第8章热电式传感器ppt课件.ppt

第8章 热电式传感器,热电式传感器是利用某些材料或元件的物理特性与温度有关这一性质，将温度的变化转化为电量的变化。温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。,第一节 热敏电阻式传感器,几乎所有物质的电阻率都随其本身的温度而变化，这一物理现象称为热电阻效应。利用这一原理制成的温度敏感元件称为热敏电阻(thermistor)，一般采用导体和半导体材料。,式中：R0 元件在T0 时的电阻； a T0 时的电阻温度系数； RT 温度为T 时元件的电阻值。,大多数金属导体的电阻，都具有随温度变化的特性。,温度系数a表征电阻的阻值随温度变化的程度。 金属的温度系数为正，即阻值随温度的升高而增加。 单晶半导体的a也是正的，但随掺杂的增加而减小。 陶瓷半导体（热敏电阻）的a为负，且非线性较大。,一、金属热电阻,对用于制造热电阻材料的要求： 具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率 R-t关系最好成线性 物理化学性能稳定 容易加工、价格尽量便宜等。 目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。,纯金属是热电阻的主要材料，是利用金属的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。,(一)金属热电阻工作原理,铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示： 在0660温度范围内 在-2000温度范围内 式中 R0、Rt分别为0和t的电阻值； A常数(3.96310-3/)； B常数(-5.8610-7/2)； C常数(-4.2210-12/4)。,铜在-50150范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出输入特性接近线性，价格低廉。 铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为： 式中 A常量(4.28910-3/)； B常量(-2.13310-7/2)； C常量(1.23310-9/3)。 当温度高于100时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。,热电阻的作用原理1.感温元件 2.铂丝 3.骨架 4.引出线 5.显示仪表,热电阻实物图,热电阻的结构比较简单，一般将电阻丝绕在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘骨架上，经过固定，外面再加上保护套管。,热电阻的作用原理，感温元件1是以直径为0.030.07mm的纯铂丝2绕在有锯齿的云母骨架3上，再用两根直径约为0.51.4mm的银导线作为引出线4引出，与显示仪表5连接。当感温元件上铂丝的温度变化时，感温元件的电阻值随温度而变化，并呈一定的函数关系。,当外界条件改变时，传感器的阻值RT会有相应的变化，这时电桥平衡破坏，桥路两端的电压Vs也随之而变，由于Vs能反映出桥臂电阻的微小变化，因此通过测量输出电压即可以检测外界条件的变化。,(二)金属热电阻测量与接口电路,当温度处于测量下限时， RtRtmin，调节e2使电桥平衡，U0，即,当温度上升，RtRtminRt ，桥路失去平衡，有,因为r1、r2相等又接在相邻桥臂上，导线的电阻变化不影响电桥平衡。,半导体热敏电阻是用半导体材料制成的温度传感器。按物理特性，可分为三类：(1) 负温度系数 (NTC)具有很高的负电阻温度系数，特别适用于-100300之间测温。在点温、表面温度、温差、温场等测量中得到日益广泛的应用，同时也广泛地应用在自动控制及电子线路的热补偿线路中。 (2) 正温度系数 (PTC)；主要采用BaTiO3系列的材料，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。其用途主要是彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制也可以作为限流元件使用。(3) 临界温度系数 (CTR)。该类电阻器的电阻值在某个温度值上电阻值急剧变化，其用途主要用作温度开关。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。,二、半导体热敏电阻,(一)NTC型半导体热敏电阻的主要特性,NTC型热敏电阻，在一定的温度范围内（在低于450）时，有经验公式：,式中,1.电阻-温度特性,RT、RT0温度为T、T0（绝对温度）时热敏电阻器的电阻值。B热敏电阻的材料系数。,若已知,则可计算 ：,NTC电阻温度系数,负电阻温度系数,当流过热敏电阻的电流很小时，不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律，主要用来测温。在大电流时，由于耗散功率的增加，使热敏电阻温度高于环境温度。同时由于其温度系数为负值，故其增量电阻减小。最后，当电流足够大时，增量电阻下降到零（翻转点），然后变为负。,2.