81传感器技术及其应用

第8章热电式传感器 8 1热电势式测温传感器8 2热电阻式温度传感器8 3PN结型测温传感器8 4集成电路温度传感器8 5热释电式传感器8 6热电传感器应用实例 8 1热电势式测温传感器 8 1 1工作原理两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起 组成一个闭合回路 如图2 1所示 当两接点温度不等 T T0 时 回路中就会产生电动势 从而形成热电流 这一现象称为热电效应 回路中产生的电动势称为热电势 图8 1热电偶的结构示意图 通常 把上述两种不同导体的组合称为热电偶 称A B两导体为热电极 两个接点 一个为工作端或热端 T 测量时将它置于被测温度场中 另一个叫自由端或冷端 T0 一般要求恒定在某一温度 在图8 1所示的热电偶回路中 所产生的热电势由两部分组成 接触电势和温差电势 接触电势的成因 是研究热电偶的一个重点 现在分析接触电势产生的原因 我们知道 不同导体的自由电子密度是不同的 当两种不同的导体A B紧密连接在一起时 在A B的接触处就会产生电子的扩散 设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度 NA NB 那么 在单位时间内 由导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数多 这时 导体A因失去电子而带正电 导体B因得到电子而带负电 于是 在接触表面上便形成了一个电场 在A B之间形成一个电位差 即电动势 见图8 2 图8 2两不同导体接触处电子的扩散与静电场的形成 这个电动势将阻碍电子由导体A向导体B的进一步扩散 当电子的扩散作用与阻碍扩散的作用相等时 接触处的自由电子的扩散便达到动态平衡 这种由于两种导体自由电子密度不同 而在其接触处形成的电动势 称为接触电势 用符号eAB T 和eAB T0 表示导体A和导体B的两处接触点在温度T和T0时形成的电位差 根据物理学上的推导 有 k0 波兹曼常数 k0 1 38 10 23J K 8 62 10 5eV K T T0 接触处的绝对温度 K NA NB 材料A B的自由电子密度 e 电子电荷量 e 1 602 10 19C热电偶热电势的另一个组成部分是温差电势 温差电势是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势 实验与理论均已证明 热电偶回路总电势主要是由接触电势引起的 在图8 1中 若A为正极 B为负极 则所产生的总电势为EAB T T0 eAB T eAB T0 8 3 通过热电偶理论可以得到如下几点结论 1 若热电偶两电极材料相同 则无论两接点温度如何 总热电势为零 2 若热电偶两接点温度相同 尽管A B材料不同 回路中总电势等于零 3 热电偶产生的热电势只与材料和接点温度有关 与热电极的尺寸 形状等无关 同样材料的热电极 其温度和电势的关系是一样的 因此 热电极材料相同的热电偶可以互换 4 热电偶A B在接点温度为T1 T3时的热电势 等于此热电偶在接点温度为T1 T2与T2 T3两个不同状态下的热电势之和 即EAB T1 T3 EAB T1 T2 EAB T2 T3 eAB T1 eAB T2 eAB T2 eAB T3 eAB T1 eAB T3 8 4 5 当热电极A B选定后 热电势EAB T T0 是两接点温度T和T0的函数差 即EAB T T0 f T f T0 8 5 如果使冷端温度T0保持不变 则f T0 C 常数 此时 EAB T T0 就成为T的单值函数 即EAB T T0 f T C T 8 6 8 1 2热电偶中引入第三导体 在A B材料组成的热电偶回路中接入第三导体C 