《热电式传感器 》PPT课件.ppt

第7章 热电式传感器,第7章 热电式传感器,主要内容：7.1 热电阻 7.2 半导体集成温度传感器,7.3 热电偶,第7章 热电式传感器,我国目前实行的是1990年国际温标(ITS90）定义国际开尔文温度 单位（K）开尔文 国际摄氏温度 单位(）摄氏 两者关系为：t()=T(K)273.15,温度单位：热力学温度是国际上公认的基本单位,第7章 热电式传感器,温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都少不了温度传感器。,概述,第7章 热电式传感器,概述,根据所用测温物质的不同和测温范围不同，有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差温度计、辐射温度计、光测温度计等等。,第7章 热电式传感器,温度传感器的种类很多，如果按原理可分为：1.热胀冷缩原理：水银温度计 2.电气参数的变化：热电偶、热电阻温度计 3.物体表面热辐射与温度的关系：辐射温度计，比色温度计 工业上使用的温度传感器，性能价格差别比较 大。如传感器的精度直接关系到产品质量和 控制过程，通常价格比较贵。,概述,第7章 热电式传感器,概述 各种温度传感器,第7章 热电式传感器,温度传感器按工作原理主要有以下几类：热电偶:利用金属温差电动势，有耐高温、精度高的特点；金属热电阻:利用导体随温度变化，线性好；热敏电阻:利用半导体材料随温度变化测 温，体积小、灵敏度高、稳定性差；集成温度传感器:利用晶体管PN结电流、电压随温度变化，有专用集成电路，体积 小、响应快、价廉，测量150以下温度。,概述,第7章 热电式传感器,热电阻传感器主要有两大类：金属热电阻 半导体热敏电阻 广泛用于测量-200+850，少数可测1000。,7.1 热电阻,1.原理：温度电阻变化测温机理：在金属导体两端加电压后，自由电子形成有规律的定向运动，使导体导电。当温度升高时由于自由电子获得较多的能量，能从定向运动中挣脱出来，从而定向运动被削弱，导电率降低，电阻率增大。要求：在热电阻传感器中，选用 大，温度系数大的金属 材料，同时要求其物理化学性能稳定，可加工性好.材料：典型如铂、铜、镍。,第7章 热电式传感器,7.1 热电阻7.1.1 金属热电阻,2.结构：由一定材料的电阻丝绕制而成，为了避免通过交流电时产生感抗，或有交变磁场时产生感应电动势，在绕制时采用双线无感绕制法，由于通过两股导线的电流方向相反，从而使其产生的磁通相互抵消。,第7章 热电式传感器,7.1 热电阻7.1.1 金属热电阻,3.温度特性铂电阻：铂电阻阻值与温度的关系成近似直线，在 度范围内可作温度标准仪器。特性关系：,纯度越高，电阻值越准；,工业用的Ro一般为50 或100,百度电阻比：铂电阻的性质与铂的纯度有关,阻值：标准的Ro一般为10 或30,第7章 热电式传感器,7.1 热电阻7.1.1 金属热电阻,分度表！,铂测温电阻元件的电阻的温度特性,第7章 热电式传感器,7.1 热电阻7.1.1 金属热电阻,第7章 热电式传感器,7.1 热电阻7.1.1 金属热电阻,铜电阻：铜温度系数大于铂，电阻率较低，价格便宜，易于加工，提纯；但易氧化，不适用于高温，体积大。应用范围-50-+150摄氏度特性关系：,纯度：W（100）1.425阻值：50 欧,100欧,第7章 热电式传感器,7.1 热电阻7.1.1 金属热电阻,4.技术指标使用范围：可测量温度范围电阻值：标准零摄氏度时的电阻值R0纯度,允许误差（误差限）；测量电流：在此电流内产生的温升不影响测量精度热惰性（时间常数）：110180S分度表：对应不同阻值，有国家标准。,5.测量电路2线单臂电桥：R1为热电阻；R2，R3，R4为锰铜电阻，其温度系数 极小，可认其为固定电阻；单臂上的引线电阻计入测量结果。3线双臂电桥：使引线电阻分布在相邻的两个桥臂上从而使它们因温度产生的变化相互抵消。3线平衡电桥：加入 调节，G为指零仪表；平衡法中电流电压的变化不影响结果。4线制恒流源法:2根电流引线引入恒定电流,2根电位引线消除引线及接触电阻的影响.4线制电位差计：2根电流引线，2根电位引线。电位差计法不汲取电流，消除了引线、连接导线的电阻影响。,第7章 热电式传感器,7.1 热电阻7.1.1 金属热电阻,测量电路,近年来，几乎所有的家用电器产品都装有微处理器，温度控制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热敏电阻。热敏电阻用半导体材料氧化复合烧结而成 主要材料有：Mn、Co、Ni、Cu、Fe氧化物，,热敏电阻符号,第7章 热电式传感器,7.1 热电阻7.1.2 热敏电阻,1.测温材料：对温度非常敏感的热敏电阻，所用材料一般为陶瓷半导体，其导电性取决于电子空穴的浓度。,第7章 热电式传感器,7.1 热电阻7.1.2 热敏电阻,NTC测温机理：在低温下电子空穴的浓度很低，故电阻率很大。随着温度的升高，电子空穴的浓度按指数规律增加，电阻率迅速减小。NTC型温度特性,B为热敏材料系数电阻温度系数：,第7章 热电式传感器,7.1 热电阻7.1.2 热敏电阻,2.