[信息与通信]温度传感器介绍及应用.ppt

温度传感器介绍及应用,接触式：技术成熟、精度高、种类多 热膨胀、热电势（热电偶）、热电阻、PN结型 非接触式：不需接触，速度快，没有上线温度，误差大 光学高温，热辐射式、热释电,主要内容,2.1 热电势式测温传感器 2.2 热电阻式温度传感器 2.3 PN结型测温传感器 2.4 集成电路温度传感器 2.5 热释电式传感器,2.1热电势式温度传感器,2.1.1 工作原理 热电效应： 两种不同的导体两端接触构成闭合回路，当两接点温度不等（TT0）时,回路中就会产生电动势,从而形成热电流。,热电势,热电势 热电偶回路中产生的电势 热电势分成两部分： 接触电势和温差电势,热电偶,接触电势,不同到时接触时，由于自由电子密度不同，电子会从密度大的金属扩散到密度小的金属，从而形成内建电场，产生电动势,当金属A和B紧密连接时, 假如：NANB。,在单位时间内,由导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数多。,于是,在接触表面上便形成了一个电场,在A、B之间形成一个电位差,即电动势,接触电势的大小,k0波兹曼常数 T接触处的绝对温度（K）； NA,NB材料A、B的自由电子密度； e 电子电荷量,e=1.602×10-19C,EAB（T,T0）=eAB (T)-eAB (T0),若A为正极,B为负极,(1) 若热电偶两电极材料相同,则无论两接点温度如何, 总热电势为零。 (2) 若热电偶两接点温度相同,尽管A、B材料不同,回路中总电势等于零。 (3) 热电偶产生的热电势只与材料和接点温度有关,与热电极的尺寸、形状等无关。,热电偶标定,EAB（T,T0）=eAB (T)-eAB (T0),所以标定热电偶时，一般既定T0为常数，此时 eAB (T0)=C,EAB（T,T0）=eAB (T)-C=f（T）-C=（T）,热电势与温度关系曲线（T0=0）,非线性，温度上限,2.1.2 热电偶中加入第三导体,如果在热电偶中加入第三种材料，只要第三种材料两端的温度相等，对热电偶的总的热电势就没有影响。,在图2.3(a)中,2、3两点温度相同,回路中总电势 EABC（T,T0）=eAB（T）+eBC（T0）+eCA（T0） 当回路中各接点温度相同时,总电势为零,即 EABC（T0, T0 ） =eAB（T0）+eBC（T0 ）+eCA（ T0 ） =0 eBC（T0）+eCA（ T0 ）=-eAB（ T0）,EABC (T, T0) =eAB (T)-eAB(T0)=EAB (T, T0),只要第三种材料两端的温度相等，对热电偶的总的热电势就没有影响。,2.1.4热电偶冷端温度误差及补偿,热电偶通常测量的是两个热源的温度差,EAB（T,T0）=eAB (T)-eAB (T0),由于输出电压与温度成非线性关系，因此对任何一个实际的热电偶，并不是有精确地关系式确定其特性，而是使用特性分度表。,分度表,EAB（T,T0）=eAB (T)-eAB (T0),实际测量中的补偿措施,0恒温法 冷端补偿法 采用不需要冷端补偿的热电偶 补正系数修正法,1、 0恒温法（实验室用）,2、冷端补偿法,采用：四臂电桥,取T0=20时电桥平衡：R1=R2=R3=RCu,当T0上升（如T0 =Tn）,采用合适的RCu使得,3. 采用不需要冷端补偿的热电偶,下列情况可以不考虑冷端误差： 镍钴-镍铝热电偶在300以下 镍铁-镍铜热电偶在50以下 铂铑30-铂铑6热电偶在50以下,只要冷端温度在上述范围内，不需考虑冷端补偿。,4、补正系数修正法,设冷端温度为tn,工作端测得温度场的温度为t1,其实际温度应为 t=t1+ktn 式中k为补正系数,工程上常用补正系数修正法实现补偿。,表2.1 热电偶补正系数,例：用镍铬-考铜热电偶测得某温度场温度为600 ,此时,冷端温度为30，则温度场的实际温度为：,t=600+0.78×30=623.4 ,这一修正过程可以采用单片机的智能系统自动完成。