传感器原理及应用温度传感器课件.pptx

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1、教学目的与要求：要求学生了解集成温度传感器的原理及 应用;掌握热电偶、热敏电阻、铂电阻等 常用测温传感器的原理、特性及应用。教学重点：热电偶、热敏电阻、铂电阻的工作电路及应用教学难点：热电偶的冷端温度补偿、热电阻的三线制接法,第三章 温度传感器,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。,第一节 概 论,温度是与人类生活息息相关的物理量。在2000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度。人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。工业生产自动化流程，温

2、度测量点要占全部测量点的一半左右。,温度是反映物体冷热状态的物理参数。,因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。,我国目前实行的是1990年国际温标(ITS90） （P104） 定义国际开尔文温度（T90） 国际摄氏温度（t90）； T90 ：单位（K）开尔文 t90 ：单位（C）摄氏 两者关系为：,热力学温度是国际上公认的最基本温度,热力学温标国际实用温标摄氏温标华氏温标,一、温度的基本概念,t=T-273.15 ,T=t+273.15 K,规定各温度段所使用的标准仪器,几种温标的对比,二、温度传感器的特点与分类,随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化； 蒸气压的温度变化； 电极的温度

3、变化 热电偶产生的电动势； 光电效应 热电效应 介电常数、导磁率的温度变化； 物质的变色、融解； 强性振动温度变化； 热放射； 热噪声。,1、温度传感器的物理原理,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。,2、温度传感器的分类,温度传感器的种类很多，分类方法有多种。,按价格和性能可分为： 热膨胀温度传感器，有液体、气体的玻璃式温度计、体温 计，结构简单，应用广泛； 家电、汽车上使用的传感器，价格便宜、用量大、成本低、 性能差别不大； 工业上使用的温度传感器，性能价格差别比较大，因为传 感器的精度

4、直接关系到产品质量和控制过程，通常价格比 较昂贵。,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； 热电阻：利用导体随温度变化，测温不高； 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。,按测温方法不同：,接触式温度传感器：（热平衡） 传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度降低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体

5、的热容量要足够大。,非接触式温度传感器（热辐射） 利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。,（P106P107 表3-2、3-3）,接触式与非接触式测温方法及其特点,（续）,介绍几种温度测量方法,示温涂料（变色涂料）,装满热水后图案变得清晰可辨,变色涂料在电脑内部温度中的示温作用,CPU散热风扇,低温时显示蓝色,温度升高后变为红色,体积热膨胀式,不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。,气体的体积与热力学温度成正比,红外温度计,温差热电偶（简称热电偶）

6、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点的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。,第二节 热电偶温度传感器,1、热电效应,将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。,一、热电偶的工作原理,热电偶工作原理演示,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,接触电

7、动势（不同导体）（主要）热电势 温差电动势（同一导体）,接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。,接触电动势,温差电动势,回路总电势：,T0,T,eAB(T),eAB(T0),eA(T,T0),eB(T,T0),A,B,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。,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。,热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温

8、度有关；与热电偶的长度、粗细无关。,若电极材料确定，冷端温度保持恒定，此时,EAB(T,T0)= f(T),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。,二、热电偶回路的性质,1. 均质导体定律,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。,在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,3. 中间温度定律,如果不同的两

9、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）,A,B,T1,T2,T2,A,B,T0,T0,热电偶补偿导线接线图,E,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),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

10、导线时，当EAA(T2)=EBB(T2)，则回路总电动势为,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。,三、热电偶的种类与结构,热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好，这是其它温度传感器无法替代的,常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。标准热电偶：是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允 许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有 与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶：在使用范围或数量级上均不及标准化热电 偶，一般也没有统一的分度

11、表，主要用于某 些特殊场合的测量。,我国从1988年1月1日起，标准化热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T等标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。,1、种类,8种标准化热电偶型号分度号 热电偶 分度表温区 S 铂铑10铂 -501768 R 铂铑13铂 501768 B 铂铑30铂铑6 01820 K 镍铬镍硅 -2701372 N 镍铬硅镍硅 -2701300 E 镍铬 铜镍合金（康铜） -2701000 J 铁铜镍合金（康铜） -2101200 T 铜铜镍合金（康铜） -270400,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

12、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,2、结构,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。,铠装式热电偶（又称套管式热电偶）,优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。,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。,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;

13、(b)不碰底型; (c)露头型; (d)帽型,普通装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,普通装配型热电偶的结构放大图,接线盒,引出线套管,固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）,热电偶工作端（热端）,不锈钢保护管,铠装型热电偶外形,法兰,铠装型热电偶可 长达上百米,薄壁金属 保护套管（铠体）,铠装型热电偶横截面,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),4,1,2,3,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,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。测温范围

14、在300以下；反应时间仅为几ms。,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。,1,4,2,3,5,6,7,8,9,11,10,快速消耗微型 1钢帽； 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,冷端温度补偿方法 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,四、冷端处理及补偿,

15、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。,把热电偶的参考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。,mV,A,B,A,B,T,C,C,仪表,铜导线,试管,补偿导线,热电偶,冰点槽,冰水溶液,T0,1. 冰点槽法,用普通室温计算出参考端实际温度TH，利用公式计算例：用铜-康铜热电偶测某一温度T，参考端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，

16、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。,EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0),2. 计算修正法,把参考端实际温度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为参考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

17、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,3. 补正系数法,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

18、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。,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）。,用螺丝刀调节仪表面板上的“机械零点”，使指针指到气温t0（图中为40 C）的刻度上。,机械零点,指针被预调到室温（40 C ） 可补偿冷端损失,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。 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。,注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。,mV,EAB(T,T0),T

