第11章温度传感器

第11章温度传感器主要内容：11.1热电偶；11.2热敏电阻；11.3集成温度传感器温度传感器特征：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）。同时定义国际开尔文温度（T90），国际摄氏温度（t90）；T90：单位（K）开尔文t90：单位（C）摄氏两者关系为：t90/℃=T90/K–273.15或t/℃=T/K–273.15温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉，这些家用电器中都少不了温度传感器。温度传感器的种类很多，如果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，应用广泛；家电、汽车上使用的传感器，价格便宜，用量大，成本低，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。温度传感器按工作原理主要有三类：热电偶——利用金属温差电动势，有耐高温，精度高的特点；热电阻——利用导体随温度变化，测量温度不高；热敏电阻——利用半导体材料随温度变化测温，体积小、灵敏度高、稳定性差；集成温度传感器——利用晶体管PN结电流、电压随温度变化，有专用集成电路，体积小、响应快、价廉，测量1500C以下温度。11．1热电偶11．1．1热电效应两种不同类型的金属导体两端，分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等（T＞T0）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（塞贝克效应）。利用这种效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。固定温度的接点称基准点（冷端）T0，恒定在某一标准温度；图11—1热电偶结构示意图待测温度的接点称测温点（热端）T，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为热电偶，金属称热电极。热电偶中热电势的大小与两种导体的材料性质有关，与结点温度有关，实际应用时，不是测量回路电流，而是测量基准端开路电压。基准端装入冰水，根据所测电压值求测点温度。各个国家都有自己的工业标准，一般都以00C为基准端温度，给出温差电动势电压。图11—2热电偶测温示意图图11—3两种导体的接触两种导体的接触电势不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会发生电子扩散，浓度大的向浓度小的金属扩散。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，得到一个稳定的接触电势。温度T时热端接触电势：冷端接触电势：式中：A、B代表不同材料；是波尔兹曼常数；为电子电荷量；、为两端温度；、是A、B材料的电子浓度；在闭合回路中，总的接触电势为：单一导体的温差电势（汤姆逊电势）对一单一金属，如果两边温度不同，两端也会产生电势。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。单一导体的温差电势为：图11—4单一导体的温差B两导体构成闭合回路总的温差电势为：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：图11—5热电偶总的热电势综上所述有如下结论：热电偶两电极材料相同，NA=NB时，无论两端点温度如何，总热电势为零；如果热电偶两接点温度相同，T=T0时，A、B材料不同，回路总电势为零；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。三种导体的热电回路（中间导体定律）如果将热电偶T0端断开，接入第三导体C，回路中电势EAB（T，T0）应写为：设时，，将代入上式有：结论：当引入第三导体C时，只要C导体两端温度相同，回路总电势不变，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。图11—6三种导体的热电回路参考电极定律（中间温度定律）当结点温度为T、T0时的热电势EAB（T，T0）等于结点温度T、TC和TC、T0时热电势与的代数和：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进行修正。图11—7中间温度定律11．1．2热电偶的种类和结构热电偶种类：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）℃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。热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好，这是其它温度传感器无法替代的。a)铠装热电偶b)薄膜热电偶c)铠装热电偶图11—8几种热电偶的结构11．1．3热电偶测量电路热电偶输出电压极小，约几十μV，需要采用低失调电压运算放大器，图11.8给出了一种K型热电偶的测量电路。