热电传感技术1

《热电传感技术1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热电传感技术1（237页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第4章 热电传感技术,本章学习要求：,1.了解热电传感技术的基本原理 2.掌握热敏电阻、热电开关、铂电阻铜电阻、热电偶、温敏二极管、温敏三极管、集成温度传感器等的结构、特性及使用方法,4.1 概述,4.1.1 温度与温标温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农业生产、科学试验中需要经常测量和控制的主要参数。温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说，互为热平衡的两物体，其温度相等。温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。,温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量. 用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点

2、（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标.,温标,1.经验温标 经验温标的基础是利用物质体膨胀与温度的关系。认为在两个易于实现且稳定的温度点之间所选定的测温物质体积的变化与温度成线性关系。把在两温度之间体积的总变化分为若干等分，并把引起体积变化一份的温度定义为1度。经验温标与测温介质有关，有多少种测温介质就有多少个温标。 按照这个原则建立的有摄氏温标、华氏温标 。,华氏温标：标准仪器是水银温度计，按照华氏温标，水的冰点为32oF，沸点是212oF。分成180份，对应每份的温度为1华氏度，单位为“oF”。 摄氏温标：所用标准仪器是水银玻璃温度计。分度

3、方法是规定在标准大气压力下，水的冰点为零度，沸点为100度，水银体积膨胀被分为100等份，对应每份的温度定义为1摄氏度，单位为“oC” 摄氏温度和华氏温度的关系为,2.热力学温标,热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度; 水的三相点，即液体、固体、气体状态的水同时存在的温度，为273.16K，水的凝固点，即相当摄氏温标0，相当华氏温标32的开氏温标为273.15K。热力学温标（符号为T）它的单位为开尔文（符号为K）。,4.1.2 测温方法与测温仪器的分类,按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非接触式两大类。1) 接触式测温接触式的特点是测温元件直接与被

4、测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。 优点：直观可靠。 缺点：是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。,2)非接触式测温 非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点。具有较高的测温上限；热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。,测温仪器,对应于两种测温方法，测温仪器亦分为接触式和非接触式两大类。接触式仪器又可分为:膨胀式温度计(包括液体和固体膨胀式温度计、压

5、力式温度计)电阻式温度计(包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计)热电式温度计(包括热电偶和P-N结温度计)以及其它原理的温度计。非接触式温度计又可分为辐射温度计、亮度温度计和比色温度计，由于它们都是以光辐射为基础，故也统称为辐射温度计。,按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中温、高温和超高温温度测量。超低温一般是指010K，低温指10800K，中温指8001900K，高温指19002800K的温度，超高温是指2800K以上的温度。,常用测温方法,温度,分类:,应用:,测温,接触测温,非接触测温,热辐射测温,热传导测温,压电效应,热阻效应,热电势效应,金 属,热电阻,半导体,热敏电阻,热

6、电偶,温 度 传感器,压电陶瓷（热释电效应）, 敏感元件, 电参数,光电效应,红外温度传感器、光纤温度传感器,热电阻,电涡流传感器,PN结热电效应,热敏二极管/三极管、集成温度传感器,工作原理：,标定,对温度计的标定，有标准值法和标准表法两种方法： 标准值法就是用适当的方法建立起一系列国际温标定义的固定温度点(恒温)作标准值，把被标定温度计(或传感器)依次置于这些标准温度值之下，记录下温度计的相应示值(或传感器的输出)，并根据国际温标规定的内插公式对温度计(传感器)的分度进行对比记录，从而完成对温度计的标定；被标定后的温度计可作为标准温度计来测温度。,标准表法： 把被标定温度计(传感器)与已被

7、标定好的更高一级精度的温度计(传感器)，紧靠在一起，共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调节到所选择的若干温度点，比较和记录两者的读数，获得一系列对应差值，经多次升温，降温、重复测试，若这些差值稳定，则把记录下的这些差值作为被标定温度计的修正量，就成了对被标定温度计的标定。,4.2 热敏电阻,热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。,材料：,钴、锰、镍等金属氧化物按不同比例的配方，经高温烧结而成,4-1,热敏电阻外形,MF12型 NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,其他形式的热敏电阻,玻璃封装 NTC热敏电阻,MF58 型热敏电阻

8、,其他形式的热敏电阻,带安装孔的热敏电阻,大功率PTC热敏电阻,其他形式的热敏电阻（续）,贴片式NTC热敏电阻,热敏电阻温度面板表,热敏电阻,LCD,热敏电阻体温表,热敏电阻用于CPU的温度测量,热敏电阻用于电热水器的温度控制,特点：,（1）温度系数大 灵敏度高（为热电阻10100倍）,（2）结构简单坚固，体积小 能承受较大的冲击、振动；可以测 量点温度,（3）电阻率高、热惯性小 ，响应速度快 适于动态测温,（4）易于维护、使用寿命长 适于现场测温,（7）互换性差，非线性严重，精度低,（6）成本低，应用广泛,（5）很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时几乎无需考虑连线电阻的影响；,（8）对自热

9、误差较敏感，电流过大会产生自热； （9）除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0150范围，使用时必须注意。,广泛应用于需要进行温度控制的一切领域，如温度测量、温度控制、温度补偿、液面测定、气压测定、火灾报警、气象探空、开关电路、过荷保护、脉动电压抑制、时间延迟、稳定振幅、自动增益调整、微波和激光功率测量等等,热敏电阻温度特性,热敏电阻按其电阻随温度变化的特性分为三类：负温度系数热敏电阻（NTC，Negative Temperature Coefficient），它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系；多用于温度测量和补偿 正温度系数热敏电阻（PTC，Positive Temperatu

