第7章_温度传感器(13_14).ppt

第七章温度传感器 熟练掌握热电偶的测温原理 冷端温度补偿 熟练掌握热电阻 热敏电阻的测量原理和特性 理解集成温度传感器和红外测温仪的测量原理 第一节热电偶 一 工作原理 热电势效应 赛贝克效应 两种不同材料的导体A与B 按图7 1所示的组合在一起 如果两结点的温度不同 则在回路中就会有电势产生 其电势 电流 的大小与两导体的性质和结点的温度有关 这种现象称为热电势效应 热电势接触电势温差电势 工作端 热端 焊接端 测量温度T 自由端 冷端 未焊接端 环境温度T0 图7 1热电势效应 1 两种导体的接触电势 珀尔贴电势 A B两金属在温度T时的接触电势eAB T eAB T KT q ln nA nB 2 1 式中 nA nB A B的自由电子密度 nA nB K 波尔兹曼常数 1 38 10 23J Kq 电子电量 总的接触电势为 eAB T T0 K T T0 q ln nA nB 2 单一导体的温差电势 汤姆逊效应 设导体A达到动态平衡时的温差电势为eA T T0 导体B的温差电势为eB T T0 由A B两导体组成的闭合电路总温差电势 式中 A B 导体A B的汤姆逊系数 TT0 热电偶总热电势为 TT0 结论 1 同种导体构成的热电偶 即便T T0 闭合回路中也不会产生热电势 因此 作为热电偶 必须采用两种不同的导体作热极 2 热电偶所产生的热电势大小 只决定于热电极材料的成分和两结点温度 与热电极的长度 直径和接触面的形状 大小无关 当T T0时 热电势为零 热电偶两电极材料成分确定后 热电势大小只由两结点温度决定 与电极中间温度无关 若自由端温度T0保持一定 热电偶的热电势仅是测量端温度T的单值函数 即 EAB T T0 T 热电偶应用定则中间导体定则在热电偶回路中接入中间导体 只要中间导体两端温度相同 对总热电势没有影响 连接导体定则EABab T Tn T0 EAB T Tn Eab Tn T0 中间温度定则EAB T Tn T0 EAB T Tn EAB Tn T0 T a b T0 A B Tn 二 热电偶的种类 按材料 廉金属贵金属难熔金属非金属按用途和结构 1 普通工业用 直形角形锥形2 专用 锴装 缆式 薄膜 CPU测温片 图7 2直形无固定装置普通工业用热电偶 热电偶材料及标准热电偶 所谓标准热电偶 是指工艺比较成熟 应用广泛 性能优良 同一型号可以互换 统一分度 并有配套显示仪表 标准热电偶有 铂铑 铂 镍铬 镍铝 镍铬 考铜 Cu 56 Ni 44 镍铬 康铜 Cu 60 Ni 40 等 其中铂铑10 铂热电偶属于贵金属 它被规定为630 1064 的测温标准 但它的灵敏度较低 100 时为0 643mv 镍铬 镍铝 镍铬 镍硅 是非贵重金属中性能最稳定的一种 因此应用最广 电极制作得较粗 约3mm 因而使用寿命长 强度高等 它的热电势也较高 100 时为4 1mv 镍铬 考铜的热电势最大 100 时为6 95mv 但它的测量温度上限不高 800 电极材料的成分不容易保证 三 热电偶测温及自由端的温度补偿 为什么要进行自由端温度补偿 热电偶的分度表给出的热电势的值都是在自由端为0 的情况下测出的 如果自由端温度不是0 就会产生误差 自由端温度不稳定 也将导致测量误差 1 计算修正法设热电偶测量端温度为T 自由端温度为T0 0 根据中间温度定律 E T 0 E T T0 E T0 0 2 7 知道自由端的温度T0 查出热电势值E T0 0 与实测的热电势值E T T0 相加 得出测量端温度T 自由端温度为0 时的热电势值E T 0 最后再由热电偶分度表查出被测介质的真实温度 例 用铂铑10 铂热电偶测量某炉温时 自由端温度T0 30 由电子电位差计测得热电势E T 30 9 383mV 求此时的炉温T 