热电式传感器.ppt

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1、第7章 热电式传感器,7.1 热电偶,1,7.2 热电阻传感器,7.3 热敏电阻,3,7.4 集成温度传感器,4,2,5,7.5 热电式传感器的应用,概述,热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。它利用传感元件的电磁参数随温度变化的特征来达到测量的目的。通常将被测温度转换为敏感元件的电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可由电压、电流这些电参数的变化来表达所测温度的变化。将温度转换为电势大小的热电式传感器叫热电偶；将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。,7.1 热电偶,热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳定性及复现性，温

2、度测量范围宽，在温度测量中占有重要的地位。,7.1 热电偶,7.1.1 热电效应两种不同的金属A和B构成如图7-1所示的闭合回路，如果将它们的两个接点中的一个进行加热，使其温度为T，而另一点置于室温T0中，则在回路中会产生热电势，用 来表示，这一现象称为热电效应。,图7-1 热电效应原理图,7.1 热电偶,通常把两种不同金属的这种组合叫做热电偶，A、B叫做热电极，温度高的接点叫做热端或工作端，而温度低的接点叫做冷端或自由端。由理论分析知道，热电效应产生的热电式是由接触电势和温差电势两部分组成。1.接触电势接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。如图7-2所示。,7.

3、1 热电偶,图7-2 接触电动势,两种不同金属A和B接触时，在接触处便发生电子的扩散。若金属A的自由电子浓度大于金属B的自由电子浓度，则在同一瞬间由金属A扩散到金属B中去的电子将比由金属B扩散到A中去的电子多，因而金属A因失去电子而带正电，金属B因得到电子而带负电。由于正、负电荷的存在，在接触处便产生电场。,7.1 热电偶,该电场将阻碍扩散作用的进一步发生，同时引起反方向的电子转移。扩散和反扩散形成矛盾运动。上述过程的发展，直到扩散作用和阻碍其扩散的作用的效果相同时，也即由金属A扩散到金属B的自由电子与金属B扩散到金属A的自由电子（形成漂移电流）相等时，该过程便处于动态平衡。在这种动态平衡状态

4、下，A和B两金属之间便产生一定的接触电势，该接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。两接点的接触电势eAB（T）可表示为：,7.1 热电偶,式中：k-玻耳兹曼常数（k=1.38 J/K）；T-接触面的绝对温度；e-单位电荷量（e=1.6 C）；NA-金属电极A的自由电子密度；NB-金属电极B的自由电子密度。,7.1 热电偶,2温差电势温差电势（又称汤姆森电势）是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子

5、而带负电，因此，在导体两端便形成温差电势，其大小由下面公式给出：,7.1 热电偶,式中-汤姆逊系数，它表示温度为1时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。综上所述，在由两种不同金属组成的闭合回路中，当两端点的温度不同时，回路中产生的热电势等于上述电位差的代数和，如图7-3所示：,图7-3 热电偶回路的总热电势,7.1 热电偶,7.1 热电偶,式中：、分别为温度T和 下的接触电势;、和 为A和B的温差电势。当热电极A和B为同一种材料时NA=NB，A=B，则。若热电偶两端处于同一温度下，即T=T0，则。所以热电势存在必须具备两个条件：一是两种不同的金属材料组成热电偶；二是它的两端存在温差。,7.1

6、 热电偶,在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，热电偶的热电势可表示为：对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定时，为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即:,7.1 热电偶,因此就可以用测量到的热电势 来得到对应的温度值T，热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关，与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。实际应用中，热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系，书中表7-1到表7-4是几种常见热电偶的分度表。,7.1 热电偶,7.1.2 热电偶基本定律1中间导体

7、定律利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间导体定律说明，在热电偶测温回路内，接入第三种导体，只要其两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。接入第三种导体回路如下图7-4所示。,7.1 热电偶,图7-4 热电偶中加入第三种材料,由于温差电势可忽略不计，则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和，即:,7.1 热电偶,当T=T0时，有：（7-7）将式（7-7）代入式（7-6）得：（7-8）,同理，加入第四、第五种导体后，只要加入的导体两端温度相等，同样不影响回路中的总热电势。但是，如果接入第三种材料的两端温度不等，热电偶回路的总热电势

