第4章--温度传感器

第四章温度传感器汽车电子控制基础——汽车电子控制基础——第四章温度传感器情景模拟温度传感器热电偶热电阻热敏电阻汽车电子控制基础——第四章温度传感器为了解发动机的热状态，计算进气的质量流量及进行排气净化处理，需要有能够连续、精确地测量冷却液温度、进气温度与排气温度的传感器。温度传感器根据工作原理不同，可分为热电偶型、热敏电阻型、金属测温电阻型、晶体管型、集成型等汽车上温度传感器常用的有:金属热电阻式热电偶式热敏电阻式汽车电子控制基础——第四章温度传感器测量用部件优点缺点热电偶1.可测定很小部位的温度；2.可缩短滞后时间；3.耐振动与冲击；4.适于测定温度差；5.测定范围宽。1.需要标准触点；2.标准触点与补偿导线有误差；3.在常温下，不注意修正，难以得到较高的精度。热电阻1.适于测定较大范围的平均温度；2.不需要标准触点等；3.与热电偶相比，常温左右的精度较高。1.难以缩短滞后时间；2.在振动严重的场所下可能出现破损；3.受导线电阻的影响，需要修正。热敏电阻1.可测量很小部位的温度；2.可缩短滞后时间；3.灵敏度高；4.不能忽略导线电阻造成的误差；5.最适于测量微小的温度差；6.测量机构简单且价格低廉；7.因信噪比较高，所以对系统性计量工程来说经济性好。1.因电阻与温度间的非线性程度较严重，有时需要做线性处理；2.有时需要互换用电阻；3.振动严重的场合可能会造成破损。汽车电子控制基础——第四章温度传感器几种温标的对比正常体温为37C，相当于华氏温度多少度？汽车电子控制基础——第四章温度传感器接触式测温温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。(1)膨胀式温度计(2)热电阻温度计(3)热电偶温度计(4)其他原理的温度计直观、可靠，测量仪表也比较简单特点非接触测温温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。(1)辐射式温度计(2)光纤式温度计：特点不与被测物体接触，不破坏原有的温度场。精度一般不高。汽车电子控制基础——第四章温度传感器物理现象体积热膨胀电阻变化温差电现象导磁率变化电容变化压电效应超声波传播速度变化物质颜色P–N结电动势晶体管特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射种类铂测温电阻、热敏电阻热电偶BaSrTiO3陶瓷石英晶体振动器超声波温度计示温涂料液晶半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅辐射温度传感器光学高温计1.气体温度计2.玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计5.液体压力温度计6.气体压力温度计1．热铁氧体2．Fe-Ni-Cu合金汽车电子控制基础——第四章温度传感器汽车上主要温度传感器1）冷却液温度传感器；2）进气温度传感器；3）变速器油温传感器；4）排气温度传感器（催化剂温度传感器）；5）EGR废气循环监测温度传感器；6）车外温度传感器；7）车内温度传感器；8）日照温度传感器；9）空调蒸发器出口温度传感器；10）热敏铁氧体温度传感器；11）排气温度传感器；12）冷却液温度表传感器13）蓄电池温度传感器；14）热敏开关。汽车电子控制基础——第四章温度传感器汽车电子控制基础——第四章温度传感器第一节热电阻式温度传感器热电阻效应:物质的电阻率随其本身温度变化而变化的现象热电阻式传感器:根据热电阻效应制成的传感器图4-1热电阻的结构汽车电子控制基础——第四章温度传感器热电阻的类型:1.半导体热敏电阻2.金属热电阻取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484。汽车电子控制基础——第四章温度传感器一、半导体热敏电阻利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结优点：(1)热敏电阻的温度系数比金属大（4～9倍）(2)电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。(3)结构简单、机械性能好。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。汽车电子控制基础——第四章温度传感器热敏电阻分类：正温度系数(PTC)负温度系数(NTC)临界温度系数(CTR)热敏电阻典型特性汽车电子控制基础——第四章温度传感器PTC热敏电阻－正温度系数钛酸钡掺合稀土元素烧结而成用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。CTR热敏电阻－负温度系数以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成用途：温度开关。NTC热敏电阻－很高的负电阻温度系数主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物混合烧结而成应用：点温、表面温度、温差、温场等测量自动控制及电子线路的热补偿线路热敏电阻分类汽车电子控制基础——第四章温度传感器NTC热敏电阻1.热敏电阻的主要特性2.热敏电阻的结构3.热敏电阻的主要参数4.热敏电阻的线性化汽车电子控制基础——第四章温度传感器1.热敏电阻的主要特性NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻-温度特性00273127310110ttBTTBTeReRR式中RT,R0——热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值()；T0,T——介质的起始温度和变化温度（K）；t0,t——介质的起始温度和变化温度（℃）；B——热敏电阻材料常数，一般为2000～6000K，其大小取决于热敏电阻的材料。0011lnTTRRBT⑴温度特性汽车电子控制基础——第四章温度传感器21TBdTdRRTTB和α值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高。热敏电阻的电阻温度系数热敏电阻在其本身温度变化1℃时，电阻值的相对变化量汽车电子控制基础——第四章温度传感器⑵伏安特性在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端的电压U之间的关系汽车电子控制基础——第四章温度传感器当流过热敏电阻的电流很小时:不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律。主要用来测温。当电流增大到一定值时：流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻特性。