第1章 温度传感器

传感器原理,第一章温度传感器,第一章温度传感器,主要内容：电阻型温度传感器热电阻热敏电阻热电偶热电偶的基本原理热电偶的种类和结构热电偶的实用测量电路温度传感器的应用,第一章温度传感器,温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置，用于检测温度和热量，也叫做热电式传感器。温度传感器的用途温度测量温度控制温度补偿,第一章温度传感器,热传递的方式传导：指热量在固体内或静止的液体内通过扩散来传播的方式。对流：对流是指热量通过液体或气体的运动来传递。可分为自由对流和强制对流。自由对流是指由于流体间存在温度梯度而使其产生运动来传递热量。强制对流指通过外界使流体运动来传递热量。辐射：是指热量通过电磁波的发射来传递。,第一章温度传感器,在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。热电偶将温度变化转换为电势变化热电阻将温度变化转换为电阻值的变化热释电传感器、红外传感器将热辐射转换为电学量的变化,1.1电阻型温度传感器,几乎所有导体或半导体的电阻率都随本身温度的变化而变化热电阻效应利用温度与电阻之间的函数关系，将温度变化转换为电阻变化，进一步转换为其它电参量的变化，从而实现温度的电测量利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻热电阻材料分为金属热电阻和半导体热电阻,1.1.1热电阻,工作原理电阻温度特性方程对于绝大多数金属导体，并不是一个常数，而是温度的函数在一定的温度范围内，可近似看作一个常数不同的金属导体，保持常数所对应的温度范围不同,1.1.1热电阻,对感温元件材料的要求材料的电阻温度系数要大在测温范围内，材料的物理、化学性质稳定在测温范围内，电阻温度系数保持为常数，便于实现温度表的线性刻度特性具有较大的电阻率，以利于减少热电阻的体积，减小热惯性良好的可加工性，特性复现性好，容易复制常用的材料有铂、铜、铁和镍,常见的热电阻,铂热电阻一般用于高精度工业测量标准电阻温度计，常用作温度基准长时间稳定的温度重现性铜热电阻温度范围较窄良好的性价比常用于对温度测量精度要求不高的场合其他热电阻,几种金属的温度特性曲线,热电阻图片及结构示意图,普通铠装热电阻,1.1.1热电阻,热电阻的测量电路三线连接法四线连接法,1.1.2热敏电阻,热敏电阻是用某种金属氧化物为基体原料，加入一些添加剂，采用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的电阻器半导体比金属具有更大的电阻温度系数热敏电阻的类型正温度系数(PTC)热敏电阻，常用作限流元件负温度系数(NTC)热敏电阻，常用于自动控制及电子线路的热补偿线路中临界温度系数(CTR)热敏电阻，主要用作温度开关,三种热敏电阻的电阻温度特性,热敏电阻的特性参数,标称电阻值（R25）热敏电阻在25时的零功率状态下的阻值。电阻温度系数（T）在规定的温度下，单位温度变化使热敏电阻的阻值变化的相对值,热敏电阻的特性参数,时间常数（）热敏电阻在零功率测量状态下，当环境温度突变时，热敏电阻的阻值从起始值变化到最终变化量的63时所需的时间额定功率（PE）指在标准压力和规定的最高环境温度下，热敏电阻长期连续工作所允许的最大耗散功率,热敏电阻的特性参数,热容量（C）热敏电阻的温度变化1所需吸收或释放的热量耗散系数（H）指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差1时所耗散的功率能量灵敏度（G）使热敏电阻的阻值变化1所需耗散的功率,热敏电阻的主要特性,温度特性热敏电阻的电阻随温度变化之间的关系特性伏安特性在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端之间电压U的关系，称为热敏电阻的伏安特性安时特性表示热敏电阻在不同的外加电压下，电流达到稳定最大值所需的时间。,热敏电阻的优缺点,优点电阻温度系数大灵敏度高热容量小响应速度快分辨率很高缺点互换性差热电特性非线性大,1.1.4电阻式温度传感器的应用,温度检测及指示温度补偿过热保护自动延时电路控温电路降温报警器,1.2热电偶,热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器热电偶体现的是热电效应应用：广泛用于测量1001300范围内的温度根据需要可以用来测量更高或更低的温度,1.2热电偶,特点：结构简单使用方便精度高热惯性小可测量局部温度便于远距离传送与集中检测、自动记录,1.2.1热电偶的基本原理,热电效应1823年由塞贝克（Seebeck）发现在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，称为塞贝克电势。