3传感器第三张

第三章温度传感器 第一节概论第二节热电偶温度传感器第三节热敏电阻温度传感器第四节IC温度传感器第五节其他温度传感器 通过本章的学习了解温度传感器的作用 地位 分类和发展趋势 掌握热电偶三定律及相关计算 掌握热敏电阻不同类型的特点及应用场合 掌握集成温度传感器使用方法 了解其他温度传感器工作原理 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 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 一 温度的基本概念 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 表示温度大小的尺度是温度的标尺 简称温标 热力学温标国际实用温标摄氏温标华氏温标 如果在式中再规定一个条件 就可以通过卡诺循环中的传热量来完全地确定温标 1954年 国际计量会议选定水的三相点为273 16 并以它的1 273 16定为一度 这样热力学温标就完全确定了 即T 273 16 Q1 Q2 1848年威廉 汤姆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 为解决国际上温度标准的同意及实用问题 国际上协商决定 建立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 即国际实用温标InternationalPracticalTemperatureScaleof1968 简称IPTS 68 又称国际温标 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 水的三相点温度比冰点高出0 01K 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度标尺 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 每一等份称为摄氏一度 摄氏度 一般用小写字母t表示 与热力学温标单位开尔文并用 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 每一等份称为华氏一度 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 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 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 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 接触式温度传感器的特点 传感器直接与被测物体接触进行温度测量 由于被测物体的热量传递给传感器 降低了被测物体温度 特别是被测物体热容量较小时 测量精度较低 因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大 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 温度传感器分类 1 温度传感器分类 2 温度传感器分类 3 此外 还有微波测温温度传感器 噪声测温温度传感器 温度图测温温度传感器 热流计 射流测温计 核磁共振测温计 穆斯保尔效应测温计 约瑟夫逊效应测温计 低温超导转换测温计 光纤温度传感器等 这些温度传感器有的已获得应用 有的尚在研制中 公元1600年 伽里略研制出气体温度计 一百年后 研制成酒精温度计和水银温度计 随着现代工业技术发展的需要 相继研制出金属丝电阻 温差电动式元件 双金属式温度传感器 1950年以后 相继研制成半导体热敏电阻器 最近 随着原材料 加工技术的飞速发展 又陆续研制出各种类型的温度传感器 三 温度传感器的发展概况 接触式温度传感器非接触式温度传感器 1 常用热电阻范围 260 850 精度 0 001 改进后可连续工作2000h 失效率小于1 使用期为10年 2 管缆热电阻测温范围为 20 500 最高上限为1000 精度为0 5级 接触式温度传感器 3 陶瓷热电阻测量范围为 200 500 精度为0 3 0 15级 4 超低温热电阻两种碳电阻 可分别测量 268 8 253 272 9 272 99 的温度 5 热敏电阻器适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用 经济性好 价格便宜 l 辐射高温计用来测量1000 以上高温 分四种 光学高温计 比色高温计 辐射高温计和光电高温计 2 光谱高温计前苏联研制的YCI I型自动测温通用光谱高温计 其测量范围为400 6000 它是采用电子化自动跟踪系统 保证有足够准确的精度进行自动测量 二 非接触式温度传感器 3 超声波温度传感器特点是响应快 约为10ms左右 方向性强 目前国外有可测到5000 的产品 4 激光温度传感器适用于远程和特殊环境下的温度测量 如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度 精度为1 美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计 最高温度可达8000 专门用于核聚变研究 瑞士BrowaBorer研究中心用激光温度传感器可测几千开 K 的高温 1 超高温与超低温传感器 如 3000 以上和 