【教学课件】第七章热电式传感器.ppt
第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,7-1 热电阻传感器,热电阻传感器是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和温度有关的参数进行检测的装置。热电阻效应物质的电阻率随温度变化而变化的现象。,金属原子最外层的电子能自由移动，当加上电压以后，这些无规则移动的电子就按一定的方向流动，形成电流。随着温度的增加，电子的热运动剧烈，电子之间、电子与振动的金属离子之间的碰撞机会就不断增加，因此电子的定向移动将受到阻碍，金属的电阻率也随之增大。,实践证明，纯金属、铂、铜、铁和镍是比较适合的材料，其中主要应用的是铂和铜。,铂是一种贵重金属，其物理和化学性能非常稳定，是制造热电阻的最好材料，主要作标准电阻温度计。,铜可用来制造-50150范围内工业用电阻温度外，特点是价格低廉，缺点是电阻率低，且容易氧化，一般用在较低温度和没有水分和浸蚀性的介质之中。,铂丝的电阻值与温度之间的关系,在-2000范围内，RtR01+At+Bt 2+C(t100)t 3在 0850范围内，RtR01+At+Bt 2 R0 当温度为0时的电阻值；Rt 温度为t时的电阻值；A、B、C 由实验确定的常数。,A 3.9080210-3/B=-5.80210-7/2C-4.2735010-12/4,第七章 热电式传感器,铂电阻的主要技术指标,第七章 热电式传感器,即便在氧化性介质中，其物理、化学性能都很稳定；易提纯，复现性好，有良好的工艺性；有较高的电阻率；在还原性介质中性能易受影响；电阻温度系数不太高；价格贵。,铂电阻的特点,第七章 热电式传感器,几种铂电阻,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,WZP系列装配式铂电阻及铠装电阻芯用于一般工业场测温使用温度-200700,高强度石英管测温铂电阻温度范围-100C至+500C适用于镀锌锅炉、耐酸、耐碱等强腐蚀场合注:不耐氢氟酸及磷酸,第七章 热电式传感器,精密温度传感器PtWD1A型-100300误差小于0.1，精度为超A级,天燃气流量计温度补偿用铂电阻天燃气涡轮流量计等用,油浸变压器用铂电阻,医疗器械铂电阻,第七章 热电式传感器,薄模铂电阻元件,用 于汽车工业、白色家电，食品加工业、医疗行业。,尺寸：2.3mm2.1mm0.9mm（长宽高）线长 10mm,第七章 热电式传感器,防水封装铂电阻,核心元件：德国进口精密铂电阻（PT100 PT1000）元件精度：0.15(A级)0.30(B级)封装材料：镀镍铜管或不锈钢管管料尺寸：4*25mm 连接线：PVC包胶电缆线（可选择耐高温型的）,在-50150温度范围内，铜电阻与温度之间的关系为：RtR0(1+At+Bt 2+Ct 3)Rt 温度为t时的铜电阻值 R0 温度为0时的铜电阻值A、B、C 常数 A4.2889910-3/B-2.13310-7/2 C1.23310-9/3,铜丝的电阻值与温度之间的关系,目前，铂和铜生产是标准的。铂：Pt50、Pt100、Pt300 主要是Pt100（R050、100、300）铜：Cu50、Cu100 铂的测温精度很高，达0.001 铜0.5（5050），1（50150）,第七章 热电式传感器,铜电阻的主要技术指标,第七章 热电式传感器,铜电阻的特点,电阻率小；容易氧化；价格便宜。,第七章 热电式传感器,WZC-111/12*1000mm Cu50,第七章 热电式传感器,热电阻的结构,玻璃封装型,塑封型,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,R1,R2,R3,E,Rt,G,Rp,热电阻测量线路,热电阻测温电桥三线连接法,作用：当温度变化时，导线长度和电阻温度系数相等，它们的电阻变化不会影响电桥的状态，即不会产生温度误差。Rp的触点接触电阻和检流计串联，接触电阻的不稳定不会破坏电桥的平衡和正常工作状态。,r2,r1,r3,热电阻测温电桥四线连接法,当热电阻安装的地方比较远，则其导线电阻当环境温度变化时也要变化，会造成测量误差。图中R1、R2、R3为固定电阻，Rp为调零电位器,第七章 热电式传感器,其它热电阻铁/镍热电阻：电阻温度系数比铂和铜高，电阻率也较大，可做成体积小、灵敏度高的温度计，但易氧化，不宜提纯且电阻与温度非线性，仅用于-50100；用的较少。