图中R3、C1为输入滤波电容，通过查表K型热电偶在0℃时产生热电势为0mV，600℃时℃热电势E=24.902Mv,放大器增益为240.94，可得到满量程输出6V（600℃）。电路调试步骤：调零：温度时，调整调零电位器RP2，使运放输出为零；调增益：温度600℃时，调节负反馈电阻，使运放输出在6V。热电偶分度表以t=0℃作基准，而实际应用中t≠0℃，若参考端温度不为0℃，工作端温度为t时，由分度表可查出EAB（t,0），与实际热电势EAB（t,t0）之间关系可通过参考电极定律得出：图11—9热电偶测量电路示意图11．2热敏电阻金属热电阻、半导体热敏电阻统称热电阻。利用金属热电阻、半导体电阻值随温度变化的原理进行温度测量。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——广泛用于测量-200～+850℃，少数可以测量1000℃。11．2．1金属热电阻一般用于-200～+500℃温度测量，材料多为纯铂金属丝，也有铜、镍，将0.03～0.05mm金属芯线绕制在云母板、玻璃或陶瓷线圈架上，构成热电阻。铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为：-200～O℃+0～850℃式中：、为温度和时的电阻值。温度时的公称值是。11．2．2热敏电阻近年来，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。热敏电阻用半导体材料氧化复合烧结而成，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。热敏电阻符号如图11.9所示。电阻—温度特性图11-—9热敏电阻符号多数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℃。负温度系数热敏电阻的特性曲线用经验公式表示：—温度为时的电阻值；—与材料和形状有关；—为常数。PTC——正温度系数型；NTC——负温度系数型；图11-—10负温度系数型热敏电阻特性曲线热敏电阻最大的缺点是，产品一致性差，互换性不好，因此一般不在石油、钢铁、制造业上使用。11．2．3应用图11.11是一恒温电路，A为比较器，当环境温度达到T℃时，输出信号实现自动调温控制。同相端输入有RP1、R2、R3分压确定作比较电平，当温度T升高时，正温度系数热敏电阻Rt阻值上升，反相端Ua升高，当Ua升高至与同相端Ub相等时，比较器A输出电压Uo翻转为低电平，可输出控制开关继电器。RP可调节比较器的比较电平，从而调节所需控制温度。图11-—11热敏电阻的恒温控制电路11．3集成温度传感器集成温度传感器利用PN结的电流、电压特性与温度的关系，一般只能测量150℃以下温度测量。11．3．1集成温度传感器的测温原理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，利用发射极电流密度在恒定比率下工作的晶体管对的基极发射极电压VBE之间的差与温度呈线性关系，如伏安方程式：式中：——波尔滋蔓常数；——电子电荷量；——绝对温度；——V1、V2发射极面积比。正比于绝对温度，只要保证恒定，就可以使与为单值函数。图11.12是绝对温度比例电路（PTAT），V1、V2是两只互相匹配的温敏晶体管，I1、I2是集电极电流，由恒流源提供，ΔVbe是两个晶体管发射极和基极之间电压差。图11-—12集成温度传感器基本电路原理图图11-—13电压输出型电路原理图11．3．2集成温度传感器信号输出方式电压输出型电压输出型电路原理如图11-—13所示，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，流过R2上的电流也等于，是恒定电流。电路输出为：，可见输出电压U0与绝对温度T成正比关系。电流输出型电流输出型电路原理见图11.14，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，电路输出温度系数为：图11-—14电流输出型电路原理图图11-—15AD590引脚和内部电路原理图11．3．3AD590集成温度传感器电流输出型典型集成温度传感器有AD590（美国AD公司生产），国内同类产品SG590，引脚和内部结构见图11.115。该器件电源电压4～30V，测温范围-50～+150℃，AD590在温度25℃（298.2K）时，理想输出298.2μA，实际存在误差，可通过电位器调整，使是出电压满足1mV/K的关系。（a）（b）图11-—16AD590典型应用本章小结:温度传感器—电阻因温度而变化1）金属热电阻：温度越高，电阻越大，元件，在500℃以下使用；2）半导体热敏电阻：温度越高，电阻越小，在350℃以下使用；3）热敏电阻传感器，有灵敏度高、适应性强的特点，能远距离测量；4）热电偶温度传感器测温，连接不同材料的金属线一端，且加热节点，另两端产生电动势，可在1500℃以下使用。本章要点:1）热电偶的热电效应、热电偶的结构和种类，热电偶测量电路；2）热敏电阻，金属热电阻和热敏电阻的温度特性及应用；3）集成温度传感器测温原理，AD590集成温度传感器特性和典型应用测量电路。