第4 5讲 温度传感器

第三章温度传感器热电偶热电阻热敏电阻集成温度传感器红外测温仪第一节热电偶一、工作原理：两种不同材料的导体A与B，按图2-1所示的组合在一起，如果两结点的温度不同，则在回路中就会有电势产生，其电势（电流）的大小与两导体的性质和结点的温度有关。这种现象称为热电势效应。工作端（热端T）自由端（冷端T0）热电势两种导体的接触电势单一导体的温差电势TABT0图2—1热电效应1.两种导体的接触电势接触电势公式：eAB(T)=(KT/q)ln(nA/nB)(2—1）式中：eAB(T)——A,B两金属在温度T时的接触电势K——波尔兹曼常数；q——电子电荷总的接触电势为：eAB(T,T0）=（K(T-T0)/q)ln(nA/nB)（2—3）2.单一导体的温差电势设导体A达到动态平衡时的温差电势为eA(T，T0），导体B的温差电势为eB(T，T0）。由A，B两导体组成的闭合电路总温差电势为：eAB’(T，T0）=∫（σB-σA)dTσA、σB——导体A，B的汤姆逊系数（2—4）TT0热电偶总的热电势为：EAB(T，T0）=eAB(T，T0）+eAB’(T，T0）=（K(T-T0)/q)ln(nA/nB)+∫（σB-σA)dT（2—5）TT0结论:1.同种导体构成的热电偶,即便TT0。闭合回路中也不会产生热电势。因此，作为热电偶，必须采用两种不同的导体作热电极。2.热电偶所产生的热电势大小，只决定于热电极材料的成分和两结点温度，与热电极的长度，直径和接触面的形状、大小无关。当T=T0时，热电势为零。3.热电偶两电极材料成分确定后，热电势大小只由两结点温度决定，与电极中间温度无关。若自由端温度T0保持一定，由式（2—5）可知，热电偶的热电势仅是测量端温度T的单值函数。即：EAB(T，T0）=φ（T）（2—6）二、热电偶的种类按材料：廉金属贵金属难熔金属非金属按用途和结构：1.普通工业用：直形角形锥形2.专用：锴装（缆式）薄膜热电极绝缘瓷管保护管接线座接线盒接线柱图2—5直形无固定装置普通工业用热电偶三、热电偶测温及自由端的温度补偿1.计算修正法设热电偶测量端温度为T，自由端温度为T0（0℃），根据中间温度定律：E（T，0）=E（T，T0）+E（T0，0）（2—7）知道自由端的温度T0，查出热电势值E（T0，0），与实测的热电势值E（T，T0）相加，得出测量端温度T，自由端温度为0℃时的热电势值E（T，0），最后再由热电偶分度表查出被测介质的真实温度。例如用铂铑10—铂热电偶测量某炉温时，自由端温度T0=30℃，由电子电位差计测得热电势E（T，30）=9.383mV，由分度表查的E（30，0）=0.173mV，由式（2—7）得E（T，0）=9.383+0.173=9.566mV，再查分度表得T=1000℃。2.经验公式校正法为减少一次查表，工程上常采用这种方法：t=t’+kt0式中t－被测电真实温度；t’－由E(t,t0)值查分度表得出的温度；t0－冷端恒定温度；k－经验系数3.自由端温度恒温法将热电偶自由端置于0℃的恒温容器中。最简易的办法是在保温瓶中装入冰水混合液，但只适用于室内。一般工程测量或控制常采用的方法：a.将自由端埋入地下1.5m~2m深处，使其温度相对保持恒定。b.将自由端放入电热恒温箱内。c.将自由端放入装有变压器油的保温瓶内。4.电桥补偿法G图2—9电桥补偿法补偿电路补偿导线铜导线BACDETR5R4R1R3R2ab1T0T025.几种实用的测温电路见P14图2－8：测量点温度的电路；测量平均温度的电路；测量温度之和的电路；测量温差的电路。第二节热电阻传感器热电阻（金属热电阻式）1.热电阻材料的特点：1)高温度系数，高电阻率。2)化学、物理性能稳定。3)良好的输出特性。4)良好的工艺性。2.热电阻的特性铂电阻阻值与温度变化之间的关系：在0℃~660℃温度范围内RT=R0（1+At+Bt2）（2—9）在-190℃~0℃温度范围内RT=R0[1+At+Bt2+C(t–100)t3](2—10）铂电阻制成的温度计经常用作高精度的工业测量，价格一般较高。铜容易提纯，价格低廉。铜电阻阻值与温度变化之间的关系式：RT=R0（1+At+Bt2+Ct3）（2—11）铜电阻的电阻率仅为铂电阻的1/6左右，适用于温度较低和没有侵蚀性的介质中工作。3.其它热电阻铟电阻适宜在–269℃~–258℃温度范围内使用。锰电阻适宜在–271℃~–210℃温度范围内使用。碳电阻适宜在–273℃~–268.5℃温度范围内使用。II.热敏电阻1.热敏电阻的分类与分类:1)负温度系数热敏电阻（NTC）2)正温度系数热敏电阻（PTC）3)临界温度系数热敏电阻（CTR）负温度系数热敏电阻的特点：1)电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的10倍。2)结构简单，体积小，可以测量点温度。3)电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。4)易于维护和进行远距离控制。5)制造简单，使用寿命长。6)互换性差，非线性严重。2.