熱電式傳感器

關(guān)于熱電式傳感器第一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二溫度傳感器的種類應(yīng)用的物理量氣體溫度計(jì)玻璃溫度計(jì)體積雙金屬（熱膨脹）壓力溫度計(jì)鉑電阻熱敏電阻電阻銅電阻熱電偶------------------熱電動(dòng)勢(shì)第二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二溫度傳感器的種類應(yīng)用的物理量熱鐵氧體------------------磁性陶瓷------------------------電容量晶體管---------------------晶體管特性石英振子超聲溫度計(jì)彈性熱敏材料液晶色輻射溫度傳感器光傳感器熱、光輻射

其他------------------------各種物理量第三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二第四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二

接觸電勢(shì)：兩種不同金屬導(dǎo)體接觸時(shí)，在接觸面上因自由電子密度不同而發(fā)上電子擴(kuò)散，一個(gè)導(dǎo)體失去電子而帶正電荷，另一個(gè)導(dǎo)體因獲得電子而帶負(fù)電荷，在兩金屬導(dǎo)體接觸面上便形成一個(gè)靜電場(chǎng)，這個(gè)靜電場(chǎng)阻礙了電子的繼續(xù)擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在接觸區(qū)形成一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)差—接觸電勢(shì)。電子擴(kuò)散速率與兩導(dǎo)體的電子密度和接觸區(qū)的溫度成正比。（接觸電勢(shì)一個(gè)副作用是電腐蝕問題，這在某些情況下必須抑制。）第五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二溫差電勢(shì)：單一導(dǎo)體中，如果兩端溫度不同，在兩端會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)。導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動(dòng)能，因而向低溫端擴(kuò)散，結(jié)果高溫端已失去電子而帶正電荷，低溫端因得到電子而帶負(fù)電荷，從而形成一個(gè)靜電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻礙電子的繼續(xù)擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在導(dǎo)體的兩端便產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電位差——溫差電勢(shì)。第六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二第七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二第八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二意義：將第三種導(dǎo)體換成儀表或?qū)Ь€時(shí)，只要保持兩點(diǎn)溫度相同，就可以對(duì)熱電勢(shì)進(jìn)行測(cè)量，而不影響原來熱電勢(shì)的數(shù)值。第九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二當(dāng)三點(diǎn)溫度相同時(shí)當(dāng)AB為T時(shí)第十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二第十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二我國常用的熱電偶型號(hào)、測(cè)溫范圍及允許偏差如下表第十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二分度表熱電偶的計(jì)算公式：

理論計(jì)算熱電勢(shì)E繁雜。通常在實(shí)際使用中，編制出針對(duì)各種熱電偶的熱電勢(shì)與溫度對(duì)照表，稱為“分度表”，表中溫度按10℃分檔，其中間值可按內(nèi)插法計(jì)算。各表均按參考溫度為0℃的條件取值。（熱電偶的分度法有若干種）

熱電偶的輸出電勢(shì)范圍10～60mV第十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二鉑銠10—鉑熱電偶（S型）分度表（冷端T0=0℃

）

第十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二鎳鉻—鎳硅熱電偶（K型）分度表（冷端T0=0℃

）

第十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二（普通型熱電偶，鎧裝式熱電偶）碰底型不碰底型露頭型帽型第十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二3.熱電偶冷端溫度補(bǔ)償由熱電偶測(cè)溫原理知道，只有冷端溫度保持不變時(shí)，熱電勢(shì)才是被測(cè)溫度的單值函數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于熱電偶工作端與冷端距離很近，冷端又暴露于空間，容易受到環(huán)境溫度波動(dòng)的影響，也就是說熱電偶的冷端溫度是變化不定的。而熱電偶的分度表又是按照冷端為0℃給出的，所以必須對(duì)熱電偶的冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償。第十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二

加入一項(xiàng)

