熱電式傳感器

1、第7章 熱電式傳感器第7章 熱電式傳感器主要內(nèi)容： 7.1 熱電阻 7.2 半導(dǎo)體集成溫度傳感器 7.3 熱電偶第7章 熱電式傳感器我國目前實(shí)行的是1990年國際溫標(biāo)(ITS90） 定義國際開爾文溫度 單位（K）開爾文 國際攝氏溫度 單位(）攝氏 兩者關(guān)系為： t() = T(K) 溫度單位：熱力學(xué)溫度是國際上公認(rèn)的基本單位第7章 熱電式傳感器 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。概述 第7章 熱電式傳感器概述 根據(jù)所用測溫物質(zhì)的不同和測溫范圍不同，有煤油溫度計(jì)、酒精溫度計(jì)

2、、水銀溫度計(jì)、氣體溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、溫差溫度計(jì)、輻射溫度計(jì)、光測溫度計(jì)等等。第7章 熱電式傳感器 溫度傳感器的種類很多，如果按原理可分為： 1.熱脹冷縮原理：水銀溫度計(jì) 2.電氣參數(shù)的變化：熱電偶、熱電阻溫度計(jì) 3.物體表面熱輻射與溫度的關(guān)系：輻射溫度計(jì)，比色溫度計(jì) 工業(yè)上使用的溫度傳感器，性能價(jià)格差別比較 大。如傳感器的精度直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量和 控制過程，通常價(jià)格比較貴。 概述 第7章 熱電式傳感器概述 各種溫度傳感器第7章 熱電式傳感器 溫度傳感器按工作原理主要有以下幾類： 熱電偶:利用金屬溫差電動(dòng)勢，有耐高溫、 精度高的特點(diǎn)； 金屬熱電阻:利用導(dǎo)體隨溫度變化，線性好； 熱敏電阻:利用半

3、導(dǎo)體材料隨溫度變化測 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，測量150以下溫度。概述 第7章 熱電式傳感器 熱電阻傳感器主要有兩大類： 金屬熱電阻 半導(dǎo)體熱敏電阻 廣泛用于測量 -200+850，少數(shù)可測1000。7.1 熱電阻貼片式薄膜式 大功率 1.原理： 溫度電阻變化測溫機(jī)理：在金屬導(dǎo)體兩端加電壓后，自由電子形成有規(guī)律的定向運(yùn)動(dòng)，使導(dǎo)體導(dǎo)電。當(dāng)溫度升高時(shí)由于自由電子獲得較多的能量，能從定向運(yùn)動(dòng)中掙脫出來，從而定向運(yùn)動(dòng)被削弱，導(dǎo)電率降低，電阻率增大。要求：在熱電阻傳感器中，選用 大，溫度系數(shù)大的金屬

4、 材料，同時(shí)要求其物理化學(xué)性能穩(wěn)定，可加工性好. 材料：典型如鉑、銅、鎳。 第7章 熱電式傳感器7.1 熱電阻7.1.1 金屬熱電阻2.結(jié)構(gòu)：由一定材料的電阻絲繞制而成，為了避免通過交流電時(shí)產(chǎn)生感抗，或有交變磁場時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，在繞制時(shí)采用雙線無感繞制法，由于通過兩股導(dǎo)線的電流方向相反，從而使其產(chǎn)生的磁通相互抵消。第7章 熱電式傳感器7.1 熱電阻7.1.1 金屬熱電阻3.溫度特性鉑電阻：鉑電阻阻值與溫度的關(guān)系成近似直線，在 度范圍內(nèi)可作溫度標(biāo)準(zhǔn)儀器。特性關(guān)系：-200O +0850 式中： 為溫度 和 時(shí)的電阻值。 溫度 時(shí)， 的公稱值是 。 純度越高，電阻值越準(zhǔn)；工業(yè)用的Ro一般為50

5、或100百度電阻比：鉑電阻的性質(zhì)與鉑的純度有關(guān)阻值：標(biāo)準(zhǔn)的Ro一般為10 或30第7章 熱電式傳感器7.1 熱電阻7.1.1 金屬熱電阻分度表！鉑測溫電阻元件的電阻的溫度特性 第7章 熱電式傳感器7.1 熱電阻7.1.1 金屬熱電阻第7章 熱電式傳感器7.1 熱電阻7.1.1 金屬熱電阻銅電阻：銅溫度系數(shù)大于鉑，電阻率較低，價(jià)格便宜，易于加工，提純；但易氧化，不適用于高溫，體積大。 應(yīng)用范圍 -50 - +150攝氏度特性關(guān)系： 純度：W（100）阻值：50 歐 , 100歐第7章 熱電式傳感器7.1 熱電阻7.1.1 金屬熱電阻4.技術(shù)指標(biāo)使用范圍：可測量溫度范圍電阻值：標(biāo)準(zhǔn)零攝氏度時(shí)的電阻

