第9章温度传感器原理及其应用

第9章温度传感器原理及其应用9.1概述9.2金属热电阻9.3热敏电阻9.4热电偶9.5红外传感器9.6集成温度传感器9.1概述9.1.1温度传感器的类型和特点温度是一个重要的物理量，它反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理量和化学过程相联系。测温的方法很多，仅从测量体与被测介质接触与否来分，有接触式测温和非接触测温两大类。接触式测温是基于热平衡原理，测温敏感元件与被测介质接触，在足够长的时间内，使两者处于同一热平衡状态，具有同一温度，如汞温度计、热电偶温度计等。非接触式测温是利用物质的热辐射原理，测温敏感元件不与被测介质接触，而通过接收被测物体发出辐射来判断温度，如辐射温度计、红外温度计等。9.1.1温度传感器的类型和特点温度传感器的分类如图9-1所示。图9-1温度传感器的分类9.1.1温度传感器的类型和特点常用材料温度传感器的类型、测温范围和特点如表9-1所示。9.1.2温度传感器的应用温度传感器应用极其广泛，家用的空调系统、冰箱、电饭煲、电风扇等产品都要用到温度传感器，工业上也广泛使用温度传感器，汽车上也用到温度传感器，另外航空、海洋开发、生物制药都需要温度传感器。例如：Intel公司在其Pentium处理器中集成了一个远程二极管温度传感器，能更直接测到CPU核心的温度变化，通过一根引线接出，由外部传感器芯片处理，在温度过热时，便自动降低CPU主频或加大风扇功率。利用温度采集器对居民家中环境进行温度采样，并记录到数据库中作为收费依据，对于闲置和不需供热的房间自动关闭，并采用了计算机远程管理技术，实现了家庭供热系统的自动化。9.1.3温度传感器的发展1.传统的分立式温度传感器•传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要是能够进行非电量和电量之间的转换。2.模拟集成温度传感器•模拟集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，模拟集成温度传感器的优点是功能单一（仅测量温度）、测量误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需进行非线性校准，外围电路简单。3.智能温度传感器•目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。3.智能温度传感器•所谓智能传感器是指具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能的传感器，它不仅具有传统传感器的所有功能，而且还具有数据处理、故障诊断、非线性处理、自校正、自调整以及人机通讯等许多功能。如图9-2所示为智能温度传感器的发展。图9-2智能温度传感器的发展智能传感器①有逻辑思维与判断、信息处理功能，可对检测数值进行分析、修正和误差补偿。智能传感器可通过用软件对信号滤波，还能用软件实现非线性补偿或其他更复杂的环境因素补偿，因而提高了测量准确度。②有自诊断、自校准功能，提高了可靠性。智能传感器可以检测工作环境，并当环境条件接近临界极限时能给出报警信号；当智能传感器因内部故障不能正常工作时，通过内部测试环节，可检测出不正常现象或部分故障。③可实现多传感器多参数复合测量，扩大了检测与适用范围。智能传感器很容易实现多个信号的测量与运算。9.2金属热电阻利用导体或半导体的电阻率随温度变化的特性制成的传感器叫做热电阻式传感器，它主要用于对温度和与温度有关的参量进行检测。测温范围主要在中、低温区域（）。在高温方面，也出现了多种用于的电阻温度传感器。其测温元件可分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。CC650~200CC1300~10009.2.1金属热电阻的结构热电阻是由电阻体、保护套和接线盒等主要部件组成，电阻体是热电阻的最主要部分。