《项目二温度》PPT课件.ppt

项目二,温度传感器,一、项目要求,温度是国际单位制给出的基本物理量之一。它是工农业生产和科学实验中需要经常测量和控制的主要参数，也是与人们日常生活紧密相关的一个重要的物理量。温度传感器是开发最早、应用最广的一类传感器。现在，温度传感器的市场份额大大超过了其他传感器的市场份额。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、热敏电阻温度传感器和集成温度传感器等。,一、项目要求,【知识要求】1.了解温度传感器的作用、地位、分类和发展趋势。2.掌握热电偶三定律及相关计算。3.掌握热敏电阻不同类型的特点及应用场合。4.掌握集成温度传感器使用方法。5.了解其他温度传感器工作原理。重点：理解热电偶、热电阻、热敏电阻传感器的工作原理，掌握其性能特点，了解其应用。,一、项目要求,【能力要求】1.正确识别各种温度传感器及其特点和其在整个工作系统中的作用。2.在设计中，能够根据工作系统的特点及温度要求，找出匹配的温度传感器。3.能够正确使用温度传感器，熟练掌握温度传感器的测量方法。4.能够设计一个简单的温度测量电路。,二、相关知识,（一）温度概述1.温度与温标温度是表征物体冷热程度的物理量，是工业生产和科学实验中一个非常重要的参数。许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的，需要测量温度和控制温度。从热平衡的观点来看，温度是物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志，温度高的物体，其内部分子平均动能大；温度低的物体，其内部分子的平均动能小。温度不能直接测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性间接测量。随着科学技术的发展，对温度的测量越来越普遍，而且对温度测量的准确度也有了更高的要求。,二、相关知识,为了定量地描述温度的高低，必须建立温度标尺，即温标。温标是衡量温度的标准尺度，它保证了温度量值的统一和准确的数值表示方法。各种温度计和温度传感器的温度数值均由温标确定。热力学温标确定的温度数值为热力学温度（符号为T），单位为开尔文（符号为K），1K等于水三相点热力学温度的1/273.16。热力学温度是国际上公认的最基本温度，国际温标最终以它为标准而不断完善。我国目前实行的是1990年国际温标（ITS-90），它同时定义了国际开尔文温度（T90）和国际摄氏温度（t90），T90和t90之间的关系为,式中C摄氏温度的单位；K开尔文温度单位。,二、相关知识,2温度测量的主要方法和分类及发展方向(1)温度传感器的组成在工程中无论是简单的还是复杂的测温传感器，就测量系统的功能而言，通常由现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成，如图所示。简单的温度传感器往往是由感温元件和显示装置组成一体的，一般在现场使用。各种传感器因测量范围不同而被使用在不同的场合，其测温范围分类见表。,温度传感器组成框图,二、相关知识,温度传感器测温范围分类,二、相关知识,(2)温度测量方法及分类测量方法按感温元件是否与被测介质接触，可以分为接触式与非接触式两大类。接触式测温方法是使温度敏感元件直接和被测温度对象相接触，当被测温度与感温元件达到热平衡时，温度敏感元件与被测温度对象的温度相等。这类温度传感器具有结构简单、工作可靠、精度高、稳定性好、价格低廉等优点。使用这类测温方法的温度传感器主要有膨胀式温度传感器、电阻式温度传感器、热电偶温度传感器。,二、相关知识,常用的接触式温度传感器的材料有以下几种：常用热电阻。测量范围为-260850，精度为0.12级。改进后可连续工作2000小时，失效率小于1%，使用期为10年。管缆热电阻。测量范围为-20500，最高上限为1000，精度为0.5级。陶瓷热电阻。测量范围为-200+500，精度为0.3、0.15级。超低温热电阻。两种碳电阻，可分别测量-268.8253和-272.9272.9的温度。热敏电阻器。适用于高灵敏度的微小温度测量场合。经济性好、价格便宜。,二、相关知识,非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。物体辐射能量的大小与温度有关，并且以电磁波形式向四周辐射。当选择合适的接收检测装置时，便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号，实现温度的测量。非接触式温度传感器理论上不存在热接触式温度传感器的测量滞后和在温度范围上的限制，可测高温、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表面的温度，不干扰被测温度场，但精度较低，使用不太方便。,二、相关知识,非接触式温度传感器的材料有以下几种：辐射高温计。用来测量1000以上高温。