《传感器原理》课件.ppt

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1、1,温度传感器,第一章,2,v定义：温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置。v用途：用于检测温度和热量，也称为热电式传感器。v重要性：与生活、科研、生产密切相关。应用最广泛。,简介,第一章 温度传感器,3,v将温度T变化转换为电阻变化的元件，主要有金属热电阻、半导体热电阻、陶瓷热敏电阻(NTC、PTC、CTR)和高分子热敏电阻；v将温度变化-电势的传感器，主要有热电偶和PN结式传感器；v将热辐射-电学量的器件，有热释电探测器、红外探测器；v集成温度传感器、光纤温度传感器、液晶温度传感器、智能温度传感器等,简介,温度传感器分类,第一章 温度传感器,4,1.1 电阻型温度传感器,1.1.

2、1 热电阻,1.1 电阻型温度传感器,金属热电阻半导体陶瓷热电阻,温度,感温材料,电阻,5,Rt：任意绝对温度t 时的电阻值 R0：基准状态温度t0时的电阻值：温度系数（1/）,一、热电阻的特性,1.1.1 热电阻,6,1.1.1 热电阻,感温材料的要求:v电阻温度系数：纯金属 v性能稳定：测温准确性 v良好的输出特性：线性 v高的电阻率 v良好的加工性、价格便宜,7,0630.755:,1.铂热电阻,1.1.1 热电阻,v稳定性好、重复性好v热电阻最佳材料v用于高精度工业测量:标准电l阻温度计、温度基准。,-1900:,8,1.1.1 热电阻,9,用于一般测量精度和测量范围较小时，易于得到高

3、纯度材料、价格低廉，易氧化。,2.铜热电阻,1.1.1 热电阻,-50150：,10,3.其它热电阻,铁和镍电阻：应用较少 灵敏度高，电阻率较大。易氧化，不易提纯，非线性。,1.1.1 热电阻,铟电阻锰电阻碳电阻,低温测量,-273-268.5，热容量小，灵敏度高 热稳定性较差。,-269-258，测量精度高，灵敏度高。重现性差。,-271-210用，灵敏度高 脆性高，易损坏；,11,1、结构：组成：感温元件、内引线、绝缘套管、保护套管和接线盒。将电阻丝无感双线绕在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘架上，固定后外面再加上保护套管。2、测量电路：用精度较高的电桥电路。两线制连接方式存在的问题：引线电阻

4、 为消除连接导线电阻随环境温度变化 而造成的测量误差，常采用三线和四线连接法。,二、热电阻的结构及测量电路,1.1.1 热电阻,12,优点：性能稳定，测量范围宽、精度高、低温测量。不足：需辅助电源，热容量大，限制用于动态测量。措施：为避免电热效应，电流一般应小于10mA。,三、热电阻温度计的总结,1.1.1 热电阻,13,正温度系数热敏电阻PTC,负温度系数热敏电阻NTC,临界温度系数热敏电阻CTR,1.1.2 热敏电阻,材料：金属氧化物(Mn3O4、CuO、NiO、Co3O4)为基体、添加剂、陶瓷工艺制成。半导体陶瓷。特点：灵敏度高、重复性好、成本低、体积小、使用方便。,热敏电阻,14,一、

5、热敏电阻特性参数,标称电阻值（R25）：25、零功率状态的阻值。大小取决于电阻的材料和几何尺寸。2527：,2.电阻温度系数(T)：规定温度下，单位温度变化使阻值变化的相对值。,T 决定了热敏电阻全部工作范围内对温度的灵敏度。,1.1.2 热敏电阻,15,电阻型温度传感器,时间常数()：表征电阻的热惯性.在零功率测量状态下,当环境温度突变时,阻值从起始值变化到最终变化量的63%时所需的时间。额定功率（PE）：在标准压力750mmHg和规定的最高温度下，电阻期连续工作所允许的最大耗散功率。实际中所消耗的功率不得超过PE。,1.1.2 热敏电阻,16,二、正温度系数热敏电阻(PTC),基体材料是B