因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降。其所能升高的温度与环境条件(周围介质温度及散热条件)有关。当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。可用它来测量流体速度和介质密度。汽车电子控制基础——第四章温度传感器2.热敏电阻的结构构成：热敏探头、引线、壳体二端和三端器件：为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路获得功率；四端器件：旁热式汽车电子控制基础——第四章温度传感器热敏电阻的结构形式汽车电子控制基础——第四章温度传感器3.热敏电阻的主要参数⑴标称电阻值RH在环境温度为25±0.2℃时测得的电阻值，又称冷电阻。其大小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。⑵耗散系数H指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差1℃时热敏电阻所耗散的功率，单位为mW/℃；⑶热容量C热敏电阻的温度变化1℃所需吸收或释放的热量，单位为J／℃；汽车电子控制基础——第四章温度传感器⑷能量灵敏度G（W）使热敏电阻的阻值变化1％所需耗散的功率。⑸时间常数τ温度为T0的热敏电阻突然置于温度为T的介质中，热敏电阻的温度增量ΔT=0.63(T－T0)时所需的时间。⑹额定功率PE在标准压力（750mmHg）和规定的最高环境温度下，热敏电阻长期连续使用所允许的耗散功率，单位为W。在实际使用时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率100)/(HGHC/3.热敏电阻的主要参数汽车电子控制基础——第四章温度传感器二、金属热电阻汽车电子控制基础——第四章温度传感器金属热电阻及其特性热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量。1.铂电阻铂易于提纯，在高温和氧化性介质中物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度；制成的铂电阻输出－输入特性接近线性。汽车电子控制基础——第四章温度传感器铂电阻的电阻值与温度之间的关系：]100)t-C(tBtAt[1RRC0~200-)BtAt(1RRC650~0320t20tA、B、C——常数铂电阻制成的温度计，除作温度标准外，还广泛应用于高精度的工业测量。由于铂为贵金属，一般在测量精度要求不高和测温范围较小时，均采用铜电阻。汽车电子控制基础——第四章温度传感器铜电阻铜在-50～150℃范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输铜电阻阻值与温度变化之间的关系：式中A、B、C—常量当温度高于100℃时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作汽车电子控制基础——第四章温度传感器其他热电阻①镍使用温度范围是-50～100℃和-50～150℃。但目前应用较少：镍非线性严重，材料提取也困难。但灵敏度都较高，稳定性好，在自动恒温和温度补偿方面的应用较多。（我国定为标准化热电阻）②铟电阻适宜在-269～-258℃温度范围内使用，测温精度高，灵敏度是铂电阻的10倍，但是复现性差。③锰电阻适宜在-271～-210℃温度范围内使用，灵敏度高，但是质脆易损坏。④碳电阻适宜在-273～-268.5℃温度范围内使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但是热稳定性较差。汽车电子控制基础——第四章温度传感器热电阻的结构比较简单，一般将电阻丝统在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘骨架上，经过固定，外面再加上保护套管。但骨架性能的好坏，影响其测量精度、体积大小和使用寿命。热电阻的结构、类型你好汽车电子控制基础——第四章温度传感器汽车电子控制基础——第四章温度传感器感温元件结构普通（装配式）铂电阻汽车电子控制基础——第四章温度传感器铠装式铂电阻比装配式铂电阻直径小，易弯曲，抗震性好，适宜安装在装配式铂电阻无法安装的场合。铠装式铂电阻外保护套管采用不锈钢，内充满高密度氧化物绝缘体，因此具有很强的抗污染性能和优良的机械强度，适合安装在环境恶劣的场合。可直接用铜导线和二次仪表相连接使用。由于它具有良好的电输出特性，可为显示仪、记录仪、调节器、扫描器、数据记录仪以及计算机提供准确的温度变化信号。铠装式铂电阻汽车电子控制基础——第四章温度传感器薄膜铂热电阻元件，把金属铂研制成粉浆，采用先进的激光喷溅薄膜技术，及光刻法和干燥蚀刻法把铂附着在陶瓷基片上形成膜，引线经过激光调阻制成。铂金属的长期稳定性、可重复操作性、快速响应及较宽的工作温度范围等特性使其能够适合多种应用。薄膜铂热电阻汽车电子控制基础——第四章温度传感器铂热电阻分度表汽车电子控制基础——第四章温度传感器热电阻的应用1、热电阻温度计R1R2R3R4RtR1ˊˊR2通常工业上用于测温是采用铂电阻和铜电阻作为敏感元件，测量电路用得较多的是电桥电路。为了克服环境温度的影响常采用图所示的三导线四分之一电桥电路。由于采用这种电路，热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中，如果，则由于环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被相互抵消。汽车电子控制基础——第四章温度传感器第二节热电偶式温度传感器热电偶汽车电子控制基础——第四章温度传感器将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。1、热电效应汽车电子控制基础——第四章温度传感器BAABNNekTTEln)(ABTT0k——玻耳兹曼常数，e——电子电荷量，T——接触处的温度，NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。BAABNNekTTEln)(00汽车电子控制基础——第四章温度传感器2、热电偶测温基本定律1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。TT02)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V汽车电子控制基础——第四章温度传感器3)参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已