解 由分度表查的E 30 0 0 173mV 由式 2 7 得E T 0 9 383 0 173 9 566mV再查分度表得T 1000 表1铂铑10 铂热电偶的分度表 为减少一次查表 工程上常采用这种方法 T T KT0式中 T 被测真实温度 T 由E T T0 值查分度表得出的温度 T0 冷端恒定温度 K 修正系数 例 用铁 考铜热电偶测量某介质温度为700 自由端温度T0 30 查表得K 0 91 则温度为 700 0 91 30 727 3 2 自由端温度恒温法 将热电偶自由端置于0 的恒温容器中 最简易的办法是在保温瓶中装入冰水混合液 但只适用于室内 一般工程测量或控制常采用的方法 将自由端埋入地下1 5m 2m深处 使其温度相对保持恒定 将自由端放入电热恒温箱内 将自由端放入装有变压器油的保温瓶内 3 电桥补偿法 G 图7 3电桥补偿法补偿电路 补偿导线 铜导线 B A C D T T0 T0 电桥补偿原理 电桥中R4是具有正温度系数的电阻 其它为固定电阻 当冷端为0 时 使电桥平衡 当冷端T0为一恒定温度时 假定这个恒定温度不是0 若T0 0 则Uab 0 反之 Uab 0 即当冷端温度波动时 热电偶回路中的热电势会相应地向相反的方向变化从而补偿了热电偶电动势的变化 经适当地选择电阻参数可以足够准确地对冷端进行补偿 已有带冷端补偿的热电偶放大器AD595 第二节热电阻传感器 热电阻传感器 热电阻 金属热电阻式 热敏电阻 半导体热电阻式 一 热电阻热电阻的结构比较简单 一般将电阻丝绕在云母 石英 陶瓷 塑料等绝缘骨架上 经过固定 外面再加上保护套管 但骨架性能的好坏 影响其测量精度 体积大小和使用寿命 1 热电阻材料的特点 高温度系数 高电阻率 化学 物理性能稳定 良好的输出特性 良好的工艺性 2 热电阻的特性铂电阻阻值与温度变化之间的关系 在0 660 温度范围内RT R0 1 At Bt2 2 9 其中R0为0 时的电阻值 在 190 0 温度范围内RT R0 1 At Bt2 C t 100 t3 2 10 铂电阻制成的温度计经常用作高精度的工业测量 价格一般较高 它的温度系数为0 3851 工业标准Pt100 R0 100 Pt500 R0 500 铜容易提纯 价格低廉 铜电阻阻值与温度变化之间的关系式 RT R0 1 At Bt2 Ct3 2 11 铜电阻的电阻率仅为铂电阻的1 6左右 适用于温度较低和没有侵蚀性的介质中工作 工业标准 Cu50 R0 50 Cu100 R0 100 铜电阻 3 其它热电阻铟电阻适宜在 269 258 温度范围内使用 锰电阻适宜在 271 210 温度范围内使用 碳电阻适宜在 273 268 5 温度范围内使用 4 测量电路电阻温度计的测量电路最常用的是电桥电路 精度较高的是自动电桥 为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差 常采用三线和四线连接法 三线连接法图7 4是三线连接法的原理图 G为检流计 R1 R2 R3为固定电阻 Ra为零位调节电阻 热电阻Rt通过电阻为r1 r2 r3的三根导线和电桥连接 r1和r2分别接在相邻的两臂内 当湿度变化时 只要它们的长度和电阻温度系数相等 它们的电阻变化就不会影响电桥的状态 三线接法中可调电阻Ra的触点 接触电阻和电桥臂的电阻相连 可能导致电桥的零点不稳 图7 4热电阻测温的三线连接法 四线连接法四线制接法主要用于精密测量 引线电阻的变化不影响测量结果 5 热电阻总结 热电阻式温度计性能最稳定 测量范围广 精度也高 特别是在低温测量中得到广泛的应用 其缺点是需要辅助电源 热容量大限制了它在动态测量中的应用 为避免热电阻中流过电流的加热效应 在设计电桥时 要使流过热电阻的电流尽量小 一般小于10mA 二 