传感器与检测技术的理论基础PPT电子课件教案-第13章 温度传感器.ppt

主要内容：13.1热电偶13.2热敏电阻13.3集成温度传感器,教材第十五章温度测量,我国目前实行的是1990年国际温标(ITS90）定义国际开尔文温度（T90）国际摄氏温度（t90）；T90：单位（K）开尔文t90：单位（C）摄氏两者关系为：t90/=T90/K273.15或t/=T/K273.15,温度单位：热力学温度是国际上公认的最基本温度,都是以热力学温度作为基本温度。,温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都少不了温度传感器。,概述,根据所用测温物质的不同和测温范围不同，有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差温度计、辐射温度计、光测温度计等等。,概述,温度测量方法及分类测量方法按感温元件是否与被测介质接触,可以分成接触式与非接触式两大类。接触式测温方法是使温度敏感元件和被测温度对象相接触,当被测温度与感温元件达到热平衡时,温度敏感元件与被测温度对象的温度相等。非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。,概述,温度传感器的种类很多，如果按价格和性能可分为：热膨胀温度传感器，有液体、气体的玻璃式温度计、体温计，结构简单，应用广泛；家电、汽车上使用的传感器，价格便宜、用量大、成本低、性能差别不大；工业上使用的温度传感器，性能价格差别比较大，因为传感器的精度直接关系到产品质量和控制过程，通常价格比较昂贵。,概述,概述,概述各种热电阻,本章主要讲解以下几种传感器：热电偶，利用金属热电势，有耐高温、精度高的特点；热电阻，利用导体随温度变化，测温不高；热敏电阻，利用半导体材料随温度变化测温，体积小、灵敏度高、稳定性差；集成温度传感器，利用晶体管PN结电流、电压随温度变化，有专用集成电路，体积小、响应快、价廉，测量150以下温度。,概述,13.1热电偶13.1.1热电效应,两种不同类型的金属导体两端，分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等（TT0）有温差时，回路里会产生热电势，形成电流。这种现象称为热电效应。利用这种效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。,固定温度的接点称基准点（冷端）T0，恒定在某一标准温度；待测温度的接点称测温点（热端）T，置于被测温度场中。这种将温度转换成热电动势的传感器称为热电偶，金属称热电极。,热电势可分为：温差电势和接触电势,13.1热电偶13.1.1热电效应,1.两种导体的接触电势不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会产生电子扩散，浓度大的向浓度小的金属扩散。浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。,13.1热电偶13.1.1热电效应,温度T时热端接触电势：,、,、,式中：,A、B代表不同材料；T，T0为两端温度；,波尔兹曼常数；,电子电荷量；,是A、B材料的电子浓度；,13.1热电偶13.1.1热电效应,温度T0时热端接触电势：,在闭合回路中，总的接触电势为：,13.1热电偶13.1.1热电效应,2.单一导体的温差电势（汤姆逊电势）对单一金属如果两边温度不同，两端也产生电势。产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电。,13.1热电偶13.1.1热电效应,A、B两导体构成闭合回路总的温差电势为：,单一导体的温差电势为：,13.1热电偶13.1.1热电效应,根据两导体的接触电势和单一导体温差电势，热电偶总的热电势为：,13.1热电偶13.1.1热电效应,结论：热电偶两电极材料相同，NA=NB时，无论两端点温度如何，总热电势为零；2.如果热电偶两接点温度相同，T=T0时，A、B材料不同，回路总电势为零；因此，热电偶必须用不同材料做电极；在T、T0两端必须有温差梯度，这是热电偶产生热电势的必要条件。,13.1热电偶13.1.1热电效应,13.1热电偶13.1.1热电效应（热电偶基本定律）,实际应用中,热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0时,通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。用热电偶测温,还要掌握热电偶基本定律。下面引述几个常用的热电偶定律。(1)中间导体定律(2)中间温度定律(3)均质导体定律,3.三种导体的热电回路（中间导体定律）如果将热电偶T0端断开，接入第三导体C，回路中电势EAB（T，T0）应写为：,13.1热电偶13.1.1热电效应,代入上式有：,13.1热电偶13.1.1热电效应,结论：当引入第三导体C时，只要C导体两端温相同,将导体C作为测量仪器接入回路，就可以由总电势求出工作端温度，条件是：保证两端温度一致。