铟电阻：-269-258；测量精度高，灵敏度高，但重现性差。锰电阻：-271-210；灵敏度高，但脆性高，易损坏；炭电阻：-273-268.5；热容量小，灵敏度高，价格低，易操作，但热稳定性较差。,第七章 热电式传感器,7-2 热敏电阻传感器,热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件，与金属热电阻比较而言，具有温度系数高，灵敏度高，热惯性好（适宜动态测量）但其稳定性和互换性较差。,金属的电阻随温度的升高而增大，但半导体却相反，它的电阻值随温度的升高而急剧减小，并呈现非线性。,一、工作原理,第七章 热电式传感器,半导体这种温度特性，是因为半导体的导电方式是载流子（电子、空穴）导电。由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子少得多，所以它的电阻率很大。随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数目就会增多，故半导体导电率就增加，它的电阻率也就降低了。热敏电阻正是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的热敏元件。它是由某些金属氧化物按不同的配方比例烧结制成的。在一定的范围内，根据测量热敏电阻阻值的变化，便可知被测介质的温度变化。,第七章 热电式传感器,NTC热敏电阻的材料是一种由锰（Mn）、镍（Ni）、铜（Cu）、钴（Co）、铁（Fe）等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，改变混合物的成分和配比就可以获得测温范围、阻值及温度系数不同NTC热敏电阻。它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。NTC热敏电阻应用广泛。,二、热敏电阻的基本类型,1、NTC热敏电阻,根据热敏电阻率随温度变化的特性不同，热敏电阻基本可分为三种类型。,第七章 热电式传感器,2、CTR热敏电阻,CTR热敏电阻是以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成，它呈半玻璃状，具有负温度系数。通常，CTR热敏电阻用树脂包封成珠状或厚膜形使用，其阻值在1k 10M之间。CTR热敏电阻随温度变化的特性属剧变型，具有开关特性，如左图所示。当温度高于居里点TC时，其阻值会减小到临界状态，突变的数量级为24。因此又称这类热敏电阻为临界热敏电阻。,第七章 热电式传感器,3、PTC热敏电阻,PTC热敏电阻是以钛酸钡掺合稀土元素烧结而成的半导休陶瓷元件，具有正温度系数。其温度特性曲线如左图所示，从特性曲线上可以看到PTC热敏电阻具有以下特性：(1)当温度低于居里点TC时，具有半导体特性；(2)当温度高于居里点TC时，电阻值随温度升高而急剧增大，至TN温度时出现负阻现象；(3)具有通电瞬间产生强大电流而后很快衰减的特性。基于PTC热敏电阻的特性，可利用其自控作用，做成各种恒温器、限流保护元件或温控开关。还可以用PTC组成发热元件，功率一般为几瓦到数百瓦。,第七章 热电式传感器,三、热敏电阻的伏安特性,第七章 热电式传感器,将热敏电阻接上一个电流源，并在它两端测得端电压，可得到热敏电阻的伏安特性。,曲线分四段，0a段：电流小于Ia，功耗小，电流不足以使热敏电阻发热，元件上的温度基本是环境温度。此时热敏电阻相当于一个固定电阻，电压与电流之间符合欧姆定律。,ab段：随着电流增加，热敏电阻功耗增加，导致电流加热引起热敏电阻自身温度超过环境温度（介质温度），其阻值降低，因此出现非线性正阻区，电流增长速度阻值减小的速度。cd段：随着电流增加，为Im时，电压达到最大值，电流继续增加，热敏电阻本身加热更为剧烈，阻值迅速减小，阻值减小的速度大于电流增加的速度，出现cd段负阻区。,第七章 热电式传感器,0a段：正常使用热敏电阻测温时。cd段：可用来测量风速、真空度、流量等参 数。热敏电阻非线性严重，使用中要进行非线性补偿。在硬件电路方法上，采用温度系数较小的电阻与热敏电阻串、并联接法，使得热敏电阻的电阻温度曲线变为平坦。,第七章 热电式传感器,热敏电阻的特点,电阻温度系数大，灵敏度高；形状多样，体积小，热惯性小，响应速度快；电阻值大，远距离测量时可不考虑导线电阻的影响；在-50C350C范围内具有良好的稳定性；阻值分散性大、复现性差；非线性大；老化较快。