250 以下的温度传感器 2 提高温度传感器的精度和可靠性 3 研制家用电器 汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器 4 发展新型产品 扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻 发展薄膜热电偶 研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热电阻 研制系列晶体管测温元件 快速高灵敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器 5 发展适应特殊测温要求的温度传感器 6 发展数字化 集成化和自动化的温度传感器 三 温度传感器的主要发展方向 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 它除具有结构简单 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外 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 热电偶的选择 安装使用和校验 两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路 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 热电偶的工作原理 回路中所产生的电动势 叫热电势 热电势由两部分组成 即温差电势和接触电势 热端 冷端 1 接触电势 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 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 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 根据电磁场理论得 结论 4点 EAB T T0 EAB T EAB T0 f T C g T 由于NA NB是温度的单值函数 在工程应用中 常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格 以供备查 由公式可得 EAB T T0 EAB T EAB T0 EAB T EAB 0 EAB T EAB T0 EAB T 0 EAB T0 0 热电偶的热电势 等于两端温度分别为T和零度以及T0和零度的热电势之差 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 对于有几种不同材料串联组成的闭合回路 接点温度分别为T1 T2 Tn 冷端温度为零度的热电势 其热电势为E EAB T1 EBC T2 ENA Tn 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 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 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 EABa 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 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 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 接入的方式见下图所示 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 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 EAB T1 T3 EAB T1 T2 EAB T2 T3 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 则回路总电动势为 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 1 铂 铂铑热电偶 S型 分度号LB 3工业用热电偶丝 0 5mm 实验室用可更细些 正极 铂铑合金丝 用90 铂和10 铑 重量比 冶炼而成 负极 铂丝 测量温度 长期 1300 短期 1600 特点 材料性能稳定 测量准确度较高 可做成标准热电偶或基准热电偶 用途 实验室或校验其它热电偶 测量温度较高 一般用来测量1000 以上高温 在高温还原性气体中 如气体中含Co H2等 易被侵蚀 需要用保护套管 材料属贵金属 成本较高 热电势较弱 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工业用热电偶丝 1 2 2 5mm 实验室用可细些 正极 镍铬合金 用88 4 89 7 镍 9 10 铬 0 6 硅 0 3 锰 0 4 0 7 钴冶炼而成 负极 镍硅合金 用95 7 97 镍 2 3 硅 0 4 0 7 钴冶炼而成 测量温度 长期1000 短期1300 特点 价格比较便宜 在工业上广泛应用 高温下抗氧化能力强 在还原性气体和含有SO2 H2S等气体中易被侵蚀 复现性好 热电势大 但精度不如WRLB 3 镍铬 考铜热电偶 E型 分度号为EA 2工业用热电偶丝 1 2 2mm 实验室用可更细些 正极 