传感器技术 第4讲 温度传感器.ppt

第四讲 温度传感器及应用 4.1 热电偶温度传感器 4.2 热敏电阻温度传感器 4.3 IC温度传感器 4.4 其他温度传感器,表示温度大小的尺度是温度的标尺，简称温标。热力学温标、国际实用温标、摄氏温标、华氏温标 为解决国际上温度标准的同意及实用问题，国际上协商决定，建立一种既能体现热力学温度（即能保证一定的准确度），又使用方便、容易实现的温标，即国际实用温标International Practical Temperature Scale of 1968(简称IPTS-68)，又称国际温标。1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用t表示，其单位是开尔文，符号为K。1K定义为水三相点热力学温度的1/273.16，水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为273.16 K，这是建立温标的惟一基准点。注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔1K=1。T0是在标准大气压下冰的融化温度，T0=273.15 K。水的三相点温度比冰点高出0.01 K。,四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器 低温铂电阻温度计（13.81K273.15K）；铂电阻温度计（273.15K903.89K）；铂铑-铂热电偶温度计（903.89K1337.58K）；光测温度计（1337.58K以上）。国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号T68和t68来区别（一般简写为T与t）。摄氏温标 是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，)，一般用小写字母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：t=T-273.15 T=t+273.15 K 华氏温标 目前已用得较少，它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用，它和摄氏温度的关系如下：m=1.8n+32 n=5/9(m-32),温度传感器分类(1),温度传感器分类(2),温度传感器分类(3),此外，还有微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。,4.1 热电偶温度传感器 温差热电偶（简称热电偶）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。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。一、热电偶的工作原理 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。这种现象早在1821年首先由西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜克效应。回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。,1.接触电势,eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势；e单位电荷，e=1.610-19C；k波尔兹曼常数，k=1.3810-23 J/K；NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。,接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。,A,eA(T,To),To,T,eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度；A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，例如在0时，铜的=2V/。,2.温差电势,温差电势原理图,由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：,T0,T,eAB(T),eAB(T0),eA(T,T0),eB(T,T0),A,B,3.回路总电势,NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度；NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；A、B导体A和B的汤姆逊系数。,在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：,EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T)-EAB(0)-EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T，0)-EAB(T0，0),热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和零度以及T0和零度的热电势之差。结论：1、热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。2、只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。3、只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。4、导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。,对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为T1、T2、Tn，冷端温度为零度的热电势。其热电势为 E=EAB（T1）+EBC（T2）+ENA（Tn）,二、热电偶回路的性质 1.均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。2.中间导体定律 一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0,两点结论：l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：,EAB（T1,T2）=EAB（T1）-EAB（T2）,EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）,E,T0,T0,T,E,T0,T1,T1,T,电位计接入 热电偶回路,根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。,EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）,2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：,3.