8、将会发生变化。其变化大小，取决于材料的性质和接点的温度。,7.1 热电偶,2.参考电极定律 如图7-5所示，当结点温度为 T，T0时，用导体A，B组成的 热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和，即：,图7-5 参考电极定律原理图,7.1 热电偶,参考电极的实用价值在于：它可大大简化热电偶的选配工作。实际测温中，只要获得有关热电极与参考电极配对时的热电势值，那么任何两种热电极配对时的热电势均可按公式而无需再逐个去测定。用作参考电极（标准电极）的材料，目前主要为纯铂丝材，因为铂的熔点高，易提纯，且在高温与常温时的物理、化学性能都比较稳定。,7.1 热电偶,3.中间温度定律在热

9、电偶回路中，两接点温度为T，T0时的热电势，等于该热电偶在接点T、Ta和Ta、T0时的热电势之和，如图7-6所示:由上图可得：,图7-6中间温度定律示意图,7.1 热电偶,根据这一定律，只要给出自由端0时的热电势和温度关系，就可求出冷端为任意温度T0的热电偶电动势。它是制定热电偶分度表的理论基础。在实际热电偶测温回路中，利用热电偶这一性质，可对参考端温度不为0的热电势进行修正。,7.1 热电偶,7.1.3热电偶的结构形式为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。1普通型热电偶 图7-7 普通型热电偶结构,7.1 热电偶,图7-8 铠装热电

10、偶,普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。2铠装热电偶 铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、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7-8所示。,7.1 热电偶,3.薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种 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 板上面制成的一种特 图7-9 薄膜热电偶 殊热电偶，如图7-9 所示。,7.1 热电偶,7.1.4 热电偶温度补偿方法热电偶的热电势的大小与热端温度有关，与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，才可通过测量热电势的大小得到热端温度。热电偶电路中最大的问题是冷端的问题，即如何选择测温的参

11、考点。常采用的冷端方式有三种：1冰水保温瓶方式（冰点器方式）:将热电偶的冷端置于冰水保温瓶中，获得热电偶冷端的参考温度。2恒温槽方式:即将冷端置于恒温槽中，如恒定温度为T0，则冷端的误差为：,7.1 热电偶,冷端自动补偿方式（补偿电桥法）补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号，来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为0或变化而引起热电势的变化值。图7-10 冷端补偿器原理图,7.1 热电偶,如图7-10所示，不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻R1、R2、R3电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻RCu和稳压电源组成。补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温度，但由于RC

12、u的阻值随环境温度变化而变化，如果适当选择桥臂电阻和桥路电流，就可以使电桥产生的不平衡电压UAB补偿由于参考端温度变化引起的热电势EAB（T，T0）变化量，从而达到自动补偿的目的。,7.1 热电偶,7.1.5 热电偶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，图7-11为典型的热电偶测温线路。如用一台显示仪表显示多点温度时，可按图7-12连接，这样可节约显示仪表和补偿导线。,图7-11 热电偶测温典型电路,7.1 热电偶,图7-12 多点测温电路,7.1 热电偶,特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度

13、号的热电偶，且参考端应在同一温度下。如热电偶正向串联，可获得较大的热电势输出和提高灵敏度。在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联。利用热电偶并联可以测量平均温度。热电偶串、并联线路如图7-13所示,（a）热电偶串联线路（b）热电偶反向串联线路（c）热电偶并联线路 图7-13 热电势串并联线路,7.2 热电阻传感器,热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻传感器的测量精度高；有较大的测量范围，它可测量200500的温度；易于使用在自动测量和远距离测量中。热电阻由电阻体、保护套和接线盒等部件组成。其结构形式可根据实际使用制作成各种形状。,7.2 热电阻传感器,7.2.

14、1 常用热电阻用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率，R-t 关系最好成线性，物理化学性能稳定，复现性好等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。1铂电阻 铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IPTS-68标准，在-259.34+630.74温域内，以铂电阻温度计作为基准器。,7.2 热电阻传感器,铂热电阻的温度特性，在0630.74以内为：在-1900以内为：,式中：Rt温度为t时的阻值；R0温度为0度时的阻值；A分度系数，取3.940/；B分度系数，取-5.84/；C分度系数，取-4.22/。,7.2 热电阻传感器,热电

