《热电式传感器》PPT课件.ppt

温度,电量,热电式传感器,热电偶,热电阻,PN结集成温度传感器,第2章 热电式传感器,华氏温标,1714年荷兰人华伦海特 (Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计。它规定在标准大气压下把冰、水、氯化铵和氯化钠的混合物的熔点定为零度，以0F表示，冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一 等份称为华氏一度，符号用。,华氏温度=（1.8*摄氏温度+32）,摄氏温标,1740年瑞典人摄耳修斯 (Celsius)提出，在标准大气压下将把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。均分100等份，每一等份称为摄氏一度()，与华氏温度计使用的是同一种测温介质，利用相同的测温特性，但由于规定的标准点和分度单位不同，就造成了两种不同的温标，产生了两个不同的温度的数值，是工程上最通用的温度标尺。,摄氏温度=5/9 *（华氏温度-32） ,摄氏温标,1848年英国物理学家威廉汤姆逊开尔文Ketvin根据热力学第二定理和卡诺热循环理论提出的。绝对零度是指-273.15度，在这个温度下的物体不包含热量，气体的体积将减小到零。这种温标的最大特点是与选用的测温介质性质无关，克服了经验温标随测温介质而变的缺陷，故称它为科学的温标或绝对热力学温标,由此而得的温度称为热力学温度。,热力学温标,开氏温度=（273.15+摄氏温度）K,注意：摄氏温度的分度值与摄氏温度分度值相同，即温度间隔1K=1。,第一节 热电偶传感器 第二节 热电阻传感器 第三节 PN结及集成温度传感器,内容提要,学习目标,掌握热电效应定义、热电偶基本定律及各种测量电路、热电偶补偿方式；熟悉金属热电阻的结构及测量线路；掌握热敏电阻的种类及特性；理解温敏二极管、三极管、集成温度传感器原理；了解各种热电传感器的应用。,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,六、热电偶传感器应用,热电偶工作原理演示,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：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,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。1821年首先由西拜克（Seebeck）发现,所以又称西拜克效应。,一、工作原理,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。,1、 热电效应,返回,T0,T,eAB(T),eAB(T0),A,B,A,B,2、产生原因,（1）接触电势,接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。,两种导体在温度T中接触，由于自由电子浓度不同在接触点产生的电动势称接触电势。,接触电势,返回,A,To,T,（2）温差电势,T0,T,eB(T,T0),eA(T,T0),A,B,温差电势的大小与材料性质及两端温度有关。,由同一金属导体两端处于不同的温度场中，由于自由电子密度不同产生的电势。,温差电势,返回,T0,T,eAB(T),eAB(T0),eA(T,T0),eB(T,T0),A,B,3、 回路总电势,TT0、 NA NB,回路总电势,返回,接触电动势起主要作用,在标定热电偶时，一般使T0为常数，则,讨论(热电效应),如果A和B材料相同，无论接点处温度如何，不 会产生热电势。,如果A和B材料不同，但两接点温度相同也不会产生热电势。,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)=0。,4、热电偶基本性质,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。,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。, 对于由几种不同材料串联组成的闭合回路，若各接点温度分别为T1、T2TN ，闭合回路总的热电动势为：,返回,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,该定律可作为检验材质均匀性的原则：同名极检验法。,2、中间导体定律,T0,T0,T,在热电偶回路中接入第三种导体C，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。,意义：可用电器测量仪表直接测量热电势,3、标准电极定律 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动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知。,两式相减得：,若一个热电偶由A、B、C三种导体组成，且回路中三个接点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即：,或,即导体A与B组成的热电偶的热电动势也可知。,整理得：,4. 