检测与转换 温度传感器 课件.ppt

1 温度传感器 TemperatureSensor 概论conspectus summarize热电偶温度传感器thermocouple热敏电阻温度传感器thermistor集成温度传感器integratecircuit其他温度传感器 2 了解温度传感器的作用 地位和分类 理解热电效应定义 掌握热电偶三定律及相关计算 热电偶冷端补偿原因及补偿方法 掌握热敏电阻不同类型的特点 特性曲线及应用场合 掌握电流型 电压型 数字型三种集成温度传感器特点 工作原理和使用方法 了解其他温度传感器工作原理 学习要点 3 第一节概论 温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件 在种类繁多的传感器中 温度传感器是应用最广泛 发展最快的传感器之一 温度是与人类生活息息相关的物理量 温度检测始于2000多年前 工业 农业 商业 科研 国防 医学及环保等部门都与温度有着密切的关系 工业生产自动化流程 温度测量点要占全部测量点的一半左右 温度是反映物体冷热状态的物理参数 因此 人类离不开温度 当然也离不开温度传感器 4 一 温度的基本概念 温度 衡量物体冷热程度的物理量 温度的高低反映了物体内部分子运动平均动能的大小 温标 表示温度大小的尺度是温度的标尺 热力学温标thermodynamictemperaturescale国际实用温标Internationalpracticaltemperaturescale摄氏温标Celsiustemperaturescale华氏温标Fahrenheittemperaturescale 5 二 温度传感器的特点与分类 随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化蒸气压的温度变化电极的温度变化热电偶产生的电动势光电效应热电效应介电常数 导磁率的温度变化物质的变色 融解强性振动温度变化热放射热噪声 1温度传感器的物理原理 11 6 特性与温度之间的关系要适中 并容易检测和处理 且随温度呈线性变化 除温度以外 特性对其它物理量的灵敏度要低 特性随时间变化要小 重复性好 没有滞后和老化 灵敏度高 坚固耐用 体积小 对检测对象的影响要小 机械性能好 耐化学腐蚀 耐热性能好 能大批量生产 价格便宜 无危险性 无公害等 2 温度传感器应满足的条件 7 3 温度传感器的种类及特点 接触式温度传感器非接触式温度传感器 接触式温度传感器是将测温敏感元件直接与被测介质接触 使被测介质与测温敏感元件进行充分热交换 当两者具有相同温度时 达到测量的目的 这种传感器的测量精度较高 但由于被测介质的热量传递给传感器 从而降低了被测介质的温度 特别是被测介质热容量较小时 会给测量带来误差 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 8 物理现象 体积热膨胀 电阻变化 温差电现象 导磁率变化 电容变化 压电效应 超声波传播速度变化 物质颜色 P N结电动势 晶体管特性变化 可控硅动作特性变化 热 光辐射 种类 铂测温电阻 热敏电阻 热电偶 BaSrTiO3陶瓷 石英晶体振动器 超声波温度计 示温涂料液晶 半导体二极管 晶体管半导体集成电路温度传感器 可控硅 辐射温度传感器光学高温计 1 气体温度计2 玻璃制水银温度计3 玻璃制有机液体温度计4 双金属温度计5 液体压力温度计6 气体压力温度计 1 热铁氧体2 Fe Ni Cu合金 9 温度传感器分类 1 10 温差热电偶 简称热电偶 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 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 第二节热电偶温度传感器 热电偶的工作原理 热电偶回路的性质 热电偶的常用材料与结构 冷端处理及补偿 11 两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路 若导体A和B的连接处温度不同 设T T0 则在此闭合回路中就有电流产生 也就是说回路中有电动势存在 这种现象叫做热电效应 这种现象早在1821年首先由西拜克 See back 发现 所以又称西拜克效应 一 工作原理 