Chapter温传感器实用

会计学1Chapter温传感器实用传感器原理及应用第2章温度传感器

温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都少不了温度传感器。概述第1页/共74页WGG2-201型光学高温计1－物镜；2－吸收玻璃；3－灯泡；4－红色滤波片；5－目镜；6－指示仪器；7－滑线电阻；E－电源；K－开关；R1－刻线调整电阻上一页下一页返回第2页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器概述各种热电偶第3页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器概述各种热电阻第4页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器温度测量的分类概述接触式测温—利用热平衡原理，测温敏感元件接触被测物体，使两者处于同一热平衡状态，具有同一温度。

特点：测温方法简单、可靠，测温精度高，但因与被测体表面接触并吸收其一部分温度，故会破坏被测物体表面温度场，且响应速度较慢。利用热辐射原理，敏感元件不必与被测物体接触。

特点：不会破坏被测体表面温度场，且响应速度较快，但测温误差较大。非接触式测温—第5页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器测温传感器的分类概述膨胀式温度计非接触式测温传感器全辐射高温计光学高温计比色高温计液体温度计固体温度计压力温度计热电阻温度计热电偶温度计接触式测温传感器第6页/共74页热力学温度定义水的三相点(固、液、汽三相并存）热力学温度标志数值为373.16，取1/373.16为一个开尔文。将计量单位K加上所标志的数值后，就形成了完整的热力学温度表达式。热力学温度的起点为绝对零度，所以它不可能为负值，且冰点是273.15K，沸点是373.15K。请注意水的冰点和三相点是不一样的，两者相差0.01K。第7页/共74页物理现象

体积热膨胀

电阻变化温差电现象导磁率变化电容变化压电效应超声波传播速度变化物质颜色P–N结电动势晶体管特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射种类铂测温电阻、热敏电阻热电偶BaSrTiO3陶瓷石英晶体振动器超声波温度计示温涂料液晶半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅辐射温度传感器光学高温计1.气体温度计2.玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计5.液体压力温度计6.气体压力温度计1．

热铁氧体2．

Fe-Ni-Cu合金第8页/共74页热敏电阻的结构构成：热敏探头、引线、壳体二端和三端器件：为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路获得功率；四端器件：旁热式上一页下一页返回第9页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器

液体膨胀式

电接点式升到特定温度，铂丝与水银柱接通可做控制概述第10页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器

固体膨胀式以双金属元件作为温度敏感元件,线膨胀系数不同的金属使用方便适应性强精度不太高概述第11页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器

气体膨胀式

概述第12页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器

主要讨论的温度传感器按工作原理主要有以下几类：

热电偶，利用金属温差电动势，有耐高温、精度高的特点；热电阻，利用导体随温度变化，测温不高；热敏电阻，利用半导体材料随温度变化测温，体积小、灵敏度高、稳定性差；集成温度传感器，利用晶体管PN结电流、电压随温度变化，有专用集成电路，体积小、响应快、价廉，测量150℃以下温度。概述第13页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器

金属热电阻、半导体热敏电阻统称热电阻。热敏电阻传感器主要有两大类：金属热电阻半导体热敏电阻广泛用于测量-200～+850℃，少数可测1000℃。2.1热电阻贴片式薄膜式

大功率

第14页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.1热电阻

2.1.1金属热电阻带保护管的铂测温电阻元件第15页/共74页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要大，纯金属的a比合金的高，所以一般均采用纯金属作热电阻元件；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（温度系数）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。第16页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器金属热电阻一般用于-200～+500℃温度测量；材料多为纯铂金属丝，也有铜、镍，绕制在云母板、玻璃或陶瓷线圈架上，构成热电阻。2.1热电阻

2.1.1金属热电阻第17页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器铂热电阻精度高，稳定性好，性能可靠铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为：2.1热电阻

2.1.1金属热电阻-190～O℃

+0～630℃

式中：

为温度

和

时的电阻值。温度时，

的公称值是。第18页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.1热电阻

2.1.1金属热电阻第19页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.1热电阻

2.1.1金属热电阻测量电路:三线连接第20页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.1热电阻

2.1.1金属热电阻测量电路:四线连接第21页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器近年来，几乎所有的家用电器产品都装有微处理器，温度控制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热敏电阻。热敏电阻：金属氧化物半导体材料、陶瓷工艺主要材料有：Mn、Co、Ni、Cu、Fe氧化物，2.1热电阻

