1 溫度傳感器 TemperatureSensor 概論conspectus summarize熱電偶溫度傳感器thermocouple熱敏電阻溫度傳感器thermistor集成溫度傳感器integratecircuit其他溫度傳感器 2 了解溫度傳感器的作用 地位和分類 理解熱電效應定義 掌握熱電偶三定律及相關計算 熱電偶冷端補償原因及補償方法 掌握熱敏電阻不同類型的特點 特性曲線及應用場合 掌握電流型 電壓型 數(shù)字型三種集成溫度傳感器特點 工作原理和使用方法 了解其他溫度傳感器工作原理 學習要點 3 第一節(jié)概論 溫度傳感器是實現(xiàn)溫度檢測和控制的重要器件 在種類繁多的傳感器中 溫度傳感器是應用最廣泛 發(fā)展最快的傳感器之一 溫度是與人類生活息息相關的物理量 溫度檢測始于2000多年前 工業(yè) 農業(yè) 商業(yè) 科研 國防 醫(yī)學及環(huán)保等部門都與溫度有著密切的關系 工業(yè)生產自動化流程 溫度測量點要占全部測量點的一半左右 溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù) 因此 人類離不開溫度 當然也離不開溫度傳感器 4 一 溫度的基本概念 溫度 衡量物體冷熱程度的物理量 溫度的高低反映了物體內部分子運動平均動能的大小 溫標 表示溫度大小的尺度是溫度的標尺 熱力學溫標thermodynamictemperaturescale國際實用溫標Internationalpracticaltemperaturescale攝氏溫標Celsiustemperaturescale華氏溫標Fahrenheittemperaturescale 5 二 溫度傳感器的特點與分類 隨物體的熱膨脹相對變化而引起的體積變化蒸氣壓的溫度變化電極的溫度變化熱電偶產生的電動勢光電效應熱電效應介電常數(shù) 導磁率的溫度變化物質的變色 融解強性振動溫度變化熱放射熱噪聲 1溫度傳感器的物理原理 11 6 特性與溫度之間的關系要適中 并容易檢測和處理 且隨溫度呈線性變化 除溫度以外 特性對其它物理量的靈敏度要低 特性隨時間變化要小 重復性好 沒有滯后和老化 靈敏度高 堅固耐用 體積小 對檢測對象的影響要小 機械性能好 耐化學腐蝕 耐熱性能好 能大批量生產 價格便宜 無危險性 無公害等 2 溫度傳感器應滿足的條件 7 3 溫度傳感器的種類及特點 接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器 接觸式溫度傳感器是將測溫敏感元件直接與被測介質接觸 使被測介質與測溫敏感元件進行充分熱交換 當兩者具有相同溫度時 達到測量的目的 這種傳感器的測量精度較高 但由于被測介質的熱量傳遞給傳感器 從而降低了被測介質的溫度 特別是被測介質熱容量較小時 會給測量帶來誤差 非接觸式溫度傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線 從而測量物體的溫度 可進行遙測 其制造成本較高 測量精度卻較低 優(yōu)點是 不從被測物體上吸收熱量 不會干擾被測對象的溫度場 連續(xù)測量不會產生消耗 反應快等 8 物理現(xiàn)象 體積熱膨脹 電阻變化 溫差電現(xiàn)象 導磁率變化 電容變化 壓電效應 超聲波傳播速度變化 物質顏色 P N結電動勢 晶體管特性變化 可控硅動作特性變化 熱 光輻射 種類 鉑測溫電阻 熱敏電阻 熱電偶 BaSrTiO3陶瓷 石英晶體振動器 超聲波溫度計 示溫涂料液晶 半導體二極管 晶體管半導體集成電路溫度傳感器 可控硅 輻射溫度傳感器光學高溫計 1 氣體溫度計2 玻璃制水銀溫度計3 玻璃制有機液體溫度計4 雙金屬溫度計5 液體壓力溫度計6 氣體壓力溫度計 1 熱鐵氧體2 Fe Ni Cu合金 9 溫度傳感器分類 1 10 溫差熱電偶 簡稱熱電偶 是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一 特點 結構簡單 測量范圍寬 準確度高 熱慣性小 輸出信號為電信號便于遠傳或信號轉換 還能用來測量流體的溫度 測量固體以及固體壁面的溫度 微型熱電偶還可用于快速及動態(tài)溫度的測量 第二節(jié)熱電偶溫度傳感器 熱電偶的工作原理 熱電偶回路的性質 熱電偶的常用材料與結構 冷端處理及補償 11 兩種不同的導體或半導體A和B組合成閉合回路 若導體A和B的連接處溫度不同 設T T0 則在此閉合回路中就有電流產生 也就是說回路中有電動勢存在 