傳感器第七章 熱電式傳感器

傳感器第七章熱電式傳感器第1頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日一、熱電效應(yīng)如圖，把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料A、B連接成閉合回路，將兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度為及的熱源中，則在該回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，表示為這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電勢(shì)由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)構(gòu)成。7.1熱電偶第2頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（一）接觸電勢(shì)將兩種不同的金屬導(dǎo)體接觸，由于自由電子的密度不同，在接觸面上發(fā)生電子擴(kuò)散，電子擴(kuò)散的速率與兩導(dǎo)體的電子密度有關(guān)，并和接觸區(qū)的溫度成正比。參見下圖。第3頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日設(shè)兩種金屬的電子密度為和，接觸區(qū)的溫度為，則接觸電勢(shì)為上式不僅表示電勢(shì)的大小，同時(shí)反映了電勢(shì)降的方向，正方向?yàn)橛蠥金屬指向B金屬。（二）溫差電勢(shì)同一種金屬中，如果兩端溫度不同，在兩端間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溫差電勢(shì)。其原因是：溫度高的一端導(dǎo)體內(nèi)自由電子具有較大的動(dòng)能，向溫度低的一段擴(kuò)散，高溫端失去電子而帶正電，低溫端獲得電子帶負(fù)電。第4頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日溫差電勢(shì)的大小可表示為式中為湯姆遜系數(shù)，表示單位溫差所產(chǎn)生的溫差電勢(shì)。與材料性質(zhì)與兩端溫度有關(guān)。第5頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（三）熱電偶回路熱電勢(shì)由A、B兩種導(dǎo)體組成的熱電偶閉合回路，當(dāng)溫度，時(shí)，閉合回路總的熱電勢(shì)為或者第6頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日由上式可以看出：1.如果熱電偶兩種材料相同，則不管兩端是否有溫差，總熱電勢(shì)都為零;2.如果熱電偶兩種材料不同，而熱電偶兩端溫度相同，總熱電勢(shì)也為零；第7頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日在金屬導(dǎo)體中自由電子數(shù)目很多，溫度對(duì)自由電子密度影響很小，所以在同一種金屬中，溫差電勢(shì)極小，可以忽略，于是有在實(shí)際使用中，通常使為常數(shù)，即于是回路熱電勢(shì)可表示為第8頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日二、熱電偶基本定律（一）中間導(dǎo)體定律如圖所示的熱電偶中，回路總熱電勢(shì)為（忽略溫差電勢(shì)）第9頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日由上式可得可見，在熱電偶中插入第三種金屬，如果插入金屬兩端溫度保持一致，則熱電偶的熱電勢(shì)不變。（二）標(biāo)準(zhǔn)電極定律當(dāng)接點(diǎn)溫度為和時(shí)，用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電勢(shì)等于A、C和C、B組成熱電偶熱電勢(shì)的代數(shù)和，即第10頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第11頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日上式證明如下（忽略溫差電勢(shì)）。2007.10.18JGLX303->第12頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（三）連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律如圖，回路中總熱電勢(shì)（忽略溫差電勢(shì)）第13頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日上式變形得如果第14頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日前式變?yōu)橛纱丝梢?，只要金屬A與金屬B的電子密度之比與金屬A’和金屬B’的電子密度比相同，則熱電勢(shì)只與溫度有關(guān)，與中間接點(diǎn)溫度無關(guān)。第15頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三、常用熱電偶及結(jié)構(gòu)（一）常用熱電偶1.鉑銠-鉑熱電偶分度號(hào)為S。工作溫度1300?C，良好環(huán)境可到1600?C。復(fù)制精度和測(cè)量準(zhǔn)確性較高；缺點(diǎn)是熱電勢(shì)小、高溫時(shí)易受還原氣體和金屬蒸汽侵害編制、成本高。2.鎳鉻-鎳硅熱電偶分度號(hào)為K。工作溫度900?C，短時(shí)可到1200?C?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好、復(fù)制性好、熱電勢(shì)大、線性好、價(jià)格便宜；在還原介質(zhì)中易受腐蝕、精度偏低。第16頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3.鎳鉻-考銅熱電偶分度號(hào)為E。工作溫度600?C，短時(shí)可到800?C。適用于還原性和中性介質(zhì)。靈敏度高、價(jià)格便宜。測(cè)溫范圍窄、易受氧化、不易得到均勻線徑。4.鉑銠30-鉑銠6熱電偶分度號(hào)為B。工作溫度1600?C，短時(shí)可到1800?C。性能穩(wěn)定、精度高、適用于氧化或中性介質(zhì)。熱電勢(shì)小、價(jià)格高。B型熱電偶在低溫時(shí)熱電勢(shì)極小，因此在冷端40?C以下范圍內(nèi)對(duì)熱電勢(shì)可以不修正。5.銅-康銅熱電偶分度號(hào)為T。工作溫度-200~+200?C，多用于實(shí)驗(yàn)室。低溫穩(wěn)定性較好，低溫技術(shù)應(yīng)用較多。第17頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（二）熱電偶結(jié)構(gòu)1.