只要使得

則冷端溫度得到補(bǔ)償。幾種冷端補(bǔ)償方法第十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二（1）冰浴法將熱電偶的冷端置于冰水中，使冷端保持0℃，這種方法最為妥善，但不夠方便，僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室使用。（2）補(bǔ)償電橋電橋四個(gè)臂與冷端處于同一溫度，其中R1=R2=R3為錳銅線繞電阻，R4為銅導(dǎo)線繞制的補(bǔ)償電阻，E為電橋電源，R為限流電阻。選擇R4的阻值使電橋保持平衡，Uab=0。當(dāng)冷端溫度升高時(shí)，阻值隨之增大，電橋失去平衡，Uab相應(yīng)增大。熱電偶的熱電勢(shì)隨冷端溫度升高而減小，若Uab增量等于熱電勢(shì)的減小量，則回路總的電勢(shì)UAB的值就不會(huì)隨著熱電偶冷端溫度變化而變化。第十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二

UAB=e+Uab_+at0t0etAB+_UabUABbRER1R2R3R4第二十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二（3）冷端溫度計(jì)算校正法由于熱電偶的分度表是在冷端保持0℃的情況下得到的，與它匹配使用的儀表又是根據(jù)分度表進(jìn)行刻度的，而冷端雖然可以保持恒定，但并不一定等于0℃，必須加以修正。例：K型熱電偶在工作時(shí)冷端溫t0=30℃度，測(cè)得熱電勢(shì)EK(t,t0)=39.17mV。求被測(cè)介質(zhì)的實(shí)際溫度t？解：由分度表查出

EK(30℃,0℃)=1.20mV則EK(t,0℃)=EK(t,30℃)+EK(30℃,0℃)=39.17+1.20=40.37mV

查分度表求出真實(shí)溫度t=977℃第二十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二（4）專用補(bǔ)償模塊（5）補(bǔ)償系數(shù)修正法設(shè)冷端溫度為，測(cè)得的溫度為，則實(shí)際溫度

熱電偶補(bǔ)償系數(shù)，可以通過查表獲得。第二十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二

幾種常用熱電偶的值第二十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二

根據(jù)熱電偶中間導(dǎo)體定律，可以采用第三種材料延伸熱電偶的引線（補(bǔ)償導(dǎo)線）距離，但使用時(shí)必須注意：（1）補(bǔ)償導(dǎo)線只能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用（2）不同型號(hào)的熱電偶有不同的導(dǎo)線（3）熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個(gè)接點(diǎn)要保持同溫度第二十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二4.熱電偶的傳熱誤差和動(dòng)態(tài)誤差（1）傳熱誤差

熱電偶測(cè)溫是通過熱電偶與被測(cè)介質(zhì)之間進(jìn)行熱交換來進(jìn)行的，熱電偶吸收被測(cè)介質(zhì)傳送來的熱量，提高自身溫度，同時(shí)，又向周圍散失熱量。當(dāng)熱交換達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，熱電偶的測(cè)量端就達(dá)到了一個(gè)穩(wěn)定溫度。由于熱量散失，熱電偶測(cè)量端溫度低于被測(cè)介質(zhì)溫度，因此產(chǎn)生傳熱誤差。它是由導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種基本熱交換形式造成的。第二十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二（2）動(dòng)態(tài)誤差熱電偶測(cè)溫時(shí)，熱接點(diǎn)具有一定的熱容量，因此達(dá)到熱平衡需要一定的時(shí)間，熱接點(diǎn)溫度的變化總是滯后被測(cè)介質(zhì)的溫度變化。這種由于熱慣性引起的溫度偏差，稱為動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差。對(duì)于以熱對(duì)流為主要散熱的熱電偶有：