伏安特性,热敏电阻的结构,热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（Co）、锰（Mn）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高温烧结而成。其形状有珠状、片状、杆状、垫圈状等。,图6-21 热敏电阻的结构类型,(三)半导体热敏电阻的线性化与测量电路,1.半导体热敏电阻的线性化,热敏电阻灵敏度高，适合测量微弱温度变动；但是，其电阻值随温度变化呈指数规律，其非线性严重，当所需的温度量程较大时，电阻一温度特性的固有非线性是比较麻烦的。所以，实际使用时要对其进行线性化处理。,具体的方法是采用温度系数很小的电阻与热敏电阻串联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，使等效电阻与温度的关系在一定的温度范围内是线性的。,热敏电阻的电压为温度指示,热敏电阻并联网络的线形化处理,经线性化后在测温范围的中间温度点处并联和串联的温度系数分别为,其温度系数的绝对值有所下降，因此，线性化后的不利后果是温度系数减少。,一、热电效应（温差电现象）,第二节 热电偶式传感器,两种不同导体A和B组成闭合回路，如果两结点的温度不同，在回路中就会产生电动势，有电流流过。这种现象称为热电效应或塞贝克效应。这两种导体的组合称为热电偶，如图所示。T与T0的温差越大，热电偶的输出电动势就越大，因此，可用热电动势衡量温度的大小。,回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。,1. 接触电势,eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势；e单位电荷， e =1.610-19C； k波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ；NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。,接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。,是由于不同金属的自由电子密度不同，接触时结点处发生电子扩散造成的，当触点处电子扩散达到动态平衡时，产生一个稳定的接触电势。,A,eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度； A汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的 =2V/。,2. 温差电势,对于单一金属A，如果两端温度不同，则在两端也会产生温差电动势。其形成原因是导体高温端的自由电子具有较大动能，向低温端扩散。高温端失去电子带正电，低温端获得电子带负电，其电位差为：,由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：,T0,T,eAB(T),eAB(T0),eA(T,T0),eB(T,T0),A,B,3. 回路总电势,NA、NB导体A和导体B的电子密度；A 、 B导体A和B的汤姆逊系数。,温差电现象由两种相互独立的效应组成。第一种效应是珀耳帖发现的，它是由于两种不同的金属相接触和接点温度所产生的一种电动势，称为接触电势。它与温度和两金属的电子密度有关。净的珀耳帖电动势近似地与两接点的温度差成正比。第二种效应是沿着导体的温度梯度所产生的，称为汤姆逊效应。由此产生的电动势(称为汤姆逊电动势)与导体两端的温度T和T0的平方差成正比。,导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。,只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。,热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。,只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势。,二、热电偶的基本定则,1. 均质回路定律,由相同成分材料的热电极组成回路，若只受到温度的作用，不论导体的截面、长度，以及各处的温度分布如何，都不产生热电势。,1、如果热电偶的两根热电极是由均质导体组成，那么，热电偶的热电势仅与两端温度有关，而与热电极的温度分布无关。,2、用于检验两根热电极A，A材料成分是否相同。,作用：,根据这个定律，可将第三种导体换成测试仪或连接导线。只要保持两结点温度相同，就可以对热电势进行测量。,2、中间金属定则,将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。,作用：,3、中间温度定则,在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为T、Ta和Ta、T0时热电动势的代数和。,热电偶补偿导线法就是这个定律的实际应用。,作用：,证明：,（中间温度定则证明）,由三种不同材料的热电极A、B、C各自组成的三对热电偶回路，如果热电极A和B分别与C组成的热电偶回路所产生的热电势已知，则热电极A和B组成的热电偶回路的热电势为,A,A,T,T,T,=,B,B,C,C,T0,T0,T0,若已知各种金属对标准电极的热电势，即可方便地求出各种金属搭配成热电偶时的热电势。