热敏电阻热敏电阻的分类及特点 分类负温度系数热敏电阻 NTC 正温度系数热敏电阻 PTC 临界温度系数热敏电阻 CTR 特点电阻温度系数大 灵敏度高 约为热电阻的10倍 结构简单 体积小 可以测量点温度 电阻率高 热惯性小 适宜动态测量 易于维护和进行远距离控制 制造简单 使用寿命长 互换性差 非线性严重 CTR PTC NTC 热敏电阻的材料 NTC型热敏电阻主要由Mn Co Ni Fe等金属的氧化物烧结而成 PTC型热敏电阻是由在BaTiO3和SrTiO3为主的成分中加入少量的Y2O3和MnO2构成的烧结体 CTR热敏电阻是用V Ge W P等的氧化物在弱还原气氛中形成的半玻璃状烧结体 热敏电阻图示 2 NTC热敏电阻的特性RT R0exp B 1 T 1 T0 2 12 式中 RT 绝对温度T K 时的电阻 K R0 绝对温度T0 K 时的电阻 K B 材料系数 结论 热敏电阻的温度系数随温度减小而增大 故热敏电阻常用于低温 100 300 的测量 则热敏电阻温度系数 热敏电阻特性的严重非线性 解决的办法是利用温度系数很小的金属电阻与热敏电阻串联或并联 使热敏电阻在一定范围内呈线性关系 T 图7 6负温度系数热敏电阻的电阻 温度特性曲线 A RT RX E a R T RS RT RX I T b c 图7 7热敏电阻非线性校正 图7 8热敏电阻伏安特性 热敏电阻伏安特性线性区 当流过热敏电阻的电流较小时 曲线呈直线状 服从欧姆定律 非线性区 当电流增加时 热敏电阻自身温度明显增加 由于负温度系数的关系 阻值下降 电压上升速度减缓 出现了非线性 负阻区 当电流速度增加时 热敏电阻自身温度上升更快 阻值大幅度下降 于是出现了电压随电流增长而下降的现象 负阻现象 图7 9热敏电阻过热保护电路 让热敏电阻Rt感知电动机绕组的温度 当电动机正常运转时 Rt阻值较大 T1截止 继电器J不动作 当电动机过载温度上升时 Rt阻值减小 小到一定值 使T1完全导通 继电器J动作 使K闭合 红灯亮 起到报警保护的作用 热敏电阻应用 第三节集成电路温度传感器 ICTS 定义 在一块极小的半导体芯片上集成包括敏感器件 信号放大电路 温度补偿电路 基准电源电路等 发展方向 高灵敏度 智能化 小型化 微型化 多功能化 优点 线性度好 重复性好 稳定性好 输出信号大且规范化 输出分类 电压型 温度系数为10mV 电流型 温度系数为1 A 在绝对温度零度时 它们的输出电量均为零 一 电流输出型集成温度传感器 1 AD590基本工作原理 AD590是基于硅晶体管的发射极和基极间电压和绝对温度相关的原理而进行设计制造的 基本方程 式中 I 二极管电流Is 反向饱和电流J 电流密度 AD590内部结构右图是AD590内部的电流镜PTAT电路 已知T1的电流密度J1是T2的8倍 R两端的电压为VT PTAT电路 取R 358 由于I 2I1 所以 I 2VT R 1T uA 即电流输出1 A K 2 AD590主要性能 1 测温范围 55 150 2 线性电流输出1 A K 3 线性度好 满刻度范围为 0 01 4 电源电压范围4V 30V 当电源电压在5V 10V之间 电压稳定度为1 时 所产生的误差只有 0 01 5 电阻采用激光修刻工艺 使在 25 298 2K 时 器件输出298 2 A 3 绝对温度和摄氏温度的转换 偏置电路AD590的输出量是电流 通过1K 电阻 获得1mV K的输出电压 绝对温度和摄氏温度之间的关系 T K t 273 2 A 9 1K AD590 100 910 AD580 V0 GVT 2 500V 200 1K 图7 10绝对温度 相对温度的转换 偏置电路 R1 R2R3 5V 4 AD590的应用 R Dz RH Rset RL C1 10k RB AD590 RL T1 T2 