《传感器原理》课件.ppt

1、1,温度传感器,第一章,2,v定义： 温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置。 v用途： 用于检测温度和热量，也称为热电式传感器。 v重要性： 与生活、科研、生产密切相关。 应用最广泛,简 介,第一章 温度传感器,3,v将温度T变化转换为电阻变化的元件，主要有金属热电阻、半导体热电阻、陶瓷热敏电阻(NTC、PTC、CTR) 和高分子热敏电阻； v将温度变化 -电势的传感器，主要有热电偶和PN结式传感器； v将热辐射-电学量的器件，有热释电探测器、红外探测器； v集成温度传感器、光纤温度传感器、液晶温度传感器、智能温度传感器等,简 介,温度传感器分类,第一章 温度传感器,4,1.1 电

2、阻型温度传感器,1.1.1 热电阻,1.1 电阻型温度传感器,金属热电阻 半导体陶瓷热电阻,温度,感温材料,电阻,5,Rt ：任意绝对温度t 时的电阻值 R0 ：基准状态温度t0时的电阻值 ：温度系数（1,一、热电阻的特性,1.1.1 热电阻,6,1.1.1 热电阻,感温材料的要求: v电阻温度系数：纯金属 v性能稳定：测温准确性 v良好的输出特性：线性 v高的电阻率 v良好的加工性、价格便宜,7,0630.755,1.铂热电阻,1.1.1 热电阻,v稳定性好、重复性好 v热电阻最佳材料 v用于高精度工业测量: 标准电l阻温度计、温度基准,1900,8,1.1.1 热电阻,9,用于一般测量精度

3、和测量范围较小时， 易于得到高纯度材料、价格低廉，易氧化,2. 铜热电阻,1.1.1 热电阻,50150,10,3. 其它热电阻,铁和镍电阻：应用较少 灵敏度高， 电阻率较大。 易氧化，不易提纯，非线性,1.1.1 热电阻,铟电阻 锰电阻 碳电阻,低温测量,273-268.5，热容量小 ，灵敏度高 热稳定性较差,269-258，测量精度高，灵敏度高 。 重现性差,271-210用，灵敏度高 脆性高 ，易损坏,11,1、结构： 组成：感温元件、内引线、绝缘套管、保护套管和接线盒。 将电阻丝无感双线绕在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘架上，固定后外面再加上保护套管。 2、测量电路： 用精度较高的电桥电

4、路。 两线制连接方式存在的问题：引线电阻 为消除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,二、热电阻的结构及测量电路,1.1.1 热电阻,12,优点： 性能稳定，测量范围宽、精度高、低温测量。 不足： 需辅助电源，热容量大，限制用于动态测量。 措施： 为避免电热效应，电流一般应小于10mA,三、热电阻温度计的总结,1.1.1 热电阻,13,正温度 系数热敏 电阻PTC,负温度 系数热敏 电阻NTC,临界温度 系数热敏 电阻CTR,1.1.2 热敏电阻,材料： 金属氧化物(Mn3O4、CuO、NiO、Co3O4)为基体、添加剂、陶瓷工艺制成。 半导体陶瓷。 特点： 灵

5、敏度高、重复性好、成本低、体积小、使用方便,热敏电阻,14,一、热敏电阻特性参数,标称电阻值（R25）： 25、零功率状态的阻值。 大小取决于电阻的材料和几何尺寸。 2527,2. 电阻温度系数(T) ： 规定温度下，单位温度变化使阻值变化的相对值,T 决定了热敏电阻全部工作范围内对温度的灵敏度,1.1.2 热敏电阻,15,电 阻 型 温 度 传 感 器,时间常数()： 表征电阻的热惯性. 在零功率测量状态下,当环境温度突变时,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）： 在标准压力750mmHg和规定的最高温度下，电阻期连续工作所允许的最大耗散功率。 实际中所消耗的

6、功率不得超过PE,1.1.2 热敏电阻,16,二、正温度系数热敏电阻(PTC,基体材料是BaTiO3(纳米陶瓷材料钛酸钡)，辅以稀土元素为添加剂，经陶瓷工艺烧结制成。 纳米钛酸钡(BaTiO3)： 具有高介电常数及优良的铁电、压电和绝缘性能 稀土元素： 17种化学元素，钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥,1.1.2 热敏电阻,17,1.电阻温度特性,突变型（开关型）： 曲线中阻值随温度变化很陡、开关温度、指数关系、温度系数与温度无关,1.1.2 热敏电阻,18,1.1.2 热敏电阻,缓变型： 曲线阻值随温度变化缓慢、线性关系、温度系数随温度变化 、温度补偿,19

