温度传感器PPT课件

-,1,第6章温度传感器,-,2,目录,简介热电偶热电阻晶体管和集成温度传感器本章小结,-,3,简介,什么是温度传感器？分类,-,4,什么是温度传感器？,温度传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。,-,5,分类,三类：（1）热电偶是将温度变化转换为电势变化（2）热电阻是将温度变化转换为电阻值的变化。（3）晶体管和集成温度传感器是将温度的变化转变为电压或电流的变化。这三种传感器目前在工业产生中已得到广泛应用，并且有与其相配套的显示仪表与记录仪表。,-,6,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。自19世纪发现热电效应以来，热电偶被越来越广泛地用来测量1001300范围内的温度，根据需要还可以用来测量更高或更低的温度。它具有结构简单，使用方便，精度高热惯性小，可测局部温度和便于远距离传送与集中检测、自动记录等优点。,-,7,热电偶,热电偶的基本原理热电偶的类型及结构热电势的测量及热电偶的标定热电偶的传热误差和动态误差,-,8,热电偶的基本原理,一、热电效应二、热电偶的基本定律三、热电偶冷端温度及其补偿,-,9,热电效应,1823年塞贝克(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。,-,10,原理,式中，ab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；后来研究指出，热电效应产生的电势EAB(T,T0)是由珀尔帖(Peltier)效应和汤姆逊(Thomson)效应引起的。,-,11,1珀尔帖效应,什么是珀尔帖效应呢？通过上图你又能想到什么呢？,-,12,珀尔帖效应,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A和B的接触处会发生自由电子的扩散现象，自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电B得到电子带负电直至在接点处建立了强度充分的电杨，能够阻止电子扩散达到平衡为止。两种不同金属的接点处产生的电动势称为电势，又称接触电势。此效应称为珀尔帖效应。,-,13,根据电子理论:,温度为T，T0产生的接触电势方向相反，故回路的接触电势为：,-,14,2汤姆逊效应,假设在一匀质棒状导体的一端加热，则沿此棒状导体有温度梯度导体内自由电子将从温度高的一端向温度低的一端扩散，并在温度较低一端积累起来，使棒内建立起一电场。当这电场对电子的作用力与扩散力相平衡时，扩散作用即停止。电场产生的电势称为汤姆逊电势或温差电势。此效应称为汤姆逊效应。,-,15,对于导体A、B组成的热电偶回路，当接点温度TT0时，回路的温差电势等于导体温差电势的代数和，即:,综上所述，热电极A、B组成的热电偶回路，当接点温度TT0时，其总热电势为：,当匀质导体两端的温度分别是T、T时，温差电势为:,-,16,重要结论：,(1)如果热电偶二个电极的材料相同，二个接点温度虽不同不会产生电势；(2)如果二个电极材料不同但两接点温度相同，也不会产生电势；(3)当热电偶二个电极的材料不同，且A、B固定后，EAB(T,T0)便为二接点温度T和T0的函数，即:EAB(T,T0)=E(T)-E(T0)当T0保持不变，即E(T0)被认为是常数，则热电势置EAB(T,T0)便为热电偶热端温度T的函数：EAB(T,T0)=E(T)-C由此可知,EAB(T,T0)和T有单值对应关系，这是热电偶测温的基本公式。,-,17,热电极的极性：测量端失去电子的热电极为正极，得到电子的热电极为负极。在热电势符号EAB(T,T0)，规定写在前面的A、T分别为正极和高温，写在后面的B、T0分别为负极和低温。如果它们的前后位置互换，则热电势极性相反，如:EAB(T,T0)一EBA(T,T0)EAB(T,T0)=一EAB(T0,T)判断热电势极性最可靠的方法是将热端稍加热，在冷端用直流电表辨别。,-,18,二、热电偶的基本定律,1.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。2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，且插入导体是匀质的，则无论插入导体的温度分布如何，都不会影响原来热电偶的热电势的大小。