第八章-热电式传感器ppt课件.ppt

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1、热电式传感器是利用其敏感元件的特征参数随温度变化的特性，对温度及与温度有关的参量进行测量的装置。温度量转换为电阻和电势是目前工业生产和控制中应用最为普遍的方法 将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。半导体集成温度传感器及利用热释电效应制成的感温元件在测温领域中也得到越来越多的重视。,第八章 热电式传感器,1热电效应将两种不同成分的导体组成一个闭合回路，当闭合回路的两个接点分别置于不同温度场中时，回路中将产生一个电动势。从而形成电流，这一现象通常称为热电效应。相应的电势通常称为热电势。,该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关，这种现

2、象被称为“热电效应”，两种导体组成的回路被称为“热电偶”，这两种导体被称为“热电极”，产生的电动势则被称为“热电动势”。热电偶的两个工作端分别被称为热端和冷端。,第一节 热电偶传感器一、热电偶式温度传感器工作原理,热电效应现象动态演示,热电偶热电动势 热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。,EAB（T，T0）=eAB（T）-eAB（T0）,热电偶是工业上最常用的温度检测器件之一。优点：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。构造简单，

3、使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属组成，而且不受大小的限制，外有保护套管，使用非常方便；适用于远距离测量和自动控制,接触电动势当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同，电子在两个方向上扩散的速率就不一样，A与B两导体的接触处就产生了电位差，称为接触电动势。接触电动势的大小与接点处温度高低和导体的电子密度有关。温度越高，接触电动势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电动势越大。,温差电动势对于导体A或B，若将其两端分别置于不同的温度场中，则在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，因此向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。导体两端便产

4、生了电位差，将该电位差称为温差电动势。温差电动势的大小与导体的电子密度及两端温度有关。,热电偶回路的总电势将导体A和B头尾相接组成回路。如果导体A的电子密度大于导体B的电子密度，且两接点的温度不相等，则在热电偶回路中存在着4个电动势，即2个接触电动势和2个温差电动势。热电偶回路的总电势为一般地，在热电偶回路中接触电动势远远大于温差电动势，所以温差电动势可以忽略不计，故有,结论：热电偶回路中热电势的大小，只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关。当热电偶两电极材料固定后，热电动势便是两接点温度为t和t0时的函数差。即如果使冷端温度t0保持不变，则热电动势便成为热端温度

5、t的单一函数。即因为冷端温度t0恒定，热电偶产生的热电动势只与热端的温度有关。即一定的温度对应一定的热电势，若测得热电势，便可知热端的温度t了。,热电偶的材料、结构及种类,热电偶材料：我国大量生产和使用的定型热电偶材料，共有6个品牌。它们分别是：铂铑30-铂铑6，铂铑10-铂，镍铬-镍硅，镍铬-镍铜，铁-铜镍，铜-铜镍。热电偶结构：1普通工业热电偶的结构热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成。2铠装热电偶它是由金属套管、绝缘材料和热电极经焊接密封和装配等工艺制成的坚实的组合体。热电偶种类：标准型热电偶；非标准型热电偶；薄膜热电偶。,2.热电偶分度表将温度与热电势的对应关

6、系关系列成表格，称为分度表实用中，测量出热电势后如何确定温度值？通常不是利用公式计算，而是用查热电偶分度表来确定。热电偶分度表是将冷端温度保持为0，通过实验建立起来的热电势与温度之间的数值对应关系。热电偶测温完全是建立在利用实验热特性和一些热电定律的基础上。适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应热电偶通常以热电极材料来命名，例如铂铑铂、镍铬镍硅等。热电极材料的要求：1）热电特性稳定，不随时间变化。2）热电势要大，热电特性应为线性或近似线性关系。3）电阻温度系数小，导电率高。4）制造方便，易于复制，有良好的互换性。适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应用的有4050种。,常用热电偶可

