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传感器技术 山东科技大学信电学院 范迪电话mail fandi 93 第8章热电式传感器 8 1概论8 2热电偶8 2 1热电效应8 2 2热电偶基本定律8 2 3热电偶材料8 2 4热电偶测温电路8 2 5热电偶参考端温度8 3热电阻8 4热敏电阻8 5数字式温度传感器 8 1概论 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 在2000多年前 就开始为检测温度进行了各种努力 并开始使用温度传感器检测温度 人类社会中 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 8 1 1温度的基本概念 1 几种角度看温度 热平衡 温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量 分子物理学 温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度 能量 温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量 热力学温标国际实用温标摄氏温标华氏温标 2 温标表示温度大小的尺度是温度的标尺 简称温标 1954年 国际计量会议确定T 273 16 Q1 Q2 1848年威廉 汤姆 开尔文首先提出以热力学第二定律为基础 建立温度仅与热量有关 而与物质无关的热力学温标 因是开尔文总结出来的 故又称开尔文温标 用符号K表示 它是国际基本单位制之一 根据热力学中的卡诺定理 如果在温度T1的热源与温度为T2的冷源之间实现了卡诺循环 则存在下列关系式 1 热力学温标 Q1 热源给予热机的传热量Q2 热机传给冷源的传热量 国际实用温标InternationalPracticalTemperatureScaleof1968 简称IPTS 68 又称国际温标 它是一种既能体现热力学温度 即能保证一定的准确度 又使用方便 容易实现的温标 2 国际实用温标 注意 摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同 即温度间隔1K 1 T0是在标准大气压下冰的融化温度 T0 273 15K 1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度 用t表示 其单位是开尔文 符号为K 1K定义为水三相点热力学温度的1 273 16 水的三相点是指纯水在固态 液态及气态三项平衡时的温度 热力学温标规定三相点温度为273 16K 这是建立温标的惟一基准点 四个温度段 规定各温度段所使用的标准仪器 低温铂电阻温度计 13 81K 273 15K 铂电阻温度计 273 15K 903 89K 铂铑 铂热电偶温度计 903 89K 1337 58K 光测温度计 1337 58K以上 国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号T68和t68来区别 一般简写为T与t 3 摄氏温标 是工程上最通用的温标 摄氏温标是在标准大气压 即101325Pa 下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份 每一等份称为摄氏1度 摄氏度 一般用小写字母t表示 摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下 4 华氏温标 目前已用得较少 它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度 水的沸点为212华氏度 中间等分为180份 每一等份称为华氏1度 符号用 它和摄氏温度的关系如下 T t 273 15K t T 273 15 m 1 8n 32 n 5 9 m 32 3 温度传感器的原理与分类 随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化 蒸气的温度变化 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 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 超声波速变化 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 半导体集成温度传感器 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 2 温度传感器分类 温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计 