,第七章 热电式传感器,典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示。,第七章 热电式传感器,热敏电阻的结构,第七章 热电式传感器,实物图片,第七章 热电式传感器,1.耗散系数：5mW/2.热时间常数:10S3.测温范围:-40+110,第七章 热电式传感器,1.耗散系数：5mW/2.热时间常数:10S3.测温范围:-40+110,第七章 热电式传感器,铜质外壳，PVC导线，用于空调、饮水机,铜制、不锈钢外壳，PVC导线，用于热水器,第七章 热电式传感器,MZ4系列加热用PTC热敏电阻,MZ5汽车测温用PTC热敏电阻,第七章 热电式传感器,MZ41系列卷发器用PTC热敏电阻,MZ6系列电机保护用PTC热检测器,7-3 热电偶传感器,一、热电偶传感器的工作原理,第七章 热电式传感器,赛贝克 Thomas Johann Seebeck,1、热电效应,赛贝克（Seebeck）效应(热电势)1821年赛贝克发现了铜、铁这两种金属的温差电现象。即在这两种金属构成的闭合回路中，对两个接头的中一个加热即可产生电流。在冷接头处，电流从铁流向铜。由于冷、热两个端（接头）存在温差而产生的电势差e，就是温差热电势。这种由两种不同的金属构成的能产生温差热电势的装置称为热电偶。,第七章 热电式传感器,将两根不同材料的导体或半导体（A和B）联接起来构成一个回路，如果两个接合点处的温度不同（T0T），则在两导体向产生热电势，并在回路中有一定大小的电流，这种现象称为热电效应。,由热电效应制成的测温传感器就是热电偶。测温时：结点2置于被测温度场中，称为测量端（工作端、热端）；结点1处于某一恒定温度（或已知温度），称为参考端（自由端或冷端）。,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,2、热电偶的热电势,经研究发现，热电势实际上由接触电势和温差电势组成。,由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势。,(1)接触电动势,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,其大小可表示为：,式中：K波尔兹曼常数，K1.3810-23 e 电子电荷量 e=1.610-19C NA(NB)为A(B)材料的自由电子密度。,同一导体中的，如果两端温度不同，在两端间会产生电动势，即产生单一导体的温差电动势，这是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散的结果。高温端因失去电子而带正电，低温端由于获得电子而带负电，在高低温端之间形成一个电位差。温差电动势的大小与导体的性质和两端的温差有关。,(2)温差电势,第七章 热电式传感器,A A材料的汤姆逊系数。（表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势）,第七章 热电式传感器,(3)回路总电势,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,几点讨论 如果组成热电偶的两个电极的材料相同，即使是两结点的温度不同也不会产生热电势。组成热电偶的两个电极的材料虽然不相同，但是两结点的温度相同也不会产生热电势。由不同电极材料A、B组成的热电偶，当冷端温度 T0 恒定时，产生的热电势在一定的温度范围内仅是热端温度 T 的单值函数。,1、中间导体定律,二、热电偶的基本定律,第七章 热电式传感器,将由A、B两种导体组成的热电偶的冷端（T0端）断开而接入的三种导体C后，只要冷、热端的T0、T 保持不变，则回路的总热电势不变。,第七章 热电式传感器,推导过程,第七章 热电式传感器,此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时必须接入仪表(第三种材料)，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致(T0)仪表的入就不会影响热电势。而且A、B结点的焊接方法也可以是任意的。,2、参考电极定律（标准电极定律）,第七章 热电式传感器,如果两种导体A、B分别与第三种导体C所组成的热电偶所产生的热电势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电势也是已知的，且,根据此定律，可以便于给出所有热电偶材料的有关参数，方便热电偶电极的选配。