因此，我们可以将毫伏表(一般为铜线)接入热电偶回路，并保证两个结点温度一致就可对热电势进行测量，而不影响热电偶的输出。,-,19,3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时相应的热电势的代数和，即:EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)如T0=0,有：EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0),-,20,三、热电偶冷端温度及其补偿,热电偶热电势的大小与热电极材料及两接点的温度有关。只有在热电极材料一定，其冷端温度T0保持不变的情况下，其热电势么EAB(T,T0)才是其工作端温度T的单值函数。热电偶的分度表是在热电偶冷端温度等于0的条件下测得的，所以使用时，只有满足T0=0的条件，才能直接应用分度表或分度曲线。在工程测温中，冷端温度常随环境温度的变化而变化，将引入误差，所以要采取以下的修正或补偿措施。,-,21,补偿措施：,冷端温度修正法冷端温度自动补偿法延引热电极法,-,22,1冷端温度修正法,对于冷端温度不等于0，但能保持恒定不变的情况，可采用修正法。1)热电势修正法2)温度修正法,-,23,1)热电势修正法,原理：根据中间温度定律，将电势换算到冷端为0时应为：EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0),-,24,例用镍铬一镍硅热电偶测炉温。当冷端温度T030时，测得热电势为E(T,T0)39.17mV，则实际炉温是多少度?由T030查分度表得E(30，0)1.2mV则E(T,0)E(T，30)十E(30，0)39.17十1.240.37(mV)再用40.37mv查分度表得977，即实际炉温为977若直接用测得的热电势39.17mv查分度表则其值为946，产生31的测量误差。,-,25,2)温度修正法,令T为仪表的指示温度，T0为冷端温度，则被测的真实温度T，为：TT十kT0式中k为热电偶的修正系数，决定于热电偶种类和被测温度范围。例上例中测得炉温为946(3917mV)，冷端温度为30，查表k1.00则T946130976()与用热电势修正法所得结果相比，只差1因而这种方法在工程上应用较为广泛。,-,26,热电偶补正系数,-,27,2冷端温度自动补偿法,热电偶在实际测温中，冷端一般暴露在空气中，受到周围介质温度波动的影响它的温度不可能恒定或保持0不变，不宜采用修正法，可用电势补偿法。产生补偿电势的方法很多,主要介绍电桥补偿法和pn结补偿法。,-,28,电桥补偿法,说明补偿原理,-,29,说明,电桥补偿法是用电桥的不平衡电压(补偿电势)去消除冷端温度变化的影响，这种装置称为冷端温度补偿器。桥臂电阻R1，R2，R3和限流电阻Rs的电阻值几乎不随温度变化。RCu为铜电阻，其阻值随温度升高而增大。电桥由直流稳压电源供电。在某一温度下设计电桥处于平衡状态，则电桥输出为0该温度称为电桥平衡点温度或补偿温度。此时补偿电桥对热电偶回路的热电势没有影响。,-,30,补偿原理,当环境温度变化时，冷端温度随之变化，热电偶的电势值随之变化E1；与此同时，RCu电阻值也随环境温度变化，使电桥失去平衡，有不平衡电压E2输出。如果设计的E1与E2数值相等极性相反则选加后互相抵消，因而起到冷端温度变化自动补偿的作用。这就相当于将冷端恒定在电桥平衡点温度。,-,31,pn结补偿法,-,32,3延引热电极法,一般恒温装置或补偿器距被测对象较远，需要很长的热电极把冷端引到这些装置中，这对于贵金属热电偶是很不经济的。可以用比较便宜的、在0一100温度范围内热电性质与工作热电偶相近的导线代替负金属热电极。这种导线常称为延引电极、冷端延长线或冷端补偿导线。,-,33,说明,不同的热电偶必须选用相应的补偿导线；延伸导线和热电极联接处两接点的温度必须相同，而且不可超过规定的温度范围(一般为0一100)；采用延伸导线只是移动了冷端点的位置，当该处温度不为0时，仍须进行冷端温度补偿。,-,34,-,35,热电偶的类型及结构,1对热电极材料的基本要求2热电偶类型3.