参量传感器之热电阻热电偶、热敏电阻.ppt
第3章 发电传感器热电偶、热电阻、热敏电阻传感器及温度的检测,温度是表征物体冷热程度的物理量，是物体内部分子无规则剧烈运动程度的标志,分子运动越剧烈，温度就越高,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（零点）和测量温度的基本单位。,华氏温标（）在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间划分180等分，每等分为华氏1度，符号为F。,摄氏温标()在标准大气压下，冰的熔点为0度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每等分为摄氏1度，符号为t。,热力学温标（K）规定分子运动停止时的温度为绝对零度（0K），符号为T。热力学温标的零点绝对零度，是宇宙低温的极限，宇宙间一切物体的温度可以无限地接近绝对零度但不能达到绝对零度（如宇宙空间的温度为0.2K）。,温标,3 种温标的换算关系为,温度不能直接测量，需要借助于某种物体的物理参数随温度冷热不同而明显变化的特性进行间接测量。温度传感器就是通过测量某些物理量参数随温度的变化而间接测量温度的。温度传感器是由温度敏感元件（感温元件）和转换电路组成的，如图所示。,温度,感温元件,转换电路,温度显示,图温度传感器的组成框图,温度测量方法,接触式感温元件与被测对象接触，彼此进行热量交换，使感温元件与被测对象处于同一环境温度下，感温元件感受到的冷热变化即是被测对象的温度。常用的接触式测温的温度传感器主要有热膨胀式温度传感器、热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体温度传感器等。,非接触式利用物体表面的热辐射强度与温度的关系来测量温度的。通过测量一定距离处被测物体发出的热辐射强度来确定被测物的温度。常见的非接触式测温传感器有：辐射高温计、光学高温计、比色高温计、热红外辐射温度传感器等。,非接触测量,接触测量,热处理温控系统动画演示,热电偶传感器,P191,热电极A,热电极B,A,B,参考端、冷端,工作端、热端,热电势,两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。回路中所产生的电动势，叫热电势。,热电效应,热电偶测温的主要特点,热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；测温范围广：下限可达-270 C，上限可达1800 C以上；它既可以用于流体温度测量，也可以用于固体温度测量。既可以测量静态温度，也能测量动态温度。,一、热电偶传感器的工作原理,1、热电势效应,符号,两种不同材料结点温度不同组成闭合回路,热电势效应动画演示,热电偶的热电动势EAB(t，t0)接触电动势EAB（也称珀尔电动势）温差电动势E(t，t0)（也称汤姆逊电动势）总热电动势为两者之代数和。,2、热电偶的热电极材料分类：热电偶的热电动势与热电极的材料有关，1977年国际电工委员会(IEC)对八种热电偶制定了国际标准。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）、JP2N（镍铬硅-镍硅）、R（铂铑B-铂）、B（铂铑30-铂铑6）、S（铂铑10-铂）。我国也已制定了国家标准，已投入生产的有S、B、K三种。我国常用的热电偶的技术特性列于表中。查热电偶分度表时，一定要对应相应的材料。附录P348,表 我国常用的热电偶的技术特性,K型：正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)，负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴冶炼而成)。,E型：正极：镍铬合金，负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。,B型：正极：铂铑合金（用70铂，30铑冶炼而成），负极：铂铑合金（用94铂，6铑冶炼而成）。,S型：正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(重量比)冶炼而成，负极：铂丝。,（1）中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,3、热电偶回路的主要性质,EABC（t，t0）=EAB（t，t0）（C两端接点温度相同）,中间导体定律的使用价值在于：利用热电偶实际测温时，可以将连接导线和显示仪表看成是中间导体，只要保证中间导体两端温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响。