传感器原理及应用第11章温度传感器资料

传感器原理及应用第11章温度传感器传感器原理及应用第11章温度传感器主要内容：11.1热电偶11.2热敏电阻11.3集成温度传感器传感器原理及应用第11章温度传感器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）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温度单位：热力学温度是国际上公认的最基本温度传感器原理及应用第11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，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。概述传感器原理及应用第11章温度传感器概述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、光测温度计等等。传感器原理及应用第11章温度传感器温度传感器的种类很多，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，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。概述传感器原理及应用第11章温度传感器概述各种热电偶传感器原理及应用第11章温度传感器概述各种热电阻传感器原理及应用第11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，利用导体随温度变化，可测温几百度；•热敏电阻，利用半导体材料随温度变化测温，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PN结电流、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。概述传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶11.1.1热电效应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（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。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。传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶11.1.1热电效应•固定温度的接点称基准点（冷端）T0，恒定在某一标准温度；•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。热电偶测温方法真空瓶冰和水共存冰点+脚-脚传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶11.1.1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。不同金属自由电子密度不同(1)两种导体的接触电势传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶11.1.1热电效应热端接触电势：()lnAABBNKTETeN冷端接触电势：00()lnAABBKTNETeN、、式中：A、B代表不同材料；T，T0为两端温度；K＿波尔兹曼常数；e＿电子电荷量；BNAN是A、B材料的电子浓度；0lnAABBNKETTeN在闭合回路中，总的接触电势为：(1)两种导体的接触电势热电偶热端温度为T时传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶11.1.1热电效应对单一金属如果两边温度不同，两端有温度梯度，两端也产生温差电动势；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。＋－Ｔ＞Ｔ０(2)单一导体的温差电势（汤姆逊电势）传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶11.1.1热电效应A、B两导体构成闭合回路总的温差电势为：000,,()TABABTeTTeTTdT00,TBBTeTTtdT单一导体的温差电势为：000,()TABABABABTETTETETdT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：式中：是泽贝克系数，是温度和位置的函数。AB00,TAATeTTtdT传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶11.1.1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。000,ln()TAABABTBNKETTTTdTeN热电偶总的热电势为：传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶11.1.2热电偶基本定律000,ABCABBCCAETTETETET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：ＡＢＣＴＴ０Ｔ０0TT设00ABCET000BCCAABETETET代入上式有：000,,ABCABABABETTETETETT(1)三种导体的热电回路（中间导体定律）传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶11.1.2热电偶基本定律结论：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。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。000,,ABCABABABETTETETETTＡＢＣＴT０Ｔ０测量仪器回路中总电势：传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶11.1.2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AB，在结点温度为T、T0时的热电势EAB（T，T0）等于结点温度T、TC和TC、T0时的热电势,ABCETT与0,ABCETT的代数和，即：0,0,,ABABCABCETTETTETT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)考电极定律（中间温度定律）传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶11.1.3热电偶的结构和种类热电偶种类：•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，这是其它温度传感器无法替代的。传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶11.1.3热电偶的结构和种类传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶11.1.3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。a)普通热电偶b)薄膜热电偶c)铠装热电偶传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶11.1.4热电偶测量电路通过查热电偶分度表可知热电偶产生的热电势；例如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：1.调零：T=0℃时调整调零电位器RP2使运放输出为零；2.调增益：温度600℃时调节负反馈电阻，使运放输出在6V。3.600℃时，K型热电偶热电势为E=24.902mv，放大器增益为6V/24.902mv=240.945，得到满量程输出6V。传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶11.1.4热电偶测量电路例：使用k型热电偶测温，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。问，当基准接点为30℃，测温接点为900℃时的温差电动势为多少？解：现t=900℃，t0=30℃，基准接点温度为30℃，测温接点温度为900℃时的温差电动势设为E，则900℃总的温差电势为：37.325=1.203+E，所以E=36.122mV。实际应用中往往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EA（t,0）,与实际热电势EAB（t,t0）之间的关系可通过参考电极定律得出：00,0,,0ABABABEtEttEt传感器原理及应用第11章温度传感器0R炉温的自动调节11.1热电偶＿应用传感器原理及应用第11章温度传感器0R炉温的自动记录11.1热电偶＿应用++--电热线P:固定ACDPVE1ESRQ++--热电偶记录计直流变为交流的直交变换器放大器电机P:滑动切点ACDPVE1E2传感器原理及应用第11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。广泛用于测量-200～+850℃，少数可测1000℃。11.2热敏电阻贴片式薄膜式大功率传感器原理及应用第11章温度传感器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，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：11.2热敏电阻11.2.1金属热电阻-200～O℃+0～850℃2301100tRRAtBtCtt201tRRAtBt式中：0RtR为温度00C和0tC时的电阻值，A、B、C为常数；ITS—90中常数规定见P229。传感器原理及应用第11章温度传感器11.2热敏电阻11.2.1金属热电阻-20002004006001234温度t[0C]电阻比R/R0铂测温电阻元件的电阻的温度特性分度号分别为：Pt10Pt100,见分度表0010100RR为的公称值，00C0R金属热电阻与有关0R目前我国规定工业用铂热电阻有两种：传感器原理及应用第11章温度传感器11.2热敏电阻11.2.1金属热电阻带保护管的铂测温电阻元件5mm云母铂线瓷器铂线云母绝缘耐高温瓷管传感器原理及应用第11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。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。11.2热敏电阻11.2.2热敏电阻热敏电阻符号传感器原理及应用第11章温度传感器热敏电阻—温度特性PTC——正温度系数型；NTC——负温度系数型；•负温度系数热敏电阻的特性曲线用经验公式表示：11.2热敏电阻11.2.2热敏电阻负温度系数型热敏电阻特性曲线1expTBRATTTRA，与材料和形状有关；B，常数；，温度为T时的电阻值；传感器原理及应用第11章温度传感器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℃。热敏电阻最大的缺点是，产品一致性差，互换性不好，因此一般只用于电器产品，不在石油、钢铁、制造业上使用。11.2热敏电阻11.2.2热敏电阻传感器原理及应用第11章温度传感器11.2热敏电阻11.2.3热敏电阻的应用0R图是一恒温控制电路，Rt为热敏电阻，A为比较器，当环境温度达到T℃时，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，RP可调节比较器的比较电平，从而调节所需控制温度。热敏电阻的恒温控制电路传感器原理及应用第11