《传感器技术与应用》课件-项目10：温度传感器

传感器技术与应用12.1温度传感器的分类及温标温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，是现代生活中不可缺少的信息内容，更是科学实验与工业过程控制中检测的重要参数。许多生产过程和日常生活都需要温度参数和温度控制。如家用电器：电冰箱、空调、电饭煲、微波炉.随着测温技术的发展，测温范围和精度都有很大的提高，新型温度传感器不断出现，如红外、光纤、微波、超声波、核磁共振（NQR）等都获得广泛应用。测温系统主要由两部分组成：传感器及转换电路。现场

控制室感温元件转换显示EtRtT温度1.温度单位为定量描述温度的高低，必须建立温度标尺（温标），各种温度计和温度传感器的温度数值均由温标确定。热力学温度是国际上公认的最基本温度，我国目前实行的是1990年国际温标(ITS—90）

(ITS—90）定义:

国际开尔文温度（T90）：单位，开尔文（符号K）

国际摄氏温度（t90）：单位，摄氏（符号℃）两者关系为：t90/℃=T90/K–273.15

或表示为：t/℃=T/K–273.152.温度传感器分类方法温度传感器的种类很多，根据所用测温物质的不同和测温范围不同有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差温度计、辐射温度计、光测温度计、红外温度计等等。温度传感器按价格和性能可分为：热膨胀温度传感器:有液体、气体的玻璃式温度计\体温计，结构简单，应用较广泛；家电、汽车上使用的温度传感器测温范围小（环境温度）、成本低、价格便宜、用量大、性能差别不大；工业上使用的温度传感器，性能价格差别比较大，因为传感器的精度直接关系到产品质量和控制过程，通常价格比较昂贵。2.温度传感器分类方法温度传感器按工作原理主要有以下几类：热电偶，利用金属的温差电动势测温，

特点：耐高温、精度高，可测量上千度；热电阻，利用金属导体电阻随温度变化，可测温几百度；热敏电阻，利用半导体材料电阻随温度变化测温，

特点：体积小、灵敏度高、使用方便，稳定性差；集成温度传感器，利用晶体管P-N结的电流、电压随温度变化，有专用集成电路，

特点：体积小、响应快、价廉，测量150℃以下温度。智能型集成温度传感器。按测温方式分类：测温方法测温原理温度传感器接触式

固体热膨胀体积变化—液体热膨胀气体热膨胀双金属温度计玻璃管液体温度计气体温度计、压力温度计电阻变化金属电阻温度传感器半导体热敏电阻接触式热电效应贵金属热电偶普通金属热电偶非金属热电偶频率变化石英晶体温度传感器光学特性光纤温度传感器；液晶温度传感器声学特性超声波温度传感器非接触式

亮度法热辐射—全辐射法比色法红外法光学高温计全辐射高温计比色高温计红外温度传感器气流变化射流温度传感器3.各种热电式传感器液体膨胀3.各种热电式传感器气体膨胀温度计固体膨胀温度计热电偶热电偶是工业上应用最广泛的温度传感器热电阻和热敏电阻热敏电阻是家用电器应用最广泛的温度传感器在线高温红外测温新冠红外测温总结与思考总结温度单位；温度传感器的各种分类；典型热电式传感器的结构及应用。思考复习温度传感器的分类；思考温度传感器的工作原理。传感器技术与应用12.2

热电偶12.2.1热电效应热电效应：为两种不同类型的金属导体，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，通过热电势就可以测出另一端结点的温度。热电偶是利用金属的温差电动势测温12.2.1热电效应这种将温度转换成热电动势的传感器称热电偶，金属电极称热电极;电极:冷端与热端（冷端）T0——基准端，固定温度节点，恒定在某一标准温度；冷端标准温度为冰点（0℃）。（热端）T——测温端，待测温度的接点，置于被测温度场中。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接触电势、温差电势之和：12.2.1热电效应结论：1.若热电偶两电极材料相同（NA=NB、σA=σB），无论两端点温度如何，总热电势EAB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EAB为零；3.