分类：正温度系数热敏电阻(PTC)：在测量温度范围内，其阻值随温度增加而增加。临界温度系数热敏电阻(CTR)：在临界温度附近电阻有急剧变化，因此不适于较宽温度范围内的测量。负温度系数热敏电阻(NTC)：其阻值随温度增加而呈下降趋势。,第7章 热电式传感器,7.1 热电阻7.1.2 热敏电阻,3.特性曲线,CTR,CTR,4.性能指标：标称电阻：1k、2k，100k、470k 温度系数：每变化 1度时，电阻值的变化。热 容 量 C：每变化1度时吸收或释放的能量。时间常数：0.5-1秒,第7章 热电式传感器,7.1 热电阻7.1.2 热敏电阻,5.特点：优点:热敏电阻的温度系数比金属热电阻大，而且体积小、重量轻、很适用于小空间温度测量，又由于热惯性小，反应速度快，适于测量快速变化的温度.不足:互换性差;测量范围较小.多数热敏电阻具有负温度系数，温度升高电阻下降，同时灵敏度下降，所以限制了它在高温下使用。目前，热敏电阻温度上限约300。6.检测：由于温度系数大，检测电路中可忽略引线连接电阻影响。可采用不平衡电桥，2线接法。,第7章 热电式传感器,7.1 热电阻7.1.2 热敏电阻,图是一恒温电路，A为比较器，当环境温度达到T时，输出信号实现自动调温控制。同相端输入有RP1、R2、R3分压确定作比较电平，RP可调节比较器的比较电平，从而调节所需控制温度。,热敏电阻的恒温控制电路,第7章 热电式传感器,7.1 热电阻7.1.2 热敏电阻,第7章 热电式传感器,7.2 半导体集成温度传感器7.2.1 集成温度传感器测温原理,集成温度传感器利用PN结的电流、电压特性与温 度的关系测温，一般测量温度范围在150以下。集成温度传感器把热敏晶体管和外围电路、放大 器、偏置电路及线性电路制作在同一芯片上；利用发射极电流密度在恒定比率下工作的晶体管 对的基极发射极之间电压VBE的差与温度呈线性 关系。,图为是绝对温度比例电路 V1、V2是两只互相匹配的 温敏晶体管 I1、I2是集电极电流，由 电流源提供，VBE是两个晶体管发射 极和基极之间电压差。,集成温度传感器基本 电路原理图,第7章 热电式传感器,7.2半导体集成温度传感器7.2.1 集成温度传感器测温原理,BE,正比于绝对温度 T，只要保证 恒定，就可以使 与 T 为单值函数。,第7章 热电式传感器,7.2 半导体集成温度传感器7.2.1 集成温度传感器测温原理,2）电流输出型 V1、V2是结构对称的晶体管，提供镜像电流源，V3、V4是测温用晶体管，V3发射结面积是V4管的 8倍（=8）.流过电路的总电流是：,若R=358，电路输出温度系数为：,电流输出型电路,第7章 热电式传感器,7.2半导体集成温度传感器7.2.2集成温度传感器信号输出方式,第7章 热电式传感器,7.2半导体集成温度传感器7.2.3 AD590集成温度传感器,第7章 热电式传感器,7.2半导体集成温度传感器7.2.3 AD590集成温度传感器,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.1 热电效应,热电效应:两种不同类型的金属导体两端，分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等（TT0)有温差时，回路里会产生热电势，形成电流。利用这种效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。,固定温度的结点称基准点（冷端）T0，恒定在某一标 准温度；待测温度的结点称测温点（热端）T，置于被测温度 场中。这种将温度转换成热电动势的传感器称为热电偶,金属称热电极。,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.1 热电效应,1）两种导体的接触电势 不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会产生电子扩散，浓度大的向浓度小的金属扩散。浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.1 热电效应,温度T时热端接触电势：,冷端接触电势：,、,、,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.1 热电效应,在闭合回路中，总的接触电势为：,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.1 热电效应,2）单一导体的温差电势（汤姆逊电势）对单一金属如果两边温度不同，两端也产生电势。产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具 有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失 去电子带正电，低温端得到电子带负电。