镍铬合金负极 考铜合金 用56 铜 44 镍冶炼而成 测量温度 长期600 短期800 特点 价格比较便宜 工业上广泛应用 在常用热电偶中它产生的热电势最大 气体硫化物对热电偶有腐蚀作用 考铜易氧化变质 适于在还原性或中性介质中使用 4 铂铑30 铂铑6热电偶 B型 分度号为LL 2正极 铂铑合金 用70 铂 30 铑冶炼而成 负极 铂铑合金 用94 铂 6 铑冶炼而成 测量温度 长期可到1600 短期可达1800 特点 材料性能稳定 测量精度高 还原性气体中易被侵蚀 低温热电势极小 冷端温度在50 以下可不加补偿 成本高 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 钨铼热电偶是60年代发展起来的 是目前一种较好的高温热电偶 可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中 但高温抗氧能力差 国产钨铼 钨铼20热电偶使用温度范围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热电偶是一种高输出性能的热电偶 在1398 时的热电势为47 255mV 比铂 铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍 因而可配用灵敏度较低的指示仪表 常应用于航空工业 6 铜 康铜热电偶 分度号MK热电偶的热电势略高于镍铬 镍硅热电偶 约为43 V 复现性好 稳定性好 精度高 价格便宜 缺点是铜易氧化 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 约为53 V 线性度好 价格便宜 可在800 以下的还原介质中使用 主要缺点是铁极易氧化 采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力 二 常用热电偶的结构类型1 工业用热电偶下图为典型工业用热电偶结构示意图 它由热电偶丝 绝缘套管 保护套管以及接线盒等部分组成 实验室用时 也可不装保护套管 以减小热惯性 2 铠装式热电偶 又称套管式热电偶 优点是小型化 直径从12mm到0 25mm 寿命 热惯性小 使用方便 测温范围在1100 以下的有 镍铬 镍硅 镍铬 考铜铠装式热电偶 断面如图所示 它是由热电偶丝 绝缘材料 金属套管三者拉细组合而成一体 又由于它的热端形状不同 可分为四种型式如图 图3 2 12铠装式热电偶断面结构示意图1 金属套管 2 绝缘材料 3 热电极 a 碰底型 b 不碰底型 c 露头型 d 帽型 3 快速反应薄膜热电偶用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶 如图 其热接点极薄 0 01 0 l m 4 1 2 3 快速反应薄膜热电偶1 热电极 2 热接点 3 绝缘基板 4 引出线 因此 特别适用于对壁面温度的快速测量 安装时 用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上 目前我国试制的有铁 镍 铁 康铜和铜 康铜三种 尺寸为60 6 0 2mm 绝缘基板用云母 陶瓷片 玻璃及酚醛塑料纸等 测温范围在300 以下 反应时间仅为几ms 4 快速消耗微型热电偶下图为一种测量钢水温度的热电偶 它是用直径为 0 05 0 lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中 再铸以高温绝缘水泥 外面再用保护钢帽所组成 这种热电偶使用一次就焚化 但它的优点是热惯性小 只要注意它的动态标定 测量精度可达土5 7 1 4 2 3 5 6 7 8 9 11 10 快速消耗微型1 刚帽 2 石英 3 纸环 4 绝热泥 5 冷端 6 棉花 7 绝缘纸管 8 补偿导线 9 套管 10 塑料插座 11 簧片与引出线 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 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 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 999mV 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 832mV 故得EAB T 0 EAB T 21 EAB 21 T0 1 999 0 832 2 831 mV 再次查分度表 与2 831mV对应的热端温度T 68 注意 既不能只按1 999mV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 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 例用动圈仪表配合热电偶测温时 如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上 在热电动势为零时 指针指示的温度值并不是0 而是TH 而热电偶的冷端温度已是TH 则只有当热端温度T TH时 才能使EAB T TH 0 这样 指示值就和热端的实际温度一致了 这种办法非常简便 而且一劳永逸 只要冷端温度总保持在TH不变 指示值就永远正确 4 零点迁移法 应用领域 如果冷端不是0 但十分稳定 如恒温车间或有空调的场所 实质 在测量结果中人为地加一个恒定值 因为冷端温度稳定不变 