热电式传感器

关于热电式传感器温度传感器的种类应用的物理量气体温度计玻璃温度计体积双金属（热膨胀）压力温度计铂电阻热敏电阻电阻铜电阻热电偶------------------热电动势第2页,共65页，2024年2月25日，星期天温度传感器的种类应用的物理量热铁氧体------------------磁性陶瓷------------------------电容量晶体管---------------------晶体管特性石英振子超声温度计弹性热敏材料液晶色辐射温度传感器光传感器热、光辐射

其他------------------------各种物理量第3页,共65页，2024年2月25日，星期天第4页,共65页，2024年2月25日，星期天

接触电势：两种不同金属导体接触时，在接触面上因自由电子密度不同而发上电子扩散，一个导体失去电子而带正电荷，另一个导体因获得电子而带负电荷，在两金属导体接触面上便形成一个静电场，这个静电场阻碍了电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电势差—接触电势。电子扩散速率与两导体的电子密度和接触区的温度成正比。（接触电势一个副作用是电腐蚀问题，这在某些情况下必须抑制。）第5页,共65页，2024年2月25日，星期天温差电势：单一导体中，如果两端温度不同，在两端会产生电势。导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散，结果高温端已失去电子而带正电荷，低温端因得到电子而带负电荷，从而形成一个静电场。该电场阻碍电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在导体的两端便产生一个相应的电位差——温差电势。第6页,共65页，2024年2月25日，星期天第7页,共65页，2024年2月25日，星期天第8页,共65页，2024年2月25日，星期天意义：将第三种导体换成仪表或导线时，只要保持两点温度相同，就可以对热电势进行测量，而不影响原来热电势的数值。第9页,共65页，2024年2月25日，星期天当三点温度相同时当AB为T时第10页,共65页，2024年2月25日，星期天第11页,共65页，2024年2月25日，星期天我国常用的热电偶型号、测温范围及允许偏差如下表第12页,共65页，2024年2月25日，星期天分度表热电偶的计算公式：

理论计算热电势E繁杂。通常在实际使用中，编制出针对各种热电偶的热电势与温度对照表，称为“分度表”，表中温度按10℃分档，其中间值可按内插法计算。各表均按参考温度为0℃的条件取值。（热电偶的分度法有若干种）

热电偶的输出电势范围10～60mV第13页,共65页，2024年2月25日，星期天铂铑10—铂热电偶（S型）分度表（冷端T0=0℃

）

第14页,共65页，2024年2月25日，星期天镍铬—镍硅热电偶（K型）分度表（冷端T0=0℃

）

第15页,共65页，2024年2月25日，星期天（普通型热电偶，铠装式热电偶）碰底型不碰底型露头型帽型第16页,共65页，2024年2月25日，星期天3.热电偶冷端温度补偿由热电偶测温原理知道，只有冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。在实际应用中，由于热电偶工作端与冷端距离很近，冷端又暴露于空间，容易受到环境温度波动的影响，也就是说热电偶的冷端温度是变化不定的。而热电偶的分度表又是按照冷端为0℃给出的，所以必须对热电偶的冷端进行温度补偿。第17页,共65页，2024年2月25日，星期天

加入一项

只要使得

则冷端温度得到补偿。几种冷端补偿方法第18页,共65页，2024年2月25日，星期天（1）冰浴法将热电偶的冷端置于冰水中，使冷端保持0℃，这种方法最为妥善，但不够方便，仅限于科学实验和实验室使用。（2）补偿电桥电桥四个臂与冷端处于同一温度，其中R1=R2=R3为锰铜线绕电阻，R4为铜导线绕制的补偿电阻，E为电桥电源，R为限流电阻。选择R4的阻值使电桥保持平衡，Uab=0。当冷端温度升高时，阻值随之增大，电桥失去平衡，Uab相应增大。热电偶的热电势随冷端温度升高而减小，若Uab增量等于热电势的减小量，则回路总的电势UAB的值就不会随着热电偶冷端温度变化而变化。第19页,共65页，2024年2月25日，星期天

