[工学]第8章热电式传感器.ppt

接触式温度传感器的特点：由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。,非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。,第八章 热电式传感器,利用某些材料的物理特性与温度有关的特性，将温度变化转化为电量变化的器件称为热敏器件。 温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器；PN结型温度传感器利用PN结的结电压随温度成近似线性变化 热敏电阻式传感器 金属热电偶传感器 PN结型温度传感器 非接触式温度测量,第一节 热敏电阻温度传感器,热电阻： 金属热电阻（铂热阻、铜热阻等） 半导体热敏电阻（PTC、NTC、CTR）,几乎所有物质的电阻率都随其本身的温度而变化，这一物理现象称为热电阻效应。 利用这一原理制成的温度敏感元件称为热敏电阻，一般采用导体和半导体材料,式中：R0 元件在T0 时的电阻； a T0 时的电阻温度系数； RT 温度为T 时元件的电阻值。,大多数金属导体的电阻，都具有随温度变化的特性。,温度系数a表征电阻的阻值随温度变化的程度。 金属的温度系数为正，即阻值随温度的升高而增加。 单晶半导体的a也是正的，但随掺杂的增加而减小。 陶瓷半导体（热敏电阻）的a为负，且非线性较大。,一.金属热电阻,原理：热电阻效应大多数金属导体的电阻都随温度而变化。电阻-温度特性方程： RT=R0 1 + (T-T0 ) 为T0时的电阻温度系数。 热电阻感温元件纯金属材料，其性能要求： 大则灵敏度高； 物理化学性能稳定； 恒定，以保证线性关系； 大，体积尺寸小。,热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器 它的主要特点是测量精度高，性能稳定 铂、铜为应用最广的热电阻材料 其中铂热电阻的测量精确度是最高的,铂容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定。铂电阻的输出-输入特性接近线性，且测量精度高，所以它能用作工业测温元件和作为温度标准。 按国际温标IPTS-68规定，在-259.34630.73温域内，以铂电阻温度计作基准器。,铂电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示： 在0660温度范围内 在-1900温度范围内 式中A常数(3.98310-3/)； B常数(-5.8610-7/2)； C常数(-4.2210-12/4)。,铜在-50150范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出输入特性接近线性，价格低廉。铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示： 式中 A4.2889910-3/； B-2.13310-7/2； C1.23310-9/3。 缺点是电阻率低，当温度高于100时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。,Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3),当外界条件改变时，传感器的阻值RT会有相应的变化，这时电桥平衡破坏，桥路两端的电压Vs也随之而变，由于Vs能反映出桥臂电阻的微小变化，因此通过测量输出电压即可以检测外界条件的变化。,金属热电阻测量与接口电路,热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件，称为半导体热敏电阻。 基本参数 标称电阻R25，250C时的电阻值，由材料和几何尺寸决定 材料常数B（单位K），由材料决定，B越大，灵敏度越高 温度系数（%/0C),温度变化10C，阻值相对变化的大小，决定热敏电阻的灵敏度,二.半导体热敏电阻,按物理特性，可分为三类： (1).负温度系数热敏电阻(NTC) 温度测量，补偿元件 (2).正温度系数热敏电组(PTC) 温度控制，限流元件； (3).临界温度系数热敏电阻(CTR) 电阻器的电阻值在某个温度值上电阻值急剧变化温度开关元件。,半导体热敏电阻特性曲线,负温度系数热敏电阻是一种氧化物的复合烧结体，通常用它测量-100+300范围内的温度，与热电阻相比，其特点是： (1).电阻温度系数大，灵敏度高，约为金属热电阻的10倍。 (2).