15、阻在温度t时的电阻值与R0有关。目前我国规定工业用铂热电阻有R0=50和R0=100两种，它们的分度号分别为Pt50和Pt100，其中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rtt的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。书中表7-5是Pt100热电阻的分度特性表。,7.2 热电阻传感器,铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比W100表示，它是铂热电阻在100时电阻值R100与0时电阻值R0之比。按IEC标准，工业使用的铂热电阻的W1001.3850。PT100具有正温度系数，通常用白金线绕制完成后，会放入保护管中，保护管可用玻璃，不锈钢等材料

16、制成，为了配合不同的测试环境，可使用不同的长度与外径，保护管内空隙以氧化物陶瓷及黏合剂填充。图7-14所示为几种常见的包装。,7.2 热电阻传感器,(a)缠绕在云母棒的PT100(b)封入玻璃中的PT100(c)不锈钢包装保护管的剖面 图7-14 PT100几种常见的包装,7.2 热电阻传感器,2铜电阻 由于铂是贵重金属材料，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-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：,7.2 热电阻传感器,铜热电阻线性好，价格便宜，但它电阻率较低，且在100以下易氧化，不适宜在腐蚀性介

17、质或高温下工作。铜热电组的两种分度号为Cu50（R0=50）和Cu100（R100=100）。Cu50分度表如下表所示。表7-6 WZB型铜热电阻分度特性表R0=53 规定分度号G 分度系数=4.2510/,7.2 热电阻传感器,7.2.2 热电阻传感器的引线方式热电阻测温精度高、适于测低温。传感器的测量电路经常使用电桥，其中精度较高的是自动电桥。由于热电阻的电阻值很小，所以导线电阻值不可忽略。热电阻传感器内部引线方式有两线制、三线制和四线制3种，如图715所示。,图7-15 内部引线方式,7.2 热电阻传感器,二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

18、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。工业用铂电阻测温常采用三线制和四线制连接法。图7-16和图7-17分别为三线制和四线制电桥连接测量电路。以图7-17为例，G是检流计，R1、R2、R3是固定电阻，r1、r2、r3是引线电阻，Ra是零位调节电阻，Rt是热电阻。当UA=UB时，电桥平衡，调节Ra，可消除引线电阻的影响。,7.2 热电阻传感器,图7-16 热电阻测温电桥的三线制接法,7.2 热电阻传感器,图7-17 热电阻测温电桥的四线制接法,7.2 热电阻传感器,7.2.3 几种常用的热电阻传感器测量电路1PT100的测量

19、电路图7-18 PT100 转换电路,7.2 热电阻传感器,图7-19 铂电阻恒电流工作电路,7.2 热电阻传感器,2恒电流工作方式下TRRA102B铂电阻的基本测 量电路 图7-20 铂电阻恒电流工作电路,7.2 热电阻传感器,3恒电压工作方式下TRRA102B铂电阻的基本测 量电路图7-21 恒电压工作电路,7.2 热电阻传感器,图7-22 恒电压工作电路,7.2 热电阻传感器,4电流为420mA的铂电阻环形测量电路图7-23 用铂电阻制作的420mA的环路器电路,7.2 热电阻传感器,5测温范围为0600的带有线性化电路的环形 电流电路图7-24 用于铂电阻的测温范围为0600的420m

20、A电流环形电路,7.2 热电阻传感器,图7-26 电路的非线性误差,图7-25 铂电阻的3线式连接法,7.3 热敏电阻,本节介绍半导体的电阻值随温度变化的一种热敏元件（热敏电阻）。热敏电阻是由一些金属氧化物,采用不同比例的配方，经高温烧结而成，然后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状。热敏电阻具有以下优点：电阻温度系数大，灵敏度高；结构简单；电阻率高，热惯性小；但它阻值与温度变化呈非线性，且稳定性和互换性较差。,7.3 热敏电阻,7.3.1 热敏电阻的温度特性按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型：即负电阻温度系数热敏电阻（NTC），正电阻温度系数热敏电阻（PTC）和

21、在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）。它们的特性曲线如同7-26所示。,图7-27 各种热敏电阻的特性,7.3 热敏电阻,由图7-18可见，使用CTR型热敏电阻组成控制开关是十分理想的。在温度测量中，则主要采用NTC或PTC型热敏电阻，但使用最多的是NTC型热敏电阻。负温度系数的热敏电阻的阻值与温度的关系可表示为：式中：RT、R0温度T、T0时的阻值；T热力学温度；B热敏电阻材料常数，一般取20006000K。若定义 为热敏电阻的温度系数，则由 式得：,7.3 热敏电阻,B和值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很