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。ＡＢＣＴT０Ｔ０测量仪器12.2.2热电偶基本定律（1）中间导体定律当热电偶引入第三导体C时，只要C导体两端温度相同，回路总电势不变。中间导体定律说明，回路中接入导体和仪表后不会影响热电势。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。(2)参考电极定律（中间温度定律）在热电偶测温回路中TC为热电极上某点温度；热电偶在接点温度为T、T0

时的热电势EAB（T，T0），等于接点温度

T、TC

和TC、T0时的热电势的代数和，A-B

热电偶的热电势为：12.2.2热电偶基本定律实际测量时，利用这一性质，对参考端温度不为零度时的热电势以及冷端延伸引线进行修正和补偿。12.2.3热电偶的结构和种类1.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，这是其它接触式温度传感器无法替代的。国际电工委员会IEC(InternationalElectroTechnicalCommission)推荐８种标准化热电偶，已列入工业标准化文件，具有统一的分度表。温度℃0102030405060708090热电动势mV00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.62932.02432.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.51938.91539.31039.70340.09640.48840.879100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.35647.72648.09548.462120048.82649.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.39852.74753.09353.43953.78254.12554.46654.807——镍铬—镍硅热电偶(K型)分度表（参考端温度为0℃）12.2.3热电偶的结构和种类2.热电偶结构普通热电偶，测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构；薄膜热电偶，用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄；铠装热电偶，用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲；表面热电偶，用于弧形表面物体测温；消耗式热电偶，主要用于钢水温度测量。12.2.3热电偶的结构和种类普通热电偶：测量气体、蒸汽、液体等12.2.3热电偶的结构和种类薄膜热电偶：用于火箭、飞机喷嘴等温度测量铠装热电偶：用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲。12.2.3热电偶的结构和种类12.2.4热电偶测量电路及应用通过查分度表可知热电偶产生的热电势；如K型热电偶：

0℃时E=0mV，

600℃时E=24.902mv；分度表以t=0℃作基准.电路调试步骤：调零：T=0℃时调整调零电位器RP2使运放输出为零；调增益：温度600℃时调节反馈电阻RP1

使运放输出在6V。600℃时K型热电偶热电势E=24.902mv，放大器增益为6V/24.902mv=240.945，可得到6V满量程输出。12.2.4热电偶测量电路及应用实际应用若参考端温度不为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）之间的关系可通过中间温度定律得出：12.2.4热电偶测量电路及应用例：使用

K型热电偶测温，当基准接点为0℃，测量接点为30℃和900℃时，温差电动势分别为1.203mV和37.325mV。

当基准接点为30℃，测温接点为900℃时的温差电动势

E

为多少？解：t=900℃（测温点）t0=30℃（基准点）

∵

K型热电偶900℃时总的温差电势为

37.325mV=E

（900℃，30℃）+E（30℃，0℃）=E+1.203mV

∴

测温点温差电势为

E=36.122mV900℃—30℃—0℃

中间温度定律总结与思考总结热电效应；中间导体定律；中间温度定律；热电偶的结构和种类；热电偶的测量电路。思考掌握中间温度定律的应用；调研热电偶的应用。传感器技术与应用12.3

热电阻、热敏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金属热电阻、半导体热敏电阻统称热电阻。贴片式薄膜式大功率RT热电阻电路符号7.2.1石英晶体12.3.1金属热电阻普通金属热电阻一般用于-200～+850℃温度测量,少数可测1000℃。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。带保护管的铂测温电阻元件12.3.1金属热电阻按IEC（国际电工委员会）标准铂热电阻阻值与温度变化范围之间的关系近似为：-200～0℃+0～850℃A、B、C

为常数，Ｒt值的大小与Ｒ０有关式中：R0Rt

为温度0℃和t(℃)时的电阻值

R0为0℃的公称值12.3.1金属热电阻分度号分别为：Pt10、Pt100目前我国规定工业用铂热电阻有两种公称值：

国际温标ITS—90标准中,A、B、C

常数规定为；铂电阻的温度特性多为正特性近年来，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。热敏电阻是用半导体材料氧化复合烧结而成温度敏感元件