结构简单，体积小，可以测量点温度。 (3).电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。 (4).易于维护和进行远距离控制。 (5).制造简单，使用寿命长。 缺点是互换性差，非线性严重。,（一）NTC半导体热敏电阻的性能,电阻温度特性（阻值随温度变化的规律） RT温度T时的电阻值； B热敏电阻的材料常数； T0标准参考温度(K)， 一般取250C或298K 。,不同材质热敏电阻R-T特性曲线,温度系数,非线性问题,若B4000K，T323K(50)，则3.8/，温度系数大！,伏-安特性 在稳态下，通过热敏电阻的电流I与其两端之间的电压U的关系，称为热敏电阻的伏-安特性。 因热敏电阻阻值受温度影响 曲线和温度有关,热敏电阻伏安特性,负温度系数热敏电阻的静态伏安特性,oa段线性工作区 当电流很小时，不足以使热敏电阻产生温升，则其电阻值只决定于环境温度，伏-安特性呈线性，遵循欧姆定律，主要用于测温。 ab段非线性正阻区 电流增大，元件功耗大，引起元件发热升温，热敏电阻阻值下降，所以电压缓慢增加，形成非线性区域。 cd段非线性负阻区 当电流继续增大到Im，电压增大到Um，元件升温加剧，阻值迅速减小，形成电流增大、电压下降的负阻区段。,（1）恒流源供电，以U作为温度指示（U=IR） 原理：用固定电阻器RP与热敏电阻并联,令 const， 0可得,（二）半导体热敏电阻的线性化 串联或并联温度系数很小的金属电阻，使热敏电阻阻值在一定范围内呈线性关系。,（2）恒压源供电，以I作为温度指示（I=UG） 原理：用固定电导GS与热敏电阻串联,令 const， 0可得,线性化后，有效电阻温度系数 （并联） （串联） 线性化是以有效电阻温度系数的下降为代价的。,（三）.热敏电阻测温电路,Rt 为热敏电阻， Rs 用于电导-温度特性线性化 W1 50mV电压源调节 W2 温度0时使输出为零 输出电压U0与Rs和Rt串联的电导成正比,热敏电阻的应用 测温探头口腔型（口腔、腋、直肠）、表面型（体表）、注射针型探头（肌肉、浅表血管内的血液(通常为动物实验) ），以半导体热敏电阻作温度敏感元件 测量呼吸波和呼吸率 热式血流量计,热电阻式温度传感器 分类：纯金属电阻、半导体材料制成的热敏电阻,热敏电阻式传感器,热敏电阻安装在夹子前端的外侧，当把夹子夹在鼻翼时，呼吸气流从温度较高的热敏电阻表面流过，则热敏电阻的阻值将随呼吸气流的变化而变化，从而可测出呼吸的频率。,热敏式呼吸流量传感器 理论基础：当气流通过温度较高的热源时要带走一部分热量，在热交换面积一定的前提下，其传导热量的大小只与气流的速度有关。,1 热丝式呼吸流量传感器 2 热管式呼吸流量传感器,热丝式传感器,在一个叉形探针的顶端固定了一段很细(直径为微米级)、很短(长度约为5MM)的热电阻(一般是镀铂的钨丝材料)，并将其接入到测量电桥中。测量时，因气流带走热量，使电阻丝的阻值改变，造成电桥相应的输出，从而测出气流量。,热管式呼吸流量传感器,电桥输出信号气体带走的热量流量,第二节 金属热电偶传感器,赛贝克效应（seeback effect）两种不同的金属组成回路时，若两个接触点温度不同，则回路中就有电流通过，表明回路中有电势产生，该现象称为热电动势效应或塞贝克(Seebeck)效应。回路中的电势称为热电势或塞贝克电势。 、 均为热电偶常数,热电偶： 热电极（导体A、B）； 测量端（热端或工作端）T1(t1)； 参考端（冷端或自由端）T2(t2)。,热电偶效应可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度，这就是热电偶测温的原理。,如果热电偶两电极的材料相同，虽然两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍为零。因此，热电偶必须用两种不同材料作热电极。 如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，即T1T2，闭合回路中也不产生热电势。,热电偶的灵敏度：不同材质做出的热电偶应用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1时，输出电位差的变化量。,铜康铜（常用） 铬镍合金铬铝合金 （最灵敏）,热电偶式温度传感器,第三节 PN结型温度传感器,利用PN结的结电压随温度成近似线性变化这一特性实现对温度的检测、控制和补偿等功能。 可直接用半导体二极管或将半导体三极管接成二极管做成PN结温度传感器。 测温范围为-50至150。 