第四章-热电式-热电阻-集成温度传感器2013.ppt

传感器与检测技术 天津工业大学电气工程与自动化学院主讲王红一 内容回顾 第四章热电式传感器 4 1概述4 2热电偶4 2 1常用热电偶及其结构4 2 2热电偶的测温原理 基本定律及温度补偿4 2 3热电偶的应用 被测量温度 电阻变化 R 电势变化 磁导率变化 热膨胀变化 内容回顾 1 常用热电偶的分类及其结构1 普通型热电偶2 铠装热电偶3 薄膜热电偶2 热电偶的测温原理 热电效应 将不同的导体或半导体组成闭合回路 当两个接合点温度T和T0不同时 则在该回路中就会产生电动势 热电偶回路产生的电动势 两种导体的接触电势单一导体的温差电势 内容回顾 3 热电偶基本定律 1 均质导体定律 均匀导体 或半导体 组成的闭合回路不产生热电势 2 中间导体定律 接入导体和仪表测量热电势的条件和基础 3 中间温度定律 参考温度计算修正法的理论依据 为热电势分度奠定理论基础 4 标准电极定律 内容回顾 4 热电偶冷端补偿 为什么要进行冷端补偿 冷端补偿的方法有哪些 不稳定 1 冰点法 2 补偿导线法 3 冷端补偿器法 4 热电势修正法硬件法 软件法 5 采用集成电路 补偿方法 热电偶测温原理 只有参比端温度恒定时 回路总热电势EAB T T0 才是温度T的单值函数 热电偶分度表中 热电势 温度的对应值以T0 0 为基础 2 补偿导线法 如果B Q的性质相同 则 如果A P的性质相同 则 所以 内容回顾 冷端温度补偿 补偿导线法又称冷端延长法或延伸热电极法 远移至温度变化较平缓的环境中 材料 热电性质与热电偶相近 0 100 C 3 冷端补偿器法 补偿电桥法 不平衡电桥 R4 铜丝 R1 R2 R 1 锰铜丝 Rg 限流 0 C恒温 T0 f 时间 环境 内容回顾 冷端温度补偿 调整Rg电阻 Uba E T0 0 说明 当T0变化时 由于冷端补偿器的接入 仪表所指示的总电势E仍保持为E T 0 相当于热电偶冷端自动处于0 C 4 热电势修正法中间温度定律得方法 测T0 查表EAB T0 0 测EAB T T0 计算EAB T T0 0 查表求T 冷端温度补偿 内容回顾 第四章热电式传感器 4 1概述4 2热电偶4 3热电阻4 3 1热电阻的测温原理4 3 2热电阻的种类及特点4 3 3热电阻测温电桥4 4集成温度传感器4 4 1集成温度传感器基本原理4 4 2集成温度传感器举例 AD590 4 3热电阻 4 3 1热电阻测温原理原理 利用导体或半导体的电阻值随温度的变化而改变的性质来测量温度 实验证明 多数金属导体在温度升高1 时 阻值变化0 4 0 6 多数具有负温度系数的半导体在温度升高1 时 阻值变化3 6 多数导体或半导体电阻值随温度变化的关系式为 测温范围 200 500 4 3 2热电阻的种类及特点 1 热电阻的材料 电阻温度系数要大 单位1 定义为 越大 制成的温度计的灵敏度越高 测量结果越准确 一般非常数 不同温度数值不同 f T 材料越纯 越大 要求有较大的电阻率 因为电阻率越大 电阻体积越小 热容量和热惯性越小 温度变化的响应越快 在测温范围内 要求物理化学性质稳定 复现性好 复制性强 易得到纯净物质 电阻值与温度间近似为线性关系 便于测温的分度和读数 价格低 综上所述 铂 铜 铁 镍和一些半导体材料比较适合做热电阻 热电阻按材料分类 1 铂热电阻特点 精度高 稳定性好 性能可靠 易于提纯 复制性好 具有良好的工艺性 可以制成极细的铂丝 电阻率较高 在0 C以上 其电阻与温度的关系接近于直线 其电阻温度系数为3 9 10 3 C 作用 工业测量 温度的基准 标准仪器 ITS 