UAB=e+Uab_+at0t0etAB+_UabUABbRER1R2R3R4第20页,共65页，2024年2月25日，星期天（3）冷端温度计算校正法由于热电偶的分度表是在冷端保持0℃的情况下得到的，与它匹配使用的仪表又是根据分度表进行刻度的，而冷端虽然可以保持恒定，但并不一定等于0℃，必须加以修正。例：K型热电偶在工作时冷端温t0=30℃度，测得热电势EK(t,t0)=39.17mV。求被测介质的实际温度t？解：由分度表查出

EK(30℃,0℃)=1.20mV则EK(t,0℃)=EK(t,30℃)+EK(30℃,0℃)=39.17+1.20=40.37mV

查分度表求出真实温度t=977℃第21页,共65页，2024年2月25日，星期天（4）专用补偿模块（5）补偿系数修正法设冷端温度为，测得的温度为，则实际温度

热电偶补偿系数，可以通过查表获得。第22页,共65页，2024年2月25日，星期天

几种常用热电偶的值第23页,共65页，2024年2月25日，星期天

根据热电偶中间导体定律，可以采用第三种材料延伸热电偶的引线（补偿导线）距离，但使用时必须注意：（1）补偿导线只能在规定的温度范围内使用（2）不同型号的热电偶有不同的导线（3）热电偶和补偿导线的两个接点要保持同温度第24页,共65页，2024年2月25日，星期天4.热电偶的传热误差和动态误差（1）传热误差

热电偶测温是通过热电偶与被测介质之间进行热交换来进行的，热电偶吸收被测介质传送来的热量，提高自身温度，同时，又向周围散失热量。当热交换达到平衡状态时，热电偶的测量端就达到了一个稳定温度。由于热量散失，热电偶测量端温度低于被测介质温度，因此产生传热误差。它是由导热、对流和辐射三种基本热交换形式造成的。第25页,共65页，2024年2月25日，星期天（2）动态误差热电偶测温时，热接点具有一定的热容量，因此达到热平衡需要一定的时间，热接点温度的变化总是滞后被测介质的温度变化。这种由于热惯性引起的温度偏差，称为动态响应误差。对于以热对流为主要散热的热电偶有：

——接点温度

——被测介质实际温度

——时间常数第26页,共65页，2024年2月25日，星期天

式中：接点比热容接点材料的质量密度对流换热系数热接点的体积热接点表面积热电偶传递函数为一阶惯性环节减小，则动态误差减小第27页,共65页，2024年2月25日，星期天减小动态误差方法：●采用尺寸较小和较小的测量端●选用比热容和密度小的热电偶材料●采用外电路补偿在系统中串联一个网络使得测温系统的传递函数为：用外电路补偿实现动态误差修正，需要知道热电偶的时间常数，常用时间常数测试方法主要有，沸水法、激波管法、激光法和风洞试验。第28页,共65页，2024年2月25日，星期天一阶惯性环节单位阶跃响应曲线给热电偶一个温度阶跃，记录下热电偶的响应曲线，取其幅值的0.632处对应的时间，即为热电偶的时间常数。第29页,共65页，2024年2月25日，星期天第30页,共65页，2024年2月25日，星期天第31页,共65页，2024年2月25日，星期天另外，还有其他热电阻（镍热电阻、铁热电阻等等）。第32页,共65页，2024年2月25日，星期天9.2.3热电阻测量电路一般采用直流电桥作为热电阻的测量电路R1R2R3RtU(I)WWR3R2R1RtUoUoU(I)第33页,共65页，2024年2月25日，星期天

由上式可见电桥输出与铂电阻变化是非线性关系。铂电阻与温度之间基本上是线性关系，由于测量电桥，使得输出电压与铂电阻产生了非线性。为了消除测量电路引起的非线性，是否可以采用差动电桥或者全臂电桥？答案是否定的，因为铂电阻需要安装在测温现场，而电桥其他桥臂在仪表中，另外没有负温度系数的铂电阻。如果在电桥对臂采用相同的铂电阻，则电桥没有平衡状态。第34页,共65页，2024年2月25日，星期天