6、值R0純度 允許誤差（誤差限）；測量電流：在此電流內(nèi)產(chǎn)生的溫升不影響測量精度熱惰性（時(shí)間常數(shù)）：110180S分度表：對應(yīng)不同阻值，有國家標(biāo)準(zhǔn)。5.測量電路2線單臂電橋：R1為熱電阻；R2，R3，R4為錳銅電阻，其溫度系數(shù) 極小，可認(rèn)其為固定電阻；單臂上的引線電阻計(jì)入測量結(jié)果。3線雙臂電橋：使引線電阻分布在相鄰的兩個(gè)橋臂上從而使它們因溫度產(chǎn)生的變化相互抵消。3線平衡電橋：加入 調(diào)節(jié)，G為指零儀表；平衡法中電流電壓的變化不影響結(jié)果。4線制恒流源法: 2根電流引線引入恒定電流, 2根電位引線消除引線及接觸電阻的影響.4線制電位差計(jì)：2根電流引線，2根電位引線。電位差計(jì)法不汲取電流，消除了引線、連接

7、導(dǎo)線的電阻影響。第7章 熱電式傳感器7.1 熱電阻7.1.1 金屬熱電阻測量電路近年來，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， 熱敏電阻符號(hào) 第7章 熱電式傳感器7.1 熱電阻7.1.2 熱敏電阻1. 測溫材料：對溫度非常敏感的熱敏電阻，所用材料一般為陶瓷半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性取決于電子空穴的濃度。第7章 熱電式傳感器7.1 熱電阻7.1.2 熱敏電阻NTC測溫機(jī)理：在低溫下電子空穴的濃度很低，故電阻率很大。隨著溫度的升高，電子空穴的濃度按指數(shù)規(guī)律增加，電阻率

8、迅速減小。NTC型溫度特性 B為熱敏材料系數(shù)電阻溫度系數(shù)：第7章 熱電式傳感器7.1 熱電阻7.1.2 熱敏電阻2.分類：正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)：在測量溫度范圍內(nèi)，其阻值隨溫度增加而增加。臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)：在臨界溫度附近電阻有急劇變化，因此不適于較寬溫度范圍內(nèi)的測量。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)：其阻值隨溫度增加而呈下降趨勢。第7章 熱電式傳感器7.1 熱電阻7.1.2 熱敏電阻3.特性曲線CTRCTR4.性能指標(biāo)：標(biāo)稱電阻 ：1k、2k，100k 、470k 溫度系數(shù) ：每變化 1度時(shí)，電阻值的變化。熱 容 量 C ： 每變化1度時(shí)吸收或釋放的能量。時(shí)間常數(shù) ：秒第7章

9、熱電式傳感器7.1 熱電阻7.1.2 熱敏電阻5.特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn):熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬熱電阻大，而且體積小、重量輕、很適用于小空間溫度測量，又由于熱慣性小，反應(yīng)速度快，適于測量快速變化的溫度. 不足:互換性差; 測量范圍較小. 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，所以限制了它在高溫下使用。目前，熱敏電阻溫度上限約300 。6. 檢測：由于溫度系數(shù)大，檢測電路中可忽略引線連接電阻影響?？刹捎貌黄胶怆姌颍?線接法。第7章 熱電式傳感器7.1 熱電阻7.1.2 熱敏電阻圖是一恒溫電路，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、R

10、3分壓確定作比較電平，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。熱敏電阻的恒溫控制電路第7章 熱電式傳感器7.1 熱電阻7.1.2 熱敏電阻第7章 熱電式傳感器7.2 半導(dǎo)體集成溫度傳感器7.2.1 集成溫度傳感器測溫原理 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)系測溫，一般測量溫度范圍在150以下。 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 對的基極發(fā)射極之間電壓VBE的差與溫度呈線性 關(guān)系。 圖為是絕對溫度比例電路 V1、V2是兩只互相匹配的 溫敏晶體管 I1、I2是集電極電流，由

11、電流源提供， VBE是兩個(gè)晶體管發(fā)射 極和基極之間電壓差。集成溫度傳感器基本 電路原理圖 第7章 熱電式傳感器半導(dǎo)體集成溫度傳感器7.2.1 集成溫度傳感器測溫原理BE 晶體管伏安方程式：K0 波爾茲曼常數(shù)； T 絕對溫度; V1、V2發(fā)射極面積比。 電子電荷量； 正比于絕對溫度 T，只要保證 恒定， 就可以使 與 T 為單值函數(shù)。 第7章 熱電式傳感器7.2 半導(dǎo)體集成溫度傳感器7.2.1 集成溫度傳感器測溫原理2）電流輸出型 V1、V2是結(jié)構(gòu)對稱的晶體管，提供鏡像電流源， V3、V4是測溫用晶體管，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

