第二章温度传感器

1、LOGO温度传感器温度传感器Temperature sensor 传感器技术及应用传感器技术及应用Company Logo温度传感器温度传感器1温度传感器的类型与特征温度传感器的类型与特征2热电偶热电偶3热电阻热电阻4热敏电阻热敏电阻传感器技术及应用传感器技术及应用Company Logo1温度传感器的类型与特征温度传感器的类型与特征温度传感器是一种温度传感器是一种将将温度温度变化转换为变化转换为电电量量变化的装置。变化的装置。在各种热电式传感在各种热电式传感器中，把温度量转换器中，把温度量转换为电势和电阻的方法为电势和电阻的方法最为普遍。其中将最为普遍。其中将温温度度转换为转换为电势电势的热

2、电的热电式传感器叫热电偶，式传感器叫热电偶，将将温度温度转换为转换为电阻值电阻值的热电式传感器叫热的热电式传感器叫热电阻。电阻。 传感器技术及应用传感器技术及应用Company Logo1温度传感器的类型与特征温度传感器的类型与特征 （1 1） 被测对象的温度是否需记录、报警和自动控制，被测对象的温度是否需记录、报警和自动控制，是否需要远距离测量和传送。是否需要远距离测量和传送。 （2 2） 测温范围的大小和精度要求。测温范围的大小和精度要求。 （3 3） 测温元件大小是否适当。测温元件大小是否适当。 （4 4） 在被测对象温度随时间变化的场合，测温元件在被测对象温度随时间变化的场合，测温元件

3、的滞后能否适应测温要求。的滞后能否适应测温要求。 （5 5） 被测对象的环境条件对测温元件是否有损害。被测对象的环境条件对测温元件是否有损害。 （6 6） 价格如何，使用是否方便。价格如何，使用是否方便。 传感器技术及应用传感器技术及应用 温度传感器的选择温度传感器的选择实际上，要确保传感器指示的温度即为所测对象的温实际上，要确保传感器指示的温度即为所测对象的温度，常常是很困难的。度，常常是很困难的。 在大多数情况下，对温度传感器在大多数情况下，对温度传感器的选用，需考虑以下几个方面的问题：的选用，需考虑以下几个方面的问题：Company Logo2热电偶热电偶传感器技术及应用传感器技术及应用

4、一一. .热电效应热电效应将两种不同性质的导体将两种不同性质的导体A A、B B组成闭合回路，组成闭合回路，如图所示。若节点如图所示。若节点(1)(1)、(2)(2)处于不同的温度处于不同的温度(TT0)(TT0)时，两者之间将产生一热电势，在回路中时，两者之间将产生一热电势，在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应。形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应。热电偶传感器热电偶传感器热电偶传感器在温度测量中应用极为广泛，热电偶传感器在温度测量中应用极为广泛，因为它结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯因为它结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传。性小、准确度

5、高、输出信号便于远传。Company Logo其电势由接触电势其电势由接触电势( (珀尔帖电势珀尔帖电势) )和温差电势和温差电势( (汤姆逊电势汤姆逊电势) )两部分组成。两部分组成。 2热电偶热电偶传感器技术及应用传感器技术及应用Company Logo2热电偶热电偶温差电势温差电势 对于单一金属，如果两端的温度不同，则温度高端的自对于单一金属，如果两端的温度不同，则温度高端的自由电子向低端迁移，使单一金属两端产生不同的电位，形成由电子向低端迁移，使单一金属两端产生不同的电位，形成电势，称为电势，称为温差电势。温差电势。其大小与金属材料的性质和两端的温其大小与金属材料的性质和两端的温差有关

6、差有关。传感器技术及应用传感器技术及应用接触电势接触电势 当两种金属接触在一起时，由于不同导体的自由电子当两种金属接触在一起时，由于不同导体的自由电子密度不同，在结点处就会发生电子迁移扩散。失去自由电子密度不同，在结点处就会发生电子迁移扩散。失去自由电子的金属呈正电位，得到自由电子的金属呈负电位。当扩散达的金属呈正电位，得到自由电子的金属呈负电位。当扩散达到平衡时，在两种金属的接触处形成电势，称为到平衡时，在两种金属的接触处形成电势，称为接触电势。接触电势。其大小除与两种金属的性质有关外，还与结点温度有关。其大小除与两种金属的性质有关外，还与结点温度有关。Company Logo2热电偶热电偶