2.1.2热敏电阻第22页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.1热电阻

2.1.2热敏电阻特征参数标称电阻值：25oC、零功率电阻温度系数：单位温度变化引起电阻阻值变化的相对值(表征灵敏度)时间常数：表征电阻热惯性额定功率第23页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器PTC热敏电阻的特性曲线：I：突变型（开关型）,开关温度Tb以上，近似II：缓变型（线性好）2.1热电阻

2.1.2热敏电阻第24页/共74页静态伏安特性

AB：低温，阻值基本不变

BC：阻值随温度升高而增加

CD：电流平缓第25页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器NTC负温度系数热敏电阻的特性曲线用经验公式表示：温度系数不是常数2.1热电阻

2.1.2热敏电阻负温度系数型热敏电阻特性曲线

第26页/共74页NTC的温度特性第27页/共74页CTR的温度特性第28页/共74页半导体硅热电阻2.1.3硅热电阻 半导体材料的电阻率对温度非常敏感,对半导体器件影响很大，但是可以用来制成传感器第29页/共74页硅热电阻工作原理电阻率与载流子浓度和迁移率有关载流子浓度和迁移率都与温度相关1、迁移率与温度的关系声学波（晶格振动）散射电离杂质散射第30页/共74页2、电阻率与温度的关系一定掺杂浓度AB段：温度很低时，载流子（杂质电离）浓度随温度升高而增加，迁移率也随温度升高而增大（电离杂质散射）BC段：杂质全部电离，载流子浓度变化不大，迁移率随温度升高而降低（晶格振动散射）CD段：本征激发增加， 载流子浓度增加第31页/共74页硅热电阻的结构和制作工艺上、下电极：银电极－欧姆接触区N型硅片：第32页/共74页硅热电阻的特性1、电阻－温度特性正向偏置，温度升高，阻值增加，线性较好反向偏置，温度太高，本征激发第33页/共74页过热保护第34页/共74页自动延时电路第35页/共74页控温电路第36页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.1热电效应两种不同类型的金属导体两端，分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等（T＞T0）有温差时，回路里会产生热电势，形成电流。这种现象称为热电效应。利用这种效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。第37页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.1热电效应

固定温度的接点称基准点（冷端）T0

，恒定在某一标准温度；待测温度的接点称测温点（热端）T，置于被测温度场中。这种将温度转换成热电动势的传感器称为热电偶，金属称热电极。第38页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.1热电效应1）两种导体的接触电势(珀尔帖Peltier效应)不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会产生电子扩散，浓度大的向浓度小的金属扩散。浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。第39页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.1热电效应

温度T时热端接触电势：冷端接触电势：

、

、式中：

A、B代表不同材料；T，T0

为两端温度；

＿波尔兹曼常数；

＿电子电荷量；

是A、B材料的电子浓度；第40页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.1热电效应在闭合回路中，总的接触电势为：第41页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.1热电效应A、B两导体构成闭合回路总的温差电势为：单一导体的温差电势为：σ称为汤姆逊系数第42页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.1热电效应根据两导体的接触电势和单一导体温差电势，热电偶总的热电势为：EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)第43页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.1热电效应结论：热电偶两电极材料相同，NA=NB

A=B

，无论两端点温度如何，总热电势为零；2.如果热电偶两接点温度相同，T=T0时，A、B材料不同，回路总电势为零；因此，热电偶必须用不同材料做电极；在T、T0两端必须有温差梯度，这是热电偶产生热电势的必要条件。第44页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.1热电效应通常温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的总热电势可表示为：EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)对热电偶来说，当参考端温度T0恒定，总热电势就与温度T成单值函数关系EAB(T,T0)=eAB(T)-c=f(T)第45页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.1热电效应4)三种导体的热电回路（中间导体定律）如果将热电偶T0端断开，接入第三导体C，回路中电势EAB（T，T0）应写为：ＡＢＣＴＴ０Ｔ０第46页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.1热电效应设

时，

将

代入上式有：

第47页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.1热电效应结论：当引入第三导体C时，只要C导体两端温度相同，回路总电势不变，根据这一定律，将导体C作为测量仪器接入回路，就可以由总电势求出工作端温度，条件是：保证两端温度一致。第48页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.1热电效应结论：第49页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.1热电效应

