传感器技术第2讲热电式传感器.ppt

第2讲 热电式传感器,内容：一、热电偶（重点）二、热电阻传感器,目的：1、了解热电式传感器的工作原理；2、掌握热电式传感器的测量原理和方法。,重点：热电偶的基本定律和测量线路,第2讲 热电式传感器,一、什么是热电式传感器？,利用转换元件的电磁参量随温度变化的特征，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置称热电式传感器,将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器,将温度变化转化为电阻变化的称为热电阻传感器,热电式传感器在工业生产、科学研究、民用生活等许多领域得到广泛应用。,第一节 热电偶温度传感器,热电偶温度传器通过连接导线与显示仪表相连接组成测温系统。,第一节、热电偶温度传感器,热电偶温度传器是利用导体的“热电效应”制作的仪器，其敏感元件是热电偶。,热电偶由两根不同的导体或半导体一端焊接或绞接而成。,热电偶结构示意图,热电极,热端,冷端,第一节、热电偶温度传感器,一、热电偶测温原理,把两种不同的导体或半导体两端相接组成闭合回路，当两接点分别置于T和T0(设TT0)两不同温度时，则在回路中就会产生热电势，形成回路电流。这种现象称塞贝克效应，即热电效应。,T0,T,TT0,第一节、热电偶温度传感器,一、热电偶测温原理,（一）热电势的产生,热电偶回路产生的热电势由,接触电势,温差电势,第一节、热电偶温度传感器,一、热电偶测温原理,（一）热电势的产生,1、接触电势,NB,NA,设NANB,接触电势大小表达式：,第一节、热电偶温度传感器,一、热电偶测温原理,（一）热电势的产生,1、接触电势,接触电势大小表达式：,NA(T)、NB（T）-材料A、B在温度为T时的自由电子密度NA(T)、NB（T）-材料A、B在温度为T0时的自由电子密度e单位电荷。e=1.610-19CK玻尔兹曼常数，K=1.3810-23J/K,第一节、热电偶温度传感器,一、热电偶测温原理,（一）热电势的产生,2、温差电势,温差电势大小表达式：,T,T0,第一节、热电偶温度传感器,一、热电偶测温原理,3、热电偶回路总电势,（一）热电势的产生,6-7,第一节、热电偶温度传感器,一、热电偶测温原理,3、热电偶回路总电势,（一）热电势的产生,6-7,第一节、热电偶温度传感器,一、热电偶测温原理,3、热电偶回路总电势,（一）热电势的产生,6-7,在热电极材料一定时，EAB(T，T0)成为两端温度的函数，即 EAB(T，T0)=f(T)-f(T0),如果冷端温度T0保持恒定，则EAB(T,T0)=f(T)-C,第一节、热电偶温度传感器,一、热电偶测温原理,（二）热电偶的基本定律,1、中间温度定律,2、中间导体定律,第一节、热电偶温度传感器,二、热电偶的种类与结构,（一）热电偶的种类,经国际电工委员会(IEC)认证的性能较好的热电偶为标准热电偶,否则为非标准热电偶,第一节、热电偶温度传感器,二、热电偶的种类与结构,（一）热电偶的种类,1、标准热电偶,目前，经国际电工委员会(IEC)认证的性能较好的标准热电偶有8种，分别是：,第一节、热电偶温度传感器,二、热电偶的种类与结构,（一）热电偶的种类,2、非标准化热电偶,末经国际电工委员会(IEC)认证的热电偶为非标准热电偶,包括：铂铑系、铱铑系、钨铼系及金铁热电偶、双铂钼等热电偶,第一节、热电偶温度传感器,二、热电偶的种类与结构,（二）热电偶的结构型（5种）,1、普通型热电偶,由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒等主要部分组成。,第一节、热电偶温度传感器,二、热电偶的种类与结构,（二）热电偶的结构型（5种）,2、铠装型热电偶,第一节、热电偶温度传感器,二、热电偶的种类与结构,（二）热电偶的结构型（5种）,3、薄膜型热电偶,4、表面型热电偶,5、浸入式热电偶,第一节、热电偶温度传感器,三、热电偶冷端温度补偿,(一)补偿导线,根据热电偶测温原理可知，热电偶回路的热电势的大小不仅与热端温度有关，而且与冷端温度有关，只有当冷端温度保持不变，热电势才是被测热端温度的单值函数。