《传感器及应用》-《传感器及应用》-项目一 任务1热电偶传感器

项目一温度的检测

1.了解温度传感器的测量原理

2.学会利用温度传感器进行电路的设计

3.掌握常用的温度传感器的应用

4.应用温度传感器的注意事项目标：任务一盐浴炉温度的检测任务提出：

盐浴加热炉是在规定时间内使炉温达到要求的温度。加热炉的炉温在150～1300℃之间，它要跟随轧机轧制节奏的变化来随时调节，所以能否有效地控制加热炉的温度，直接影响钢坯的质量和成本，而对温度进行精确地测量是控制的前提。

1、温

度

与

温

标

温度是表征物体冷热的物理量温标：表示或测量温度高低的标准称为温标。常用温标:摄氏度(符号℃)

热力学温标:开尔文(符号K)

其他常用:华氏度(符号°F)换算关系

t(℃)=T(K)-273.15

华氏度＝32＋摄氏度×1.8

摄氏度＝（华氏度－32）÷1.8二、知识引入1、认识热电偶热电偶传感器是一种自发电式传感器，测量时不需要外加电源，直接将被测量转换成电势输出。使用十分方便，常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。它的测温范围很广，常用的热电偶测温范围为－50℃～＋1600℃，某些特殊热电偶最低可测－270℃，最高可达＋2800℃。

热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）左端称为：测量端（工作端、热端）

热电极B热电势AB2、热电偶传感器的测温原理

将

两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。两种导体的接触电动势AB两种金属的自由电子密度分别为nA和nB,且nA>nB.当两种金属相接触时,将产生自由电子扩散现象.A失去电子多的带正电,B得到电子带负电.A,B之间形成电位差,即接触电势.单一导体的温差电势导体中自由电子在高温端具有较大动能,因而向低温端扩散热电偶回路中产生的总热电势

总电动势T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB热电偶回路的几点结论1）电极材料相同，总电势为零；2）冷、热端温度相同，总电势为零；3）电极材料不同，温度不相同，存在热电势。1、热电偶如何实现温度的测量？2、在距离较远的场合下如何用热电偶实现测量？在高温下如何实现？1)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。3、热电偶的基本定律2)中间温度定律测量端温度为T,自由端温度为T0,中间温度为T’,则T和T0热电势等于T,T’与T’,T0热电势的代数和.ABcTT0T0ABcT’T0ABTABTEAB(T,T’)EAB(T’,T0)EAB(T,T0)3）标准电极定律

当结点温度为T,T0时，用导体A，B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。例：当T为100摄氏度，T0为0摄氏度时，铬合金—铂热电偶的E(100,0)=3.13mv,铝合金—铂热电偶E(100,0)=-1.02，求铬合金—铝合金组成的热电偶的E(100,0)?4、热电偶的结构形式及材料

①铂铑10—铂热电偶（分度号为S)

②铂铑30—铂铑6热电偶(分度号为B)。③镍铬—康铜热电偶(分度号为E)。④镍铬—镍硅热电偶（分度号为K)

⑤铂铑13—铂热电偶(分度号为R)。⑥铁—康铜热电偶(分度号为J)。⑦铜—康铜热电偶(分度号为T)。材料测温范围特点应用铂铹10纯铂0~1000℃准确性高，成本高精密测温、标准铱铹10纯铱0~2100℃科学研究铱铹40铂铹400~1900℃氧化、中性气体镍铁镍铜50~500℃<50℃无电势火灾报警镍铬康铜-200~900℃各种场合镍铬镍硅-50~1300℃电势大，线性好各种场合、常用铜康铜-200~400℃各种场合镍铬金铁-270~10℃低温铜金铁-270~-250℃灵敏度高低温见书23页例题:K型热电偶测炉温时,参考端温度T0=30℃,测得热电势E(T,30℃)=28.344mV,求炉温T.E(T,0℃)=E(T,30℃)+E(30℃,0℃)=28.344+1.203 =29.547mV查表得:T=710℃热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。普通型热电偶普通装配型热电偶的结构放大图

接线盒引出线套管

固定螺纹

（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）不锈钢保护管

铠装型热电偶外形铠装型热电偶可长达上百米铁-镍薄膜热电偶结构1—测量接点2—铁膜3—铁丝4—镍丝

5—接头夹具6—镍膜7—衬架5、热电偶冷端补偿

(1)热电偶补偿导线

热电偶一般做得较短，一般为350～2000mm。解决办法：工程中采用一种补偿导线。使用补偿导线时必须注意:①两根补偿导线与热电偶两个热电极的接点必须具有相同的温度;②各种补偿导线只能与相应型号的热电偶配用；

