第2章 温度传感器

1、哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分50秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第1页第二章第二章 温度传感器温度传感器 通过本章的学习了解温度传感器的作用、地通过本章的学习了解温度传感器的作用、地位、位、分类；分类；掌握热电偶、热敏电阻温度传感掌握热电偶、热敏电阻温度传感器不同类型的特点、工作原理及应用场合；器不同类型的特点、工作原理及应用场合；了解汽车用温度传感器的应用领域。了解汽车用温度传感器的应用领域。 第一节第一节 概概 论论 第二节第二节 热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器 第三节第三节 热电偶温度传感器热电偶温度传感器 第四节第四节

2、 汽车用温度传感器汽车用温度传感器哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分50秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第2页第一节第一节 概概 论论 思考：汽车上有哪些需要检测温度的元器件或者部件呢？思考：汽车上有哪些需要检测温度的元器件或者部件呢？l温度是与人类生活息息相关的物理量。温度是与人类生活息息相关的物理量。l人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、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。医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。l工业生产自动化流程工业生产自动化流程,温度测量点要占全部测量点温度测量

3、点要占全部测量点的一半左右。的一半左右。温度是反映物体冷热状态的物理参数。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。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分50秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第3页 一、温度的基本概念一、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。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。的剧烈程度。能量：温度是描述系统不同自

4、由度间能量分配状况能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量。的物理量。u热力学温标热力学温标u摄氏温标摄氏温标u华氏温标华氏温标表示温度大小的尺度是温度的标尺，简称温标。表示温度大小的尺度是温度的标尺，简称温标。哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分50秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第4页二、温度传感器的特点与分类二、温度传感器的特点与分类11 温度传感器温度传感器的物理原理的物理原理u 热膨胀：热膨胀：气体温度计、玻璃温度计气体温度计、玻璃温度计u 电阻变化：电阻变化： 热敏电阻、铂电阻热敏电阻、铂电阻u 热电动势：热电动势：

5、热电偶热电偶u 光电效应：光电效应：光高温计光高温计u 介电常数、导磁率的温度变化：介电常数、导磁率的温度变化：铁氧体铁氧体u 物质的变色、融解：物质的变色、融解：指示温度的涂料液晶指示温度的涂料液晶u 振动温度变化：振动温度变化：晶体振子、超声波温度计晶体振子、超声波温度计u 热放射：热放射：辐射温度传感器辐射温度传感器u 热噪声：热噪声：电阻温度传感器电阻温度传感器哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分50秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第5页2.2.温度传感器应满足的条件温度传感器应满足的条件l特性与温度之间的关系要适中；特性与温度之间

6、的关系要适中；l对其它物理量的灵敏度要低；对其它物理量的灵敏度要低；l特性随时间变化要小；特性随时间变化要小；l重复性好，没有滞后和老化；重复性好，没有滞后和老化；l灵敏度高，坚固耐用灵敏度高，坚固耐用，对，对检测对象的影响要小；检测对象的影响要小；l机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；l能大批量生产，价格便宜；能大批量生产，价格便宜；l无危险性，无公害等。无危险性，无公害等。哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分50秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第6页3. 3. 温度传感器的种类及特点温度传感器的种类及

7、特点l 接触式温度传感器接触式温度传感器l 非接触式非接触式温度传感器温度传感器接触式温度传感器的特点：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。传感器直接与被测物体接触进行温度测量。采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是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被测物体的热容量要足够大。非接触式温度传感器特点：非接触式温度传感器特点：利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体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。的温度，可进行遥测。缺点缺点：其制造成本较高，测量精度却较低。：其制造成本较高，测量精度却较低。优点优

8、点：不会干扰被测对象的温度场：不会干扰被测对象的温度场；反应；反应快等。快等。哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分50秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第7页三、温度传感器的发展概况三、温度传感器的发展概况l 公元公元1600年，伽里略研制出年，伽里略研制出气体温度计气体温度计。l 一百年后，研制成一百年后，研制成酒精温度计酒精温度计和和水银温度计水银温度计。l 随着现代工业技术发展的需要，相继研制出随着现代工业技术发展的需要，相继研制出金属金属丝电阻、温差电动式元件、双金属式温度传感器丝电阻、温差电动式元件、双金属式温度传感器。l 1950