7、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表，主要用于某些特殊场合的测量。,热电偶的基本定律,1中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体和原导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。,导体定律：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势。,图 导体热电回路,2中间温度定律当热电偶两个接点的温度分别为T和T0时，所产生的热电势等于该

8、热电偶两接点温度为T、Tn和Tn、T0时所产生的热电势之代数和，即中间温度定律是制定热电偶分度表的理论基础。热电偶分度表都是以冷端温度为0时做出的。一般工程测量中冷端都不为零（任一恒定值），因此，只要测出热端、冷端的热电势，便可利用利用热电偶分度表求出工作端的被测温度值。,例如：用镍铬镍硅热电偶测量炉温时，当冷端温度T0=30时，测得热电势E(T,T0)=39.17mv，求实际炉温。由T0=30查分度表；得E（30，0）=1.2mv，根据中间温度定律得:E（T，0）=E（T，30）+E（30，0）=39.17+1.2=40.37(mv)则查表得炉温T=946。,3参考电极定律如果热电偶回路中的

9、两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电势均为零。根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同，也可以检查热电极材料的均匀性。,已知两个导体A、B分别与另一导体C组成的热电偶的热电势已知，则在相同接点温度(T,T0)下，由A、B电极组成的热电偶的热电势EAB(T,T0)为:C称为标准电极例如，铂铑30铂热电偶的EAC（1084.5,0）=13,976mv,铂铑6铂热电偶的EBC（1084.5,0）=8.354mv。根据标准电极定律：铂铑30铂铑6热电偶EAB(1084.5,0）=13,976-8.354=5.613mv。,热电偶的特点,优点：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不

10、受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属组成，而且不受大小的限制，外有保护套管，使用非常方便；适用于远距离测量和自动控制；,热电偶的补偿,1补偿导线法补偿导线实际上是一对材料的化学成分不同的导线，在0150温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所（如仪表室），其实质是相当于将热电极延长。2冷浴法将热电偶的冷端置于温度为0的恒温器内（如冰水混合物），使冷端温度处于0。这

11、种装置通常用于实验室或精密的温度测量。,热电偶式温度传感器,热电偶冷端的延长,图 利用补偿导线延长热电偶的冷端接线图 1测量端 2热电极 3接线盒1(中间温度）4补偿导线 5接线盒2(新的冷端）6铜引线(中间导线)7毫伏表,热电偶式温度传感器,热电偶的冷端补偿法.冷端恒温法将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0不变。,3计算修正法在实际应用中，冷端温度并非一定为0，所以测出的热电动势还是不能正确反映热端的实际温度。为此，必须对温度进行修正。修正公式为4补偿电桥法补偿电桥法利用不平衡电桥产生的不平衡电势来补偿因冷端温度变化引起的热电势变化值，可以自动地将冷端温度校正到

12、补偿电桥的平衡点温度上。5显示仪表零位调整法当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端温度已知且恒定，则可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值。,热电偶式温度传感器,图 冰浴法接线图1被测液体管道 2热电偶 3接线盒 4补偿导线 5铜制质导线 6毫伏表 7冰瓶 8冰水混合物 9试管 10一新的冷端,热电偶式温度传感器,（2）将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度略高于环境温度的上限（例如40）。（3）将热电偶的冷端置于恒温空调房间中，使冷端温度恒定。,热电偶式温度传感器,2.仪表调零修正法 当热电偶与动圈

13、式仪表配套使用时，若热电偶的自由端温度T0基本恒定，对测量精度要求又不高时，可将仪表的机械零点调至热电偶自由端温度T0。的位置上，这相当于在输入热电偶的热电动势EAB（T，T0）前先给仪表输入一个热电动势EAB（T0，0）。这样，仪表在使用时所指示的值即为EAB（T，T0）+EAB（T0，0）。进行仪表机械零点调整时，首先应将仪表的电源和输人信号切断，然后用螺丝刀调节仪表面板上的螺丝使指针指向T0的刻度上。,热电偶式温度传感器,3.电桥补偿法,图4.27 热电偶冷端电桥补偿法,热电偶式温度传感器,4.电位补偿法,图 热电偶的电位补偿法,热电偶式温度传感器,5.计算修正法,EAB(T，T0)是用