一般工业现场这种非线性是允许的。如果要提高测量精度，可以采用分段校正的方法或者采用抛物线校正方法。

在铂电阻实际应用中，电桥的电流通常在2～6mA范围（主要是考虑到驱动功率和铂电阻本身发热问题）。

在工业现场铂电阻距离仪表可能数十米，引线电阻就不能不加以考虑（更远的就离可采用变送器传输）。第35页,共65页，2024年2月25日，星期天三线制测量电路考虑连线电阻当电桥平衡时，可写出下面关系式RtR3R2R1wR2R1R3RtrrrUoUo第36页,共65页，2024年2月25日，星期天

设计电桥时，满足，则含有项完全消去，这种情况下连线电阻对桥路平衡没有影响，即可消除热电阻测量过程中连线电阻的影响。上面结论的前提是电桥处于平衡状态，如果电桥处于非平衡状态，三线制并不能完全消除连线电阻的影响，但大大降低了其影响。第37页,共65页，2024年2月25日，星期天热电阻与热电偶比较1.同样温度下热电阻输出信号较大，易于测量。2.测电阻必须借助外电源，热电偶是自发式传感器。3.热电阻感温部分尺寸较大，热电偶工作端是很小的焊点，因而热电阻测温反应速度比热电偶慢。4.同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。由于热电阻必须用细导线绕在绝缘支架上，支架材料受到高温限制。第38页,共65页，2024年2月25日，星期天第39页,共65页，2024年2月25日，星期天第40页,共65页，2024年2月25日，星期天一般而言，同一型号的热敏电阻阻值存在3%~5%误差，热敏电阻常数也存在3%误差。所以，热敏电阻的一致性比较差。第41页,共65页，2024年2月25日，星期天第42页,共65页，2024年2月25日，星期天9.3.3热敏电阻基本参数1.标称电阻值标称电阻是热敏电阻在25℃时的阻值2.材料常数B（K）

B值越大，则阻值越大，灵敏度越高。在工作温度范围内，B值并不是一个严格的常数，它随温度升高略有增加。3.电阻温度系数（%/℃）4.耗散系数H（mW/℃）热敏电阻温度变化1℃所耗散的功率。其大小与热敏电阻的形状、结构以及所处介质的种类、状态有关。第43页,共65页，2024年2月25日，星期天5.时间常数时间常数定义为热容量C与耗散系数H之比其数值等于热敏电阻在零功率测量状态下，当环境温度突变时热敏电阻随温度变化量从起始点到最终点变化量的63.2%所需时间。6.测量功率Pc(W)

在规定的环境温度下，电阻体由测量电流加热而引起的电阻值变化不超过0.1%时所消耗的功率。7.最高工作温度Tmax

热敏电阻在规定的技术条件下，长期连续工作所允许的温度。第44页,共65页，2024年2月25日，星期天9.3.4热敏电阻的电流-电压特性伏安特性是热敏电阻的重要特性。它表示加在热敏电阻上的端电压和通过电阻体的电流在电阻本身与周围介质平衡时的相互关系。负温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻伏—安特性伏—安特性第45页,共65页，2024年2月25日，星期天

当电流很小时（如小于Ia）时，元件的功耗小，电流不足以引起热敏电阻发热，元件的温度基本上就是环境温度T0。电压与电流符合欧姆定律。随着电流的增加，热敏电阻的耗散功率增加，使工作电流引起的热敏电阻自身的温升超过介质温度，则热敏电阻的阻值下降。当电流为Im时，其电压达到最大值Um。如电流继续增加，热敏电阻自身升温更剧烈，使其阻值继续减小，热敏电阻的电压随电流的增加而降低。当电流超过某一允许值时，热敏电阻将被烧坏。第46页,共65页，2024年2月25日，星期天依据热敏电阻的伏安特性可以正确的选择热敏电阻的正常工作范围。一般热敏电阻的适用范围在-100～350℃之间。如果要求特别稳定，最高温度不要超过150℃根据热敏电阻的伏安特性，可以设计不同用途的传感器。第47页,共65页，2024年2月25日，星期天9.3.5热敏电阻的非线性热敏电阻特性的严重非线性，是扩大测温范围和提高精度必须解决的关键问题。解决的办法是，利用温度系数小的金属电阻与热敏电阻串联或并联，使热敏电阻在一定范围内成线性关系。ERxRtARtRtRxRxRyu第48页,共65页，2024年2月25日，星期天9.3.6热敏电阻的应用热敏电阻的用途主要分为两大类：一类是作为检测元件，另一类是最为电路元件。热敏电阻工作在伏—安特性曲线Oa段时，流过热敏电阻的电流很小，电阻体温度接近环境温度。属于这一类的应用有温度测量、电路元件的补偿、湿度测量等。热敏电阻工作在伏—安特性曲线bc段时，热敏电阻受环境温度和自身耗散功率影响，利用这段特性热敏电阻作为开关元件使用。热敏电阻工作在伏—安特性曲线cd段时，热敏电阻的耗散功率使热敏电阻温度大大超过环境温度第49页,共65页，2024年2月25日，星期天