,连接仪表的热电偶测量回路,应用举例:,测量液态金属的平均温度,金属壁面进行温度测量,可采用开路热电偶即将热电偶的两端不焊接，对液态金属和金属壁面进行温度测量，只要保证两热电极插入地方的温度相同即可。,（2）中间温度定律,热电偶AB在接点温度为t1、t3时的热电动势，等于热电偶在接点温度为t1、t2和t2、t3时的热电动势总和。,EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3),=,+,中间温度定律的使用价值在于：当 自由端温度不为0时，可利用该定律及分度表求得工作端温度，另外热电偶中补偿导线的使用也依据了以上定律。,若冷端不为0 时，实际温度的求解用下面的步骤：,当工作端和自由端温度为t和t0时，用导体A、B组成热电偶的热电动势等于AC 热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。,或,（3）参考电极定律,参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作，只要获得有关热电极与参考电极配对的热电动势，那么任何两种热电极配对时的电动势均可利用该定律计算，而不需逐个进行测定。在实际应用中常用纯铂丝做参考电极，这样可以由多种热电材料与铂组成热电偶，大大减少了热电偶的选配。,参考电极定律,练习：已知铂铑30铂热电偶的E（1084.5，0）=13.937mV，铂铑6铂热电偶的 E（1084.5，0）=8.354mV，求：铂铑30铂铑6热电偶在同样温度条件下的热电动势。,解:设A 为铂铑30电极，B 为铂铑6电极，C 为纯铂电极,EAB（1084.5，0）=EAC（1084.5，0）-EBC（1084.5，0）=5.622mV,1、热电偶 的种类,普通型热电偶,标准化热电偶,铠装热电偶,非标准化热电偶,二、热电偶的种类及结构,2、热电偶的结构,热电极绝缘套管保护套管接线盒,接线盒,引出线套管,不锈钢保护管,固定螺纹,热电偶工作端（热端）,标准热电偶外形和结构图,铠装热电偶,也称缆式热电偶，它是将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘物熔铸在一起，外套不锈钢管等.热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用,铠装型体积小，响应快，精度高，强度好，可挠性好，抗振性好等优点。,表面型又称薄膜热电偶，专门用于测量物件的表面温度，使用时用胶水贴附于被测物表面，它的热惯性极小，响应极快。,快速型:用于测量高温熔融物质的温度，通常是一次性使用，故又称为消耗式热电偶。,薄膜热电偶,用真空镀膜技术等方法，将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶,铠装热电偶外形,铠装热电偶横截面,解决方法,三、热电偶自由端（冷端）温度的补偿,补偿导线法冷端温度修正法仪表调零修正法0恒温法补偿电桥法,1.补偿导线法,问题引出,解决方法,热电偶冷端暴露于空间，受环境温度影响,热电极长度有限，冷端受到被测温度变化的影响,把热电偶的冷端延伸到远离被测对象且温度比较稳定的地方,造成浪费,选用一种具有和所连接的热电偶相同的热电性能，其材料又是廉价金属导线,补偿导线,其一实现了冷端迁移；其二是降低了成本。,功 能,使用补偿导线注意问题,不同型号的热电偶所配用的补偿导线不同连接补偿导线时要注意区分正负极，使其分别与热电偶的正负极一一对应补偿导线连接端的工作温度不能超出（0100），否则会给测量带来误差。,常用热电偶补偿导线的特性,采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。,A,B,屏蔽层,保护层,补偿导线外形图,2.冷端温度修正法,设：冷端温度恒为t0（t00）被测温度为 t,修正公式,冷端 t0的热电势,测量得出的热电势,被测温度 t 的热电势,在t0基本不变的情况下，仪表预先机械调零到t0处，即仪表预先输入E（t0，0）则指针指向t0。,指针被预调到室温（40 C）可补偿冷端损失,3、仪表调零修正法,必要性：用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0C，而且也不恒定，因此将产生误差。一般情况下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。,4、0恒温法,利用中间温度定律即可求出测量端相对于0的热电势。,冰浴法,将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0C不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0C而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。