——接點(diǎn)溫度

——被測(cè)介質(zhì)實(shí)際溫度

——時(shí)間常數(shù)第二十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二

式中：接點(diǎn)比熱容接點(diǎn)材料的質(zhì)量密度對(duì)流換熱系數(shù)熱接點(diǎn)的體積熱接點(diǎn)表面積熱電偶傳遞函數(shù)為一階慣性環(huán)節(jié)減小，則動(dòng)態(tài)誤差減小第二十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二減小動(dòng)態(tài)誤差方法：●采用尺寸較小和較小的測(cè)量端●選用比熱容和密度小的熱電偶材料●采用外電路補(bǔ)償在系統(tǒng)中串聯(lián)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)使得測(cè)溫系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：用外電路補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)誤差修正，需要知道熱電偶的時(shí)間常數(shù)，常用時(shí)間常數(shù)測(cè)試方法主要有，沸水法、激波管法、激光法和風(fēng)洞試驗(yàn)。第二十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二一階慣性環(huán)節(jié)單位階躍響應(yīng)曲線給熱電偶一個(gè)溫度階躍，記錄下熱電偶的響應(yīng)曲線，取其幅值的0.632處對(duì)應(yīng)的時(shí)間，即為熱電偶的時(shí)間常數(shù)。第二十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二第三十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二第三十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二另外，還有其他熱電阻（鎳熱電阻、鐵熱電阻等等）。第三十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二9.2.3熱電阻測(cè)量電路一般采用直流電橋作為熱電阻的測(cè)量電路R1R2R3RtU(I)WWR3R2R1RtUoUoU(I)第三十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二

由上式可見電橋輸出與鉑電阻變化是非線性關(guān)系。鉑電阻與溫度之間基本上是線性關(guān)系，由于測(cè)量電橋，使得輸出電壓與鉑電阻產(chǎn)生了非線性。為了消除測(cè)量電路引起的非線性，是否可以采用差動(dòng)電橋或者全臂電橋？答案是否定的，因?yàn)殂K電阻需要安裝在測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)，而電橋其他橋臂在儀表中，另外沒有負(fù)溫度系數(shù)的鉑電阻。如果在電橋?qū)Ρ鄄捎孟嗤你K電阻，則電橋沒有平衡狀態(tài)。第三十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二

一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)這種非線性是允許的。如果要提高測(cè)量精度，可以采用分段校正的方法或者采用拋物線校正方法。

在鉑電阻實(shí)際應(yīng)用中，電橋的電流通常在2～6mA范圍（主要是考慮到驅(qū)動(dòng)功率和鉑電阻本身發(fā)熱問題）。

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)鉑電阻距離儀表可能數(shù)十米，引線電阻就不能不加以考慮（更遠(yuǎn)的就離可采用變送器傳輸）。第三十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二三線制測(cè)量電路考慮連線電阻當(dāng)電橋平衡時(shí)，可寫出下面關(guān)系式RtR3R2R1wR2R1R3RtrrrUoUo第三十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二

設(shè)計(jì)電橋時(shí)，滿足，則含有項(xiàng)完全消去，這種情況下連線電阻對(duì)橋路平衡沒有影響，即可消除熱電阻測(cè)量過程中連線電阻的影響。上面結(jié)論的前提是電橋處于平衡狀態(tài)，如果電橋處于非平衡狀態(tài)，三線制并不能完全消除連線電阻的影響，但大大降低了其影響。第三十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二熱電阻與熱電偶比較1.同樣溫度下熱電阻輸出信號(hào)較大，易于測(cè)量。2.測(cè)電阻必須借助外電源，熱電偶是自發(fā)式傳感器。3.熱電阻感溫部分尺寸較大，熱電偶工作端是很小的焊點(diǎn)，因而熱電阻測(cè)溫反應(yīng)速度比熱電偶慢。4.同類材料制成的熱電阻不如熱電偶測(cè)溫上限高。由于熱電阻必須用細(xì)導(dǎo)線繞在絕緣支架上，支架材料受到高溫限制。第三十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二第三十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二第四十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二一般而言，同一型號(hào)的熱敏電阻阻值存在3%~5%誤差，熱敏電阻常數(shù)也存在3%誤差。所以，熱敏電阻的一致性比較差。第四十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二第四十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二9.3.3熱敏電阻基本參數(shù)1.標(biāo)稱電阻值標(biāo)稱電阻是熱敏電阻在25℃時(shí)的阻值2.材料常數(shù)B（K）

