第11章 热电式传感器 11.1 热电耦传感器 11.2 热电阻传感器 11.3 半导体热敏电阻传感器 11.4 集成温度传感器

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1 第11章 热电式传感器 11.1 热电耦传感器 11.2 热电阻传感器 11.3 半导体热敏电阻传感器 11.4 集成温度传感器
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2 11.1 热电偶传感器 一、热电偶工作原理 1.热电效应
11.1 热电偶传感器 一、热电偶工作原理 1.热电效应 如右图所示，两种不同性质的导体或半导体材料A、B串接成一个闭合回路，如果两接合点处的温度不同，即T≠T0，则在两导体间产生热电势，也称热电动势，常用EAB(T，T0)表示。同时在回路中有一定大小的电流，这种现象称为热电效应。 几个概念： 热电极：闭合回路中的导体或半导体A、B，称为热电极； 热电偶：闭合回路中的导体或半导体A、B的组合，称为热电耦； 工作端：两个结点中温度高的一端，称为工作端； 参比端：两个结点中温度低的一端，称为参比端； 热电动势：两导体的接触电势 ＋ 单一导体的温差电势；  A B T T0

3 ⑴接触电势： 产生接触电势的主要原因： ① 不同材料具有不同的自由电子密度；  ② 两种不同材料的导体接触时，接触面会发生电子扩散；  当扩散达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位，表示为： 其中： k ——波尔兹曼常数: T ——节点所处温度； e ——电子电荷: NA、NB ——导体A、B的电子浓度； 若 ，则 ，反之亦然。结果：电子浓度高的材料电位高。

4 ⑵温差电势： ① 导体中自由电子在高温端具有较大的动能；  ② 电子从高温端向低温端扩散，因而高温端带正电，低温端带负电，形成静电场，并阻碍电子扩散；  当扩散达到动态平衡时，两端产生一个相应的电位差，称为温差电势，表示为： 其中： ——汤姆逊系数，表示单一导体两端单位温度差为1℃时所产生的温差电势，与材料性质和两端温度有关。 若 ，则 ，反之亦然。

5 ⑶接触电势与温差电势的性质： 用公式可以证明：

6 用小写e表示接触或温差电势，用大写E表示回路总电势，且 ，
⑷回路总电势： 用小写e表示接触或温差电势，用大写E表示回路总电势，且 ， ，则如下图所示，有： A B T T0 其中： ——导体A、B的汤姆逊系数； ——导体A在结点温度为T、T0时的电子密度； ——导体B在结点温度为T、T0时的电子密度；

7 讨论： ①热电偶的材料相同时 ， ,又 ， ，所以， ②热电偶的两个节点所处的温度相同， 时， 而 ， 所以， 所以形成热电势的两个必要条件： 两种导体的材料不同； 节点所处的温度不同； ③金属导体内，温差电势极小，可以忽略，那么回路中起决定作用的是接触电势，因而上式可改写为： ④工程实际中，标定热电偶时，令： 则：

8 在热电偶回路中接如第三种材料的导体（传感器引出）时，只要其两端温度相等，总回路电势不变。如下图所示：
2.热电偶基本定律： ①中间导体定律： 在热电偶回路中接如第三种材料的导体（传感器引出）时，只要其两端温度相等，总回路电势不变。如下图所示： A B C T T0 用途： 接入仪表测量线。

9 由于铂丝的理化性能稳定，如果能实验测得各种材料热电极对铂丝的热电特性，就不难推得任意材料间的热电特性。
②参考电极定律(标准电极定律)： 设结点温度为T、T0，则用导体A、B组成的热电偶产生的热电势等于导体A、C组成的热电偶和导体C、B组成的热电偶产生的热电势的代数和。如下图所示，有： A T C B T0 其中：C为参考电极； 参考电极定律应用： 由于铂丝的理化性能稳定，如果能实验测得各种材料热电极对铂丝的热电特性，就不难推得任意材料间的热电特性。

10 ③中间温度定律： 结点温度为(T、T0)时的热电势等于该热电耦在结点温度为(T、Tn)和(Tn、T0)时相应热电势的代数和。即： 即得： 当T0=0时，有： 其中，Tn称为中间温度。

11 结论： 中间温度定律为制定热电偶得分度表奠定了理论基础。从分度表查出参考端为零度时得热电势，即可求得参考端温度不为零时得热电势。 例：用镍铬-镍硅热电偶测量热处理炉炉温。冷端温度T0=30℃，此时测得热电势E(T,T0)＝39.17mV,则实际炉温是多少？ 解：由T0=30℃查分度表得：E(30,0)＝ 1.2mV,则： E(T,0)＝ E(T,30)＋ E(30,0)＝ 39.17mV＋ 1.2mV＝ 40.37mV 再由40.37mV查分度表，得实际炉温T＝977℃