连接导体定律,A,B,A,B,T,Tn,T0,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，连接导体定律是工业上应用补偿导线进行温度测量理论的基础。,5、中间温度定律 热电偶在两接点温度分别为T、T0时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为T、Tn和接点温度分别为Tn、T0时的相应热电动势的代数和。,证明：,即：,为冷端温度不是零度时热电偶如何查分度表的问题提供了依据。,返回,当Tn=0时，则：,上式说明：只要A、B组成的热电偶在冷端温度为零时的“热电动势 温度”关系已知，则它在冷端温度不为零时的热电动势即可知。,定律4中导体A与A，B与B材料相同时,中间温度定律表明： 当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B相同热电特性的材料C、D即引入所谓补偿导线时，只要它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与两连接点温度无关，只与热电偶两端的温度有关。,热电偶补偿导线接线图,由于A与C、B与D的热电特性相同，由热电偶的基本性质可知：eAC（Tn）= eBD（Tn）=0，则回路总电动势为:,三、热电偶的常用材料与结构,热电偶的常用材料P81表5-1,1. 普通工业用装配式热电偶,热电偶丝（热电极）：直径一般在0.5-3.2mm，长度由使用情况、安装条件、特别是工作端插入被测介质深度决定，一般为300-2000mm。 绝缘管：防止两热电极短路的绝缘保护零件，形状一般为圆形或椭圆型，偶丝穿孔而过，一般为氧化铝或耐火陶瓷。 保护套管：保护感温元件免受介质化学腐蚀和机械损伤的装置，具有耐高温、耐腐蚀性能，材料有金属、非金属等。 接线盒：用来固定接线座和连接补偿导线的装置。多用铝合金制成。,热电耦结构,普通装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,2铠装式热电偶（又称套管式热电偶）,优点：小型化、测温端热容量小、热惯性小，动态响应快；弯曲性好、机械强度高、耐震动、耐冲击、可安装在结构复杂的装置上；寿命长、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。,由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。热端形状不同，可分为两种形式。,1金属套管; 2绝缘材料; 3热电极,铠装式热电偶的结构,铠装型热电偶外形,铠装型热电偶可 长达上百米,薄壁金属 保护套管（铠体）,法兰,3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成。热接点极薄(0.010.lm),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。,薄膜热电偶 1热电极; 2热接点; 3绝缘基板; 4引出线,其他热电偶外形,小型K型热电偶,几种常用热电偶的测温范围及热电势,四、实用测量电路,1.测量单点温度电路,流过测温毫伏表的电流为:, 热电偶、补偿导线和仪表内阻,2.测量温差的基本电路,回路内的总电动势为:,因为,故,仪表,缺点：当有一只热电偶烧断时，不易察觉。,3、热电偶并联线路,（测量平均温度）,4. 热电偶串联线路,因为,所以,返回,五、热电偶冷端补偿方式,1、冰点槽法,2、计算修正法,3、补正系数法,4、零点迁移法,5、冷端补偿器法,返回,热电偶的分度表,热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法,我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。,直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。,K热电偶 的分度表,比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？,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。,2、计算修正法 室温下计算出参比端实际温度TH: 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(21，0) =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=70。,EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0),3、补正系数法 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。 T：被测温度； T：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（参比端实际温度）； k：补正系数。,T T k TH,例题 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。 被测温度： T=1150+0.5335=1168.3（） 特点： 计算简单； 误差大一点，但误差不大于0.14。