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1、传感器及应用 第6章, 6.1 温度与温标 6.2 热电偶及应用 6.3 电阻式温度传感器及应用 6.3 PN结和集成温度传感器及应用,第6章 温度传感器及应用,温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农业生产和科学试验中需要经常测量和控制的主要参数，也是与人们日常生活紧密相关的一个重要物理量。 常用的温度传感器有：膨胀式、双金属片式、磁性式、热电偶、热电阻、热敏电阻、PN结及集成温度传感器等。,要点 1.温度与温标的概念，各温标间的换算 2.热电偶结构、类型、分度表、冷端温度处理 3.热电阻常用材料、特性、接线制式 4.热敏电阻类型、特性及NTC伏安特性应用 5.集成温度传感器类型及特性
2、,温度是表示物体的冷热程度的物理量。温标是衡量温度的标准尺度，它分为经验温标、热力学温标和国际温标。,各温标间换算关系见表6-1。,6.1 温度与温标,1.热电偶的原理,6.2 热电偶及应用,6.2.1 热电偶,热电偶测温范围高，是工业上常用的测温元件。,塞贝克效应的简单实验 将二极管1S1588的引线如图示那样与铜线焊接起来并与数字万用表相连接， 用手捏着引线的中部没有电压输出；若用手捏着一端接点就会测量出22V电压；若再用手捏着另一端接点，就会测量出-22V电压。如果同时捏着两端，输出电压则变为零。用一根铜导线和一根铁导线及万用表50A挡进行同样实验，也可得出相同的结论。,实验证明，将两种
3、不同导体A、B两端连接在一起组成闭合回路，并使两端处于不同温度环境，在回路中会产生热电动势而形成电流,这一现象称为热电效应。,图6-1 热电偶的原理 a）热电效应 b)热电偶的电路符号,这样的两种不同导体的组合称为热电偶，相应的电动势和电流称为热电动势和热电流。如图6-1a所示，导体A、B称为热电极，置于被测温度（T）的一端称为工作端(热端)，另一端（T0）称为参考端(冷端)。热电动势与热电偶两端的温度差成比例,即 EAB（T，T0）=K（T-T0）,图6-2 热电偶的结构 1热电极 2绝缘套管 3保护套管 4接线盒,2.热电偶的结构和种类,（1）热电偶的结构 热电偶的结构如图6-2所示，通常
4、由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等部分组成。 （2）热电偶的种类 热电偶可按热电极的材料和结构形式进行分类。 按热电偶的热电极材料分类：l977年国际电工委员会(IEC)对8种热电偶制订了国际标准。它们的分度号是T（铜-康铜）、E（镍铬-康铜）、J（铁-康铜）、K（镍铬-镍硅）、N（镍铬硅-镍硅）、R（铂铑13-铂）、B（铂铑30-铂铑6）、S（铂铑10-铂）。热电偶的特性不是用公式计算，也不是用特性曲线表示，而是用分度表给出。附录B为K型热电偶的分度表。 按热电偶的结构形式分类：热电偶的结构形式又分普通型、铠装型、表面型和快速型四种。,各种形式的热电偶(浏览）,普通热电偶,铠装热电偶,电
5、站专用热电偶（热电阻）,耐磨热电偶、防腐热电阻：,装配式热电偶（热电阻）,软导线式热电偶（热电阻）,铠装式热电偶（热电阻）,隔爆型热电偶（热电阻）,6.2.2 热电偶的使用 在使用热电偶测温时，必须能够熟练地运用热电偶的参考端（冷端）处理方法、安装方法、测温电路、测温仪表及在表面测温时的焊接方法等实用技术。 1.热电偶的参考端（冷端）温度处理 式（6-2）说明，热电偶在工作时，必须保持冷端温度恒定，并且热电偶的分度表是以冷端温度为0做出的。然而在工程测量中冷端距离热源近，且暴露于空气中，易受被测对象温度和环境温度波动的影响，使冷端温度难以恒定而产生测量误差。为了消除这种误差，可采取下列温度补偿