只要引入的第三导体两端温度相同 则此导体的引入不会改变总电势EAB T T0 的大小 在实际应用中 热电偶回路中需接入测量仪表 相当于在热电偶回路中接入第三导体 如图8 3所示 在图8 3 a 中 2 3两点温度相同 回路中总电势EABC T T0 eAB T eBC T0 eCA T0 8 7 当回路中各接点温度相同时 总电势为零 EABC T T0 eAB T eBC T0 eCA T0 8 7 当回路中各接点温度相同时 总电势为零 即EABC T T0 eAB T0 eBC T0 eCA T0 0eBC T0 eCA T0 eAB T0 8 8 8 8 代入式 8 7 得EABC T T0 eAB T eAB T0 EAB T T0 8 9 同理可证图8 3 b 的情况 图8 3热电偶回路中引入第三导体 2 1 3标准热电极 如果两种导体 A和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 A B 组成的热电偶产生的热电势可由下式算得 EAB T T0 EAC T T0 EBC T T0 8 10 如图8 4所示 AC BC AB为三个热电偶 工作端温度为T 冷端温度为T0 则EAC T T0 eAC T eAC T0 EBC T T0 eBC T eBC T0 图8 4通过标准热电极C求组合热电偶的热电势 由式 8 8 有 将上面两式相减得 8 11 8 12 8 1 4热电偶冷端温度误差及其补偿 通常用热电偶测量的是一个热源的温度或两个热源的温度差 为此 必须把冷端的温度保持恒定或采用一些方法处理 热电偶的输出电压与温度成非线性关系 对于任何一种实际的热电偶 并不是由精确的关系式表示其特性 而是用特性分度表 为了便于统一 一般手册上所提供的热电偶特性分度表 是在保持热电偶冷端温度T0 0 的条件下 给出热电势与热端温度的数值对照 因此 当使用热电偶测量温度时 如果冷端温度保持0 则只要正确地测得热电势 通过对应分度表 即可查得所测的温度 但在实际测量中 热电偶的冷端温度会受环境温度或热源温度的影响 并不为0 为了使用特性分度表对热电偶进行标定 实现对温度的准确测量 对冷端温度变化所引起的温度误差 常采用下述补偿措施 1 0 恒温法将热电偶的冷端保持在0 器皿中 如图8 5所示 此法适用于实验室 它能使冷端温度误差得到完全的克服 2 冷端恒温法将热电偶的冷端置于一恒温器内 如果恒定温度为则冷端误差为 EAB T T0 EAB T 0 EAB T0 0 由该式可见 它虽不为零 但为一个定值 只要在回路中加入相应的修正电压 或调整指示装置的起始位置 即可达到完全补偿的目的 图8 5冷端0 恒温 3 冷端补偿器法 工业上 常采用冷端补偿器法 冷端补偿器是一个四臂电桥 其中三个桥臂电阻的温度系数为零 另一桥臂采用铜电阻RCu 其值随温度变化 放置于热电偶的冷接点处 如图8 6所示 通常 取T0 20 时电桥平衡 R1 R2 R3 RCu 20 此时 若不考虑Rs和四臂电桥的负载影响 则 图8 6冷端补偿器法原理 当T0上升 如T0 Tn 时 RCu上升 Uab Uab上升 由于U Uab eAB T eAB 20 eAB Tn 20 而补偿器选择的RCu产生的 Uab eAB Tn 20 故U维持公式 U eAB T eAB 20 冷端补偿器所产生的不平衡电压正好补偿了由于冷端温度变化引起的热电势变化值 仪表便可指示出正确的温度测量值 使用冷端补偿器应注意 由于电桥是在20 平衡 所以此时应把温度表示的机械零位调整到20 处 不同型号规格的冷端补偿器应与一定的热电偶配套 4 补偿导线法当热电偶冷端的温度由于受热端温度的影响 在很大范围内变化时 则直接采用冷端温度补偿法将很困难 此时 应先采用补偿导线 