第7章 热电式传感器.ppt

1、第七章热电式传感器、热传感器、热电式传感器、温度根据表示物体冷热程度的物理量将温度转换为电信号的装置称为热电式传感器，热电式传感器，分类：热电电阻式传感器热阻抗热敏星空卫视：主要是NTC热敏星空卫视热电式传感器：热电偶感温二极管， 感温晶体管星空卫视及集成温度传感器、热阻抗热电偶、医学应用之一：电子体温校正、NTC热敏电阻、2007年欧盟禁止使用水银温度校正2012年美国已有10多个州禁止使用水银温度校正在中国，将来电子体温校正取代水银温度校正的主要内容， 介绍了热阻抗式传感器热阻抗：白金Pt电阻、铜Cu电阻热敏电阻：以NTC为主热电偶的工作原理、冷却温度补偿的方法、集成温度传感器的热电型传感

2、器的应用，另一方面，由热电偶、白金Pt、铜Cu等金属材料制成的热电式传感器的工作原理：金属材料的电阻随温度变化而变化对制作热阻抗的金属材料的要求：温度系数高：灵敏度大化学物理特性稳定良好的输出特性：线性或近似线性良好的工艺性：互换性好，可批量生产，材料：铂Pt、铜Cu、镍Ni、铁元素Fe等镍，铁元素的温度系数和电阻率比铂、铜高1.1，铂电阻Pt， 优点：精制简单，性能稳定，投入产出特性基本线性，测量精度高，作为国际温度测量的标准，作为高精度工业测量的缺点而被广泛使用：价格昂贵，十几至几十元的温度系数低，灵敏度不高，特性：时的电阻，称为标称电阻， 精度要求不高时Pt100白金电阻的特性曲线：热阻

3、抗的国际标准，为了有效地使用国际热阻抗，制定了一系列的标准，标准中规定了一系列的标准热阻抗，其型号为：白金电阻： PT10、Pt100、PT500、PT1000铜电阻： CU50、CU100镍电阻： NI120 NI500、NI1000各热阻抗的符号称为目录索引编号，在热阻抗标准中表示各热阻抗，如何使用目录索引表：用测量电路测量热阻抗的电阻值后，手动查找表，取得温度值，在量测仪器中存储目录索引表值，自动查找表， 将电阻值换算成温度值，测得的Pt100的电阻值为109.5欧姆，温度是多少，1.2，铜电阻在测温精度要求不高，测温范围狭小的情况下，可以用廉价的铜电阻代替铂电阻。铜电阻特性：精度要求不

4、高时也可以看作近似线性，但测温范围小，温度稳定性上没有白金电阻，例如： Cu50热阻抗，Cu50电阻的特性曲线：Cu50的标准目录索引表：补充：白金电阻的测定电路，为什么有3条输出引线，使用2条引线时，称为双线式白金电阻。 由于引线也有一定的电阻，根据引线的材质和长度，电阻发生变化，因此通过测量2根引线之间的电阻来测量温度时，会产生大的误差，一般的铂电阻采用三线式(3根引线)，与桥连接的另一端任意选择r2或r3，电阻r2 相邻的臂R2和Rt中导入相同的读取电阻r1=r2，因此读取电阻的变化成为共模输入，不影响桥接器的输出。 输出电压主要是由铂电阻Rt自身的变化引起的桥不平衡电压。因此三线制消除

5、了引线电阻的影响，二、热敏电阻，工作原理：半导体材料的电阻(率)随温度变化而变化， 根据性能的不同：负温度系数热敏电阻： negative temperature coefficient NTC正温度系数热敏电阻： Positive Temperature Coefficient，PTC临界温度系数热敏电阻： Critical Temperature Resistor 三种热敏电阻的特性曲线比较： PTC :在例如电热毯、电子驱蚊器CTR :在临界温度内电阻急剧变化，温控开关用NTC :电阻随着温度增加而比较均匀地减少，温度测量中最常用的热敏星空卫视、NTC热敏星空卫视、NTC热敏星空卫视使用