5）参考电极定律（中间温度定律）当结点温度为T、T0时的热电势EAB（T，T0）等于结点温度T、TC和TC、T0

时，热电势与

的代数和为：

实际测量时，利用这一性质，对参考端温度不为零度时的热电势进行修正。第50页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.1热电效应

6）标准电极定律如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电势已知，则这两种导体组成热电偶的热电势就已知。

常以铂、铜为标准电极。第51页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.2热电偶的结构和种类第52页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.2热电偶的结构和种类热电偶种类：贵金属热电偶铂铑——铂铑（600～1700）℃铂铑——铂（0～1600）℃普通金属热电偶镍铬——镍硅（-200～1200）℃镍铬——镍铜（-40～750）℃铁——康铜（0～400）℃热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好，这是其它温度传感器无法替代的。第53页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.3热电偶冷端补偿当热电偶材料选定以后，热电动势只与热端和冷端温度有关。因此只有当冷端温度恒定时，热电偶的热电势和热端温度才有单值的函数关系。此外热电偶的分度表是以冷端温度0℃作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，冷端温度往往不为0℃，所以必须对冷端温度进行处理，消除冷端温度的影响。第54页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.3热电偶冷端补偿补偿导线 在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样,冷端温度t0比较稳定。热电偶一般做得较短，一般为350～2000mm，需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线，它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成，而且在0～100℃温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。第55页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.3热电偶冷端补偿冷端恒温法 在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0℃恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0℃，这种方法又称冰浴法。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。第56页/共74页mVABA’B’TCC’仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0第57页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.3热电偶冷端补偿冷端温度自动补偿（补偿电桥） 补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压Uab作为补偿信号，来自动补偿热电偶测量过程中因冷端温度不为0℃或变化而引起热电势的变化值。它由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻r1、r2、r3及电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻rcu和稳压电源组成。补偿电桥与热电偶冷端处在同一环境温度，当冷端温度变化引起的热电势eAB(t,t0)变化时，由于rcu的阻值随冷端温度变化而变化，适当选择桥臂电阻和桥路电流，就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于冷端温度t0变化引起的热电势变化量，从而达到自动补偿的目的。第58页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.3热电偶冷端补偿冷端温度自动补偿（补偿电桥）冷端温度变化引起的电势变化ΔErcu电阻值随温度变化，使电桥失去平衡，ΔEabΔE=ΔEab第59页/共74页

例：用镍铬--镍硅(K型)热电偶测温，热电偶参比端温度为30℃。测得的热电势为28mV，求热端温度。反查K分度表t=701.5℃计算修正曲线61第60页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.3热电偶冷端补偿冷端温度修正法 通过查热电偶分度表可知热电偶产生的热电势；例如K型：0℃时0mV，600℃时E=24.902mv；分度表以t=0℃作基准，而实际应用中t≠0℃；若参考端温度不为0℃，工作端温度为t时，由分度表可查出EA（t,0），与实际热电势EAB（t,t0）之间的关系可通过参考电极定律得出：第61页/共74页传感器原理及应用第2章温度传感器2.2热电偶

2.2.3热电偶冷端补偿冷端温度修正法 例如，用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30℃，测得热电势eAB（t，t0）为33.29mV,求加热炉温度。 解：查镍铬-镍硅热电偶分度表得eAB（30，0）1.203mV。可得eAB（t，0）=eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.5℃。第62页/共74页表15-5K型(镍铬—镍硅)热电偶分度表第63页/共74页非接触式测温6.4.1热辐射基本定理6.4.2光学高温计6.4.3光电高温计6.4.4辐射温度计6.4.5比色温度计上一页下一页返回第64页/共74页工业用光学高温计分类隐丝式 利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度与被测物体的亮度一致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮度温度。恒定亮度式 利用减光楔来改变被测物体的亮度，使它与恒定亮度温度的高温灯泡相比较，当两者亮度相等时，根据减光楔旋转的角度来确定被测物体的亮度温度。由于隐丝式光学高温计的结构和使用方法都优于恒定亮度式，所以应用广泛。上一页下一页返回第65页/共74页隐丝式光学高温计光学系统 红色滤波片，造成一个较窄的有效波长 吸收玻璃，目的是扩展量程 目镜和物镜是一套光学系统电测系统包括指示仪表、灯泡、电源和调节电阻四部分。光学高温灯泡：标准辐射源 电源、调节电阻和指示仪表组成测量电路原理一般有电压表式，电流表