第11章溫度傳感器

1、第11章 溫度傳感器主要內(nèi)容：11.1 熱電偶；11.2 熱敏電阻；11.3 集成溫度傳感器 溫度傳感器特征：熱力學(xué)溫度是國(guó)際上公認(rèn)的最基本溫度，我國(guó)目前實(shí)行的是1990年國(guó)際溫標(biāo)（ITS90）。同時(shí)定義國(guó)際開爾文溫度（T90），國(guó)際攝氏溫度（t90）；T90 ：?jiǎn)挝唬↘）開爾文t90 ：?jiǎn)挝唬–）攝氏兩者關(guān)系為：t90/=T90/K273.15 或t/=T/K273.15溫度是諸多物理現(xiàn)象中具有代表性的物理量，現(xiàn)代生活中準(zhǔn)確的溫度是不可缺少的信息內(nèi)容，如家用電器有：電飯煲、電冰箱、空調(diào)、微波爐，這些家用電器中都少不了溫度傳感器。溫度傳感器的種類很多，如果按價(jià)格和性能可分為： 熱膨脹溫度傳感器

2、，有液體、氣體的玻璃式溫度計(jì)、體溫計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛； 家電、汽車上使用的傳感器，價(jià)格便宜，用量大，成本低，性能差別不大； 工業(yè)上使用的溫度傳感器，性能價(jià)格差別比較大，因?yàn)閭鞲衅鞯木戎苯雨P(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量和控制過程，通常價(jià)格比較昂貴。 溫度傳感器按工作原理主要有三類： 熱電偶利用金屬溫差電動(dòng)勢(shì)，有耐高溫，精度高的特點(diǎn)； 熱電阻利用導(dǎo)體隨溫度變化，測(cè)量溫度不高； 熱敏電阻利用半導(dǎo)體材料隨溫度變化測(cè)溫，體積小、靈敏度高、穩(wěn)定性差； 集成溫度傳感器利用晶體管PN結(jié)電流、電壓隨溫度變化，有專用集成電路，體積小、響應(yīng)快、價(jià)廉，測(cè)量1500C以下溫度。 111熱電偶1111熱電效應(yīng)兩種不同類型的金屬導(dǎo)體

3、兩端，分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不等（TT0）有溫差時(shí)，回路里會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）。利用這種效應(yīng)，只要知道一端結(jié)點(diǎn)溫度，就可以測(cè)出另一端結(jié)點(diǎn)的溫度。 固定溫度的接點(diǎn)稱基準(zhǔn)點(diǎn)（冷端）T0，恒定在某一標(biāo)準(zhǔn)溫度；圖111熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖 待測(cè)溫度的接點(diǎn)稱測(cè)溫點(diǎn)（熱端）T ，置于被測(cè)溫度場(chǎng)中。 這種將溫度轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)的傳感器稱為熱電偶，金屬稱熱電極。熱電偶中熱電勢(shì)的大小與兩種導(dǎo)體的材料性質(zhì)有關(guān)，與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，不是測(cè)量回路電流，而是測(cè)量基準(zhǔn)端開路電壓。基準(zhǔn)端裝入冰水，根據(jù)所測(cè)電壓值求測(cè)點(diǎn)溫度。各個(gè)國(guó)家都有自己的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一般都以00C為

4、基準(zhǔn)端溫度，給出溫差電動(dòng)勢(shì)電壓。圖112熱電偶測(cè)溫示意圖圖113兩種導(dǎo)體的接觸 兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì) 不同金屬自由電子密度不同，當(dāng)兩種金屬接觸在一起時(shí)，在結(jié)點(diǎn)處會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散，濃度大的向濃度小的金屬擴(kuò)散。濃度高的失去電子顯正電，濃度低的得到電子顯負(fù)電。當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，得到一個(gè)穩(wěn)定的接觸電勢(shì)。溫度T時(shí)熱端接觸電勢(shì)：冷端接觸電勢(shì)：式中：A、B代表不同材料；是波爾茲曼常數(shù)；為電子電荷量；、為兩端溫度；、是A、B材料的電子濃度；在閉合回路中，總的接觸電勢(shì)為： 單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)） 對(duì)一單一金屬，如果兩邊溫度不同，兩端也會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)。產(chǎn)生這個(gè)電勢(shì)是由于導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動(dòng)能，