与其他的温度传感器相比有较好的线性度，且尺寸小、响应快、灵敏度高、热时间常数小。 二极管温度传感器、三极管温度传感器、集成电路温度传感器。,二极管在正向恒流条件下端电压的温度特性,1.二极管温度传感器（恒流正向应用）,正向电流,正向电压,饱和电流,理想二极管：,其中饱和工作电流 IS 饱和电流，本身是温度的函数；k 波尔兹曼常数； T 温度(K)；Eg0硅在热力学温度为零时的禁带宽度； 常数；Q电子电荷，值为1.602210-19C 。,二极管端电压：,在一定电流下，二极管正向电压随温度的升高而降低，呈负温度系数，VF-T呈线性。 电流增加时，灵敏度的绝对值降低。,PN结测温的基本电路,调节RP使uA表读数为0，当温度下降时，PN结正向压降增大，V1V2，uA表有读数,2.三极管温度传感器,利用三极管发射极正向电压Ube随温度上升而下降的原理。,NPN晶体管的基极发射极电压与温度T和Ic的函数关系为：,为与温度无关的常数,但与结面积和基区宽度有关; Ego为OK下硅的禁带宽度, 为常数,其值一般在35之间。 如果集电极电流Ic为常数,则Vbe仅随温度单调和单值变化。 三极管温度传感器是负温度系数温度传感器。,三极管温度传感器基本测温电路 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极为正偏。而集电极几乎为零偏。,温敏晶体管测温电路,温敏三极管为负反馈元件, 电流Ic=E/Rc，Ic恒定 Vbe与T近似线性 ,改变导通电阻，得到输出电压,3.集成温度传感器,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。 其最大优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出,晶体管的Ube在Ic恒定条件下，认为与温度呈线性关系；但实际上关系式中仍然存在非线性项，另外这种关系也不直接与任何温标(绝对、摄氏、华氏等)相对应。此外温敏晶体管Ube值在同一生产批量中，可能有100mv的离散性。,V2,V1,基本原理 集成温度传感器中均采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件，使其直接给出正比于绝对温度的严格的线性输出。,电路中1、2是结构和性能完全相同的晶体管，它们分别在不同的集电极电流I1和I2下工作。由图可见，R的电压应为1和2的基极发射极电压差。,差分对管电路,IC2,R1,+E,Ube,R2,IC1,只要发射极电流密度Je1 ，Je2 （I1，I2）均为恒流，则Ube与T成线性关系测温原理。,集成温度传感器主要类型： 电压型，三线制，温度系数ku10mV/， LM34/35，LM135/235， ； 电流型，两线制，温度系数kI1A/ ， AD590/592，LM134/234，。,AD590的特性： 1）伏安特性 当U=430V时，理想恒流源，电流只随温度T变化； 2）温度特性 55150，IT与T有较好的线性，输出电流灵敏度kI1A/K；非线性误差为T(0.33)； 3）精度：可达0.5,AD590基本特性曲线,第四节 非接触式温度测量 根据物体辐射温度的测量原理实现,热辐射测温原理 温度为T的物体，单位面积所辐射的能量：,玻尔兹曼常量,根据Planck辐射定律，当物体的温度高于热力学温度零度（-273.16oC）时，都要以电磁波的形式向周围辐射能量，其辐射电磁波的频率和能量随物体的温度而定。红外辐射测温装置就是通过检测人体表面的红外线辐射能量，从而确定体表的温度。,物体表面辐射率,非接触式温度测量的应用,红外测温仪,红外热像仪,可用于人体多个部位(头部、颈部、心血管、脊椎、四肢血管、乳腺、前列腺、胃肠道等) 和多种疾病(疼痛, 乳腺癌、肺肝癌、胰腺癌、血管瘤等肿瘤, 烧伤、放射线灼伤等) 的诊断。 医用红外热像仪一般由：镜头、红外探测器、信号处理单元和显示部分组成 任何物体在常规环境下都会不停的辐射出热红外能量，即红外线辐射； 正常人体的温度分布具有一定的稳定性和对称性； 人体某处存在疾患或功能发生改变时，该处血流和细胞代谢会发生变化，导致局部温度改变，表现为温度偏高或偏低。 红外热图：利用红外线辐射成像原理观察人体表面温度变化,正常人头部远红外热图,正常的人体上部远红外热像，锁骨处及淋巴处代谢旺盛，出现正常均匀的热区，两乳正常温度微低,正常人体的腹部，两侧温度分布基本对称，脐部为正常的热区，脂肪厚的地方温度较低，两乳为正常微冷区,正常人的腿部，双腿基本对称，双足由于负重过久而血流不畅，导致低温。,在乳腺早期癌变尚未形成明显