90国际温标规定 在13 81K 961 78 的标准仪器为铂电阻温度计 缺点 电阻温度系数小 在还原气氛中 特别是在高温下 易被污染变脆 价格昂贵 常用铂电阻分度号 Pt1000 Pt100和Pt10 4 3 2热电阻的种类及特点 铂电阻的阻值与温度之间的关系 在0 850 范围内 在 200 0 范围内 式中 为温度为t 时的铂电阻的阻值 为温度为0 时的铂电阻的阻值 A B C均为常数 且 对满足上述关系的热电阻 其温度系数约为 由上式可见 电阻值Rt与t及R0有关 当R0值不同时 即使在同样的温度下其Rt的值也不同 因此作为测量用热电阻必须规定R0值 4 3 2热电阻的种类及特点 铂电阻材料的纯度通常用百度电阻比W 100 来表示 即 式中 表示水沸点 100 时的铂电阻的电阻值 表示水冰点 0 时的铂电阻的电阻值 目前技术水平已达到W 100 1 3930 与之相应的铂纯度为99 9995 工业用铂电阻纯度为 4 3 2热电阻的种类及特点 2 铜热电阻优点 线性度好 电阻温度系数大 价格低 精度适中 缺点 机械强度较差 热惯性大 100 时 易被氧化 测温范围 50 150 常用铜电阻分度号 Cu100和Cu50 铜电阻的电阻温度特性方程为 由于B C比A小得多 所以可以简化为 式中 为常数 4 3 2热电阻的种类及特点 4 3 2热电阻的种类及特点 思考 如果用分度号为Pt100的铂电阻测温 在计算时错用了Cu100的分度表 查得的温度为200 则实际温度比200 大 还是小 说明原因 4 3 2热电阻的种类及特点 3 其他类型热电阻 上述两种热电阻对于低温和超低温测量性能不理想 而铟 锰 碳等热电阻材料却是测量低温和超低温的理想材料 铟电阻用99 999 高纯度的铟丝绕成电阻 可在室温至4 2K温度范围内使用 实验证明 在4 2 15K温度范围内 灵敏度比铂电阻高10倍 缺点是材料软 复制性差 锰电阻测温范围为2 63K 电阻随温度变化大 灵敏度高 但材料脆 难拉成丝 碳电阻适合用液氦温域的温度测量 价廉 对磁场不敏感 热稳定性较差 另外 常用一定比例的锰 镍 铜 钛 镁的氧化物混合制成半导体热电阻 热敏电阻 2 热电阻的结构类型 1 普通型热电阻 感温元件 保护套管 接线盒 与热电偶类似 4 3 2热电阻的种类及特点 2 铂热电阻 玻璃烧结式 陶瓷架式 云母管架式 昂贵 双线无感绕制 4 3 2热电阻的种类及特点 3 铠装热电阻 力学性好 热电阻 保护套管 绝缘材料 封装 4 3 2热电阻的种类及特点 它比装配式铂电阻直径小 易弯曲 适宜安装在管道狭窄和要求快速反应 微型化等特殊场合 4 薄膜热电阻 陶瓷 铂 真空镀膜法 热惯性小 厚膜 7 m 薄膜 2 m 4 3 2热电阻的种类及特点 优点 体积细小 响应时间快 一致性好 机械性能好抗震 抗振动 精度高 价格便宜等 4 3 2热电阻的种类及特点 3 半导体热敏电阻半导体热电阻 热敏电阻 材料 常用一定比例的锰 镍 铜 钛 镁的氧化物混合制成 负温度系数NTC正温度系数PTC临界温度系数CTR测温特点 近似线性关系 变化剧烈 变化剧烈 1 半导体热敏电阻的形状片状 柱状和珠状 4 3 2热电阻的种类及特点 2 半导体热敏电阻实物照片 应用范围 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 MF74超大功率型NTC热敏电阻器 应用范围 广泛应用于空调设备 暖气设备 电子体温计 液位传感 汽车 电子台历 手机电池 MF52珠状测温型NTC热敏电阻器 4 3 2热电阻的种类及特点 应用范围 半导体集成电路 