【教学课件】第五章热电式传感器.ppt

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1、第五章 热电式传感器,第一节 热电偶传感器,第二节 热敏电阻传感器,第三节 PN结温度传感器,第四节 热电式温度传感器应用,接触式温度传感器的特点：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，测量精度较低。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的热容量要足够大。,非接触式温度传感器主要是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。,温度传感器的种类及特点,1常用热

2、电阻 范围：-260850；精度：0.001。改进后可连续工作2000h，失效率小于1，使用期为10年。2管缆热电阻 测温范围为-20500，最高上限为1000，精度为0.5级。,（）接触式温度传感器,3陶瓷热电阻 测量范围为200+500，精度为0.3、0.15级。4超低温热电阻 两种碳电阻，可分别测量268.8253-272.9272.99的温度。5热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。,l辐射高温计 用来测量 1000以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2光谱高温计 前苏联研制的YCII型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为4

3、006000,它是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。,（二）非接触式温度传感器,3超声波温度传感器 特点是响应快(约为10ms左右)，方向性强。目前国外有可测到5000的产品。4激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为1。美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达8000，专门用于核聚变研究。瑞士Browa Borer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)的高温。,第一节 热电偶传感器,一、热电效应,二、热电偶基本定律,三、热电偶的常用材料与结构,四、常用测量电路,五、热电偶冷端补偿方式

4、,六、热电偶的选择、安装使用和校验,定义：两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路，连接点处于不同的温度场中（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。,一、热电效应,回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即接触电势和温差电势。,热端,冷端,1、接触电势,+,eAB(T),T,-,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

5、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,温差电势的大小与材料性质及两端温度有关。,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、NA NB，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

6、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。,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。,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。,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)=

7、0。,4、有关热电偶的几点结论：,二、热电偶基本定律,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。,1.均质导体定律,2.中间导体定律,T0,T0,T,将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，A、C接点与C、B的接点均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变.,3.参考电极定律,T0,T,T0,T,T0,T,即：如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电势已知，则此两种导体组成的热电偶的热电势已知。,4.连接导体定律,A,B,A,B,T,Tn,T0,

8、Tn,+,由此可知，回路总热电势等于热电偶电势EAB(T,Tn)与连接导线热电势EAB(Tn,T0)的代数和，连接导定律是工业上应用补偿导线进行温度测量理论的基础。,A,B,T,Tn,Tn,A,B,T0,T0,热电偶补偿导线接线图,E,5.中间温度定律,T2,T1,T3,EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）,T2=0时,EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EA B（0,T3）=EAB（T1,0）-EAB（T3,0）=EAB（T1）-EAB（T3）,定律4中导体A与A，B与B材料相同时,三、热电偶的常用材料与结构,1工业用热电偶结构 下图为典型工业用热电偶结构示

9、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。,热电偶的常用材料P81表5-1,2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）、寿命长、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。,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。,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

10、。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。,四、常用测量电路,1.测量单点温度电路,2.测量温差的基本电路,A,B,A,Ui,T2,T1,B,A,B,A,T,A,B,A,B,T0,T0,Ui,3.测量平均温度基本电路,T0,T0,T0,T0,T0,1.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

11、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。,五、热电偶冷端补偿方式,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=

12、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

13、差可能大一点，但误差不大于0.14。,T T k TH,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。,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

14、个适当的值而实现补偿。,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。,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。,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，在工业生产中，热电

15、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.,六、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。,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,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。,第二节 热敏

16、电阻传感器,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 商品化产品已有30多年历史，加之近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在0.01的小温度范围内，其稳定性可达0.000

17、2的精度。相比之下，优于其它各种温度传感器。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。,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，简称PTC热敏阻器。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简称NTC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VO

18、2并添加一些金属氧化物。,（二）热敏电阻的分类,热敏电阻材料的分类（1）,热敏电阻材料的分类（2）,1.标称电阻R25（冷阻）标称电阻值是热敏电阻在250.2时的阻值。,二、热敏电阻的基本参数,2.材料常数BN是表征负温度系数(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（%/）热敏电阻的温度变化1 时电阻值的变化率。,4.耗散系数H热敏电阻器温度变化1所耗散的功率变化量。在工作范围内，当环境

19、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。,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。,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,9.额定功率PE热敏电阻器在规定的条件

20、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。,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。,13.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

21、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。,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。,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。,（一）热敏电阻器的电阻温

22、度特性（RTT）,1-NTC；2-CTR；3-4 PTC,三、热敏电阻器主要特性,铂丝,1,2,3,4,1 负电阻温度系数(NTC)热敏电阻器的温度特性,RTR25BN系数表,2.正电阻温度系数（PTC）:电阻温度特性,（二）热敏电阻器的伏安特性（UI）1.负温度系数（NTC）热敏电阻器的伏安特性,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,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。,1.检测和电路用的热敏电阻器,四、热敏电阻器的应用,2.热敏电阻作温度补偿用,第三节 PN结温度传感器,一、温敏二极管,二、温敏三极管,三、集成温度传感器,1 基本工作原理,2 电流镜核心电路,3 电压型核心电路,第四节 热电式温度传感器应用,一、温敏二极管温度调节器,二、温敏晶体管温差检测电路,