一般分为光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。光谱高温计。其测量范围为4006000，它是采用电子化自动跟踪系统，保证有足够准确的精度进行自动测量。超声波温度传感器。特点是响应快(约为10ms)，方向性强。目前国外有可测到5000的产品。激光温度传感器。适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为1%。美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达8000，专门用于核聚变研究。瑞士Browa Borer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)的高温。,二、相关知识,（3）温度传感器的发展方向超高温与超低温传感器，如+3000以上和-250以下的温度传感器。提高温度传感器的精度和可靠性。研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器。发展新型产品，扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻；发展薄膜热电偶；研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热电阻；研制系列晶体管测温元件、快速高灵敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器。发展适应特殊测温要求的温度传感器。发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。,二、相关知识,（二）热电偶温度传感器热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除了具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号，便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶可用于测量快速及动态变化的温度。,二、相关知识,1.热电偶测温工作原理两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示回路，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。这种现象早在1821年首先由西拜克（See-back）发现，所以又称西拜克效应。,热电偶原理图,二、相关知识,这样的两种不同导体的组合称为热电偶，相应的电动势和电流称为热电动势和热电流，热电动势由两部分组成，即温差电动势和接触电动势。导体A、B称为热电极，置于被测温度（T）的一端称为工作端（热端），另一端（T0）称为参考端（冷端）。实验证明，热电动势与热电偶两端的温度差成正比例，即,式中，K与导体的电子浓度有关。,二、相关知识,当热电偶的材料均匀时，热电偶的热电动势大小与电极的几何尺寸无关，仅与热电偶材料的成分及冷、热两端的温度差有关。但是，热电偶的使用温度与线径有关，线径越粗，使用温度越高，若冷端温度恒定，热电动势就与被测温度呈单值关系。同时也应指出，同种金属导体不能构成热电偶，热电偶两端温度相同不能测温。2.热电偶的常用材料与结构类型理论上讲，任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶，但为了准确可靠地测量温度，对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件：热电动势变化尽量大，热电动势与温度关系尽量接近线性关系，物理、化学性能稳定，易加工，复现性好，便于成批生产，有良好的互换性。,二、相关知识,（1）热电偶常用材料（见表）（2）常用热电偶的结构类型尽管热电偶的热电动势与热电偶的结构类型无关，但是由于使用要求不同，热电偶的结构类型又分为普通型、铠装型、薄膜型等。与普通型热电偶相比，铠装型热电偶具有体积小、响应快、精度高、强度好、可挠性好、抗震性好等优点。表面热电偶又称为薄膜型热电偶，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。快速热电偶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。,二、相关知识,热电偶常用材料（）,二、相关知识,热电偶常用材料（）,如图所示为普通型热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。,二、相关知识,普通型热电偶结构示意图,1接线盒；2保护套管；3绝缘套管；4热电偶丝,二、相关知识,铠装型热电偶铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由热电极、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体，如图所示。