6、aTiO3(纳米陶瓷材料钛酸钡)，辅以稀土元素为添加剂，经陶瓷工艺烧结制成。纳米钛酸钡(BaTiO3)：具有高介电常数及优良的铁电、压电和绝缘性能 稀土元素：17种化学元素，钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。,1.1.2 热敏电阻,17,1.电阻温度特性,突变型（开关型）：曲线中阻值随温度变化很陡、开关温度、指数关系、温度系数与温度无关。,1.1.2 热敏电阻,18,1.1.2 热敏电阻,缓变型：曲线阻值随温度变化缓慢、线性关系、温度系数随温度变化、温度补偿。,19,静态伏安特性：一定温度下，静止的空气中，PTC电阻两端的电压降与电阻稳态电流之间的关系。曲线可

7、分为AB、BC、CD三段。,2、PTC的静态伏安特性曲线,电流I(A),电压U(V),1.1.2 热敏电阻,20,随T升高而迅速减小，可用于温度检测、温度补偿、控温等各种电路。,1.NTC电阻的温度特性,1.1.2 热敏电阻,用Mn、Co、Ni、Fe等过渡金属氧化物按比例混合，采用陶瓷工艺制备。,21,2.NTC静态伏安特性曲线,oa段：电压随电流增大线性增大。ab段：电压偏离线性，随电流增加。bd段：电压随电流增加下降很快。de段：电压下降缓慢。,1.1.2 热敏电阻,22,指在某一温度附近电阻值发生突变，于几度的狭小温区内，随温度的增加阻值降低34个数量级的元件。阻值的突变点为临界温度点。

8、,四、CTR热敏电阻,宏观开关温度：电阻值下降到某一规定值时所对应的温度。,开关电阻：按曲线求出切线在高阻端的交点Rh和切线在低阻 端的交点Rl，算出Rc。,1.1.2 热敏电阻,23,1.1.2 热敏电阻,24,降值比：描述阻值下降的快慢，即标称电阻R25与最小电阻比值Rmin的对数，即,降值比越大，开关特性越好。由于CTR电阻具有很大的负温度系数，可用作控 温、报警、无触点开关等场合。,1.1.2 热敏电阻,25,五、热敏电阻的结构及其特点,珠状,热敏电阻,圆片型,方片型,棒状,厚薄膜型,它们各自适用于不同的应用场合。,1.1.2 热敏电阻,26,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,利用电

9、阻率随温度变化的特性制成温度传感器。一、工作原理,半导体的导电能力：载流子的迁移载流子：电子和空穴半导体材料的电阻率：为材料的电子浓度 为电子迁移率 为材料的空穴浓度 为空穴迁移率 为电子电量,27,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,本征半导体：纯净的半导体，共价键结合能力很强，导电能力弱，在热力学温度零度时，不导电。电子和空穴浓度相等。,电阻率主要决定于载流子(电子或空穴)的浓度和迁移率，二者都与温度密切相关。,本征半导体P型半导体N型半导体,半导体,28,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,P型半导体：在4价元素(硅、锗)的晶体中掺入少量的3价杂质元素(硼、镓、铟)，组成共价键时，缺少一

10、个电子，形成空穴，主要依靠空穴导电。,N型半导体材料：在4价元素(硅、锗)的晶体中掺入少量的5价杂质元素(磷、锑ti、砷)，组成共价键时，多余一个电子，形成自由电子，主要依靠电子导电。,29,1.迁移率与温度的关系,q 为电子电量M 为载流子的有效质量A、B 为常数Ni 为掺杂浓度,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,100,200,10,104,30,2.电阻率与温度的关系,本征半导体：电阻率主要由本征载流子浓度决定，由于浓度随温度上升急剧增加，因而电阻率随温度增加下降。,杂质半导体：受杂质电离和本征激发影响，电阻率随温度的变化关系复杂。,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,31,二、硅热电