液晶显示 晶体管及移动通讯设备用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 需温度补偿的各种电路 CMF贴片式NTC热敏电阻器 应用范围 电脑 打印机 家用电器等 MF55系列绝缘薄膜型NTC热敏电阻器 4 3 2热电阻的种类及特点 3 热敏电阻的特点测温范围 100 300 优点 电阻温度系数大 灵敏度高 约为 电阻率大 利于小型化 连接导线的影响可以忽略 结构简单 体积小 可以用于测量点温度 热惯性小 适用于表面温度及快速变化温度 不足 热敏电阻温度特性分散 互换性差 非线性严重 进一步的发展依赖于半导体技术的发展和制造工艺水平的提高 4 3 2热电阻的种类及特点 4 3 3热电阻测温电桥说明 为了消除金属热电阻 几欧 几十欧范围 中的引线电阻和连接导线电阻受温度变化而改变其阻值大小 从而影响热电阻测温 测温电桥 两线制 三线制 四线制接法 4 3 3热电阻测温电桥 不平衡电桥 4 3 3热电阻测温电桥 工业用常用线路 两线制特点 接入一个桥臂 引线与连接导线随环境温度变化全部加入到热电阻的变化之中 简单 仍有应用 引出线的电阻值特性 铜 0 2 R0 铂 0 1 R0 Rt 热电阻 r 引线 r 连接导线 Rr 调整电阻 三线制方法 热电阻有三个引线 其中两根 连接导线的电阻分别加到电桥相临两桥臂中 第三根接到电源线上 电源与电桥的连接点a从仪表内部的桥路上移到热电阻附近 效果 引线与连接导线电阻变化影响减小 4 3 3热电阻测温电桥 4 4集成温度传感器 集成电路温度传感器是将作为感温器件的温敏晶体管及其外围电路集成在同一芯片上的集成化温度传感器 integratedtemperaturesensor 优点 是测温精度高 复现性好 线性优良 体积小 热容量小 稳定性好 输出电信号大 使用方便和成本低廉等 缺点 是测量范围仅为 80 150 因此 在最近十年内集成电路温度传感器得到了迅速发展 成为半导体温度传感器的主要发展方向之一 目前 商品化的集成电路温度传感器已经广泛用于温度检测 控制 补偿等场合 4 4集成温度传感器 4 4集成温度传感器 1 模拟集成温度传感器时间 20世纪80年代问世 工艺 硅半导体集成工艺制作而成信号输出 模拟电压或电流 特点 测温误差小 价格低 响应速度快 传输距离远 体积小 微功耗等 适合远距离测温 控温 不需要进行非线性校准 外围电路简单 应用范围 最普遍典型产品 AD590 AD592 TMP17 LM35等 4 4集成温度传感器 2 智能温度传感器时间 20世纪90年代中期问世 名称 亦称数字温度传感器 是微电子技术 计算机技术和自动检测技术 ATE 的结晶构成 温度传感器 A D转换器 信号处理器 存储器 或寄存器 和接口电路等集成在一片芯片上 有的产品还带多路选择器 CPU 特点 测温范围 150 输出温度数据及相关的温度控制量 在硬件的基础上 通过软件实现测试功能 其智能化程度也取决于软件的开发水平 发展新趋势 进入21世纪后 向高精度 多功能 高可靠性及安全性 总线标准化 虚拟传感器和网络传感器等高科技的方向迅速发展典型产品 DS18B20 4 4 1集成温度传感器的基本原理 集成温度传感器的基本原理 利用PN结构的伏安特性与温度之间关系研制成的一种固态传感器 式中U0 T 0 时的Ube值 K 波尔兹曼常数 T 发射结所处的温度 q 电子电量 Ie 集电极电流 A 为与温度 结构 材料等多种因素有关的函数 NPN三极管的结电压是温度的函数 4 4 1集成温度传感器的基本原理 图中 V1 V2为一对镜像管 它们的U