它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装型热电偶的主要优点是测温端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在工业生产中。,铠装型热电偶,二、相关知识,薄膜型热电偶薄膜型热电偶是由两种薄膜热电极材料，用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成的一种特殊热电偶，如图所示。薄膜型热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.010.1m），其具有热容量小、反应速度快等特点，热响应时间达到微秒级，适用于微小面积上的表面温度测量以及快速变化的动态温度测量。,薄膜型热电偶,二、相关知识,3.热电偶的使用在使用热电偶测温时，必须能够熟练地运用热电偶的参考端（冷端）温度处理、安装及测温电路等实用技术。（1）热电偶的参考端（冷端）温度处理热电偶工作时，必须保持参考端温度恒定，并且热电偶的分度表是以冷端温度为0做出的，因而在工程测量中冷端距离热源近，且暴露于空气中，易受被测对象温度和环境波动的影响，使冷端温度难以恒定而产生测量误差。为了消除这种误差，可采取下列温度补偿或修正措施。参考端恒温法将热电偶的参考端放在冰水混合的保温瓶中，可使热电偶输出的热电动势与分度值一致，测量精度高，常用于实验室中。工业现场可将参考端置于盛油的容器中，利用油的热惰性使参考端保持接近室温，用于精度不太高的测量。,二、相关知识,补偿导线法采用补偿导线将热电偶延伸到温度恒定或温度波动较小处。为了节约贵重金属，热电偶电极不能做得很长，但在0100范围内，可以用与热电偶电极有相同热电特性的廉价金属制作成补偿导线来延伸热电偶。在使用补偿导线时，必须根据热电偶型号选配补偿导线。补偿导线与热电偶两接点处温度必须相同，极性不能接反，不能超出规定使用温度范围。常用补偿导线的特性见表。,常用补偿导线的特性,二、相关知识,热电动势修正法由于热电偶的热电动势与温度的关系曲线（即刻度特性或分度表）是参考端保持在T0=0时获得的，当参考端温度Tn0时，热电偶的输出热电动势将不等于EAB(T,T0)，而等于EAB(T,Tn)。如不加以修正，则所得的温度值必然小于实际值。为求得真实温度，则根据热电偶中间温度定律：,将测得的电动势EAB(T,Tn)加上一个修正电动势EAB(Tn,T0)，算出EAB(T,T0)，再查分度表，方得实测温度值。EAB(Tn,T0)可从分度表中查出。,二、相关知识,补偿电桥,电桥补偿法利用不平衡电桥产生的电动势可以补偿热电偶参考端因温度变化而产生的热电动势，称为电桥补偿法。如图所示，在热电偶与仪表之间接入一个直流电桥（常称为冷端补偿器），四个桥臂由R1、R2、R3（均由电阻温度系数很小的锰铜丝绕制）及RCu（由电阻温度系数较大的锰铜丝绕制）组成，阻值都是1。,二、相关知识,由图可知电路的输出电压为Uo=E(T,T0)+Uc，RCu和参考端感受相同的温度，当环境温度发生变化时，引起RCu值的变化，使电桥产生的不平衡电压Uc的大小和极性随着环境温度而变化，达到自动补偿的目的。国产冷端补偿器的电桥一般是在20时调平衡的，因此20时无补偿，必须进行修正或将仪表的机械零点调到20处。当环境温度高于20时，热电偶输出的热电动势减小，RCu增大，电桥输出电压左正右负；低于20时，RCu减小，电桥输出电压左负右正。设计好电桥参数，可在050范围内实现补偿。,二、相关知识,（2）热电偶的安装热电偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。其安装地点要有代表性，安装方法要正确，如图所示是安装在管道上常用的两种方法。在工业生产中，热电偶常与毫伏计连用（XCZ型动圈式仪表）或与电子电位差计连用，后者精度较高，且能自动记录。另外也可通过温度变送器放大后再接指示仪表，或作为控制信号。,热电偶安装,二、相关知识,热电偶的安装及其要领。注意插入深度热电偶的插入深度有以下几种情形:对于金属保护管应为直径的1520倍；对于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为注意。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。含有大量粉尘气体温度的测量，最好选用铠装型热电偶。,二、相关知识,（3）热电偶的测温电路热电偶测温时，它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、数字表等）配套使用，也可与温度变送器配套，转换成标准电流信号，如图所示为典型的热电偶测温线路。,典型的热电偶测温线路,二、相关知识,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，如图所示。