,13.1热电偶13.1.1热电效应,4.中间温度定律当结点温度为T、T0时的热电势EAB（T，T0）等于结点温度T、TC和TC、T0时，热电势,与,的代数和为：,实际测量时，利用这一性质，对参考端温度不为零度时的热电势进行补偿正。,13.1热电偶13.1.1热电效应,5.均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路中,不论导体的截面和长度如何以及各处的温度分布如何,都不能产生热电势。这条定理说明,热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。,13.1热电偶13.1.1热电效应,13.1热电偶13.1.2热电偶的结构和种类,热电偶种类：贵金属热电偶铂铑铂铑（6001700）铂铑铂（01600）普通金属热电偶镍铬镍硅（-2001200）镍铬镍铜（-40750）铁康铜（0400）热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好，这是其它温度传感器无法替代的。,结构：普通热电偶，测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构；薄膜热电偶，用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄；铠装热电偶，用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲；表面热电偶，用于弧形表面物体测温；消耗式热电偶，主要用于钢水温度测量。,a)普通热电偶b)薄膜热电偶c)铠装热电偶,13.1热电偶13.1.2热电偶的结构和种类,13.1热电偶13.1.2热电偶的补偿,从热电偶测温基本公式可以看到,对某一种热电偶来说热电偶产生的热电势只与工作端温度t和自由端温度t0有关,即:EAB(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)热电偶的分度表是以t0=0作为基准进行分度的,而在实际使用过程中,参考端温度往往不为0,那么工作端温度为t时,分度表所对应的热电势EAB(t,0)与热电偶实际产生的热电势EAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式:EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0),(1)热电偶补偿导线(2)参考端温度修正法(3)参考端0恒温法(4)参考端温度自动补偿法（补偿电桥法）,13.1热电偶13.1.2热电偶的补偿,利用不平衡电桥的不平衡电压来补偿,13.1热电偶13.1.2热电偶的补偿,13.1热电偶13.1.3热电偶测量电路,热电偶测温时,它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、数字表等）配套使用,也可与温度变送器配套,转换成标准电流信号.,显示多点温度时,可按下图连接,这样可节约显示仪表和补偿导线。,13.1热电偶13.1.3热电偶测量电路,热电偶可以串联或并联使用,如热电偶正向串联,可获得较大的热电势输出和提高灵敏度。在测量两点温差时,可采用热电偶反向串联。利用热电偶并联可以测量平均温度。热电偶串、并联线路如下图所示,13.1热电偶13.1.3热电偶测量电路,13.1热电偶13.1.3热电偶测量电路(举例),通过查热电偶分度表可知热电偶产生的热电势；例如K型：0时0mV，600时E=24.902mv；分度表以t=0作基准，而实际应用中t0；若参考端温度不为0，工作端温度为t时，由分度表可查出EAB（t0,0）=1.00mv，与实际热电势EAB（t,t0）之间的关系可通过参考电极定律得出：,如图6所示的热电偶冷端温度自补偿电路,电桥由三个电阻温度系数很小的电阻R1、R2、R3和电阻温度系数较大的Rcu组成，1）为什么要进行冷端温度补偿2）图6冷端温度自补偿的原理,图6,13.1热电偶13.1.3热电偶测量电路(举例),多个型号相同的热电偶可以连接在一起，分为正向串联、反向串联、并联，（要求都采用两个热电偶，热电偶直接与指示仪表配套使用）1）画出正向串联线路图，分析线路中输出电势2）画出反向串联线路图，分析输出电势3）画出并联线路图，分析输出电势,13.1热电偶13.1.3热电偶测量电路(举例),金属热电阻、半导体热敏电阻统称热电阻。热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热敏电阻传感器主要有两大类：金属热电阻（热电阻）半导体热敏电阻（热敏电阻）广泛用于测量-200+850，少数可测1000。,13.2热电阻传感器,金属热电阻一般用于-200+500温度测量；材料多为纯铂金属丝，也有铜、镍，绕制在云母板、玻璃或陶瓷线圈架上，构成热电阻。铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为：,13.2热敏电阻13.2.1金属热电阻,-200O,+0850,式中：,为温度,和,时的电阻值。