热电式传感器PPT课件

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1、 热电式传感器热电式传感器主要内容主要内容1.温度传感器种类及特点温度传感器种类及特点2.热敏电阻及其应用热敏电阻及其应用3.热电偶及其应用热电偶及其应用温度传感器的种类及特点温度传感器的种类及特点l接触式温度传感器接触式温度传感器l 非接触式温度传感器非接触式温度传感器接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本

2、较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。1常用热电阻常用热电阻范围：-260850；精度：0.001。改进后可连续工作2000h，失效率小于1，使用期为10年。2管管缆缆热热电电阻阻测温范围为-20500，最高上限为1000，精度为0.5级。（）接触式温度传感器接触式温度传感器3陶陶瓷瓷热热电电阻阻测量范围为200+500，精度为0.3、0.15级。4超超低低温温热热电电阻阻两种碳电阻，可分别测量268.8253-272.9272.99的温度。5热热敏敏电电阻阻器器适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。

3、l l辐辐射射高高温温计计用用来来测测量量1000以以上上高高温温。分分四四种种：光光学学高高温温计计、比比色高温计、辐射高温计和光电高温计。色高温计、辐射高温计和光电高温计。2 2光光谱谱高高温温计计前前苏苏联联研研制制的的YCII型型自自动动测测温温通通用用光光谱谱高高温温计计,其其测测量量范范围围为为4006000,它它是是采采用用电电子子化化自自动动跟跟踪踪系系统统,保保证证有有足足够够准准确确的的精精度度进进行自动测量。行自动测量。（二）非接触式温度传感器（二）非接触式温度传感器3 3超超声声波波温温度度传传感感器器特特点点是是响响应应快快(约约为为10ms左左右右)，方方向向性性强

4、强。目前国外有可测到目前国外有可测到5000 的产品。的产品。4 4激激光光温温度度传传感感器器适适用用于于远远程程和和特特殊殊环环境境下下的的温温度度测测量量。如如NBS公公司司用用氦氦氖氖激激光光源源的的激激光光做做光光反反射射计计可可测测很很高高的的温温度度，精精度度为为1。美美国国麻麻省省理理工工学学院院正正在在研研制制一一种种激激光光温温度度计计，最最高高温温度度可可达达8000，专专门门用用于于核核聚聚变变研究。瑞士研究。瑞士BrowaBorer研究中心用激光温度传感器可测几千开研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)的高温。的高温。物物理理现现象象体积热膨胀体积热膨胀电阻变化电阻

5、变化温差电现象温差电现象导磁率变化导磁率变化电容变化电容变化压电效应压电效应超声波传播速度变化超声波传播速度变化物质物质颜色颜色PN结电动势结电动势晶体管特性变化晶体管特性变化可控硅动作特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射热、光辐射种种类类铂测温电阻、热敏电阻铂测温电阻、热敏电阻热电偶热电偶BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶体振动器石英晶体振动器超声波温度计超声波温度计示温涂料示温涂料液晶液晶半导体二极管半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅可控硅辐射温度传感器辐射温度传感器光学高温计光学高温计1.气体温度计气体温度计2.玻璃制水银温度计玻璃制水银温度计3.

6、玻璃制有机液体温度计玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计双金属温度计5.液体压力温度计液体压力温度计6.气体压力温度计气体压力温度计1热铁氧体热铁氧体2Fe-Ni-Cu合金合金热敏电阻式传感器热敏电阻式传感器z 几乎所有物质的电阻率都随其本身温度变化而变化，这几乎所有物质的电阻率都随其本身温度变化而变化，这一物理现象称为一物理现象称为热电阻效应热电阻效应z利用热电阻效应制成的温度敏感元件称为热敏电阻利用热电阻效应制成的温度敏感元件称为热敏电阻几种常见热敏电阻和探头的结构外形几种常见热敏电阻和探头的结构外形 金属热敏电阻金属热敏电阻z 大多数金属的电阻率都与温度成正比：大多数金属的电阻率都与温度

7、成正比：T0时的电阻T0时的电阻系数T0时的电阻系数T时的电阻金属的温度系数为正单晶半导体为正陶瓷半导体的为负铂热敏电阻铂热敏电阻z铂电阻的阻值和温度铂电阻的阻值和温度之间的关系接近线性：之间的关系接近线性：y06300Cy-20000C半导体热敏电阻半导体热敏电阻z半导体热敏电阻分为三种类型：半导体热敏电阻分为三种类型：临界温度热敏电阻PTCz 施主掺杂的钛酸钡（施主掺杂的钛酸钡（BaTiO3）陶瓷，通过适当的陶瓷，通过适当的工艺加工所获得的半导体，都具有某个临界温度工艺加工所获得的半导体，都具有某个临界温度以上出现以上出现阻阻-温温集聚变化的集聚变化的PTC效应。效应。z基本特性及应用基本