,在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在0C不变。,冰浴法接线图,1被测流体管道 2热电偶 3接线盒 4补偿导线 5铜质导线 6毫伏表 7冰瓶 8冰水混合物 9试管 10新的冷端,在热电偶回路中串入一个自动补偿的电位差信号来补偿热电势的变化值。,E（t，0）=E（t，t0）+Uab,XTWBC热电偶冷端补偿器,5、采用电桥补偿法,常用的国产冷端补偿器性能比较表,t为与20之差的温度数值。,四、热电偶的应用,1.热电偶的测温线路,冷端温度相同热电动势与温度呈线性关系,注意：,两支同型号的热电偶正向串联,两支同型号的热电偶反向串联,（c）测量两点间平均温度,两支同型号的热电偶并联,图中每一支热电偶分别串接了均衡电阻R1、R2，其作用是在t1、t2不相等时，在每一支热电偶回路中流过的电流不受热电偶本身内阻不相等时的影响，所以R1、R2的阻值很大。,仪表的读数为：,（d）多点温度测量线路,该种连接方法要求每只热电偶型号相同，测量范围不能超过仪表指示量程，热电偶的冷端处于同一温度下。多点测量电路多用于自动巡回检测中，可以节约测量经费。,图一台仪表分别测量多点温度,通过波段开关，可以用一台显示仪表分别测量多点温度。,2.热电偶热电动势的测量,动圈式仪表电位差计电子电位差计微机识别，输出显示,1)测量方式：,XCZ系列指针式显示仪表电路图,1热电偶2补偿导线3冷端补偿器4外接调整电阻5铜导线6动圈7张丝8磁钢（极靴）9指针10刻度面板,XMZ系列智能数字显示仪表外形图,2）热电偶的安装 关于热电偶的安装，在产品说明书中均有介绍，应仔细阅读，在此仅介绍其要领。（1）注意插入深度：一般热电偶的插入深度，对金属保护管应为直径的1520倍；对非金属保护管应为直径的1015倍。对细管道内流体的温度测量应尤其注意。（2）如果被测物体很小，安装时应注意不要改变原来的热传导及对流条件。（3）含有大量粉尘气体温度的测量，最好选用铠装电偶。,3）热电偶的测温电路 利用热电偶测量大型设备的平均温度时，可将热电偶串联或并联使用。（1）串联：串联时热电动势大，精度高，可测较小的温度信号或者配用灵敏度较低的仪表。其缺点是只要一支热电偶发生断路则整个电路不能工作，而个别热电偶的短路将会导致示值偏低。（2）并联：并联时总电动势为各个热电偶热电动势的平均值，可以不必更改仪表的分度。其缺点是若有一支热电偶断路，仪表却反映不出来。,4）热电偶表面测温 在300以下用热电偶测量物体表面温度，可用粘接剂将热电偶结点粘附于金属壁面。在温度较高时，常采用的焊接方法把热电偶头部置于金属壁面，图给出了一般焊接的方式。,热电偶头部焊接方式（a）V形焊；（b）平行焊；（c）交叉焊,5）热电偶的基本放大电路热电偶的输出电压极小，其值为几十V/。因此，要采用低失调运算放大器进行电压放大。合适的运算放大器种类很多，而且价格便宜，较易选择，主要是外围元件的选用。图是K型热电偶的放大电路。电路中，运算放大器选用ADOP07，它与周围电阻构成放大电路，增益为240.9445；R1R3是1/4 W的金属膜电阻，精度为20%；RP1和RP2是10圈线绕电位器；C1是滤波电容，采用精度为20%，耐压为50 V的漏电小的电解电容，它与R3组成输入滤波电路。因为热电偶的热电势很小，因此如果电容漏电大，就会产生漂移电压。,K型热电偶的放大电路,例如，若C1漏电流为0.1 A，则在电阻R3上会产生0.1 A1 k100 mV的漂移电压。因此，有必要选用漏电极小的电容。由K型热电偶分度表可知，K型热电偶在0时产生的热电势为0 mV，600时产生的热电势为24.902 mV。如果用RP1设置运放的增益为240.94，则0时运放的输出电压为0 V，600时运放的输出电压为6.0 V。热电偶的特性都是非线性的。在各类热电偶中，K型热电偶的线性是最好的，温度从0600时，最大非线性误差为1%。因此，热电偶应用时，都要进行线性化。,热电阻传感器主要用于对温度或和温度有关的参量进行检测。利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理 进行测温的。在工业上被广泛用来测量200+500范围内的温度。,金属热电阻（热电阻）,半导体热电阻（热敏电阻）,按性质分类,P196,热电阻传感器,绝大部分金属热电阻阻值是随温度升高而增大的。,【例】取一只 100W/220V 灯泡，计算得到的额定 热态电阻值应为484，而用万用表测量其 电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧 姆。,热电阻,1材料：要求有大的、稳定的温度系数，线性好，性能稳定，便于生产。如铜、铂、镍。,热电阻的主要技术性能对照表,2特点：测温精度较高，范围广（200600 0 C），稳定性、重复性好，热惯性大，灵敏度低。