按照测量方法又可分为接触式和非接触式 按工作原理又可分为膨胀式 电阻式 热电式 辐射式等等 按输出方式分 有自发电型 非电测型等 变色涂料在电脑内部温度中的示温作用 CPU散热风扇 低温时显示蓝色 温度升高后变为红色 体积热膨胀式 不需要电源 耐用 但感温部件体积较大 气体的体积与热力学温度成正比 红外温度计 1 按照测温范围分类 2 按照测温特性分类 3 按照测定精度分类 8 2热电偶 8 2 1热电效应 1821年 德国物理学家赛贝克做了个实验 结论 当两个结点温度不相同时 回路中将产生电势 称为温差电势 热电极A 自由端 参考端 冷端 测量端 工作端 热端 热电极B 热电势 温差电势 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 1 温差电势 2 接触电势 eAB T 导体A B结点在温度T时形成的接触电势 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 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 回路总电势为 3 回路总电势 NA NB 导体A和B的电子密度 A B 导体A和B的汤姆逊系数 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 由一种均质导体组成的热电偶 不论是否存在温差 均不产生热电势 反之 如果有热电势 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 1 均质导体定律 8 2 2热电偶定律 2 中间导体定律 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 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 并均处于相同温度之中 此回路的总电势不变 即 EACB T1 T2 EAB T1 T2 EABC T1 T0 EAB T1 T0 2 同理 下图中回路的电势也不变 为 电位计接入热电偶回路 因此 可以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 就不会影响回路中原来的热电势 接入的方式 3 连接导体定律和中间温度定律 4 标准电极定律 8 2 4热电偶材料 对热电偶的电极材料主要要求是 配制成的热电偶应具有较大的热电势 线性度好 能在较宽的温度范围内使用 物理化学性能与热电性能都比较稳定 电导率要求高 电阻温度系数要小 易于复制 工艺简单 价格便宜 标准化热电偶有 铂铑一铂热电偶 镍铬一镍铝热电偶 镍铬考铜热电偶及铜一康铜热电偶等 几种常用热电偶的测温范围及热电势 K热电偶的分度表 比较查出的3个热电势 可以看出热电势是否线性 普通装配型热电偶的外形 安装螺纹 安装法兰 普通装配型热电偶的结构放大图 接线盒 引出线套管 固定螺纹 出厂时用塑料包裹 热电偶工作端 热端 不锈钢保护管 铠装型热电偶外形 法兰 铠装型热电偶可长达上百米 薄壁金属保护套管 铠体 铠装型热电偶横截面 铠装型热电偶 铠装热电偶的制造工艺 把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中 运用同比例压缩延伸工艺 将这三者合为一体 制成各种直径 规格的铠装偶体 再截取适当长度 将工作端焊接密封 配置接线盒即成为柔软 细长的铠装热电偶 铠装热电偶特点 内部的热电偶丝与外界空气隔绝 有着良好的抗高温氧化 抗低温水蒸气冷凝 抗机械外力冲击的特性 铠装热电偶可以制作得很细 能解决微小 狭窄场合的测温问题 且具有抗震 可弯曲 超长等优点 隔爆型热电偶外形 厚壁保护管 压铸的接线盒 电缆线 隔爆型热电偶 结构特点 隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构 它的接线盒是经过压铸而成的 有一定的厚度 隔爆空间 机构强度较高 采用螺纹隔爆接合面 并采用密封圈进行密封 因此 当接线盒内一旦放弧时 不会与外界环境的危险气体传爆 能达到预期的防爆 隔爆效果 使用场合 工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中 由于在化工生产厂 生产现场常伴有各种易燃 易爆等化学气体或蒸汽 如果用普通热电偶则非常不安全 很容易引起环境气体爆炸 其他热电偶外形 小形K型热电偶 8 2 5热电偶测温电路 8 2 6热电偶参考端温度 冷端补偿 1 0 恒温法 冰浴法 为什么要补偿 1 查热电偶的分度表 t0不是0 C 而且也不恒定 因此将产生误差 2 t0高于0 C 热电势总是偏小 