6、Mn、Ni、Fe等金属氧化物， 陶瓷工艺制造的复合烧结体，t :绝对温度，单位为开尔文，k，a，b是由材料和加工工艺决定的常数，2.1，热敏电阻的基本特性，另一种一般的表现方式：将已知温度作为时间的电阻，一般可以采用， 被称为标称电阻值b值不同温度下的NTC电阻值目前在国际上还没有标准化，热敏电阻的温度系数：可视温度系数为负值的温度系数随着温度上升而绝对值减少，即灵敏度减少，伏安图特性：外部气体温度不变化的情况下，NTC的电压和电流的关系， 如果施加电流小时电流变大，则NTC自身的温度上升，电阻值下降，U-I关系变得不直线，因此在使用NTC热敏电阻的情况下，控制其路径上的电流(一般为05mA左

7、右)，无法避免由自发热引起的检验误差。 这是热敏电阻实际测温时应该特别注意的问题，也是容易忽略的问题。 不仅是热敏星空卫视，其他类型的热电传感器在测量时应注意这个问题，最高工作温度和最低工作温度：热敏星空卫视在规定条件下可长时间连续工作测量的最高温度和最低温度，与热阻抗相比，NTC的优点：温度系数大，灵敏度高，结构简单，是热阻抗的几十至几千倍，体积小由NTC特性公式可知，热惯量小，适合动态测量的制造简单廉价，缺点：只能适合低温测量的兼容性差：公称电阻值的偏差为20%左右，b值的偏差为1.5%左右，非线性大，如果不进行非线性校正，会影响测量精度，例如NTC传感器电子体温校正专用r0=30kb=3

8、950，30-50度时的特性曲线和拟合直线，线性度为8%F.S，外形：根据应用的需要，可以制作各种形状、2.2、热敏电阻的非线性校正方法，如果在测量范围内，则为ntt非线性校正的方法有：直并联电阻法，数字校正法，1，直并联电阻法：其他一般电阻和串并联电路相结合，特性曲线的非线性有所改善，直并联电阻法的优点：结构简单的缺点：需要使用多少直并联电阻，需要仔细修正的近似线性范围比较狭窄， 测量范围变窄灵敏度下降2 .数字化校正法：首先取得NTC一定间隔温度下的对应电阻值，将数据表保存在数字化设备中，取得某温度下的电阻值，取得数字化设备显示查找表和阶段线性插值法下对应的温度。 数字化校准法的优点：用软

9、件实现校准，保存热敏电阻的高灵敏度和宽测量范围的缺点的测量设备结构复杂，2.3，NTC热敏电阻的测量电路常用电桥将电阻转换为电压，放大后再处理注意电路中两个可变电阻Rp1、Rp2的作用热电偶将温度转换为热电偶的输出，是目前接触式测温中应用最广泛的温度传感器特征：测温范围高，测量精度结构简单，制造方便，标准化、系列化，有3.1、热电偶工作原理，热电效应：将两种不同材料的导体a、b构成一个闭环. 如果两端的点1和2的温度不同，则在闭合电路中产生电位，该电位的大小和方向与两导体的性质和两端子的温度有关的现象称为热电效应，将由两导体构成的电路元件称为由热电偶构成的热电偶的a，将b两导体称为热电极温度t

10、的端子1称为测定端子或热端子， 将在温度T0的端子2称为基准端子或冷端子的热电偶中产生的电位称为热电势，上图的热电势注意：与上式不同，热电势由两个部分构成的接触电势：珀耳帖电位，法国的科学家为温度差电位：汤姆逊电位，文件南非兰特的科学家为两个导体接触，分别接触电势、a、b导体在接触点(设温度为t )产生的接触电势(a至b )中，a、b的自由电子密度k :玻尔兹曼常数t :可知绝对温度：单一导体a在两端温度不同的情况下，温度高的一端的一端温度为t，另外一端温度为T0， 从t端到T0端的温度差电位被称为：汤姆逊系数或温度差系数，由此可知，热电势：可以用热电偶所包含的接触电势和温度差电位之和来挤出：