10V V 图7 11恒温控制电路 加热元件 A 8 J 二 电压输出型集成温度传感器 NEC公司的 PC616是代表产品之一工作原理 PC616电路可分为 温度传感器部分稳压部分运算放大器部分 3 2 4 6 85V 1 50k 10mV k 温度传感器 8 4 1 3 2 a 方框图 b 封装图 图7 12 PC616方框图和封装图 温度传感器部分 输出电压的绝对值在T 25 时为2 982V 对应298 2K 因此它的温度系数为10mV 用于温度测量和控制十分方便 稳压部分 具有温度补偿电路使输出电压十分稳定 运算放大器部分具有两种功能 a 测温时连接成电压跟随器b 作温度控制时的设定值输入端 电压输出型集成温度传感器的工作原理它是在前面的电流型PTAT电路的基础上增加晶体管VT5和电阻R 构成的 由于VT5的发射极电压和结面积都和VT3 VT4相同 所以流过VT5及R 的电流I3 I2 I1 其输出电压为Uo I3R KT q Ln8 R R 可见 只要 R R 为常数 Uo就正比于热力学温度T 其温度灵敏度可通过 R R 来调整 电压输出型传感器的特点是直接输出电压 输出阻抗低 易于读出或易与控制电路连接 应用实例基本应用电路 R 15V 3 2 IN OUT 10mV K 1 ur 7 5k 4 7 5k 15V IN OUT 4 R 3 ur 10mV K 2 1 0V a 负电源 b 正电源 图7 14 PC616基本应用电路 测量摄氏温度的电路 20K IN OUT 7 5K 15V 20K Rw 100K 调到 2 732V ur 图7 15摄氏温度传感器 第四节红外温度传感器 一 红外检测的物理基础 一切物体只要它的温度不是热力学零度 总是在不断的发射红外辐射 许多非电量能够影响和改变红外光的特性 利用红外敏感元件测得红外光的变化 进而可以确定待测非电量 1 斯忒藩 玻尔兹曼定律 物体温度越高 发射的红外辐射能越多 E T4式中 E 单位时间单位面积所辐射的总能量 斯忒潘 玻尔兹曼常数 5 67 10 8W m2K4 比辐射率T 物体的绝对温度 K 2 维恩位移定律 红外辐射的电磁波中 包含着各种波长 其峰值辐射波长 m与物体自身的绝对温度T成反比 即 m 2898 T m 由维恩位移定律可知 当物体温度升高时 它向外辐射红外光的波长将向短波方向移动 当测量高温物体的温度时 用短波长探测器就够了 故常用硅光电二极管 波长约0 9um 随着被测温度的降低 需使用敏感长波长的探测器 如Ge InAs PbS InSb HgCdTe等半导体检测器 热电元件 热敏电阻 辐射热测量计等热电型探测器 可见光与红外光的波长 人眼能感觉到的光的波长为0 38 0 75um 红外光是一种不可见光 它的波长为0 76 1000um 经计算 以300K作为地球温度来计算 9 7um以上的红外线能量约占75 此关系可作为选择波长的依据 以保证辐射能得到有效利用 以此解释温室效应 人体发出的红外线波长最强的范围是 9 67 9 64um 二 红外探测器 利用红外辐射测量温度具有以下特点 测量过程不影响被测目标的温度分布 可用于对远距离 带电 以及其它不能直接接触的物体进行温度测量 响应速度快 适宜对高速运动的物体进行温度测量 灵敏度高 能分辨微小的温度变化 测温范围宽 能测量 50 3500 之间的温度 比色温度计它是利用物体在两个不同波长下的单色辐射强度之比随温度变化而变化的关系来测量温度的 常用于炼钢 轧钢过程中的温度测量 9 8 10 11 12 7 6 4 5 3 2 1 图7 16双通道光电比色温度计1 5 硅光电池 2 4 滤光片 3 分光镜 6 场镜 7 视场光栏 8 物镜 9 反射镜 10 倒象镜 11 回零信号接收元件 12 目镜 其它温度传感器PN结型温度传感器