11、阻的结构和工艺,棒状、扩散电阻型两种结构,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,32,工艺：掺杂 v离子注入 v扩散 金属层 v腐蚀基体形成浅槽 v磁控溅射Ti/Pt/Au(Ag)v超声剥离金属层 v压焊,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,33,1.电阻一温度特性,正向偏置时:55175，电阻值随温度的升高而增大，具有较好的线性度。,反向偏置时：120以上时，电阻值突然下降。,三、硅热电阻的特性,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,34,2.电阻温度系数T,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,随着温度升高，T 减小。,35,3、硅电阻与电流的关系,v 不同的温度下，当电流超过1mA时，电阻就会

12、增大。v 电流的自身热效应使电阻增大。v 工作电流应小于1mA。,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,36,1.2 热电偶,热电偶：利用两种不同的金属连接在一起，当结点处温度变化时，另两端产生电势变化的原理制成的传感器。,37,1.2.1 热电偶的基本原理,一、热电效应(塞贝克效应):用两种不同的金属组成闭合回路，且使其两接触点处温度不同，回路中就会产生电流。,塞贝克电势 EAB(T,T0),热电势率(塞贝克系数)TAB 感热材料、两接点温度,38,热电效应,珀尔贴效应,汤姆逊效应,1.2.1 热电偶的基本原理,1.珀尔帖效应,珀尔帖电势(接触电势),同温度、两种金属、自由电子密度不同、扩散,

13、39,K0 为波尔兹曼常数q 电子电量nA、nB 为金属A、B在温度T的自由电子密度,1.2.1 热电偶的基本原理,40,A称为汤姆逊系数 表示温差1时产生的电势差,2.汤姆逊电势(温差电势),均质导体棒、两端温度不同、高、低温端的自由电子动能不同、扩散,1.2.1 热电偶的基本原理,41,EAB(T)为热端的热电势,EAB(T0)为冷端的热电势。,热电偶回路的总热电势EAB,讨论：两点温度相同时，汤姆逊电势为零，EAB(T0,T0)=0；两金属相同时，接点温度不同，两个汤姆逊电势大小相等、方向相反，回路总电势仍为零；只有两不同材料组成热电偶、且T,T0不同，才有热电势出现；温差越大，回路的总

14、电势也越大。,1.2.1 热电偶的基本原理,42,二、热电偶的基本定律,1.均质导体定律：两均质金属的热电势大小与热电极的直径、长度及沿电极长度方向上的温度分布无关，只与热电极材料和温度有关。,2.标准电极定律：两种金属的热电势可用它们分别与第三种金属的热电势之差来表示。,1.2.1 热电偶的基本原理,43,1.2.1 热电偶的基本原理,44,3.中间导体定律,在热电偶的参考端接入第三种均质金属,被插入金属两端温度相同（T0），只要所插入的导体两端温度与参考点相同，不会影响原来热电势的大小,即中间导体定律。,1.2.1 热电偶的基本原理,45,4.中间温度定律,热电偶的接点温度为T、T0时，其

15、热电势等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0时相应的热电势的代数和。,1.2.1 热电偶的基本原理,46,一、热电极材料特性,1.热电性质稳定，足够的物理、化学稳定性，不易氧化和腐蚀。,2.热电势要足够大，易于测量、单值关系、误差小。,3.电阻温度系数小，电导率高。,4.材料复制性好、机械强度高、工艺简单，价格便宜。,1.2.2 热电偶的种类和结构,47,1.2.2 热电偶的种类和结构,热电偶,标准化热电偶,非标准化热电偶,二、热电偶的种类,1、标准化热电偶,铂铑铂热电偶铂铑铂铑热电偶镍铬镍硅热电偶镍铬镍铝热电偶镍铬考铜热电偶铜康铜热电偶,48,v 铂铑铂热电偶 用于较高温度、较精密的测

16、量、热电势较小。不能用于金属蒸气和还原性气氛中。v 铂铑铂铑热电偶 可长期测量160oC高温，性能稳定、精度高，适于在氧化性或中性介质中测量，室温下热电势较小，不需要参考端补偿和修正。,v 铜康铜热电偶,v 镍铬镍硅热电偶,v 镍铬镍铝热电偶,v 镍铬考铜热电偶,热电势较大，测温范围小。,1.2.2 热电偶的种类和结构,49,2、非标准化热电偶,铁康铜热电偶 测温上限6000C，易生锈，线性好，灵敏度高。钨钼热电偶 测温上限21000C，易氧化，加石墨保护管。钨铼系热电偶 测温上限21000C。,1.2.2 热电偶的种类和结构,v 金属非标准化热电偶,50,热解石墨热电偶二硅化钨二硅化钼热电偶