7、,静态伏安特性： 一定温度下，静止的空气中，PTC电阻两端的电压降与电阻稳态电流之间的关系。 曲线可分为AB、BC、CD三段,2、PTC的静态伏安特性曲线,电流I(A,电压U(V,1.1.2 热敏电阻,20,三、NTC热敏电阻,1.NTC电阻的温度特性,随T升高而迅速减小，可用于温度检测、温度补偿、控温等各种电路,1.1.2 热敏电阻,用Mn、Co、Ni、Fe等过渡金属氧化物按比例混合，采用陶瓷工艺制备,21,2.NTC静态伏安特性曲线,oa段 ：电压随电流增大线性增大。 ab段：电压偏离线性，随电流增加。 bd段：电压随电流增加下降很快。 de段：电压下降缓慢,1.1.2 热敏电阻,22,指

8、在某一温度附近电阻值发生突变，于几度的狭小温区内，随温度的增加阻值降低34个数量级的元件。 阻值的突变点为临界温度点,四、CTR热敏电阻,宏观开关温度： 电阻值下降到某一规定值时所对应的温度,开关电阻： 按曲线求出切线在高阻端的交点Rh和切线在低阻 端的交点Rl，算出Rc,1.1.2 热敏电阻,23,1.1.2 热敏电阻,24,降值比： 描述阻值下降的快慢，即标称电阻R25与最小电阻比值Rmin的对数，即,降值比越大，开关特性越好。 由于CTR电阻具有很大的负温度系数，可用作控 温、报警、无触点开关等场合,1.1.2 热敏电阻,25,五、热敏电阻的结构及其特点,珠状,热敏电阻,圆片型,方片型,

9、棒状,厚薄膜型,它们各自适用于不同的应用场合,1.1.2 热敏电阻,26,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,利用电阻率随温度变化的特性制成温度传感器。 一、工作原理,半导体的导电能力：载流子的迁移 载流子：电子和空穴 半导体材料的电阻率： 为材料的电子浓度 为电子迁移率 为材料的空穴浓度 为空穴迁移率 为电子电量,27,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,本征半导体： 纯净的半导体，共价键结合能力很强，导电能力弱，在热力学温度零度时，不导电。电子和空穴浓度相等,电阻率主要决定于载流子(电子或空穴)的浓度和迁移率，二者都与温度密切相关,本征半导体 P型半导体 N型半导体,半导体,28,1.1.

10、3 半导体热电阻温度传感器,P型半导体： 在4价元素(硅、锗)的晶体中掺入少量的3价杂质元素(硼、镓、铟)，组成共价键时，缺少一个电子，形成空穴，主要依靠空穴导电,N型半导体材料： 在4价元素(硅、锗)的晶体中掺入少量的5价杂质元素(磷、锑ti、砷)，组成共价键时，多余一个电子，形成自由电子，主要依靠电子导电,29,1.迁移率与温度的关系,q 为电子电量 M 为载流子的有效质量 A、B 为常数 Ni 为掺杂浓度,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,100,200,10,104,30,2.电阻率与温度的关系,本征半导体： 电阻率主要由本征载流子浓度决定，由于浓度随温度上升急剧增加，因而电阻率随温

11、度增加下降,杂质半导体： 受杂质电离和本征激发影响，电阻率随温度的变化关系复杂,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,31,二、硅热电阻的结构和工艺,棒状 、扩散电阻型两种结构,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,32,工艺： 掺杂 v离子注入 v扩散 金属层 v腐蚀基体形成浅槽 v磁控溅射Ti/Pt/Au(Ag) v超声剥离金属层 v压焊,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,33,1. 电阻一温度特性,正向偏置时: 55175，电阻值随温度的升高而增大，具有较好的线性度,反向偏置时： 120以上时，电阻值突然下降,三、硅热电阻的特性,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,34,2. 电阻温度系数

12、T,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,随着温度升高， T 减小,35,3、硅电阻与电流的关系,v 不同的温度下，当电流超过1mA时，电阻就会增大。 v 电流的自身热效应使电阻增大。 v 工作电流应小于1mA,1.1.3 半导体热电阻温度传感器,36,1.2 热电偶,热电偶： 利用两种不同的金属连接在一起，当结点处温度变化时，另两端产生电势变化的原理制成的传感器,37,1.2.1 热电偶的基本原理,一、热电效应(塞贝克效应): 用两种不同的金属组成闭合回路，且使其两接触点处温度不同，回路中就会产生电流,塞贝克电势 EAB(T, T0,热电势率(塞贝克系数)TAB 感热材料、两接点温度,38,热