9、年以后，相继研制成年以后，相继研制成半导体热敏电阻器半导体热敏电阻器。l 最近，随着原材料、加工技术的飞速发展、又陆最近，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。续研制出各种类型的温度传感器。哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分50秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第8页第二节第二节 热敏电阻热敏电阻温度传感器温度传感器 热敏电阻是利用某种半导体材料的热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随电阻率随温度变化而变化温度变化而变化的性质制成的。的性质制成的。 在温度传感器中应用最多的有在温度传感器中应用最多的有热敏电阻热敏

10、电阻、热电阻热电阻（如铂、铜电阻温度计等）和（如铂、铜电阻温度计等）和热电偶热电偶。热。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进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（，稳定性已大为提高，在许多场合下（- -40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分50秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第9页一、热敏电阻的特点与分类一、热敏电阻的特点与分类 热敏电阻热敏电阻的特点的特点 1 1电阻温度系数的范围宽；电阻温度系数的范围宽； 2

11、2材料加工容易、性能好；材料加工容易、性能好； 3 3阻值在阻值在1 110M10M之间可供自由选择；之间可供自由选择； 4 4稳定性好；稳定性好； 5 5原料资源丰富，价格低廉。原料资源丰富，价格低廉。哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分50秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第10页 （二）热敏电阻的分类（二）热敏电阻的分类 1 1正温度系数热敏电阻器（正温度系数热敏电阻器（PTCPTC） 电阻值随电阻值随温度升高而增大温度升高而增大的电阻器，简称的电阻器，简称PTC热敏阻器。它的主要材料是掺杂的热敏阻器。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半

12、导体陶半导体陶瓷。瓷。 2 2负温度系数热敏电阻器（负温度系数热敏电阻器（NTCNTC） 电阻值随电阻值随温度升高而下降温度升高而下降的热敏电阻器简称的热敏电阻器简称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。化物半导体陶瓷。 3 3突变型负温度系数热敏电阻器（突变型负温度系数热敏电阻器（CTRCTR）该类电阻器的电阻值在该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度某特定温度范围内随温度升高而降低升高而降低34个数量级个数量级，即具有很大，即具有很大负温度系数负温度系数。哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日

13、星期三11时47分50秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第11页二、二、热敏电阻器主要特性热敏电阻器主要特性（一）热敏电阻器的电阻（一）热敏电阻器的电阻温度特性（温度特性（R RT TT T） 1234铂丝铂丝4060 120 1600100101102103104105106RT/电阻电阻-温度特性曲线温度特性曲线 1- -NTC；2- -CTR； 3- -4 PTC温度温度T/C哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分50秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第12页1 1负负电阻温度系数电阻温度系数(NTC)(NTC)热敏电阻器的温度特热敏电

14、阻器的温度特性性RT、RT0温度为温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值；时热敏电阻器的电阻值； BN NTC热敏电阻的材料常数。热敏电阻的材料常数。011exp0TTBRRNTTNTC的电阻的电阻温度关系的一般数学表达式为：温度关系的一般数学表达式为：如果以如果以lnRT、1/T分别作为纵坐标和横坐标，则上式是分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率为一条斜率为BN ，通过点，通过点(1/T，lnRT)的一条直线。的一条直线。哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分50秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第13页105104103102 0-1010

15、30507085100120T/C电阻电阻/NTC热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻-温度曲线温度曲线材料材料的不同或的不同或配方配方的比例和方法不同，则的比例和方法不同，则B BN N也不同也不同。哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分51秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第14页为了使用方便，为了使用方便，常取环境温度常取环境温度为为25作为参作为参考 温 度 ， 则考 温 度 ， 则NTC热敏电阻热敏电阻器的电阻器的电阻温温度关系式：度关系式：29811exp25TBRRNT02550751001250.511.522.533.5(25C,