12、： 電流輸出型電路 第7章 熱電式傳感器半導(dǎo)體集成溫度傳感器7集成溫度傳感器信號(hào)輸出方式 電流輸出型典型集成溫度傳感器有AD590（美國AD公司生產(chǎn)），國內(nèi)同類產(chǎn)品SG590。 器件電源電壓430V， 測溫范圍-50+150。 AD590 引腳和內(nèi)部電路原理圖第7章 熱電式傳感器半導(dǎo)體集成溫度傳感器7.2.3 AD590集成溫度傳感器 AD590在溫度25（298.2K）時(shí)，理想輸出為298.2A，實(shí)際存在誤差，可通過電位器調(diào)整，使輸出電壓滿足1mV/K 的關(guān)系。 AD590 典型應(yīng)用第7章 熱電式傳感器半導(dǎo)體集成溫度傳感器7.2.3 AD590集成溫度傳感器第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶

13、7.3.1 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng):兩種不同類型的金屬導(dǎo)體兩端，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，形成電流。 利用這種效應(yīng)，只要知道一端結(jié)點(diǎn)溫度，就可以測出另一端結(jié)點(diǎn)的溫度。 固定溫度的結(jié)點(diǎn)稱基準(zhǔn)點(diǎn)（冷端）T0 ，恒定在某一標(biāo) 準(zhǔn)溫度； 待測溫度的結(jié)點(diǎn)稱測溫點(diǎn)（熱端）T ，置于被測溫度 場中。 這種將溫度轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢的傳感器稱為熱電偶,金屬稱熱電極。 第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.1 熱電效應(yīng)1）兩種導(dǎo)體的接觸電勢 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)產(chǎn)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

14、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。第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.1 熱電效應(yīng) 溫度T時(shí)熱端接觸電勢：冷端接觸電勢：、 、 式中： A、B 代表不同材料； T，T0 為兩端溫度； 波爾茲曼常數(shù)； 電子電荷量； 是A、B 材料的電子濃度；第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.1 熱電效應(yīng)在閉合回路中，總的接觸電勢為：第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.1 熱電效應(yīng) 2）單一導(dǎo)體的溫差電勢（湯姆遜電勢） 對單一金屬如果兩邊溫度不同，兩端也產(chǎn)生電勢。 產(chǎn)生這個(gè)電勢是由于導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具 有較大的動(dòng)能，會(huì)向低溫端擴(kuò)散。由于高溫端失

15、去電子帶正電，低溫端得到電子帶負(fù)電。第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.1 熱電效應(yīng) A、B 兩導(dǎo)體構(gòu)成閉合回路總的溫差電勢為：單一導(dǎo)體的溫差電勢為：第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.1 熱電效應(yīng)根據(jù)兩導(dǎo)體的接觸電勢和單一導(dǎo)體溫差電勢， 熱電偶總的熱電勢為：第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.1 熱電效應(yīng)E AB(T,T0)A=K/(e NAt) d(NAt t)/dt結(jié)論： 熱電偶兩電極材料相同即A=B, NA=NB時(shí)，無論兩端點(diǎn)溫度如何，總熱電勢為零； 2. 如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相同，T=T0時(shí)，A、B材料不同，回路總電勢為零； 熱電偶必須用不同材料做電極；在兩端必須有

16、溫度梯度，這是熱電偶產(chǎn)生熱電勢的必要條件。一般情況下,接觸電勢溫差電勢; NANB,即電子濃度大的導(dǎo)體為正極; 注： E AB(T,T0) =- E BA(T,T0) =- E AB(T0,T) 第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.1 熱電效應(yīng)1)中間導(dǎo)體定律 三種導(dǎo)體的熱電回路 如果將熱電偶T0端斷開， 接入第三導(dǎo)體C，回路中 電勢EAB（T，T0）應(yīng)寫為：第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.2 基本定律設(shè) 時(shí)， 將 代入上式有： 第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶基本定律結(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，回路總電勢不變。應(yīng)用： 根據(jù)這一定律，將導(dǎo)體C作為測量

17、儀器接入回路，就可以由總電勢求出工作端溫度，條件是：保證兩端溫度一致。第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.2 基本定律 2）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EAB（T，T0） 等于結(jié)點(diǎn)溫度 T、TC和 TC、T0 時(shí)，熱電勢與 的代數(shù)和為：第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.2 基本定律 應(yīng)用： 利用這一性質(zhì)，實(shí)際測量時(shí)，可對參考端溫度不為零度時(shí)的熱電勢進(jìn)行修正；是補(bǔ)償導(dǎo)線使用的理論基礎(chǔ)。第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.2 基本定律 2）參考電極定律（中間溫度定律） 3）勻質(zhì)導(dǎo)體定律 由同一勻質(zhì)材料組成的閉合回路中，無論溫度分布如何，都不能產(chǎn)生

