传感器原理-PN结、热电偶.ppt

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1、1.3 半导体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，,当If 不变时，PN结Ut 随T的上升而下降，近似线性关系,Ut,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。,Ut,T/,PN结温度传感器的优缺点,优点：灵敏度高、线性好、价格低廉,缺点：一致性差,硅管结电压常温下约0.7v并且大小随温度升高而减小，,ut,测温范围-50+150,1.基本原理,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

2、线性电路等部分。,3、晶体管温度传感器基本电路,由运放和温敏三极管组成，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。,设计原理：集成温度传感器则是将晶体管的b-e结作为温度敏感元件，加上信号放大、调整电路、甚至A/D转换或U/f转换等电路集成在一个芯片上制成优点：使用简便、价格低廉、线性好、误差小、适合远距离测量、控制、免调试。,1.4 集成温度传感器,集成温度传感器的分类,电压型IC温度传感器电流型IC温度传感器数字输出型IC温度传感器。,电流型IC温度

3、传感器是把线性集成电路和与之相容的薄膜工艺元件集成在一块芯片上,再通过激光修版微加工技术,制造出性能优良的测温传感器。这种传感器的输出电流正比于热力学温度，即1A/K；其次，因电流型输出恒流，所以传感器具有高输出阻抗。其值可达10M。这为远距离传输深井测温提供了一种新型器件。,电压型IC温度传感器是将温度传感器基准电压、缓冲放大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大器；故输出电压高、线性输出为10mV；另外,由于其具有输出阻抗低的特性；抗干扰能力强，故不适合长线传输。这类IC温度传感器特别适合于工业现场测量。,模拟输出型IC温度传感器,典型电流式集成温度传感器有：AD590 AD59

4、2 TMP17 典型电压式集成温度传感器有：LM334 LM35 TMP37,美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS1820，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列号，所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根口线（单总线接口）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。DS1820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。,数字输出型IC温度传感器,、DS1820的特性单线接口：仅需一根口线与MCU连接；

5、无需外围元件；由总线提供电源；测温范围为-55125，精度为0.5；九位温度读数；A/D变换时间为200ms；用户可以任意设置温度上、下限报警值，且能够识别具体报警传感器。,DS 18B20,1,2,3,GND,I/O,VDD,(a)PR35封装,DS18B20的管脚排列,DS1820,1,2,3,4,5,6,7,8,I/O,GND,(b)SOIC封装,NC,NC,NC,NC,VDD,NC,2、DS18B20引脚及功能 GND：地；VDD：电源电压 I/O：数据输入输出脚(单线接口，可作寄生供电),1.5热电偶及其应用,项目目标：通过本项目的学习和训练，掌握热电偶的主要特性，了解热电偶的工业应

6、用，掌握普通热电偶的基本使用方法和温度补偿的常用方法。,热处理温控系统,1.5热电偶传感器,任务一、认识热电偶,活动1：了解热电偶的基本特性,1.准备器材：数字万用表，酒精灯，0.4mm、长约250mm的 漆包铜线和康铜丝各一根。,活动1：了解热电偶基本特性（2）,2.实验方法 制作一个简易热电偶 将数字万用表拨至DC200 mV档后接热电偶，读取此时电压值 加热热电偶的工作端（即绞紧连接点），观察万用表电压显示值的变化；再将酒精灯逐渐远离热电偶，观察记录电压数值,热电偶实验原理演示,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,左端称为：测量

7、端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,活动2：认识热电偶,观察拆解后的普通热电偶芯或未安装的热电偶丝，可以看出两种不同的金属材料构成热电偶的敏感元件。热电偶芯（丝）就是热电偶的核心部分。,活动3.了解热电偶原理和特征,将两种不同材料的导体A、B的端点焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A、B两个接点温度T和T0 之间存在差异时，回路中便产生电动势，这种效应称为热电效应。热电偶就是利用这一效应进行温度检测的。热电偶两个电极的一端焊接在一起作为检测端（也叫工作端、热端）；将另一端开路，用导线与仪表连接，这一端叫做自由端（也叫参考端、冷端）。,热电效应的本质是热电偶本身吸收了外部的热能，在内部