中间温度定律,如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1,T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2,T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1,T3)，则,EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）,EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EA B（0,T3）=EAB（T1,0）-EAB（T3,0）=EAB（T1）-EAB（T3）,A,B,T1,T2,T2,A,B,T0,T0,热电偶补偿导线接线图,E,对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0时，则：,只要T1、T0不变，接入AB后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。,EAB=EAB(T1)EAB(T0),说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A、B(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA(T2)=EBB(T2)，则回路总电动势为,三、热电偶的常用材料与结构热电偶材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于制造；复现性好，便于成批生产。,（一）热电偶常用材料 1铂铂铑热电偶(S型)分度号LB3 工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(重量比)冶炼而成。负极：铂丝。测量温度：长期：1300、短期：1600。特点：材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶 或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵蚀，需要用保护套管。材料属贵金属，成本较高。热电势较弱。,2镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型)分度号EU2工业用热电偶丝：1.22.5mm，实验室用可细些。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)。测量温度：长期1000，短期1300。特点：价格比较便宜，在工业上广泛应用。高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，H2S等气体中易被侵蚀。复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。,3镍铬考铜热电偶(E型)分度号为EA2工业用热电偶丝:1.22mm，实验室用可更细些。正极：镍铬合金负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。测量温度：长期600，短期800。特点：价格比较便宜，工业上广泛应用。在常用热电偶中它产生的热电势最大。气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。,4铂铑30铂铑6热电偶(B型)分度号为LL2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）。测量温度：长期可到1600，短期可达1800。特点：材料性能稳定，测量精度高。还原性气体中易被侵蚀。低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。成本高。,（二）常用热电偶的结构类型 1工业用热电偶 下图为典型工业用热电偶结构示意图。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。,2铠装式热电偶（又称套管式热电偶）断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。测温范围在1100以下的有：镍铬镍硅、镍铬考铜铠装式热电偶。,图3.2-12 铠装式热电偶断面结构示意图 1 金属套管;2绝缘材料;3热电极(a)碰底型;(b)不碰底型;(c)露头型;(d)帽型,3快速反应薄膜热电偶 用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.010.lm)。因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁镍、铁康铜和铜康铜三种,尺寸为 6060.2mm;绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300以下；反应时间仅为几ms。,快速反应薄膜热电偶1热电极;2热接点;3绝缘基板;4引出线,4快速消耗微型热电偶 下图为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为0.050.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可达土57。,快速消耗微型 1刚帽；2石英；3纸环；4绝热泥；5冷端；6棉花；7绝缘纸管；8补偿导线；9套管；10塑料插座；11簧片与引出线,四、冷端处理及补偿 原因热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。方法 冰点槽法 计算修正法 补正系数法 零点迁移法 冷端补偿器法 软件处理法,1.冰点槽法 把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。,2.计算修正法 用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算 例 用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68。,注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49，也不能把49加上21，认为T=70。,EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0),3.补正系数法 把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即 式中：T为未知的被测温度；T为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度；TH室温；k为补正系数，其它参数见下表。例 用铂铑10铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35，这时热电动势为11.348mV查S型热电偶的分度表，得出与此相应的温度T=1150。