电动势EAB TH 0 是常数 利用指示仪表上调整零点的办法 加大某个适当的值而实现补偿 5 冷端补偿器法利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值 不平衡电桥由R1 R2 R3 锰铜丝绕制 RCu 铜丝绕制 四个桥臂和桥路电源组成 设计时 在0 下使电桥平衡 R1 R2 R3 RCu 此时Uab 0 电桥对仪表读数无影响 冷端补偿器的作用 注意 桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近 使处于同一温度之下 mV EAB T T0 T0 T0 T A B a b U Uab RCu R1 R2 R3 R 供电4V直流 在0 40 或 20 20 的范围起补偿作用 注意 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 6 软件处理法对于计算机系统 不必全靠硬件进行热电偶冷端处理 例如冷端温度恒定但不为0 的情况 只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可 对于T0经常波动的情况 可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机 按照运算公式设计一些程序 便能自动修正 后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号 如果多个热电偶的冷端温度不相同 还要分别采样 若占用的通道数太多 宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处 只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输入通道就可以了 冷端集中 对于提高多点巡检的速度也很有利 1 热电偶的选择 安装使用热电偶的选用应该根据被测介质的温度 压力 介质性质 测温时间长短来选择热电偶和保护套管 其安装地点要有代表性 安装方法要正确 图3 2 17是安装在管道上常用的两种方法 在工业生产中 热电偶常与毫伏计连用 XCZ型动圈式仪表 或与电子电位差计联用 后者精度较高 且能自动记录 另外也可 通过与温度变送器经放大后再接指示仪表 或作为控制用的信号 五 热电偶的选择 安装使用和校验 2 热电偶的定期校验校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉中进行对比 误差超过规定允许值为不合格 图为热电偶校验装置示意图 最佳校验方法可由查阅有关标准获得 工业热电偶的允许偏差 见下表 工业热电偶允许偏差 热电偶校验图1 调压变压器 2 管式电炉 3标准热电偶 4 被校热电偶 5 冰瓶 6 切换开关 7 测试仪表 8 试管 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 一 热敏电阻的特点1 电阻温度系数的范围甚宽有正 负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突变的三种热敏电阻元件 电阻温度系数的绝对值比金属大10 100倍左右 2 材料加工容易 性能好可根据使用要求加工成各种形状 特别是能够作到小型化 目前 最小的珠状热敏电阻其直径仅为0 2mm 3 阻值在1 10M之间可供自由选择使用时 一般可不必考虑线路引线电阻的影响 由于其功耗小 故不需采取冷端温度补偿 所以适合于远距离测温和控温使用 一 热敏电阻的特点与分类 4 稳定性好商品化产品已有30多年历史 加之近年在材料与工艺上不断得到改进 据报道 在0 01 的小温度范围内 其稳定性可达0 0002 的精度 相比之下 优于其它各种温度传感器 5 原料资源丰富 价格低廉烧结表面均已经玻璃封装 故可用于较恶劣环境条件 另外由于热敏电阻材料的迁移率很小 故其性能受磁场影响很小 这是十分可贵的特点 热敏电阻的种类很多 分类方法也不相同 按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为 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 其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物 二 热敏电阻的分类 热敏电阻材料的分类 1 热敏电阻材料的分类 2 1 标称电阻R25 冷阻 标称电阻值是热敏电阻在25 0 2 时的阻值 二 热敏电阻的基本参数 2 材料常数BN是表征负温度系数 NTC 热敏电阻器材料的物理特性常数 BN值决定于材料的激活能 E 具有BN E 2k的函数关系 式中k为波尔兹曼常数 一般BN值越大 则电阻值越大 绝对灵敏度越高 在工作温度范围内 BN值并不是一个常数 而是随温度的升高略有增加的 3 电阻温度系数 热敏电阻的温度变化1 时电阻值的变化率 4 耗散系数H热敏电阻器温度变化1 所耗散的功率变化量 在工作范围内 当环境温度变化时 H值随之变化 其大小与热敏电阻的结构 形状和所处介质的种类及状态有关 6 最高工作温度Tmax热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度 T0 环境温度 PE 环境温度为T0时的额定功率 H 耗散系数7 最低工作温度Tmin热敏电阻器在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度 