第12章 热电传感器.ppt

1、第12章 温度传感器,传感器原理与应用,传感与检测技术,第12章 温度传感器,主要内容： 12.2 温度传感器的分类及温标 12.2 热电偶 12.3 热电阻、热敏电阻 12.4 集成温度传感器 12.5 红外温度传感器,传感与检测技术,第12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，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

2、广泛应用。 测温系统主要由两部分组成：传感器及转换电路。,12. 1 温度传感器的分类及温标,传感与检测技术,第12章 温度传感器,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） (ITS90）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 273.15,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。,1. 温度单位,传感与检测技术,第12章 温度传感

3、器,温度传感器的种类很多，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,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、红外等等。,传感与检测技术,第12章 温度传感器,温度传感器按工作原理主要有以下几类： 热电

4、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。,2. 温度传感器分类方法,传感与检测技术,第12章 温度传感器,按测温方式分类：,传感与检测技术,第12章 温度传感器,3. 各种热电式传感器,液体膨胀,传感与检测技术,第12章 温度传感器,3.各种热电式传感器,固体膨胀温度计,气体

5、膨胀温度计,传感与检测技术,第12章 温度传感器,热电偶,热电偶是工业上应用最广泛的温度传感器,传感与检测技术,第12章 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,传感与检测技术,第12章 温度传感器,在线高温红外测温,传感与检测技术,第12章 温度传感器,甲型流感红外测温,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.2 热电偶,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

6、金属的温差电动势测温,12.2.1 热电效应,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.2.1 热电效应,（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。,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,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.2.1 热电效应,热电偶冷端冰点测温方法,金属的热电势由两部分组成： 接触电势； 温差电势。,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.2.1 热电效应,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

7、度大的向浓度小的金属扩散。,(1) 两种导体的接触电势,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.2.1 热电效应,(1) 两种导体的接触电势,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，得到稳定的接触电势。,浓度大的向浓度小的金属扩散,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.2.1 热电效应,热端接触电势为：,冷端接触电势为：,、,式中：A、B 代表不同材料； T，T0 为两结点端温度；,波尔兹曼常数；,电子电荷量；,是A、B 材料的电子浓度。,在闭合回路中，总的接触电势为,热电偶热端温度为T 时，两个接点的接触电势分别为,传感与检测技术,第12章 温度传感

8、器,12.2.1 热电效应,对单一金属如果两边温度不同，两端有温度梯度也产生温差电动势； 产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，会向低温端扩散，由于高温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电。,( 2 ) 单一导体的温差电势（汤姆逊电势）,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.2.1 热电效应,A、B 两导体构成闭合回路总的温差电势为：,、两个导体的单一导体的温差电势分别为,式中： 是泽贝克系数，是温度和位置的函数。,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.2.1 热电效应,结论： 若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EAB为零

9、； 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。,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：,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.2.2 热电偶基本定律,如果将热电偶T0端断开，接入第三导体C，回路中电势由EAB（T，T0）应写为：,(1) 三种导体的热电回路（中间导体定律）,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.2.2 热电偶基本定律,结论： 当热电偶引入第三导体C 时，只要C导体两端温

10、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。,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.2.2 热电偶基本定律,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：,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。,(2) 参考电极定律（中间温度定律）,传感与检测技术

11、,第12章 温度传感器,12.2.3 热电偶的结构和种类,贵金属热电偶 铂铑 铂铑（6001700） 铂铑 铂 （01600） 普通金属热电偶 镍铬 镍硅（-2001200） 镍铬 镍铜（-40750）， 铁 康铜（0400） 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。,1. 热电偶种类,国际电工委员会IEC (International Electro Technical Commission) 推荐种标准化热电偶，已列入工业标准化文件，具有统一的分度表。,镍铬镍硅热电偶(K型)分度表 （参考端温度为0）,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.2

12、.3 热电偶的结构和种类,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。,2. 热电偶结构,传感与检测技术,第12章 温度传感器,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,传感与检测技术,第12章 温度传感器,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,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.2.3 热电偶的结构和种类,铠装热电偶： 用以测量狭小对象，