热电偶结构,-,36,1对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会变动；热电势要足够大，这样易于测量热电势，且可得到较高的准确度；热电势与温度为单值关系，最好成线性关系，或简单的函数关系；电阻温度系数和电阻率要小，否则热电偶的电阻将随工作端温度而有较大的变化影响测量结果的准确性物理性能稳定，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。,-,37,2热电偶类型,标准化热电偶非标准化热电偶,-,38,标准化热电偶,铂铑10-铂热电偶(WRLB)(分度号：LB一3)铂铑30-铂铑6热电偶WRLL)(分度号：LL一2)镍铬一考铜热电偶(WREA)(分度号：EA一2)铜一康铜热电偶(分度号：CK),-,39,测量范围和准确度,-,40,非标准化热电偶,铁一康铜热电偶(测温上限为600)钨一钼热电偶（测温上限2100）钨铼系热电偶（测温上限2400）其他：铱铭系热电偶、镍铬一金铁热电偶、镍钴一镍铝热电偶、双铂钼热电偶，以及一些非金属热电偶，如热解石墨热电偶等,-,41,3.热电偶结构,1.普通型热电偶2.铠装热电偶3.小惯性热电偶,-,42,热电势的测量及热电偶的标定,一、热电势的测量二、热电偶的标定,-,43,一、热电势的测量,伺服式温度表数字式温度表,-,44,1.伺服式温度表,Ex-IRab=iR,可以用可变电阻触点b的位置标明被测电势值,令i=0,得到：Ex=IRab,-,45,工作原理,Ex-IRab=iREx被测电势；I,i分别为工作电流回路和测量回路的电流；R-a,b间的可变电阻Rab，检流计内阻和电势源Ex的内阻之和。令i=0,得到：Ex=IRab可以用可变电阻触点b的位置标明被测电势值,-,46,2.数字式温度表,使用时必须注意两点：热电偶输出的热电势一般都很小，在进行AD转换前，必须经过高增益的直流放大，常用数据放大器。热电偶的热电特性，一般来讲都是非线性的。欲使显示数或输出脉冲数与被测温度直接相对应，必须采取线性化措施。在带有计算机或微处理机的测量系统中，非线性校正(和冷端补偿)工作，都直接由计算机完成，即所谓“软件校正法”。但目的用得更多的是所谓“硬件校正法”，即采用非线性校正装置，也称“线性化器”。,-,47,二、热电偶的标定,标定的目的是核对标准热电偶热电势一温度关系是否符合标准，或确定非标准热电偶的热电势一温度标定曲线，也可以通过标定消除测量系统的系统误差。标定方法有定点法和比较法。,-,48,定点法是以纯元素的沸点或凝固点作为温度标准。如基准铂铑10-铂热电偶在630.755-1064.43的温度间隔内，以金的凝固点1064.43、银的凝固点961.93、锑凝固点630.7752作为标准温度进行标定。比较法是将标准热电偶与被标定热电偶之间直接进行比较，比较法又可分为双极法，同名极法(单极法)和微差法这里主要介绍双极法。,-,49,1-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,双极法标定系统,-,50,双极法标定系统原理,标定铂铑一铂热电偶时，将标准热电偶与被标定热电偶的工作端用铂丝捆扎在一起，插到管式护内的均匀温度场中，冷端分别插在0的恒温器中。用自耦变压器1调节炉温，当炉温到达所需的标定温度点的10内，且炉温变化每分钟不超过0.2时，就可读数。每一个标定点温度的读数不得少于四次。,-,51,图(a)用于同型号热电偶的自动标定,-,52,图（b)不同型号的热电偶自动标定,-,53,图(a)工作原理,图(a)用于同型号热电偶的自动标定。它同时测量电炉温度t，分别输出热电势EB和Et，在减法器内被比较得电势差值EEt-EB，E输入记录仪进行记录。,-,54,图(b)工作原理,图(b)用于不同型号的热电偶自动标定，如用标准铂镑热电偶标定贱金属热电偶，两者的热电势不能直接比较因此，由函数发生器将标准热电偶输出的热电势EB转换为EB，然后输入减法器与ET相比较。,-,55,热电偶的传热误差和动态误差,传热误差动态误差,-,56,一、传热误差,采用热电偶测温与其它感温元件一样，是通过热电偶与被测介质之间的热量交换。热电偶吸收了被测介质传送来的热量，一方面用以加热，提高自身的温度；同时又向周围散失热量。当热交换达到平衡状态时，热电偶的测量端也就达到一个稳定的温度。但由于热量的散失，热电偶测量端的温度低于被测介质的温度，这时热电偶的显示误差称为传热误差它是由传导、对流、辐射三种基本热交换形式造成的。