③必须在规定的温度范围内使用；

④极性切勿接反。补偿导线外形A’B’屏蔽层保护层(2)参考端0℃恒温法将热电偶的冷端置于冰水混合物中，也称冰浴法(3)参考端温度修正法

热电势修正法法

E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)例：用镍铬-镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的热电动势为2.436mV。再用温度计测出环境温度为30℃（且恒定），求池水的真实温度。

补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号,来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为0℃或变化而引起热电势的变化值。

(4)

电桥补偿法1.测量某一点温度6、热电偶实用测温线路A‘,B’为补偿延伸导线，与导体A,B具有相近的热电特性;C为铜接头，保证两连接点温度相等;T'0为新的冷端，要求等温且恒定。2.测量两点温度差

两热电偶型号相同，延伸导线相同，两热电偶反相串联，此时测温回路总电势等于两热电偶电势之差，且要求热电偶新的冷端T1等温且恒定，或测试仪表本身带有补偿装置，或软件修正。即注意：用这种差动电路测量温差时，两支热电偶的热电特性必须相同且成线性，否则会引起测量误差。

3.测量多点温度的平均值

采用多个热电偶相串联测多点温度平均值的方法，此时仪表指示多个热电偶电势之和，即E=(E1+E2+E3)/3。

总结：热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。如热电偶正向串联，可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联；利用热电偶并联可以测量平均温度。练习题

已知某K型热电偶进行温度测试，如图所示，试求测试端温度T？2、用镍铬—镍硅热电偶(K)测量某一实际为1000℃的对象温度。所配用仪表在温度为20℃的控制室里，设热电偶冷端温度为50℃。当热电偶与仪表之间用补偿导线或普通铜导线连接时，测得温度各为多少?又与实际温度相差多少?把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化。优点：结构简单牢固可靠防爆

双金属温度传感器A<b温度传感器的应用——电熨斗

上层金属片的热膨胀系数大于下层的金属片。日光灯的启动器

去掉外壳，在充有氖气的玻璃泡内，可以看到一个U形的双金属片(动触片)，其旁边有一根直立的金属丝(静触片)。常温下两触片处于分离，敲碎玻璃泡，用火焰靠近双金属片，其形状发生变化，并与直立的金属丝接触；移走火焰，双金属片恢复原状，两者分开。——相当于一个由温度控制通断的开关半导体集成温度传感器IC总线数字温度传感器

集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点,由于PN结受耐热性能和特性范围的限制,它只能用来测150℃以下的温度。

一、温敏二极管及其应用

半导体温敏器件可分为电阻型和PN结型两大类.PN结型温敏器件，它是根据半导体PN结的正向电压与温度之间具有良好的线性关系，实现温度检测。由PN结理论，可求得PN结电压、电流及温度的函数关系为式中U—PN结正向电压;I—PN结正向电流;IS—PN结反向饱和电流;q—电子电荷量;k—波尔兹曼常数;T—绝对温度;Ug—温度为0K时材料的禁带宽度;B—与温度无关的实验常数;Tr—与温度有关的函数项，r是与热激发所引起的电子的迁移率有关的系数。当正向电流I一定时，PN结正向电压U与被测温度T之间呈现一定的线性关系；且随着温度的升高，正向电压将下降，表现出负的温度系数，这就是温敏二极管测温的基本原理

典型应用：

温敏二极管工作时存在着自热特性，即流过温敏二极管上的正向电流I

导致温敏二极管PN结温度升高。当自热结温超过环境被测温度时，将引起温控误差甚至失控，因而对温敏二极管的正向电流必须加以限制。二、温敏晶体管及其应用实际上温敏二极管电压—温度特性的线性度是很差的，原因是正向电流中除了PN结的扩散电流之外，还应包括漂移电流及空间电荷区的复合电流，而在上述分析中只考虑扩散电流。由于晶体管发射结正向偏置条件下，虽然发射极电流也包括上述三种成份，但只有扩散电流到达集电极形成集电极电流，而另两个电流成分则作为基极电流漏掉，对集电极电流无影响，使得发射结偏压与集电极电流之间有较好的线性关系，并因此能表现出更好的电压—温度特性。1．工作原理