回路中所产生的电动势 叫热电势 热电势thermo electricforce由两部分组成 即温差电势和接触电势 热端 冷端 12 1 接触电势 A B T eAB T eAB T 导体A B结点在温度T时形成的接触电动势 e 单位电荷 e 1 6 10 19C k 波尔兹曼常数 k 1 38 10 23J K NA NB 导体A B在温度为T时的电子密度 接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关 接触电势原理图 13 A eA T To To T eA T T0 导体A两端温度为T T0时形成的温差电动势 T T0 高低端的绝对温度 A 汤姆逊系数 表示导体A两端的温度差为1 时所产生的温差电动势 例如在0 时 铜的 2 V 2 温差电势 温差电势原理图 14 由导体材料A B组成的闭合回路 其接点温度分别为T T0 如果T T0 则必存在着两个接触电势和两个温差电势 回路总电势 T0 T eAB T eAB T0 eA T T0 eB T T0 A B 3 回路总电势 NAT NAT0 导体A在结点温度为T和T0时的电子密度 NBT NBT0 导体B在结点温度为T和T0时的电子密度 A B 导体A和B的汤姆逊系数 15 导体材料确定后 热电势的大小只与热电偶两端的温度有关 如果使EAB T0 常数 则回路热电势EAB T T0 就只与温度T有关 而且是T的单值函数 这就是利用热电偶测温的原理 只有当热电偶两端温度不同 热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生 热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的材料及两端温度有关 与热电偶的长度 粗细无关 只有用不同性质的导体 或半导体 才能组合成热电偶 相同材料不会产生热电势 因为当A B两种导体是同一种材料时 ln NA NB 0 也即EAB T T0 0 16 在实际测量中只需用仪表测出回路中总电势即可 由于温差电势与接触电势相比较 其值很小 因此 在工程技术中认为热电势近似等于接触电势 在工程应用中 测出回路总电势后 用查热电偶分度表的方法确定被测温度 由一种均质导体组成的闭合回路 不论其导体是否存在温度梯度 回路中没有电流 即不产生电动势 反之 如果有电流流动 此材料则一定是非均质的 即热电偶必须采用两种不同材料作为电极 二 热电偶回路的性质 1 均质导体定律 17 E总 EAB T EBC T ECA T 0 三种不同导体组成的热电偶回路 2 中间导体定律 一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路 只要它们彼此连接的接点温度相同 则此回路各接点产生的热电势的代数和为零 如图 由A B C三种材料组成的闭合回路 则 18 两点结论 l 将第三种材料C接入由A B组成的热电偶回路 如图 则图a中的A C接点2与C A的接点3 均处于相同温度T0之中 此回路的总电势不变 即同理 图b中C A接点2与C B的接点3 同处于温度T0之中 此回路的电势也为 T2 T1 Aa B C 2 3 EAB A T0 2 3 A B EAB T1 T2 C T0 EAB T1 T2 EAB T1 EAB T2 a b T0 T0 EAB T1 T2 EAB T1 EAB T2 第三种材料接入热电偶回路图 19 E T0 T0 T E T0 T1 T1 T 电位计接入热电偶回路 根据上述原理 在热电偶回路中接入电位计E 只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等 不会影响回路中原来的热电势 接入的方式见下图所示 20 EAB T T0 EAC T T0 ECB T T0 T0 T EBA T T0 B A T0 T EAC T T0 A C T0 T ECB T T0 C B 2 如果任意两种导体材料的热电势是已知的 它们的冷端和热端的温度又分别相等 如图所示 它们相互间热电势的关系为 21 3 中间温度定律 如果不同的两种导体材料组成热电偶回路 其接点温度分别为T1 T2 如图所示 时 则其热电势为EAB T1 T2 当接点温度为T2 T3时 其热电势为EAB T2 T3 