《传感器技术实用教程 教学课件 ppt 作者 吕勇军 第2章温度测量传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器技术实用教程 教学课件 ppt 作者 吕勇军 第2章温度测量传感器（93页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/5/25,1,实用传感器技术教程,第2章 温度测量传感器,2.5 温度测量传感器性能比较,2.4 红外测温技术,2.3 集成温度传感器,2.2 热电偶温度传感器,2.1 电阻式温度传感器,温标的基本概念,温标的基本概念,温度是表征物体冷热程度的物理量，它体现了物体内部分子运动状态的特征。 温度是不能直接测量的。只能通过物体随温度变化的某些特性（如体积、长度、电阻等）来间接测量。热电式传感器将温度变化转换成电量（电阻、电势等）。 将温度变化转换为电阻变化的元件主要有热电阻和热敏电阻； 将温度变化转换为电势的传感器主要有热电偶和PN结式传感器； 将热辐射转换为电学量的器件有热电探测器、红
2、外探测器等。,热电式传感器,接触式测温是基于热平衡原理，即测温敏感元件必须与被测介质接触，是两者处于平衡状态，具有同一温度。如水银温度计、热敏电阻、热电偶等。 非接触式测温是利用热辐射原理，测温的敏感元件不与被测介质接触，利用物体的热辐射随温度变化的原理测定物体温度，故又称辐射测温。如辐射温度计，红外测温仪等。,按测温方法不同，热电式传感器分为接触式和非接触式两种。,热电式传感器分类,测温方法比较,常用热电式传感器,常用热电式传感器,2.1 电阻式温度传感器,电阻式温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度变化而变化的原理制成的，它将温度变化转化为元件电阻的变化，通过测量电阻间接地测量温度或者
3、与温度有关的参数。 按照其制造材料来分，电阻式温度传感器可分为金属热电阻（简称热电阻）及半导体热电阻(简称热敏电阻)两种。,2.1.1 金属热电阻,1.金属热电阻材料的特点 作为测量用的热电阻材料必须具备以下特点： 具有高温度系数和高电阻率，这样在同样的测试条件下可提高测量灵敏度，减小传感器的体积和重量； 在较宽的测量范围内具有稳定的物理和化学性质，保证在规定的测量范围内测量结果准确无误； 具有良好输出特性，电阻阻值与温度之间具有线性或近似线性关系的特性曲线； 具有良好的工艺性，以便于批量生产，降低成本。,2.1.1 金属热电阻,2.常用金属热电阻 （1）铂电阻 铂电阻电阻值与温度的关系为 在
4、0660范围内 RtR0 (1+At+Bt2) 在-1900范围内 RtR0 1+At+Bt2+C(t100)t3 工业用的铂电阻体，一般由直径0.030.07mm的纯铂丝绕在平板形支架上，通常采用双线电阻丝，引出线用银导线。 它能用作工业测温元件和作为温度标准，按国际温标IPTS68规定，在-259.34630.74的温度范围内，以铂电阻温度计作基准器。,2.1.1 金属热电阻,2.常用金属热电阻 （2）铜电阻 在-50150范围内，铜电阻与温度的关系为 RtR0 (1+At+Bt2+Ct3) 铜容易提纯，在-50+150范围内铜电阻的物理、化学特性稳定，输入、输出关系接近线性，且价格低廉。
5、铜电阻的缺点是电阻率较低，仅为铂电阻的16左右；电阻的体积较大，热惯性也较大，当温度高于100时易氧化。因此，铜电阻只能适于在低温和无侵蚀性的介质中工作。 常用的工业用铜电阻的R0值有50、100两种，其分度号分别用Cu50、Cu100表示。,2.1.1 金属热电阻,3.热电阻主要参数 （1）热电阻分度表与分度号。在工业上，将热电阻的Rt值与温度t的对应关系列成表格，称为热电阻分度表。制成电阻的金属材料加上标称电阻值即为其分度号。例如，Cu50、Pt100等。 （2）允许偏差。允许偏差即热电阻实际的电阻值与温度关系偏离分度表的允许范围。 （3）热响应时间。当温度发生阶跃变化时，热电阻的电阻值变