8 转变点温度Tc热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐点温度 主要指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻 5 时间常数 热敏电阻器在零功率测量状态下 当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的63 2 所需的时间 它与热容量C和耗散系数H之间的关系 9 额定功率PE热敏电阻器在规定的条件下 长期连续负荷工作所允许的消耗功率 在此功率下 它自身温度不应超过Tmax 10 测量功率P0热敏电阻器在规定的环境温度下 受到测量电流加热而引起的电阻值变化不超过0 1 时所消耗的功率11 工作点电阻RG在规定的温度和正常气候条件下 施加一定的功率后使电阻器自热而达到某一给定的电阻值 12 工作点耗散功率PG电阻值达到RG时所消耗的功率 UG 电阻器达到热平衡时的端电压 13 功率灵敏度KG热敏电阻器在工作点附近消耗功率lmW时所引起电阻的变化 即 在工作范围内 KG随环境温度的变化略有改变 14 稳定性热敏电阻在各种气候 机械 电气等使用环境中 保持原有特性的能力 它可用热敏电阻器的主要参数变化率来表示 最常用的是以电阻值的年变化率或对应的温度变化率来表示 KG R P 15 热电阻值RH指旁热式热敏电阻器在加热器上通过给定的工作电流时 电阻器达到热平衡状态时的电阻值 16 加热器电阻值Rr指旁热式热敏电阻器的加热器 在规定环境温度条件下的电阻值 18 标称工作电流I指在环境温度25 时 旁热式热敏电阻器的电阻值被稳定在某一规定值时加热器内的电流 19 标称电压它是稳压热敏电阻器在规定温度下标称工作电流所对应的电压值 20 元件尺寸指热敏电阻器的截面积A 电极间距离L和直径d 17 最大加热电流Imax指旁热式热敏电阻器上允许通过的最大电流 一 热敏电阻器的电阻 温度特性 RT T 1 2 3 4 铂丝 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 3 4PTC 三 热敏电阻器主要特性 T T与RT T特性曲线一致 RT RT0 温度为T T0时热敏电阻器的电阻值 BN NTC热敏电阻的材料常数 由测试结果表明 不管是由氧化物材料 还是由单晶体材料制成的NTC热敏电阻器 在不太宽的温度范围 小于450 都能利用该式 它仅是一个经验公式 1负电阻温度系数 NTC 热敏电阻器的温度特性 NTC的电阻 温度关系的一般数学表达式为 如果以lnRT 1 T分别作为纵坐标和横坐标 则上式是一条斜率为BN 通过点 1 T lnRT 的一条直线 如图 材料的不同或配方的比例和方法不同 则BN也不同 用lnRT 1 T表示负电阻温度系数热敏电阻 温度特性 在实际应用中比较方便 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关系如下表 RT R25 BN系数表 2 正电阻温度系数 PTC 热敏电阻器的电阻 温度特性 其特性是利用正温度热敏材料 在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的 典型特性曲线如图 10000 1000 100 10 0 50 100 150 200 250 R20 120 R20 36 5 R20 12 2 PTC热敏电阻器的电阻 温度曲线 T C 电阻 Tp1 Tp2 Tc 175 C PTC热敏电阻的工作温度范围较窄 在工作区两端 电阻 温度曲线上有两个拐点 Tp1和Tp2 当温度低于Tp1时 温度灵敏度低 当温度升高到Tp1后 电阻值随温度值剧烈增高 按指数规律迅速增大 当温度升到Tp2时 正温度系数热敏电阻器在工作温度范围内存在温度Tc 对应有较大的温度系数 tp 经实验证实 在工作温度范围内 正温度系数热敏电阻器的电阻 温度特性可近似用下面的实验公式表示 式中RT RT0 温度分别为T T0时的电阻值 BP 正温度系数热敏电阻器的材料常数 若对上式取对数 则得 以lnRT T分别作为纵坐标和横坐标 便得到下图 可见 正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数 tp 正好等于它的材料常数BP的值 lnRr1 lnRr2 BP mR BP tg mR mr T1 T2 lnRr0 mr lnRT T表示的PTC热敏电阻器电阻 温度曲线 lnRr T 若对上式微分 可得PTC热敏电阻的电阻温度系数 tp 二 热敏电阻器的伏安特性 U I 热敏电阻器伏安特性表示加在其两端的电压和通过的电流 在热敏电阻器和周围介质热平衡 即加在元件上的电功率和耗散功率相等 时的互相关系 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 热敏电阻的端电压UT和通过它的电流I有如下关系 T0 环境温度 T 热敏电阻的温升 曲线见下图 它与NTC热敏电阻器一样 曲线的起始段为直线 其斜率与热敏电阻器在环境温度下的电阻值相等 这是因为流过电阻器电流很小时 耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故 当热敏电阻器温度超过环境温度时 引起电阻值增大 曲线开始弯曲 PTC热敏电阻器的静态伏安特性 2 正温度系数 PTC 热敏电阻器的伏安特性 当电压增至Um时 