传感器应用技术(温敏传感器)

1、传感器技术传感器技术Sensor TechnologySensor Technology梁长垠梁长垠 教授教授Professor LiangProfessor Liang温敏传感器及应用技术温敏传感器及应用技术教学目的：1、了解温敏传感器的作用、分类和发展趋势；2、了解集成温度传感器使用方法；3、熟悉常用温敏传感器的特点及应用范围；4、掌握常用温敏传感器的工作原理及使用方法；5、学会正确选用温敏传感器的方法。第二章 温敏传感器及应用技术 第一节 温敏传感器的定义、分类与特点 温度与温标 定义、分类与特点第二节 常用温敏传感器工作原理 电阻式温敏传感器 热电阻 热敏电阻 热电偶传感器第三节 温敏

2、传感器应用电路分析与训练 0100 0100 温度测量电路设计温度测量电路设计 电脑机箱温度控制电路设计电脑机箱温度控制电路设计 集成温度传感器应用电路分析一、温度与温标一、温度与温标1）温度 温度（temperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。两个不同温度相接触的物体将会产生热交换。2）温标 用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度读数起点（零点）和测量温度的基本单位。 目前国际上用得较多的温标有： 华氏温标(F)、摄氏温标（C）、热力学温标(K)、国际实用温标第一节 温敏传感器的定义、分类与特点（1）摄氏温标 把在标准大气压下冰的熔点定为零

3、度（C），把水的沸点定为100 度，两个温度点划分100份，每份为1摄氏度。符号为t，单位为C 。（2）华氏温标 把在标准大气压下冰的熔点定为32F，水的沸点定为212F，两温度点划分180份，每份为1华氏度。符号为。它与华氏度的关系为 32/8 . 1/CtF（3）热力学温标 在国际单位制中,以热力学温标为基本温标，它定义的温度为热力学温度T，单位为开尔文，符号为K。 热力学温标以水的三相点平衡共存时的温度为基本定点，并规定其温度为273.15K。 摄氏温标与热力学温标温度之间的关系如下： 例如，100C时的热力学温度 T=（100+273.15）K 三相点三相点是指在热力学里，可使一种物质

4、三相（气相，液相，固相）共存的一个温度和压力的数值。举例来说，水的三相点在0.01（273.15K）及611.73Pa 出现 t=T-273.15 （4）国际实用温标 为解决国际上温度标准的统一及实用问题，国际上协商决定，建立一种既能体现热力学温度（即能保证一定的准确度），又使用方便、容易实现的温标，即国际实用温标International Practical Temperature Scale of 1968(简称IPTS-68)，又称国际温标。 1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用t表示，其单位是开尔文，符号为K。1K定义为水三相点热力学温度的1/273.16，水的三相点是指

5、纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为273.16 K，这是建立温标的惟一基准点。注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔1K=1。T0是在标准大气压下冰的融化温度， T0 = 273.15 K。水的三相点温度比冰点高出0.01 K。1.定义2.温敏传感器的物理原理 二、温敏传感器定义、分类与特点二、温敏传感器定义、分类与特点u 随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；u 蒸气压的温度变化；蒸气压的温度变化；u 电极的温度变化电极的温度变化u 热电偶产生的电动势；热电偶产生的电动势；u 光电效应光电效应u 热电效

6、应热电效应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；u 物质的变色、融解；物质的变色、融解；u 强性振动温度变化；强性振动温度变化；u 热放射；热放射；u 热噪声。热噪声。3）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，并容易检 测和处理， 且随温度呈线性变化；l除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；l特性随时间变化要小；l重复性好，没有滞后和老化；l灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响 要小；l机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；l能大批量生产，价格便宜；l无危险性，无公害等。4)温度传感器的种类及特点l 接触式温度传感器l 非接触式温度传感器接触式温度

7、传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此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。非接触式温度传感器主要是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。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。物物理理现现象象 体积热膨胀体积热膨胀 电阻变化电阻变化温差电现象温差电现象导磁率变化导磁率变化电容变化电容变化压电效应压电效应超声波传播速度变化超声波传播速度变化物质物

8、质 颜色颜色PN结电动势结电动势晶体管特性变化晶体管特性变化可控硅动作特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射热、光辐射种种类类铂测温电阻、热敏电阻铂测温电阻、热敏电阻热电偶热电偶BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶体振动器石英晶体振动器超声波温度计超声波温度计示温涂料示温涂料 液晶液晶半导体二极管半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅可控硅辐射温度传感器辐射温度传感器 光学高温计光学高温计1.气体温度计气体温度计 2. 玻璃制水银温度计玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计双金属温度计5.液体压力温度计液体压力温度计 6.