,温度时，,的公称值是,。,13.2热敏电阻13.2.1铜热电阻,由于铂是贵重金属,因此,在一些测量精度要求不高且温度较低的场合,可采用铜热电阻进行测温,它的测量范围为-50+150。铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的,可近似地表示为:Rt=R0（1+t）式中为铜热电阻的电阻温度系数,取=4.2810-3/,13.2热敏电阻13.2.2热敏电阻,铜测温电阻元件的电阻的温度特性,13.2.2热敏阻（热电阻的测量电路）,热电阻的内部接线可分为二线制、三线制和四线三种。,用热电阻测温时，经常使用直流电桥为测量电路。热电阻与测量电路的接线方法有二线制、三线制和四线制。前两种接法用于工业测量中，后种接法用于标准和实验室。,铂电阻温度计的电阻与温度的关系是，其中=0；铂电阻温度计在100时，电阻值为139，0时,R=100；当它与气体接触时，电阻值增至285，试确定气体的温度。,根据，其中=0，0时,R=100，可知R0=100，在100时，电阻值为139，=0.0039现在的阻值为281，281=100（1+0.0039t）,可得t=464.1,13.2.2热敏阻（热电阻的测量电路）,13.2热敏电阻13.2.2热敏电阻,13.2热敏电阻13.2.2热敏电阻,多数热敏电阻具有负温度系数，温度升高电阻下降，同时灵敏度下降，所以热电阻限制了它在高温下使用。目前，热敏电阻温度上限约300。热敏电阻最大的缺点是，产品一致性差，互换性不好，因此一般不在石油、钢铁、制造业上使用。,13.2热敏电阻13.2.2热敏电阻,13.2热敏电阻13.2.3热敏电阻的应用,13.3集成温度传感器13.3.1集成温度传感器测温原理,集成温度传感器利用PN结的电流、电压特性与温度的关系测温，一般测量温度范围在150以下。集成温度传感器把热敏晶体管和外围电路、放大器、偏置电路及线性电路制作在同一芯片上；利用发射极电流密度在恒定比率下工作的晶体管对的基极发射极之间电压VBE的差与温度呈线性关系。,13.3集成温度传感器13.3.1集成温度传感器测温原理,正比于绝对温度T，只要保证恒定，就可以使与T为单值函数。,13.3集成温度传感器13.3.1集成温度传感器测温原理,13.3集成温度传感器13.3.2集成温度传感器信号输出方式,13.3集成温度传感器13.3.2集成温度传感器信号输出方式,13.3集成温度传感器13.3.3AD590集成温度传感器,AD590简介AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：mA/K式中：流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T热力学温度，单位为K。2、AD590的测温范围为-55+150。3、AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。,13.3集成温度传感器13.3.3AD590集成温度传感器,4、输出电阻为710MW。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3,13.3集成温度传感器13.3.3AD590集成温度传感器,13.3集成温度传感器13.3.3AD590集成温度传感器,AD590典型应用,13.3集成温度传感器13.3.3AD590集成温度传感器,AD590典型应用,13.3集成温度传感器13.3.3AD590集成温度传感器,本章要点:,热电偶的热电效应、热电偶的结构，热电偶测量电路；热敏电阻，金属热电阻和热敏电阻的温度特性及应用；集成温度传感器测温原理，AD590集成温度传感器特性和典型应用测量电路。,补充（传感器命名方法）,一种传感器产品的名称，应由主题词加四级修饰语构成。,(1)主题词传感器。(2)第一级修饰语被测量，包括修饰被测量的定语。(3)第二级修饰语转换原理，一船可后续以“式”字。(4)第三级修饰语特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件以及其它必要的性能特征，一般可后续以“型”字(5)第四级修饰语主要技术指标(量程、精确度、灵敏度范围等),100mm应变式位移传感器,0至70kPa电位器式差压传感器,补充（传感器的命名规则）,一、传感器代号的构成传感器的完整代号应包括以下四部分：a主称(传感器)；b被测量；c转换原理；d序号。,在被测量、转换原理、序号三部分代号之间须有连字符“”连接。,补充（传感器的命名规则）,(1)第一部分主称(传感器)，用汉语拼音字母“c”标记。(2)第二部分被测量用其一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。当这组代号与该部分的另一个代号重复时，则取汉语拼音的第二个大写字母作代号，以此类推。对于有两个或两个以上被测量的多功能传感器，应作同样处理。当被测量为离子、粒子或气体时，可用其元素符号、粒子符号