這種現(xiàn)象叫做熱電效應 這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克 See back 發(fā)現(xiàn) 所以又稱西拜克效應 一 工作原理 回路中所產生的電動勢 叫熱電勢 熱電勢thermo electricforce由兩部分組成 即溫差電勢和接觸電勢 熱端 冷端 12 1 接觸電勢 A B T eAB T eAB T 導體A B結點在溫度T時形成的接觸電動勢 e 單位電荷 e 1 6 10 19C k 波爾茲曼常數(shù) k 1 38 10 23J K NA NB 導體A B在溫度為T時的電子密度 接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關 接觸電勢原理圖 13 A eA T To To T eA T T0 導體A兩端溫度為T T0時形成的溫差電動勢 T T0 高低端的絕對溫度 A 湯姆遜系數(shù) 表示導體A兩端的溫度差為1 時所產生的溫差電動勢 例如在0 時 銅的 2 V 2 溫差電勢 溫差電勢原理圖 14 由導體材料A B組成的閉合回路 其接點溫度分別為T T0 如果T T0 則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢 回路總電勢 T0 T eAB T eAB T0 eA T T0 eB T T0 A B 3 回路總電勢 NAT NAT0 導體A在結點溫度為T和T0時的電子密度 NBT NBT0 導體B在結點溫度為T和T0時的電子密度 A B 導體A和B的湯姆遜系數(shù) 15 導體材料確定后 熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關 如果使EAB T0 常數(shù) 則回路熱電勢EAB T T0 就只與溫度T有關 而且是T的單值函數(shù) 這就是利用熱電偶測溫的原理 只有當熱電偶兩端溫度不同 熱電偶的兩導體材料不同時才能有熱電勢產生 熱電偶回路熱電勢的大小只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關 與熱電偶的長度 粗細無關 只有用不同性質的導體 或半導體 才能組合成熱電偶 相同材料不會產生熱電勢 因為當A B兩種導體是同一種材料時 ln NA NB 0 也即EAB T T0 0 16 在實際測量中只需用儀表測出回路中總電勢即可 由于溫差電勢與接觸電勢相比較 其值很小 因此 在工程技術中認為熱電勢近似等于接觸電勢 在工程應用中 測出回路總電勢后 用查熱電偶分度表的方法確定被測溫度 由一種均質導體組成的閉合回路 不論其導體是否存在溫度梯度 回路中沒有電流 即不產生電動勢 反之 如果有電流流動 此材料則一定是非均質的 即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極 二 熱電偶回路的性質 1 均質導體定律 17 E總 EAB T EBC T ECA T 0 三種不同導體組成的熱電偶回路 2 中間導體定律 一個由幾種不同導體材料連接成的閉合回路 只要它們彼此連接的接點溫度相同 則此回路各接點產生的熱電勢的代數(shù)和為零 如圖 由A B C三種材料組成的閉合回路 則 18 兩點結論 l 將第三種材料C接入由A B組成的熱電偶回路 如圖 則圖a中的A C接點2與C A的接點3 均處于相同溫度T0之中 此回路的總電勢不變 即同理 圖b中C A接點2與C B的接點3 同處于溫度T0之中 此回路的電勢也為 T2 T1 Aa B C 2 3 EAB A T0 2 3 A B EAB T1 T2 C T0 EAB T1 T2 EAB T1 EAB T2 a b T0 T0 EAB T1 T2 EAB T1 EAB T2 第三種材料接入熱電偶回路圖 19 E T0 T0 T E T0 T1 T1 T 電位計接入熱電偶回路 根據(jù)上述原理 在熱電偶回路中接入電位計E 只要保證電位計與連接熱電偶處的接點溫度相等 不會影響回路中原來的熱電勢 接入的方式見下圖所示 20 EAB T T0 EAC T T0 ECB T T0 T0 T EBA T T0 B A T0 T EAC T T0 A C T0 T ECB T T0 C B 2 如果任意兩種導體材料的熱電勢是已知的 它們的冷端和熱端的溫度又分別相等 如圖所示 它們相互間熱電勢的關系為 21 3 中間溫度定律 如果不同的兩種導體材料組成熱電偶回路 