8、特性及应用y电阻电阻温度特性温度特性x把温度变化转换为电信号取出来，从而进行温度检测、指把温度变化转换为电信号取出来，从而进行温度检测、指示、控制、补偿和火灾报警示、控制、补偿和火灾报警x原料：原料：SrO、TiO2、PbO、Nb2O5、SiO2等等x特性曲线：电阻值随温度变化而改变特性曲线：电阻值随温度变化而改变y电压电压电流特性电流特性x如图所示，在转折点如图所示，在转折点B前的前的AB段，电流与电压成正比，类似与普通电阻特段，电流与电压成正比，类似与普通电阻特性；性；x在转折点在转折点B后的后的BC段，随着功耗增大，温度升高导转折点时，阻值急剧上段，随着功耗增大，温度升高导转折点时，阻值

9、急剧上升，电流随着电压的上升而下降，升，电流随着电压的上升而下降，x在转折点附近。阻体所耗散的功率恒定。在转折点附近。阻体所耗散的功率恒定。应用：在电流最大值和应用：在电流最大值和功率恒定部分，作为功率恒定部分，作为恒恒温发热体温发热体，如卷发器，如卷发器，暖风机，限流器以及液暖风机，限流器以及液面报警器等。面报警器等。NTC型型zNTC陶瓷的晶相结构都属于陶瓷的晶相结构都属于尖晶石尖晶石结构，结构，y化学通式化学通式AB2O4y导电机制：通过可变价的导价金属离子之间的电子交换，属导电机制：通过可变价的导价金属离子之间的电子交换，属P型半导型半导体；体；y其载流子的浓度与晶格中各种缺陷浓度有关

10、。其载流子的浓度与晶格中各种缺陷浓度有关。电阻温度特性：电阻温度系数：NTC热敏电阻热敏电阻热敏电阻测温电路热敏电阻测温电路 zR Rt t 为热敏电阻，为热敏电阻，zRs Rs 用于电导用于电导-温度特温度特性线性化性线性化 zW W1 1 50mV50mV电压源调节电压源调节 zW W2 2 温度温度00时使输出时使输出为零为零 z输出电压输出电压U U0 0与与RsRs和和R Rt t串串联的电导成正比联的电导成正比 PN结型温度传感器结型温度传感器z半导体物理知识知道半导体物理知识知道,PN,PN结的伏安特性与温结的伏安特性与温度有关度有关,利用利用PNPN结这一特性，可制成各种结这一

11、特性，可制成各种PNPN结型温度传感器。结型温度传感器。z典型的典型的PNPN结型温度传感器：有结型温度传感器：有二极管，三极管和集成电路温度传感器。zPNPN结型温度传感器最大优点是输出特性呈结型温度传感器最大优点是输出特性呈线性，测温精度高。线性，测温精度高。z二极管温度特性：二极管温度特性：y 与温度无关的常数与温度无关的常数;y 与迁移率有关的常数与迁移率有关的常数(一般一般=1.5=1.53);3);yEgo Ego 绝对零度绝对零度(OK)(OK)的材料禁带宽度的材料禁带宽度 ylnTlnT的变化相对的变化相对T T变化可忽略不计变化可忽略不计 z只要IF恒定,二极管正向电压VF是

12、温度T的线性函数 二极管温度传感器二极管温度传感器z理想二极管，伏安特性：理想二极管，伏安特性：z饱和电流可由下式求得：饱和电流可由下式求得：z二极管温度传感器电原理图二极管温度传感器电原理图I IF F为恒流源为恒流源,一般一般1010100A100A。调节。调节R R3 3和和R R2 2改变输出改变输出灵敏度和零电位灵敏度和零电位,以得到摄氏和华氏温度显示。以得到摄氏和华氏温度显示。数字显微测录仪三极管温度传感器三极管温度传感器zNPNNPN型晶体三极管的基极型晶体三极管的基极-发射极电压发射极电压V VBEBE和温度和温度T T的关系为的关系为:z VBE=Ego/q (KT/q)ln