13、电效应,珀尔贴效应,汤姆逊效应,1.2.1 热电偶的基本原理,1.珀尔帖效应,珀尔帖电势(接触电势,同温度、两种金属、 自由电子密度不同、扩散,39,K0 为波尔兹曼常数 q 电子电量 nA、nB 为金属A、B在温度T的自由电子密度,1.2.1 热电偶的基本原理,40,A称为汤姆逊系数 表示温差1时产生的电势差,2.汤姆逊电势(温差电势,均质导体棒、两端温度不同、 高、低温端的自由电子动能不同、扩散,1.2.1 热电偶的基本原理,41,EAB(T)为热端的热电势, EAB(T0)为冷端的热电势,热电偶回路的总热电势EAB,讨论： 两点温度相同时，汤姆逊电势为零，EAB(T0, T0)=0； 两

14、金属相同时，接点温度不同，两个汤姆逊电势大小相等、方向相反，回路总电势仍为零； 只有两不同材料组成热电偶、且T,T0不同，才有热电势出现；温差越大，回路的总电势也越大,1.2.1 热电偶的基本原理,42,二、热电偶的基本定律,1.均质导体定律： 两均质金属的热电势大小与热电极的直径、长度及沿电极长度方向上的温度分布无关，只与热电极材料和温度有关,2.标准电极定律： 两种金属的热电势可用它们分别与第三种金属的热电势之差来表示,1.2.1 热电偶的基本原理,43,1.2.1 热电偶的基本原理,44,3.中间导体定律,在热电偶的参考端接入第三种均质金属, 被插入金属两端温度相同（T0），只要所插入的

15、导体两端温度与参考点相同，不会影响原来热电势的大小,即中间导体定律,1.2.1 热电偶的基本原理,45,4.中间温度定律,热电偶的接点温度为T、T0时，其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,1.2.1 热电偶的基本原理,46,一、热电极材料特性,1. 热电性质稳定，足够的物理、化学稳定性，不易氧化和腐蚀,2. 热电势要足够大，易于测量、单值关系、误差小,3. 电阻温度系数小，电导率高,4. 材料复制性好、机械强度高、工艺简单，价格便宜,1.2.2 热电偶的种类和结构,47,1.2.2 热电偶的种类和结构,热电偶,标准化热电偶,非标准化热电偶,二、热电偶的种

16、类,1、标准化热电偶,铂铑铂热电偶 铂铑铂铑热电偶 镍铬镍硅热电偶 镍铬镍铝热电偶 镍铬考铜热电偶 铜康铜热电偶,48,v 铂铑铂热电偶 用于较高温度、较精密的测量、热电势较小。 不能用于金属蒸气和还原性气氛中。 v 铂铑铂铑热电偶 可长期测量160oC高温，性能稳定、精度高，适于在氧化性或中性介质中测量，室温下热电势较小，不需要参考端补偿和修正,v 铜康铜热电偶,v 镍铬镍硅热电偶,v 镍铬镍铝热电偶,v 镍铬考铜热电偶,热电势较大，测温范围小,1.2.2 热电偶的种类和结构,49,2、非标准化热电偶,铁康铜热电偶 测温上限6000C，易生锈，线性好，灵敏度高。 钨钼热电偶 测温上限2100

17、0C，易氧化，加石墨保护管。 钨铼系热电偶 测温上限21000C,1.2.2 热电偶的种类和结构,v 金属非标准化热电偶,50,热解石墨热电偶 二硅化钨二硅化钼热电偶,1.2.2 热电偶的种类和结构,v 非金属非标准化热电偶,复制性差，没有统一的分度表，应用受到很大限制,51,三、热电偶的结构,珠形绝缘子热电偶,双孔绝缘热电偶,石棉绝缘管热电偶,有两个热电极，两个电极的一个端点紧密焊接在一起。热电极间通常用耐高温绝缘材料绝缘,1.2.2 热电偶的种类和结构,52,四、热电偶的冷端温度补偿,1.恒温法,将热电偶的冷端置于恒温器中，若恒温器温度调到0，电压表读数对应的温度为实际温度，即冷端温度误差

18、得到解决,1.2.2 热电偶的种类和结构,为什么要进行冷端温度补偿,冷端恒温示意图,53,若恒温器温度为T0，则冷端误差为,T0恒定时，冷端误差为常数，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值就能实现完全补偿,1.2.2 热电偶的种类和结构,54,在热电偶和测量仪表之间接入一个电桥补偿器。当热电偶冷端温度T升高时，回路中总电势降低，同时补偿器中RT变化，使ab间产生一个电位差，设计使该电位差正好补偿热电偶降低的量，实现自动补偿,2.冷端自动补偿法,冷端自动补偿原理图,1.2.2 热电偶的种类和结构,55,1.3 半导体PN结型温度传感器,1.3.1 PN结型温度传感器,一、二极管