9、 气体压力温度计气体压力温度计1 热铁氧体热铁氧体 2 Fe-Ni-Cu合金合金2.4温度传感器的特点(1)热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅分 类特 征传 感 器 名 称超高温用传感器1500以上光学高温计、辐射传感器高温用传感器10001500光学高温计、辐射传感器、热电偶中高温用传感器5001000光学高温计、辐射传感器、热电偶中温用传感器0500低温用传感器-2500极低温用传感器-270-250BaSrTiO3陶瓷晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计见表下内容 测

10、温 范 围温度传感器分类(2)分 类特 征传 感 器 名 称测温范围宽、输出小测温电阻器、晶体管、热电偶半导体集成电路传感器、可控硅、石英晶体振动器、压力式温度计、玻璃制温度计线性型测温范围窄、输出大热敏电阻指数型函数开关型特性特定温度、输出大感温铁氧体、双金属温度计 测 温 特 性温度传感器特性(3)分 类特 征传 感 器 名 称测定精度0.10.5铂测温电阻、石英晶体振动器、玻璃制温度计、气体温度计、光学高温计温度标准用测定精度0.55热电偶、测温电阻器、热敏电阻、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅绝对值测定用管理温度测定用相

11、对值15 测 定 精 度（）接触式温度传感器1常用热电阻 范围：-260850；精度：0.001。改进后可连续工作2000h，失效率小于1，使用期为10年。2管缆热电阻 测温范围为-20500，最高上限为1000，精度为0.5级。3陶瓷热电阻 测量范围为200+500，精度为0.3、0.15级。4超低温热电阻 两种碳电阻，可分别测量268.8253-272.9272.99的温度。5热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。（二）非接触式温度传感器l l辐射高温计辐射高温计 用来测量 1000以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2 2光谱

12、高温计光谱高温计 前苏联研制的YCII型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为4006000,它是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。 3 3超声波温度传感器超声波温度传感器 特点是响应快(约为10ms左右)，方向性强。目前国外有可测到5000的产品。4 4激光温度传感器激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为1。美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达8000，专门用于核聚变研究。瑞士Browa Borer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)的高温。 此外，还有微波测温温度传感器、噪声

13、测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。4、温度传感器的发展概况公元1600年，伽里略研制出气体温度计。一百年后，研制成酒精温度计和水银温度计。随着现代工业技术发展的需要，相继研制出金属丝电阻、温差电动式元件、双金属式温度传感器。1950年以后，相继研制成半导体热敏电阻器。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。接触式温度传感器非接触式温度传感器电阻式温度传感器电阻式温度传感器 1. 1. 定义定义 利用导

14、体或半导体的电阻随温度变化而变化的利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的性质而工作的，用仪表测量出热电阻的阻值变化，性质而工作的，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值对应的温度值。从而得到与电阻值对应的温度值。2. 2. 分类分类 金属热电阻传感器金属热电阻传感器称热电阻称热电阻半导体热电阻传感半导体热电阻传感称热敏电阻称热敏电阻第二节第二节 常用温敏传感器工作原理常用温敏传感器工作原理二二. . 电阻式温度传感器工作原理电阻式温度传感器工作原理 ( (一一) ) 热电阻热电阻 1. 1. 热电阻测温原理热电阻测温原理 热电阻主要热电阻主要是利用电阻随温度升高而增大的特性来测量是利