对于廉价热电偶 可以采用延长热电极的方法 将冷端远移至温度变化比较平缓的环境中 再采用上述的补偿方法进行补偿 5 采用不需要冷端补偿的热电偶目前已经知道 镍钴 镍铝热电偶在300 以下 镍铁 镍铜热电偶在50 以下 铂铑30 铂铑6热电偶在50 以下的热电势均非常小 只要实际的冷端温度在其范围内 使用这些热电偶可以不考虑冷端误差 6 补正系数修正法工程上经常采用补正系数法实现补偿 设冷端温度为tn 工作端测得温度场的温度为t1 其实际温度应为 t t1 ktn式中k为补正系数 可从表8 1所示的补正系数表中查得 例如 用镍铬 考铜热电偶测得某温度场温度为600 此时 冷端温度为30 则通过表8 1可查得k值为0 78 则温度场的实际温度为t 600 0 78 30 623 4 在使用热电偶作温度传感器 系统采用单片机的智能式温度测试系统中 这一修正过程可以自动完成 表2 1热电偶补正系数 8 1 5常用热电偶的特性 许多金属相互结合都会产生热电效应 但是能做成适于测温的实用热电偶者为数不多 目前常用热电偶的种类及特性见表8 2 p24 28 部分对应的分度表见表2 3 表2 9 ITS 90是根据第18届国际计量大会 CGPM 及第77届国际计量委员会 CIPM 的决议于1989年通过 并于1990年1月1日生效且在国际上正式采用的 用其替代 1968年国际实用温标 IPTS 68 和 1976年0 5 30K暂行温标 EPT 76 从1994年1月1日起 我国全面施行ITS 90 由于热电偶能直接进行温度 电势转换 而且体积小 测温范围广 因此获得了广泛的应用 热电偶的结构除普通型外 还有具有保护外套的铠装 也叫缆式 热电偶 薄膜热电偶等 薄膜热电偶是用真空蒸镀等方法使两种热电极金属蒸镀到绝缘基板上 两者牢固地结合在一起 形成薄膜状热接点 在辐射检测器中 常采用多个热电偶组成热电堆 构成热量型检测器 实现将辐射热转换为相应的电信号 热电偶有各种各样的规格 且形状各异 图8 7 图8 9给出了包头永华仪器仪表有限公司生产的几种热电偶 阻 图8 10所示为无锡惠鑫热工仪表有限公司生产的小型热 电偶 图8 7防爆热电偶 阻 图8 8装配热电偶 阻 图8 9铠装热电偶 阻 图8 10无锡惠鑫热工仪表有限公司生产的小型热电偶 8 1 6热电偶的测量电路 热电偶的输出电压很小 通常每度只有数十微伏 V 要求测量用的运算放大器的漂移必须很小 有关元件也需认真选择 图8 11所示为日本K型热电偶的测量电路和元件表 实际中应注意滤波器的电容C1 若其漏电流大 则会产生很大的偏移电压 例如 C1的漏电流若为0 1 A 电阻R3为1k 就会产生0 1 A 1k 100 V的偏移电压 图8 11K型热电偶测量电路 表8 10示出了K J E T型热电偶产生的相对于基准点冷端 0 的温差电势 由表中可知 K型热电偶在0 时输出为0mV 600 时输出为24 902mV 如果放大器的增益由电位器Rw1调整为240 94倍 则0 时输出为0V 600 时输出为6 000V 表2 10K J E T型热电偶产生的相对于基准点冷端 0 的温差电势 以600 的输出作为满刻度 绘出其非线性误差曲线 如图8 12所示 从图中可见 其最大有1 的误差 K型热电偶还是上述热电偶中线性最好的 由此看来 要提高测量精度一般都要进行线性校正 线性校正电路有多种实现方法 这里介绍一下高次多项式线性校正电路的实现 图8 12K型热电偶的非线性误差 热电偶的温差电势可近似表示为EAB E T 0 a0 a1T1 a2T2 aNTN其中 T为温度 a0 aN为系数 因此高次幂运算电路就能作为线性校正电路 电路运算次数越高 线性精度也越高 但价格 响应时间等将随之提高 一般只考虑到2次 此时 