18、熱電勢。 應(yīng)用： 熱電偶必須由兩種不同的勻質(zhì)材料組成， 可用于檢測電極材料是否為勻質(zhì)材料。第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.2 基本定律4）標(biāo)準(zhǔn)電極定則 當(dāng)熱電偶回路的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度為T，T0時(shí)，用導(dǎo)體AB組成的熱電偶的熱電勢等于熱電偶AC和熱電偶CB的熱電勢的代數(shù)和，即第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.2 基本定律應(yīng)用： C為標(biāo)準(zhǔn)電極，常用純鉑為標(biāo)準(zhǔn)電極，求出不同電極對標(biāo)準(zhǔn)電極的熱電勢，簡化不同電極間的選配。第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.2 基本定律4）標(biāo)準(zhǔn)電極定則熱電偶種類：貴金屬熱電偶 鉑銠30鉑銠6（6001700） 鉑銠10鉑 （01600）普通金屬熱電偶

19、鎳鉻鎳硅（-2001200） 鎳鉻鎳銅（-40750） 銅康銅 （0400）熱電偶可以測量上千高溫，并且精度高、 性能好，這是其它溫度傳感器無法替代的。第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.3 熱電偶的結(jié)構(gòu)和種類標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶 (1）鉑銠30-鉑銠6 分度號(hào)B 01700度 （2）鉑銠10-鉑 分度號(hào)S 0-1600度（3）鎳鉻-鎳硅 分度號(hào)K -200-1200度 (4) 鎳鉻-康銅 分度號(hào)E -200-900度 (5) 鐵-康銅 分度號(hào)J -200-750度 (6) 銅-康銅 分度號(hào)T -200-350度非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶 鉑銠系、銥銠系、鎢錸系熱電偶，用于高溫測量，可達(dá)2500度。 熱電偶

20、可以測量上千高溫，并且精度高、 性能好，這是其它溫度傳感器無法替代的。結(jié)構(gòu)： 普通熱電偶：測量氣體、蒸汽、液體等，棒形結(jié)構(gòu)； 薄膜熱電偶：用于火箭、飛機(jī)噴嘴溫度測量，結(jié)構(gòu)較?。?鎧裝熱電偶：用以測量狹小對象，結(jié)構(gòu)細(xì)長、可彎曲； 表面熱電偶：用于弧形表面物體測溫； 消耗式熱電偶：主要用于鋼水溫度測量。a)普通熱電偶 b)薄膜熱電偶 c)鎧裝熱電偶第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.3 熱電偶的結(jié)構(gòu)和種類 普通工業(yè)熱電偶的結(jié)構(gòu) (1)熱電極 (2)絕緣管 (3)保護(hù)套管 (4) 接線盒 熱電極絕緣管保護(hù)套管接線盒測溫范圍：分長期，短期；后者一般上限略高電 阻 率：一般為 時(shí)的電阻率，單位為熱

21、 電 勢：（,）mV, 在 時(shí)的熱電勢輸出值。分 度 號(hào)：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定允許誤差：絕對誤差，相對誤差時(shí)間常數(shù)：與結(jié)構(gòu)有關(guān)外形尺寸：直徑，長度，插入深度使用條件：物理/化學(xué)條件 使用壽命：與結(jié)構(gòu)、溫度有關(guān)。 穩(wěn) 定 性： 使用前后允許變化范圍. 另熔點(diǎn)，比熱，電阻溫度系數(shù)，密度等。 標(biāo)準(zhǔn)分度表第7章 熱電式傳感器5.3 熱電偶熱電偶的性能指標(biāo)1.冷端恒溫法: 保持T0為零攝氏度。第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.5 熱電偶的冷端補(bǔ)償2.計(jì)算修正法根據(jù)中間溫度定則，測出冷端溫度t03.儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法 在現(xiàn)場測量準(zhǔn)確度要求不高的情況下,將顯示儀表的機(jī)械點(diǎn)調(diào)到對應(yīng)值。第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.5 熱電偶的冷端補(bǔ)償4.補(bǔ)償導(dǎo)線法 對貴金屬采用低廉的補(bǔ)償導(dǎo)線，將冷端引入測量裝置中（冷端延伸）。要求：在規(guī)定溫度范圍內(nèi)，EAB（t, t0）=EAB（ t, t0 ）不同的熱電偶用不同的補(bǔ)償導(dǎo)線，正負(fù)極不能接反，兩連接點(diǎn)溫度必須相同。（？）第7章 熱電式傳感器7.3 熱電偶7.3.5 熱電偶的冷端補(bǔ)償5.補(bǔ)償電橋法（冷端補(bǔ)償器） 方法：單臂電橋輸出端串入電回路，橋臂一電阻為金屬熱電阻。 在環(huán)境溫度下