5、會(huì)向低溫端擴(kuò)散。由于高溫端失去電子帶正電，低溫端得到電子帶負(fù)電。單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)為：圖114單一導(dǎo)體的溫差 B兩導(dǎo)體構(gòu)成閉合回路總的溫差電勢(shì)為： 根據(jù)兩導(dǎo)體的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體溫差電勢(shì)，熱電偶總的熱電勢(shì)為：圖115熱電偶總的熱電勢(shì)綜上所述有如下結(jié)論： 熱電偶兩電極材料相同，NA=NB時(shí)，無(wú)論兩端點(diǎn)溫度如何，總熱電勢(shì)為零； 如果熱電偶兩接點(diǎn)溫度相同，T=T0時(shí)，A、B材料不同，回路總電勢(shì)為零； 因此，熱電偶必須用不同材料做電極，在T、T0兩端必須有溫差梯度，這是熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)的必要條件。 三種導(dǎo)體的熱電回路（中間導(dǎo)體定律） 如果將熱電偶T0端斷開，接入第三導(dǎo)體C，回路中電勢(shì)EAB（T，T0）

6、應(yīng)寫為：設(shè)時(shí)，將代入上式有：結(jié)論： 當(dāng)引入第三導(dǎo)體C時(shí)，只要C導(dǎo)體兩端溫度相同，回路總電勢(shì)不變，根據(jù)這一定律，將導(dǎo)體C作為測(cè)量?jī)x器接入回路，就可以由總電勢(shì)求出工作端溫度，條件是：保證兩端溫度一致。 圖116三種導(dǎo)體的熱電回路 參考電極定律（中間溫度定律） 當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)的熱電勢(shì)EAB（T，T0）等于結(jié)點(diǎn)溫度 T、TC和 TC、T0時(shí)熱電勢(shì)與的代數(shù)和：實(shí)際測(cè)量時(shí)，利用這一性質(zhì)，對(duì)參考端溫度不為零度時(shí)的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。圖117中間溫度定律1112 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶種類：貴金屬熱電偶鉑銠鉑銠（6001700）鉑銠鉑（01600）普通金屬熱電偶鎳鉻鎳硅（-2001200）鎳鉻鎳銅（-4

7、0750）鐵康銅（0400）結(jié)構(gòu)：普通熱電偶，測(cè)量氣體、蒸汽、液體等，棒形結(jié)構(gòu)；薄膜熱電偶，用于火箭、飛機(jī)噴嘴溫度測(cè)量，結(jié)構(gòu)較薄；鎧裝熱電偶，用以測(cè)量狹小對(duì)象，結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)、可彎曲；表面熱電偶，用于弧形表面物體測(cè)溫；消耗式熱電偶，主要用于鋼水溫度測(cè)量。熱電偶可以測(cè)量上千度高溫，并且精度高、性能好，這是其它溫度傳感器無(wú)法替代的。a)鎧裝熱電偶b)薄膜熱電偶c)鎧裝熱電偶圖118幾種熱電偶的結(jié)構(gòu)1113熱電偶測(cè)量電路熱電偶輸出電壓極小，約幾十V，需要采用低失調(diào)電壓運(yùn)算放大器，圖11.8給出了一種K型熱電偶的測(cè)量電路。圖中R3、C1為輸入濾波電容，通過查表K型熱電偶在0時(shí)產(chǎn)生熱電勢(shì)為0mV，600時(shí)熱電

8、勢(shì)E=24.902Mv,放大器增益為240.94，可得到滿量程輸出6V（600）。電路調(diào)試步驟：調(diào)零：溫度時(shí)，調(diào)整調(diào)零電位器RP2，使運(yùn)放輸出為零；調(diào)增益：溫度600時(shí)，調(diào)節(jié)負(fù)反饋電阻，使運(yùn)放輸出在6V。熱電偶分度表以t=0作基準(zhǔn)，而實(shí)際應(yīng)用中t0，若參考端溫度不為0，工作端溫度為t時(shí)，由分度表可查出EAB（t,0），與實(shí)際熱電勢(shì)EAB（t,t0）之間關(guān)系可通過參考電極定律得出：圖119熱電偶測(cè)量電路示意圖112 熱敏電阻金屬熱電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻統(tǒng)稱熱電阻。利用金屬熱電阻、半導(dǎo)體電阻值隨溫度變化的原理進(jìn)行溫度測(cè)量。熱敏電阻傳感器主要有兩大類：金屬熱電阻半導(dǎo)體熱敏電阻廣泛用于測(cè)量-200+85