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正常工作，而个别热电偶的短路将会导致示值偏低。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，仪表反映不出来。,热电偶串并联线路,二、相关知识,（三）热电阻温度传感器热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理来进行测温的。热电阻温度传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，一般把金属热电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏电阻。热电阻广泛用来测量-200+850范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温可测量至1000。标准铂电阻温度计的精确度高，并作为重现国际温标的标准仪器。热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成。热电阻也可与温度变送器连接，转换为标准电流信号输出。,二、相关知识,1.热电阻的工作原理和材料纯金属具有正的温度系数，可以作为测温元件。作为测温用的热电阻应具有下列要求：电阻温度系数大，以获得较高的灵敏度；电阻率高，元件尺寸小；电阻值随温度变化尽量是线性关系；在测温范围内，物理、化学性能稳定；材料质纯、加工方便和价格便宜等。铂、铜、铁和镍是常用的热电阻材料，其中铂和铜最常用。,二、相关知识,（1）铂热电阻铂热电阻的统一型号为WZP，其物理、化学性能非常稳定，长期复现性最好，测量精度高。铂热电阻主要用做标准电阻温度计。国际标准有Pt100，测量范围为-200960，电阻温度系数为3.910-3/，0时的电阻值为100，但铂在高温下，易受还原性介质污染，使铂丝变脆并改变铂丝电阻与温度间的关系，因此使用时应装在保护套管中。,二、相关知识,（2）铜热电阻由于铂是贵重金属，因此，在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，它的测量范围为-50+150。铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为式中，为铜热电阻的电阻温度系数，取=4.2810-3/。铜热电阻的两种分度号为Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。铜热电阻线性好，价格便宜，但它易氧化，不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。,二、相关知识,（3）薄膜铂热电阻一般铂热电阻的时间常数为几秒至几十秒，在测量表面温度和动态温度时精度不高。薄膜铂热电阻和厚膜铂热电阻的热响应时间特别短，一般在0.10.3s，适用于表面温度和动态温度的测量。2.热电阻的结构及测量方法工业用热电阻的结构如图所示。它由电阻体、绝缘管、保护膜、引线口和接线盒等部分组成。,热电阻结构,二、相关知识,电阻体由电阻丝和电阻支架组成。电阻丝采用双线无感绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撑和绝缘作用，引出线通常采用直径mm的银丝或镀银铜丝，它与接线盒柱相接，以便与外接线路相连而测量显示温度。用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。而热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。,二、相关知识,热电阻内部引线方式有两线制、三线制和四线制三种，如图所示。两线制中引线电阻对测量影响大，用于测温精度不高场合。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响，用于高精度温度检测。,内部引线方式,二、相关知识,热电阻的测量方法有恒压法和恒流法两种。恒压法就是保持热电阻两端的电压恒定，测量电流变化的方法。恒流法就是保持流经热电阻的电流恒定，测量其两端电压的方法。恒压法的电路简单，并且组成桥路就可进行温漂补偿，使用广泛。但电流与铂热电阻的阻值变化成反比，当用于很宽的测温范围时，要特别注意线性化问题。恒流法的电流与铂热电阻的阻值变化成正比，线性化方法简便，但要获得准确的恒流源，电路比较复杂。,二、相关知识,（四）热敏电阻温度传感器热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的，其材料分类见表。,热敏电阻材料的分类(),二、相关知识,热敏电阻材料的分类(),二、相关知识,在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40350）热敏电阻已逐渐取代了传统的温度传感器。