6、或修正措施。,（1）参考端恒温法 将热电偶的参考端放在有冰水混合的保温瓶中，可使热电偶输出的热电动势与分度值一致，测量精度高，常用于实验室中。工业现场可将参考端置于盛油的容器中，利用油的热惰性使参考端保持接近室温。 （2）补偿导线法 采用补偿导线将热电偶延伸到温度恒定或温度波动较小处。为了节约贵重金属，热电偶电极不能做得很长，但在0100范围内，可以用与热电偶电极有相同热电特性的廉价金属制作成补偿导线来延伸热电偶。在使用补偿导线时，必须根据热电偶型号选配补偿导线；补偿导线与热电偶两接点处温度必须相同，极性不能接反，不能超出规定使用温度范围。常用补偿导线的特性见表6-3 。,（3）热电动势修正法
7、 热电偶的分度表是以参考端温度T0=0时获得的，当参考端温度Tn0时，热电偶的输出热电动势将不等于EAB（T，T0），而等于EAB（T，Tn），如图6-3所示。为求得真实温度，可根据热电偶中间温度定律： EAB（T，T0）=EAB（T，Tn）+ EAB（Tn，T0） 将测得的电动势的EAB（T，Tn）加上一个修正电动势EAB（Tn，T0）算出EAB（T，T0）再查分度表，方得实测温度值。EAB（Tn，T0）可从分度表查出。,（4）电桥补偿法 如图6-4所示，利用热电阻测温电桥产生的电动势来补偿热电偶参考端因温度变化而产生的热电势，称为电桥补偿法。,图6-4 冷端补偿器,国产冷端补偿器的电桥一般
8、是在20时调平衡的，因此20时无补偿，必须进行修正或将仪表的机械零点调到20处。常用国产冷端补偿器见表6-4。,1.热电阻 热电偶传感器适用于测量500以上的高温，对于500以下的中、低温的测量就会遇到热电动势小、干扰大和冷端温度引起的误差大等困难，为此常用热电阻作为测温元件。热电阻是利用导体电阻随温度变化这一特性来测量温度的，在测温和控温中广泛应用。,6.3 电阻式温度传感器及应用,电阻式温度传感器分为金属热电阻和半导体热敏电阻，其电路符号如图6-6所示。,6.3.1 热电阻温度传感器及应用,（1）热电阻的工作原理和材料 纯金属具有正的温度系数，可以作为测温元件。铂、铜、铁和镍是常用的热电阻
9、材料，其中铂和铜最常用。 铂热电阻：铂热电阻的统一型号为WZP，主要用作标准电阻温度计。国际标准有Pt100，测温范围为-200960，电阻温度系数为3.910-3/，0时电阻值为100。但铂在使用时应装在保护套管中。 铜热电阻：铜热电阻的统一型号为WZC，电阻温度系数为（4.254.28）10-3/，常用来做-50+150范围内的工业用电阻温度计；其缺点是电阻率较低，容易氧化，只能用在较低温度和没有水份及腐蚀性的介质中。目前国标规定的铜热电阻有Cu50和Cu100两种。 热电阻的电阻与温度对应关系也是由分度表给出，见附录C-1。,（2）热电阻的结构 热电阻的结构通常由电阻体、绝缘体、保护套管
10、和接线盒四部分组成。一般是将电阻丝绕在云母或石英、陶瓷、塑料等绝缘骨架上，固定后套上保护套管，在热电阻丝与套管间填上导热材料即成。如图6-7所示是铂电阻测温元件的结构，铂丝的直径为0.030.07mm。,薄膜铂热电阻：一般铂热电阻的时间常数为几秒至几十秒，在测量表面温度和动态温度时精度不高。薄膜铂热电阻和厚膜铂热电阻的热响应时间特别短，一般在0.10.3 s，适用于表面温度和动态温度的测量。,图6-7 热电阻温度传感器的外形与内部结构 a）外形 b）铂电阻测温元件的结构 1铜铆钉 2铂电阻丝 3引导线,2.热电阻的基本应用电路 （1）热电阻的接线方式 热电阻的端子接线方式有2线式、3线式和4线
11、式三种，如图6-8所示。2线式适用于印制电路板上，测量回路与传感器不太远的情况。在距离较远时，为消除引线电阻受环境温度影响造成的测量误差，需要采用3线式或4线式接法。,图6-8 热电阻的不同接线方式,（2）热电阻的测量方法 热电阻的测量方法有恒压法和恒流法两种。恒压法就是保持热电阻两端的电压恒定，测量电流变化的方法。恒流法就是保持流经热电阻的电流恒定，测量其两端电压的方法。恒压法的电路简单，并且组成桥路就可进行温漂补偿，使用广泛。但电流与铂热电阻的阻值变化成反比，当用于很宽的测温范围时，要特别注意线性化问题。恒流法的电流与铂热电阻的阻值变化成正比，线性化方法简便，但要获得准确的恒流源，电路比较