13、结构细长、可弯曲。,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.2.3 热电偶的结构和种类,这种热电偶，专门适用于测量高温炉温度分布，可反复弯曲，耐温可达1250。 热电偶的插头部分也可耐425的高温，可以直接安装在炉内。 Nanmac还提供与之匹配的接线盒，可以一起固定在炉内。,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.2.3 热电偶的结构和种类,热电偶型号命名方法,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.2.4 热电偶测量电路及应用,热电偶特点：耐高温、精度高，可测量上千度。,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.2.4 热电偶测量电路及应用,传感与检测技术,第12章 温度传感

14、器,12.2.4 热电偶测量电路及应用,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.2.4 热电偶测量电路及应用,传感与检测技术,第12章 温度传感器,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6

15、V满量程输出。,传感与检测技术,第12章 温度传感器,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：,传感与检测技术,第12章 温度传感器,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

16、= E （900，30）+E（30，0） = E + 1.203mV 测温点温差电势为 E = 36.122mV,900 300 ,中间温度定律,镍铬镍硅热电偶(K型)分度表 （参考端温度为0）,传感与检测技术,第12章 温度传感器,炉温的自动调节,12.2.4 热电偶测量电路及应用,炉温的自动记录,传感与检测技术,第12章 温度传感器,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。,12.3 热电阻和热敏电阻,贴片式,薄膜式,大功率,热电阻电路符号,传感与检测技术,第12章 温度传感器,普通金属热电阻一般用于-200+850温度测量, 少数可

17、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 热电阻和热敏电阻12.3.1 金属热电阻,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.3.1 金属热电阻,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.3.1 金属热电阻,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.3.1 金属热电阻,传感与检测技术,第12章 温度传感器,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：,12.3.1 金属热电阻,-200O,+0850,A、B、C 为常数，t值的大小与有关,为 的公称值,传感与检测技术,

18、第12章 温度传感器,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ITS90标准中, A、B、C 常数规定为；,铂电阻的温度特性多为正特性,传感与检测技术,第12章 温度传感器,热电阻型号命名方法,传感与检测技术,第12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。,12.3 热电阻和热敏电阻12.3.2 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

19、式。,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.3.2 热敏电阻,传感与检测技术,第12章 温度传感器,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；,12.3.2 热敏电阻,负温度系数型 热敏电阻特性曲线,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。,传感与检测技术,第12章

20、 温度传感器,负温度系数热敏电阻的特性曲线可用经验公式表示：,12.3.2 热敏电阻,标称电阻值R25（），是热敏电阻在25时的阻值。,Rt 温度t 时的电阻值（）； 25 是热敏电阻在25 时的电阻温度系数。,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.3.3 热敏电阻的应用,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

21、转换部分变陡 VaVb1，U0 由正翻转为负； VaVb2，U0 由负翻转为正。,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.3.3 热敏电阻的应用,热敏电阻的恒温控制电路,复合管作开关,NTC 负温度系数特性热敏电阻,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.3.3 热敏电阻的应用,+ -,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.3.3 热敏电阻的应用,+ -,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.3.3 热敏电阻的应用,+ -,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.3.3 热敏电阻的应用,+ -,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.3.3 热敏电阻的应用,+ -,

22、传感与检测技术,第12章 温度传感器,无线测温系统,回转窑无线测温系统，采用无线通信技术，将热电偶测得的窑内温度无线传送到控制室并在计算机上显示。同时可显示窑头、窑中和窑尾12-24个通道的温度； 安装在窑体上的发射装置经隔热处理后可耐受400以下表面温度； 发射系统采用高性能锂电池供电， 太阳能板随时为电池充电； 该系统具有温度上下限超限报警，传感器回路开路提示，及电池电压过低报警功能。系统根据需要使用的热电偶类型为（SRBK）。,传感与检测技术,第12章 温度传感器,无线测温系统,测温发射装置,USB接收装置,USB接收与计算机显示,4-20mA接收装置,应用现场4-20mA接收柜,现场隔

23、热箱,现场室外转窑,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.4 集成温度传感器,目前国内外普遍应用的80年代问世的集成温度传感器 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。,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.4 集成温度传感器,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

24、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。,二极管PN结温度特性,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.4 集成温度传感器12.4.1 集成温度传感器测温原理,（PTAT）绝对温度比例电路 Proportiond to absolute temperature,集成温度传感器 （PTAT）基本电路原理图,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Vbe是两个晶体管发射结电压差。,传感与检测技术,第