1.热敏电阻的特点与分类（1）热敏电阻的特点电阻温度系数的范围非常宽有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突变的三种热敏电阻元件。电阻温度系数的绝对值比金属大10100倍。材料加工容易、性能好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，最小的珠状热敏电阻直径仅为0.2 mm。,二、相关知识,阻值在110M之间可供自由选择使用时，一般可不必考虑线路引线电阻的影响。由于其功耗小，故不需采取冷端温度补偿，所以适合用于远距离测温和控温。稳定性好商品化产品已有30多年历史，加之近年来在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在0.01的小温度范围内，其稳定性可达0.0002的精度。相比之下，优于其他各种温度传感器。原料资源丰富，价格低廉烧结表面均已经玻璃封装，故可用于较恶劣环境条件。另外，由于热敏电阻材料的迁移率很小，故其性能受磁场影响很小，这是十分可贵的特点。,二、相关知识,（2）热敏电阻的分类 热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可将热敏电阻分为以下几种：正温度系数热敏电阻器（PTC）电阻值随温度升高而增大的热敏电阻器，简称PTC热敏电阻器。它的主要材料是掺杂BaTiO3的半导体陶瓷。负温度系数热敏电阻器（NTC）电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器，简称NTC热敏电阻器。它的主要材料是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。突变型负温度系数热敏电阻器（CTR）该类电阻器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，即具有很大负温度系数。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。,二、相关知识,2.热敏电阻的基本参数（1）标称电阻值（R25）标称电阻值是热敏电阻在250.2 时的阻值。（2）材料常数BN材料常数是表征负温度系数(NTC)热敏电阻器材料的物理特性常数。BN值取决于材料的激活能E，具有BN=E(2K)的函数关系，式中K为波尔兹曼常数。一般BN值越大，则电阻值越大，绝对灵敏度越高。在工作温度范围内，BN值并不是一个常数，而是随温度的升高略有增加的。（3）电阻温度系数（%/）电阻温度系数是指热敏电阻的温度变化1时电阻值的变化率。,二、相关知识,（4）耗散系数（H）耗散系数是指热敏电阻温度变化1所耗散的功率变化量。在工作范围内，当环境温度变化时，H值随之变化，其大小与热敏电阻的结构、形状和所处介质的种类及状态有关。（5）最高工作温度（Tmax）最高工作温度是指热敏电阻在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度，可表示为式中，T0为环境温度；PE为环境温度为T0时的额定功率；H为耗散系数。,二、相关知识,（6）最低工作温度（Tmin）最低工作温度是指热敏电阻在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。（7）转变点温度（TC）转变点温度是指热敏电阻的电阻温度特性曲线上的拐点温度，主要指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。（8）稳定性稳定性是指热敏电阻在各种气候、机械、电气等使用环境中，保持原有特性的能力。它可用热敏电阻的主要参数变化率来表示。最常用的是以电阻值的年变化率或对应的温度变化率来表示。,二、相关知识,（9）最大加热电流（Imax）最大加热电流是指旁热式热敏电阻上允许通过的最大电流。（10）标称工作电流（I）标准工作电流是指在环境温度25 时，旁热式热敏电阻的电阻值被稳定在某一规定值时加热器内的电流。（11）标称电压标称电压是指稳压热敏电阻在规定温度下标称工作电流所对应的电压值。（12）元件尺寸元件尺寸是指热敏电阻的截面积A、电极间距离L和直径d。,二、相关知识,3.热敏电阻主要特性（1）热敏电阻的电阻温度特性（RT-T）热敏电阻的电阻 温度特性曲线如图所示，T-T与RT-T特性曲线一致。,热敏电阻的电阻-温度特性曲线,二、相关知识,负电阻温度系数(NTC)热敏电阻的温度特性NTC的电阻-温度关系的一般数学表达式为,式中RT、RT0温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值；BNNTC热敏电阻的材料常数。