第4 5讲 温度传感器

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1、第三章 温度传感器,热电偶 热电阻 热敏电阻 集成温度传感器 红外测温仪,第一节 热 电 偶,一、工作原理： 两种不同材料的导体 A 与 B，按图 2-1 所示的组合在一起，如果两结点的温度不同，则在回路中就会有电势产生，其电势（电流）的大小与两导体的性质和结点的温度有关。这种现象称为热电势效应。,工作端（热端T） 自由端（冷端T0 ） 热电势 两种导体的接触电势 单一导体的温差电势,T,A,B,T0,图21 热电效应,两种导体的接触电势,接触电势公式： eAB(T)=(KT/q)ln(nA/nB) (21） 式中： eAB(T)A,B两金属在温度 T 时的接触电势 K波尔兹曼常数； q电子电

2、荷,总的接触电势为： eAB(T, T0）=（K (T - T0) / q) ln( nA / nB) （23）,2. 单一导体的温差电势,设导体 A 达到动态平衡时的温差电势为eA(T，T0），导体 B 的温差电势为 eB(T，T0）。由A，B两导体组成的闭合电路总温差电势为： eAB(T， T0）=（ B -A) dT A、 B导体A，B的汤姆逊系数 （24）,T T0,热电偶总的热电势为： EAB(T， T0）= eAB(T， T0）+ eAB(T， T0） = （K (T - T0) / q) ln( nA / nB) + （ B -A) dT （25）,T T0,结论: 1. 同种导

3、体构成的热电偶,即便 T T0。闭合回路中也不会产生热电势。因此，作为热电偶，必须采用两种不同的导体作热电极。 2. 热电偶所产生的热电势大小，只决定于热电极材料的成分和两结点温度，与热电极的长度，直径和接触面的形状、大小无关。当T=T0 时，热电势为零。,3. 热电偶两电极材料成分确定后，热电势大小只由两结点温度决定，与电极中间温度无关。若自由端温度 T0 保持一定，由式（25）可知，热电偶的热电势仅是测量端温度 T的单值函数。即： EAB(T， T0）= （T） （26）,二、热电偶的种类,按材料： 廉金属 贵金属 难熔金属 非金属 按用途和结构： 1. 普通工业用： 直形 角形 锥形 2

4、. 专用 ： 锴装（缆式） 薄膜,热电极,绝缘瓷管,保护管,接线座,接线盒,接线柱,图25 直形无固定装置普 通工业用热电偶,三、热电偶测温及自由端的温度补偿,计算修正法 设热电偶测量端温度为T，自由端温度为T0 （ 0 ），根据中间温度定律： E（T，0）=E（T，T0）+E（ T0，0） （27） 知道自由端的温度T0 ，查出热电势值E（ T0 ，0），与实测的热电势值E（T， T0 ）相加，得出测量端温度 T，自由端温度,为0 时的热电势值 E（T，0），最后再由热电偶分度表查出被测介质的真实温度。 例如用铂铑10铂热电偶测量某炉温时，自由端温度T0 = 30 ，由电子电位差计测得热电势

5、E（T，30）=9.383 mV，由分度表查的E（30，0）=0.173 mV，由式（27）得E（T，0）= 9.383 + 0.173 = 9.566 mV，再查分度表得 T = 1000 。,2. 经验公式校正法,为减少一次查表，工程上常采用这种方法： t = t + kt0 式中 t被测电真实温度； t由E ( t, t0 ) 值查分度表得出的温度； t0冷端恒定温度； k经验系数,3. 自由端温度恒温法,将热电偶自由端置于0 的恒温容器中。 最简易的办法是在保温瓶中装入冰水混合液，但只适用于室内。 一般工程测量或控制常采用的方法： 将自由端埋入地下 1.5m 2m 深处，使其温度相对保

6、持恒定。 将自由端放入电热恒温箱内。 将自由端放入装有变压器油的保温瓶内。,4. 电桥补偿法,G,图29 电桥补偿法补偿电路,补偿导线,铜导线,B,A,C,D,E,T,R5,R4,R1,R3,R2,a,b,1,T0,T0,2,5. 几种实用的测温电路,见 P14 图 28： 测量点温度的电路； 测量平均温度的电路； 测量温度之和的电路； 测量温差的电路。,第二节 热电阻传感器,热电阻（金属热电阻式） 热电阻材料的特点： 高温度系数，高电阻率。 化学、物理性能稳定。 良好的输出特性。 良好的工艺性。,热电阻的特性 铂电阻阻值与温度变化之间的关系： 在0 660 温度范围内 RT = R0（1 +

7、 At + Bt2 ） （29） 在 -190 0 温度范围内 RT = R0 1 + At + Bt2 + C ( t 100 ) t3 (210） 铂电阻制成的温度计经常用作高精度的工业测量，价格一般较高。,铜容易提纯，价格低廉。 铜电阻阻值与温度变化之间的关系式： RT = R0（1 + At + Bt2 + Ct3 ） （211） 铜电阻的电阻率仅为铂电阻的1/6左右，适用于温度较低和没有侵蚀性的介质中工作。,其它热电阻 铟电阻适宜在 269 258 温度范围内使用。 锰电阻适宜在 271 210 温度范围内使用。 碳电阻适宜在 273 268.5 温度范围内使用。,热敏电阻 热敏电阻