,（1）公式法,3计算方法,铜电阻适用范围：501500C，精度要求不高的场合,其中.25.2810-3/0C,阻值与温度的函数关系为:,铜电阻的R0常取100、50两种，分度号为Cu100、Cu50。,电路符号：,铂电阻 纯度以R100/R0来表示，比值越大，纯度越高，测量越精确。国际标准R100/R01.3925（99.995%），其阻值与温度的函数关系为:,其中：A,B,C 为常数,分度号分别为Pt10、Pt50、Pt100，其中Pt100最常用。,（2）查表法,铂热电阻分度表,小型铂热电阻,4各类热电阻,防爆型铂热电阻,汽车用水温传感器,铜热电阻,图 热电阻传感器的结构,电阻体由电阻丝和电阻支架组成。由于铂的电阻率大，而且相对机械强度较大，通常铂丝直径在0.03（0.07mm0.005）mm之间，可单层绕制，电阻体可做得很小。铜的机械强度较低，电阻丝的直径较大，一般为（0.10.005）mm 的漆包铜线或丝包线分层绕在骨架上，并涂上绝缘漆而成。,由于铜电阻测量的温度低，一般多用双绕法，即先将铜丝对折，两根丝平行绕制，两个端头处于支架的同一端，这样工作电流从一根热电阻丝进入，从另一根丝反向出来，形成两个电流方向相反的线圈，其磁场方向相反，产生的电感就互相抵消，故又称无感绕法。这种双绕法也有利于引线的引出。,热敏电阻的外形、结构及符号,热敏电阻,测量时先对仪表进行标定。将绝缘的热敏电阻放入30（表头的零位）的温水中，待热量平衡后，调节RP1，使指针在30上，再加热水，用更高一级的温度计监测水温，使其上升到50。待热量平衡后，调节RP2，使指针指在50上。再加入冷水，逐渐降温，反复检查3050范围内刻度的准确性。,阻值与温度满足以下关系：,12345,其中R0为T0时的电阻，T为绝对温度，B=15003000K,或,右图所示的五根曲线分别为哪一种热敏电阻？,P200图9-12,1.按温度系数分类,稳定性差，一致性差（同一型号差35%）；灵敏度高（可测量0.001 0.005度的微小变化）；热惯性小，结构简单，使用广泛。,2.特点,NTC：具有负温度系数，阻值随温度升高而下降，一般50300；PTC：具有正温度系数，阻值随温度升高而升高；CTR：具有临界温度系数，温度变化具有突变性。,3.热敏电阻外形,聚脂塑料封装热敏电阻,玻璃封装NTC热敏电阻,带安装孔的热敏电阻,大功率PTC热敏电阻,其它热敏电阻,热电阻测温电路图,其中r1、r2、r3为引线电阻,三、热电阻传感器的应用,1、金属热电阻传感器,（1）温度测量,P198,两线制测量,三线制电桥测量电路,热电阻的三线制：工业上用的铂电阻的引线多为三根，目的是消除连接线电阻的影响。应用实例P199图9-10，还有四线制接线P199图9-11,（2）流量测量,热电阻流量计电原理图,A,热敏电阻,平衡电阻,(3)热电式继电器,热敏电阻温度面板表,热敏电阻,LCD,（1）温度测量,2热敏电阻传感器,热敏电阻体温表,应用电路实用P203图9-16,热敏电阻用于CPU的温度测量,【例】电阻温度补偿,（2）温度补偿,双桥温差测量电路,（3）温差测量,（4）NTC的线性化处理,电阻网络（线性化网络）：精密电阻与热敏电阻串、并联,集成温度传感器,2、优点,4.电压输出型集成温度传感器AN6701S是日本松下公司生产的电压输出型集成温度传感器，它有四个引脚，三种连线方式：(a)正电源供电，(b)负电源供电，(c)输出极性颠倒。电阻RC用来调整25下的输出电压，使其等于5V，RC的阻值在330k范围内。这时灵敏度可达109110mV/，在-1080范围内基本误差不1。,输出,AN6701,(a),1,2,4,3,RC,515V,AN6701,输出,(c),10k,RC,3,1,2,4,515V,-,+,+,100k,10k,100k,AN6701,(b),2,1,3,输出,4,515V,RC,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）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。DS1820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。,5.数字输出型IC温度传感器,DS1820的特性单线接口：仅需一根口线与MCU连接；无需外围元件；由总线提供电源；测温范围为-55125，精度为0.5；九位温度读数；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。,DS 1820,1,2,3,GND,I/O,VDD,(a)PR35封装,DS1820的管脚排列,DS1820,1,2,3,4,5,6,7,8,I/O,GND,(b)SOIC封装,NC,NC,NC,NC,VDD,NC,DS1820引脚及功能 GND：地；VDD：电源电压 I/O：数据输入输出脚(单线接口，可作寄生供电),