,二、相关知识,由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的NTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于450）内，都能利用该式，它仅是一个经验公式。如果以lnRT、1/T分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率为BN 且通过点(1/T，lnRT)的一条直线，如图所示。,NTC热敏电阻器的电阻温度特性曲线,二、相关知识,材料不同或配方比例和方法不同，则BN也不同。用lnRT1/T表示负电阻温度系数的热敏电阻温度特性，在实际应用中比较方便。为了使用方便，常取环境温度为25 作为参考温度（即T0=25），则NTC热敏电阻的电阻温度关系式可表示为RT/R25-T关系如图所示。,RT/R25-T特性曲线,二、相关知识,正电阻温度系数（PTC）热敏电阻的电阻温度特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如图所示。,PTC热敏电阻的电阻温度特性曲线,二、相关知识,PTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻温度特性曲线上有两个拐点，即TP1和TP。当温度低于TP1时，温度灵敏度低；当温度升高到TP1后，电阻值随温度值剧烈增高（按指数规律迅速增大）；当温度升到TP时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范围内存在温度TC，对应有较大的温度系数TP。经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻的电阻温度特性可近似用下面的实验公式表示,式中 RT、RT0温度分别为T、T0时的电阻值；BP正温度系数热敏电阻的材料常数。,二、相关知识,若对上式取对数，则有,以lnRT、T分别作为纵坐标和横坐标，如图所示，则lnRT和T呈线性关系。,lnRT-T 表示的PTC热敏电阻器电阻-温度特性曲线,二、相关知识,若对上式进行微分，可得PTC热敏电阻的电阻温度系数TP可见，正温度系数热敏电阻的电阻温度系数TP正好等于它的材料常数BP的值。,二、相关知识,（2）热敏电阻的伏安特性（U-I）热敏电阻伏安特性表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻和周围介质热平衡（即加在元件上的电功率和耗散功率相等）时的互相关系。负温度系数（NTC）热敏电阻的伏安特性在环境温度为T0时的静态介质中测出的静态U-I曲线如图所示。它可分为三个特性区。,NTC热敏电阻的静态伏安特性曲线,二、相关知识,峰值电压降Um左侧（a区）适用于检测温度及电路的温度补偿。可见，用热敏电阻测温时一定要限制偏置范围，使其工作在线性区。峰值电压降Um附近（b区）可用做电路保护、报警等开关元件。峰值电压降Um右侧（c区）适用于检测与耗散系数有关的流速、流量、真空度及自动增益电路、RC振荡器稳幅电路等。热敏电阻的端电压UT和通过它的电流I有如下关系：,式中T0环境温度；T热敏电阻的温升。,二、相关知识,PTC热敏电阻的静态伏安特性曲线,正温度系数（PTC）热敏电阻的伏安特性如图所示。它与NTC热敏电阻一样，曲线的起始段为直线，其斜率与热敏电阻在环境温度下的电阻值相等。这是因为流过电阻的电流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故。当热敏电阻温度超过环境温度时，引起电阻值增大，曲线开始弯曲。当电压增至Um时，存在一个电流最大值Im；如电压继续增加，由于温升引起电阻值增加的速度超过电压增加的速度，电流反而减小，即曲线斜率由正变负。,二、相关知识,（3）功率-温度特性（PT-T）描述热敏电阻的电阻体与外加功率之间的关系，与电阻所处的环境温度、介质种类和状态等相关。（4）热敏电阻的动态特性热敏电阻的电阻值的变化完全是由热现象引起的。因此，它的变化必然有时间上的滞后现象。这种电阻值随时间变化的特性，叫做热敏电阻的动态特性。动态特性可分为由周围温度变化所引起的加热特性；由周围温度变化所引起的冷却特性；由热敏电阻通电加热所引起的自热特性。,二、相关知识,当热敏电阻温度由T0增加到Tu时，其电阻值RTt随时间 t 的变化规律为,式中RTt时间为t时，热敏电阻的阻值；T0 环境温度；Tu 介质温度(TuT0)；RTa温度Ta时，热敏电阻的电阻值；t时间。,当热敏电阻由温度Tu冷却至T0时，其电阻值RTt与时间的关系为,二、相关知识,（1）测温用的热敏电阻热敏电阻传感器结构如图所示。如图所示为测表面温度用的热敏电阻的各种安装方式。热敏电阻测温电桥及其等效电路如图所示。,温度检测用的各种热敏电阻器探头,1热敏电阻；2铂丝；3银焊；4钍镁丝；5绝缘柱；6玻璃,二、相关知识,测量物体表面温度时热敏电阻的安装方式,热敏电阻测温电桥及其等效电路,二、相关知识,（2）热敏电阻作温度补偿晶体管的主要参数，如电流放大倍数、基极发射极电压、集电极电流等，都与环境温度密切相关。