主要材料有：Mn、Co、Ni、Cu、Fe氧化物，结构分为：二端、三端、四端、直热式、旁热式。12.3.2热敏电阻热敏电阻—温度特性

PTC

——正温度系数特性型；

NTC——负温度系数特性型；多数半导体热敏电阻具有负温度系数，温度升高电阻下降，同时灵敏度下降；所以热电阻限制了它在高温下使用。目前，热敏电阻温度上限约300℃

。半导体热敏电阻通过参杂，是很好的低温传感器，可以测量40-100K（-233--173℃）的温度。热敏电阻最大的缺点是，产品一致性差，互换性不好，一般只用于电器产品，不在石油、钢铁等制造业上使用。负温度系数型热敏电阻特性曲线

12.3.2热敏电阻负温度系数热敏电阻的特性曲线可用经验公式表示：A，与材料和形状有关；B，常数。Rt，温度为T时的电阻值；标称电阻值R25（Ω），是热敏电阻在25℃时的阻值。Rt

温度t℃时的电阻值（Ω）；α25是热敏电阻在25℃时的电阻温度系数。12.3.2热敏电阻12.3.3热敏电阻的应用右图是一滞回特性的恒温控制电路，RT为热敏电阻，A为比较器，当环境温度达到T℃时，由输出信号实现调温控制。比较器同相端Vb作为基准电压，由RP1、R2、R3（或稳压管）确定分压，RP1可调节比较器的比较电平，从而调节所需控制温度。输入端由RT、R2分压。输出特性：Vb1、Vb2为门限电压，传输特性通过R4正反馈使转换部分变陡Va＞Vb1，U0由正翻转为负；Va＜Vb2，U0

由负翻转为正。总结与思考总结热电阻的分类；金属热电阻；热敏电阻；热敏电阻的简单应用。思考复习热电阻的工作原理；思考调研热敏电阻的其它应用。传感器技术与应用12.4

集成温度传感器概述目前国内外普遍应用的集成温度传感器如:AD590、AD592、TMP17、LM135等。

模拟集成温控模块是可编程的温控开关模块。如:LM56、AD22105等温敏元件有热敏电阻，热敏二极管、三极管等集成温度传感器把热敏晶体管和外围电路、放大器、偏置电路及线性电路制作在同一芯片上，构成一体化的专用集成器件。是可以完成温度测量及模拟信号输出的专用IC。概述集成温度传感器利用晶体管PN结的电流、电压特性与温度的关系进行温度测量，由于PN结受耐热性能的限制，一般测量温度范围在150℃以下。特点：集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点。UbeIb150℃25℃0.30.60.9二极管PN结温度特性（PTAT）绝对温度比例电路

Proportiondtoabsolutetemperature12.4.1集成温度传感器测温原理绝对温度比例电路，由V1、V2两只互相匹配、性能完全相同的温敏晶体管构成差分对管；集电极电流分别为I1、I2是由恒流源（晶体管）提供；电阻R上的电压

ΔVbe

是两个晶体管发射结电压差。

集成温度传感器（PTAT）基本电路原理图所谓绝对温度比例是，利用两个晶体管发射极的电流密度在恒定比例下工作时，基极—发射极之间电压VBE的差与温度呈线性关系。12.4.1集成温度传感器测温原理

ΔVBe

正比于绝对温度T，只要保证

ΔVBe

的比恒定，就可以使

I1/I2

与温度T

为单值函数。式中:K0——波尔滋曼常数；T

——绝对温度;