14、毫伏表直接测得的热电动势毫伏数。,EAB(T，0)是从该热电偶分度表中查出来的。,热电偶测温线路,1测量某一点的温度 2测量两点之间的温度差工作时，两支热电偶产生的热电动势方向相反，故输入仪表的是其差值，这一差值正反映了两支热电偶热端的温差。,3热电偶并联线路将n支同型号热电偶的正极和负极分别连接在一起的线路称并联测量线路。并联测量线路的总热电动势等于n支热电偶热电动势的平均值，即4热电偶串联线路将n支同型号热电偶依次按正负极相连接的线路称串联测量线路，串联测量线路的总热电动势等于n支热电偶热电动势之和，即,热电偶式温度传感器,热电偶的选择、安装使用和校验1热电偶的使用,图4.29 热电偶安装

15、简图,热电偶式温度传感器,2热电偶的定期校验,图 热电偶的校验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,热电偶式温度传感器,热电偶的应用1金属表面温度的测量,(a)将热电偶粘贴在被测元件表面（b）测量端从斜孔内插入（c）测量端从原有的孔内插入 图 适合不同壁面的热电偶使用方式 1功率元件 2散热片 3薄膜热电偶 4绝热保温层 5车刀 6激光加工的斜孔 7露头式铠装热电偶测量端 8薄膜金属保护套管 9冷端 10工件,热电偶式温度传感器,燃气热水器防熄火、防缺氧装置,图 燃气热水器防熄火、防缺氧示意图1燃气进气管 2引火管 3高压放电针 4主燃烧

16、器 5电磁阀线圈 A1、B1热电偶1 A2、B2一热电偶2,小 结,1、热电偶基于热电效应原理工作，中间温度定律和中间导体定律是使用热电偶测量的理论依据，用来计算回路的电势和分析实际的应用。2、热电偶结构简单，可用于测量小空间的温度，动态响应快，输出的电动势便于传送。常用于测量-2701800范围的温度。3、热电偶有四种冷端温度补偿，特别是补偿导线的使用，应该予以综合应用。,第二节 热电阻传感器 导体（或半导体）的电阻值随温度变化而改变，通过测量其电阻值推算出被测物体的温度，这就是电阻温度传感器的工作原理。电阻温度传感器主要用于测量-200500范围内的温度。纯金属是热电阻的主要制造材料，热电

17、阻的材料应具有以下特性：（1）电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系；（2）电阻率高，热容量小，反应速度快；（3）材料的复现性和工艺性好，价格低；（4）在测温范围内化学物理性能稳定。,一、金属热电阻,1.铂电阻 铂电阻与温度之间的关系接近于线性，在0630.74范围内可用下式表示 在-1900范围内为 由以上两式看出，当R0值不同时，在同样温度下其Rt值也不同。目前国内统一设计的一般工业用标准铂电阻R0值有100W和500W两种，并将电阻值Rt与温度t的相应关系统一列成表格，称其为铂电阻的分度表，分度号分别用pt100和pt500表示，但应注意与我国过去用的老产品的分度

18、号相区分。,在0850的温度范围内，电阻-温度特性方程,Rt=R0(1+At+Bt2),A=3.9684710-3/B=-5.84710-7/2 C=-4.2210-12/4,这些常数规定为：,可见：热电阻在温度t时的电阻值与0时的电阻值R0有关。目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和R0=100两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其中以Pt100为常用。,2.铜电阻 在测量精度要求不高，且测温范围比较小的情况下，可采用铜做热电阻材料代替铂电阻。在-50150的温度范围内，铜电阻与温度呈线性关系，其电阻与温度的函数表达式为 铜电阻只能用在低温及无浸蚀性的介质中.R0值在50和100