这个物理现象称为热电效应,1.2.1热电偶的基本原理,两种不同材料的导体两端联接在一起，一端称为工作端或热端(T)，测温时置于被测温度场中；另一端称为参考端或冷端(T0)，通常恒定在某一温度。此时在这个回路中将产生一个与温度T、T0、以及导体材料性质有关的电势EAB(T,T0)，然后可以利用这个热电效应来测量温度。把由两种不同材料构成的上述热电变换元件称为热电偶，A和B两种不同的导体称为热电极,1.2.1热电偶的基本原理,实验证明，回路的总热电势为式中为热电势率或塞贝克系数，其值随热电极材料和两接点的温度而定热电效应产生的电势由珀尔帖效应（接触电势）和汤姆逊效应（温差电势）两部分组成,1.2.1热电偶的基本原理,珀尔帖效应（接触电势）将同温度的两种不同的金属互相接触，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属的接触处会发生自由电子的扩散现象，直至在接点处建立起平衡电场两种不同金属的接点处产生的电动势称为珀尔帖电势，又称接触电势,1.2.1热电偶的基本原理,汤姆逊效应（温差电势）当匀质棒状导体两端存在温度梯度时，导体内自由电子将从温度高的一端向温度低的一端扩散，从而使棒内建立起平衡电场。电场产生的电势称为汤姆逊电势或温差电势当匀质导体两端的温度分别是T、T0时，温差电势为,1.2.1热电偶的基本原理,汤姆逊效应（温差电势）回路的温差电势为如果两接点温度相同，则温度电势为零。,1.2.1热电偶的基本原理,总热电势如果热电偶两个电极的材料相同，两个接点温度不同，不会产生电势如果两个电极的材料不同，但两接触点温度相同，也不会产生电势,1.2.1热电偶的基本原理,当热电偶两个电极的材料不同，且A、B固定后，热电势EAB(T,T0)便为两接点温度T和T0的函数，即当T0保持不变，则热电势EAB(T,T0)便为热电偶热端温度T的单值函数热电偶测温的基本公式,热电偶的基本定律,均质导体定律两种均质金属组成的热电偶，其电势大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关如果材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时，将产生附加的热电势，造成无法估计的测量误差，因此，热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。解决温度分布对热电偶热电势的影响问题,热电偶的基本定律,标准电极定律两种金属组成热电偶的热电势可以用它们分别与第三种金属组成热电偶的热电势之差来表示,热电偶的基本定律,中间导体定律在热电偶回路中插入第三、四种导体，只要插入导体的两端温度相等，且插入导体是均质的，则无论插入导体的温度分布如何，都不影响原来热电偶的热电势的大小解决热电势的测量问题,热电偶的基本定律,中间温度定律热电偶在接点温度为T，T0时的热电势等于该热电偶在接点温度为T，Tn和Tn，T0时的热电势的代数和中间温度定律是制订分度表的理论基础,1.2.2热电偶的类型及结构,热电极材料的基本要求热电特性稳定，即热电势与温度的对应关系不变热电势要足够大，易于测量，有较高的准确度热电势与温度为单值关系，最好为线性关系，或简单的函数关系电阻温度系数和电阻率要小物理性能稳定，化学成分均匀，不易氧化和腐蚀材料的复制性好材料的机械强度要高,1.2.2热电偶的类型及结构,热电偶类型热电偶的类型、规格、结构品种繁多，可以按不同的分类观点进行分类，如按使用温度、热电极材料、用途、结构等。热电偶的结构形式普通型热电偶铠装热电偶小惯性热电偶薄膜热电偶表面热电偶,热电偶的冷端温度补偿,恒温法分度表通常只提供冷端温度为0的热电势冷端恒温时，热电势偏差为常数电压补偿或修正,热电偶的冷端温度补偿,冷端自动补偿法,1.2.3热电偶的实用测量电路,单点温度测量电路两点间温差的测量电路平均温度测量电路若干点温度之和测量电路,热电偶实物图片,工业测温用的热电偶，其基本构造包括热电偶丝材、绝缘管、保护管和接线盒等。,热电偶（阻）实物图片,压簧式固定热电偶结构示意图,铠装热电偶结构,热电偶应用实例,塑胶射出成型机应用,热电式传感器应用实例,焊接热循环测试与分析系统,热电偶的前置放大电路,半导体热敏电阻图片及应用,应用PTC热敏电阻器实现预