虽然各种金属材料的电阻率均随温度变化，但作为热电阻的材料，则要求：•①电阻温度系数要大，以便提高热电阻的灵敏度；•②电阻率尽可能大，以便在相同灵敏度下减小电阻体尺寸；•③热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；•④在整个测量温度范围内，应具有稳定的物理和化学性能；•⑤电阻与温度的关系最好接近线性关系，具有良好的可加工性，且价格便宜。9.2.1金属热电阻的结构热电阻的结构形式可根据实际使用制作成各种形状，如图9-3所示为金属热电阻的外形与样式。它们通常是根据它的部件组成，将双线电阻丝绕在用石英、云母陶瓷和塑料等材料制成的骨架上，可以测量的温度。CC500~200图9-3金属热电阻的外形与样式9.2.1金属热电阻的结构金属热电阻保护套主要有玻璃、陶瓷或金属等类型，主要防止有害气体腐蚀，防止氧化（尤其是铜热电阻），水分侵入会造成漏电，影响阻值。如图9-4所示。热电阻也可以是一层薄膜，采用电镀或溅射的方法涂敷在陶瓷类材料基底上，占用体积很小，如图9-5所示。图9-4金属热电阻结构图图9-5薄膜金属热电阻结构图9.2.2金属热电阻的工作原理热电阻是利用物质的变化特性制成的，将温度的变化量变换成与之有一定关系的电阻值的变化量，通过对电阻值的测量实现对温度的测量。目前应用较多的热电阻材料有铂和铜以及铁、镍等。1.铂热电阻•按IEC标准，铂电阻的测温范围为。铂电阻的阻值与温度之间的关系，即特性方程如下：CC650~2009.2.2金属热电阻的工作原理2.铜热电阻•在测量精度不太高，测量范围不大的情况下，可以采用铜电阻代替铂电阻，铜热电阻灵敏度比铂电阻高，价格便宜，也能达到精度要求。如图9-6所示。图9-6铜热电阻外观形式2.铜热电阻•铜电阻的缺点是电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性也较大，在以上易氧化，因此只能用于以下低温及无水分、无腐蚀性的介质中。3.其他热电阻•上述两种热电阻对于低温和超低温测量性能不理想，而铟、锰、碳等热电阻却是测量低温和超低温理想材料。铟电阻：用高纯度的铟丝绕成电阻，可在室温至4.2K温度范围内使用。锰电阻：在2~63K温度范围内，电阻随温度变化大，灵敏度高。缺点是材料脆，难拉成丝。碳电阻：适合用液氦温域（4.2K）的温度测量，价廉，对磁场不敏感，但热稳定较差。C100C1509.2.3金属热电阻的应用电路金属热电阻广泛的应用在缸体、油管、水管、纺机、空调、热水器等狭小空间工业设备测温和控制。汽车空调、冰箱、冷柜、饮水机、咖啡机及恒温等场合也经常使用。1.热电阻的连接法•在实际使用时，金属热电阻的连接方法不同，其测量精度也不同，最常用的测量电路的电桥电路，可采用三线或四线电桥连接法。三线法如图9-7所示。1.热电阻的连接法•最常用的测量电路的电桥电路，可采用三线或四线电桥连接法。三线法如图9-7所示。•为了高精度地测量温度，可将电阻测量仪设计成如图9-8所示的四线制测量电路。测量电路如图9-8所示。图9-7热电阻的三线制接法原理图图9-8热电阻的四线制接法原理图2.Pt100三线法性测量电路•如图9-9所示，铂热电阻的三线制测温原理。三线制测温电路可以巧妙地克服电阻随温度的变化而对整个电路产生的影响，它适合于远距离的测量。图9-9热电阻的三线测温原理图3.Pt100四线法性测量电路•如图9-10所示为铂热电阻的四线制接法。四线制测量电路采用恒流源供电，它是从热电阻两端引出4根线，接线时电路回路和电压测量回路独立分开接法，测量精度高，但是需要导线多，它也适合远距离测量。图9-10热电阻的四线测温原理图4.AD22055集成温度调理电路•调理电路采用了AD22055型桥式传感器信号放大器，该放大器放大增益通过外部电子进行调整，具有增益误差和温度漂移补偿功能，内部有瞬变过电压保护电路和射频干扰滤波器，适合工业现场使用，如图9-11所示图9-11AD22055型桥式传感器信号放大器应用9.3热敏电阻9.3.1热敏电阻的结构热敏电阻是由一些金属氧化物的粉末（Nio、Mno、Cuo、Tio等），按一定比例混合烧结而成的半导体。通过不同的材质组合，能得到热敏电阻不同的电阻值及不同的温度特性。热敏电阻主要由热敏探头1、引线2、壳体3等构成，如图9-12所示。