,热电偶补正系数,4、零点迁移法,当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端温度不是0，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所），可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值。,数字式温度表,温度设定值,温度值设定键,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。,5、冷端补偿器法（电桥补偿） 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范围起补偿作用。,返回,金属热电阻（铂热电阻、铜热电阻等） 半导体热敏电阻（PTC、NTC、CTR）,热电阻,温度,电阻,第二节 热电阻传感器,主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度最高，广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。应用于-200600范围内的温度测量。,第二节 热电阻传感器,一、金属热电阻 1、热电阻的材料要求 2、常用热电阻 3、热电阻结构 4、热电阻测量线路,二、热敏电阻器 1、热敏电阻的结构 2、热敏电阻的种类 3、热敏电阻的基本特性 4、热敏电阻实物图片 5、热敏电阻应用,（1）电阻温度系数大且稳定，电阻值与温度之间具有良好的线性关系 （2）电阻率高、热容量小，热惯性小，反应速度快 （3）在测温范围内，材料的物理、化学性能稳定 （4）工艺性好，易复制、价格低,一、金属热电阻,1、热电阻的材料要求,0 630.74,-190 0,其中，Rt、R0 温度为 t 和 0 时的电阻； A、B、C 为常数： A = 3.940 10-2 / B = -5.84 10-7 / C = -4.22 10-12 /,铂电阻的阻值与温度之间关系接近于线性,2、常用热电阻, 铂电阻,可以看出，它们的高次项很小。铂电阻在0100时的最大非线性偏差小于0.5；R0不同，Rt与t 的关系也不同。,我国规定工业用铂热电阻有Pt50和Pt100（P88-89表5-3、5-4），其中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表。,0 630.74,-190 0,其中，A、B、C为常数：A = 4.28899 10-3 / B = -2.133 10-7 /2 C = 1.233 10-9 /3,模型2：简便计算，常用二项式计算,Rt、R0 ：温度为 t 和 0时的电阻； ： 温度为 0 时的温度系数， 4.25 10-3 / -4.28 10-3 / 。, 铜电阻,铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为,返回,特点,工业用铜热电阻有Cu50和Cu100，有相应分度表（P90表5-5）。,(3) 其它热电阻 低温、超低温,3、热电阻结构,热电阻电阻体绝缘套管接线盒,实物图片,薄膜型铂热电阻,普通型铂热电阻,汽车用水温传感器,汽车用水温传感器,防爆型铂热电阻,热电阻测温电桥三线连接法,4、热电阻测量线路,Rt为热电阻, r1 、r2、 r3为引线电阻, R1 、 R2为两桥臂电阻, R1=R2 ,R3为调整电 桥的精密电阻。M表内阻很大，故电流近似为零。当UA=UB时电桥平衡。若使r1=r2 ,则R3=Rt,就可消除引线电阻的影响。,四线式电阻测量电路,因IVIM,IV0, 又EM=E+IV（ r2+r3 ）,由上式知引线电阻r1 r4将不引起测量误差。电压表的值EM可认为是热电阻Rt上的压降，据此可计算出微小温度变化。,返回,二、热敏电阻器,1、热敏电阻的结构,热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（Co）、锰（Mn）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高温烧结而成。,电阻温度系数高，灵敏度比热电阻高得多；体积可做很小，动态特性好，适于在-100300之间测温。,正温度系数热敏电阻器PTC,2、热敏电阻的种类,电阻值随温度升高而增大的电阻器，PTC(Positive Temperature Coefficient)。主要采用钛酸钡（BaTiO3）系列材料，当温度超过某一数值时，其阻值朝正的方向快速变化；PTC热敏电阻主要用于电器设备的过热保护，发热源的定温控制，或作限流元件使用。,突变型负温度系数热敏电阻器CTR,（Critical Temperature Resistor）热敏电阻在某特定温度范围内随温度升高而降低34个数量级，具有很大负温度系数（临界温度系数型） 。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。CTR主要用作温控开关。,负温度系数热敏电阻器（NTC）,NTC（Negative Temperature Coefficient）热敏电阻，它是由氧化铜、氧化铝、氧化镍等金属氧化物按一定比例混合研磨、成型、锻烧而成，改变这些混合物的配比成分，就可以改变NTC的温度范围、温度系数及阻值。