12 二、常用热电偶 ： 铂铑-铂热电偶： S型热电偶。 特点：精度高，标准热电偶。但热电势小。（<1300℃) 镍铬-镍硅热电偶： K型热电偶。 特点：线性好，价格低，最常用。但精度偏低。(-50～1300℃) 镍铬-考铜热电偶： E型热电偶。 特点：灵敏度高，价格低，常温测量，但非均匀线性。(-50～500℃) 铂铑30-铂铑6热电偶： B型热电偶。 特点：精度高，冷端热电势小，40℃下可不修正。但价格高，输出小。 铜-康铜热电偶： T型热电偶。 特点：低温稳定性好，但复制性差。

13 三、热电偶冷端温度补偿： 1.补偿原因： ①从前述分析可知，只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度得单值函数； ②实际应用中，由于冷端暴露在空气中，往往和工作端又比较接近，故冷端温度易波动； 2.补偿方法： ⑴补偿导线法： 目的： 使冷端远离工作端，和测量仪表一起放到恒温或温度波动小的地方。 手段： ①延长热电偶的长度：安装不便，费用高； ②采用补偿导线，要求： a.在0～100℃范围内和所连接的热电偶有相同的热电性能； b.材料是廉价金属

14 注意： ①冷端需有自动补偿装置，补偿导线才有意义，且连接处<100℃； ②补偿导线不能选错，如： 铂铑-铂热电偶：补偿线用铜-镍铜； 镍铬-镍硅热电偶：补偿线用铜-康铜； ⑵冷端温度计算校正法： ①热电势修正法： 冷端温度不为零时，运用热电偶分度表修正，修正方法如前例所述。 ②温度修正法： 设：T’为仪表指示温度；T0为冷端温度； 则：被测实际温度T为：T＝T’＋k T0 式中：k为热电偶修正系数，和热电偶的种类和测温范围相关，有表可查。

15 例：在前例中 解：指示温度：T’＝946℃；(当E(T,T0)=39.17mV时，查分度表可得) 冷端温度： T0 ＝30℃； 查表底：k＝1.00 则实际炉温：T＝T’＋k T0 ＝ 946℃＋ 1.00× 30℃＝976℃ 和热电势修正法所得炉温相差1℃，此方法在工程上应用广泛。 ⑶冰浴法： 冷端用冰水混合物保持在0℃。 特点： 可避免校正的麻烦，但使用不便，多在实验室使用。

16 UA补偿电路置于变化的温度环境(tn)中，调整R使
⑶补偿电路法： UA补偿电路置于变化的温度环境(tn)中，调整R使 一般 , 为正温度系数电阻。 当 ,以补偿 的下降。 V+ R R1 Rt tn UA T：测量温度 E(tn,t0) C A

17 11.2 热电阻传感器 一、原理： 导体的电阻率ρ随温度T变化。很多金属有正的电阻温度系数，温度越高，电阻越大，据此可制成热电阻。
热电阻传感器 一、原理： 导体的电阻率ρ随温度T变化。很多金属有正的电阻温度系数，温度越高，电阻越大，据此可制成热电阻。 二、特点： 灵敏度低，精度高，宜用于常温和低温测量。 三、对导体材料的要求： 电阻温度系数大，电阻随温度变化保持单值，线性好； 热容量小； 电阻率尽量大，以减小元件尺寸； 工作范围内，物理、化学性能稳定； 材料复制性好，价格便宜；

18 四、常用热电阻：(铂电阻、铜电阻) 1.铂电阻 ①特点： 在氧化性介质中，高温下的物理、化学性质稳定；而还原性介质中，电阻-温度特性会发生改变。 ②特性： 式中： Rt ——温度为t℃时，铂电阻的电阻值； R0 ——温度为0℃时，铂电阻的电阻值； ③分度表：

19 2.铜电阻 ①特点： 电阻值与温度近似线性，电阻温度系数大，易加工，价格便宜；但电阻率小，温度超过100℃时易被氧化，测温范围一般在－50～100℃； ②特性： 式中： Rt ——温度为t℃时，铜电阻的电阻值； R0 ——温度为0℃时，铜电阻的电阻值； α——铜电阻的电阻温度系数， ③分度表： 3.测量电路 最常用电桥。

20 11.3 半导体热敏电阻传感器 概 述 和金属热电阻不同，热敏电阻由半导体材料制成，有如下特点： ①灵敏度高；
半导体热敏电阻传感器 概 述 和金属热电阻不同，热敏电阻由半导体材料制成，有如下特点： ①灵敏度高； 如：电阻温度系数绝对值比一般金属电阻大10～100倍。 ②体积小； ③使用方便； 如：热惯性小，阻值范围大(102～103Ω)，不需要冷端补偿，功耗小，易实现远距离测量。 ④缺点： 阻值与温度变化呈非线性，元件稳定性、互换性差。 分类： ①负温度系数热敏电阻 ②正温度系数热敏电阻

