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热电式传感器 一 温度传感器的应用 1 家电 汽车领域 2 工业领域 二 温度传感器的分类 接触式 热电偶 热电阻 热敏电阻 PN结温度传感器 非接触式 辐射温度计 例 卫星遥感地球温度分布 必须与被测对象充分接触 能立刻与被测物体达到同一温度 其热传导作用不会使被测物体温度发生变化 例 土壤温度的测量 半导体温度传感器 第六章热电式传感器 第一节热电偶 THERMOCOUPLE 一 热敏电阻 第二节热电阻 二 PN结型温度传感器 第三节半导体温度传感器 第一节热电偶 THERMOCOUPLE 一 热电效应 二 热电偶基本定律 三 热电偶种类和结构 补偿导线的问题 四 热电偶实用测量电路 五 冷端温度补偿 Thermoelectriceffect或Peltier Seebeckeffect 略 PeltierEffectIn1834 SeebeckEffectIn1821 ThomsonEffect aparttimephysicist 帕尔贴效应 题外话 半导体制冷 半导体散热片侧视图 把显示芯片的温度降到环境温度以下 半导体冰箱家车两用 一 赛贝克效应 热电效应 热电势 热电势 何种起决定作用 若T TO 热端 冷端 工作端 自由端 使T0 0将会怎样 热电偶测温方法 接触电势 温差电势 1 热电势的大小只与材料的性质 及端点处的温度有关 而与形状 大小无关 2 中间导体定律 在热电偶中插入第三种材料 3 参考电极定律 二 热电偶基本定律 在其回路中接入电气测量仪表 对其总热电势有没有影响 热电偶的选配工作 只要插入材料两端的温度相同 对热电偶的总热电势没有影响 3 参考电极定律 例 已知EAC 1084 5 0 13 967mVEBC 1084 5 0 8 354mV EAB 1084 5 0 5 613mV 则EAB 1084 5 0 常选用铂作为参考电极 三 热电偶种类 普通热电偶 热电偶的输出一般每度只有数十毫伏的输出 1 普通热电偶 2 铠装热电偶 结构 3 微型热电偶 如薄膜式 对热电极的要求 普通热电偶 对绝缘套管的要求 对保护套管的要求 热电偶结构 常用材料 热电极有正负之分 热电极长度0 35 2米 补充 日本工业界关于热电偶的分类 各类热电偶的温差电势特性比较 K型多对带屏蔽热电偶补偿导线 J型热电偶延长线 进口J型热电偶线 黄色热电偶线 表层耐温范围 0 260 黄色 内芯绝缘层为一根红色 一根白色 由于测温点到仪表的距离都很远 为节省热电偶材料 常用补偿导线把热电偶的冷端延伸到温度比较稳定的控制室内 补偿导线 补偿导线 补偿导线只起延伸热电极的作用 它并不能消除冷端温度变化对测温的影响 不起补偿作用 因此 还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0 0 时对测温的影响 注意 型号相配 极性不能接错 补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100 延伸导线 直径粗 导电系数大 常用热电偶的补偿导线 1 测单点温度的基本电路 2 测两点间温差 四 热电偶实用测量电路 热电偶 补偿导线 3 测量平均温度 回路中总电势 4 测量几点温度之和 若干支热电偶公用一台测量仪表 1 用精密继电器 机械切换开关 2 使用电子模拟切换开关 精密继电器 2 使用电子模拟切换开关 如AD7501 总结 热电偶实用测量电路 1 测单点温度的基本测温线路 2 测两点间温差的测温线路 3 测量平均温度的测温线路 4 测量几点温度之和的测温线路 若干支热电偶公用一台测量仪表 1 用精密继电器 机械切换开关 2 使用电子模拟切换开关 如AD7501 五 冷端温度补偿 2 恒温槽方式 1 冰浴法 冰水保温瓶方式 3 补偿电桥法 如何修正冷端温度T0变化对测温的影响 内补偿 1 冰水保温瓶方法 2 恒温槽方式 因各种热电偶的分度关系是在冷端温度为0 时得到的 如果测温热电偶的热端为t 冷端温度t0 0 t0 0 E t 0 冷端为0 而热端为t 时的热电势 E t t0 冷端为t0 而热端为t 时的热电势 E t0 0 冷端为0 时应加的校正值 将冷端置于恒温槽中 可查表 可查表 测量值 E t 0 E t t0 E t0 