熱電極熱電極的直徑由材料的價(jià)格、機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電率以及熱電偶的用途和測(cè)量范圍等決定。2.絕緣套管3.保護(hù)管4.接線盒第18頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日四、熱電偶冷端溫度補(bǔ)償（一）補(bǔ)償導(dǎo)線法為了使熱電偶的冷端溫度保持恒定，可以把熱電偶做得很長(zhǎng)，使冷端遠(yuǎn)離工作端，連同測(cè)量?jī)x表一起放置到恒溫或溫度波動(dòng)較小的地方。為了降低成本，采用延長(zhǎng)導(dǎo)線（補(bǔ)償導(dǎo)線）將熱電偶的冷端延長(zhǎng)。見下圖。第19頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（二）冷端溫度計(jì)算校正法在冷端溫度不能保持為0?C的情況下，可以測(cè)量出冷端的溫度，利用分度表和下式進(jìn)行校正。式中是在冷端溫度不為0?C的情況下，熱電偶的輸出電勢(shì)。是由分度表查得的熱電偶熱端為時(shí)熱電勢(shì)的值。（三）冰浴法利用冰水混合物，為0?C的特性，將熱電偶的冷端置于冰水混合物中。該法最符合理想情況，但使用不方便，由于冰要融化，因此要定時(shí)補(bǔ)充冰塊。第20頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第21頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（四）補(bǔ)償電橋法如圖，電橋四個(gè)橋臂中，有一個(gè)銅電阻，銅電阻溫度系數(shù)較大，阻值隨溫度改變而改變，因此電橋的輸出也隨之改變。第22頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日絕大多數(shù)金屬具有正溫度系數(shù)，溫度越高，電阻越大，利用這一規(guī)律可制成溫度傳感器，與熱電偶對(duì)應(yīng)，稱為熱電阻。一、常用熱電阻（一）鉑電阻在氧化環(huán)境中鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定。鉑電阻與溫度的關(guān)系可以用下式表示式中：7.2熱電阻第23頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日作為溫度傳感器的鉑需要達(dá)到一定的純度，工業(yè)上通常用，即100?C與0?C的電阻值之比，來衡量鉑的純度。（二）銅電阻銅電阻與溫度近似呈線性關(guān)系。銅電阻溫度系數(shù)大，容易加工和提純，價(jià)格便宜；缺點(diǎn)是溫度超過100?C時(shí)易氧化，電阻率小。銅電阻的測(cè)溫范圍一般為-50~150?C，其電阻與溫度的關(guān)系為式中：第24頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日二、熱電阻測(cè)溫電路（一）三線制為了避免導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量的影響，工業(yè)熱電阻大多采用三線制接法。如圖。當(dāng)電橋平衡時(shí)有于是取則式中右邊的項(xiàng)完全消去，這時(shí)對(duì)橋路平衡沒有影響。2006.10.30JC204->第25頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（二）四線制見圖。E為恒流源。由于電位差計(jì)的輸入阻抗很高，電位差計(jì)測(cè)得的電壓即是熱電阻兩端的電壓不受導(dǎo)線電阻影響，于是第26頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三、熱電阻的特點(diǎn)熱電阻與熱電偶相比有以下特點(diǎn)：1.同樣溫度下輸出信號(hào)較大，易于測(cè)量；2.測(cè)電阻必須借助外加電源；3.熱電阻感溫部分尺寸較大，反應(yīng)速度較熱電偶慢；4.同類材料制成的熱電阻不如熱電偶測(cè)溫上限高。第27頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日利用PN結(jié)的伏安特性與溫度的關(guān)系制成的一種固態(tài)傳感器。PN結(jié)伏安特性可用下式表示當(dāng)時(shí)，上式簡(jiǎn)化為則7.3集成溫度傳感器第28頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日由上式可見，只要通過PN結(jié)的正向電流恒定，則PN結(jié)的正向壓降與溫度的關(guān)系只受反向飽和電流的影響。是溫度的緩變函數(shù)，通過選擇合適摻雜濃度，可使在某溫度范圍內(nèi)近似為常數(shù)。此時(shí)為了提高線性，實(shí)際使用中選用將NPN型三極管的bc結(jié)短接，利用be結(jié)作為感溫元件。參見后圖。采用兩支晶體管構(gòu)成溫度測(cè)量傳感器，使用兩支晶體管可以起到差分減小溫漂和調(diào)整輸出幅度的作用。第29頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日一只晶體管的發(fā)射極密度可用下式表示通常，將上式化簡(jiǎn)、取對(duì)數(shù)后得通過控制工藝，使兩個(gè)晶體管滿足第30頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日則兩晶體管的之差，即兩端的壓降為由上式可知正比于絕對(duì)溫度。這就是集成溫度傳感器的基本原理。第31頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日集成溫度傳感器分為模擬式和數(shù)字式兩類。模擬式有電壓型和電流型兩種。電壓型的溫度系數(shù)約為10mV/?C。電流型的溫度系數(shù)約為1μA/?C。集成電流型溫度傳感器AD590，原理圖參見后面。AD590實(shí)際使用時(shí)，作為理想恒流源考慮，通過串聯(lián)一精密電阻，將電流轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，由CPU處理。AD590輸出電流與絕對(duì)溫度成正比，與攝氏溫度的關(guān)系為式中：第32頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第33頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日數(shù)字溫度傳感器DS18B20，內(nèi)部框圖如下。DS18B20數(shù)字溫度傳感器，內(nèi)部含有溫度傳感器電路、AD轉(zhuǎn)換電路、溫度報(bào)警電路、64位電子標(biāo)簽、1-wire總線控制器等部件。DS18B20可以同過電源引腳供電，也可以通過1-wire總線供電。第34頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