因此，在晶体管电路中需要采取必要的温度补偿措施，才能获得较高的稳定性和较宽的环境温度范围。由热敏电阻RT和与温度无关的线性电阻R1、R2串并联组成温度补偿网络如图所示，补偿温度范围为T1T2。偏置电路的温度补偿元件还可采用二极管、压敏电阻等非线性元件。,温度补偿网络,二、相关知识,（五）集成型温度传感器集成型温度传感器是利用晶体管PN结的电流电压特性与温度的关系，把感温PN结及有关电子线路集成在一个小硅片上，构成一个小型化、一体化的专用集成电路片。集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点，由于PN结受耐热性能和特性范围的限制，它只能用来测量150 以下的温度。,二、相关知识,1基本工作原理目前在集成型温度传感器中，都采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件。图 是集成型温度传感器基本原理图。其中VT1和VT2是互相匹配的晶体管，I1和I2分别是VT1和VT2管的集电极电流，由恒流源提供。VT1和VT2管的两个发射极和基极电压之差Ube可用下式表示，即,集成型温度传感器基本原理图,二、相关知识,式中K波尔兹曼常数；q电子电荷量；T绝对温度；AE1,AE2VT1、VT2发射结的面积；是VT1和VT2管发射结的面积之比。,从式中看出，如果保证I1/I2恒定，则Ube就与温度T成单值线性函数关系。这就是集成型温度传感器的基本工作原理，在此基础上还可设计出各种不同电路以及不同输出类型的集成型温度传感器。,二、相关知识,2集成型温度传感器的信号输出方式集成型温度传感器按输出形式可分为电压输出型和电流输出型两种。电压输出型一般以0 为零点；温度系数为10 mV/K；电流输出型一般以0 K为零点，温度系数为1A/K。电流输出型温度传感器适用于远距离测量。,(1)电压输出型电压输出型温度传感器原理电路图如图所示。当电流I1恒定时，通过改变R1的阻值，可实现I1=I2，当晶体管的1时，电路的输出电压可由下式确定。,电压输出型温度传感器原理电路图,二、相关知识,若取R1=940，R2=30 k，=37，则电路输出的温度系数为,二、相关知识,（2）电流输出型图为电流输出型温度传感器的原理电路图。VT1和VT2是结构对称的两个晶体管，作为恒流源负载，VT3和VT4管是测温用的晶体管，其中VT3管的发射结面积是VT4管的8倍，即=8。流过电路的总电流IT为,电流输出型温度传感器原理电路图,二、相关知识,典型的电流输出型温度传感器有美国AD公司生产的AD590，我国生产的SG590也属于同类型产品。基本电路与上图一样，只是增加了一些启动电路，防止电源反接以及使左右两支路对称的附加电路，以进一步提高性能。AD590的电源电压为430 V，可测温度范围为-50+150。,3AD590集成型温度传感器应用实例AD590是应用广泛的一种集成型温度传感器，由于它内部有放大电路，再配上相应外电路，方便地构成各种应用电路。下面介绍AD590几种简单的应用线路。,二、相关知识,(1)温度测量电路右图是一个简单的测温电路。AD590在25（298.2 K）时，理想输出电流为298.2 A，但实际上存在一定误差，可以在外电路中进行修正。将AD590串联一个可调电阻，在已知温度下调整电阻值，使输出电压UT满足1 mV/K的关系（如25 时，UT应为298.2 mV）。调整好以后，固定可调电阻，即可由输出电压UT读出AD590处的热力学温度。,简单的测温电路,二、相关知识,(2)控温电路简单的控温电路如图所示。AD311为比较器，它的输出控制加热器电流，调节R1可改变比较电压，从而改变了控制温度。AD581是稳压器，为AD590提供了一个合理的稳定电压。,简单的控温电路1AD311；2温控元件,二、相关知识,(3)热电偶参考端补偿电路补偿电路如图所示。AD590应与热电偶参考端处于同一温度下。AD580是一个三端稳压器，其输出电压Uo=2.5 V。电路工作时，调整电阻R2，使得,I1=t010-3 mA,热电偶参考端补偿电路,二、相关知识,这样在电阻R1上将产生一个随参考端温度t0变化而变化的补偿电压，即U1=I1R1。当热电偶参考端温度为t0，其热电动势EAB(t0，0)St0，S为塞贝克系数（V/）。补偿时应使U1与EAB(t0，0)近似相等，即R1与塞贝克系数相等，不同分度号的热电偶，其R1的阻值亦不同。热电偶参考端补偿电路灵敏、准确、可靠、调整方便，温度变化在1535 范围内，可获得5 的补偿精度。,三、项目实施,（一）实施要求(1)通过本项目的实施，在掌握温度传感器的基本结构和工作原理的基础上掌握温度传感器的器件识别、故障判断、测量方法和实际应用。(2)该项目需要温度传感器实训台或相关设备、导线若干、相关的仪表、万用表、示波器等。,三、项目实施,（二）实施步骤（1）找出电路中温度传感器，并判断是什么类型的传感器。