利用这一区域的特性，热敏电阻可用来作启动电阻、时间继电器以及流量测量等。1.测温电路简单测温电路仪表或控制器现场热敏电阻采样电阻射随器第50页,共65页，2024年2月25日，星期天2.管道流量测量

Rt1和

Rt2为热敏电阻，

Rt1放入被测流量管道中；

Rt2放入不受流体流速影响的容器内，R1和R2为一般电阻。4个电阻组成桥路。测量管道流量示意图当流体静止时，电桥处于平衡状态，电流计上没有指示。当流体流动时，Rt1上的热量被带走，Rt1因温度变化引起阻值变化，电桥失去平衡，电流计出现示数，其数值与流体流速成正比。第51页,共65页，2024年2月25日，星期天3.热电式继电器下图是一种应用热敏电阻组成的电机过热保护线路。三只特性相同的负温度系数热敏电阻串联在一起，固定在电机三相绕组附近。热电式继电器电机正常工作时，绕组温度较低，热敏电阻阻值较大，三极管不导通，继电器不动作。当电机过载或某一相短路时，电机绕组温度急剧上升，热敏电阻阻值下降，三极管导通，继电器吸合，电机电路被断开，起到保护作用。第52页,共65页，2024年2月25日，星期天4.温度补偿温度补偿是利用热敏电阻的温度特性来补偿某些具有相反电阻温度系数的元件，从而改善电路对环境温度变化的适应能力，例如下图。当温度升高使晶体管集电极电流Ic增加，同时由于温度升高也使热敏电阻阻值相应减小，则晶体管基极电位Ub下降，使基极电流Ib减小，从而使集电极电流Ic减小，晶体管静态点补偿达到稳定静态工作点的目的。IbIC第53页,共65页，2024年2月25日，星期天第54页,共65页，2024年2月25日，星期天第55页,共65页，2024年2月25日，星期天热释电型传感器一般采用下面的电极结构。热释电体受到调制频率为f的辐射照射并吸收能量，使晶体温度上升，自发极化强度按f周期变化，则表面束缚电荷的密度也按f变化，使晶体在垂直自发极化强度方向的两个面上出现开路交流电压。PsPs面电极边电极第56页,共65页，2024年2月25日，星期天热释电传感器应用红外线测温、自动门、报警装置等第57页,共65页，2024年2月25日，星期天集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一个芯片上的温度传感器第58页,共65页，2024年2月25日，星期天1.AD590半导体集成温度传感器AD590三种封装形式：T0-52封装、陶瓷封装（测温范围-50℃～+150℃）和T0-92封装（测温范围0℃～+70℃）。T0-52封装的AD590系列产品的外形和符号如图所示，1脚为正极，2脚为负极，3脚接管壳（使用时将3脚接地，可起到屏蔽作用）。工作电压4～30V,对应于热力学温度T每变化1K，就输出的1uA电流。132外形符号AD590第59页,共65页，2024年2月25日，星期天AD590测量电路uA-+++--mV9V9V第60页,共65页，2024年2月25日，星期天2.数字输出型温度传感器DS18B20DS18B20在管芯内集成了温敏元件、数据转换芯片、存储芯片和计算机接口电路等多功能模块。DS18B20

直接输出二进制温度信号，并通过串行方式与单片机通信。用其组成的测温系统在稳定性、可靠