已能将线性校正到很高的精度 对于温差电势的近似表达式 可由切比雪夫 Chebyshev 展开式求得 只要自编或从程序库 有关程序资料 中找到该程序 上机运行 输入Uj 热电偶的温差电势 Yi 温度 i 1 2 N j 1 2 N 如输入K型热电偶温度Y1 0 Y2 100 再输入对应的U1 0mV U2 4 095mV等 所得结果为 仅取2次 在600 时 温差电势Ui E 24 902mV 代入上式得输出为600mV 要得到6V 6000mV 上式应增大10倍 于是 Uout 7 76 249 952Ui 0 347334U2i mV 由上式不难验证 300 时 E 12 207mV Uout 2991 6mV 相当299 2 600 时 E 24 902mV Uout 6001 2mV 相当600 1 可见 输出被校正了 现使用AD538构成校正电路 这种集成电路有三个输入UX UY UZ 且满足如下函数关系式 Uout UY UZ UX m用AD538作为平方电路既简单又方便 AD538的特性参数如表8 11表示 表8 11AD538的特性参数 Us 15V Ta 25 图8 13K型热电偶的线性校正电路和元件表 8 2热电阻式温度传感器 8 2 1金属测温电阻器1 电阻与温度的关系大多数金属导体的电阻随温度而变化的关系可由式 8 13 表示 Rt R0 1 t t0 2 13 式中 Rt R0 分别为热电阻在t 和t0 时的电阻值 热电阻的电阻温度系数 1 t 被测温度 由式 8 13 可见 只要 保持不变 常数 则金属电阻Rt将随温度线性地增加 其灵敏度S为由此可见 越大 k就越大 纯金属的电阻温度系数 为 0 3 0 6 但是 绝大多数金属导体的 并不是常数 它也随温度的变化而变化 只能在一定的温度范围内 把它近似地看作为一个常数 不同的金属导体 保持常数所对应的温度不相同 而且这个范围均小于该导体能够工作的温度范围 通常采用的金属感温 或称测温 电阻有铂 铜和镍 由于铂具有很好的稳定性和测量精度 因此人们主要把它用于高精度的温度测量和标准测温装置 按照国际电工委员会IEC751国际标准 温度系数TCR 0 003851 Pt100 R0 100 Pt1000 R0 1000 为统一设计型铂电阻 Pt100和Pt1000在0 和100 时的标准电阻值R0和R100见表8 12 8 11Pt100和Pt1000在0 和100 时的标准电阻值 如图8 13所示 铂电阻与温度的关系如下 当 200 t 0 时 Rt R0 1 At Bt2 C t 100 t3 当0 t 850 时 Rt R0 1 At Bt2 式中 Rt 在t 时的电阻值 R0 在0 时的电阻值 图8 13铂电阻与温度的曲线 表8 13TCR 0 003851时的系数 表8 14主要金属感温电阻器的性能 1 装配式铂电阻装配式铂电阻由外保护管 延长导线 测温电阻 氧化铝装配而成 产品结构简单 适用范围广 成本较低 绝大部分测温场合使用的产品均属装配式 其结构如图8 14所示 图8 14装配式铂电阻 2 铠装式铂电阻铠装式铂电阻由电阻体 引线 绝缘氧化镁及保护套管整体拉制而成 顶部焊接铂电阻 产品结构复杂 价格较高 比普通装配式铂电阻的响应速度更快 抗振性能更好 测温范围更宽 并且长度方向可以弯曲 适用于刚性保护管不能插入或需要弯曲测量的部位测温 但必须注意的是由于顶部是测温元件所在位置 因此其端部300mm是不得弯曲的 其结构如图8 15所示 图8 15铠装式铂电阻 图8 16铂感温电阻传感器 2 使用时的注意事项 工业上广泛应用金属感温电阻器进行 200 600 范围的温度测量 它的特点是精度高 适于测低温 但在使用中需要注意以下两点 1 自热误差在用感温电阻器测量时 电阻总要消耗一定的电功率 