DS18B20通過1-wire總線與CPU連接如下圖。CPU接口必須為漏極開路輸出（OD）或三態(tài)輸出。第35頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

1-wire總線通信初始化過程如下圖。1-wire總線發(fā)送接受時(shí)序圖，見下頁(yè)圖。第36頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第37頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

DS18B20輸出為二進(jìn)制定點(diǎn)數(shù)，低4位為小數(shù)部分。參見下表。2007.10.22JGLX303->第38頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日熱敏電阻是一種用半導(dǎo)體材料制成的敏感元件。主要特點(diǎn)有：靈敏度高、體積小、使用方便。缺點(diǎn)是阻值與溫度呈非線性關(guān)系、元件穩(wěn)定性和互換性差。一、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)與材料（一）結(jié)構(gòu)如圖，熱敏電阻由熱敏探頭、引線、殼體等構(gòu)成。7.4熱敏電阻第39頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日熱敏電阻常見結(jié)構(gòu)見下圖。（二）材料最常見的熱敏電阻采用金屬氧化物半導(dǎo)體材料制成。通常將金屬氧化物燒制成半導(dǎo)體陶瓷。第40頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日二、基本參數(shù)（一）標(biāo)稱電阻值

標(biāo)稱電阻是熱敏電阻在25?C時(shí)的阻值。標(biāo)稱阻值由熱敏電阻的材料和幾何尺寸決定。（二）材料常數(shù)材料常數(shù)是描述熱敏材料物理特性的一個(gè)常數(shù)。其大小取決于熱敏電阻材料的激活能，且（三）電阻溫度系數(shù)溫度變化1?C，電阻的相對(duì)變化率。第41頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（四）時(shí)間常數(shù)

時(shí)間常數(shù)為熱容量和耗散系數(shù)之比，即（五）耗散系數(shù)耗散系數(shù)是指熱敏電阻在與環(huán)境溫差為1?C時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)吸收或釋放的熱量。（六）最高工作溫度最高工作溫度是指熱敏電阻在規(guī)定技術(shù)條件下長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許的溫度。第42頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（七）額定功率

額定功率是熱敏電阻在規(guī)定的技術(shù)條件下長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許的輸入功率。在此條件下熱敏電阻自身的溫度不能超過。（八）測(cè)量功率在規(guī)定環(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。第43頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三、主要特性（一）電阻-溫度特性