,证明：,第七章 热电式传感器,3、中间温度定律,这是中间温度定律，因为热电势与两个结的温度有关，要测得某一结所处的温度，则另一个结必须0，而实际上这样的条件是难办到的；但只要测得（E表示热电势，A、B表示两种不同金属，T、T1表示两个结处在T、T1温度下），并且可测得T1，则 可以查表确定，用 与 的和，便可确定T处温度。,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,对电极材料的要求：在同样的温差下产生的热电势大，且其热电势与温度之间呈线性或近似线性的单值函数关系；耐高温，抗辐射性能好，在较宽的范围内性能稳定；电导率高、电阻温度系数和比热容小；复制性和工艺性好，价格低廉。,三、常用的热电偶,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,非标准化的热电偶,铁康铜热电偶：灵敏度高 高温热电偶：钨铼系热电偶，测温上限可达2450摄氏度 低温热电偶：铜铜锡0.005可测-271-243摄氏度的低温；镍铬铁金0.03可测-269-0摄氏度,按结构分类普通型,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,按结构分类铠装型,第七章 热电式传感器,按结构分类隔爆型,四、热电偶的使用,1、冷端温度补偿及修正,在实际使用时，由于热电偶的热端（测量端）与冷 端离的很近，冷端又暴露于空间，容易受到环境温 度的影响，因而冷端温度很难保持恒定。为此需要 进行温度补偿。,由热电偶测温原理可知，只有当热电偶的冷端温度 保持不变，热电势才是被测温度的单值函数。,工程技术上使用的热电偶分度表和根据分度表刻划 的测温显示仪表的刻度都是根据冷端温度为0而制 作的。,第七章 热电式传感器,（1）0恒温法 将热电偶的冷端置于冰水混合物中，保证冷端温度恒定为0。根据热电偶测得的输出热电势，再查找该热电偶的分度表，即可得到测量端的温度。,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,（3）电桥补偿法,第七章 热电式传感器,电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度不在0时引起的热电势变化值，在热电偶与测温仪表之间串接一个直流不平衡电桥，电桥中的R1、R2、R3、由电阻温度系数很小的锰铜丝制作，另一桥臂的RT由温度系数较大的铜线绕制。电桥的4个电阻均和热电偶冷端处在同一环境温度，但由于RT的阻值随环境温度变化而变化，使电桥产生的不平衡电压的大小和极性随着环境温度的变化而变化，从而达到自动补偿的目的。,补偿原理,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,(4)、冷端延长线,工业应用时，被测点与指示仪表之间往往有很长的距离，这就要求热电偶有较长的尺寸，但由于热电偶材料较贵，热电偶尺寸不能过长，所以冷端（即接仪表端）常常不能放到任意点上去；且冷端温度不可能恒定，是波动的，为解决这一问题，采用冷端延长线（或称冷端补偿导线）。,第七章 热电式传感器,所谓延长线实际上是把在一定温度范围内（一般为0100）与热电偶具有相同热电特性的两种较长金属导线与热电偶配接。它的作用是将热电偶冷端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，从而消除冷端温度变化带来的影响，即该补偿导线所产生的热电势等于工作热电偶在此温度范围内产生的热电势。,冷端延长线连接示意图,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,应用延长线应注意：延长线只能与相应型号的热电偶配用，（专用）；注意极性，不能接反（否则会造成更大的误差）；延长线和热电偶连接处，两结点温度必须相同。,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,补偿导线,五、热电偶测温线路,1、热电偶直接与指示仪表配用,把n支相同型号的热电偶依次将正、负极相连接，则线路的总电势为：EG=E1+E2+En=nE 串联线路中配用的仪表，按EGT刻度。,（热电偶串联测温线路图见黑板）,若每支热电偶的绝对误差分别为E1、E2、E3 En，则整个串联线路的绝对误差：,第七章 热电式传感器,如果 E1 E2 En E，则：,串联线路的相对误差为：,可见串联线路的相对误差为单支热电偶相对误差的 倍。