它同样会造成电阻值的变化 但这种变化是不希望的 使用中应尽量减小由于电阻器通电产生的自热而引起的误差 一般是限制电流 规定其值应不超过6mA 2 引线电阻的影响用于测量的感温电阻器 总得有连接导线 但由于金属电阻器本身的电阻值很小 所以引线的电阻值及其变化就不能忽略 比如对于50 的测温电阻 1 的导线电阻将产生约5 的误差 这是不能允许的 为此 测量电阻的引线通常采用三线式或四线式接法 图8 17中 Rt为热电阻 r1 r2 r3为引线电阻 在三线式连接法中 一根引线接到电源对角线上 另外两根分别接到电桥相邻的两个臂 这样 引线电阻值及其变化对仪表读数的影响可以互相抵消一部分 图8 18所示的二线式接法中 两根引线完全加到一个桥臂上 引线电阻值及其变化将引起电桥输出变化 造成测温误差 图8 17三线式接法 图8 18二线式接法 8 2 2半导体热敏电阻器 1 分类及特性半导体热敏电阻按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型 即负电阻温度系数热敏电阻 NTC 正电阻温度系数热敏电阻 PTC 和在某一特性温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻 CTR 它们的特性曲线如图8 19所示 由图8 19可见 使用CTR组成热控制开关是十分理想的 但在温度测量中 则主要采用NTC 其温度特性如下式所示 8 14 图8 19三种类型热敏电阻的典型特性 式中 Rt R0 分别为TK和T0K时的热敏电阻值 B 热敏电阻的材料常数 其值主要取决于热敏电阻的材料 一般情况下 B 2000 6000K 在高温下使用时 B值将增大 T 被测温度 K 若定义为热敏电阻的温度系数 则由式 8 14 有 8 15 可见 随温度的降低而迅速增大 当T 293 15K 20 时 B 4000K用上式可求得 4 7 约为铂电阻的12倍 因此 这种测温电阻灵敏度高 R0的常用范围是几百欧到一百千欧 所以 这种测温电阻的引线电阻影响小 可以忽略 体积小也是半导体热敏电阻的又一个特点 由于有这些特点 使它非常适合于测量微弱的温度变化 温差以及温度场的分布 2 使用时的注意事项 在使用热敏电阻时 也要注意自热效应问题 但是 必须特别注意的有如下两点 1 热敏电阻温度特性的非线性由式 8 14 可知 热敏电阻随温度变化呈指数规律 也就是说 其非线性是十分严重的 当需要进行线性转换时 就应考虑其线性化处理 常用的线性化方法有如下 1 线性化网络 该法是利用包含有热敏电阻的电阻网络 常称线性化网络 来代替单个的热敏电阻 其一般形式如图8 20所示 图8 20热敏电阻的线性化网络 根据Rt的实际特性和要求的网络特性RT t 通过计算或图解方法确定网络中的电阻R1 R2 R3 目前这种方法用得较多 为了提高设计的准确度 可利用计算机进行 2 利用电子装置中其它部件的特性进行综合修正 图8 21是一个温度 频率转换电路 它实际是一个三角波 方波变换器 电容C的充电特性是非线性特性 适当地选取线路中的电阻r和R 加上Rt 可以在一定的温度范围内 得到近似于线性的温度 频率转换特性 该电路 图8 21温度 频率转换电路 3 计算修正法 在带有微处理机 或微型计算机 的测量系统中 当已知热敏电阻的实际特性和要求的理想特性时 可采用线性插值法将特性分段 并把各分段点的值存放在计算机的存储器内 计算机根据热敏电阻器的实际输出值进行校正计算后 给出要求的输出值 2 热敏电阻器特性的稳定性和老化问题早期热敏电阻器的应用曾因其特性的不稳定 分散性 缺乏互换性和老化问题而受到限制 近十几年来 随着半导体工艺水平的提高 产品性能已得到很大的改善 现在已研制出精度优于热电偶 