再从下表中查出，对应于1150的补正系数k=0.53。于是，被测温度 T=1150+0.5335=1168.3（）用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但误差不大于0.14。,T T k T H,4.零点迁移法 应用领域：如果冷端不是0，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。例 用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是0而是TH。而热电偶的冷端温度已是TH,则只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。,5.冷端补偿器法 利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。,6.软件处理法 对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速度也很有利。,1.热电偶的选择、安装使用 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，图3.2-17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）或与电子电位差计联用，后者精度较高，且能自动记录。另外也可通过与温度变送器经放大后再接指示仪表，或作为控制用的信号。,五、热电偶的选择、安装使用和校验,2.热电偶的定期校验 校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉中进行对比，误差超过规定允许值为不合格。图为热电偶校验装置示意图，最佳校验方法可由查阅有关标准获得。工业热电偶的允许偏差，见下表。工业热电偶允许偏差,热电偶校验图 1-调压变压器；2-管式电炉；3标准热电偶；4-被校热电偶；5-冰瓶；6-切换开关；7-测试仪表；8-试管,4.2 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。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传统的温度传感器。,一、热敏电阻的特点与分类（一）热敏电阻的特点 1电阻温度系数的范围甚宽：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倍左右。2材料加工容易、性能好：可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够作到小型化。目前，最小的珠状热敏电阻其直径仅为 0.2mm。3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，所以适合于远距离测温和控温使用。,4稳定性好：据报道，在0.01的小温度范围内，其稳定性可达0.0002的精度。5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）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分为：1正温度系数热敏电阻器（PTC）：电阻值随温度升高而增大的电阻器。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。2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。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。3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。,热敏电阻材料的分类（1）,热敏电阻材料的分类（2）,二、热敏电阻的基本参数 1.标称电阻R25（冷阻）：在250.2时的阻值。2.材料常数BN：表征负温度系数(NTC)热敏电阻器材料的物理特性常数。BN值决定于材料的激活能E,具有BN=E2k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（%/）：温度变化1 时电阻值的变化率。4.耗散系数H：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.时间常数 热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的63.2所需的时间。它与热容量C和耗散系数H之间的关系,6.最高工作温度Tmax热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度：T0环境温度；PE环境温度为T0时的额定功率；H耗散系数7.最低工作温度Tmin热敏电阻器在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。8.转变点温度Tc热敏电阻器的电阻一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。,9额定功率PE热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗功率。在此功率下,它自身温度不应超过Tmax。,10.测量功率P0热敏电阻器在规定的环境温度下,受到测量电流加热而引起的电阻值变化不超过0.1时所消耗的功率11.工作点电阻RG在规定的温度和正常气候条件下，施加一定的功率后使电阻器自热而达到某一给定的电阻值。,功率灵敏度KG热敏电阻器在工作点附近消耗功率lmW时所引起电阻的变化，即：在工作范围内，KG随环境温度的变化略有改变。14.稳定性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。它可用热敏电阻器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。,KGR/P,15.热电阻值RH指旁热式热敏电阻器在加热器上通过给定的工作电流时,电阻器达到热平衡状态时的电阻值。,12.工作点耗散功率PG电阻值达到RG时所消耗的功率。UG电阻器达到热平衡时的端电压。,18.标称工作电流 I指在环境温度25时，旁热式热敏电阻器的电阻值被稳定在某一规定值时加热器内的电流。19.标称电压 它是稳压热敏电阻器在规定温度下标称工作电流所对应的电压值。20.元件尺寸指热敏电阻器的截面积A、电极间距离L和直径d。,17.最大加热电流Imax指旁热式热敏电阻器上允许通过的最大电流。,16.加热器电阻值Rr指旁热式热敏电阻器的加热器，在规定环境温度条件下的电阻值。,三、热敏电阻器主要特性（一）热敏电阻器的电阻温度特性（RTT）,TT与RTT特性曲线一致。,RT、RT0温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值；BN NTC热敏电阻的材料常数。