,-,57,二、动态误差,用热电偶测量温度时，由于热接点具有一定的热容量，则热接点从介质今吸收热量后，加热自身提高温度到稳定值就需要一定的时间，即热接点的温度变化，在时间上总是滞后于被测介质的温度变化。这种由于热惯性引起的温度偏差值，称为动态响应误差。,-,58,热电阻,利用感温电阻，把测量温度转化成测量电阻的电阻式测温系统，常用于测量200500范围内的温度。它是利用热电阻和热敏电阻的电阻率温度系数而制成温度传感器的。大多数金属导体和半导体的电阻率都随温度发生变化，都称为热电阻，纯金属有正的温度系数，半导体有负的电阻温度系数。用金属导体或半导体制成的传感器，分别称为金属电阻温度计和半导体电阻温度计。随着科学技术的发展，热电阻的应用范围已扩展到15K的超低温领域。同时在10001200温度范围内也有足够好的特性。,-,59,金属热电阻,一、工作原理、结构和材料大多数金届导体的电阻，都具有随温度变化的特性。其特性方程式如下:RiR01+a(T-T0)式中：Ri,R0分别为热电阻在T和0时的电阻值；a热电阻的电阻温度系数(1)。对于绝大多数金属导体，a并不是一个常数，而是温度的函数。但在一定的温度范围内，可近似地看作为一个常数。不同的金属导体，a保持常数所对应的湿度范围不同。,-,60,选作感温元件的材料应满足如下要求：材料的电阻温度系数a要越大越好，纯金属的a比合金的高，所以一般均采用纯金属作熟电阻元件；在测温范围内，材料的物理、化学性质应稳定；在测温范围内，a保持常数，便于实现温度表的线性刻度特性；具有比较大的电阻率，以利于减少热电阻的体积，减小热惯性.特性复现性好，容易复制。比较适合以上要求的材料有：铂、铜、铁和镍。,-,61,1铂热电阻,铂的纯度通常用W(100)表示，即:,0630.755:,-1900:,对W(100)1.391有A3.9684710-3B-5.84710-72，C-4.2210-12/4对W(100)1.389有A3.9485110-3.B-5.85110-7/2，C-4.0410-12/4,-,62,铂电阻一般由直径为0.05一0.07mm铂丝绕在片形云母骨架上，铀丝的引线采用银线，引线用双孔瓷绝缘套管绝缘。,-,63,铂热电阻的结构,-,64,2铜热电阻,铜丝可用来制造-50150范围内的工业用电阻温度汁。在此温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高(a(4.254.28)10-3)容易得到高纯度材料，复制性能好。但铜易于氧化，一般只用于150以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介中的温度测量。通常利用二项式计算测量的铜电阻值为:RTR01十a(TT0),-,65,铜热电阻技术特性表,-,66,铁电阻和镍电阻,铁和镍这两种金属的电阻温度系数较高，电阻率较大，故可作成体积小、灵敏度高的的电阻温度计。其特点是容易氧化、化学稳定性差、不易提纯，复制性差，而且电阻值与温度的线性关系差。目前应用不多；,-,67,热电阻的结构比较简单，一般将电阻丝绕在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘骨架上，经过固定，外面再加上保护套管。但骨架性能的好坏，影响其测量精度、体积大小和使用寿命。对骨架的要求是：电绝缘性能好；在高、低温下有足够的机械强度，在高温下有足够的刚度；体膨胀系数要小，在温度变化后不结热电阻丝造成压力；不对电阻丝产生化学作用。,-,68,二、测量电路,电阻温度计的测量电路员常用的是电桥电路，精度较高的是自动电桥。为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差，常采用三线和四线连接法。,-,69,热电阻测量电桥的三线连接法,-,70,调零的Ra电位器的接触电阻和检流计串联，这样，接触电阻的不稳定不会破坏电桥的平衡和正常工作状态。,热电阻测温电桥的四线连接法,-,71,热电阻式温度计优点：性能最稳定，测量范围广、精度也高。特别是在低温测量中得到广泛的应用。其缺点是需要辅助电源。热容量大限制了它在动态测量中的应用。为避免热电阻中流过电流的加热效应，在设计电桥时,要使流过热电阻的电流尽量小，一般小于10mA(?),-,72,半导体热敏电阻,一般说来，半导体比金属具有更大的电阻温度系数。