存在一个电流最大值Im 如电压继续增加 由于温升引起电阻值增加速度超过电压增加的速度 电流反而减小 即曲线斜率由正变负 三 功率 温度特性 PT T 描述热敏电阻器的电阻体与外加功率之间的关系 与电阻器所处的环境温度 介质种类和状态等相关 四 热敏电阻器的动态特性热敏电阻器的电阻值的变化完全是由热现象引起的 因此 它的变化必然有时间上的滞后现象 这种电阻值随时间变化的特性 叫做热敏电阻器的动态特性 动态特性种类 周围温度变化所引起的加热特性 周围温度变化所引起的冷却特性 热敏电阻器通电加热所引起的自热特性 当热敏电阻器由温度T0增加到TU时 其电阻值RTr随时间t的变化规律为 式中RTt 时间为t时 热敏电阻的阻值 T0 环境温度 Tu 介质温度 Tu T0 RTa 温度Ta时 热敏电阻器的电阻值 t 时间 当热敏电阻由温度Tu冷却T0时 其电阻值RTt与时间的关系为 伏安特性的位置 在仪器仪表中的应用 Um的左边 温度计 温度差计 温度补偿 微小温度检测 温度报警 温度继电器 湿度计 分子量测定 水分计 热计 红外探测器 热传导测定 比热测定 Um的附近 液位测定 液位检测 Um的右边 流速计 流量计 气体分析仪 真空计 热导分析 旁热型热敏电阻器 风速计 液面计 真空计 一 检测和电路用的热敏电阻器 Um 峰值电压 检测用的热敏电阻在仪表中的应用 四 热敏电阻器的应用 电路元件热敏电阻器在仪表中应用分类 在仪器仪表中的应用 Um的左边 偏置线图的温度补偿 仪表温度补偿 热电偶温度补偿 晶体管温度补偿 Um的附近 恒压电路 延迟电路 保护电路 Um的右边 自动增益控制电路 RC振荡器 振幅稳定电路 测温用的热敏电阻器 其工作点的选取 由热敏电阻的伏安特性决定 伏安特性的位置 温度检测用的各种热敏电阻器探头1 热敏电阻 2 铂丝 3 银焊 4 钍镁丝 5 绝缘柱 6 玻璃 二 测温用的热敏电阻器1 各种热敏电阻传感器结构 2 测表面电阻用的热敏电阻器安装方法图为测表面温度用的热敏电阻器的各种安装方式 1 2 3 4 1 2 3 4 5 Ir mA U V UR IT0R UR IT1R UR IT2R UR IT0R0 UR IT1R1 UR IT2R2 IT0 IT1 IT2 自热电桥测量温线路 3 热敏电阻测温电桥 自热电桥及其等效电路 RT R5 R6 R3 R1 En U2 UT R IT E UR Rr a b c R1 En A R1 R2 R4 R3 U 设计原理 利用半导体PN结的电流电压与温度有关的特性 优点 输出线性好 测量精度高 传感驱动电路 信号处理电路等都与温度传感部分集成在一起 因而封装后的组件体积非常小 使用方便 价格便宜 故在测温技术中越来越得到广泛应用 本节简要介绍IC温度传感器的类型 基本原理 主要特性及其应用等有关问题 第四节IC温度传感器 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 电流型IC温度传感器是把线性集成电路和与之相容的薄膜工艺元件集成在一块芯片上 再通过激光修版微加工技术 制造出性能优良的测温传感器 这种传感器的输出电流正比于热力学温度 即1 A K 其次 因电流型输出恒流 所以传感器具有高输出阻抗 其值可达10M 这为远距离传输深井测温提供了一种新型器件 电压型IC温度传感器是将温度传感器基准电压 缓冲放大器集成在同一芯片上 制成一四端器件 因器件有放大器 故输出电压高 线性输出为10mV 另外 由于其具有输出阻抗低的特性 抗干扰能力强 故不适合长线传输 这类IC温度传感器特别适合于工业现场测量 电流型IC温度传感器的测温原理 是基于晶体管的PN结随温度变化而产生漂移现象研制的 众所周知 晶体管PN结的这种温漂 会给电路的调整带来极大的麻烦 但是 利用PN结的温漂特性来测量温度 可研制成半导体温度传感元件 IC温度传感器就是依据半导体的温漂特性 经过精心设计而制造出来的集成化线性较好的温度传感器件 利用电流I与Tk的正比关系 通过电流的变化来测量温度的大小 二 IC温度传感器的测温原理 一 电压输出型集成温度传感器AN6701S是日本松下公司生产的电压输出型集成温度传感器 它有四个引脚 三种连线方式 a 正电源供电 b 负电源供电 c 输出极性颠倒 电阻RC用来调整25 下的输出电压 使其等于5V RC的阻值在3 30k 范围内 这时灵敏度可达109 110mV 在 10 80 范围内基本误差不 1 输出 AN6701 a 1 2 4 3 RC 5 15V AN6701 输出 c 10k RC 3 1 2 4 5 15V 100k 10k 100k AN6701 b 2 1 3 输出 4 5 15V RC 三 IC温度传感器的主要特性 输出电压 V 0 2 4 6 8 10 12 20 0 20 40 60 80 RC 100k RC 10k RC 1k 温度 C AN6701S的输入特性 在 10 80 范围内 RC的值与输出特性的关系如下图 AN6701S有很好的线性 非线性误差不超过0 5 若在25 时借助RC将输出电压调整到5V 则RC的值约在3 30k 间 相应的灵敏度为109 110mV 校准后 在 10 80 范围内 基本误差不超过 1 这种集成 传感器在静止空气中的时间常数为24s 在流动空气中为11s 电源电压在5 15V间变化 所引起的测温误差一般不超过 2 整个集成电路的电流值一般为0 4mA 最大不超过0 8mA RL 时 二 电流型温度传感器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 