当接点温度为T1 T3时 其热电势为EAB T1 T3 则 B B A T2 T1 T3 A A B EAB T1 T3 EAB T1 T2 EAB T2 T3 22 EAB T1 T3 EAB T1 0 EAB 0 T3 EAB T1 0 EAB T3 0 EAB T1 EAB T3 A B T1 T2 T2 A B T0 T0 热电偶补偿导线接线图 E 对于冷端温度不是零度时 热电偶如何分度表的问题提供了依据 如当T2 0 时 则 只要T1 T0不变 接入A B 后不管接点温度T2如何变化 都不影响总热电势 这便是引入补偿导线原理 EAB EAB T1 EAB T0 说明 当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A B同样热电特性的材料A B 如图 即引入所谓补偿导线时 当EAA T2 EBB T2 时 则回路总电动势为 23 例题 解 根据中间导体定律结论公式 有EAB T T0 EAC T T0 ECB T T0 依题意可知 EAC T T0 13 967mV ECB T T0 8 345mV则EAB T T0 13 967mV 8 345mV 5 622mV因此 在此特定条件下材料A与材料B配对后的热电势为5 622mV 已知在某特定条件下材料A与铂配对的热电动势为13 967mV 材料B与铂配对的热电动势为8 345mV 求出在此特定条件下材料A与材料B配对后的热电势 24 热电偶材料应满足 物理性能稳定 热电特性不随时间改变 化学性能稳定 以保证在不同介质中测量时不被腐蚀 热电势高 导电率高 且电阻温度系数小 便于制造 复现性好 便于成批生产 三 热电偶的常用材料与结构 25 1 铂 铂铑热电偶 S型 分度号LB 3测量温度 长期 1300 短期 1600 一 热电偶常用材料 2 镍铬 镍硅 镍铝 热电偶 K型 分度号EU 2测量温度 长期1000 短期1300 3 镍铬 考铜热电偶 E型 分度号EA 2测量温度 长期600 短期800 4 铂铑30 铂铑6热电偶 B型 分度号LL 2测量温度 长期可到1600 短期可达1800 26 几种持殊用途的热电偶 1 铱和铱合金热电偶如铱50铑 铱10钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达2100 的高温 2 钨铼热电偶可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中 使用温度范围300 2000 分度精度为1 3 金铁 镍铬热电偶主要用在低温测量 可在2 273K范围内使用 灵敏度约为10 V 4 钯 铂铱15热电偶输出性能高 在1398 时的热电势为47 255mV 6 铜 康铜热电偶 分度号MK热电势略高于镍铬 镍硅热电偶 约为43 V 复现性好 稳定性好 精度高 广泛用于20K 473K的低温实验室测量中 5 铁 康铜热电偶 分度号TK灵敏度高 线性度好 可在800 以下的还原介质中使用 27 二 常用热电偶的结构类型1 工业用热电偶2 铠装式热电偶 又称套管式热电偶 3 快速反应薄膜热电偶4 快速消耗微型热电偶 28 方法冰点槽法计算修正法补正系数法零点迁移法冷端补偿器法软件处理法 四 冷端处理及补偿 原因热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差 为保证输出热电势是被测温度的单值函数 必须使冷端温度保持恒定 热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0 为依据 否则会产生误差 29 1 冰点槽法把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里 使T0 0 这种办法仅限于科学实验中使用 为了避免冰水导电引起两个连接点短路 必须把连接点分别置于两个玻璃试管里 浸入同一冰点槽 使相互绝缘 mV A B A B T C C 仪表 铜导线 试管 补偿导线 热电偶 冰点槽 冰水溶液 四 冷端处理及补偿 T0 30 2 计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH 利用公式计算例用铜 康铜热电偶测某一温度T 参比端在室温环境TH中 