必须消除或补偿热电偶的冷端损失 2 热电势补正法 由中间温度定理 可得 测出 查表得到 热电势补正得到 由查表得到温度T 例 图为镍铬 镍硅 K 热电偶测温电路 热电极直接焊接在钢板上 A B 为补偿导线 Cu为铜导线 已知接线盒1的温度t1 40 C 冰瓶中为冰水混合物 接线盒3的温度t3 20 0 C 求 1 当Ux 29 9mV时 估算被测点温度tx 2 如果冰瓶中的冰完全融化 温度上升 与接线盒1的温度相同 此时Ux 27 3mV 再求tx 把参考端实际温度Tn乘上系数k 加到由EAB T Tn 查分度表所得的温度上 成为被测温度T 用公式表达即 T T kTn 3 温度补正法 式中 T 为未知的被测温度 T 为参考端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度 Tn 室温 k 为补正系数 例用铂铑10 铂热电偶测温 已知冷端温度Tn 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 该办法稍稍简单一些 比电势补正法误差可能大一点 但误差不大于0 14 4 调整仪表起始点法 指针被预调到室温 40 C 可补偿冷端损失 5 热电偶补偿法 6 冷端延长线法 采用相对廉价的补偿导线 可延长热电偶的冷端 使之远离高温区 可节约大量贵金属 易弯曲 便于敷设 补偿导线在0 100 C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等 所以不影响测量精度 补偿导线型号 4 279 5 264 6 319 2 744 0 647 沸点热电势 mV 线皮颜色 正 负 配用热电偶 正 负 型号 红 白 T 铜 铜镍 TX 红 紫 J 铁 铜镍 JX 红 棕 E 镍铬 铜镍 EX 红 黄 N 镍铬硅 镍硅 NC 红 绿 R 铂铑13 铂 RC 补偿导线外形 A B 屏蔽层 保护层 不平衡电桥中R1 R2 R3为锰铜丝 RCu为铜丝 设计时 在0 下使电桥平衡 Uab 0 电桥对仪表读数无影响 注意 1 桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近 使处于同一温度之下 2 不同材质的热电偶所配的冷端补偿器 其中的限流电阻R不一样 互换时必须重新调整 7 电桥补偿法 例1 一支镍铬 镍铜热电偶测换热器内温度 其冷端为30 而显示仪表的机械零位为0 显示仪表指示值为400 那么换热器内温度为430 对不对 例2 将灵敏度为0 08mV 的热电偶与电压表相连 电压表连线端温度为50 若电压表读数为60mV 求热电偶热端温度 解 由题中条件知道 认为热电偶是线性的 电压表读数为60mV时 电压表连线端温度为50 故测量端温度为 例3 已知热电偶的热电极A为铂铑30 B为铂铑6 标准电极C为高纯度铂丝 若测得求 解 标准电极定律 可得 8 3热电阻 8 3 1热电阻的材料和工作原理 易提纯 复现性好的金属材料才可用于制作热电阻 铂 铜 铁等可以做热电阻 1 铂电阻 A B C为常数值 其中 A 3 96847 10 3 1或3 94851 10 3 1B 5 847 10 7 2或 5 851 10 7 2C 4 22 10 12 4或 4 04 10 12 4 用途 钢铁 地质 石油 化工等生产工艺流程 各种食品加工 空调设备及冷冻库 恒温槽等的温度检测与控制中 空气温度 管道内介质温度 铂电阻温度传感器的主要技术参数详见下表 油中0 06 水中0 3 油中0 06 水中0 3 油中0 06 水中0 3 油中0 06 水中0 3 0 06 0 0 3 0 3 0 50 1 0 1 0 3 0 3 铂热电阻分度表 例4 已知铂电阻温度计0 时电阻为100欧 100 时电阻为139欧 若用其测量某介质温度时电阻为218欧 试确定该介质温度 解 假设铂电阻的特性为线性的 由已知条件得 当电阻为218时 薄膜型及普通型铂热电阻 小型铂热电阻 防爆型铂热电阻 2 铜电阻 3 铁电阻 镍电阻 优点 温度系数高 电阻率大 用其做成的热电阻体积小 灵敏度高 缺点 容易氧化 稳定性差 复制性差 非线性较大 8 3 2测量电路 8 4热敏电阻 8 4 1热敏电阻的原理和分类 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 在许多场合下 40 350 热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器 1 正温度系数热敏电阻器 PTC 电阻值随温度升高而增大的电阻器 简称PTC热敏阻器 它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷 2 负温度系数热敏电阻器 NTC 