19、条件下，制成相应分度表作为标准.,2.铜热电阻的电阻温度特性 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-50150。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 Rt=R0（1+t）式中，=4.2810-3/两种分度号：Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。,其他热电阻：（1）铟电阻。它是一种高精度低温热电阻。可用于不能使用铂的低温范围。其缺点是材料很软，复制性很差。（2）锰电阻。锰电阻的特点是在263K的低温范围内，电阻值随温度变化很大，灵敏度高；在216K的温度范围内，电阻率随温度平方变化。磁场对锰电阻的影响不大，

20、且有规律。锰电阻的缺点是脆性很大，难以控制成丝。,热电阻的结构,图 铜热电阻结构示意图 1铜引出线 2补偿绕组 3铜热电阻线 4线圈骨架,图 铂热电阻结构示意图 1铜铆钉 2铂热电阻线 3云母支架 4银导线,热电阻的测量电路 用热电阻传感器进行测温时，经常采用电桥电路作为测量电路。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。热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。,内部引线方式,当温度处于测量下限时，Rt=Rtmin，合理设计桥路电阻阻值，使满足R3(Rtmin+2R1)=R2R4，此时电桥平衡，U=0，即：,当温度上升时，使Rt=Rtmin+R1，桥路失去平

21、衡，有,则输出U0。,图 热电阻测量温度原理,热电阻传感器的应用真空度测量,图 热电阻测量真空度,把铂电阻丝装入玻璃管内，对铂电阻用较大的恒定电流I加热，当环境温度与玻璃管内介质导热而散失的热量相平衡时，铂丝就有一定的平衡温度，则对应有一定的电阻值Rt。当被测介质的真空度升高时，玻璃管内的气体变得稀少，气体分子间碰撞进行热传递的能量降低，即导热系数减小，铂丝的平衡温度和电阻值随即增大。因此，电阻值的大小反映了被测介质真空度的高低。,第三节 热敏电阻 热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度变化这一特性制成的一种热敏元件。其主要特点是：（1）灵敏度高。一般金属当温度变化 l时，其阻值变化0.4左右，而

22、半导体热敏电阻变化可达36；（2）体积小。珠形热敏电阻的探头的最小尺寸达0.2mm，能测热电偶和其它温度计无法测量的空隙、腔体、内孔等处的温度，如人体血管内的温度等；（3）使用方便。热敏电阻阻值范围在102105W之间可任意挑选，热惯性小，而且不像热电偶需要冷端补偿，不必考虑线路引线电阻和接线方式，容易实现远距离测量，功耗小。热敏电阻一般可分为负温度系数（NTC）热敏电阻器，正温度系数（PTC）热敏电阻器和临界温度电阻器（CTR）三类。,热敏电阻的 导电机理 热敏电阻的导电性能主要是由内部的载流子（电子和空穴）密度和迁移率所决定的，当温度升高时外层电子在热激发下，大量成为载流子，使载流子的密度

23、大大增加，活动能力加强，从而导致其阻值的急剧下降。热敏电阻基本可以分为两种类型。负温度系数热敏电阻（NTC）正温度系数热敏电阻（PTC）,1.热敏电阻的特点电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10100倍。结构简单，体积小，可以测量点温度。电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。阻值与温度变化呈非线性关系。稳定性和互换性较差。,2.热敏电阻的基本类型 热敏电阻可分为3种类型，正温度系数（PTC）热敏电阻和负温度系数（NTC）以及在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR），各种热敏电阻的电阻温度关系曲线如图4.8所示。,图 热敏电阻的电阻温度特性曲线1NTC 2临界NTC 3开关