,（补偿方法有4种）,(二)冷端温度校正法,(三)冰浴法,(四)补偿电桥法,第一节、热电偶温度传感器,三、热电偶冷端温度补偿,(一)补偿导线,补偿导线是由两种不同性质的廉价金属材料制成，在一定温度范围内(0100*C)与所配接的热电偶具有相同的热电特性的特殊导线。,第一节、热电偶温度传感器,三、热电偶冷端温度补偿,(二)冷端温度校正法,1计算修正法,2机械零位调整法,已知冷端温度t0，根据中间温度定律，应用下式进行修正：E(t，0)=E(t，t0)+E(t0，0)(614)其中，E(t，t0)为回路实际热电势。,第一节、热电偶温度传感器,三、热电偶冷端温度补偿,(三)冰浴法,(四)补偿电桥法,第一节、热电偶温度传感器,四、热电偶测量线路(有4 种）,1测量单点温度的基本测温线路,第一节、热电偶温度传感器,四、热电偶测量线路,2测量两点之间温差的测温线路,第一节、热电偶温度传感器,四、热电偶测量线路,3测量平均温度的测温线路,第一节、热电偶温度传感器,4测量几点温度之和的测温线路,四、热电偶测量线路,第一节 热电偶温度传感器,四、热电偶测量线路,5若干只热电偶共用一台仪表的测量线路,第二节 电阻式温度传感器,热电耦传感器主有用于测量-2701802范围内的温度。电阻式传感器广泛被用于测量-200+960范围内的温度。,什么是电阻式温度传感器？利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的性质而工作的，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值对应的温度值。,第二节 电阻式温度传感器,一、热电阻,(一)热电阻测温原理 热电阻主要是利用电阻随温度升高而增大的特性来测量温度的。温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻力增大，宏观上表现出电阻率变大，总电阻值增加。,热电阻的阻值与温度的关系为：Rt=Ro(1+K1t+k2t2+K3t3+K4t4)(619)式中：R0为热电阻在0时的电阻值K1、K2、K3C、K4为温度系数,一、热电阻,(一)热电阻测温原理 为了准确地测出电阻的大小以反映温度的高低，常采用电桥来测量Rt阻值的变化，并转化为电压输出U。,一、热电阻,当温度处于下限时,Rt=Rtmin,合理设计电路电阻值,使满足R3(2R1+Rt)=R2R4,此时电桥平衡,U=0即:,一、热电阻,当温度升高时,Rt Rtmin,电桥电路失去平衡,有:R3(2R1+Rt)R2R4,此时电桥平衡,U=0即:,第二节 电阻式温度传感器,一、热电阻,(一)热电阻测温原理 工业上常采用三线制接法。,第二节 电阻式温度传感器,一、热电阻,(二)常用热电阻及结构,1铂电阻(WZP型号）目前中国常用的铂电阻有两种，分度号Ptl00和Ptl0，最常用的是Ptl00，R(0)=100.00，纯度为R（100）/R（0）=1.3851 分度表.常用测温范围-200850,第二节 电阻式温度传感器,一、热电阻,(二)常用热电阻及结构,1铂电阻结构,第二节 电阻式温度传感器,一、热电阻,(二)常用热电阻及结构,2铜电阻（WZC型号）,目前我国工业上用的铜电阻分度号为Cu50和Cul00.纯度为R（100）/R（0）=1.4280.002。常用测温范围-50150 电阻的阻值与温度的关系RT=R0(1+a),第二节 电阻式温度传感器,二、热敏电阻,热敏电阻是半导体测温元件。,第二节 电阻式温度传感器,二、热敏电阻,(一)测温原理及特性,NTC热敏电阻研制得较早，也较成熟。最常见的是由金属氧化物组成的。如锰、钴、铁、镍、铜等多种氧化物混合烧结而成。,根据不同的用途，NTC又可以分为两大类。第一类用于测量温度。它的电阻值与温度之间呈负的指数关系。第二类为负的突变型，当其温度上升到某设定值时，其电阻值突然下降，多用于各种电子电路中抑制浪涌电流，起保护作用。,第二节 电阻式温度传感器,二、热敏电阻,(一)测温原理及特性,PTC热敏电阻通常是在钛酸钡陶瓷中加入施主杂质以增大电阻温度系数。