B值越大，則阻值越大，靈敏度越高。在工作溫度范圍內(nèi)，B值并不是一個(gè)嚴(yán)格的常數(shù)，它隨溫度升高略有增加。3.電阻溫度系數(shù)（%/℃）4.耗散系數(shù)H（mW/℃）熱敏電阻溫度變化1℃所耗散的功率。其大小與熱敏電阻的形狀、結(jié)構(gòu)以及所處介質(zhì)的種類、狀態(tài)有關(guān)。第四十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二5.時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)定義為熱容量C與耗散系數(shù)H之比其數(shù)值等于熱敏電阻在零功率測(cè)量狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時(shí)熱敏電阻隨溫度變化量從起始點(diǎn)到最終點(diǎn)變化量的63.2%所需時(shí)間。6.測(cè)量功率Pc(W)

在規(guī)定的環(huán)境溫度下，電阻體由測(cè)量電流加熱而引起的電阻值變化不超過0.1%時(shí)所消耗的功率。7.最高工作溫度Tmax

熱敏電阻在規(guī)定的技術(shù)條件下，長期連續(xù)工作所允許的溫度。第四十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二9.3.4熱敏電阻的電流-電壓特性伏安特性是熱敏電阻的重要特性。它表示加在熱敏電阻上的端電壓和通過電阻體的電流在電阻本身與周圍介質(zhì)平衡時(shí)的相互關(guān)系。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻正溫度系數(shù)熱敏電阻伏—安特性伏—安特性第四十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二

當(dāng)電流很小時(shí)（如小于Ia）時(shí)，元件的功耗小，電流不足以引起熱敏電阻發(fā)熱，元件的溫度基本上就是環(huán)境溫度T0。電壓與電流符合歐姆定律。隨著電流的增加，熱敏電阻的耗散功率增加，使工作電流引起的熱敏電阻自身的溫升超過介質(zhì)溫度，則熱敏電阻的阻值下降。當(dāng)電流為Im時(shí)，其電壓達(dá)到最大值Um。如電流繼續(xù)增加，熱敏電阻自身升溫更劇烈，使其阻值繼續(xù)減小，熱敏電阻的電壓隨電流的增加而降低。當(dāng)電流超過某一允許值時(shí)，熱敏電阻將被燒壞。第四十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二依據(jù)熱敏電阻的伏安特性可以正確的選擇熱敏電阻的正常工作范圍。一般熱敏電阻的適用范圍在-100～350℃之間。如果要求特別穩(wěn)定，最高溫度不要超過150℃根據(jù)熱敏電阻的伏安特性，可以設(shè)計(jì)不同用途的傳感器。第四十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二9.3.5熱敏電阻的非線性熱敏電阻特性的嚴(yán)重非線性，是擴(kuò)大測(cè)溫范圍和提高精度必須解決的關(guān)鍵問題。解決的辦法是，利用溫度系數(shù)小的金屬電阻與熱敏電阻串聯(lián)或并聯(lián)，使熱敏電阻在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系。ERxRtARtRtRxRxRyu第四十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二9.3.6熱敏電阻的應(yīng)用熱敏電阻的用途主要分為兩大類：一類是作為檢測(cè)元件，另一類是最為電路元件。熱敏電阻工作在伏—安特性曲線Oa段時(shí)，流過熱敏電阻的電流很小，電阻體溫度接近環(huán)境溫度。屬于這一類的應(yīng)用有溫度測(cè)量、電路元件的補(bǔ)償、濕度測(cè)量等。熱敏電阻工作在伏—安特性曲線bc段時(shí)，熱敏電阻受環(huán)境溫度和自身耗散功率影響，利用這段特性熱敏電阻作為開關(guān)元件使用。熱敏電阻工作在伏—安特性曲線cd段時(shí)，熱敏電阻的耗散功率使熱敏電阻溫度大大超過環(huán)境溫度第四十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二

