传感器原理及应用第11章温度传感器资料

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1、传感器原理及应用,第11章 温度传感器,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,主要内容： 11.1 热电偶 11.2 热敏电阻 11.3 集成温度传感器,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,我国目前实行的是1990年国际温标(ITS90） (ITS90）定义: 国际开尔文温度（T90） 国际摄氏温度（t90）； T90 ：单位（K）开尔文 t90 ：单位（C）摄氏 两者关系为： t90/ = T90/ K 273.15 或t/ = T/ K 273.15,温度单位： 热力学温度是国际上公认的最基本温度,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代生

2、活中准确的温度是不可缺少的信息内容， 如家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都少不了温度传感器。,概述,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,概述,根据所用测温物质的不同和测温范围不同，有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差温度计、辐射温度计、光测温度计等等。,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,温度传感器的种类很多，按价格和性能可分为： 热膨胀温度传感器，有液体、气体的玻璃式温度 计、 体温计，结构简单，应用较广泛； 家电、汽车上使用的温度传感器，价格便宜、用 量大、成本低、性能差别不大； 工业上使用的温度传感器，性能价格差别比较大， 因为

3、传感器的精度直接关系到产品质量和控制 过程，通常价格比较昂贵。,概述,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,概述,各种热电偶,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,概述,各种热电阻,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,温度传感器按工作原理主要有以下几类： 热电偶，利用金属的温差电动势测温， 特点：耐高温、精度高，可测量上千度； 热电阻，利用导体随温度变化，可测温几百度； 热敏电阻，利用半导体材料随温度变化测温， 特点：体积小、灵敏度高、使用方便，稳定性差； 集成温度传感器，利用晶体管PN结电流、电压随 温度变化，有专用集成电路， 特点：体积小、响应快、价廉，测量150以 下温度。,概述

4、,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.1 热电偶 11.1.1 热电效应,两种不同类型的金属导体，导体两端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等（TT0）有温差时，回路里会产生热电势，形成电流，这种现象称为热电效应。 利用这种效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.1 热电偶 11.1.1 热电效应,固定温度的接点称基准点 （冷端）T0 ，恒定在某一 标准温度； 待测温度的接点称测温点 （热端）T ，置于被测温度 场中。 这种将温度转换成热电动 势的传感器称为热电偶， 金属称热电极。,热电偶测温方法,传感器原理及应

5、用,第11章 温度传感器,11.1 热电偶 11.1.1 热电效应,不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会产生电子扩散，浓度大的向浓度小的金属扩散。 浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。,不同金属自由电子密度不同,(1)两种导体的接触电势,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.1 热电偶 11.1.1 热电效应,热端接触电势：,冷端接触电势：,、,、,在闭合回路中，总的接触电势为：,(1)两种导体的接触电势,热电偶热端温度为T时,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.1 热电偶 11.1.1 热电效

6、应,对单一金属如果两边温度不同，两端有温度梯度， 两端也产生温差电动势； 产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具 有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失 去电子带正电，低温端得到电子带负电。,( 2 ) 单一导体的温差电势（汤姆逊电势）,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.1 热电偶 11.1.1 热电效应,A、B 两导体构成闭合回路总的温差电势为：,单一导体的温差电势为：,根据两导体的接触电势和单一导体温差电势 热电偶总的热电势为：,式中： 是泽贝克系数， 是温度和位置的函数。,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.1 热电偶 11.1.1 热电效应,结论： 若热电

7、偶两电极材料相同（NA=NB、A=B），无论两端点温度如何，总热电势为零； 2. 如果热电偶两接点温度相同，T=T0时，A、B材料不同，回路总电势为零； 因此，热电偶必须用不同材料做电极； 在T、T0两端必须有温差梯度，这是热电偶产生热电势的必要条件。,热电偶总的热电势为：,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.1 热电偶 11.1.2 热电偶基本定律,如果将热电偶T0端断开，接入第三导体C，回路中电势EAB（T，T0）应写为：,设,代入上式有：,(1)三种导体的热电回路（中间导体定律）,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.1 热电偶 11.1.2 热电偶基本定律,结论： 当

8、引入第三导体C时，只要C导体两端温度相同，回路总电势不变。中间导体定律说明，回路中接入导体和仪表后不会影响热电势。 根据这一定律，将导体 C 作为测量仪器接入回路，就可以由总电势求出工作端温度，条件是：保证两端温度一致。,回路中总电势：,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.1 热电偶 11.1.2 热电偶基本定律,在热电偶测温回路中TC为热电极上某点温度，热电偶AB，在结点温度为T、T0 时的热电势EAB（T，T0）等于结点温度 T、TC 和 TC、T0 时的热电势,实际测量时，利用这一性 质，对参考端温度不为零 度时的热电势以及冷端延 伸引线进行修正和补偿。,(2) 考电极定律（中