图9-12热敏电阻器的结构及符号热敏电阻一般做成二端器件，但也有做成三端或四端器件的。二端和三端器件为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路中获得功率。四端器件则为旁热式。根据不同的使用要求，可以把热敏电阻做成不同的形状和结构，其典型结构如图9-13所示。图9-13热敏电阻器的结构形式根据不同的使用要求，可以把热敏电阻做成不同的形状和结构，图9-14为热敏电阻外观图。图9-14热敏电阻外观图9.3.2热敏电阻的温度特性热敏电阻按其物理特性分为三大特性，即：负温度系数热敏电阻NTC、正温度系数热敏电阻PTC和临界温度系数热敏电阻CTR。如图9-15所示为温度特性曲线。图9-15热敏电阻阻值温度特性曲线9.3.2热敏电阻的温度特性1.负温度系数热敏电阻NTC的温度特性：•负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺造成而成。•这些金属氧化物材料都具有半导体性质、有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、价格低等优点，广泛应用于需要定点测温的自动控制电路中，如冰箱、空调等。2.正温度系数热敏电阻PTC的温度特性•正温度系数热敏电阻是以钛酸钡为基本材料，再掺入适量的稀土元素，利用陶瓷工艺高温烧结而成。3.临界温度系数热敏电阻CTR的温度特性•临界温度系数热敏电阻CTR的特性是在某一特性温度下电阻值会发生变化，也属于负温度系数，主要用于温度开关类的控制。9.3.3热敏电阻的主要参数和优点热敏电阻的主要参数有：•①标称阻值•②温度系数•③散热系数•④时间常数热敏电阻与金属电阻比较的优点：•①由于有较大的电阻温度系数，所以灵敏度很高，目前可测得微小温度的变化；•②热敏电阻元件根据需要可制作成多种形状；•③热敏电阻的电阻值可达，当远距离测量时导线电阻的影响可不考虑；9.3.4热敏电阻的应用电路热敏电阻应用广泛，常用于家用空调、汽车空调、冰箱、冷柜、热水器、饮水机、暖风机、洗碗机、消毒柜、洗衣机、烘干机以及中低温干燥箱、恒温箱等场合的温度测量与控制的场合。1.NTC热敏电阻实现单点温度控制电路：单点温度控制是常见的温度控制形式，如图9-16所示。1.NTC热敏电阻实现单点温度控制电路如图9-16所示。图9-16热敏电阻单点温度控制原理图2.PTC热名电阻组成的测温电路的测温电路是应用广泛的电路之一，实现的形式也是多种多样，图9-17是采用正温度系数的热敏电阻组成的电路。CC100~0图9-17热敏电阻测量单点温度原理图3.CPU温度检测电脑在使用过程中，当CPU工作繁忙的时候，CPU温度往往升高，若不加处理，会造成CPU的烧毁，在CPU插槽中，用热敏电阻测温，然后通过相关电路进行处理，实施保护。如图9-18所示。图9-18用热敏电阻实现过热保护原理图4.电视或电脑显像管消磁显像管对磁场比较敏感，稍微使用不当都会使屏幕出现色纯不良现象。故需在其内部设置自动消磁电路。每开启一次主电源，自动消磁电路就会工作一次，可消除地磁及周围磁场对显像管荧光色纯的影响。原理如图9-19所示。图9-19用热敏电阻对显像管消磁原理图5.单相异步电动机起动对于启动时需要较大功率，运动时功率又较小的这类单相电动机（冰箱压缩机、空调机等），往往采用启动后将启动绕组通过离心开关将其断开。如采用PTC热敏电阻作为启动线圈自动通断的无触点开关时，则效果更好，寿命更长。如图9-20所示。图9-20单相异步电动机起动用热敏电阻原理图6.管道流量测量管道流量的测量是工业中常遇到的测量类型，实现的方法也很多，用热敏电阻实现的原理如图9-21所示。图9-21用热敏电阻实现管道流量测量原理图9.4热电偶9.4.1热电偶的分类与结构热电偶结构形式很多，按热电偶结构划分有普通热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶、表面热电偶。①普通热电偶：如图9-22（a）所示，工业上常用的热电偶一般由热电极、绝缘管、保护套管、接线盒、接线盒盖组成。这种热电偶主要用于气体、蒸汽、液体等介质的测温。