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），都能利用该式，它仅是一个经验公式。,1 负电阻温度系数(NTC)热敏电阻器的温度特性,NTC的电阻温度关系的一般数学表达式为：,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，通过点(1/T，lnRT)的一条直线,如图。,材料的不同或配方的比例和方法不同，则BN也不同。用lnRT1/T表示负电阻温度系数热敏电阻温度特性，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热敏电阻器的电阻温度关系式：,RT/R25BN关系如下表。,RTR25BN系数表,2.正电阻温度系数（PTC）热敏电阻器的电阻温度特性,其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,10000,1000,100,10,0,50,100,150,200,250,R20=120,R20=36.5,R20=12.2,PTC热敏电阻器的电阻温度曲线,T/C,电阻/,Tp1,Tp2,Tc=175 C,PTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻温度曲线上有两个拐点：Tp1和Tp2。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Tp2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器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器的材料常数。若对上式取对数，则得：,以lnRT、T分别作为纵坐标和横坐标，便得到下图。,）,可见：正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数tp，正好等于它的材料常数BP的值。,lnRr1,lnRr2,BP,mR,BP=tg=mR/mr,T1,T2,lnRr0,mr,lnRTT 表示的PTC热敏电阻器电阻温度曲线,lnRr,T,若对上式微分，可得PTC热敏电阻的电阻温度系数tp,（二）热敏电阻器的伏安特性（UI）热敏电阻器伏安特性表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻器和周围介质热平衡（即加在元件上的电功率和耗散功率相等）时的互相关系。1.负温度系数（NTC）热敏电阻器的伏安特性,该曲线是在环境温度为T0时的静态介质中测出的静态UI曲线。,热敏电阻的端电压UT和通过它的电流I有如下关系：,T0环境温度；T热敏电阻的温升。,2正温度系数（PTC）热敏电阻器的伏安特性 曲线见下图，它与NTC热敏电阻器一样，曲线的起始段为直线，其斜率与热敏电阻器在环境温度下的电阻值相等。这是因为流过电阻器电流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故。当热敏电阻器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。,PTC热敏电阻器的静态伏安特性,（三）功率-温度特性（PTT）描述热敏电阻器的电阻体与外加功率之间的关系，与电阻器所处的环境温度、介质种类和状态等相关。,当热敏电阻器由温度T0增加到TU时，其电阻值RTr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,热敏电阻器的电阻值；t时间。当热敏电阻由温度Tu冷却T0时，其电阻值RTt与时间的关系为：,（四）热敏电阻器的动态特性 热敏电阻器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，叫做热敏电阻器的动态特性。动态特性种类：周围温度变化所引起的加热特性；周围温度变化所引起的冷却特性；热敏电阻器通电加热所引起的自热特性。,伏安特性的位置,在仪器仪表中的应用,U m 的左边,温度计、温度差计、温度补偿、微小温度检测、温度报警、温度继电器、湿度计、分子量测定、水分计、热计、红外探测器、热传导测定、比热测定,U m的附近,液位测定、液位检测,U m的右边,流速计、流量计、气体分析仪、真空计、热导分析,旁热型热敏电阻器,风速计、液面计、真空计,（一）检测和电路用的热敏电阻器,（U m峰值电压）,检测用的热敏电阻在仪表中的应用,四、热敏电阻器的应用,电路元件热敏电阻器在仪表中应用分类,在仪器仪表中的应用,U m 的左边,偏置线图的温度补偿、仪表温度补偿、热电偶温度补偿、晶体管温度补偿,U m的附近,恒压电路、延迟电路、保护电路,U m的右边,自动增益控制电路、RC振荡器、振幅稳定电路,测温用的热敏电阻器，其工作点的选取，由热敏电阻的伏安特性决定。,伏安特性的位置,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）测温用的热敏电阻器 1、各种热敏电阻传感器结构,2、测表面电阻用的热敏电阻器安装方法 图为测表面温度用的热敏电阻器的各种安装方式。,1,2,3,4,1,2,3,4,5,Ir/mA,U/V,UR=IT0R,UR=IT1R,UR=IT2R,UR=IT0R0,UR=IT1R1,UR=IT2R2,IT0,IT1,IT2,自热电桥测量温线路,3、热敏电阻测温电桥,自热电桥及其等效电路,RT,R5,R6,R3,(R1),En,+,+,U2,UT,R,IT,E,UR,Rr,(a),(b),(c),R1,En,A,R1,R2,R4,R3,U,+,4.3 IC温度传感器设计原理：利用半导体PN结的电流电压与温度有关的特性。优点：输出线性好、测量精度高,传感驱动电路、信号处理电路等都与温度传感部分集成在一起,因而封装后的组件体积非常小,使用方便,价格便宜,故在测温技术中越来越得到广泛应用。,一、IC温度传感器的分类 电压型IC温度传感器；电流型IC温度传感器，数字输出型IC温度传感器。电压型IC温度传感器是将温度传感器基准电压、缓冲放大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大器；故输出电压高、线性输出为10mV；另外,由于其具有输出阻抗低的特性；抗干扰能力强，故不适合长线传输。这类IC温度传感器特别适合于工业现场测量。电流型IC温度传感器是把线性集成电路和与之相容的薄膜工艺元件集成在一块芯片上,再通过激光修版微加工技术,制造出性能优良的测温传感器。这种传感器的输出电流正比于热力学温度，即1A/K；其次，因电流型输出恒流，所以传感器具有高输出阻抗。其值可达10M。这为远距离传输深井测温提供了一种新型器件。,二、IC温度传感器的测温原理 电流型IC温度传感器的测温原理，是基于晶体管的PN结随温度变化而产生漂移现象研制的。众所周知，晶体管PN结的这种温漂，会给电路的调整带来极大的麻烦。但是，利用PN结的温漂特性来测量温度，可研制成半导体温度传感元件。IC温度传感器就是依据半导体的温漂特性，经过精心设计而制造出来的集成化线性较好的温度传感器件。利用电流I与Tk的正比关系，通过电流的变化来测量温度的大小。