电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器 它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷 3 突变型负温度系数热敏电阻器 CTR 该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低3 4个数量级 即具有很大负温度系数 1 热敏电阻器的电阻 温度特性 RT T 8 4 2热敏电阻的主要特性 1 负温度系数 NTC 热敏电阻器的温度特性 BN NTC热敏电阻的材料常数 RT RT0 温度为T T0时热敏电阻器的电阻值 NTC的电阻一般数学表达式为 为了使用方便 常取环境温度为25 作为参考温度 即T0 25 则NTC热敏电阻器的电阻 温度关系式 RT R25 BN系数表 2 正温度系数 PTC 热敏电阻器的电阻 温度特性 PTC热敏电阻的工作温度范围较窄 实验证实 在工作温度范围内 其电阻 温度特性可近似用下面的实验公式 若对上式取对数 则得 1 负温度系数 NTC 热敏电阻器的伏安特性 该曲线是在环境温度为T0时的静态介质中测出的静态U I曲线 2 热敏电阻器的伏安特性 U I oa段 电流小 自热温升可忽略 bc段 自热温升很大 电阻大幅降低 电压反而减小 出现负阻区 ab段 电流较大 自热温升加大 使得电阻减小 电压上升速度减小 cd段 自热更严重 电阻急剧减小 2 正温度系数 PTC 热敏电阻器的伏安特性 ab段 当电压增至Um时 存在一个电流最大值Im 自热的温升很小 bc段 电流增大 自热温升加大 电阻增大而使得电流变小 呈现负阻区 8 4 2热敏电阻的线性化 1 检测用的热敏电阻器 Um为峰值电压 8 4 3热敏电阻的应用 2 电路用的热敏电阻器 Um为峰值电压 热敏电阻外形 MF12型NTC热敏电阻 聚脂塑料封装热敏电阻 玻璃封装NTC热敏电阻 MF58型热敏电阻 带安装孔的热敏电阻 大功率PTC热敏电阻 贴片式NTC热敏电阻 MF58型 珠形 高精度负温度系数热敏电阻 MF5A 3型热敏电阻 非标热敏电阻 非标热敏电阻 热敏电阻体温表 集成温度传感器 温度IC 将温度敏感元件和放大 运算和补偿等电路采用微电子技术和集成工艺集成在一片芯片上 从而构成集测量 放大 电源供电回路于一体的高性能的测温传感器 8 5集成温度传感器 8 5 1集成温度传感器的测温原理 PN结的温度特性 二极管的正向电压降UD以 2mV 变化 8 5 2集成温度传感器的类型 集成温度传感器可分为 模拟型集成温度传感器和数字型集成温度传感器 模拟型的输出信号形式有电压型和电流型两种 电压型的灵敏度多为10mV 以摄氏温度0 作为电压的零点 电流型的灵敏度多为1 A K 以绝对温度0K作为电流的零点 数字型又可以分为开关输出型 并行输出型 串行输出型等几种不同的形式 8 5 3模拟型集成温度传感器 电流输出型温度传感器能产生一个与绝对温度成正比的电流作为输出 AD590是电流输出型温度传感器的典型产品 AD590封装示意图 空脚 接地 AD590的基本转换电路 电流 电压转换电路 10mV K 增加负载电阻的阻值可提高输出电压 输出电压Uo与热力学温度成正比 1mV K 输出电压Uo与摄氏温度成正比 100mV 电压输出型集成温度传感器 LM35 45 LM35 45的外形及引脚图 电压输出型集成温度传感器 LM35 45 LM35 45构成的摄氏温度测量电路及组装成的测温传感器 集成温度传感器用于CPU散热保护电路 散热风扇 集成温度IC CPU插座 CPU散热片 MAX6502用于控制散热风扇的转速 当CPU进行复杂运算时 风扇处于全速运行 场效应管功率驱动 8 5 4数字式温度传感器 单总线数字温度传感器DS1820 美国DALLAS公司生产 唯一的串行序列号 可以由总线供电 无需电源 2 DS1820引脚及功能 GND 地 VDD 电源电压 I O 数据输入 输出脚 单线接口 可作寄生供电 它主要包括寄生电源 温度传感器 64位激光ROM 单线接口 存放中间数据的高速暂存器 内含便笺式RAM 用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑 8位循环冗余校验码 CRC 发生器等七部分 3 DS1820的工作原理 1 温度测量原理 DS1820测量温度时使用特有的温度测量技术 原理图 寄生电源供电时 电源端接地 器件从总线上获取电源 在I O线呈低电平时 改由寄生电容上的电压继续向器件供电 寄生电源两个优点 检测远程温度时无需本地电源 无正常电源时也能读ROM 外部供电时 通过二极管向器件供电 1 寄生电源 内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0 高温度