,NTC热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于100300温度范围内使用，既可作温度测量，亦可作电子控制系统中温控器件。,返回,热敏电阻器的电阻-温度曲线,3、热敏电阻的基本特性, NTC的 R-T 特性,NTC热敏电阻的阻值与温度之间近似指数关系,RT 、R0温度为T、T0时的电阻值； B 热敏电阻材料常数，2000600K； T被测温度 T0参考温度,不同材料的B不同，右图为不同B 的RT /R25T特性曲线,125,T（C）,为了使用方便，常取环境温度为25作为参考温度（即T0=25），则NTC热敏电阻器的电阻 温度关系式可写成：,（2）.正电阻温度系数（PTC）: 电阻温度特性,4、热敏电阻实物图片,1.耗散系数： 5mW/ 2.热时间常数: 10S 3.测温范围: -40 +110,1.耗散系数： 5mW/ 2.热时间常数: 10S 3.测温范围: -40 +110,铜质外壳，PVC导线， 用于空调、饮水机,铜制、不锈钢外壳，PVC导线，用于热水器,MZ4系列加热用PTC热敏电阻,MZ5汽车测温用PTC热敏电阻,MZ41系列卷发器用PTC热敏电阻,MZ6系列电机保护用 PTC热检测器,CPU的温度测量,5、热敏电阻应用,还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等,第三节 PN结及集成温度传感器,一、温敏二极管,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,二、温敏三极管,PN结温度传感器原理： 结电压随温度成近似线性变化特性； 应用： 对温度的检测、控制和补偿等； 优点： 有较好的线性度，且尺寸小、响应快、灵敏度高、热时间常数小，测温范围为-50至150。,一、温敏二极管, 电子电荷, 绝对温度，单位：K, 玻尔兹曼常数, 正向电压,当,二极管正向电压随温度的升高而降低,返回,二、温敏三极管,把NPN晶体管的bc结短接，利用be结作为感温器件，利用三极管发射结正向电压Ube随温度上升而下降的原理。,若Ic恒定，则Ube仅随温度T 成单调单值函数变化。,基本测温电路 温敏晶体管作为负反馈元件跨接在运算放大器的反相输入端和输出端，基极接地。如此连接的目的是使发射结为正偏，而集电结几乎为零偏。,返回,零偏的集电结使得集电结电流中不需要的空间电荷的复合电流和表面复合电流为零，而发射结电流中的发射结空间电荷复合电流和表面漏电流作为基极电流流入地。 因此，集电极电流完全由扩散电流成分组成。集电极电流Ic只取决于集电极电阻RC和电源E，保证了温敏晶体管的Ic恒定。电容C的作用是防止寄生振荡。,将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。 优点： 直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出；体积小、成本低廉；是现代半导体温度传感器的主要发展方向之一。 应用： 广泛用于-50+150温度范围内的温度监测、控制和补偿的许多场合。,三、集成温度传感器,1、2结构和性能完全相同的晶体管。,1、基本工作原理,返回,由于两管集电极面积相等，因此，集电极电流比应等于集电极电流密度比，即：,只要保持两管的集电极电流密度之比不变，R上的电压Ube将正比于绝对温度T。,若两管增益很高，则基极电流可以忽略不计，那么集电极电流等于发射极电流，则,即 Ic2 T 因此R2上的电压也正比于绝对温度T。 又因为Ic/Ic2保持不变，则Ic T， 电路总电流 I=（ Ic+Ic2） T,集成温度传感器按输出信号可分为电压型和电流型两种。 电压型的温度系数约为10mV/； 电流型的温度系数约为1A/。 这就很容易从它们输出信号的大小换算成绝对温度，而且其输出电压或电流与绝对温度成线性关系。,（电流镜PTAT核心电路）,该电路是在差分对管电路的 基础上，用两只PNP管分别 与T1和T2串联组成所谓的 电流镜，两PNP管具有完全相 同的结构和性能，且发射极 偏压相同，故流过T1和T2的集电极电流在任何温度下始终相等。,2、电流型集成温度传感器,返回,T1和T2工作在不同的Jc下 两管必须采用不同的发射极面积。 设T1和T2发射极面积之比，则两管的电流密度比为其面积的反比。只要在电路的+、-两端施加高于2Ube的电压，R1上得到的电压为：,故流过该电路的总电流为：,若电阻R1的温度系数为零，则电路的总电流正比于绝对温度。,电流输出型温度传感器应用：美国AD公司生产的AD590、我国产的SG590，它们的基本电路一样，只是还增加了一些附加电路以提高其性能。,单片双端集成温度传感器AD590,电流输出型温度传感器能产生一个与绝对温度成正比的电流作为输出，测温范围为55+150 灵敏度为1A/K,AD590的主要特征是： (1)线性电流输出：1AK，正比于绝对温度； (2)宽温度范围：-55+150； (3)精度高：激光校准精度到 0.5(AD590M) (4)线性好：满量程范围 0.3t(AD590M)； (5)电源范围宽：+4+30V。,电流-电压转换电路（10mV/K）,增加负载电阻的阻值可提高输出电压。,3、 电压型集成温度传感器,由于T5的发射极电压及面积与T1和T2相同，所以