利用這一區(qū)域的特性，熱敏電阻可用來作啟動(dòng)電阻、時(shí)間繼電器以及流量測(cè)量等。1.測(cè)溫電路簡單測(cè)溫電路儀表或控制器現(xiàn)場(chǎng)熱敏電阻采樣電阻射隨器第五十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二2.管道流量測(cè)量

Rt1和

Rt2為熱敏電阻，

Rt1放入被測(cè)流量管道中；

Rt2放入不受流體流速影響的容器內(nèi)，R1和R2為一般電阻。4個(gè)電阻組成橋路。測(cè)量管道流量示意圖當(dāng)流體靜止時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，電流計(jì)上沒有指示。當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，Rt1上的熱量被帶走，Rt1因溫度變化引起阻值變化，電橋失去平衡，電流計(jì)出現(xiàn)示數(shù)，其數(shù)值與流體流速成正比。第五十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二3.熱電式繼電器下圖是一種應(yīng)用熱敏電阻組成的電機(jī)過熱保護(hù)線路。三只特性相同的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻串聯(lián)在一起，固定在電機(jī)三相繞組附近。熱電式繼電器電機(jī)正常工作時(shí)，繞組溫度較低，熱敏電阻阻值較大，三極管不導(dǎo)通，繼電器不動(dòng)作。當(dāng)電機(jī)過載或某一相短路時(shí)，電機(jī)繞組溫度急劇上升，熱敏電阻阻值下降，三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，電機(jī)電路被斷開，起到保護(hù)作用。第五十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二4.溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償是利用熱敏電阻的溫度特性來補(bǔ)償某些具有相反電阻溫度系數(shù)的元件，從而改善電路對(duì)環(huán)境溫度變化的適應(yīng)能力，例如下圖。當(dāng)溫度升高使晶體管集電極電流Ic增加，同時(shí)由于溫度升高也使熱敏電阻阻值相應(yīng)減小，則晶體管基極電位Ub下降，使基極電流Ib減小，從而使集電極電流Ic減小，晶體管靜態(tài)點(diǎn)補(bǔ)償達(dá)到穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的目的。IbIC第五十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二第五十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二第五十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二熱釋電型傳感器一般采用下面的電極結(jié)構(gòu)。熱釋電體受到調(diào)制頻率為f的輻射照射并吸收能量，使晶體溫度上升，自發(fā)極化強(qiáng)度按f周期變化，則表面束縛電荷的密度也按f變化，使晶體在垂直自發(fā)極化強(qiáng)度方向的兩個(gè)面上出現(xiàn)開路交流電壓。PsPs面電極邊電極第五十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二熱釋電傳感器應(yīng)用紅外線測(cè)溫、自動(dòng)門、報(bào)警裝置等第五十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二集成溫度傳感器是將溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一個(gè)芯片上的溫度傳感器第五十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二1.AD590半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590三種封裝形式：T0-52封裝、陶瓷封裝（測(cè)溫范圍-50℃～+150℃）和T0-92封裝（測(cè)溫范圍0℃～+70℃）。T0-52封裝的AD590系列產(chǎn)品的外形和符號(hào)如圖所示，1腳為正極，2腳為負(fù)極，3腳接管殼（使用時(shí)將3腳接地，可起到屏蔽作用）。工作電壓4～30V,對(duì)應(yīng)于熱力學(xué)溫度T每變化1K，就輸出的1uA電流。132外形符號(hào)AD590第五十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二AD590測(cè)量電路uA-+++--mV9V9V第六十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期二2.數(shù)字輸出型溫度傳感器DS18B20DS18B20在管芯內(nèi)集成了溫敏元件、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片、存儲(chǔ)芯片和計(jì)算機(jī)接口電路等多功能模塊。DS18B20

直接輸出二進(jìn)制溫度信號(hào)，并通過串行方式與單片機(jī)通信。用其組成的測(cè)溫系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可靠性、維護(hù)工