13、(T/IC)y 式中式中:为与温度无关的常数为与温度无关的常数,但与结面积和基区宽度有关但与结面积和基区宽度有关;yEgoEgo为为OKOK下硅的禁带宽度下硅的禁带宽度,y为常数为常数,其值一般在其值一般在3 35 5之间。之间。y如果集电极电流如果集电极电流IcIc为常数为常数,则则V VBEBE仅随温度单调和单值变化。仅随温度单调和单值变化。y三极管温度传感器是负温度系数温度传感器。三极管温度传感器是负温度系数温度传感器。三极管温度三极管温度传感器基本感器基本电路路z温敏三极管温敏三极管为负反反馈元件元件,电流流Ic=Vcc/RcIc=Vcc/Rc，IcIc恒定恒定,zV VBEBE与与T

14、 T近似近似线性性,改改变导通通电阻，得到阻，得到输出出电压集成电路温度传感器集成电路温度传感器z集成电路温度传感器是将温敏三极管集成电路温度传感器是将温敏三极管(一般为差分对管一般为差分对管)及及其外围电路集成在同一芯片上的集成化其外围电路集成在同一芯片上的集成化PNPN结温度传感器。结温度传感器。z这种传感器线性好这种传感器线性好,精度高精度高,互换性好互换性好,使用方便使用方便,其工作温其工作温度范围一般为度范围一般为-50-50+150+150。z集成电路温度传感器按输出分为：电压型和电流型集成电路温度传感器按输出分为：电压型和电流型,典型典型电压型集成温度传感器有：电压型集成温度传感

15、器有：PC616A/C,LM135,AN6701PC616A/C,LM135,AN6701等等,典型电流型集成温度传感器为典型电流型集成温度传感器为AD690AD690。z精密电压输出型集成温精密电压输出型集成温度传感器度传感器LM135 z是一种两端器件是一种两端器件,其输其输出电压正比于温度。出电压正比于温度。y灵敏度：灵敏度：1OmV/K y电流：电流：0.45mA y1Ok电位器电位器 定标定标 AD590AD590电流输出型电流输出型 集成温度传感器集成温度传感器 I-V I-V特性特性 最简单的温度计电路最简单的温度计电路 z电流随温度变化的恒流源电流随温度变化的恒流源,灵敏度为灵

16、敏度为1A/K 1A/K z精度达土精度达土0.5,0.5,线性误差小于土线性误差小于土0.50.5。AD590用于电炉内部恒温控制用于电炉内部恒温控制zz 热电阻式流量计热电阻式流量计z热电阻流量计的电原理图。热电阻流量计的电原理图。两个铂电阻探头两个铂电阻探头R Rt1t1、R Rt2t2，R Rt1t1放在管道中央，它的散热放在管道中央，它的散热情况受介质流速的影响。情况受介质流速的影响。R Rt2t2放在温度与流体相同，但放在温度与流体相同，但不受介质流速影响的小室中。不受介质流速影响的小室中。当介质处于静止状态时，电当介质处于静止状态时，电桥处于平衡状态，流量计没桥处于平衡状态，流量

17、计没有指示。当介质流动时，由有指示。当介质流动时，由于介质流动带走热量，温度于介质流动带走热量，温度的变化引起阻值变化，电桥的变化引起阻值变化，电桥失去平衡而有输出，电流计失去平衡而有输出，电流计指示直接反映了流量大小。指示直接反映了流量大小。热电偶传感器热电偶传感器据此，赛贝克发现和证明了据此，赛贝克发现和证明了两种不同材料的导体两种不同材料的导体A和和B组成的闭合回路，当两个结组成的闭合回路，当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。点温度不相同时，回路中将产生电动势。这种物理现象称为这种物理现象称为热电效应热电效应。两种不同材料。两种不同材料的导体所组成的回路称为的导体所组成的回路称为

18、“热电偶热电偶”，组成热电偶的导体称为，组成热电偶的导体称为“热电极热电极”，热电偶所，热电偶所产生的电动势称为热电势。热电偶的两个结点中，置于温度为产生的电动势称为热电势。热电偶的两个结点中，置于温度为T的被测对象中的结点的被测对象中的结点称之为称之为测量端，又称为工作端或热端测量端，又称为工作端或热端；而置于参考温度为；而置于参考温度为T0的另一结点称之为参考端，的另一结点称之为参考端，又称自由端或冷端。我们用毫伏表代替指南针，来演示赛贝克的实验。当热电偶两个又称自由端或冷端。我们用毫伏表代替指南针，来演示赛贝克的实验。当热电偶两个结点的温差小的时候，即使它们均被加热，毫伏数仍较小；两个结