9、间温度定律）,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.1 热电偶 11.1.3 热电偶的结构和种类,热电偶种类： 贵金属热电偶 铂铑铂铑（6001700） 铂铑铂 （01600） 普通金属热电偶 镍铬镍硅（-2001200） 镍铬镍铜（-40750） 铁 康铜 （0400） 热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、 性能好，这是其它温度传感器无法替代的。,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.1 热电偶 11.1.3 热电偶的结构和种类,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.1 热电偶 11.1.3 热电偶的结构和种类,普通热电偶，测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构； 薄膜热

10、电偶，用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄； 铠装热电偶，用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲； 表面热电偶，用于弧形表面物体测温； 消耗式热电偶，主要用于钢水温度测量。,a)普通热电偶 b)薄膜热电偶 c)铠装热电偶,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.1 热电偶 11.1.4 热电偶测量电路,通过查热电偶分度表可知热电偶产生的热电势； 例如K型热电偶： 0 时 E = 0mV， 600 时 E = 24.902mv； 分度表以 t = 0 作基准.,电路调试步骤： 调零：T=0时调整调零电位器RP2使运放输出为零； 调增益：温度600时调节负反馈电阻，使运放输出在6V。 600时

11、，K型热电偶热电势为 E = 24.902mv，放大器增益为6V/24.902mv=240.945 ，得到满量程输出6V。,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.1 热电偶 11.1.4 热电偶测量电路,例：使用k型热电偶测温，基准接点为0、测量接点为30和900时，温差电动势分别为1.203mV和37.325mV。 问，当基准接点为30，测温接点为900时的温差电动势为多少？ 解：现 t=900 ，t0=30 ，基准接点温度为30 ， 测温接点温度为 900 时的温差电动势设为 E， 则 900总的温差电势为： 37.325 = 1.203+ E， 所以 E = 36.122mV。,

12、实际应用中往往t0； 若参考端温度不为0，工作端温度为t时，由分度表可查出EA（t,0）,与实际热电势EAB（t,t0）之间的关系可通过参考电极定律得出：,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,炉温的自动调节,11.1 热电偶应用,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,炉温的自动记录,11.1 热电偶应用,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,热敏电阻传感器主要有两大类： 金属热电阻 半导体热敏电阻 金属热电阻、半导体热敏电阻统称热电阻。 广泛用于测量 -200+850，少数可测1000。,11.2 热敏电阻,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,金属热电阻一般用于-200+500温度

13、测量； 材料多为纯铂金属丝，也有铜、镍，绕制在云母板、玻璃或陶瓷线圈架上，构成热电阻。 铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为：,11.2 热敏电阻 11.2.1 金属热电阻,-200O,+0850,式中：,为温度,和,时的电阻值，,A、B、C 为常数；ITS90中 常数规定见P229。,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.2 热敏电阻 11.2.1 金属热电阻,铂测温电阻元件的电阻的温度特性,分度号分别为： Pt10 Pt100,见分度表,为 的公称值，,金属热电阻与 有关,目前我国规定工业用铂热电阻有两种：,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.2 热敏电阻 11.2.1

14、 金属热电阻,带保护管的铂测温电阻元件,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,近年来，几乎所有的家用电器产品都装有微处理器，温度控制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热敏电阻。 热敏电阻用半导体材料氧化复合烧结而成 主要材料有：Mn、Co、Ni、Cu、Fe氧化物， 结构分为：二端、三端、 四端、直热式、旁热式。,11.2 热敏电阻 11.2.2 热敏电阻,热敏电阻符号,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,热敏电阻温度特性 PTC 正温度系数型； NTC 负温度系数型； 负温度系数热敏电阻的特性曲线用经验公式表示：,11.2 热敏电阻 11.2.2 热敏电阻,负温度系数型热敏电阻特性曲线

15、,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,多数热敏电阻具有负温度系数，温度升高电阻下降，同时灵敏度下降，所以热电阻限制了它在高温下使用。目前，热敏电阻温度上限约300 。 热敏电阻最大的缺点是，产品一致性差，互换性不好，因此一般只用于电器产品，不在石油、钢铁、制造业上使用。,11.2 热敏电阻 11.2.2 热敏电阻,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.2 热敏电阻 11.2.3 热敏电阻的应用,图是一恒温控制电路，Rt为热敏电阻，A为比较器，当环境温度达到T时，输出信号实现自动调温控制。 同相端输入有RP1、R2、R3分压确定作比较电平，RP可调节比较器的比较电平，从而调节所需控制温度。,热敏电阻的恒温控制电路,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.3 集成温度传感器,目前国内外应用最普遍的集成温度传感器是：AD590、AD592、TMP17、LM135等，是上世纪80年代问世的，可以完成温度测量及模拟信号输出的专用IC； 模拟集成温控模块，LM56、AD22105等，是可编程的温控开关模块； 智能温度传感器、温控器将A/D转换电路，ROM存储器集成在一个芯片上，自90年代问世以来，被广泛应用于自动控制系统，,传感器原理及应用,第11章 温度传感器,11.3 集成温度传感器,集成温度传感器利用PN结的电流、电压特性与温度的关系测量温度，由于PN结受耐热