测得热电动势EAB T TH 1 979mV 又用室温计测出TH 21 查此种热电偶的分度表可知 EAB 21 0 0 84mV 故得EAB T 0 EAB T 21 EAB 21 T0 1 979 0 84 2 819 mV 再次查分度表 与2 819mV对应的热端温度T 69 注意 既不能只按1 979mV查表 认为T 49 也不能把49 加上21 认为T 70 EAB T T0 EAB T TH EAB TH T0 31 32 3 补正系数法把参比端实际温度TH乘上系数k 加到由EAB T TH 查分度表所得的温度上 成为被测温度T 用公式表达即式中 T 为未知的被测温度 T 为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度 TH 室温 k 为补正系数 其它参数见下表 例用铂铑10 铂热电偶测温 已知冷端温度TH 35 这时热电动势为11 348mV 查S型热电偶的分度表 得出与此相应的温度T 1150 再从下表中查出 对应于1150 的补正系数k 0 53 于是 被测温度T 1150 0 53 35 1168 3 用这种办法稍稍简单一些 比计算修正法误差可能大一点 但误差不大于0 14 T T kTH 33 34 热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的 在温度传感器中应用最多的有热电偶 热电阻 如铂 铜电阻温度计等 和热敏电阻 热敏电阻发展最为迅速 由于其性能得到不断改进 稳定性已大为提高 在许多场合下 40 350 热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器 主要讲述热敏电阻的特点 分类 基本参数 主要特性和应用等 第三节热敏电阻温度传感器 35 NTC二极管封装 环氧封装 小型化高精度 响应时间快 稳定性好 根据不同用途有多种封装结构 使用温区宽高稳定性 高可靠性 根据不同用途有多种封装结构 使用温区宽 高稳定性 高可靠性 为客户提供多种便捷服务 家用冰箱 空调器 电热水器 整体浴室 冰柜 豆浆机 环氧封装 小型化 精度高 可靠性高 响应时间快 引线采用聚脂漆包线 耐热 绝缘性好 36 一 热敏电阻的特点1 电阻温度系数的范围甚宽2 材料加工容易 性能好3 阻值在1 10M 之间可供自由选择4 稳定性好5 原料资源丰富 价格低廉 一 热敏电阻的特点与分类 37 1 正温度系数热敏电阻器 PTC PositiveTemperatureCoefficient2 负温度系数热敏电阻器 NTC NegativeTemperatureCoefficient3 突变型负温度系数热敏电阻器 CTR ChopTemperatureResistor 二 热敏电阻的分类 38 一 热敏电阻器的电阻 温度特性 RT T 1 2 3 40 60 120 160 0 100 101 102 103 104 105 106 RT 温度T C 热敏电阻的电阻 温度特性曲线1 NTC 2 CTR 3PTC 二 热敏电阻器主要特性 Resistance temperaturecharacteristicofthermistor T T与RT T特性曲线一致 T 39 第四节集成温度传感器 IntegrateCircuitTemperatureSensor 一 IC温度传感器的分类 电压型IC温度传感器电流型IC温度传感器数字输出型IC温度传感器 40 二 IC温度传感器的测温原理 晶体管伏安方程式 K0 波尔滋蔓常数 T 绝对温度 V1 V2发射极面积比 q 电子电荷量 VBE正比于绝对温度T 只要保证IC1 IC2恒定 就可以使 VBE与T为单值函数 因此 可利用电流I与T的正比关系 通过电流的变化来测量温度的大小 I T 若将 VBE转换为电流I 则 41 一 电压输出型集成温度传感器型号 LM35 LM335 AN6701S等多种 LM35系列传感器是3端的电压输出型的精密感温器件 有LM35 LM35A LM35C LM35CA和LM35D等型号 极限参数 电源电压为 35V 0 2V 输出电压为 6V 1 0V输出电流为10mA 存放温度范围对于T0 46封装 金属壳 为 60 180 T0 92封装 塑料 为 55 150 工作温度范围对于LM35和LM35A为 