15、用电阻随温度升高而增大的特性来测量温度的。温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使温度的。温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻力增大，宏观上表金属内部的自由电子通过金属导体时的阻力增大，宏观上表现出电阻率变大，总电阻值增加。现出电阻率变大，总电阻值增加。热电阻的阻值与温度的关系为：热电阻的阻值与温度的关系为： R Rt=R=Ro(1+At+Bt(1+At+Bt2 2+Ct+Ct3 3+Dt+Dt4 4) )式中：R0为热电阻在0时的电阻值A、B、C、D为为温度系数 作为测温热电阻的金属材料应具有如下作为测温热电阻的金属材料应具有如下特性特性：电阻

16、温度：电阻温度系数大，电阻率要大，热容量小，在整个测温范围内应具有系数大，电阻率要大，热容量小，在整个测温范围内应具有稳定的物理和化学性质，电阻与温度的关系最好近似于线性稳定的物理和化学性质，电阻与温度的关系最好近似于线性 2.常用热电阻种类(1)(1)铂电阻铂电阻(WZP(WZP型号）型号） 目前中国常用的铂电阻有两种，目前中国常用的铂电阻有两种，分度号分度号Ptl00Ptl00和和Ptl0Ptl0，最常用的是，最常用的是Ptl00Ptl00，R(0)=100.00R(0)=100.00，纯度为纯度为R R（100100）/R/R（00）=1.3851=1.3851 常用测温范围常用测温范围

17、-200-200850850铂电阻结构如图所示。铂电阻结构如图所示。银引出线铂丝云母骨架银绑带保护套管石英骨架常用热电阻有常用热电阻有 铂电阻铂电阻铜电阻铜电阻常用热电阻（常用热电阻（PT100PT100）分度表）分度表 （2）铜电阻（铜电阻（WZCWZC型号）型号） 目前我国工业上用的铜电阻分度号为目前我国工业上用的铜电阻分度号为Cu50Cu50和和Cul00Cul00. .纯度为纯度为R R（100100）/R/R（00）=1.428=1.4280.0020.002 。常用测温范围常用测温范围-50-50150150铜热电阻丝线圈骨架补偿组铜引出线3.3.热电阻测温原理分析热电阻测温原理分

18、析为了准确地测出电阻的大小以反映温度的高低，为了准确地测出电阻的大小以反映温度的高低，常采用电桥来测量常采用电桥来测量R Rt t阻值的变化，并转化为电压阻值的变化，并转化为电压输出输出U U。 当 600占所测热电势的0.4%EU2400，600，800，10004004400占所测热电势的0.75%EA2300，400，60003004300占所测热电势的1% 6、热电偶测量应用电路分析 1)1)测量单点温度的基本测温线路测量单点温度的基本测温线路 热电偶热电偶显示仪表显示仪表连接导线连接导线2) 2) 测量两点之间温差的测温线路测量两点之间温差的测温线路 3)3)测量平均温度的测温线路测

19、量平均温度的测温线路 4) 4) 测量几点温度之和的测温线路测量几点温度之和的测温线路 5) 5) 若干只热电偶共用一台仪表的测量线路若干只热电偶共用一台仪表的测量线路 二、集成温度传感器二、集成温度传感器 定义定义：在一块极小的半导体芯片上集成了包括：在一块极小的半导体芯片上集成了包括温度敏感温度敏感器件器件、信号、信号放大电路放大电路、温度补偿电路温度补偿电路、基准电源电路等在内、基准电源电路等在内的各个单元，它使传感器和集成电路融为一体。的各个单元，它使传感器和集成电路融为一体。 分类分类：集成温度传感器按输出信号的不同可分为：模：集成温度传感器按输出信号的不同可分为：模拟式集成温度传感

20、器、数字式集成温度传感器。拟式集成温度传感器、数字式集成温度传感器。 模拟式集成温度传感器又分为电流型模拟式集成温度传感器又分为电流型 、 电压型电压型 特点：集成温度传感器与传统的热电阻、热电偶温度计相集成温度传感器与传统的热电阻、热电偶温度计相比最大的优点是：比最大的优点是：线性度好线性度好 、灵敏度高、灵敏度高 、输出信号大，且、输出信号大，且规范化标准化规范化标准化 二、集成温度传感器二、集成温度传感器1、电流型集成温度传感器AD590AD590系列系列 AD590AD590是电流型集成温度传感器，其输出电流与是电流型集成温度传感器，其输出电流与环境绝对温度成正比，所以可以直接制成绝对