7、由此可以得出如下结论：由此可以得出如下结论：(1) (1) 如果热电偶两电极的材料相同，虽然两端温度不如果热电偶两电极的材料相同，虽然两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍为零。因此，热电偶同，但闭合回路的总热电势仍为零。因此，热电偶必须用两种不同材料作热电极。必须用两种不同材料作热电极。(2) (2) 如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，即度相同，即T TT T0 0，闭合回路中也不产生热电势。，闭合回路中也不产生热电势。传感器技术及应用传感器技术及应用Company Logo2热电偶热电偶二、工程上热电偶的使用二、工程上热电偶的使用1

8、1、热电偶的工程型号表示、热电偶的工程型号表示2 2、热电偶的材料、热电偶的材料 铂、铜为应用最广的热电铂、铜为应用最广的热电阻材料。虽然铁、镍的温度系阻材料。虽然铁、镍的温度系数和电阻率均比铂、铜要高，数和电阻率均比铂、铜要高，但存在着不易提纯和非线性严但存在着不易提纯和非线性严重的缺点。重的缺点。 铂容易提纯，在高温和氧铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、物理性能稳化性介质中化学、物理性能稳定，制成的铂电阻输出输入定，制成的铂电阻输出输入特性接近线性，测量精度高。特性接近线性，测量精度高。3 3、热电偶的安装固定形式、热电偶的安装固定形式4 4、热电偶的保护管、热电偶的保护管传感器技术及

9、应用传感器技术及应用Company Logo2热电偶热电偶传感器技术及应用传感器技术及应用Company Logo2热电偶热电偶传感器技术及应用传感器技术及应用4 4、 热电偶的安装热电偶的安装 1)1)热电偶的安装应尽可能保持垂直，以防止保护套管在高热电偶的安装应尽可能保持垂直，以防止保护套管在高温下产生变形，但在有流速的情况下，则必须迎着被测介质温下产生变形，但在有流速的情况下，则必须迎着被测介质的流向插入，以保证测温元件与流体的充分接触。的流向插入，以保证测温元件与流体的充分接触。 2) 2)热电偶应安装在有保护层的管道内，以防止热量散失。热电偶应安装在有保护层的管道内，以防止热量散失。

10、 3)3)热电偶安装在负压管道中时，必须保证测量处的密封性，热电偶安装在负压管道中时，必须保证测量处的密封性，以防止外界冷空气进入，使读数偏低。以防止外界冷空气进入，使读数偏低。 4)4)热电偶的接线盒面盖应向上，入线口应向下，以避免雨热电偶的接线盒面盖应向上，入线口应向下，以避免雨水或灰尘进入接线盒，影响测量精度。水或灰尘进入接线盒，影响测量精度。Company Logo2热电偶热电偶传感器技术及应用传感器技术及应用Company Logo2热电偶热电偶传感器技术及应用传感器技术及应用5 5、 热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿 1)1)计算修正法计算修正法 2) 2)自由端温度恒定法自由端温

11、度恒定法 3)3)电路补偿法电路补偿法思考：思考：1 1、为什么在实际使用中热电偶的两端并联一个电容、为什么在实际使用中热电偶的两端并联一个电容2 2、为什么电流信号能够远距离传输，而电压信号不、为什么电流信号能够远距离传输，而电压信号不能？能？Company Logo3热电阻热电阻20(1)tRRAtBt传感器技术及应用传感器技术及应用适宜制作热电阻的材料有铂、铜、镍、铁等。一、热电阻的材料一、热电阻的材料二、铂热电阻二、铂热电阻在在0 0660660温度范围内温度范围内在在-190-19000温度范围内温度范围内2301(100)tRRAtBtC tt 式中 R0、Rt分别为0和t的电阻值

12、； A常数(3.9684710-3/)； B常数(-5.84710-7/2)； C常数(-4.2210-12/3)。 Company Logo3热电阻热电阻 铜在铜在-50-50150150范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出输入特性接近线性，价格低廉。出输入特性接近线性，价格低廉。 铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为：铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为： 式中式中 A A常量常量(4.28899(4.2889910-3/)10-3/)； B B常量常量(-2.133(-2.13310-7/2)10-7/2)； C C常量常量(1.233(1.

