形状的变化等。

一、热电偶

热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器，其构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳定性及复现性，温度测量范围宽，在温度测量中占有重要的地位。

1.热电效应

两种不同的金属A和B构成如图3-18所示的闭合回路，如果将两个接点中的一个进行加热，使其温度为t，而另一点置于室温t0中，则在回路中会产生热电动势，用EAB（t，t0）表示，这一现象称为热电效应。通常把两种不同金属的这种组合叫作热电偶，A、B叫作热电极，温度高的接点叫作热端或工作端，温度低的接点叫作冷端或自由端。

图3-18　热电效应原理图

由理论分析知，热电效应产生的热电势EAB（t，t0）由接触电动势和温差电动势两部分组成。

2.热电偶基本定律

1）中间导体定律

利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表。在热电偶测温回路内接入第三种导体，只要其两端温度相同，则对回路的总热电动势没有影响，如图3-19所示。

图3-19　热电偶中加入第三种材料

如果接入第三种材料的两端温度不等，热电偶回路的总热电动势将会发生变化，其变化大小取决于材料的性质和接点的温度。因此，接入的第三种材料不宜采用与热电极的热电性质相差很远的材料，否则一旦温度发生变化，热电偶的电动势变化将会很大，从而影响测量精度。

2）参考电极定律

如图3-20所示，当两接点温度为t和t0时，用导体A，B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶热电动势的代数和，可大大简化热电偶的选配工作。实际测温中，只要获得有关热电极与参考电极配对时的热电动势值，那么任何两种热电极配对时的热电动势均可按公式计算而无须再逐个去测定。

图3-20　参考电极定律原理

3）中间温度定律

在热电偶回路中，两接点温度为t、t0时的热电动势，等于该热电偶在接点t、ta和ta、t0时的热电动势之和，如图3-21所示。

图3-21　中间温度定律示意

由图3-21可得

根据这一定律，只要给出自由端0℃时热电动势和温度的关系，即可求出冷端为任意温度t0时的热电偶电动势，它是制定热电偶分度表的理论基础。在实际热电偶测温回路中，利用热电偶这一性质，可对参考端温度不为0℃的热电动势进行修正。

3.热电偶温度补偿方法

热电偶热电动势的大小不仅与热端温度有关，而且与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定时，才可通过测量热电动势的大小得到热端温度。热电偶电路中最大的问题是冷端的问题，即如何选择测温的参考点。一般采用的冷端方式有三种，即冰水保温瓶方式、温槽方式、冷端自动补偿方式（补偿电桥法）。

补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号，来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为0℃或变化而引起的热电动势的变化值。如图3-22所示，不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻R1、R2、R3，电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻RCu和稳压电源组成。补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温度，适当选择桥臂电阻和桥路电流就可以使电桥产生的不平衡电压UAB补偿由于参考端温度变化引起的热电动势EAB（t，t0）变化量，从而达到自动补偿的目的。

图3-22　冷端补偿器原理

二、热电阻传感器

热电阻传感器利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温。热电阻传感器的测量精度高；有较大的测量范围，它可测量-200～500℃的温度；易于用在自动测量和远距离测量中。热电阻由电阻体、保护套和接线盒等部件组成，其结构形式可根据实际使用制作成各种形状。用于制造热电阻的材料应具有尽可能大及稳定的电阻温度系数和电阻率，R-t关系最好呈线性，物理化学性能稳定，复现性好等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。

1.铂电阻

铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IPTS-68标准，在-259.34～＋630.74℃温域内，以铂电阻温度计作为基准器。

铂热电阻的温度特性，在0～630.74℃以内为

(www.xing528.com)

在-190～0℃以内为

式中：Rt——温度为t时的阻值；

R0——温度为0℃时的阻值；

A——分度系数，取3.940×10-3／℃；

B——分度系数，取-5.84×10-7／℃2；

C——分度系数，取-4.22×10-12／℃4。

热电阻在温度为t时的电阻值与R0有关。目前我国规定工业用铂热电阻有R0＝50 Ω和R0＝100 Ω两种，它们的分度号分别为Pt50和Pt100，其中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rt-t的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，即可从分度表中查出对应的温度值。