11、分析1 :可以证明：分析2 :汤姆逊系数为常数，因此， 热电势与热端温度并非严格的线性关系，分析3 :如果a、b为同一材料，两端温度相同，则热电偶产生热电势的两个条件：热电极由两种不同材料组成，热端与冷端温度不同，3.2，热电偶的标准化又， 对不同分度号的热电偶制定了相应的特性分度表的标准热电偶的分度号主要有s、r、b、n、k、e、j、t等几个，其中s、r、b由贵重的金属构成，其佚预由廉价的金属构成， 以下是几个标准热电偶的材料和测温范围： 600-1800 K :镍铬镍硅、-40-1300 T :纯铜镍、-40-400 J :铁元素铜镍n :镍铬镍硅e :镍铬镍、-40-400 J 单位mV

12、 )是热电偶输出的热电势不仅与热端温度有关，还与冷端温度有关。 特性分度表的数据都是冷端温度为0时得到的。 因此，需要在测量温度时取得并查找目录索引表，得到被测量热端温度t。 实际测量，一般的冷端温度不是0度，可能会变化。 实际输出热电势，如果直接使用表，会引起严重的检验误差。 因此，用热电偶测量温度时，必须对热电偶进行冷温度补偿。 即3.3、热电偶的工作规律、3个工作规律：中间导体规则连接导体规则推论：中间温度规则参照电极规则：仅与热电偶的制作有关，稍微工作规则可以解决使用热电偶时面临的一些问题，中间导体规则这样测得的热电势与原来的热电偶的热电势相等导出中间导体法则：中间导体法则说明：在热电

13、偶中插入第三导体时，只要新冷端的温度不变，就不影响热电势的测量，由于导体法则相连，制作成本等各方面的因素的影响，热电偶一般不能太长，所以热电偶冷端和热端之间的距离那么，新热电偶的热电势与什么因素有关？ 导体a、b分别与连接导体c、d连接，中间接点的温度导出连接导体的法则：本法则是在连接导体中产生新的热电偶时，只要中间2个接点的温度一致，新的热电偶就等价于2个热电偶串联，推论1 :当连接导体c、d为相同材料时推论1该方式将冷端位置推论2 :如果c和a是相同的材料，d和b是相同的材料，以一个中间温度为界，一个热电偶分为两个热电偶，称为中间温度规律，这种方式引出冷端，但对贵金属制热电偶来说，这种方式

14、不合适，推论3 :合理地选择导体c、d，这种方式就是冷端而且一般选择的导体c、d比较廉价，成本上也可以接受(一般数元/米)，作为满足条件的导体c的d制作的连接线是使用热电偶AB的补偿导线热电偶，补偿导线和量测仪器是使用热电偶进行温度测量的常用组合，热电偶的目录索引表格要求冷端温度由于实际的冷端温度不为0，所以测量的热电势不能直接用于显示查找表，必须接受冷端温度补偿的冷端温度补偿法，适用于0度恒温法冷端恒温法冷端补偿器法，0度恒温法：将热电偶的冷端保持在0度器内一般适用于实验室内的采用， 得到的热电势为，冷端恒温法：热电偶冷端温度不为0，但假定为已知的一定值，输出热电势为。 只需在该热电偶上重日式榻榻米校正电压，根据中间温度规律，总输出电位为：冷端温度可以用其他温度传感器测定，用冷端恒温法补偿的例子，对某热电偶(目录索引表参照下一页)不进行冷端温度补偿时，用输出热电偶直接检测，温度为800。 如果知道了实际的冷端温度是25的话，实际的温度是多少呢？ 不补偿造成的相对误差有多少？特性目录索引表(单位： mV )、解：由显示查找表可知，实际输出电势是需要补偿的电势，用冷恒温法补偿了的电势，而从显示查找表得到的实际温度是不补偿的测量相对误差为2.1%，将该桥