根据晶体管发射结的有关理论可以求得NPN管发射结偏压Ube与集电流电流Ic、温度T三者之间的关系为集电极电流Ic是与温度基本无关的多数载流子扩散运动形成的电流，因而当IC恒定时，UBE与T呈单调和单值变化。且UBE随T的升高而近似线性下降，其下降幅度约为2.2mv/℃。

2.典型应用

集成温度传感器

集成温度传感器是将作为感温器件的温敏晶体管及外围电路集成在同一单片上的集成化温度传感器。优点是在于小型化、使用方便和成本低廉。商品化的集成温度传感器已经广泛应用于需要温度监测、控制和补偿的许多场合。适合于温度为-50—150摄氏度。

分类：1.电压型：直接输出电压，且输出阻抗低，易于读出或控制电路接口电压型温度系数为10MV/摄氏度。2.电流型：电流输出型输出阻抗极高，因此可以简单地使用双股绞线进行数百米远的精密温度遥感或遥测，而不必考虑长馈线上引起的信号损失和噪声问题。也可以用于多点温度测量系统中，而不必考虑开关或多路转换开关或多路转换器引入的接触电阻造成的误差。频率输出型具有与电流输出型相似的特点,电流型温度系数为1UA/摄氏度。

这就很容易从它们输出信号的大小换算成绝对温度，而且其输出电压或电流与绝对温度成线性关系。基本工作原理

对管差分电路

图中V1和V2是结构和性能完全相同的晶体管，分别工作于不同集电极电流IC1和IC2下。Ube2+ΔUbe－Ube1＝0，即可求得两管基极—发射极电压之差为AD590集成温度传感器(a)外形；

(b)电路符号；

(c)内部原理框图

电流型的集成温度传感器AD590的主特性参数如下：

工作电压：4～30V；

工作温度：－50～＋150℃；

焊接温度（10秒）：300℃；

灵敏度：1μA／K。

AD590在25℃（298.2K）时,理想输出电流为298.2μA,但实际上存在一定误差,可以在外电路中进行修正。将AD590串联一个可调电阻,在已知温度下调整电阻值,使输出电压UT满足1mV/k的关系（如25℃时,UT应为298.2mV）。调整好以后,固定可调电阻,即可由输出电压VT读出AD590所处的热力学温度。简单的测温电路AD590具有恒流特性，与一个恒值电阻串联就可实现温度的检测LM35/45系列温度传感器(a)内部原理框图;(b)引脚功能;(c)外形封装;(d)摄氏温度计电路

电压输出型温度传感器

1）LM35/45系列温度传感器具有控制功能的集成温度传感器（TC620/621）

TC620/621系列是控制温度的专用集成传感器，它可由使用者自行设定上、下限温度。当高于上限温度或低于下限温度时，该传感器即有相应的高低电平输出，用来作报警信号。另外，它还有一个温度控制信号输出。因此，它特别适宜用在恒温器、烘箱及各种温度控制设备上，温度控制精度可达±3℃。

TC620集成电路管脚排列

表9-11TC620/621系列封装形式和工作温度范围

智能传感器构成的温控器DS18B20集成温度传感器DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C+125°C，在-10-85°C范围内,精度为±0.5°C。DS1822的精度较差为±2°C。

组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

思考练习题1、温度常用的单位有（）、（）、（）。2、热电偶产生的热电势主要有（）和（）。3、常见的金属热电阻主要有（）和（）。4、热电偶的冷端补偿办法主要有（）、（）、（）。5、补偿导线的作用是（）。6、半导体热敏电阻主要分为（）

8、对于N型半导体材料的气敏传感器，随着气体浓度的增加，引起阻值的变化（）。9、气敏传感器上加热器的作用（）。10、半导体陶瓷负特性湿敏传感器测试机理，随着湿度的增加，电阻值（）。11．什么是金属导体的热电效应?试说明热电偶的测温原理。12．试分析金属导体产生接触电动势和温差电动势的原因。13．已知镍铬-镍硅(K)热电偶的热端温度t＝800℃，冷端温度t0＝25℃，求E(t，to)是多少毫伏?

《传感器》阶段测试一：填空题1、传感器是能够感受规定

并按照一定规律转换成

器件或装置。2、传感器由

、

、

与

和其他辅助元件组成。3、传感器的静态特性有

、

、

、

和

等。4、我国电工仪表等级分为7级，即

、

、

、

、

、

和

级。5、常用的电阻应变片分为两大类：

和

。6、常见的变换压力的弹性敏感元件主要有、、、

。7、电阻应变片在实际应用中，常用的两种