负温度系数热敏电阻的特性电阻—温度特性曲线公式：RT=AeB/T（2—12）或RT=R0exp[B(1/T–1/T0)]对于热敏电阻特性的严重非线性，解决的办法是利用温度系数很小的金属电阻与热敏电阻串联或并联，使热敏电阻在一定范围内呈线性关系。UI图2—10负温度系数热敏电阻的电阻—温度特性曲线ARTRXE(a)RTRSRTRXIT(b)(c)图2—12热敏电阻非线性校正表2—2热敏电阻的主要用途家用电器电子炉灶、电子烤箱、电磁式烹调器、电饭锅、电暖壶、电熨斗、电冰箱、洗衣机、烘干机住房设备家用空调器、热风取暖器、空调设备、电热褥、电热地毯、快速煮水器、太阳能系统汽车电子喷油嘴、发动机防热装置、汽车空调器、液位计测量仪器流量计、风速表、真空计、浓度计、湿度计、环境污染监测仪办公设备复印机、传真机、打印机农业园艺暖房培育、育苗、饲养、烟草干燥医疗体温计、人工透晰、检查诊断第三节集成电路温度传感器•定义：在一块极小的半导体芯片上集成包括敏感器件、信号放大电路、温度补偿电路、基准电源电路等。•发展方向：高灵敏度、智能化、小型化（微型化）、多功能化•优点：线性度好、重复性好、稳定性好、输出信号大且规范化。•输出分类：电压型：温度系数为10mV/℃电流型：温度系数为1μA/℃在绝对温度零度时，它们的输出电量均为零。㈠电流输出型集成温度传感器AD590是代表产品之一，特别适于远距离测量和传输。基本工作原理：AD590是基于硅集体管的发射极和基极间电压和绝对温度相关的原理而进行设计制造的。基本方程：Vbe=(KT/q)LnJ(2—15）主要性能：1.测温范围-55℃~+150℃。2.线性电流输出1μA/K。3.线性度好，满刻度范围为±0.01℃。4.电源电压范围4V~30V，当电源电压在5V~10V之间，电压稳定度为1%时，所产生的误差只有±0.01℃。5.电阻采用激光修刻工艺，使在+25℃（298.2K)时，器件输出298.2μA。绝对温度和摄氏温度的转换—偏置电路AD590的输出量是电流，通过1KΩ电阻，获得1mV/K的输出电压。绝对温度和摄氏温度之间的关系：t(K)=t(℃)+273.15(2—19）VT=1mV/℃273.2mVA9.1kAD590温度调节100910AD580V0=GVT增益可调数据放大器+2.5V200失调微调1K图2—14绝对温度至相对温度的转换—偏置电路}R1+R2R3AD590的应用RDzRHRsetRLC110k+RBAD590RLT1T210V+V图2—15恒温控制电路加热元件（（（（A8ΔJ㈡电压输出型集成温度传感器NEC公司的μPC616是代表产品之一1.工作原理：从图2—16中的图（a）可以看出μPC616电路可分为：温度传感器部分稳压部分运算放大器部分温度传感器部分：输出电压的绝对值在T=25℃时为2.982V（对应298.2K），因此它的温度系数为10mV/℃。用于温度测量和控制十分方便。稳压部分：具有温度补偿电路使输出电压十分稳定。运算放大器部分具有两种功能：a.测温时连接成电压跟随器b.作温度控制时的设定值输入端3246.85V150k10mV/k温度传感器+Δ84132（a）方框图（b）封装图图2—16μPC616方框图和封装图2.应用实例1)基本应用电路：R-15V32INOUT-10mV/K1ur7.5k47.5k+15VINOUT4R3ur10mV/K210V（a）负电源（b）正电源图2—19μPC616基本应用电路2)表示摄氏温度的电路R2+15VR1INOUT5.1kR32.7kRw5k5.1k-15VR4k2.4ur(a)用正负电源20kINOUT7.5k-15V20kRw100k+Δ调到-2.732Vur(b)用负电源图2—20摄氏温度传感器第四节红外温度传感器㈠红外检测的物理基础：一切物体只要它的温度不是热力学零度，总是在不断的发射红外辐射。许多非电量能够影响和改变红外光的特性，利用红外敏感元件测得红外光的变化，进而可以确定待测非电量。1.斯忒潘—玻尔兹曼定律:物体温度越高，发射的红外辐射能越多：E=σεT4(2-21)2.维恩位移定律：红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长λm与物体自身的绝对温度T成反比，即：λm=2879/T（μm）（2—22）㈡红外探测器红外温度传感器在吸收红外辐射能后温度升高，引起某种物理性质的变化，而这种变化与吸收的红外辐射能成一定的关系。利用红外辐射测量温度具有以下特点：1.测量过程不影响被测目标的温度分布，可用于对远距离、带电、以及其它不能直接接触的物体进行温度测量。2.响应速度快，适宜对高速运动的物体进行温度测量。3.灵敏度高，能分辨微小的温度变化。4.测温范围宽，能测量–10℃~+1300℃之间的温度。比色温度计如图2—22，它是采用双通道光路分别测量被测物体辐射和标准黑体辐射中的单色辐射功率，利用物体在两个不同波长下的光谱辐射亮度之比值实现温度测量。981011127645321图2—22双通道光电比色温度计1，5—硅光电池；2，4—滤光片；3—分光镜；6—场镜；7—视场光栏；8—物镜；9—反射镜；10—倒象镜；11—回零信号接收元件；12—目镜。光—电光—电