21、温度环境绝对温度成正比，所以可以直接制成绝对温度仪。仪。AD590AD590有有I I、J J、K K、L L、M M等型号系列，采用金属等型号系列，采用金属管壳封装。管壳封装。 灵敏度灵敏度1 1A/A/ C C外形图外形图 二、集成温度传感器二、集成温度传感器2、电压型集成温度传感器AN6701SAN6701S AN6701SAN6701S是电压型集成温度传感器，其输出电压是电压型集成温度传感器，其输出电压U U0 0和温度成正比。它采用塑料封装，外形如图所示和温度成正比。它采用塑料封装，外形如图所示。 三、集成温度传感器三、集成温度传感器3、电压型集成温度传感器LM35LM35系列系列

22、LM35LM35是电压型集成温度传感器，其输出电压与摄是电压型集成温度传感器，其输出电压与摄氏温度成正比，无需校准，可以直接制成摄氏温度氏温度成正比，无需校准，可以直接制成摄氏温度测量仪。灵敏度为测量仪。灵敏度为10mV/10mV/ C C 。 第三节第三节 湿度传感器湿度传感器一、湿度的定义与分类一、湿度的定义与分类定义:大气中水蒸气的含量。它表征了大气的干燥程度。分类:绝对湿度、相对湿度。绝对湿度：在一定温度和压力条件下，单位空间内混合气体中所含水蒸气的质量，用AH表示。VAHvm相对湿度：被测混合气体中的水蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气气压的百分比，用RH表示。%100WVPPRH

23、实际使用中多使用相对湿度来表示第三节第三节 湿度传感器湿度传感器二、湿度传感器二、湿度传感器定义:能感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学 变化，将湿度转换成可用电信号的器件或装置组成:湿度敏感元件、转换电路。分类：湿度传感器电阻式电容式其他电解质式陶瓷式高分子式陶瓷式高分子式光纤湿度传感器界限电流式湿度传感器二极管、SWAF式、热导式等第三节第三节 湿度传感器湿度传感器二、湿度传感器二、湿度传感器第三节第三节 湿度传感器湿度传感器三、湿度传感器应用三、湿度传感器应用案例:汽车后窗玻璃制定去湿、房间湿度制定控制、 湿度测量仪等实例:应用AM1001电阻式湿度传感器制作湿度测量仪第四节第四

24、节 温度测量应用电路分析与训练温度测量应用电路分析与训练一、一、0100 0100 温度测量电路设计温度测量电路设计 任务描述:通过PN结温度传感器设计制作数字式温度表，加深了解PN二极管的温度特性，掌握利用PN结二极管作为温度传感器制作温度测量电路的方法。要求测温范围：0100C，测量精度为1。器件准备:开关二极管IN4148，运算放大器LM358，02.000V数字式电压表（DVM），电阻若干，直流稳压电源一台，水银温度计1只。电脑机箱温度控制电路设计电脑机箱温度控制电路设计第四节第四节 温度测量应用电路分析与训练温度测量应用电路分析与训练一、一、0100 0100 温度测量电路设计温度测量电路设计 设计制作:IN4148、信号调理电路、显示模块等组成。温度传感器选用IN4148，由R1，R2，D，W1组成测温电桥，其输出信号接差动放大器A1，A2接成电压跟随器，与W2配合可调节放大器A1的增益。经放大后的信号输入02.000V数字式电压表（DVM）MC14433显示。第四节第四节 温度测量应用电路分析与训练温度测量应用电路分析与训练一、一、0100 0100 温度测量电路设计温度测量电路设计 电路调试:在万能板上按照图示电路进行元件排版、焊接，检查无误后接通电源。将PN结温度传感器PN4148放入到冰水混合（0C）的玻璃杯中，调节RP1使输出显示为0；加热玻璃杯中的冰水混