22、高。但热敏电阻非线性严重，所以实际使用时要对其进行线性化处理。,7.3 热敏电阻,7.3.2热敏电阻输出特性的线性化处理热敏电阻值随温度变化呈指数规律，其非线性非常严重。线性变换常用的方法有：1线性化网络 对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系。图7-28是两种最简单的线性化方法。,7.3 热敏电阻,图7-28 常用补偿电路,7.3 热敏电阻,2计算修正法大部分传感器的输出特性都存在非线性，因此实际使用时都必须对其进行线性化处理，其方法有硬件（电子线路）法和软件（程序）法。在带有微处理器的

23、测量系统中，就可以用软件对传感器进行处理。当已知热敏电阻的实际特性和要求的理想特性时，可以用线性插值等方法将特性分段并把分段点的值存放在计算机的内存中，计算机将根据热敏电阻的实际输出值进行校正计算，给出要求的输出值。,7.4 集成温度传感器,集成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150以下的温度。,7.4 集成温度传感器,7.4.1 基本工作原理目前在集成温度传感器中，都采用一对非常

24、匹配的差分对管作为温度敏感元件。图7-29是集成温度传感器基本原理图。,图7-29 集成温度传感器基本原理,7.4 集成温度传感器,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：,式中：k-是波尔兹曼常数；q-是电子电荷量；-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。这就是集成温度传感器的基本工作原理，在此基础上可设计出各种不同电路以及不同输出类型的集成温度传感器。,7.4 集成温度传感器,7.4.2 集成温度

25、传感器的信号输出方式1电压输出型 电压输出型集成温度传感器原理电路图如图7-30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 图7-30 电压输出型电路原理图时，电路的输出电压可由下式确定，即：,7.4 集成温度传感器,2电流输出型图7-31为电流输出型集成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r=8。流过电路的 图7-31 电流输出型电路原理图总电流Ir为：,7.4 集成温度传感器,7.4.3 AD590集成温度传感器应用实例AD590是应用广泛

26、的一种集成温度传感器，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。1温度测量电路 图7-32是一个简单的测温电路。AD590在25（298.2K）时，理想输出电流为298.2A，但实际上存在一定误差，可以 图7-32 简单的测量电路在外电路中进行修正。,7.4 集成温度传感器,2控温电路简单的控温电路如图7-33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提供一个合理的稳定电压。,图7-33 简单的温控电路,7.4 集成温度传感器,3.热电偶参考端补偿电路

27、该种补偿电路如图7-34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Uout=2.5V。电路工作时，调整电阻R2使得：图7-34 热电偶参考端补偿电路这样在电阻R1上产生一个随参考端温度t0变化的补偿电压U1=I1R1。,7.5 热电式传感器的应用,7.5.1 基于热电偶的温度计图7-35 J型热电偶0300测温电路,7.5 热电式传感器的应用,图7-36 带有量程切换的热电偶测温电路,7.5 热电式传感器的应用,图7-37 带有量程切换的热电偶测温电路,7.5 热电式传感器的应用,图7-38 K型热电偶的制作电路,7.5 热电式传感器的应用,图7-3

28、8 K型热电偶的制作电路,7.5 热电式传感器的应用,图7-39 火灾警报器,7.5.2基于铂电阻的火灾报警器,习 题,习题 1什么是热电势、接触电势和温差电势？2说明热电偶测温的原理及热电偶的基本定律。3已知在其特定条件下材料A与铂配对的热电势，材料B与铂配对的热电势，试求出此条件下材料A与材料B配对后的热电势。,习 题,4Pt100和Cu50分别代表什么传感器？分析热电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法的主要作用。5将一只灵敏度为0.08mv/的热电偶与毫伏表相连,已知接线端温度为50,毫伏表的输出为60 mV,求热电偶热端的温度为多少?6试比较热电阻与热敏电阻的异同。,习 题,4Pt100和Cu50分别代表什么传感器？分析热 电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法 的主要作用。5将一只灵敏度为0.08mv/的热电偶与毫 伏表相连,已知接线端温度为50,毫伏表 的输出为60 mv,求热电偶热端的温度为多 少?6试比较热电阻与热敏电阻的异同。,