,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.1 热电效应,A、B 两导体构成闭合回路总的温差电势为：,单一导体的温差电势为：,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.1 热电效应,根据两导体的接触电势和单一导体温差电势，热电偶总的热电势为：,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.1 热电效应,E AB(T,T0),A=K/(e NAt)d(NAt t)/dt,结论：热电偶两电极材料相同即A=B,NA=NB时，无论两端点温度如何，总热电势为零；2.如果热电偶两结点温度相同，T=T0时，A、B材料不同，回路总电势为零；热电偶必须用不同材料做电极；在两端必须有温度梯度，这是热电偶产生热电势的必要条件。一般情况下,接触电势温差电势;NANB,即电子浓度大的导体为正极;注：E AB(T,T0)=-E BA(T,T0)=-E AB(T0,T),第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.1 热电效应,1)中间导体定律 三种导体的热电回路 如果将热电偶T0端断开，接入第三导体C，回路中 电势EAB（T，T0）应写为：,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.2 基本定律,代入上式有：,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶基本定律,结论：当引入第三导体C时，只要C导体两端温 度相同，回路总电势不变。应用：根据这一定律，将导体C作为测量仪器接入回路，就可以由总电势求出工作端温度，条件是：保证两端温度一致。,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.2 基本定律,2）参考电极定律（中间温度定律）当结点温度为T、T0时的热电势EAB（T，T0）等于结点温度 T、TC和 TC、T0 时，热电势,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.2 基本定律,应用：利用这一性质，实际测量时，可对参考端温度不为零度时的热电势进行修正；是补偿导线使用的理论基础。,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.2 基本定律,2）参考电极定律（中间温度定律）,3）匀质导体定律 由同一匀质材料组成的闭合回路中，无论温度分布如何，都不能产生热电势。应用：热电偶必须由两种不同的匀质材料组成，可用于检测电极材料是否为匀质材料。,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.2 基本定律,4）标准电极定则 当热电偶回路的两个结点温度为T，T0时，用导体AB组成的热电偶的热电势等于热电偶AC和热电偶CB的热电势的代数和，即,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.2 基本定律,应用：C为标准电极，常用纯铂为标准电极，求出不同电极对标准电极的热电势，简化不同电极间的选配。,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.2 基本定律,4）标准电极定则,热电偶种类：贵金属热电偶 铂铑30铂铑6（6001700）铂铑10铂（01600）普通金属热电偶 镍铬镍硅（-2001200）镍铬镍铜（-40750）铜康铜（0400）热电偶可以测量上千高温，并且精度高、性能好，这是其它温度传感器无法替代的。,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.3 热电偶的结构和种类,标准型热电偶(1）铂铑30-铂铑6 分度号B 01700度（2）铂铑10-铂 分度号S 0-1600度（3）镍铬-镍硅 分度号K-200-1200度(4)镍铬-康铜 分度号E-200-900度(5)铁-康铜 分度号J-200-750度(6)铜-康铜 分度号T-200-350度非标准型热电偶 铂铑系、铱铑系、钨铼系热电偶，用于高温测量，可达2500度。热电偶可以测量上千高温，并且精度高、性能好，这是其它温度传感器无法替代的。,结构：普通热电偶：测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构；薄膜热电偶：用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄；铠装热电偶：用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲；表面热电偶：用于弧形表面物体测温；消耗式热电偶：主要用于钢水温度测量。,a)普通热电偶 b)薄膜热电偶 c)铠装热电偶,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.3 热电偶的结构和种类,普通工业热电偶的结构(1)热电极(2)绝缘管(3)保护套管(4)接线盒,测温范围：分长期，短期；后者一般上限略高电 阻 率：一般为 时的电阻率，单位为热 电 势：（,）mV,在 时的热电势输出值。