2.铜电阻

由于铂是贵重金属材料，因此，在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，它的测量范围为-50～150℃。铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为

式中：Rt——温度为t时的阻值；

R0——温度为0℃时的阻值；

α——铜电阻温度系数，α＝4.25×10-3～4.28×10-3／℃

铜热电阻线性好，价格便宜，但电阻率较低，且在100℃以下易氧化，不适宜在腐蚀性介质中或高温下工作。铜热电组的两种分度号为Cu50（R0＝50 Ω）和Cu100（R100＝100 Ω）。

任务实施

步骤一　查阅相关资料

以小组（5～8人为宜）为单位，查阅相关资料或网络资源，学习压力、温度检测传感器的相关知识。

步骤二　参观实训基地

现场参观汽车维修实训室，了解传感器在汽车上的应用，观察压力、温度检测中所用到的传感器类型及安装位置，并做好详细记录。

步骤三　分析汽车压力、温度检测传感器的类型及其使用特点

小组间进行交流与学习，梳理知识内容，分析汽车压力、温度检测传感器的类型及其使用特点。

汽车压力、温度检测传感器举例。

（1）进气压力传感器。波许压力型（D型）电控燃油喷射系统不设空气流量传感器，而是用一个进气压力传感器测量节气门之后进气管的真空度，来间接地测量进气量。进气压力传感器一般安装在节气门后部的进气管上，节气门前部与大气相通，进气压力为大气压，而其后部的气压为负压（负压比真空的表述更确切）。节气门的前、后部均有气管与附加空气阀相通。

进气压力传感器的作用是：将进气管道中的气体压力转换成电信号，并传送给电子控制单元（ECU），再由ECU控制电动喷油器喷油时间的长短。进气压力传感器常见的有电磁式进气压力传感器、压电效应式进气压力传感器以及电阻型进气压力传感器。

（2）雨滴传感器。雨滴传感器主要用于检测是否下雨及雨量的大小，应用于汽车自动刮水系统、智能灯光系统和智能车窗系统等。常见的雨滴传感器主要有流量式雨滴传感器、静电式雨滴传感器、压电式雨滴传感器和红外线式雨滴传感器。

压电式雨滴传感器由振动板、压电元件、放大电路、壳体及阻尼橡胶构成。振动板的功用是接收雨滴冲击的能量，按自身固有振动频率进行弯曲振动，并将振动传递至内侧压电元件上，然后压电元件再把从振动板传递来的变形转换成电压。当压电元件上出现机械变形时，在两侧的电极上就会产生电压。所以，当雨滴落到振动板上时，压电元件上就会产生电压，电压大小与加到振动板上的雨滴能量成正比，一般为0.5～300 mV。该电压波形经传感器内部放大器放大，存储到功率放大器内部。当信号达到一定值时，经过电路输入刮水器驱动电路，刮水器随即启动开始刮雨。

（3）进气温度传感器。由于进入发动机进气管道中的空气温度不同，故会对空气—燃油比（空—燃比）有着不同的影响。如空气温度低，其密度大，氧气含量高，若所喷射的燃油量不增加，就会使混合气过稀，影响发动机的正常工作；空气温度高，会使混合气中的燃油含量过高，同样会影响发动机的工作，因此必须考虑进气的温度。

进气温度传感器的作用是：检测进入进气管道中的空气温度，把空气温度转变成电信号，传送给发动机ECU，以便根据进气温度来调节喷油器的喷油时间。当进气温度低时，ECU控制喷油器加大喷油量；当进气温度高时就要减小喷油量。

进气温度传感器通常安装在空气滤清器（简称空滤器）壳体内或进气总管内（空气流量计中），一般采用具有负温度系数的热敏电阻作为检测元件（负温度系数特性是指电阻值随温度增大而减小）。

（4）冷却液温度传感器。冷却液温度传感器也就是水温传感器，用于检测发动机冷却水的温度，通常采用具有负温度系数的热敏电阻作为检测元件，安装在发动机冷却水通路上。冷却液温度传感器的作用是将冷却液温度的变化转换成电信号，并提供给ECU，作为控制系统根据发动机温度修正喷油量、点火时刻及其他控制参数的主要依据。

任务评价

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