,第七章 热电式传感器,2、桥式电位差计线路,（自动桥式电位差计线路见黑板）,图中：RW为调零电位器；RH为精密合成膜测量电位器，调节电桥输出的补偿电压；RW和RH组成的桥路由一稳定的参考电压源Vr供电；Rc为限流电阻。,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,工作原理：热电偶输出的直流电势Ex经过滤波单元加于桥路，与桥路输出电阻R两端的直流电压Vs（也称补偿电压）相比较，比较后的差值电压V（即不平衡电压）经滤波放大后，输出足够的功率以驱动可逆电动机M。可逆电动机M通过一组传动系统带动测量线路中滑线电阻RH的滑动触头，同时带动仪表指针沿着标度尺移动，直到测量桥路输出的补偿电压与被测的直流电压信号相平衡为止，此时差值电压等于零，放大器无输出，可逆电动机停止转动，桥路处于平衡状态。,测两点间的温差,第七章 热电式传感器,6-4 热释电红外传感器,当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附集在晶体外表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能显示出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心产生相对位移，晶体自发极化值就会发生变化，在晶体表面就会产生电荷耗尽。能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称为热电元件。热电元件常用的材料有单晶(LiTa03等）、压电陶瓷(PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。,一、热释电效应,第七章 热电式传感器,如果在热电元件两端并联上电阻，当元件受热时，电阻上就有电流流过，在电阻两端也能得到电压信号。,这里所说的热释电红外传感器是指利用热电元件的热释电效应探测人体用的红外传感器。它适用于防盗报警、来客告知及非接触开关等红外领域。,二、热释电红外传感器,第七章 热电式传感器,热释电红外传感器结构图,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,滤光片的光谱特性,第七章 热电式传感器,热释电红外传感器的视野特性,第七章 热电式传感器,热释电红外传感器主要由外壳、滤光片、热电元件PZT、结场效应管FET、电阻、二极管等组成。其中滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6m多层膜干涉滤光片，这种滤光片对于太阳光和荧光灯光的短波长（约5 m以下），具有高的反射率，而对6 m以上的从人体发出来的红外线热源(10 m)，有高的穿透性。阻抗变换用的结场效应管FET和电路元件放置在管底部分。热电元件选用PZT压电陶瓷，其居里点高不会造成因环境温度过高而影响其输出性能，PZT材料也适合批量生产，成本低，且可靠性高。,第七章 热电式传感器,几种常见探测人体用的热释电红外传感器的主要技术指标,第七章 热电式传感器,除了探测人体使用的热释电红外传感器外，还有供测温使用的热释电红外传感器，其工作电压为315V，电压灵敏度在3Hz时为70V/W，响应波长范围为215m，测温范围可达-801500。,三、热释电红外探测模块,热释电红外探测模块是一个将热释电红外传感器、放大器、信号处理电路、延时电路和高低电平输出电路集成于一体的新器件。它具有灵敏度高、抗干扰能力强、耐低温（-30）及使用方便等特点，主要用来探测人体发射出的红外线能量，适用于人体移动的探测报警系统。,第七章 热电式传感器,HN 911型热释电红外探测模块的外形图,第七章 热电式传感器,HN911模块电路框图,第七章 热电式传感器,平时，1端输出低电平，2端输出高电平。当有移动发热体进入监视范围时，热释电红外传感器接受到红外能量，并输出检测信号。该信号经放大器放大，由比较器进行比较判断，再由信号处理电路处理后输出控制信号。此时，输出端1变为高电平，输出端2变为低电平。在模块的外部，可接增益调节电位器，以调节放大器的增益。放大器具有温度补偿功能，其主要作用是当环境温度增高或背景红外辐射能量增加时，可使放大器的增益随着它们的增高而自动提升，从而保证整个电路工作的稳定性。,测量原理,第七章 热电式传感器,返回,第七章 热电式传感器,中间导体定律应用,