分 度 号：根据标准规定允许误差：绝对误差，相对误差时间常数：与结构有关外形尺寸：直径，长度，插入深度使用条件：物理/化学条件 使用寿命：与结构、温度有关。稳 定 性：使用前后允许变化范围.另熔点，比热，电阻温度系数，密度等。标准分度表,第7章 热电式传感器,5.3 热电偶热电偶的性能指标,1.冷端恒温法:保持T0为零摄氏度。,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.5 热电偶的冷端补偿,2.计算修正法根据中间温度定则，测出冷端温度t0,3.仪表机械零点调整法 在现场测量准确度要求不高的情况下,将显示仪表的机械点调到对应值。,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.5 热电偶的冷端补偿,4.补偿导线法,对贵金属采用低廉的补偿导线，将冷端引入测量装置中（冷端延伸）。要求：在规定温度范围内，EAB（t,t0）=EAB（t,t0）不同的热电偶用不同的补偿导线，正负极不能接反，两连接点温度必须相同。（？）,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.5 热电偶的冷端补偿,5.补偿电桥法（冷端补偿器）,方法：单臂电桥输出端串入电回路，桥臂一电阻为金属热电阻。在环境温度下，使Ucd=0;当t0升高，EAB（t,tO)减小，Ucd=EAB（tO,0)增大；当t0降低，EAB（t,tO)增大，Ucd减小，U0不变。,第7章 热电式传感器,7.3.5 热电偶的冷端补偿,b,c,通过查热电偶分度表可知热电偶产生的热电势；若参考端温度不为0，工作端温度为t0时，由分度表可查出EAB（t0,0），与实际热电势EAB（t,t0）之间的关系可通过中间温度定律求得实际测量温度t。例如K型：t00，EAB（t,0）=24.902mV 实际中t00，t020，实测EAB（t,20）=24.104mV 查表得 EAB（20,0）0.798mV，求得 EAB（t,0）=24.902mV，t600,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.6 热电偶测量电路及应用,电路调试步骤：调零：T=0时调整调零电位器RP2使运放输出为零；调增益：温度600时调节负反馈电阻RP1，使输出为6.00V。放大器增益为240.94，得到满量程输出6V（600）。,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.6 热电偶测量电路及应用,选择低漂移低失调运放，控制零点输出。,炉温的自动调节,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶热电偶测量电路及应用,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.6 热电偶测量电路及应用,a）冷端补偿器 b）补偿导线法,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.6 热电偶测量电路及应用,多点测温示例,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.6 热电偶测量电路及应用,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶7.3.6 热电偶测量电路及应用,热电偶并联-测多点平均温度,热电偶串联-增加测量灵敏度,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶热电偶测量电路及应用,测量两点间温度差,热电偶的测温误差包括：动态响应误差，传热误差。传热误差：由于存在热交换，达到平衡时，热电偶与被测介质的温差。传导换热：冷热不同的两个物体，如固体。辐射换热：两个不接触的物体，通过热辐射交换热。对流换热：流体和固定表面直接接触，例测低速流体的温度。传热误差与热结点的尺寸、几何形状、安装方式、导热系数等有关。动态响应误差：热结点具有一定的热容量，从被测介质中吸收热量达到 稳定需一定的时间即热惯性，热惯性引起的温度偏差。动态误差与热电偶的材料，结构及被测介质的情况有关.减小方法：.减小热电偶结点。.增大接点与被测介质的接触表面积。,第7章 热电式传感器,7.3 热电偶热电偶的误差,第7章 热电式传感器,本章要点:,热电阻传感器电阻因温度而变化 金属热电阻：温度越高，电阻越大;在650以下使用；热敏电阻：温度越高，电阻(NTC)越小,在300 以下使用；半导体集成(PN结)利用电流/电压特性与温度的关系 灵敏度高，能远距离测量；在200 以下使用；热电偶传感器两种不同类型金属导体构成闭合回路 接触电势和温差电势随温度变化.准确度高,灵敏度高,重复性好,温度范围宽 在-260至2200使用。,