8、的分类与分类: 负温度系数热敏电阻（NTC） 正温度系数热敏电阻（PTC） 临界温度系数热敏电阻（CTR） 负温度系数热敏电阻的特点： 电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的10 倍。,结构简单，体积小，可以测量点温度。 电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。 易于维护和进行远距离控制。 制造简单，使用寿命长。 互换性差，非线性严重。 负温度系数热敏电阻的特性 电阻温度特性曲线公式： RT = AeB/T （212） 或 RT = R0exp B ( 1/T 1/T0 ),对于热敏电阻特性的严重非线性，解决的办法是利用温度系数很小的金属电阻与热敏电阻串联或并联，使热敏电阻在一定范围内呈线性关系。,

9、U,I,图210 负温度系数热敏电阻的电阻温度特性曲线,A,RT,RX,E,(a),R,T,RS,RT,RX,I,T,(b),(c),图212 热敏电阻非线性校正,表22 热敏电阻的主要用途,第三节 集成电路温度传感器,定义： 在一块极小的半导体芯片上集成包括敏感器件、信号放大电路、温度补偿电路、基准电源电路等。 发展方向： 高灵敏度、智能化、小型化（微型化）、多功能化,优点： 线性度好、重复性好、稳定性好、输出信号大且规范化。 输出分类： 电压型：温度系数为 10 mV/ 电流型：温度系数为 1 A / 在绝对温度零度时，它们的输出电量均为零。, 电流输出型集成温度传感器,AD590 是代表

10、产品之一，特别适于远距离测量和传输。 基本工作原理： AD590 是基于硅集体管的发射极和基极间电压和绝对温度相关的原理而进行设计制造的。 基本方程： Vbe=(KT/q)LnJ (215）,主要性能： 测温范围-55 +150 。 线性电流输出1 A / K。 线性度好，满刻度范围为0.01。 电源电压范围4V30V，当电源电压在5V10V之间，电压稳定度为1%时，所产生的误差只有 0.01。 电阻采用激光修刻工艺，使在+25 （298.2K)时，器件输出298.2 A 。,绝对温度和摄氏温度的转换偏置电路 AD590 的输出量是电流，通过 1K电阻，获得1 mV / K 的输出电压。 绝对

11、温度和摄氏温度之间的关系： t ( K ) = t ( ) + 273.15 (219）,VT=1mV/ ,273.2mV,A,9.1k,AD590,温度调节,100,910,AD580,V0=GVT,增益可调 数据放大器,+2.5V,200 失调,微调 1K,图214 绝对温度至相对温度的转换偏置电路,R1,+,R2 R3,AD590的应用,R,Dz,RH,Rset,RL,C1,10k,+,RB,AD590,RL,T1,T2,10V,+V,图215 恒温控制电路,加热 元件,（,（,（,（,A,8,J, 电压输出型集成温度传感器,NEC 公司的 PC616 是代表产品之一 工作原理： 从图2

12、16中的图（a）可以看出 PC616电路可分为：温度传感器部分 稳压部分 运算放大器部分,温度传感器部分： 输出电压的绝对值在T = 25 时为2.982V（对应298.2K），因此它的温度系数为10 mV/ 。用于温度测量和控制十分方便。 稳压部分： 具有温度补偿电路使输出电压十分稳定。 运算放大器部分具有两种功能： a. 测温时连接成电压跟随器 b. 作温度控制时的设定值输入端,3,2,4,6.85 V,1,50k,10mV/k,温度传感器,+,8,4,1,3,2,（a） 方框图,（b） 封装图,图216 PC616方框图和封装图,应用实例 基本应用电路：,R,-15V,3,2,I N,O

13、UT,-10mV/K,1,ur,7.5k,4,7.5k,+15V,I N,OUT,4,R,3,ur,10mV/K,2,1,0V,（a） 负电源,（b） 正电源,图219 PC616 基本应用电路,表示摄氏温度的电路,R2,+15V,R1,IN,OUT,5.1k,R3 2.7k ,Rw5k,5.1k,-15V,R,4,k,2.4,ur,(a) 用正负电源,20k,IN,OUT,7.5k,-15 V,20k,Rw,100k,+,调到 -2.732V,ur,(b) 用负电源,图220 摄氏温度传感器,第四节 红外温度传感器,红外检测的物理基础： 一切物体只要它的温度不是热力学零度，总是在不断的发射红外辐射。许多非电量能够影响和改变红外光的特性，利用红外敏感元件测得红外光的变化，进而可以确定待测非电量。,斯忒潘玻尔兹曼定律: 物体温度越高，发射的红外辐射能越多： E = T4( 2-21 ) 维恩位移定律： 红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长 m 与物体自身的绝对温度 T 成反比，即： m = 2879 / T （ m） （222）, 红外探测器,红外温度传感器在吸收红外辐射能后温度升高，引起某种物理性质的变化，而这种变化与吸收的红外辐射能成一定的关系。 利用红外辐射测量温度具有以下特点： 测量过程不影响被测目标的温度分布，可