17、,1.2.2 热电偶的种类和结构,v 非金属非标准化热电偶,复制性差，没有统一的分度表，应用受到很大限制。,51,三、热电偶的结构,珠形绝缘子热电偶,双孔绝缘热电偶,石棉绝缘管热电偶,有两个热电极，两个电极的一个端点紧密焊接在一起。热电极间通常用耐高温绝缘材料绝缘。,1.2.2 热电偶的种类和结构,52,四、热电偶的冷端温度补偿,1.恒温法,将热电偶的冷端置于恒温器中，若恒温器温度调到0，电压表读数对应的温度为实际温度，即冷端温度误差得到解决。,1.2.2 热电偶的种类和结构,为什么要进行冷端温度补偿？,冷端恒温示意图,53,若恒温器温度为T0，则冷端误差为：,T0恒定时，冷端误差为常数，只要

18、在回路中加入相应的修正电压，或调整指示装置的起始值就能实现完全补偿。,1.2.2 热电偶的种类和结构,54,在热电偶和测量仪表之间接入一个电桥补偿器。当热电偶冷端温度T升高时，回路中总电势降低，同时补偿器中RT变化，使ab间产生一个电位差，设计使该电位差正好补偿热电偶降低的量，实现自动补偿。,2.冷端自动补偿法,冷端自动补偿原理图,1.2.2 热电偶的种类和结构,55,1.3 半导体PN结型温度传感器,1.3.1 PN结型温度传感器,一、二极管温度传感器,是利用PN结正向电压与温度关系的特性制作的。由PN结理论可知，,56,I0为反向饱和电流，B、与材料和工艺有关常数，qVg0 为禁带宽度。,

19、当If 不变时，PN结Vf 随T的上升而下降，近似线性关系。,1.3 半导体PN结型温度传感器,二、晶体管温度传感器,在晶体管集电极电流恒定下，发射结的正向电压随温度上升而下降。晶体管比二极管有更好的线性和互换性。,57,1.基本原理,Vg0=Eg0/q，A为发射结面积、n与材料和工艺有关的常数，当Ic一定且T不太高时，Vbe基本与T线性关系；当温度较高时，产生一定的非线性偏移。,2.晶体管温度传感器的结构,由晶体管原理知,检测温度时温敏三极管必须附加外围电路。外围电路包括参考电压源运放线性电路等部分。,1.3 半导体PN结型温度传感器,58,3、晶体管温度传感器基本电路,由运放和温敏三极管组

20、成，C防止寄生振荡。T为反馈元件跨接在运放的反相输入端和输出端，基极接地。T的集电极Ic仅取决于Rc和电压E,Ic=E/Rc，与温度无关，保证了恒流源工作条件。电压Vbe随T近似线性下降。,1.3 半导体PN结型温度传感器,59,1.4 其它温度传感器,物体的热辐射作用随物体温度变化非接触测量热惯性小,1.4.1 热辐射温度传感器,一、全辐射高温计,v理论基础：斯蒂芬玻尔兹曼定律：全部辐射能Eb=0T4。v方法：用绝对黑体接收被测对象发出的所有波长的全部辐射能量Eb，黑体温升反映被测温度。,60,v构成：绝对黑体：一定面积、表面粗糙并涂黑的铂片。热电偶测温：铂片接收热量、温度升高，铂片温度由热

21、电偶堆测出，由毫伏表或电位差计读数。,辐射温度计的结构图,1.4 其它温度传感器,61,v 工作原理：被加热时，物体的颜色随温度T改变，温度愈高，物体愈亮。理想黑体的光谱辐射亮度用普朗克公式表示：,C1、C2为普朗克常数，为波长，T为绝对温度。,二、光学高温计,1.4 其它温度传感器,v 精密仪表，常用于1064.43oC以上温度的测量。,当波长一定时，物体的亮度只与温度T有关，即单波长测量原理。,62,方法：利用经过温度刻度的钨丝灯发出的单色亮度和被测物体的单色辐射亮度一样时，由钨丝灯的温度T确定被测物体的温度。,1.4 其它温度传感器,工作原理：光电器件把物体的辐射能转换成与之成一定比例的