,作用：,4、组成定则,证明：,（标准热电极定律证明）,三、热电偶的种类,任意两种导体（或半导体）都可以配制成热电偶作为测温的元件，但实用中总是希望配制成的热电偶的热电势较大、热电势与被测温度之间尽量地呈线性单值关系，且测温的范围较宽。,热电动势大，测温范围宽，线性好。化学、物理性能稳定，不易氧化、变形及腐蚀。电阻温度系数小，电阻率小。易加工，易复制，工艺性和互换性好。,2、 热电极材料类型,（1）一般金属：镍铬镍硅，铜康铜，镍铬镍铝等；,（2）贵金属：铂铑铂,1、对热电偶材料的要求,（3）结构形式：普通热电偶，铠装热电偶等,方法 冰浴法 补偿导线法 补正系数修正法 补偿电桥法,原因热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；,四、热电偶的冷端补偿,把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。,1、冰浴法,2、 补偿导线法,在实际测温时, 需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表。热电偶一般做得较短，需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线, 它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成, 而且在0100温度范围内, 要求使用的补偿导线的冷端热电特性和热电偶冷端的热电特性相同。,3、补正系数修正法：,实际使用时：,指示值,查表（修正系数）,实际温度,实际冷端温度（室温）,例：用镍铬-康铜热电偶测得未修正的介质温度为600 ，此时冷端温度Tn=30，查表得k=0.78，则实际温度为,4、补偿电桥法：,补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电动势变化值。热电偶的冷端与电桥电阻R1、R2、R3、RT处于同一环境温度中，RT是由温度系数较大的铜丝绕制而成的。,设电桥在0时处于平衡，此时，桥路输出电压Ubd=0，电桥无补偿作用。假设环境温度升高，热电偶的冷端温度也随之升高，此时，热电偶的热电动势就有所降低。由于Rcu与冷端处于同一环境温度中，使Ubd增大，对热电势的减小起到补偿作用。,第三节 晶体管与集成温度传感器,利用PN结的伏安特性与温度有关这一特性实现对温度的检测、控制和补偿等功能。经典的PN结温度传感器有二极管温度传感器、三极管温度传感器和集成温度传感器。这种传感器的测温范围为-50至150，与其他的温度传感器相比有较好的线性度，且尺寸小、响应快、灵敏度高、热时间常数小，因此用途较广。,一、晶体管温度传感器,由二极管的伏安特性曲线知，当流过二极管的电流IF恒定时，随着温度的升高，二极管两端的电压近似线性地降低。温度 T 每升高1，电压VF 降低约2mV。,工作于恒流源情况下的Ge、Si二极管温度特性,只要满足正向电压UF大于几个kT/q，其正向电流IF与UF及温度T之间的关系可表示为：,两边除以Is ，取对数得：,所以,从上式可见只要通过PN结上的正向电流IF恒定，则PN结的正向压降VF是温度的缓变函数，在一定电流下，二极管正向电压随温度的升高而降低，呈负温度系数。只要选择合适的掺杂浓度，就可认为在不太宽的温度范围内近似常数，因此，正向压降VF与温度 T 成线性关系。这就是PN结温度传感器的基本原理。,lnT是温度的缓变函数，其变化对于T的变化来说可以忽略不计，可近似认为是一个常数。,二极管作为温度传感器虽然工艺简单，但线性差，为扩大VF与T的线性关系范围，可采用特性相同的差分对管，如果一个二极管的工作电流为IF1，而另一个二极管的工作电流为IF2，则两只二极管的电位差为：,式中与温度无关的常数，但与结面积和基区宽度有关； 常数，取决于基区中少数载流子迁移率对温度的依赖性，其值一般在 35之间； Eg0绝对温度时硅的外推禁带宽度，常取1.205eV。,式中，Vg0=Eg0/q，如果 Ic 为常数，则 VBE 仅随温度单调和单值变化。,在恒流工作状态下，VBE与T的关系只是近似线性；在宽温度范围和高精度测温时，必须进行线性化补偿，常用的方法如差分对管法。,基本测温电路温敏晶体管作为负反馈元件跨接在运算放大器的反相输入端和输出端，基极接地。如此连接的目的是使发射结为正偏。而集电结几乎为零偏。,温敏晶体管测温电路,集电极电流,只要Vcc不变，则Ic恒定，从而保证三极管工作在恒流状态。,式中 n Q1和Q2三极管发射板的面积比； k波尔兹曼常数； T被测温度； q电子电荷。,集成电路温度传感器的感温元件采用差分对晶体三极管，它产生与绝对温度成正比的电压和电流，这部分常称为PTAT。,集成温度传感器按输出类型可分为模拟输出型、数字输出型和开关输出型。,(一) 模拟输出型温度传感器,又可分为电压型和电流型，典型的电流型集成温度传感器为AD590。,(二) 数字输出型温度传感器,一线制数字温度传感器DS18B20。,稳压管D2钳制了由电源提供的电流电压，经可调电阻R7调节后，保持VP=2.73V。,稳压管D1的作用是使AD590在稳定的工作电压范围下工作。