,2.1.5 热电偶的结构、种类及特性,热电偶的结构: 装配式热电偶 铠装热电偶,装配热电偶,装配简单，抗振性能好，机械强度高，耐压性能好， 测温范围大，0-1800,铠装热电偶,铠装热电偶具有能弯曲、耐高温、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，测温范围：01100,热电偶的种类,K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中；不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中。,S分度号的特点：抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1400，短期1600。在所有热电偶中，S分度号的精确度等级最高，通常用作标准热电偶,2.1.6 热电偶的测量电路,低通滤波,放大 倍数？,K、J、E、T型热电偶产生的相对于基准点冷端 （0）的温差电势,假如放大倍数为240.94，0 -600为量程，求非线性误差？,K型热电偶的非线性误差,非线性误差,K型热电偶的线性校正电路和元件表,线性校正,Uout=-7.76+Ua-5.56×10-6Ua2,K型热电偶校正前后温度误差特性比较,2.2 热电阻式温度传感器,原理：材料（金属、半导体）的电阻随温度的变化而变化。 分类：金属热电阻传感器、半导体热敏传感器,2.2.1 金属热电阻,一、电阻温度特性关系,1、电阻与温度的关系如下：,大多数金属导体的电阻随温度而变化关系： Rt=R01+(t-t0) 式中：Rt, R0分别为热电阻在t 和t0 时的电阻值； 热电阻的电阻温度系数（1）； t被测温度（）。,2、铂电阻与温度的关系如下：,Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3,当0t850时，,Rt=R0(1+At+Bt2),式中：R1在t时的电阻值； R0在0时的电阻值。,当-200t0时，,图2 铂电阻与温度的曲线,按照国际电工委员会IEC751国际标准，铂电阻的温度系数为：TCR=0.003851, 其中：,并且规定了统一设计型铂电阻：Pt100、Pt1000,3、铜电阻与温度关系,大多数金属导体的电阻随温度而变化关系： Rt=R01+(t-t0),表：主要金属感温电阻器的性能,分度表对比,二、结构：装配式和铠装式,常用电路,三线式测温电阻实例,3、注意事项,测温范围：-200+600 、精度高,适于测低温。使用时注意： 1） 自热误差 电阻总要消耗一定的电功率,加热电阻，导致误差。需要尽量减小因电阻器自热而引起的误差。一般是限制电流,规定其值应不超过6mA。 2） 引线电阻的影响 由于金属电阻器本身的电阻值很小,所以引线的电阻值及其变化就不能忽略。,利用电桥消除部分影响,1. 半导体,半导体 Si,2.2.2 半导体热敏电阻,n 型半导体,在n型半导体中 电子多数载流子,空穴少数载流子,P型半导体,在p型半导体中 空穴多数载流子,电子少数载流子,NTC：负电阻温度系数热敏电阻 PTC：正电阻温度系数热敏电阻 CTR：临界温度电阻,NTC的温度特性：,Rt、R0 分别为T和T0时的热敏电阻值； B材料常数，20006000K，与材料本身性质和温度有关 T被测温度（K）。,2、分类及特性,为热敏电阻的温度系数,3、使用注意事项,（1） 热敏电阻温度特性的非线性 电阻与温度呈指数规律,1）线性化网络 2）利用电子装置中其他部位修订 3）计算修正法,线性化网络,热敏电阻的线性化网络,（2） 热敏电阻的稳定性和老化问题,1）现在已制出300以下可以忽略老化问题的产品 2）不同厂家差别很大 3）一般来说，PTC优于NTC和CTR,4、应用举例,电动机过热保护装置组成电路原理 ：,负温度系数,正常运转,温度低，热敏电阻阻值高,三极管V1截止,继电极K不动作,电极过载,温度高，热敏电阻阻值降低,三极管V1导通,继电极K动作,S闭合，红灯亮，警告,