22、电信号。光电器件的光电流与被测物体的亮度成正比，用光电流的大小来判断被测物体温度。,三 光电高温计,v 是自动的光学高温计。,63,v 原理：利用物体在波长1和2两种单色辐射强度比值随温度T变化来测量。v 误差小。v 常用于炼钢、轧钢过程中温度的准确测量。,四、比色温度计(双色温度计),光电器件,光敏电阻：100700oC,光电池：700o以上,1.4 其它温度传感器,64,1.4.2 热敏电容,工作原理:(BaSr)TiO3(钛酸锶钡)系列陶瓷电容器的静电容(介电常数)随温度T变化。高介电常数的陶瓷材料：钛酸锶 SrTiO3,k=200)钛酸锶钡(BaSr)TiO3,k=200 锆钛酸铅 P

23、b(Zr,Ti)O3,k=1000，(锆gao),1.4 其它温度传感器,如TI公司(德仪)开发的采用BST（BaSr）TiO3 热电材料的产品和Honeywell公司使用二氧化钒（VO2）材料的热辐射计型产品都已达到实用化程度。,65,（BaSr）TiO3陶瓷电容传感器的静电容-温度特性,1230以上静电容与温度的关系曲线,1.4 其它温度传感器,66,v 某晶向的石英振子的共振频率随温度T直线变化。v 直接输出准数字信息。,1.4.3 石英温度计,1.4 其它温度传感器,67,工作原理：根据温度引起的振荡频率的偏移量来测量温度。SAW振荡器：由压电材料基片和沉积在基片上的差指换能器组成。,

24、1.4.4 表面波温度传感器,1.4 其它温度传感器,VR为SAW传播速度，L为两个IDT(发射接收电极)之间的距离，E为放大器相移量，n为正整数（与电极形状及L值有关）。,68,特点：v 直接输出数字信息。v 灵敏度高、线性好。v 半导体工艺批量生产、尺寸小、价格低。可制成接触式和非接触式两种类型。易于遥测、遥控。,1.4 其它温度传感器,69,表面波温度传感器的频温特性,1.4 其它温度传感器,70,v工作原理：气体中传播声速取决于气体的种类、压力、密度及温度T。v方法：石英振子发出的超声波在被测气体中传播，其频率随气体温度T变化，经反射板反射后形成干涉，测定干涉来求出温度。v用途：测量变

25、化很快的温度T和大范围的平均温度。,1.4.5 超声波温度传感器,1.4 其它温度传感器,71,v原理：材料的弹性和密度随温度T变化，谐振器的谐振频率是温度T的函数，这是一种高精度的测温方法。v应用：石英晶体谐振器的分辨率为0.001，用于500以下的测量。铱和蓝宝石材料谐振器在1900时仍能保证原有性能，用于测量液态金属的温度。,1.4.6 谐振式温度计,1.4 其它温度传感器,72,1.4.7 音叉式水晶温度传感器,1.4 其它温度传感器,v是一种新颖的数字传感器。v具有高准确度、高稳定及超高分辨率等优良特性。v是一种很有前途的基准。,振动模式,扭转振动模式 测量范围较窄，对工艺要求苛刻。弯曲振动模式 灵敏度高，同时满足宽温区工作和低功耗的要求，对工艺要求不苛刻。,73,1.4.8 光纤温度传感器,1、光纤辐射式温度传感器：适用于远距离遥测，最低可测温度500oC。,1.4 其它温度传感器,光纤辐射式温度传感器,74,2、调制型荧光光纤温度传感器的测温原理,原理:有些荧光物质受激发射的某些谱线的强度随温度T变化，通过测量特定谱线的强度来确定荧光物质所处温度。,1.4 其它温度传感器,