12、复杂。,1.热敏电阻 用半导体材料制作的热敏元件通常称为热敏电阻。 （1）热敏电阻的类型 热敏电阻可按电阻的温度特性、结构、形状、用途、材料及测量温度范围等进行分类。 热敏电阻按温度特性可分为三类，如图6-10所示。 负温度系数热敏电阻：简称NTC，型号用MF表示。在工作温度范围内，电阻随温度上升而非线性下降，温度系数为-(16)，曲线1示。 临界负温度系数热敏电阻：简称CTR。CTR是一种开关型NTC，在临界温度附近，阻值随温度上升而急剧减小，曲线4示。 正温度系数热敏电阻：简称PTC，型号用MZ表示。在工作温度范围内，其电阻值随温度上升而非线性增大。曲线2为缓变型，其温度系数为+0.58，
13、曲线3为开关型，在居里点附近的温度系数可达+1060。,6.3.2 热敏电阻温度传感器及应用,a）片型 b）杆型 c）珠型 图6-10 热敏电阻的分类 1NTC 2线性PTC 3非线性PTC 4CTR,图6-11 热敏电阻的结构,（2）热敏电阻的结构 热敏电阻的结构型式和形状如图6-11所示，主要有片型、杆型和珠型。,2.热敏电阻的选择及应用 （1）热敏电阻的类型选择 根据不同的使用目的，参考表6-7选择相应热敏电阻的类型、参数及结构。,（2）NTC伏-安特性区的选择 NTC热敏电阻的伏-安特性如图6-12所示，可分为三个特性区，图中H为耗散系数。应用时三个特性区的选择如下：,图6-12 NT
14、C热敏电阻的伏-安特性,在峰值电压降Um左侧（a区）适用于检测温度及电路的温度补偿。可见，用热敏电阻测温时一定要限制偏置范围，使其工作在线性区。 在峰值电压降Um附近（b区）可用作电路保护、报警等开关元件。 在峰值电压降Um右侧（c区）适用于检测与耗散系数有关的流速、流量、真空度及自动增益电路、RC振荡器稳幅电路等。 PTC还常用于彩色电视机的消磁电路开关、电冰箱启动开关、空调电辅加热等。,6.4.1 PN结温度传感器及其应用电路 PN结温度传感器是一种利用半导体PN结中电流/电压的温度特性制造的集成传感器。现有热敏二极管、热敏晶体三极管和热敏晶闸管温度传感器几种。 1.热敏二极管温度传感器应
15、用电路,6.4 PN结和集成温度传感器及应用,图6-17 二极管温度传感器的测温电路,NPN型热敏晶体管在Ic恒定时，利用基极-发射极间电压Ube的温度特性，可把温度变化转换成电压变化。如图6-18所示为晶体管温度传感器的一种测温电路，灵敏度为0.1V/。,图6-18 晶体管温度传感器测温电路,2.热敏晶体三极管温度传感器及其应用电路,3.热敏晶闸管温度传感器及其应用电路 当晶闸管在正向转折电压之前不导通，若超过转折电压就进入导通状态，特别是在低温度下发生转折时，电流放大系数很大，具有良好的开关特性。利用晶闸管的转折电压随温度而改变的特性制成热敏晶闸管。在同样的正向电压下，当温度改变时，转折点
16、发生改变，因此可作为实用的温度开关。同时还可通过门极电阻RGA由外部电路对开关温度进行控制。热敏晶闸管温度传感器的平均导通电流为100mA，浪涌电流为2A。,图6-19 采用热敏晶闸管温度传感器的温度控制电路,如图6-19所示为用晶闸管温度传感器VS1（TT201）驱动普通晶闸管VS2（CR2AM-6），从而控制大功率负载的电路实例。,6.4.2 集成温度传感器 集成温度传感器使传感器和集成电路融为一体，极大地提高了传感器的性能，它与传统的热敏电阻、热电阻、热电偶、双金属片等温度传感器相比，具有测温精度高、复现性好、线性优良、体积小、热容量小稳定性好、输出电信号大等优点。 集成温度传感器按输出形式可分为电压型和电流型两种。电压型的温度系数为10mV/，电流型的温度系数为1A/K，它们还具有绝对零度时输出电量为零的特性。电流输出型温度传感器适合于遥测。 电流输出型与电源负载串联，不受电源电压和导线电阻的影响，因此可以远距离