半导体热敏电阻包括正温度系数(PTC)、负温度系数(NTC)、临界温度系数(CTR)热敏电阻等几类。PTC热敏电阻主要采用BaTiO3系列的材料，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。其用途主要是彩电消滋，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，也可以作为限流元件使用。,-,73,CTR热敏电阻采用VO2系列等材料，在某个温度值上电阻值急剧变化。其用途主要用作温度开关。NTC热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于-100300之间测温。在点温、表面温度、温差、温场等测量中得到日益广泛的应用，同时也广泛地应用在自动控制及电子线路的热补偿线路中。,-,74,一、热敏电阻的主要特性,1温度特性热敏电阻的基本特性是电阻与温度之间的关系,其曲线是一条指数曲线，可用下式表示：RT=AeB/TRT温度为T时的电阻值；A与热敏电阻尺寸、形式、以及它的半导体物理性能有关的常数；B与半导体物理性能有关的常数；T热敏电阻的绝对温度。,-,75,已知T1、T2对应的电阻为R1、R2,一般取：T1=20T2=100,称B为热敏电阻常数。,-,76,热敏电阻在其本身温度变化1时，电阻值的相对变化量，称为热敏电阻的温度系数。即:,代入R的导数及R值得,热敏电阻的电阻温度级系数比金属丝的高很多所以它的灵敏度相当高,-,77,2伏安特性,在稳态情况下通过热电阻的电流I与其两端之间的电压U的关系。称为热敏电阻的伏安持性。两种情况：1.小电流（遵从欧姆定律）2.大电流,-,78,大电流,当电流增大到一定值时，流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻特性。因电阻减小、即使电流增大，端电压反而下降。其所能升高的温度与环境条件有关。,-,79,3安时特性,-,80,二、热敏电阻的主要参数,(1)标称电阻值RH，即环境温度(250.2)时测得的电阻值，又称冷电阻；(2)电阻温度系数,即热敏电阻的温度变化1时电阻值的变化率，通常指温度为20时的温度系数，单位为；(3)耗散系数H，指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差1时所耗散的功率单位为W-1,-,81,(4)热容量C，热敏电阻的温度变化1所需吸收或释放的热量单位为J-1；(5)能量灵敏度G，使热敏电阻的阻值变化1所需耗散的功率，单位为w，能量灵敏度G与耗散系数H、电阻温度系数之间的关系为:G(H/)100(6)时间常数，亦即为热容量C与耗散系数H之比,-,82,热敏电阻的优缺点及改进措施,热敏电阻的优点是电阻温度系数大.灵敏度高热容量小、响应速度快而且分辨率很高可达10-4；主要缺点是互换性差，热电特性非线性大。可用温度系数很小的电阻与热敏电阻串联或并联，使等效电阻与温度的关系在一定的温度范围内是线性。,-,83,热敏电阻的应用,ptc热敏电阻的应用ntc热敏电阻的应用,-,84,ptc热敏电阻的应用(1)(加热控制电路）,-,85,ptc热敏电阻的应用(2)(稳流电路）,-,86,ptc热敏电阻的应用(3)(电机过荷保护电路）,-,87,ntc热敏电阻的应用(控温电路）,-,88,93晶体管和集成温度传感器,这种传感器是利用pn结的伏安特性与温度之间的关系研制成的一种固态传感器。工作原理Pn结伏安特性可用下式表示,这就是pn结温度传感器的基本原理,Exp(qU/kT)1,-,89,三极管形式更接近理想pn结（更稳定）：,若a1=a2,Js1=Js2,Je1/Je2=y,则有,这就是集成温度传感器的基本原理,-,90,集成温度传感器按输出信号可分为电压型和电流型两种。电压型的温度系数约为10mv；电流型的温度系数约为1A这就很容易从它们输出信号的大小换算成绝对温度、而且其输出电压或电流与绝对温度成线性关系。,-,91,AD590的结构及特性,-,92,伏安特性,在430v时，该器件为一个温控电流源，且其电流值与Tk成正比，即I=kTTk其中，kT为标度因子，在器件制造时已作标定，是每度1A，其标定精度因器件的档次而异(常分为I，J，K，L，M五档)。,-,93,温度特性,I=kTTc+273.