9、0，少數(shù)可以測(cè)量1000。1121 金屬熱電阻一般用于-200+500溫度測(cè)量，材料多為純鉑金屬絲，也有銅、鎳，將0.030.05mm金屬芯線繞制在云母板、玻璃或陶瓷線圈架上，構(gòu)成熱電阻。鉑熱電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系近似為：-200O+0850式中：、為溫度和時(shí)的電阻值。溫度時(shí)的公稱值是。1122熱敏電阻近年來(lái)，幾乎所有的家用電器產(chǎn)品都裝有微處理器，溫度控制完全智能化，這些溫度傳感器幾乎都使用熱敏電阻。熱敏電阻用半導(dǎo)體材料氧化復(fù)合燒結(jié)而成，主要材料有：Mn、Co、Ni、Cu、Fe氧化物，結(jié)構(gòu)分為：二端、三端、四端、直熱式、旁熱式。熱敏電阻符號(hào)如圖11.9所示。 電阻溫度特性圖11-9 熱敏

10、電阻符號(hào) 多數(shù)熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，溫度升高電阻下降，同時(shí)靈敏度下降，所以熱電阻限制了它在高溫下使用。目前，熱敏電阻溫度上限約300 。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的特性曲線用經(jīng)驗(yàn)公式表示：溫度為時(shí)的電阻值；與材料和形狀有關(guān)；為常數(shù)。PTC 正溫度系數(shù)型；NTC 負(fù)溫度系數(shù)型；圖11-10負(fù)溫度系數(shù)型熱敏電阻特性曲線 熱敏電阻最大的缺點(diǎn)是，產(chǎn)品一致性差，互換性不好，因此一般不在石油、鋼鐵、制造業(yè)上使用。 1123 應(yīng)用圖11.11是一恒溫電路，A為比較器，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到T時(shí)，輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)溫控制。同相端輸入有RP1、R2、R3分壓確定作比較電平，當(dāng)溫度T升高時(shí)，正溫度系數(shù)熱敏電阻Rt 阻值上升，反

11、相端Ua升高，當(dāng)Ua升高至與同相端Ub相等時(shí)，比較器A輸出電壓Uo翻轉(zhuǎn)為低電平，可輸出控制開關(guān)繼電器。RP可調(diào)節(jié)比較器的比較電平，從而調(diào)節(jié)所需控制溫度。圖11-11熱敏電阻的恒溫控制電路113 集成溫度傳感器集成溫度傳感器利用PN結(jié)的電流、電壓特性與溫度的關(guān)系，一般只能測(cè)量150以下溫度測(cè)量。1131集成溫度傳感器的測(cè)溫原理集成溫度傳感器把熱敏晶體管和外圍電路、放大器、偏置電路及線性電路制作在同一芯片上，利用發(fā)射極電流密度在恒定比率下工作的晶體管對(duì)的基極發(fā)射極電壓VBE之間的差與溫度呈線性關(guān)系，如伏安方程式：式中：波爾滋蔓常數(shù)；電子電荷量；絕對(duì)溫度； V1、V2發(fā)射極面積比。正比于絕對(duì)溫度，只

12、要保證恒定，就可以使與為單值函數(shù)。圖11.12是絕對(duì)溫度比例電路（PTAT），V1、V2是兩只互相匹配的溫敏晶體管，I1、I2是集電極電流，由恒流源提供，Vbe是兩個(gè)晶體管發(fā)射極和基極之間電壓差。圖11-12 集成溫度傳感器基本電路原理圖圖11-13 電壓輸出型電路原理圖1132 集成溫度傳感器信號(hào)輸出方式 電壓輸出型 電壓輸出型電路原理如圖11-13所示，輸出電壓正比于絕對(duì)溫度，V1、V2的發(fā)射結(jié)壓降之差全部落在電阻R1上，流過R1上電流為，流過R2上的電流也等于，是恒定電流。電路輸出為：，可見輸出電壓U0與絕對(duì)溫度T成正比關(guān)系。 電流輸出型 電流輸出型電路原理見圖11.14，V1、V2是結(jié)

13、構(gòu)對(duì)稱的晶體管作為恒流源負(fù)載，V3、V4是測(cè)溫用晶體管，V3發(fā)射結(jié)面積是V4管的8倍（=8），流過電路的總電流是：若R=358，電路輸出溫度系數(shù)為：圖11-14 電流輸出型電路原理圖圖11-15 AD590 引腳和內(nèi)部電路原理圖1133 AD590集成溫度傳感器電流輸出型典型集成溫度傳感器有AD590（美國(guó)AD公司生產(chǎn)），國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品SG590，引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖11.115。該器件電源電壓430V，測(cè)溫范圍-50+150，AD590在溫度25（298.2K）時(shí)，理想輸出298.2A，實(shí)際存在誤差，可通過電位器調(diào)整，使是出電壓滿足1mV/K 的關(guān)系。（a）（b）圖11-16 AD590 典型應(yīng)用本章小結(jié):溫度傳感器電阻因溫度而變化1）金屬熱電阻：溫度越高，電阻越大，元件，在500以下使用；2）半