10、le Coeffic），用于恒温、加热控制或温度开关 临界温度系数热敏电阻(CTR，Critical Temperature Resistor)，当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降 。用于温度开关,各种热敏电阻的温度特性,123 4 5,输出特性线性化处理,由于热敏电阻特性的严重非线性，扩大测温范围和提高精度必须进行补偿校正。,解决办法：对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串或并联构成电阻网络(常称为线性化网络)代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系。 利用微机可实现较宽温度范围内线性化校正的方案。,图中热敏电阻Rt与补偿电阻Rx 串联,串

11、联后的等效电阻R= Rt +Rx ，只要Rx 的阻值选择适当，可使温度在某一范围内与电阻的倒数成线性关系，所以电流I与温度T成线性关系。,串联补偿电路,并联补偿电路,图中热敏电阻Rt与补偿电阻Rx并联，其等效电阻R= Rt / Rx 。由图可知，R与温度的关系曲线便显得比较平坦。因此可以在某一温度范围内得到线性的输出特性。,热敏电阻器的应用 日本Shibaura Electronics Co,Ltd.的市场分析表明，家用电器，如空调、微波炉、电饭煲、热水器、烘拷面包设备和电池充电器等用的热敏电阻器占公司总热敏电阻器销售量的58。第二位是信息处理和办公设备占21。用于汽车空凋，冷却系统的热敏电阻

12、器占9。高精度的热敏电阻器可用于激光打印机、普通纸复印机探测固定色剂滚形加热器的表面温度。使用热敏电阻器可根据室温调整电流，使墨水喷射印刷机的墨水保持最佳温度。为了耐高温，结构牢固，日本Shibaura Electronics Co.Ltd.的热敏电阻器采用耐热、耐腐蚀的玻璃及高密度的陶瓷片，承受350的高温，可用于汽车及加热器。工作环境温度达500的热敏电阻器可用于汽车的废气循环系统。,热敏电阻的应用,应用实例：基于热敏电阻的电机过热保护器：,Rt1 Rt2 Rt3 ：热敏电阻(NTC) ，安装在三相绕组附近,温度低时 ：电阻高 三极管不导通 继电器不吸合电机运行,温度高时 ：电阻低 三极管

13、导通 继电器吸合 电机停止,4.2 热电开关,热电开关是采用两种不同特性材料（如金属片热膨胀或陶铁磁体热磁性）构成的热敏传感器，该传感器具有温控开关特性。热电开关有双金属片式和陶铁磁体式两种。主要用于电饭锅、电熨斗、电炉、电热水器等的恒温控制器等。,4.2.1 双金属片式热电开关,固体长度随温度变化的情况可用下式表示：基于固体受热膨胀原理，测量温度通常是把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起，构成双金属片感温元件当温度变化时，因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片产生弯曲变形。下图是双金属温度计原理图：,双金属温度计原理图,双金属片热电开关的

14、类型,常开式 指两个触头的接点在没有达到规定温度时是断开的。 常闭式指两个触头的接点在没有达到规定温度时是闭合的。 简易式 蝶式 结构类型多种形式，工作原理是“常开式”和“常闭式”两种。,为了满足不同用途的要求，双金属元件制成各种不同的形状。,应用实例,用电熨斗熨衣服，若温度过高会烫坏衣服，而且对于不同的衣料，熨衣时所需温度也不同，因此需要调温装置。图1是电熨斗调温原理示意图。 电熨斗调温电路主要组件是双金属片，电熨斗工作时，动、静触点接触，电热组件通电发热。当温度达到选定温度时，双金属片受热下弯，使动触点离开静触点，自动切断电源；当温度低于选定温度时，双金属片复原，两触点闭合。再接通电路，通

15、电后温度又上升，达到选定温度时又再断开，如此反复通断，就能使熨斗的温度保持在一定范围内。通过调节螺丝选定温度的高低，越往下旋，静触点越下移，选定的温度就越高。,陶铁磁体式热电开关,陶铁磁体式热电开关主要由硬磁、软磁、动作弹簧、抵紧弹簧、拉杆、杠杆、触点、操作按键等组成。 硬磁主要由碳酸锶（SrCO3）14%和三氧化二铁（Fe2O3）86%组成。 软磁主要由氧化镍（NiO）11%、氧化锌（ZnO）22%和三氧化二铁（Fe2O3）67%组成。 硬磁材料的居里点温度很高（450 ），因此它也是永久磁铁。 软磁材料的居里点温度较低（139150 .) 以电饭煲为例说明工作原理。,谁知道电饭锅里从米到饭

16、的全过程?,陶铁磁体式热电开关电饭锅,构造,工作原理:,(1)开始煮饭时为什么要压下 开关按钮?手松开后这个按 钮是否会恢复到图示的状态? 为什么? (2)煮饭时水沸腾后锅内是否 会大致保持一定的温度?为什么? (3)饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么变 化？这时电饭锅会自动地发生哪些动作? (4)如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后自动断电?,(1)开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸（手松开后，按钮不再恢复到图示状态），电路接通，电热丝通电烧饭。,(2)煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度?为什么?,(2)水沸腾后,由于锅内保持1000C不变,故感温磁体仍与永磁体相吸,继续加热.故锅内大致保持1000C不变.,工作原理:,4.电饭锅,(3)饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么变化？这时电饭锅会自动地发生哪些动作？,3)饭熟后,水分被大米吸收,锅底温度升高,当温度升至“居里点1030C”时,感温软磁体失去铁磁性,在弹簧作用下,永磁体被弹开,触点分离,切断电源,从而停止加热,