19、点的温差越大，电结点的温差小的时候，即使它们均被加热，毫伏数仍较小；两个结点的温差越大，电动势就越大；当动势就越大；当“热端的温度低于热端的温度低于”冷端时，毫伏表数值为负值。冷端时，毫伏表数值为负值。1821年，德国物理学家赛贝克用两年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个精灯加热其中一个接触点接触点（称为结（称为结点），发现放在回路中的指南针发点），发现放在回路中的指南针发生偏转。如果用两盏酒精灯对两个生偏转。如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反结点同时加热，指南针的偏转角反而减小。显然，指南针的偏转说明而减小。

20、显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。的温差有关。热电偶温度测量原理z回路中所产生的电动势，叫热电势回路中所产生的电动势，叫热电势z热电势由两部分组成热电势由两部分组成:y接触电势接触电势y温差电势温差电势z由于不同金属间的电子浓度不同由于不同金属间的电子浓度不同,造成的电子扩散造成的电子扩散:高浓度金属的电子向低浓高浓度金属的电子向低浓度金属扩散度金属扩散,直到两者达到动态平衡为止直到两者达到动态平衡为止.接触电势原理图+ABTeAB(T)-EAB(T)导体A、B结点在温度T

21、时形成的接触电动势；e单位电荷，e=1.610-19C；k波尔兹曼常数，k=1.3810-23J/K；NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。1）.两种导体的接触电势两种导体的接触电势AeA(T,To)ToTeA(T，T0)导体导体A两端温度为两端温度为T、T0时形成的温差电动势；时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度；高低端的绝对温度；A汤姆逊系数，表示导体汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为两端的温度差为1时所产生的温时所产生的温差电动势，例如在差电动势，例如在0时，铜的时，铜的=

22、2V/。2）.温差电势温差电势温差电势原理图由由导导体体材材料料A、B组组成成的的闭闭合合回回路路，其其接接点点温温度度分分别别为为T、T0,如如果果TT0，则则必必存存在在着着两两个个接接触触电电势势和和两两个个温温差差电电势势，回回路路总总电势：电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3）.回路总电势回路总电势NAT、NAT0导体导体A在结点温度为在结点温度为T和和T0时的电子密度；时的电子密度；NBT、NBT0导体导体B在结点温度为在结点温度为T和和T0时的电子密度；时的电子密度；A、B导体导体A和和B的汤姆逊系数。的汤姆逊系数。实践证明，在热电偶回路中

23、起主要作用的是接触电动势，温差电动势只占极小部实践证明，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势，温差电动势只占极小部分，可以忽略不计，故式可以写成分，可以忽略不计，故式可以写成EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=f(T)-C=g(T)由于由于NA、NB是温度的单值函数是温度的单值函数在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：表格，以供备查。由公式可得：EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T)-EAB(0)-EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T，0)-EAB(

24、T0，0)热电偶的热电势，等于两端温度分别为热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和和零度以及零度以及T0和零度的热电势之差。和零度的热电势之差。4)4)导导体体材材料料确确定定后后，热热电电势势的的大大小小只只与与热热电电偶偶两两端端的的温温度度有有关关。如如果果使使E EABAB(T T0 0)=)=常常数数，则则回回路路热热电电势势E EABAB(T T，T T0 0)就就只只与与温温度度T T有关，而且是有关，而且是T T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。3)只有当热电偶两端温度不同只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能热电

25、偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。有热电势产生。1)热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。度有关；与热电偶的长度、粗细无关。2)只有用不同性质的导体只有用不同性质的导体(或半导体或半导体)才能组合成热电偶；相同才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即，也即EAB(T，T0)=0。结论：热电效应的计算热电效应的计算z基本公式：基本公式：z测量系统方程：测量系统方程：A、B的贝塞克系数式中：式中：

26、、均为热电偶常数均为热电偶常数T1T1为第一接触点的被测温度为第一接触点的被测温度T2T2为第二个接触点的参考温度（通常为为第二个接触点的参考温度（通常为0oC0oC）常用的材料常用的材料较小，故在温差不大的情况下，近似成线性关系。较小，故在温差不大的情况下，近似成线性关系。热电偶原理图T2T1AB热端冷端热电式传感器应用热电式传感器应用智能火灾报警系统智能火灾报警系统数据采数据采集模块集模块A/DA/D转换转换模块模块单片单片机主机主控控处理处理模块模块报警电报警电路模块路模块模块框图模块框图 光报警光报警蜂鸣器蜂鸣器报警报警4 4分频分频电路电路MQ-2MQ-2烟烟雾传感雾传感器器DS18B20温度传感温度传感器器ADC0809STC89C52RC 单单片片机机智能火灾报警系统结构原理图智能火灾报警系统结构原理图系统电路图系统电路图