19、0,T0,T,A,B,+,+,-,a,b,U,Uab,RCu,R1,R2,R3,R,供电4V直流，在040或-2020的范围起补偿作用。注意：不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻 R 不一样，互换时必须重新调整。,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，

20、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。,第三节 热敏电阻温度传感器,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,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（PTC） 电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏电阻。 2负温度系数热敏电阻（N

21、TC） 电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器，简称NTC热敏电阻。 3突变型负温度系数热敏电阻（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。,一、热敏电阻的分类,二、热敏电阻温度特性（RTT）,1,2,3,4,铂丝,40,60,120,160,0,100,101,102,103,104,105,106,RT/,温度T/C,热敏电阻的电阻-温度特性曲线1-NTC；2-CTR； 3-4 PTC,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。,负电阻温度系数(NTC)热敏电阻器的

22、温度特性,NTC的电阻温度关系的一般数学表达式为：,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 。 热敏电阻最大的缺点是，产品一致性差，互换性不好，因此一般不在石油、钢铁、制造业上使用。热敏电阻不宜用于较宽的温度范围，但对于特定的温度点的检测却十分灵敏。因此热敏电阻可在仪表中用做检测元件、在电路中做保护元件等。,点温计,产品,RT,R5,R6,R3,(R1),En,+,+,U2,UT,R,IT,E,UR,Rr,(a),(b),(c),R1,En,A,R1,R2,R4,R3,U,+,热敏电阻测温电桥 电阻分压电路,应用,

23、还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等,温控器,应用,图中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，当温度T升高时，正温度系数热敏电阻Rt 阻值上升，反相端Ua升高，当Ua升高至与同相端Ub相等时，比较器A输出电压Uo翻转为低电平，可输出控制开关继电器。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,设计原理： 利用半导体PN结的电流、电压与温度有关的特性。一般测量温度范围在150以下。 特点： 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

24、,使用方便,价格便宜,故在测温技术中得到越来越广泛应用。,第四节 集成温度传感器,一、集成温度传感器的分类,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。,电流型IC温度传感器： 这种传感器的输出电流正比于热力学温度；因电流型输出恒流，所以传感器具有高输出阻抗。这为远距离传输测温提供了一种新型器件。,电压型IC温度传感器： 因器件有放大器，故具有输出电压高、输出阻抗低的特性；不适合长线传输。这类IC温度传感器适合于工业现场测量。,数字输出型IC温度传感器： 抗干扰能力强，应用于节点分布多的测温场合。,基于晶体管的PN结随温度变化而产生漂移现象研制的。 发射极电流密度在恒

25、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。,二、IC温度传感器的测温原理,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。,集成温度传感器测温原理,右图为绝对温度比例电路 V1、V2是两只互相匹配的 温敏晶体管， I1、I2是集电极电流，由 恒流源提供， 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,1）电压输出型 输出电压正比于绝对温度，V1、V2的发射结压降之差全部落在电阻R1上，流过R1上电流为：,电压输出型电路,电路输出为：,可见输出电压U0与绝对温度T成正比关系,2）电流输出型 V1、V2是结构对称的晶

26、体管作为恒流源负载， 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,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,三、IC温度传感器的应用,电流输出型典型集成温度传感器有AD590器件 （美国AD公司生产） 电源电压430V， 测温范围-55+150。,2温度特性 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,AD590在温度

27、25（298.2K）时，理想输出为298.2A， 实际存在误差，可通过电位器调整，使输出电压满足1mV/K 的关系。,深井长传输线的摄氏温度测量 (P134) 在实际中，可使用AD590进行深井长线传输测温。,用AD590为测温传感器，传输电缆可达1000m以上，AD590本身具有恒流、高阻抗输出特性，输出阻抗达10M。1000m的铜质电缆，其直流阻值约为150。 实验证明接入1000m电缆后的测量值与不接入电缆的测量值，相差值小于0.1。这一变化值是在规定的测温精度范围内的。,金属热电阻一般用于-200+500温度测量； 材料多为纯铂金属丝，也有铜、镍，绕制在云母板、玻璃或陶瓷线圈架上，构成

28、热电阻。 铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为：,铂电阻温度传感器,在0850范围内，铂电阻的电阻值与温度的关系为,第五节 其他温度传感器,Rt=R0（1+At+Bt2）,在2000范围内为：,Rt=R01+At+Bt2+C(t-100) t3,式中 R0、Rt温度为0及t时的铂电阻的电阻值； A、B、C常数值，其中： A=3.9684710-3-1或3.9485110-3-1 B=5.84710-7-2或5.85110-7-2 C=4.2210-12-4或4.0410-12-4,铂电阻的纯度以R100/R0表示，R100表示在标准大气压下水沸点时的铂的电阻值。 国际温标规定，作为基准器的铂电阻，其R100/R0不得小于1.3925。 我国工业用铂电阻分度号为Pt100、Pt10（分度表），其R100/R0=1.391。 用途：钢铁,地质,石油,化工等生产工艺流程,各种食品加工,空调设备及冷冻库,恒温槽等的温度检测与控制中。,铂电阻温度传感器的主要技术参数,热电阻的电桥测量线路,热电阻温度计的测量电路最常用的是电桥电路。为消除引线引起的测量误差，一般采用三线连接法。,三线法,热电阻,P143 ： 3-3、3-10,本章要点：,1、热电偶2、铂电阻3、热敏电阻,原理、特性、应用,作业：,