0 3 补偿电桥法 利用不平衡电桥产生不平衡电压来自动补偿因冷端温度变化而引起的热电势变化 冷端补偿器 T0变化 补偿电桥法 补偿电桥法 T T0 EM Rcu Eab T0 Rcu 两个概念 温度传感器 热电式传感器 WR系列热电偶冷端补偿器 补偿器接入测量系统时正负极性不可接反 冷端温度补偿器应与所用的热电偶配套 4 1 热电偶专用集成电路 AD595配K型热电偶 功能 1 零点温度补偿 2 放大 3 线性校正 4 热偶断线报警 对热电偶后级的运放电路的要求 AD594配J型热电偶 美国模拟器件公司 AD公司 漂移小 热电偶的应用举例 略 热电堆红外测温传感器 热电堆是由许多组热电偶串联所组成 热电偶冷端补偿 若干支热电偶公用一台测量仪表的问题 热电偶实用测量电路 补偿导线 热电偶的应用举例 热电偶专用集成电路 AD595 AD594 延伸导线 第二节热电阻 铂电阻元件 利用导体的电阻随温度变化的特性测量温度 本节主要内容 金属电阻率及其温度系数 热电阻测量电路 热电阻种类和结构 热电阻应用举例 金属电阻率及其温度系数 金属电阻率及其温度系数 热电阻必须具备的特性 1 电阻温度系数尽可能大且稳定 2 电阻率高 3 T与R之间成线性关系 物理化学性质稳定 温度t C 电阻率 温度系数aR C 热电阻种类 1 铂电阻 工业测温元件 259 34 630 74 温度基准 其它热电阻 铂电阻 2 铜电阻 50 150 铟 锰 碳 测低温和超低温的理想材料 常用 热电阻结构 将双线电阻丝绕在骨架上 电阻体 保护套管 银导线 骨架 铆钉 骨架 石英 云母 陶瓷 玻璃等材料制成 热电阻测量电路 1 两线式电路 2 三线式电路 3 四线式电路 1 两线式电桥 引线电阻 引线电阻 精密电阻 2 三线式电桥 r1 r2 r3 引线电阻 3 四线式电路 电压表V 恒流源I IV IM Rt 热电阻应用举例 气体成份分析 铂电阻测量真空度 气体成份分析 温度传感器 热电偶 两种金属导体的热电效应热电阻 金属导体的电阻随温度变化效应热敏电阻 半导体的热阻效应 由金属氧化物采用一定配比 经高温烧结而成 优点 灵敏度大 引线电阻影响小 体积小 响应速度快 适合测量微弱温度变化 缺点 一致性差 即互换性差 因此在石油 钢铁制造业几乎不用 3 1热敏电阻 一 热敏电阻的结构 二 热敏电阻温度特性与分类 三 热敏电阻输出特性的线性化处理方法 第三节半导体温度传感器 3 2PN结型温度传感器 一 热敏电阻的结构 贴片状热敏电阻 引线型热敏电阻 带状热敏电阻 二 热敏电阻分类 NTCR negativetemperaturecoefficient PTCR positivetemperaturecoefficient CTR criticaltemperaturecoefficientresister PTCR 负温度系数热敏电阻 正温度系数热敏电阻 临界温度热敏电阻 控制开关 CTR 用于温度测量与恒温控制 按温度特性分 用途 NTCR 负温度系数热敏电阻R与T的关系 R0 温度为T0时的电阻 B 热敏电阻材料常数 若定义热敏电阻温度系数 T 三 热敏电阻输出特性的线性化处理方法 1 线性化网络 3 利用温度 频率转换电路改善热敏电阻非线性 2 计算修正法 软件插值 课后作业 线性化处理 1 线性化网络 用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联进行补偿 rc rc Rt Rt 补偿电路 并联补偿电路 温度 温度 串联 LM556 3 利用温度 频率转换电路改善热敏电阻非线性 RT RF U UA2 UA3 UA4 当t t1时 即 3 2PN结型温度传感器 最大优点 输出特性呈线性 测温精度高 PN结型温度传感器的种类 PN结上的正向电压随温度变化 一 温敏二极管二 温敏三极管三 集成温度传感器 一 温敏二极管 温敏二极管 温敏二极管PN结正向电压UF与温度的关系 Ugo 由材料决定的常数T 环境温度 绝对温度 在一定的电流下 PN结上的正向电压UF具有负温度系数 温度上升而UF线性下降 e 电子电荷IF 正向电流 B AB A结面积 B 包括了所有与温度无关的因子常数 温度调节电路 UX UR DT 二 温敏三极管 温敏晶体管 发射结上的正向电压随温度上升而线性下降 温敏三极管线性和互换性比二极管好 若IC恒定 