其接點溫度分別為T1 T2 如圖所示 時 則其熱電勢為EAB T1 T2 當接點溫度為T2 T3時 其熱電勢為EAB T2 T3 當接點溫度為T1 T3時 其熱電勢為EAB T1 T3 則 B B A T2 T1 T3 A A B EAB T1 T3 EAB T1 T2 EAB T2 T3 22 EAB T1 T3 EAB T1 0 EAB 0 T3 EAB T1 0 EAB T3 0 EAB T1 EAB T3 A B T1 T2 T2 A B T0 T0 熱電偶補償導線接線圖 E 對于冷端溫度不是零度時 熱電偶如何分度表的問題提供了依據(jù) 如當T2 0 時 則 只要T1 T0不變 接入A B 后不管接點溫度T2如何變化 都不影響總熱電勢 這便是引入補償導線原理 EAB EAB T1 EAB T0 說明 當在原來熱電偶回路中分別引入與導體材料A B同樣熱電特性的材料A B 如圖 即引入所謂補償導線時 當EAA T2 EBB T2 時 則回路總電動勢為 23 例題 解 根據(jù)中間導體定律結論公式 有EAB T T0 EAC T T0 ECB T T0 依題意可知 EAC T T0 13 967mV ECB T T0 8 345mV則EAB T T0 13 967mV 8 345mV 5 622mV因此 在此特定條件下材料A與材料B配對后的熱電勢為5 622mV 已知在某特定條件下材料A與鉑配對的熱電動勢為13 967mV 材料B與鉑配對的熱電動勢為8 345mV 求出在此特定條件下材料A與材料B配對后的熱電勢 24 熱電偶材料應滿足 物理性能穩(wěn)定 熱電特性不隨時間改變 化學性能穩(wěn)定 以保證在不同介質中測量時不被腐蝕 熱電勢高 導電率高 且電阻溫度系數(shù)小 便于制造 復現(xiàn)性好 便于成批生產 三 熱電偶的常用材料與結構 25 1 鉑 鉑銠熱電偶 S型 分度號LB 3測量溫度 長期 1300 短期 1600 一 熱電偶常用材料 2 鎳鉻 鎳硅 鎳鋁 熱電偶 K型 分度號EU 2測量溫度 長期1000 短期1300 3 鎳鉻 考銅熱電偶 E型 分度號EA 2測量溫度 長期600 短期800 4 鉑銠30 鉑銠6熱電偶 B型 分度號LL 2測量溫度 長期可到1600 短期可達1800 26 幾種持殊用途的熱電偶 1 銥和銥合金熱電偶如銥50銠 銥10釕熱電偶它能在氧化氣氛中測量高達2100 的高溫 2 鎢錸熱電偶可使用在真空惰性氣體介質或氫氣介質中 使用溫度范圍300 2000 分度精度為1 3 金鐵 鎳鉻熱電偶主要用在低溫測量 可在2 273K范圍內使用 靈敏度約為10 V 4 鈀 鉑銥15熱電偶輸出性能高 在1398 時的熱電勢為47 255mV 6 銅 康銅熱電偶 分度號MK熱電勢略高于鎳鉻 鎳硅熱電偶 約為43 V 復現(xiàn)性好 穩(wěn)定性好 精度高 廣泛用于20K 473K的低溫實驗室測量中 5 鐵 康銅熱電偶 分度號TK靈敏度高 線性度好 可在800 以下的還原介質中使用 27 二 常用熱電偶的結構類型1 工業(yè)用熱電偶2 鎧裝式熱電偶 又稱套管式熱電偶 3 快速反應薄膜熱電偶4 快速消耗微型熱電偶 28 方法冰點槽法計算修正法補正系數(shù)法零點遷移法冷端補償器法軟件處理法 四 冷端處理及補償 原因熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差 為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數(shù) 必須使冷端溫度保持恒定 熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0 為依據(jù) 否則會產生誤差 29 1 冰點槽法把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里 使T0 0 這種辦法僅限于科學實驗中使用 為了避免冰水導電引起兩個連接點短路 必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里 浸入同一冰點槽 使相互絕緣 mV A B A B T C C 儀表 銅導線 試管 補償導線 熱電偶 冰點槽 冰水溶液 四 冷端處理及補償 T0 30 2 計算修正法用普通室溫計算出參比端實際溫度TH 利用公式計算例用銅 康銅熱電偶測某一溫度T 參比端在室溫環(huán)境TH中 測得熱電動勢EAB T TH 1 979mV 