25、12章 温度传感器,12.4.1 集成温度传感器测温原理,PN 结伏安特性方程,Is 反向饱和电流；u 外加电压； uT =KT/q 温度电压当量； t =300K （室温300K-273.15=26.85）时, UT 26mV,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率下工作时，基极发射极之间电压VBE的差与温度呈线性关系。,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.4.1 集成温度传感器测温原理,PN 结伏安特性方程,PN 结加正向电压时,PN 结加反向电压时,根据晶体管知识已知，二极管PN结为负温度特性 ， T1，Ube2mV， 所以温度 T，Ube；,二极管PN结温

26、度特性,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.4.1 集成温度传感器测温原理,根据晶体管伏安方程式得：,正比于绝对温度 T，只要保证 的比恒定， 就可以使 与温度T 为单值函数。,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.4.1 集成温度传感器测温原理,由方程式可见：,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 就可以正比于热力学温度T。,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.4.1 集成温度传感器测温原理,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；,电路核心是使两只管子

27、的集电极电流密度比不随温度变化； 实际制作时，特意将V1、V2发射结面积作的不相等，面积比为， 电阻R上的电压差 取决与发射结面积比。,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.4.1 集成温度传感器测温原理,电路输出总电流用条数比表示,电路输出总电流与温度系数有关，与电流无关； 而面积比n的大小决定了灵敏度大小。,传感与检测技术,第12章 温度传感器,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 全部落在电阻R1上，流过R1上电流为：,12.4.2 集成温度传感器信号输出方式,电路输出为：,可见输出电压U0 与绝对温度T成正比关系,传感与检测技术,第12章 温度传感器

28、,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（=8），流过电路的总电流是：,若R=358，得电路输出温度系数为,温度变化1度（开尔文），输出电流1A,电流输出型电路,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.4 集成温度传感器12.4.3 AD590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430V； 小于3V时灵敏度随外加电压增加而增加，所以电源必须

29、大于4V。,AD590封装,AD590视为电流源,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.4.3 AD590集成温度传感器,AD590 引脚和内部电路原理图,AD590封装,AD590用电流源表示,1+,2-,3GND,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.4.3 AD590集成温度传感器,AD590在摄氏温度25（298.15K）时， 理想输出为298.15A，实际存在误差； 可通过电位器调整，使输出电压满足 1mV/K （1A/K）的关系。,AD590 定标方法,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298.15A时，调节R电阻，使输出值为298.15

30、mV。,一点校正法,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.4.3 AD590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,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.4.3 AD590集成温度传感器,T 时比较器LM311的3脚电压；输出端跳为低电平,- +,AD590 典型应用温控电路,传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.4.1 AD590集成温度传感器,AD590 典型应用,测量摄氏温度电路,测量两点温差电路,

31、传感与检测技术,第12章 温度传感器,12.4.3 AD590集成温度传感器,AD590 典型应用,ICL7107（7106） 带LED（LCD）驱动的A/D转换大规模集成芯片 显示精度31/2（BCD） 输入电压量程：02V，020V，0200V,传感与检测技术,第12章 温度传感器,ICL7107（7106）A/D转换电路,传感与检测技术,第12章 温度传感器,ICL7107（7106）LED（LCD）驱动电路 显示精度31/2（BCD）,传感与检测技术,第12章 温度传感器,AD590 典型应用,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

32、测量； 红外测距、测温等。,第12章 温度传感器,12.5 红外线传感器,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； 一个识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。,传感与检测技术,12.5.1 红外辐射,第12章 温度传感器,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 0.751000m。,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

33、力比可见光强。,可见光,红外线,微波,传感与检测技术,长波,短波,电磁波谱,无线电波,可 见 光,红 外 线,紫 外 光,射 线,射 线,END,电磁波谱波长范围,第12章 温度传感器,工程上把红外线占据在电磁波谱中的波段分为: 近红外、中红外、远红外、极远红外四个波段。,红外,传感与检测技术,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： 22.6m, 35m, 814m,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。,第12章

34、温度传感器,红外,传感与检测技术,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。,第12章 温度传感器,传感与检测技术,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