6、化至相当于该阶跃变化的某个规定百分比所需要的时间，称为热响应时间，通常以表示。一般记录变化50或90的响应时间分别为0.5与0.9。热电阻的响应时间不仅与结构、尺寸及材质有关，还与被测介质的放热系数、比热等工作环境有关。 （4）额定电流。额定电流是指在测量电阻值时，允许在元件中连续通过的最大电流，一般为25mA。限制额定电流是为了减少热电阻自热效应引起的误差，对热电阻元件都规定了额定电流。,2.1.1 金属热电阻,3.热电阻主要参数,表2-1 铂电阻技术参数,表2-2 铜电阻技术参数,2.1.1 金属热电阻,4.使用注意事项 工业上广泛应用金属热电阻进行200600范围的温度测量。在使用时需要
7、注意以下问题： （1）自热误差 在使用金属热电阻测量温度时，电阻要消耗一定的电功率，引起电阻值的变化，从而带来测量误差。所以在使用中应尽量减小由于电阻器通电产生的自热而引起的误差，一般是采取限制电流的办法，通常允许通过电流应小于5mA。 （2）引线误差 由于热电阻感温元件到接线端子、接线端子到调理电路都需要连接引线，引线本身的电阻及接触电阻相对于较低阻值的热电阻，是不可忽略的。一方面它们影响热电阻的零位值，另一方面它们随温度变化，带来不确定的测量误差。因此，测量电阻的引线通常采用三线式或四线式接法。,2.1.2 半导体热敏电阻,1.热敏电阻的特点及分类 （1）热敏电阻的特点 灵敏度高。热敏电阻
8、温度系数的绝对值比金属热电阻大10100倍。 电阻值高。它的标称电阻值有几到十几M之间的不同规格。因此在使用热敏电阻时，一般不用考虑引线电阻的影响。 结构简单。热敏电阻可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够做到小型化，目前的珠状热敏电阻的直径仅为0.2mm。 体积小，热惯性小，响应时间短，响应时间通常为0.53s。 化学稳定性好，机械性能好，价格低廉，使用寿命长。 缺点是阻值与温度呈非线性关系，且互换性差。,2.1.2 半导体热敏电阻,（2）热敏电阻的分类 1）正温度系数热敏电阻（PTC） 电阻值随温度升高而增大的热敏电阻，称为正温度系数热敏电阻。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。
9、 2）负温度系数热敏电阻（NTC） 电阻值随温度升高而减小的热敏电阻，称为负温度系数热敏电阻。它的主要材料是Mn、Co、Ni、Fe等金属氧化物半导体。 3）临界温度系数热敏电阻（CTR） 该类电阻的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低34个数量级，即具有很大的温度系数。其主要材料是VO2，并添加一些金属氧化物。,2.1.2 半导体热敏电阻,2.热敏电阻的主要参数 （1）标称电阻R25 （2）电阻温度系数t（） （3）耗散常数（mW） （4）材料常数B （5）时间常数,2.1.2 半导体热敏电阻,3.热敏电阻的主要特性 （1）热敏电阻的电阻温度特性 （2）热敏电阻的伏安特性,图2-1 热敏电
10、阻电阻温度特性曲线,图2-2 NTC热敏电阻伏安特性曲线,2.1.2 半导体热敏电阻,4.热敏电阻命名方法及常用热敏电阻,表2-3 热敏电阻型号命名方法,2.1.2 半导体热敏电阻,表2-4 常用热敏电阻主要参数,4.热敏电阻命名方法及常用热敏电阻,2.1.3 电阻式温度传感器的测量电路,1.不平衡直流电桥 当电桥为单臂工作时，如图 2-3 (b)所示，设初始状态时 电桥达到平衡，输出电压U0=0。 此时电桥上的各电阻的阻值分别 为R10、R20、R30、R40，并满足 R10R40= R20R30。即电桥的 平衡条件为R20 /R10 =R40 /R30 假设R1为敏感元件，且R1= R10
11、+R1，其它电阻均保持不变。在这种情况下，桥路不平衡输出电压为 设桥臂比n =R20 /R10，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略，并考虑到平衡条件，则上式可写为,图2-3 不平衡直流电桥,2.1.3 电阻式温度传感器的测量电路,2.不平衡电桥电压灵敏度 如果将电桥电压灵敏度定义为 ，从定义式可见，对于相同的敏感元件相对变化量，Ku越大，电桥的输出电压就越高。由式（2-6）可得 （2-7） 由式（2-7）可知： （1）电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择。 （2）电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰
12、当地选择桥臂比n的值，可保证电桥具有较高的电压灵敏度。,2.1.3 电阻式温度传感器的测量电路,3.测量电阻接线方式 由于常用的金属热电阻的阻值不高，所以在使用热电阻测量时，引线电阻和接触电阻都不可避免地带来测量误差。为减小测量过程中引线带来的附加误差，根据测量情况可将电阻引线方式分为三种。 （1）两线制 （2）三线制 （3）四线制,图2-4 热电阻的引线方式,2.1.4 工业热电阻命名方法,表2-5 装配热电阻型号命名方法,2.1.5 电阻式温度传感器应用,1.三线桥式测温电路 该电路测温元件选择金属热电阻 ，测量电路采用不平衡电桥 和仪表放大器。不平衡电桥 由高精度电阻R1R3与铂热 电阻
13、Rt组成。热电阻采用三 线方式连接，RW1、RW2、RW3是连接导线等效电阻。电源Uc为测量桥路提供工作电流。从图2-5中可见，由于RW1、RW2的存在使得电桥桥臂发生了变化，RW1和Rt组成一个桥臂，RW2和R3组成另一个桥臂。因为电缆线的型号和长度相同，RW1和RW2相等，根据式2-4可以得出这个新桥路的输出电压表达式为,图2-5 三线桥式测温电路,2.1.5 电阻式温度传感器应用,2.铂电阻恒流源测温电路 图2-6所示为铂电阻恒流源测温电路。图中A1、Ur、Rt、RP1等组成了恒流源电路，为热电阻Rt提供工作电流。Ur为2V的基准电压，作为恒流源的基准。Rt采用标称值为1k的铂热电阻。,
14、图2-6 铂电阻恒流源测温电路,2.1.5 电阻式温度传感器应用,3.铂电阻线性化电路,图2-7 铂电阻温度特性,图2-8 铂电阻线性化测温电路,2.1.5 电阻式温度传感器应用,4.铂电阻温度控制仪电路,图2-9 铂电阻温度控制仪,2.1.5 电阻式温度传感器应用,5.带有自动监视功能的温度控制器电路,图2-10 带有自动监视功能的温控器电路,2.2 热电偶温度传感器,2.2.1 工作原理及基本定律 1.工作原理 将两种不同的导体A和B串接成一个 闭合回路，若导体A和B的两接点处 的温度不同，两者之间便会产生电动势，这种现象称为热电效应。由此效应产生的电动势，通常称为热电动势。热电偶就是利用
15、这一效应来工作的。 热电偶的结构如图2-11所示，由导体A和B组成的热电偶回路，材料A和B称为热电极；接点T端称为测量端，或工作端；另一个接点T0称为参考端或冷端、自由端。可以证明，如果材料A、B确定，当温度T T0 时，则回路的总的热电势表示为：EAB（T，T0）=f（T）f（T0）,图2-11 热电偶原理图,2.2.1 工作原理及基本定律,1.工作原理 热电势的大小只与热电偶两端接电的温度有关，如果T0已知且恒定，则f（T0）为常数，总回路热电势EAB（T，T0）只是工作端温度T的单值函数。 结论： （1）若热电偶两电极材料相同，则无论两接点温度如何，回路总电势为零。 （2）若热电偶接点温
16、度相同，即使A和B材料不同，回路总电势仍为零。 （3）热电势的大小只与热电极的材料和两端温度有关，与热电偶的几何尺寸、形状等无关。 （4）同样材料的热电极，其温度和电势的关系是一样的，因此热电极材料相同的热电偶可以互换。,2.2.1 工作原理及基本定律,2.基本定律 （1）中间导体定律 在热电偶电路中接入第三种导体C，只要导 体C两端温度相等，则热电偶回路产生的总 热电势就不变。根据该定律可知，当利用热 电偶进行测温时，将连接导线视为中间导体， 只要保证其两端温度相同，则对测量结果没有影响。中间导体定律如图2-12所示。 （2）中间温度定律 如果热电偶AB两结点的温度分别为T和T0，则所产生的热电势等于热电偶AB两结点温度为T和Tn与热电偶AB结点温度为Tn和T0时所产生的热电势的代数和，用公式表示为 EAB（T，T0）= EAB（T，T