24、型 4PTC,3.热敏电阻的结构与材料 热敏电阻主要由热敏探头、引线、壳体构成。,图 常见热敏电阻的结构形式,4.热敏电阻温度传感器的应用 微处理机控制的自动电饭煲,图4.12 自动电饭煲控制电路框图,PN结温度传感器 PN结温度传感器是以半导体PN结的温度特性为基础进行工作的，具有较好的长期稳定性。当PN结的正向电流保持不变时，PN结的正向压降随温度的升高而近似线性减小，大约以2mV/的斜率随温度变化，因此利用这一特性可以对温度进行测量。,图 二极管温度传感器的特性,图 硅二极管温度检测的电路原理,图 多个二极管串联的温度传感器,第三节 集成温度传感器及应用,集成（IC）温度传感器是20世纪

25、80年代在测温领域里突起的种新型温度敏感器件，其设计原理是利用半导体PN结的电流电压与温度有关的特性。集成温度传感器的测温范围一般为-50150，适合于远距离测温、控制，,一、集成温度传感器的测温原理 1.PN结的温度特性,图4.33 二极管正向电压与温度之间的关系,2.集成温度传感器内部的测温简化电路分析,图 集成温度传感器的测温简化电路,集成温度传感器的类型 集成温度传感器可分为模拟型集成温度传感器和数字型集成温度传感器。模拟型集成温度传感器的输出信号形式有电压型和电流型两种。数字型集成温度传感器又可以分为开关输出型、并行输出型、串行输出型等形式。,1模拟型集成温度传感器(1)电流输出型温

26、度传感器1）AD590的基本转换电路 2）摄氏温度测量电路,图4.35 AD590封装,图 AD590基本应用电路（a）电压/电流转换电路（b）摄氏温度转换电路,（2）LM35/45电压输出型集成温度传感器,图 LM45贴片封装外形及内部电路框图,（a）（b）图 LM35/45构成的摄氏温度计电路,（3）集成温度传感器在笔记本电脑CPU散热保护电路中的应用,图集成温度传感器用于CPU温度的检测 1PC印制电路板 2帖片式集成温度传感器 3CPU 4散热片 5散热风扇,M,图 PC机散热风扇控制电路,4.5 集成温度传感器及应用,图4.42 PWM控制风扇转速示意图,4.5 集成温度传感器及应用

27、,2数字型集成温度传感器（1）LM74简介,图4.43 LM74外形及内部电路（a）外形封装（b）内部组成框图,（a）,(b),4.5 集成温度传感器及应用,(2)LM74在温度巡回检测中的应用,图4.44 利用片选信号实现温度信号的巡回检测,第四节 热释电型温度传感器 压电晶体类中的极性晶体本身具有自发极化特性，其自发极化强度Ps是温度的函数。当环境温度变化时，单畴晶体通过晶格吸收红外线而使温度升高，在其居里温度以下，自发极化强度随温度升高而下降，这种变化导致在垂直于自发极化强度方向的晶体外表面上极化电荷的变化，即晶体两端出现随温度变化的开路电压，这种现象称为热释电效应.,在热释电体相对的两

28、个面上制作电极，并在电极间用线连接，则可取出电流或电压。通过检测由此而产生的热释电电流或电压而测量温度的传感器称为热释电型温度传感器。热释电型传感器多用于红外（热辐射）探测，应注意它是一种交流或瞬时响应的器件，若热释电体的温度处于恒定状态，则检测不到输出，即热释电型传感器对稳定或不变的辐射不作响应。,第五节 半导体集成温度传感器 半导体集成温度传感器是利用半导体PN结的正向压降随温度升高而近乎线性下降的特性制成的。其温度灵敏度高、线性度好。但测温范围仅为-80+150。利用集成电路工艺已制成的半导体集成温度传感器有：1脉冲信号型，如SWC，其灵敏度为10个脉冲/；2电压型，如ICL8073，其灵敏度为1mV/；3电流型，如AD590，其灵敏度为1mA/。当保持PN结电流或晶体管的基极射极电流不变时，采用二极管或晶体管也能得到比较理想的测温效果。,