35、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。,第12章 温度传感器,传感与检测技术,12.5.2 红外辐射探测器,光量子型红外探测器是利用光电效应，通过改变电子能量的状态引起电学现象，光量子型传感器有： 光电导型（PC），电阻受光照后引起电阻变化； 光电型（PV），由于光照产生光生电子空穴对； 光电磁型（PEM），利用光电磁PEM效应，器件加电场 和磁场的同时产生与光照成正比的感应电荷； 肖特基型（ST），金属与半导体接触形成肖特基势垒 随光照而变化。 光量子型探测器与热探测器的区别： 光量子型光电探测器探测的波长较窄，与器件材料有关； 热探测器几乎可以探测整个红外波长范围,

36、第12章 温度传感器,传感与检测技术,12.5.2 红外辐射探测器,热释电元件主要利用热释电效应 热探测器利用红外辐射的热效应，探测器吸收辐射能后引起温度升高，使其它物理量变化； 热释电元件首先将光辐射能变成材料自身的温度， 利用器件对温度的敏感特性将温度变化转换为电信号； 包括了光热电，两次信息变换过程。 光热阶段，物质吸收光能，温度升高； 热电阶段，利用某种效应将热能转换为电信号,第12章 温度传感器,1.热释电效应,传感与检测技术,热释电材料 晶体、陶瓷、塑料等铁电体。 铁电体-压电体、热电体、透明的光电晶体。 热释电元件结构 把具有热释电效应的晶体薄片两面镀上电极，将透明电极涂上黑色膜

37、使晶体有利于吸收红外线。,第12章 温度传感器,1. 热释电效应,晶体本身具有一定极化强度P； 当红外辐射照射到已经极化的铁电体表面时，薄片温度T升高，表面释放部分电荷，电荷减少，使极化强度降低P，所以称热释电。,传感与检测技术,温度一定时，极化产生的电荷被附集在外表的自由电荷慢慢中和掉，不显电性； 要让热释电材料要显示出电特性，必需用光调制器，使温度变化； 光调制器的入射光频率必须大于 电荷中合时间的频率。,为中和的平均时间,1. 热释电效应,第12章 温度传感器,传感与检测技术,铁电体在温度变化时极化强度发生变化，无论温度上升还是下降，介质从带电到不带电有一个中合时间； 要使电荷表现出来，

38、必须使晶体处于冷热交替变化的工作状态，表面才能产生电荷。 升温或降温时电荷极性相反。,第12章 温度传感器,1. 热释电效应,传感与检测技术,热释电传感器只能检测变化的信号，检测时辐射源必须晃动才有信号输出。 通常采用菲涅尔透镜对移动信号进行放大，菲涅尔透镜相当于光栅作用可放大移动信号；菲涅尔透镜在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜， 与一般的放大镜不同，它的表面布满了微小的条纹，在它旋涡状条纹中包含着许多凸透镜（简称圆环状），使得穿过它的光线弯曲即产生衍射现象，从而形成放大的影像。,第12章 温度传感器,1. 热释电效应,传感与检测技术,第12章 温度传感器,传感与检测技术,2. 热释电元

39、件及等效电路,热释电元件可视为电流源，热释电材料只有在温度变化时才产生电流：,热 释 电 元 件,式中：S 元件面积； g 热释电系数； P 极化强度。,2. 热释电元件及等效电路,第12章 温度传感器,传感与检测技术,输出电压：,热释电元件等效电路,热释电元件绝缘电阻很高，几十几百兆欧，容易引入噪声，热释电元件的电荷要形成电压输出，要求有较高的输入电阻，还需用FET进行阻抗变换。 通常热释电传感器已经将前极的场效应管FET和输入电阻安装在管壳中。,2. 热释电元件等效电路,第12章 温度传感器,传感与检测技术,热释电元件因红外线照射产生热量，材料本身与波长无关，利用元件的窗口选用不同材料做滤