（2）分析测量电路的工作原理，观察温度传感器工作过程中的现象。（3）找出各个单元电路，记录其电路组成形式。（4）按照原理图用导线将电路连接好，检查确认无误后，启动电源。（5）观察各单元电路的工作情况，记录其在工作过程中不同状态下的数据，并绘出温度与其他相关量的曲线关系。,四、拓展知识,（一）双金属温度传感器双金属温度传感器是将两种不同的热膨胀系数的金属用压延的方法贴合在一起，当它受热时，就会因为伸长不一样而发生弯曲变形，从而使接点开关接通和断开。双金属片常用镍铁合金和黄铜来制作，并要求其弯曲度均匀，且具有良好的弹性，以保证温控精度和重复使用性。双金属片的变形量、接点压力由下式确定(参见图)，即,双金属片参数图,四、拓展知识,式中x变形量;F 接点压力；T温度变化量；L双金属片的长度；h双金属片的厚度；b双金属片的宽度；K1由两种金属热膨胀系数之差、弹性系数之比和厚度比所确定的系数；K2接点压力与双金属弹性系数成正比的系数。,四、拓展知识,恒温箱控温用的双金属温度传感器原理图如图所示。它由双金属片、接电簧片及调温旋钮等组成。控温用的电开关信号从双金属片和接电簧片输出。由于双金属片和接电簧片上装有大容量银质触点，可以直接控制执行机构工作。,恒温箱控温用双金属温度传感器原理图,四、拓展知识,双金属片温度传感器具有结构简单、成本低等优点，又比水银温度计坚固耐用、耐震，因此广泛应用于工农业生产的温度检测、控制及报警。近年来，利用双金属片的特性开发出了双金属型过热保护器，这种保护器结构小巧，最大尺寸仅有7.533 mm，且耐冲击电压能力强，安全性也好，可用于恒温箱的过热保护和温度控制。除此之外，还可在电机、变压器等电路中起过热和过电流保护作用。双金属片温度传感器的缺点是精度不高，可靠性较低。这主要是由于接点老化所造成的。如果使接点处在无损耗的电流下工作，则其可靠性会得到保证。双金属片温度传感器的测温范围为-30300，接点的电压为24220 V，容量小于24VA。,四、拓展知识,（二）热电偶传感器在火药燃烧气体温度的测量中的应用火药燃烧气体温度测量原理图如图所示。其中温度传感器选用0.05 mm镍铬镍硅热电偶，该热电偶测量最高温度为900，响应时间为1020 ms。为防止燃烧气体损坏传感器，传感器应良好地固定并距气体喷口有一定的距离。传感器调试前应进行标定。由振子示波器测得的燃烧气体的温度曲线如图所示。,燃烧气体的温度曲线,火药燃烧气体温度测量原理图,四、拓展知识,（三）热敏电阻传感器在谷物温度测量中的应用在粮食存储和运输过程中，常常把谷物装在麻袋中，为检查谷物的情况，需要对袋内谷物的温度进行测量。该测量仪是一个专门用于袋内谷物温度测量的简单仪器，其温度测量范围为10+70，精度为2。,测量仪由探针、电桥及电源组成，其结构如图所示。作为温度传感器的热敏电阻装在探针的头部，由铜保护帽将被测谷物的温度传给热敏电阻，为保证测量的精度，在探针的头部还装有绝热套。热敏电阻通过引线和连接件与测温直流电桥进行电路连接。电桥和电池装在一个不大的电路盒内，电路盒和探针通过连接件又组合在一起。,谷物温度测量仪结构图,四、拓展知识,四、拓展知识,测量仪的基本工作原理是，在温度改变时，接在电桥一个臂中的热敏电阻的阻值将会发生变化，使电桥失去平衡，接于电桥一个对角线上的直流微安表即指示出相应的温度。,四、拓展知识,测量仪的电路如图所示。热敏电阻RT构成测量电桥的一个臂(开关置在测量位置)，在其他桥臂中接入电阻R3、R4、R2和RP1。电桥的一个对角线接入电流表，另一对角线经电阻R5和RP2和开关S1接入电源。可变电阻RP1的作用是在-10 时调整电桥的平衡。电阻R1的阻值等于+70 时热敏电阻RT的阻值，用于校准仪器。校准时将开关S2放置在校准挡，调节电位器RP2，使表头指针对准+70 的刻度。,谷物温度测量仪电路图,四、拓展知识,（四）采用集成型温度传感器的液位报警器液位报警器的原理电路如图所示。它由两个AD590集成型温度传感器、运算放大器及报警电路等组成。其中传感器B2设置在警戒液面的位置，而传感器B1设置在外部。平时两个传感器在相同的温度条件下。调节电位器RP1，使运算放大器的输出为零。当液面升高时，传感器B2将会被液体淹没，由于液体温度与环境温度不同，使运算放大器输出控制信号，经报警电路报警,液位报警器的原理电路,五、项目实训,（一）K型热电偶测温实验1.实验目的了解K型热电偶的特性与应用。2.实验仪器智能调节仪、PT100、K型热电偶、温度源、温度传感器实验模块。,五、项目实训,3.实验原理（1）热电偶传感器的工作原理热电偶是一种使用最多的温度传感器，它的原理是基于1821年发现的塞贝克效应，即两种不同的导体或半导体A或B组成一个回路，其两端相互连接，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，另一端温度为T0，则回路中就有电流产生，如图（a）所示，即回路中存在电动势，该电动势被称为热电动势。,两种不同导体或半导体的组合被称为热电偶。当回路断开时，在断开处a、b之间便有