则UBE随温度单调变化 2 基本测温电路 温敏三极管 1 原理 MTS102 MTS102 120K 三 集成温度传感器 直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出 体积小 成本低廉 是现代半导体温度传感器的主要发展方向之一 适用于 50 150 温区的温度监测 控制 补偿领域 integratedcircuittemperaturesensor 1 集成温度传感器基本原理 BG1 BG2是两个完全相同的晶体管 UBE正比于绝对温度 若两管增益很高 则 IC2正比于绝对温度 IC1也正比于绝对温度 R1 因此 因两管集电极面积相等 故 温敏差分对管 电流镜PTAT核心电路 proportionaltoabsolutetemperature I I0 BG3 BG4是两个完全相同的晶体管 BG3 BG4 BG2 BG1 Ic1 Ic2 Ic1 Ic2 BG1 BG2面积之比为r 电压型PTAT电路 BG5与BG3 BG4的发射极电压及面积相同 I ConnectingseveralAD590unitsinseriesallowstheminimumofallthesensedtemperaturestobeindicated Incontrast usingthesensorsinparallelyieldstheaverageofthesensedtemperatures 3 几种常用的集成温度传感器 电压型 LM135 235 335 10mv k电流型 LM134 1 A AD590 AnalogDevice公司 1 A 集成温度传感器的典型应用 三端电压输出型的结构 如LM335 在温度不变时 相当于恒流源 具有不易受引线电阻 接触电阻 噪声干扰 能实现长距离传输 电流型的优点 LM135 LM235 LM335 Nationalsemiconduct公司 PRODUCTDESCRIPTIONTheAD590isatwo terminalintegratedcircuittemperaturetransducerthatproducesanoutputcurrentproportionaltoabsolutetemperature Forsupplyvoltagesbetween 4Vand 30Vthedeviceactsasahighimpedance constantcurrentregulatorpassing1mA K Lasertrimmingofthechip sthin filmresistorsisusedtocalibratethedeviceto298 2mAoutputat298 2K 25 C TheAD590shouldbeusedinanytemperaturesensingapplicationbelow 150 Cinwhichconventionalelectricaltemperaturesensorsarecurrentlyemployed TheinherentlowcostofamonolithicintegratedcircuitcombinedwiththeeliminationofsupportcircuitrymakestheAD590anattractivealternativeformanytemperaturemeasurementsituations Linearizationcircuitry precisionvoltageamplifiers resistancemeasuringcircuitryandcoldjunctioncompensationarenotneededinapplyingtheAD590 PRODUCTHIGHLIGHTS 温度传感器的应用 工作原理 定标 1 空气流速检测计 思考 要建立如下测温系统如何选择温度传感器 测温范围 50 1600 分三档 2 摄氏和华氏数字温度计 ICL7106功能简介 显示数N 半导体温度传感器 热敏电阻 PN结温度传感器 温敏二极管 温敏三极管 集成温度传感器 几种常用的集成温度传感器 温度传感器的应用 非线性 PTAT核心电路 特点 本章回顾 热电偶 热电阻 热敏电阻 PN结温度传感器 可测温度范围宽 不需电源 价格较便宜 需质量较高的电源 适于温度不太高但对精