热电传感器总结.ppt

第二章热电传感器 学习总结 分类 1热电偶 thermocouple 2热电阻式温度传感器金属测温电阻器和半导体热敏电阻器3PN结型测温传感器温敏二极管温敏三极管4集成电路温度传感器 区别 1 测温原理不同热电偶测温原理 热电效应热电阻 热电阻效应 导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的 PN结型测温传感器 半导体材料的电阻率对温度的依赖关系和PN结温度特性 热电偶结构简单 测量范围宽 准确度高 热惯性小 输出信号为电信号 便于远传或信号转换等优点 还能用来测量流体的温度 测量固体以及固体壁面的温度 微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量 铂热电阻的使用温度范围为 200 850 精度高 稳定性好 性能可靠 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 热敏电阻一般测温范围 50 300 1结构简单 体积小 可测点温度 2电阻温度系数大 灵敏度高 10倍 3电阻率高 热惯性小 适宜动态测量 2 测温范围及应用场合不同 PN结型测温传感器 温敏二级管1 400K范围 强磁环境下的低温测量 温敏三级管成本低 参数一致性和器件的互换性好集成电路温度传感器 1 典型工作温度范围 50 150 2 分类 按照输出不同分为电压型和电流型 新发展 频率输出型 数字型 各部分内容提纲 一热电偶 热电偶 thermocouple 是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一 特点 结构简单 测量范围宽 准确度高 热惯性小 输出信号为电信号 便于远传或信号转换等优点 还能用来测量流体的温度 测量固体以及固体壁面的温度 微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量 热电偶测温原理 热电效应 EAB T T0 eAB T eAB T0 忽略温差电势 则总电势为 几点结论三个定律1 中间导体定律 在热电偶测温回路内 接入第三种导体时 只要第三种导体的两端温度相同 则对回路的总热电势没有影响 应用 利用热电偶进行测温 必须在回路中引入连接导线和仪表 接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势 2 中间温度定律 eAB t t0 eAB t tc eAB tc t0 在热电偶测温回路中 tc为热电极上某一点的温度 热电偶AB在接点温度为t t0时的热电势eAB t t0 等于热电偶AB在接点温度t tc和tc t0时的热电势eAB t tc 和eAB tc t0 的代数和 即 中间温度定律的应用 根据这个定律 可以连接与热电偶热电特性相近的导体A 和B 将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方 这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据 该定律是参考端温度计算修正法的理论依据 在实际热电偶测温回路中 利用热电偶这一性质 可对参考端温度不为0 的热电势进行修正 3 标准热电极定律如果两种导体 A B 分别与第三种导体 C 组成热电偶所产生的热电势已知 则由这两个导体组成的热电偶在相同的冷热端温度下产生的热电势可表示为 例子 热端为100 冷端为0 时 镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2 95mV 而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为 4 0mV 则镍铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为 2 95 4 0 6 95 mV 二热电阻式温度传感器 热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的 热电阻广泛用来测量 200 850 范围内的温度 少数情况下 低温可测量至1K 高温达1000 标准铂电阻温度计的精确度高 作为复现国际温标的标准仪器 目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻 1 铂热电阻铂热电阻的特点是精度高 稳定性好 性能可靠 所以在温度传感器中得到了广泛应用 按IEC标准 铂热电阻的使用温度范围为 200 850 铂热电阻的特性方程为 在 200 0 的温度范围内 Rt R0 1 At Bt2 Ct3 t 100 在0 850 的温度范围内 Rt R0 1 At Bt2 铂电阻分度表 2 铜热电阻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 4 28 10 3 两种分度号 Cu50 R0 50 和Cu100 R0 100 铜热电阻的分度表分度号 Cu50 铜热电阻的电阻温度系数较大 线性性好 价格便宜 缺点 电阻率较低 电阻体的体积较大 热惯性较大 稳定性较差 在100 以上时容易氧化 因此只能用于低温及没有浸蚀性的介质中 热电阻内部引线方式有二线制 三线制和四线制三种 热敏电阻是利用半导体 某些金属氧化物如NiO MnO2 CuO TiO2 的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件 其特点是电阻率随温度而显著变化 一般测温范围 50 300 1 正温度系数热敏电阻器 PTC 2 负温度系数热敏电阻器 NTC 3 突变型临界温度系数热敏电阻器 CTR 三PN结型测温传感器 理论基础 半导体材料的电阻率对温度的依赖关系和PN结温度特性 1 当PN结的正向压降或反向压降保持不变时 正向电流和反向电流都随着温度的改变而改变 2 当正向电流保持不变时 PN结的正向压降随温度的变化近似于线性变化 大约以 2mV 的斜率随温度变化 温敏二极管常用 砷化镓和硅温敏二极管 负温度系数 温敏二极管的基本特性 自学 温敏二极管的缺陷 PN结在恒定电流条件下 正向电压与温度之间的线性关系对扩散电流成立 实际上 二极管电流成分还包含空间电荷区中的复合电流和表面漏电流成分 影响特性 偏离理想情况 温敏三极管 采用温敏三极管 在发射结正向偏置情况下 只有扩散电流能够到达集电极形成集电极电流 其他成分作为基极电流漏掉 电压与温度特性更符合理想情况 优点 成本低 参数一致性和器件的互换性好 问题 单个晶体管基极 发射极之间的电压在恒定集电极电流的条件下 可以认为与温度呈单值线性关系 但仍存在非线性偏差 温度范围越大 引起的非线性误差就越大 措施 集成温度传感器采用对管差分电路 能进一步减小这种非线性误差 使得在任何温度下 两对管基极 发射极电压之差 Ube与温度保持线性关系 集成电路温度传感器 PTAT核心电路对管差分的原理性电路可以给出正比于绝对温度的电压 亦可给出正比于绝对温度的电流 热敏电阻的应用热敏电阻的优点 温度系数大 灵敏度高 热容量小 响应快 分辨率高 价格便宜等 缺点 互换性差 热电特性非线性大等 主要用于温度的测量 控制 温度补偿 流速 或流量 测量等 1 流量测量基于流体流速 流量 与散热关系 利用热敏电阻桥式电路测流体流速 或流量 如图所示 图热敏电阻流量计 2 温度控制利用热敏电阻的温度控制电路如图所示 图温度控制电路 3 温度上 下限报警热敏电阻温度上 下限报警电路如图所示 图温度上下限报警电路 4 温度测量图7 20是利用NTC热敏电阻组成的0 100 的测温电路 相应的输出电压为0 5V 其灵敏度为50mV 图温度测量电路 补充作业 1 用K型热电偶测某设备的温度 测得的热电势为20 214mV 冷端 室温 为25C 求设备的温度 如果改用S型热电偶来测温 在相同的条件下 S型热电偶测得的热电势为多少 2 现用一支镍铬 铜镍热电偶测某换热器内的温度 其冷端温度为30 显示仪表的机械零位在0 时 这时指示值为400 则认为换热器内的温度为430 对不对 为什么 正确值为多少度3 用镍铬 镍硅热电偶测量加热炉温度 已知冷端温度t0 30 测得热电势eAB t t0 为38 893mV 求加热炉温度 4 用分度号为PT100铂电阻测量温度 在计算时错用了CU100分度表 查得的温度为140度 问实际温度是多少 5 热端为100 冷端为0 时 镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2 95mV