19、温度传感器,是利用PN结正向电压与温度关系的特性制作的。 由PN结理论可知,56,I0为反向饱和电流， B、与材料和工艺有关常数，qVg0 为禁带宽度,当If 不变时，PN结Vf 随T的上升而下降， 近似线性关系,1.3 半导体PN结型温度传感器,二、晶体管温度传感器,在晶体管集电极电流恒定下，发射结的正向电压随温度上升而下降。 晶体管比二极管有更好的线性和互换性,57,1. 基本原理,Vg0=Eg0/q，A为发射结面积、n与材料和工艺有关的常数，当Ic一定且T不太高时，Vbe基本与T线性关系；当温度较高时，产生一定的非线性偏移,2. 晶体管温度传感器的结构,由晶体管原理知,检测温度时温敏三极

20、管必须附加外围电路。 外围电路包括参考电压源运放线性电路等部分,1.3 半导体PN结型温度传感器,58,3、晶体管温度传感器基本电路,由运放和温敏三极管组成，C防止寄生振荡。T为反馈元件跨接在运放的反相输入端和输出端，基极接地。 T的集电极Ic仅取决于Rc和电压E, Ic=E/Rc，与温度无关，保证了恒流源工作条件。电压Vbe随T近似线性下降,1.3 半导体PN结型温度传感器,59,1.4 其它温度传感器,物体的热辐射作用随物体温度变化 非接触测量 热惯性小,1.4.1 热辐射温度传感器,一、全辐射高温计,v理论基础： 斯蒂芬玻尔兹曼定律：全部辐射能Eb=0T4。 v方法： 用绝对黑体接收被测

21、对象发出的所有波长的全部辐射能量Eb ，黑体温升反映被测温度,60,v构成： 绝对黑体： 一定面积、表面粗糙并涂黑的铂片。 热电偶测温： 铂片接收热量、温度升高，铂片温度由热电偶堆测出，由毫伏表或电位差计读数,辐射温度计的结构图,1.4 其它温度传感器,61,v 工作原理： 被加热时，物体的颜色随温度T改变，温度愈高，物体愈亮。 理想黑体的光谱辐射亮度用普朗克公式表示,C1、C2为普朗克常数，为波长，T为绝对温度,二、光学高温计,1.4 其它温度传感器,v 精密仪表，常用于1064.43oC以上温度的测量,当波长一定时，物体的亮度只与温度T有关，即单波长测量原理,62,方法： 利用经过温度刻度

22、的钨丝灯发出的单色亮度和被测物体的单色辐射亮度一样时，由钨丝灯的温度T确定被测物体的温度,1.4 其它温度传感器,工作原理： 光电器件把物体的辐射能转换成与之成一定比例的电信号。光电器件的光电流与被测物体的亮度成正比，用光电流的大小来判断被测物体温度,三 光电高温计,v 是自动的光学高温计,63,v 原理：利用物体在波长1和2两种单色辐射强度比值随温度T变化来测量。 v 误差小。 v 常用于炼钢、轧钢过程中温度的准确测量,四、比色温度计(双色温度计,光电器件,光敏电阻：100700oC,光电池： 700o以上,1.4 其它温度传感器,64,1.4.2 热敏电容,工作原理: (BaSr)TiO3

23、 (钛酸锶钡)系列陶瓷电容器的静电容(介电常数)随温度T变化。 高介电常数的陶瓷材料： 钛酸锶 SrTiO3,k=200) 钛酸锶钡 (BaSr)TiO3,k=200 锆钛酸铅 Pb(Zr,Ti)O3,k=1000，(锆gao,1.4 其它温度传感器,如TI公司(德仪)开发的采用BST（BaSr）TiO3 热电材料的产品和Honeywell公司使用二氧化钒（VO2）材料的热辐射计型产品都已达到实用化程度,65,BaSr）TiO3陶瓷电容传感器的静电容-温度特性,1230以上静电容与温度的关系曲线,1.4 其它温度传感器,66,v 某晶向的石英振子的共振频率随温度T直线变化。 v 直接输出准数字信息,1.4.3 石英温度计,1.4 其它温度传感器,67,工作原理： 根据温度引起的振荡频率的偏移量来测量温度。 SAW振荡器：由压电材料基片和沉积在基片上的差指换能器组成,1.4.4 表面波温度传感器,1.4 其它温度传感器,VR为SA