调节可调电阻R3为10 k，由稳压管D1稳压后，用以保证A点电压。,适当地改变R8以及R9的电阻值可以改变输出电压的放大倍数。,根据AD590特性可知，流过器件的电流与温度关系为：实验中输出电流是以绝对温度零度(- 273)为基准。因此，图2中A点的电压值为：VA=I0R=(273+T)uA10 k（T为被测温度的摄氏表示值）,输出电压为：,美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS1820，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列号，所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根口线（单总线接口）。,DS1820引脚及功能 GND：地； VDD：电源电压 I/O：数据输入输出脚,DS1820的特性采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O 口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9 位二进制数，含符号位）测温范围为-55125，精度为0.5；A/D变换时间为200ms；用户可以任意设置温度上、下限报警值，且能够识别具体报警传感器。,温度检测系统原理 由于单线数字温度传感器DS1820具有在一条总线上可同时挂接多片的显著特点，可同时测量多点的温度，而且DS1820的连接线可以很长，抗干扰能力强，便于远距离测量，因而得到了广泛应用。,采用寄生电容供电的温度检测系统,89C51,DS1820,DS1820,DS1820,P1.0,P1.1,P1.2,Tx,Rx,+5V,GND,VDD,P1.1作输出口用，相当于TxP1.2作输入口用，相当于Rx,一、石英晶体温度传感器及测温技术,工作原理 利用石英晶体的固有振荡频率随温度变化的特性，把温度转换成频率。 谐振频率的温度特性方程：,第四节 其他类型的温度传感器,热辐射测温方法就是基于物体的热辐射能量随其温度的变化而变化的特性来检测其温度的，是一种非接触式的测温方法。,自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对温度(-273)就存在分子和原子无规则的运动，其表面就不断地发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。,二、热释电传感器,热释电效应某些晶体在温度变化时会发生电极化。加热和冷却时产生的电荷变化相反。其电荷密度等于自发极化强度PS。,（1）热释电探测器工作原理 静态条件下，即热幅射恒定，测不出PS（产生的电荷被中和） 动态条件下，热幅射按一定频率变化，能测出PS（产生的电荷来不及被中和）,可见：热释电材料的输出电信号只与材料的温度变化率有关，与温度本身无关。就是说热释电探测器只能探测到运动目标或温度不断变化的目标，对静物，则需要对入射辐射进行调制。,温度是人体最紧密的可以控制的变量之一。像所有的调整系统一样，热控制也是依靠负反馈机制。它必须包括一个参考量(用来决定“起始点”)，温度传感元件(皮肤上冷和热的感受器件)，激励者(能够产生或者散发热量的组织：肌肉，皮肤，肺等等)，以及中央控制模块(视丘下部)。身体(近体内)体温测试是一种传统，常规的诊断方法。发烧是有毒物质或者病毒和细菌引起的病影响视丘下部的结果。皮肤或者体表温度反应了皮下组织的状况。使用热成像仪器，体表温度测试的分布状态可以用来探测肿瘤，特别是胸部肿瘤，其症状是组织周围的温度渐渐升高。在麻醉学上，大脚趾温度(过高热)下降是休克的前兆。血液温度差不多等同于体内温度了。它的测试是在血管内进行的；通常是采用复合传感器导管获取的。,第五节 热电式传感器的医学应用,它们通常用二极管作为温度传感元件，还有特殊的包装设计能够保证对微小热源的获取，以及对环境的良好的热传导性。它们具有相对短的反应时间和良好的显示单元，但是它们要求使用电池。一些为了临床应用的更复杂的版本包含了智能功能，比如存储和读出设备以便电脑进行数据处理。使用期长的电池能够允许3年的使用期。,由厚膜温度传感器和在绝缘纸片里具有良好接触的两根导线组成,测得的温度也许与“真实”的体内温度不同，会受到生理参数和环境的影响。,以上讨论的种种接触式测量方法要求病人有充分的合作，但是在医学实践过程中并不具有通用性，特别是对那些婴儿和没有知觉的病人。尽管皮肤的温度同体内的温度差别很大，而且仅仅用体表的接触进行紧密测量是不可能的，温度的变化还是可以连续监测的。为此，可以使用从柔软的铜层印刷线路版上腐蚀出来的简单的缠绕铜丝的电阻器。其他电极，比如ECG，也可以填充到同样的柔软的印刷线路版上底层，然后整个结构可以通过弹性腰带被安装到人体上。这个系统已经被发展用来监测人体系统来防止婴儿的突发死亡。,耳道是一个接近完美的孔腔用来测量身体温度。耳鼓膜的温度是最接近体内温度的。而且，耳道在反射中扮演着一个理想的黑体。测量它的红外线漏射强度，就可以计算温度了。,在测温时，所有接触式测量方法都有缺点。当出汗的时候，皮肤温度当然就会降低，口腔温度也会受呼吸作用，食物以及说话的影响。腋下的测试时间相应的要长一点，因为探针和皮肤的结合很不好。,作业：P127 5、7,