I KT TK 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 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最大可达 3 最小 T 0 3 按档级分等 T C AD590非线性误差曲线 美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS1820 可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理 由于每片DS1820含有唯一的串行序列号 所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片 从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息 仅需要一根口线 单总线接口 读写及温度变换功率来源于数据总线 总线本身也可以向所挂接的DS1820供电 而无需额外电源 DS1820提供九位温度读数 构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件 三 数字输出型IC温度传感器 DS1820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 DS1820 1 2 3 GND I O VDD a PR 35封装 DS1820的管脚排列 DS1820 1 2 3 4 5 6 7 8 I O GND b SOIC封装 NC NC NC NC VDD NC 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 3 DS1820的工作原理图为DS1820的内部框图 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 存储器控制逻辑 64bitROM和单线接口 电源检测 温度传感器 高温触发器 低温触发器 8位CRC触发器 存储器 DS1820内部结构图 寄生电源由两个二极管和寄生电容组成 电源检测电路用于判定供电方式 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 缺少正常电源时也能读ROM 若采用外部电源 则通过二极管向器件供电 1 寄生电源 DS1820内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0 高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f 当计数门打开时 DS1820对f0计数 计数门开通时间由高温度系数振荡器决定 芯片内部还有斜率累加器 可对频率的非线性予以补偿 测量结果存入温度寄存器中 一般情况下的温度值应为9位 符号点1位 但因符号位扩展成高8位 故以16位补码形式读出 表3 4 1给出了DS1820温度和数字量的对应关系 温度测量电路 斜率累加器 计数器1 计数器2 低温度系数晶振 高温度系数晶振 0 0 预置 温度寄存器 预置 比较 停止 置位 清零 加1 2 温度测量原理 DS1820测量温度时使用特有的温度测量技术 如图 64位ROM的结构如下 开始8位是产品类型的编号 DS1820为10H 接着是每个器件的唯一的序号 共有48位 最后8位是前56位的CRC校验码 这也是多个DS1820可以采用一线进行通信的原因 主机操作ROM的命令有五种 如表所列 3 64位激光ROM 由便笺式RAM和非易失性电擦写EERAM组成 后者用于存储TH TL值 数据先写入RAM 经校验后再传给EERAM 便笺式RAM占9个字节 包括温度信息 第1 2字节 TH和TL值 3 4字节 计数寄存器 7 8字节 CRC 第9字节 等 第5 6字节不用 暂存器的命令共6条 见表3 4 3所列 在正常测温情况下 DS1820的测温分辨力为0 5 可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果 首先用DS1820提供的读暂存器指令 BEH 读出以0 5 为分辨率的温度测量结果 然后切去测量结果中的最低有效位 LSB 得到所测实际温度的整数部分Tz 然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD 考虑到DS1820测量温度的整数部分以0 25 0 75 为进位界限的关系 实际温度Ts可用下式计算 Ts Tz 0 25 CD Cs CD 4 高速暂存器 DS1820存贮控制命令 DS1820单线通信功能是分时完成的 它有严格的时隙概念 因此系统对DS1820的各种操作必须按协议进行 DS1820工作工程中的协议 初始化 ROM操作命令 存储器操作命令 处理数据 温度检测系统原理由于单线数字温度传感器DS1820具有在一条总线上可同时挂接多片的显著特点 可同时测量多点的温度 而且DS1820的连接线可以很长 抗干扰能力强 便于远距离测量 因而得到了广泛应用 采用寄生电容供电的温度检测系统 89C51 DS1820 DS1820 DS1820 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 温度检测系统原理图如图所示 采用寄生电源供电方式 为保证在有效的DS1820时钟周期内 提供足够的电流 我们用一个MOS