《温敏传感器》PPT课件.ppt

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1、第二章 温敏传感器,第二章 温敏传感器,第二章 温敏传感器,第2章 温敏传感器,内容：一、热电偶 二、热电阻传感器,目的：1、了解温敏传感器的工作原理；2、掌握温敏传感器的测量原理和方法。,基本概念,温敏传感器是将温度变化转换为电量变化的装置。利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特征达到测量目的。热电偶传感器：热电阻传感器：热电阻：金属热电阻式传感器 热敏电阻：半导体热电阻式传感器,什么是温敏传感器？,温敏传感器在工业生产、科学研究、民用生活等许多领域得到广泛应用。,第2章 温敏传感器,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

2、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,N

3、B,NA,设NANB,接触电势大小：与接点处温度高低和导体电子密度有关。温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电势也越大。,（自由电子密度）,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：若导体为均质导体，即热电极材料均匀，其电子密度只与温度有关，与其长度和粗细无关。那么在同样温度下电子密度相同，则EA(T，T0)的大小与中间温度分布无关，只与导体材料和两端温度有关。,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,由上式可知，在热电极材料一定时，EAB(T，T0)成为两端温度的

4、函数，即：EAB(T，T0)=f(T)-f(T0)如果冷端温度T0保持恒定，则总电势成为热端温度T的单值函数，即：EAB(T，T0)=f(T)C(T)实际应用中，只用显示仪表测得E，即可知热端温度T。,结论,由一种均质材料(导体或半导体)两端焊接组成闭合回路，无论导体截面如何以及温度如何分布，将不产生接触电势，温差电势相抵消，回路中总电势为零。如果热电偶两端点温度相同，尽管由两种材料焊接组成闭合回路，同样回路中总电势为零。热电偶回路热电势的大小只与材料和端点温度有关，与热电偶的尺寸形状无关。思考：如何分析上述结论？,实际测量中：保持冷端温度T0不变，对于确定材料的热电偶，E-T之间呈单值关系，

5、可以用精密实验法测得，测得E，即可知道热端温度T。,热电偶的热电势与温度对应关系通常使用热电偶分度表来查询，分度表的编制是在冷端温度为0oC时进行的，根据不同的热电偶类型，分别制成表格形式。利用分度表可以查出E(T,0)，即冷端温度为0oC时，热端温度为T时回路热电势。,热电偶测温原理,（二）热电偶的基本定律,1、中间温度定律（P174）：制定分度表的理论依据,热电偶回路两接点(温度为T、T0)间热电势，等于热电偶在温度为T、Tn时的热电势与在温度为Tn、T0时的热电势的代数和。即：EAB(T，T0)=EAB(T，Tn)+EAB(Tn，T0)热电偶分度表按冷端温度为0C时分度，若冷端温度不为0

6、，则可视实际冷端温度T0为中间温度Tn，则满足：EAB(T，0)=EAB(T，T0)+EAB(T0，0),已知,由分度表可查,热电偶测温原理,（二）热电偶的基本定律,2、中间导体定律,在热电偶回路中接入中间导体（第三导体C），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响，这就是中间导体定律。结论：可以在回路中接入电气测量仪表，而且也允许采用任意的方法来焊接热电偶。,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,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、

7、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：,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,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。,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,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

8、电偶,4、表面型热电偶,5、浸入式热电偶,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。,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

9、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。,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,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,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,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,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,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,电阻式温度传感

10、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一200+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。,电阻式温度传感器,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+At+Bt2+Ct3+Dt4)(619)式中：

11、R0为热电阻在0时的电阻值A、B、C、D为温度系数,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,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,常用热电阻（PT100）分度表,电阻式温度传感器,一、热电阻,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

12、-50150,电阻式温度传感器,一、热电阻,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。,热电偶和热电阻的区别,原理与特点不同：热电偶的测温原理是基于热电效应;热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。信号性质不同：热电阻产生的是阻值变化；热电偶是产生感应电压的变化。检测的温度范围不一样：热电阻是低温检测；热电偶是高温检测。材料不同：热电阻是一种金属材料；热电偶是双金属材料。工作中的现场判断不同：热电阻用万用表判断短路和断路即可；热电偶有正负极、补偿导线也有正负之分。,电阻式温度传感器,二、热敏电阻,热

13、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,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。,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

14、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。,热敏电阻应用,热敏电阻也可作为电子线路元件用于仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿等。利用NTC热敏电阻的自热特性可实现自动增益控制,构成RC振荡器稳幅电路,延迟电路和保护电路。在自热温度远大于环境温度时阻值还与环境的散热条件有关，因此在流速计、流量计、气体分析仪、热导分析中常利用热敏电阻这一特性,制成专用的检测元件。PTC热敏电阻主要用于电器设备的过热保护、无触点继电器、恒温、自动增益控制、电机启动、时间延迟、彩色电视自动消磁、火灾报警和温度补偿等方面。,热敏电阻,热敏电阻应用,热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、

15、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,热敏电阻主要缺点,阻值与温度的关系非线性严重；元件的一致性差，互换性差；元件易老化，稳定性较差；除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0150范围，使用时必须注意。,电阻式温度传感器,二、热敏电阻应用,2热敏电阻用于温度补偿,电阻式温度传感器,二、热敏电阻应用,3热敏电阻用于温度控制,电阻式温度传感器,二、热敏电阻应用,3热敏电阻用于温度控制,A,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

16、、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,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,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

17、图所示。,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,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。,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。,集成温度传感器,五、温度变送器,温度

18、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。,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,集成温度传感器,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,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,温度传感器典型应用,四、电动机保护器,2线式铂热电阻测温电路,3线式铂热电阻测温电路,4线式铂热电阻测温电路,3线式铂热电阻测温电路,3线式铂热电阻测温电路,