又用室溫計測出TH 21 查此種熱電偶的分度表可知 EAB 21 0 0 84mV 故得EAB T 0 EAB T 21 EAB 21 T0 1 979 0 84 2 819 mV 再次查分度表 與2 819mV對應的熱端溫度T 69 注意 既不能只按1 979mV查表 認為T 49 也不能把49 加上21 認為T 70 EAB T T0 EAB T TH EAB TH T0 31 32 3 補正系數(shù)法把參比端實際溫度TH乘上系數(shù)k 加到由EAB T TH 查分度表所得的溫度上 成為被測溫度T 用公式表達即式中 T 為未知的被測溫度 T 為參比端在室溫下熱電偶電勢與分度表上對應的某個溫度 TH 室溫 k 為補正系數(shù) 其它參數(shù)見下表 例用鉑銠10 鉑熱電偶測溫 已知冷端溫度TH 35 這時熱電動勢為11 348mV 查S型熱電偶的分度表 得出與此相應的溫度T 1150 再從下表中查出 對應于1150 的補正系數(shù)k 0 53 于是 被測溫度T 1150 0 53 35 1168 3 用這種辦法稍稍簡單一些 比計算修正法誤差可能大一點 但誤差不大于0 14 T T kTH 33 34 熱敏電阻是利用某種半導體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質制成的 在溫度傳感器中應用最多的有熱電偶 熱電阻 如鉑 銅電阻溫度計等 和熱敏電阻 熱敏電阻發(fā)展最為迅速 由于其性能得到不斷改進 穩(wěn)定性已大為提高 在許多場合下 40 350 熱敏電阻已逐漸取代傳統(tǒng)的溫度傳感器 主要講述熱敏電阻的特點 分類 基本參數(shù) 主要特性和應用等 第三節(jié)熱敏電阻溫度傳感器 35 NTC二極管封裝 環(huán)氧封裝 小型化高精度 響應時間快 穩(wěn)定性好 根據(jù)不同用途有多種封裝結構 使用溫區(qū)寬高穩(wěn)定性 高可靠性 根據(jù)不同用途有多種封裝結構 使用溫區(qū)寬 高穩(wěn)定性 高可靠性 為客戶提供多種便捷服務 家用冰箱 空調器 電熱水器 整體浴室 冰柜 豆?jié){機 環(huán)氧封裝 小型化 精度高 可靠性高 響應時間快 引線采用聚脂漆包線 耐熱 絕緣性好 36 一 熱敏電阻的特點1 電阻溫度系數(shù)的范圍甚寬2 材料加工容易 性能好3 阻值在1 10M 之間可供自由選擇4 穩(wěn)定性好5 原料資源豐富 價格低廉 一 熱敏電阻的特點與分類 37 1 正溫度系數(shù)熱敏電阻器 PTC PositiveTemperatureCoefficient2 負溫度系數(shù)熱敏電阻器 NTC NegativeTemperatureCoefficient3 突變型負溫度系數(shù)熱敏電阻器 CTR ChopTemperatureResistor 二 熱敏電阻的分類 38 一 熱敏電阻器的電阻 溫度特性 RT T 1 2 3 40 60 120 160 0 100 101 102 103 104 105 106 RT 溫度T C 熱敏電阻的電阻 溫度特性曲線1 NTC 2 CTR 3PTC 二 熱敏電阻器主要特性 Resistance temperaturecharacteristicofthermistor T T與RT T特性曲線一致 T 39 第四節(jié)集成溫度傳感器 IntegrateCircuitTemperatureSensor 一 IC溫度傳感器的分類 電壓型IC溫度傳感器電流型IC溫度傳感器數(shù)字輸出型IC溫度傳感器 40 二 IC溫度傳感器的測溫原理 晶體管伏安方程式 K0 波爾滋蔓常數(shù) T 絕對溫度 V1 V2發(fā)射極面積比 q 電子電荷量 VBE正比于絕對溫度T 只要保證IC1 IC2恒定 就可以使 VBE與T為單值函數(shù) 因此 可利用電流I與T的正比關系 通過電流的變化來測量溫度的大小 I T 若將 VBE轉換為電流I 則 41 一 電壓輸出型集成溫度傳感器型號 LM35 LM335 AN6701S等多種 LM35系列傳感器是3端的電壓輸出型的精密感溫器件 有LM35 LM35A LM35C LM35CA和LM35D等型號 極限參數(shù) 電源電壓為 35V 0 2V 輸出電壓為 6V 1 0V輸出電流為10mA 存放溫度范圍對于T0 46封裝 金屬殼 為 60 180 T0 92封裝 塑料 為 55 150 工作溫度范圍對于LM35和LM35A為 55 150 