,三、IC温度传感器的主要特性（一）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。,在-1080范围内，RC的值与输出特性的关系如下图。AN6701S有很好的线性，非线性误差不超过0.5%。若在25时借助RC将输出电压调整到5V，则RC的值约在330k间，相应的灵敏度为109110mV/。校准后，在-1080范围内，基本误差不超过1。这种集成传感器在静止空气中的时间常数为24s，在流动空气中为11s。电源电压在515V间变化，所引起的测温误差一般不超过2。整个集成电路的电流值一般为0.4mA，最大不超过0.8mA（RL=时）。,（二）电流型温度传感器 1伏安特性 工作电压：4V30V，I 为一恒流值输出，ITk，即 KT标定因子，AD590的标定因子为1A/,I=KT TK,2温度特性 其温度特性曲线函数是以Tk为变量的n阶多项式之和，省略非线性项后则有:Tc摄氏温度；I 的单位为A。可见，当温度为0时，输出电流为273.2A。在常温25时，标定输出电流为298.2A。,I=KTTc273.2,在实际应用中，T 通过硬件或软件进行补偿校正，使测温精度达0.1。其次，AD590恒流输出，具有较好的抗干扰抑制比和高输出阻抗。当电源电压由5V向10V变化时，其电流变化仅为0.2A/V。长时间漂移最大为0.1，反向基极漏电流小于10pA。,3AD590的非线性 55100，T递增，100150则是递降。T最大可达3，最小T0.3，按档级分等。,（三）数字输出型IC温度传感器 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。,、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。,2、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),3、DS1820的工作原理 图为DS1820的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。,(1)寄生电源 寄生电源由两个二极管和寄生电容组成。电源检测电路用于判定供电方式。寄生电源供电时,电源端接地，器件从总线上获取电源。在I/O线呈低电平时，改由寄生电容上的电压继续向器件供电。寄生电源两个优点：检测远程温度时无需本地电源；缺少正常电源时也能读ROM。若采用外部电源,则通过二极管向器件供电。,DS1820内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，DS1820对f0计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9位（符号点1位），但因符号位扩展成高8位，故以16位补码形式读出，表3.4-1给出了DS1820温度和数字量的对应关系。,温度测量电路,斜率累加器,计数器1,计数器2,低温度系数晶振,高温度系数晶振,=0,=0,预置,温度寄存器,预置,比较,停止,置位/清零,加1,(2)温度测量原理,DS1820测量温度时使用特有的温度测量技术，如图。,64位ROM的结构如下：开始8位是产品类型的编号（DS1820为10H），接着是每个器件的唯一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS1820可以采用一线进行通信的原因。主机操作ROM的命令有五种，如表所列,(3)64位激光ROM,(4)高速暂存器 由便笺式RAM和非易失性电擦写 EERAM组成，后者用于存储TH、TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给EERAM。便笺式RAM占9个字节，包括温度信息（第1、2字节）、TH和TL值（3、4字节）、计数寄存器（7、8字节）、CRC（第9字节）等，第5、6字节不用。暂存器的命令共6条，见表3.4-3所列。在正常测温情况下，DS1820的测温分辨力为0.5，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：首先用DS1820提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分Tz，然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25、0.75为进位界限的关系，实际温度Ts可用下式计算：Ts=（Tz-0.25）+(CD-Cs)/CD,DS1820存贮控制命令,DS1820单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。因此系统对DS1820的各种操作必须按协议进行。DS1820工作工程中的协议：初始化、ROM操作命令、存储器操作命令、处理数据。,温度检测系统原理 由于单线数字温度传感器DS1820具有在一条总线上可同时挂接多片的显著特点，可同时测量多点的温度，而且DS1820的连接线可以很长，抗干扰能力强，便于远距离测量，因而得到了广泛应用。,采用寄生电容供电的温度检测系统,89C51,DS1820,DS1820,DS1820,P1.0,P1.1,P1.2,Tx,Rx,+5V,GND,VDD,P1.1作输出口用，相当于TxP1.2作输入口用，相当于Rx,温度检测系统原理图如图所示，采用寄生电源供电方式。为保证在有效的DS1820时钟周期内，提供足够的电流，我们用一个MOSFET管和89C51的一个I/O口（P1.0）来完成对DS1820总线的上拉。当DS1820处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10s。采用寄生电源供电方式时VDD必须接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的，为了操作方便我们用89C51的P1.1口作发送口Tx，P1.2口作接收口Rx。通过试验我们发现此种方法可挂接DS1820数十片，距离可达到米，而用一个口时仅能挂接10片DS1820，距离仅为20米。同时，由于读写在操作上是分开的，故不存在信号竞争问题。,DS1820采用了一种单线总线系统，即可用一根线连接主从器件，DS1820作为从属器件，主控器件一般为微处理器。单线总线仅由一根线组成，与总线相连的器件应具有漏极开路或三态输出，以保证有足够负载能力驱动该总线。DS1820的I/O端是开漏输出的，单线总线要求加一只5k左右的上拉电阻。应特别注意：当总线上DS1820挂接得比较多时，就要减小上拉电阻的阻值，否则总线拉不成高电平，读出的数据全是0。在测试时，上拉电阻可以换成一个电位器，通过调整电位器可以使读出的数据正确，当总线上有8片DS1820时，电位器调到阻值为1.25k时就能读出正确数据，在实际应用时可根据具体的传感器数量来选择合适的上拉电阻。,四、IC温度传感器的应用 AD590应用串联、并联使用;串联测最低温度；并联测平均温度,冷端补偿;可代替冰池，环境温度15 35;温度控制;温度检测（一）深井长传输线的摄氏温度测量 在实际中，可使用AD590进行深井长线传输侧温，并能对测温曲线的非线性误差进行校正。用AD590为测温传感器，传输电