并具有互换性的热敏电阻 而且还能制造出300 以下可忽略老化影响的产品 但不同厂家产品质量差异还比较大 使用时仍应认真选择 一般地说 正温度系数热敏电阻器和临界温度热敏电阻器特性的均匀性要差于负温度系数热敏电阻器 在辐射热检测器中 人们采用薄膜式金属电阻和热敏电阻薄膜 构成热量型检测器 将辐射热转换成电阻的变化 3 应用举例 电动机过热保护装置组成电路原理如图8 22所示 图8 22电动机过热保护装置组成电路原理 把三只特性相同的负温度系数热敏电阻 如RRC6型 经过测试 阻值在20 时为10k 100 时为1k 110 时为0 6k 放置在电动机内绕组旁 紧靠绕组 每相各放置一只 用万能胶固定 当电动机正常运转时 温度较低 热敏电阻阻值较高 三极管V1截止 继电器K不动作 当电动机过负荷 断相或一相通地时 电动机温度急剧上升 热敏电阻阻值急剧减小 小到一定值 使三极管V完全导通 继电器K动作 使S闭合 红灯亮 起到报警保护作用 热敏电阻的型号很多 表8 14列出了几种常用型号 供读者参阅 表8 14常用热敏电阻 MF72功率型NTC热敏电阻器适用于转换电源 开关电源 UPS电源 各类电加热器 电子节能灯 电子镇流器 各种电子装置电源电路的保护以及彩色显像管 白炽灯及其他照明灯具的灯丝保护 MF73超大功率型NTC热敏电阻器适用于大功率的转换电源 开关电源 UPS电源及各类大功率照明灯具 电加热器的浪涌电流抑制 图8 23MF72功率型NTC热敏电阻器 图8 24MF73超大功率型NTC热敏电阻器 MF74超大功率型NTC热敏电阻器适用于大功率的转换电源 开关电源 UPS电源及各类大功率照明灯具 电加热器的浪涌电流抑制 MF11 MF12补偿型NTC热敏电阻器适用于一般精度的温度测量和在计量设备 晶体管电路中的温度补偿 图8 25MF74超大功率型NTC热敏电阻器 图8 26MF11 MF12补偿型NTC热敏电阻器 MF57测温型NTC热敏电阻器主要用于汽车 内燃机车 大型电机 油浸变压器等的冷却系统作定点测温的感温元件 也可用在其他场合进行温度测量 MF51玻封测温型NTC热敏电阻器广泛应用于空调 暖气设备 电子体温计 液位传感器 汽车电子 电子台历等领域 图8 27MF57测温型NTC热敏电阻器 图8 28MF51玻封测温型NTC热敏电阻器 MF52珠状测温型NTC热敏电阻器广泛应用于空调设备 暖气设备 电子体温计 液位传感器 汽车电子 电子台历 手机电池等领域 MF58玻壳精密型NTC热敏电阻器广泛应用于家用电器 如空调机 微波炉 电风扇 电取暖炉等 的温度控制与温度检测 办公自动化设备 如复印机 打印机等 的温度检测和温度补偿 工业 医疗 环保 气象 食品加工设备的温度控制与检验 液面指示和流量测量 手机电池 仪表线圈 集成电路 石英晶体振荡器和热电偶的温度补偿 图8 29MF52珠状测温型NTC热敏电阻器 图8 30MF58玻壳精密型NTC热敏电阻器 MF51E测温型 电子体温计专用 NTC热敏电阻系列应用于电子体温计等医疗设备中 CMF贴片式NTC热敏电阻器应用于半导体集成电路 液晶显示 晶体管及移动通信设备石英振荡器的温度补偿 可充电电池的温度探测 计算机微处理器的温度探测以及需温度补偿的各种电路 图8 31MF51E测温型 电子体温计专用 NTC热敏电阻系列 MF55系列绝缘薄膜型NTC热敏电阻器应用于电脑 打印机 家用电器等 CWF精密型NTC温度传感器应用于家用空调 汽车空调 冰箱 冷柜 热水器 饮水机 暖风机 洗碗机 消毒柜 洗衣机 烘干机以及中低温干燥箱 恒温箱等场合的温度测量与控制 图8 32CMF贴片式NTC热敏电阻器 图8 33MF55系列绝缘薄膜型NTC热敏电阻器 图8 34CWF精密型NTC温度传感器 图8 35MF53 1型NTC