LM35C和LM35CA為 40 110 LM35D為 0 100 特點 直接用攝氏溫度校正 線性溫度系數(shù) 靈敏度 為10 0mV 在25 時 測量精度為05 工作電壓范圍為4 30 非線性度小于 05 輸出阻抗低 在1mA負載電流時 輸出阻抗只有0 1 靜態(tài)電流小于60 A 可采用單電源供電 也采用雙電源供電 在測量溫度范圍內無需進行調整 三 IC溫度傳感器的主要特性 42 T0 46封裝T0 92封裝T0 220封裝 LM35的常用基本電路 43 電流輸出型典型集成溫度傳感器有AD590 美國AD公司生產 國內同類產品SG590 器件電源電壓4 30V 測溫范圍 50 150 AD590引腳和內部電路原理圖 二 電流型溫度傳感器 44 1 伏安特性工作電壓 4V 30V I為一恒流值輸出 I Tk 即KT 標定因子 AD590的標定因子為1 A K I KT TK 4V 30V 0 I A U V AD590伏安特性曲線 55 25 150 218 298 423 45 55 0 150 273 2 A I A TC C AD590溫度特性曲線 2 溫度特性其溫度特性曲線函數(shù)是以Tk為變量的n階多項式之和 省略非線性項后則有 Tc 攝氏溫度 I的單位為 A 可見 當溫度為0 時 輸出電流為273 2 A 在常溫25 時 標定輸出電流為298 2 A I KT Tc 273 2 46 3 AD590的非線性 150 55 T C 0 3 0 3 0 在實際應用中 T通過硬件或軟件進行補償校正 使測溫精度達 0 1 其次 AD590恒流輸出 具有較好的抗干擾抑制比和高輸出阻抗 當電源電壓由 5V向 10V變化時 其電流變化僅為0 2 A V 長時間漂移最大為 0 1 反向基極漏電流小于10pA 55 100 T遞增 100 150 則是遞降 T最大達 3 最小 T 0 3 分I J K L M五檔 T C AD590非線性誤差曲線 47 4 AD590的測量電路 AD590在溫度25 298 2K 時 理想輸出為298 2 A 實際存在誤差 可通過電位器調整 使輸出電壓滿足1mV K的關系 AD590典型應用 48 三 數(shù)字輸出型IC溫度傳感器 DS18B20的特性單線接口 僅需一根口線與MCU連接 無需外圍元件 由總線提供電源 測溫范圍為 55 125 精度為0 5 九位溫度讀數(shù) A D變換時間為200ms 用戶可以任意設置溫度上 下限報警值 且能夠識別具體報警傳感器 49 3 DS18B20的工作原理 存儲器控制邏輯 64bitROM和單線接口 溫度傳感器 高溫觸發(fā)器 低溫觸發(fā)器 8位CRC觸發(fā)器 存儲器 DS18B20內部結構圖 電源檢測 寄生電源 2 DS18B20引腳及功能 50 51 四 集成溫度傳感器的應用 1 LM35構成的數(shù)字溫度計 52 四 集成溫度傳感器的應用 串聯(lián) 并聯(lián)使用 串聯(lián)測最低溫度 并聯(lián)測平均溫度冷端補償 可代替冰池 環(huán)境溫度15 35 溫度控制 溫度檢測 2 AD590的典型應用 53 AD590構成的深井長傳輸線的溫度測量 54 3 DS18B20構成的溫度檢測系統(tǒng) 采用寄生電容供電的溫度檢測系統(tǒng) 89C51 DS18B20 DS18B20 DS18B20 P1 0 P1 1 P1 2 Tx Rx 5V GND VDD P1 1作輸出口用 相當于TxP1 2作輸入口用 相當于Rx 提供電流 通過試驗發(fā)現(xiàn) 可掛接DS18B20數(shù)十片 距離可達到50m 而用一個口時僅能掛接10片DS18B20 距離僅為20m 同時 由于讀寫在操作上是分開的 故不存在信號競爭問題 55 一 鉑電阻溫度傳感器利用純鉑絲電阻隨溫度的變換而變化的原理設計研制成的 可測量和控制 200 650 范圍內的溫度 也可作對其他變量 如 流量 導電率 pH值等 測量電路中的溫度補償 有時用它來測量介質的溫差和平均溫度 它具有比其他元件良好的穩(wěn)定性和互換性 目前 鉑電阻上限溫度達850 第五節(jié)其他溫度傳感器 56 在0 850 范圍內 鉑電阻的電阻值與溫度的關系為在 200 0 范圍內為 式中R0 Rt 溫度為0及t 時的鉑電阻的電阻值 A B C 常數(shù)值 Rt R0 1 At Bt2 Rt R0 1 At Bt2 C t 100 t3 鉑電阻的純度以R100 R0表示 R100表示在標準大氣壓下水沸點時的鉑的