21 一、基本参数： 1.标称电阻值R25(Ω) 热敏电阻在25℃时的值，值的大小由热敏电阻材料和几何尺寸决定。 2.电阻温度系数
指热敏电阻的温度变化1℃时，其阻值变化率与阻值之比。即：

22 3.材料常数B 描述热敏材料物理特性的一个常数。 B越大，阻值越大，灵敏度越高。 4.时间常数 数值上等于热敏电阻在零功率的测量状态下，当环境温度突变时，热敏电阻随温度的变化量从0～63.2％所需的时间。 表明了热敏电阻加热和冷却的速度。 其余： 耗散系数、额定功率、测量功率等。

23 二、主要特性： 1.电阻-温度特性 ①具有负电阻温度系数的热敏电阻的电阻-温度特性 曲线如下图所示，其一般数学表达式为： 40 80
120 160 T(℃) RT(Ω) 10 102 103 104 注意： 为应用方便，可将上式两边取对数，电阻温度-特性曲线转化为线性。

24 ②具有正电阻温度系数的热敏电阻的电阻-温度特性 曲线如下图所示，其一般数学表达式为：
TP2 100 TP1 200 T(℃) RT(Ω) 10 102 103 104 由图中可见： 正温度系数的热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区的两端，曲线有两个拐点TP1和TP2。在温度TP1和TP2之间为工作范围。 注意： 为应用方便，可将上式两边取对数，电阻温度-特性曲线转化为线性。

25 ①具有负电阻温度系数的热敏电阻的伏-安特性 曲线如下图所示： oa段为线性工作区域；
2.伏-安特性 ①具有负电阻温度系数的热敏电阻的伏-安特性 曲线如下图所示： oa段为线性工作区域； 随温度增加，阻值下降，电流则增加，电压增加，当电流达到Im时，电压值达到最大Um； 随电流的不断增加，引起电阻温升加快，当阻值下降速度超过电流增加速度时，电压开始下降； 电流超过一定允许值时，热敏电阻将被烧坏。 I(mA) U(V) a O Ua Im Ia Um

26 ②具有正电阻温度系数的热敏电阻的伏-安特性 曲线如下图所示：
曲线起始段oa为近似直线，斜率与热敏电阻在环境温度下的电阻值相等。这是因为流过的电流很小，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故； 当热敏电阻的温度超过环境温度时，引起阻值增大，曲线开始变弯； 当电压增至Um时，有最大电流Im； 如电压继续增加，由于温升引起的电阻值增加的速度超过电压增加的速度，电流反而减小，曲线斜率由正变负； I(mA) U(V) a O Im Um

27 11.4 集成温度传感器 一、基本原理： 二、分类： （按输出信号分） 利用PN结的伏安特性与温度之间的关系而制成的固态传感器。即：
集成温度传感器 一、基本原理： 利用PN结的伏安特性与温度之间的关系而制成的固态传感器。即： 二、分类： （按输出信号分） 电压型：温度系数约10mV/℃，与绝对温度呈线性关系； 电流型：温度系数约1uA/℃，与绝对温度呈线性关系；

28 三、特性： （以AD590为例） ①伏-安特性： 如下图所示，U是作用于AD590两端的电压，I是AD590中的电流。
当U＝4～30V时，AD590是一个温控恒流源，在电路中以理想的恒流源符号表示。 电流I与温度t成正比；即： I U TK2 O TK1 30V 4V TK3

29 在－55℃～＋150℃温度范围内，有较好的线性度，非线性误差因传感器档次而异；
②温度特性： 如下图所示： 在－55℃～＋150℃温度范围内，有较好的线性度，非线性误差因传感器档次而异； 电流与温度的关系式为： I t(℃) 273.2uA －55℃ ＋150℃

30 不同档次的AD590误差ΔT不同：I档ΔT<±3℃；M档ΔT<±0.3℃；其余介于二者之间；
③非线性曲线： 如下图所示： 在－55℃～＋100℃温度范围内，ΔT递增； 在100℃～150℃温度范围内，ΔT递减； 不同档次的AD590误差ΔT不同：I档ΔT<±3℃；M档ΔT<±0.3℃；其余介于二者之间； ΔT t(℃) ＋0.8℃ －55℃ ＋150℃ －0.8℃ ＋100℃

31 四、AD590特点：  五、AD590应用：  ①线性电流输出，正比于绝对温度 ②测温范围：－55℃～＋150℃ ③高精度；
④电源范围宽； ⑤非线性误差小：AD590M的满量程误差<±0.3℃ 五、AD590应用：  一个简单的测温电路如下：