16、1)RT / RT0-T特性曲线特性曲线RT/R25T哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分51秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第15页2.2.正电阻温度系数（正电阻温度系数（PTCPTC）热敏电阻器）热敏电阻器的温度的温度特性特性10000100010010050100 150 200 250R20=120R20=36.5R20=12.2PTC热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻温度曲线温度曲线T/C电阻电阻/Tp1Tp2Tc=175 C哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分51秒哈尔滨工业大学（

17、威海）汽车工程学院第16页经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻阻器的电阻温度特性可近似用下面的实验公式表示：温度特性可近似用下面的实验公式表示：式中式中 RT、RT0温度分别为温度分别为T、T0时的电阻值；时的电阻值； BP正温度系数热敏电阻器的材料常数。正温度系数热敏电阻器的材料常数。若对上式取对数，则得：若对上式取对数，则得：0exp0TTBRRPTT0lnln0TPTRTTBR以以lnRT、T分别作为纵坐标和横坐标，便得到下图。分别作为纵坐标和横坐标，便得到下图。哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年

18、3月2日星期三11时47分51秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第17页 lnRr1lnRr2BPmRBP=tg=m=mR R/m/mr rT1T2lnRr0mrlnRTT 表示的表示的PTC热敏电阻器电阻热敏电阻器电阻温度曲线温度曲线lnRrT哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分51秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第18页第三节第三节 热电偶热电偶温度传感器温度传感器温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使温差热电偶（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。用最普遍的传感元件之一。它除具有它除具有结构简单，测量范围宽、准

19、确度高、热结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换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。及动态温度的测量。哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分51秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第19页 一、热电偶的工作原理一、热电偶的工作原理两种不同的导体或半导体两种不同的导体或半导体A A和和B B组合成组合成如图所示如图所示闭合

20、回闭合回路，若导体路，若导体A A和和B B的连接处温度不同（设的连接处温度不同（设T TT T0 0），则），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电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动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在。这种现象早在18211821年首先由西拜克（年首先由西拜克（SeeSeebackback）发现）发现, ,所以又称西拜所以又称西拜克效应。克效应。热电偶原理图热电偶原理图TT0AB回路中所产生的电动势回路中所产生的电动势叫热电势。热电势由两叫热电势。热电势由两部分组成，即部分组成，即温差电势温差电势和接触电势。和接触

21、电势。热端热端冷端冷端哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分51秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第20页1. 1. 接触电势接触电势接触电势原理图接触电势原理图+ABTeAB(T)- -BAABNNekTTeln)(eAB(T)导体导体A、B结点在温度结点在温度T 时形成的接触电动势；时形成的接触电动势；e单位电荷，单位电荷， e =1.610-19C； k波尔兹曼常数，波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ；NA、NB 导体导体A、B在温度为在温度为T 时的电子密度。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。

22、接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分51秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第21页2. 2. 温差电势温差电势AeA(T,To)ToTeA(T，T0)导体导体A两端温度为两端温度为T、T0时形成的温差电动势；时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度；高低端的绝对温度； A汤姆逊系数，表示导体汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为两端的温度差为1时所产生时所产生的温差电动势，例如在的温差电动势，例如在0时，铜的时，铜的 =2V/。dTTTeTTAA0),(0温差电势原理图温差电势原理图哈尔滨工业

23、大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分51秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第22页3. 3. 回路总电势回路总电势由导体材料由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别组成的闭合回路，其接点温度分别为为T、T0,如果如果TT0，则必存在着两个接触电势和，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：两个温差电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABABNAT、NAT0导体导体A在结点温度为在结点温度为T和和T0时的电子密度；时的电子密度； NBT、NBT0导体导体B在结点温度为在结点温度为T和和T0时的电子密度；时的电子密度；A 、 B导体导体A和和B的汤姆逊系数。的汤姆逊系数。哈尔滨工业大学（威海）交通运输专业课车用传感器原理2022年3月2日星期三11时47分51秒哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第23页第四节第四