q——电子电荷量；

——V1、V2发射极面积比。γ因为集电极电流比可等于集电极电流密度比：只要保证两只晶体管的集电极电流密度比不变，电阻R上的电压

ΔVBe

就可以正比于热力学温度T。由方程式可见：12.4.1集成温度传感器测温原理12.4.1集成温度传感器测温原理电阻R上的电压差

ΔVBe

取决与发射结面积比

γ

。实际制作时，特意将V1、V2发射结面积作的不相等，面积比为

γ

。VT2的发射极设计成条形，VT1

用同样条形并联，可严格控制结的面积，两管面积比变为简单的条数比；而面积比

γ

的大小决定了灵敏度大小。12.4.2集成温度传感器信号输出方式电路输出为：1）电压输出型输出电压正比于绝对温度；V1、V2的发射结压降之差

ΔVBe

全部落在电阻R1上，流过R1上电流为：可见输出电压U0与绝对温度T成正比关系12.4.2集成温度传感器信号输出方式2）电流输出型V1、V2是结构对称的晶体管作为恒流源负载；V3、V4是测温用晶体管，V3发射结面积是V4管的8倍（γ=8），流过电路的总电流是：若R=358Ω，得电路输出温度系数为温度变化1开尔文，输出电流1μA电流输出型电路12.4.3AD590集成温度传感器典型温度传感器——AD590典型电流输出型集成温度传感器有AD590--美国AD公司生产；

SG590--国内同类产品。测温范围-50～+150℃；器件电源电压4～30V；小于3V时灵敏度随外加电压增加而增加，所以电源必须大于4V。AD590封装VI/μA1234+150℃+25℃-55℃+-AD590视为电流源12.4.3AD590集成温度传感器AD590定标方法AD590在摄氏温度25℃（298.15K）时，理想输出为298.15μA，实际存在误差；可通过电位器调整，使输出电压满足1mV/K（1μA/K）的关系。一点校正法，仅对某点温度进行校准，AD590在25℃时，输出电流并非298.15μA时，调节R电阻，使输出值为298.15mV。一点校正法12.4.3AD590集成温度传感器两点校正法先对AD590在0℃温度调节，调节R1，使输出VOUT

=0；再将AD590置于100℃温度，调节R2，使VOUT=10V；使输出电压温度系数值为100mV/℃。两点校正法12.4.3AD590集成温度传感器AD590典型应用温控电路T↑时比较器LM311的3脚电压↑；输出端跳为低电平总结与思考总结集成温度传感器的种类、特点；测温原理；信号输出方式；相关芯片AD590的应用。思考复习集成温度传感器的工作原理；调研集成温度传感器的其它应用场景。传感器技术与应用12.5红外温度传感器12.5.1红外辐射红外传感器按应用可分为：热成像遥感技术；红外搜索(跟踪目标、确定位置)、通讯；红外辐射测量；红外测距、测温等。红外辐射的物理本质是热辐射，人、动物、植物、火、水都有热辐射，只是波长不同而已；一个炽热的物体向外辐射能量，大部分是通过红外线辐射出来的，温度越高辐射红外线越多，辐射能越强。长波短波12.5.1红外辐射红外辐射俗称红外线，是一种不可见光，其光谱位于可见光中红色以外，所以称红外线，波长约0.75～1000μm。红外辐射是介于可见光和微波之间的电磁波；红外波长比无线电波的波长短，所以红外仪器的空间分辨率比雷达高；红外波长比可见光的波长长，因此红外线透过阴霾的能力比可见光强。可见光红外线微波12.5.1红外辐射红外线和电磁波一样，以波的形式在空间传播，因为空气中氮、氢、氧不吸收红外线，使大气层对不同的波长红外线存在不同吸收带;红外线在通过大气层时有三个波段通过率最高：2～2.6μm,3～5μm,8～14μm这三个波段对红外探测技术非常重要，遥感红外探测器一般工作在这三个波段。红外12.5.2红外辐射探测器红外传感器有两部分组成：1）红外辐射源有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源；根据辐射源的几何尺寸、距离远近可视为点源和面源；（红外辐射基准源—黑体炉）2）红外探测器指能将红外辐射能转换为电能的热敏和光敏器件。红外线热、光电能12.5.2红外辐射探测器红外探测器主要有两大类型：1）（热电型）热探测器

包括有：热释电元件、热敏电阻、热电偶等；2）（量子型）光子探测器利用某些半导体材料在红外辐射的照射下产生光电子效应，使材料电学性质发生变化；

其中有：光敏电阻、光敏管、光电池等。量子型光子探测器与光电传感器原理相同，本节主要介绍热电型红外探测器。12.5.2红外辐射探测器1.热释电效应