13、23310-9/3)10-9/3)。 当温度高于当温度高于100100时易被氧化，因此适用于温度较低和时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。没有浸蚀性的介质中工作。230(1)tRRAtBtCt三、铜热电阻三、铜热电阻传感器技术及应用传感器技术及应用Company Logo4热敏电阻热敏电阻传感器技术及应用传感器技术及应用一、热敏电阻的特点一、热敏电阻的特点热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。按物理特性，可分为三类：按物理特性，可分为三类：(1)(1)、负温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻(NTC)(NTC)；(2)(2)、正温度系数

14、热敏电组、正温度系数热敏电组(PTC)(PTC)；(3)(3)、临界温度系数热敏电阻、临界温度系数热敏电阻(CTR)(CTR)。下面以负温度系数的热敏电阻为例作一下介下面以负温度系数的热敏电阻为例作一下介绍。绍。Company Logo4热敏电阻热敏电阻 负温度系数热敏电阻是一种氧化物的复合烧结体，通常用负温度系数热敏电阻是一种氧化物的复合烧结体，通常用它测量它测量-100-100+300+300范围内的温度，与热电阻相比，其特点范围内的温度，与热电阻相比，其特点是：是：(1)(1)、电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的、电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的1010倍。倍。(2)(2)、结

15、构简单，体积小，可以测量点温度。、结构简单，体积小，可以测量点温度。(3)(3)、电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。、电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。(4)(4)、易于维护和进行远距离控制。、易于维护和进行远距离控制。(5)(5)、制造简单，使用寿命长。、制造简单，使用寿命长。缺点是互换性差，非线性严重。缺点是互换性差，非线性严重。传感器技术及应用传感器技术及应用Company Logo4热敏电阻热敏电阻 上图为负温度系数热敏电阻的电阻上图为负温度系数热敏电阻的电阻- -温度特性曲线，用温度特性曲线，用如下经验公式描述：如下经验公式描述： 式中式中 R RT T温度为温度为T(K)T(K)时

16、的电阻值；时的电阻值； A A与热敏电阻的材料和几何尺寸有关的常数；与热敏电阻的材料和几何尺寸有关的常数； B B热敏电阻常数。热敏电阻常数。/BTTRA e二、负温度系数热敏电阻的特性二、负温度系数热敏电阻的特性热敏电阻特性曲线图热敏电阻的伏安特性传感器技术及应用传感器技术及应用Company Logo4热敏电阻热敏电阻 若已知若已知T1T1和和T2T2时的电阻为时的电阻为RT1RT1和和RT2RT2，则可通过公式求取，则可通过公式求取A A、B B值，即值，即 由伏安特性图可知，由伏安特性图可知，当流过热敏电阻的电流较小时，曲线当流过热敏电阻的电流较小时，曲线呈直线状，服从欧姆定律。呈直线

17、状，服从欧姆定律。当电流增加时，热敏电阻自身当电流增加时，热敏电阻自身温度明显增加，由于负温度系数的关系，阻值下降，于是电温度明显增加，由于负温度系数的关系，阻值下降，于是电压上升速度减慢，出现了非线性。压上升速度减慢，出现了非线性。当电流继续增加时，热当电流继续增加时，热敏电阻自身温度上升更快，阻值大幅度下降，其减小速度超敏电阻自身温度上升更快，阻值大幅度下降，其减小速度超过电流增加速度，于是出现电压随电流增加而降低的现象。过电流增加速度，于是出现电压随电流增加而降低的现象。 由于热敏电阻特性的严重非线性，扩大测温范围和提高精度由于热敏电阻特性的严重非线性，扩大测温范围和提高精度必须进行补偿

18、校正。必须进行补偿校正。/11B TTARe1212ln21TTTTRBTTR传感器技术及应用传感器技术及应用Company Logo4热敏电阻热敏电阻 解决办法：串联或并联温度系数很小的金属电阻，使热敏电解决办法：串联或并联温度系数很小的金属电阻，使热敏电阻阻值在一定范围内呈线性关系。下图介绍一种金属电阻与阻阻值在一定范围内呈线性关系。下图介绍一种金属电阻与热敏电阻串联以实现非线性校正的方法。只要金属电阻热敏电阻串联以实现非线性校正的方法。只要金属电阻RxRx选选得合适，在一定温度范围内可得到近似双曲线特性得合适，在一定温度范围内可得到近似双曲线特性图图(b) (b) RsRs，即温度与电阻的倒数成线性关系，从而使温度与电流，即温度与电阻的倒数成线性关系，从而使温度与电流成线性关系成线性关系图图(c)(c)。近年来已出现利用微机实现较宽温。近年来已出现利用微机实现较宽温度范围内线性化校正的方案。度范围内线性化校正的方案。传感器技术及应用传感器技术及应用Company Logo4热敏电阻热敏电阻三、近代热敏电阻的特性三、