55 150 LM35C和LM35CA为 40 110 LM35D为 0 100 特点 直接用摄氏温度校正 线性温度系数 灵敏度 为10 0mV 在25 时 测量精度为05 工作电压范围为4 30 非线性度小于 05 输出阻抗低 在1mA负载电流时 输出阻抗只有0 1 静态电流小于60 A 可采用单电源供电 也采用双电源供电 在测量温度范围内无需进行调整 三 IC温度传感器的主要特性 42 T0 46封装T0 92封装T0 220封装 LM35的常用基本电路 43 电流输出型典型集成温度传感器有AD590 美国AD公司生产 国内同类产品SG590 器件电源电压4 30V 测温范围 50 150 AD590引脚和内部电路原理图 二 电流型温度传感器 44 1 伏安特性工作电压 4V 30V I为一恒流值输出 I Tk 即KT 标定因子 AD590的标定因子为1 A K I KT TK 4V 30V 0 I A U V AD590伏安特性曲线 55 25 150 218 298 423 45 55 0 150 273 2 A I A TC C AD590温度特性曲线 2 温度特性其温度特性曲线函数是以Tk为变量的n阶多项式之和 省略非线性项后则有 Tc 摄氏温度 I的单位为 A 可见 当温度为0 时 输出电流为273 2 A 在常温25 时 标定输出电流为298 2 A I KT Tc 273 2 46 3 AD590的非线性 150 55 T C 0 3 0 3 0 在实际应用中 T通过硬件或软件进行补偿校正 使测温精度达 0 1 其次 AD590恒流输出 具有较好的抗干扰抑制比和高输出阻抗 当电源电压由 5V向 10V变化时 其电流变化仅为0 2 A V 长时间漂移最大为 0 1 反向基极漏电流小于10pA 55 100 T递增 100 150 则是递降 T最大达 3 最小 T 0 3 分I J K L M五档 T C AD590非线性误差曲线 47 4 AD590的测量电路 AD590在温度25 298 2K 时 理想输出为298 2 A 实际存在误差 可通过电位器调整 使输出电压满足1mV K的关系 AD590典型应用 48 三 数字输出型IC温度传感器 DS18B20的特性单线接口 仅需一根口线与MCU连接 无需外围元件 由总线提供电源 测温范围为 55 125 精度为0 5 九位温度读数 A D变换时间为200ms 用户可以任意设置温度上 下限报警值 且能够识别具体报警传感器 49 3 DS18B20的工作原理 存储器控制逻辑 64bitROM和单线接口 温度传感器 高温触发器 低温触发器 8位CRC触发器 存储器 DS18B20内部结构图 电源检测 寄生电源 2 DS18B20引脚及功能 50 51 四 集成温度传感器的应用 1 LM35构成的数字温度计 52 四 集成温度传感器的应用 串联 并联使用 串联测最低温度 并联测平均温度冷端补偿 可代替冰池 环境温度15 35 温度控制 温度检测 2 AD590的典型应用 53 AD590构成的深井长传输线的温度测量 54 3 DS18B20构成的温度检测系统 采用寄生电容供电的温度检测系统 89C51 DS18B20 DS18B20 DS18B20 P1 0 P1 1 P1 2 Tx Rx 5V GND VDD P1 1作输出口用 相当于TxP1 2作输入口用 相当于Rx 提供电流 通过试验发现 可挂接DS18B20数十片 距离可达到50m 而用一个口时仅能挂接10片DS18B20 距离仅为20m 同时 由于读写在操作上是分开的 故不存在信号竞争问题 55 一 铂电阻温度传感器利用纯铂丝电阻随温度的变换而变化的原理设计研制成的 可测量和控制 200 650 范围内的温度 也可作对其他变量 如 流量 导电率 pH值等 测量电路中的温度补偿 有时用它来测量介质的温差和平均温度 它具有比其他元件良好的稳定性和互换性 目前 铂电阻上限温度达850 第五节其他温度传感器 56 在0 850 范围内 铂电阻的电阻值与温度的关系为在 200 0 范围内为 式中R0 Rt 温度为0及t 时的铂电阻的电阻值 A B C 常数值 Rt R0 1 At Bt2 Rt R0 1 At Bt2 C t 100 t3 铂电阻的纯度以R100 R0表示 R100表示在标准大气压下水沸点时的铂的