它的温度电阻特性曲线呈非线性，,它在电子线路中多起限流、保护作用。当流过PTC的电流超过一定限度或PTC感受到的温度超过一定限度时，其电阻值突然增大。,第二节 电阻式温度传感器,二、热敏电阻,第二节 电阻式温度传感器,二、热敏电阻,第二节 电阻式温度传感器,二、热敏电阻应用,热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、阻值大、灵敏度高等优点，因此它在许多领域得到广泛应用。根据产品型号不同，其适用范围也各不相同，具体有以下三方面。,1热敏电阻测温,第二节 电阻式温度传感器,二、热敏电阻应用,热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、阻值大、灵敏度高等优点，因此它在许多领域得到广泛应用。根据产品型号不同，其适用范围也各不相同，具体有以下三方面。,2热敏电阻用于温度补偿,第二节 电阻式温度传感器,二、热敏电阻应用,热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、阻值大、灵敏度高等优点，因此它在许多领域得到广泛应用。根据产品型号不同，其适用范围也各不相同，具体有以下三方面。,3热敏电阻用于温度控制,第二节 电阻式温度传感器,二、热敏电阻应用,热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、阻值大、灵敏度高等优点，因此它在许多领域得到广泛应用。根据产品型号不同，其适用范围也各不相同，具体有以下三方面。,3热敏电阻用于温度控制,第三节 集成温度传感器,一、所谓集成传感器,就是在一块极小的半导体芯片上集成了包括温度敏感器件、信号放大电路、温度补偿电路、基准电源电路等在内的各个单元，它使传感器和集成电路融为一体。,集成温度传感器与传统的热电阻、热电偶温度计相比最大的优点是：线性度好、灵敏度高、输出信号大，且规范化标准化,二、优点,集成温度传感器按信号输出形式分为：电流型、电压型,第三节 集成温度传感器,三、AD590系列集成温度传感器,AD590是电流型集成温度传感器，其输出电流与环境绝对温度成正比，所以可以直接制成绝对温度仪。AD590有I、J、K、L、M等型号系列，采用金属管壳封装。,外形图,电路符号,电源+,电流输出端,第三节 集成温度传感器,四、AN6701S集成温度传感器,是电压型集成温度传感器，其输出电压U0和温度成正比。它采用塑料封装，外形如图所示。,第三节 集成温度传感器,五、温度变送器,温度变送器有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。,将输入的直流毫伏信号及被测温度信号转换为4mA20mA DC和IV5VDC输出的统一信号的装置称为变送器。这三种变送器在线路结构上都分为量程单元和放大单元两个部分，其中放大单元是通用的，量程单元随品种、测量范围而变。,所谓变送器,第三节 集成温度传感器,五、温度变送器,温度变送器有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。,第三节 集成温度传感器,五、温度变送器,温度变送器有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。,第三节 集成温度传感器,五、温度变送器,温度变送器有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。,第三节 集成温度传感器,六、一体化温度变送器,一体化温度变送器是温度传感元件与变送电路的紧密结合体。它是一种小型固态化温度变送器，与热电偶或热电阻安装在一起，不需要补偿导线或延长线，由直流24V供电，用两线制方式连接，输出4mA20mADC标准信号。其原理框图如下。,一体化温度变送器原理框图,第三节 集成温度传感器,第四节 温度传感器典型应用,一、金属表面温度的测量,二、热电偶炉温控制系统,第四节 温度传感器典型应用,三、采用集成温度传感器的数字式温度计,第四节 温度传感器典型应用,四、电动机保护器,