40、光器，通过波长选择确定选择波长。 材料有铌酸锶钡、钽酸锂，工作温度-40+85，工作视角85。,12.5.3 红外传感器应用,红外传感器主要用于 红外测温、遥控器、红外监控报警器； 红外摄象机、夜视镜； 控制装置：自动门、干手机、自动水龙头等； 红外无损检测：通过测量热流或热量来检测、 鉴定金属或非金属材料的质量和内部缺陷； 红外成像技术，红外变像管成像、红外摄像管成像、电荷耦合器件（CCD）成像。,第12章 温度传感器,传感与检测技术,12.5.3 红外传感器应用,热释电红外报警控制电路 人体辐射红外线波长大致为612m，温度36 37 人活动的频率范围一般在0.110Hz之间； 热释电元件

41、可检测到10m距离，85的水平视角范围； 传感器将热电信号送运放A放大，反馈电阻可调节放大倍数； 低通输出一定幅值的直流信号驱动蜂鸣器告警。,第12章 温度传感器,传感与检测技术,报警,12.5.3 红外传感器应用,第12章 温度传感器,传感与检测技术,通过菲涅尔透镜放大了，可对微小移动进行检测。,12.5.3 红外传感器应用,红外报警电路,第12章 温度传感器,传感与检测技术,12.5.3 红外传感器应用,红外光束报警电路,为防止防盗报警系统的误报，监控系统不仅严格场地要求，还需通过各种监测方式、多方位进行监测。下图中，通过两只串联的LED发射红外光束，另外两只并联的红外光敏器件接收红外光束

42、，两只管子的间距是小于75mm，小于人体的肩厚度。 每只光敏管可测到由两只LED中任意一只发射的光信号，只有当两条光束同时被遮挡阻断时接收器才触发报警，也就是说只有大于75mm的物体遮挡时输出报警信号，电路可防止蚊虫、飞蛾导致的误报。,第12章 温度传感器,传感与检测技术,12.5.3 红外传感器应用,自动门 由热释电红外传感器检测是否有人出入，由单稳态控制电机正转反转。,第12章 温度传感器,干手器 由热释电红外传感器感应的干手器,自动门,放大 整形,传感与检测技术,12.5.3 红外传感器应用,红外测温 红外测温是目前较先进的测温方法，特点有： 1. 远距离、非接触测量，适应于高速、带电、

43、高温、高压； 2. 反映速度快，不需要达到热平衡过程，反映时间在s量级； 3. 灵敏度高，辐射能 与温度T成正比；准确度高，可达0.1内； 4. 应用范围广泛， 0 以下上千度。,第12章 温度传感器,传感与检测技术,12.5.3 红外传感器应用,红外测温,第12章 温度传感器,传感与检测技术,12.5.3 红外传感器应用,第12章 温度传感器,传感与检测技术,甲型流感红外测温,第12章 温度传感器,红外测温,传感与检测技术,热电偶红外测温,第12章 温度传感器,透镜,冷端,红 外 辐 射,电压放大器,热电偶,传感与检测技术,12.5.3 红外传感器应用,第12章 温度传感器,传感与检测技术,

44、12.5.3 红外传感器应用,红外摄像,红外探测制导 空对空导弹,第12章 温度传感器,传感与检测技术,12.5.2 红外辐射应用,红 外 测 温,红外报警监视器,第12章 温度传感器,传感与检测技术,红外线传感器一氧化碳气体检测,第12章 温度传感器,传感与检测技术,工业红外热像仪,第12章 温度传感器,传感与检测技术,利用热成像技术进行检测是最新的测量技术,许多场合不仅需要知道物体表面平均温度，更需要了解物体的温度分布情况，以便分析研究物体的结构内部缺陷和状况； 红外成像技术就是将物体的温度分布以图象的形式直观地显示出来。 特点： 非接触测量，可用于安全距离检测； 快速，可快速扫描设备及时发现故障； 可测量移动中目标物体。,红外热像仪应用,第12章 温度传感器,传感与检测技术,钢包检测-检测衬里损坏状况，避免漏钢事故,红外热像仪应用,第12章 温度传感器,传感与检测技术,高炉炉衬检测 当耐火材料出现裂缝、脱落、局部缺陷时，高炉表面的温度场分部不均匀，造成安全隐患。利用红外热像仪可以测量出过热区（缺陷区）的温度、位置以及分布面积的大小,红外热像仪应用,第12章 温度传感器,传感与检测技术,检查轴承当电机轴承出现故障时，电机温度会升高，润滑剂开始分解。红外热像仪可以在设备运