熱敏電阻分為負(fù)溫度特性和正溫度特性兩大類。常見的熱敏電阻電阻-溫度曲線見下圖。第44頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1.具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的電阻—溫度曲線負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻其電阻—溫度曲線如1所示，其經(jīng)驗(yàn)公式為為了方便使用，常取25?C為參考溫度，則上式可改寫為將前面經(jīng)驗(yàn)公式取對(duì)數(shù)得第45頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第46頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.正溫度特性熱敏電阻的電阻—溫度特性正溫度系數(shù)熱敏電阻是利用正溫度系數(shù)材料在居里點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相變而引起導(dǎo)電率突變而取得的。正溫度系數(shù)熱敏電阻工作區(qū)在Tp1和TP2之間。T(?C)RT(Ω)第47頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日正溫度系數(shù)熱敏電阻的工作溫度范圍由到之間存在溫度，對(duì)應(yīng)有較大的溫度系數(shù)。在工作溫度范圍內(nèi)，電阻—溫度經(jīng)驗(yàn)公式為對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)得由前面公式可得到正溫度系數(shù)熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)第48頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（二）熱敏電阻伏—安特性

伏—安特性表示加在熱敏電阻上的電壓和通過電阻的電流在熱敏電阻與周圍介質(zhì)熱平衡時(shí)的關(guān)系。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的伏—安特性

參見下圖。為了保護(hù)熱敏電阻，通常測(cè)量負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的伏—安特性時(shí)使用可調(diào)恒流源供電。Oa段為線性工作區(qū)域；ab端開非線性變化；bc段為正負(fù)電阻過渡段；cd段為負(fù)阻值段。第49頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第50頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.正溫度系數(shù)熱敏電阻的伏—安特性

參見下圖。測(cè)量正溫度系數(shù)熱敏電阻的伏—安特性通常采用可調(diào)恒壓源。Oa段為線性工作區(qū)域；ab端開非線性變化；bc段為過渡段；cd段為負(fù)阻值段。第51頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第52頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日四、熱敏電阻的測(cè)溫電路由于熱敏電阻的阻值與溫度為非線性關(guān)系，因此在要求溫度精確測(cè)量時(shí)，設(shè)計(jì)靈敏度高且具有非線性校正功能的測(cè)量電路。下面介紹多諧振蕩器溫度—頻率轉(zhuǎn)換電路。電路參見右圖。圖中R1，R2構(gòu)成放大器的正反饋，R、C組成RC充放電回路，R3為限流電阻。第53頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日通常，所以反饋系數(shù)為設(shè)時(shí)，。假定振蕩周期為，在時(shí)間內(nèi)，C上的電壓將以指數(shù)規(guī)律由向方向變化，所以當(dāng)時(shí)，第54頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日UC-FUOFUOUO-UOmaxUOmaxT/2Ttt第55頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日所以于是振蕩頻率通過選擇電路參數(shù)使得第56頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日于是用熱敏電阻取代電阻R，由于熱敏電阻阻值為比較上面兩式曲線的形狀是極為相似的。參見后圖。因此只要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整兩條曲線的位置（通過選擇C或RT）來實(shí)現(xiàn)，可使其在某一指定點(diǎn)相交。在相交點(diǎn)附近的一定范圍內(nèi)，兩條曲線接近，可以用頻率值代替溫度值。第57頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第58頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日上面采用一點(diǎn)相交，標(biāo)定精度不高，為了提高精度通過與RT并、串聯(lián)電阻使兩條曲線在被測(cè)溫度范圍內(nèi)三點(diǎn)相交，如下圖，A、B、C三點(diǎn)。第59頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日在A、B、C三點(diǎn)上有：A點(diǎn)：B點(diǎn)：C點(diǎn)：第60頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日若T2恰好為溫度范圍中點(diǎn)，而Rm和Rn的選擇使得f2恰在f3和f1中間，即于是由前面方程組可求出滿足上面條件的電阻值和電容值，即第61頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日上面公式中RT1，RT2，RT3為熱敏電阻在溫度為T1，T2，T3時(shí)的熱敏電阻值，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。f1，f2，f3對(duì)應(yīng)RT為RT1，RT2，RT3時(shí)電路的輸出頻率。由此可計(jì)算出Rm，Rn和C。實(shí)際電路參見下圖。第62頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期日五、熱敏電阻的應(yīng)用