8、转换为电能的一种物理现象。,热电势的大小只与材料和结点温度有关 而热电偶的内阻与其长短，粗细，形状有关,热电偶的工作原理,热电偶两端的热电动势可以用下式表示：Et=EAB(t)EAB(t0)式中：Et 热电偶的热电动势；EAB(t)温度为t时工作端的热电动势；EAB(t0)温度为t0时自由端的热电动势。,（1）中间导体定律 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动势。,2、热电偶回路的主要性质,EABC(t,t0)=EAB(t,t0)（C两端接点温度相同）,中间导体定律应用举例：,a）可以引入各种仪表、连接导线等，也允许采用任意的焊接

9、方法来焊制热电偶,b）可以采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量,当工作端和自由端温度为T和T0时，用导体A、B组成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。,或,（2）标准电极定律,=,+,简化热电偶的选配,（3）中间温度定律,热电偶AB在接点温度为T1、T3时的热电动势，等于热电偶在接点温度为T1、T2和T2、T3时的热电动势总和,EAB(t,t0)=EAB(t,tn)+EAB(tn,t0),=,+,EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3),热电偶的分度表,如果自由端温度恒定不变，则热电动势只与工作端的温度有关，即Et=f(t)。热电动势

10、的大小只与热电极材料的成分及两端的温度有关，而与热电极的尺寸无关。根据这一特点，工程上以0作为冷端基准温度，将热电偶的热电动势与对应热端的温度精确测出，作成表格，称为热电偶的分度表，见附录。,任务二、热电偶应用训练,一、热电偶的种类 8种国际通用热电偶,1.铂铑30铂铑6 B 2.铂铑13铂 R 3.铂铑10铂 S 4.镍铬镍硅 K 5镍铬硅镍硅 N 6.镍铬铜镍（康铜）E 7.铁铜镍 J 8.铜铜镍 T,分度号,名称,热电偶丝,几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线,任务二、热电偶应用训练,二、热电偶的结构 1.普通型热电偶 2.铠装型热电偶 3.薄膜型热电偶,普通装配型热电偶的外形,接线盒

11、,引出线套管,不锈钢保护管,固定螺纹,热电偶工作端（热端）,普通铠装热电偶的结构,铠装型热电偶可 长达上百米,铠装型热电偶外形,小形K型热电偶,其他热电偶外形,补偿导线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），与所配接的热电偶具有相同的热电特性，起到延长冷端的作用。,二、热电偶使用训练,1、补偿导线,补偿导线,A,B,屏蔽层,保护层,补偿导线外形,常用热电偶补偿导线的特性,2、冷端温度补偿的方法,冷端恒温法 将热电偶的冷端置于冰水混合物中，也称冰浴法,2.冷端温度补偿的方法,活动1：确定被测温度练习用计算法进行温度补偿,计算校正法 E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,

12、0),已知：镍铬-镍硅热电偶的检测系统进行测温时，其冷端温度为30，仪表显示的热电动势为39.17mV，利用附录C中的数据，完成以下操作：查表得E（30，0）=1.20mV 计算:E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=(39.17+1.20)mV=40.37mV 再反查分度表，可得被测温度为 977。,仪表机械零点调整法,用螺丝刀调节仪表面板上的“机械零点”，使指针指到气温t0（图中为40 C）的刻度上。,机械零点,指针被预调到室温（40 C）可补偿冷端损失,电桥补偿法,XT-WBC热电偶 冷端补偿器,电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电

13、势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。,活动2.学习热电偶的使用方法,选择带温度测量功能的数字万用表。使用万用表测量室内温度，与其他温度计的读数比较。观察测温附件，注意热电偶丝的结构和封装方式。寻找热电偶的工作端焊接点。,1、万用表中的热电偶,2、工业热电偶的一般使用方法 我国生产的热电偶符合ITS-90（国际温标）所规定的标准，其一致性较好。工程上规定了每一种标准热电偶配套的仪表，仪表的显示值为温度，不需要用户再自己改制。动圈式仪表命名为XC系列，有指示型（XCZ）和指示调节型（XCT）等系列品种。最常用的K型热电偶配套的动圈仪表为XCZ-101或XCT-101等。数字式仪表也有指示型（XMZ）和指示调节型（XMT）等几种系列产品。,活动2.学习热电偶的使用方法,2、工业热电偶的一般使用方法,热电偶热电阻温度变送器模块是一种现场安装式温度变送单元。它采用二线制传送方式(电源输入与信号输出为二根公用导线)，输出与被测温度成线性的420mA电流信号。变送器可以安装于热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构，也可单独安装于仪表盘内作转换单元。,