1、教學目的與要求：要求學生了解集成溫度傳感器的原理及 應用;掌握熱電偶、熱敏電阻、鉑電阻等 常用測溫傳感器的原理、特性及應用。 教學重點：熱電偶、熱敏電阻、鉑電阻的工作電路及應用 教學難點：熱電偶的冷端溫度補償、熱電阻的三線制接法,第三章 溫度傳感器,現(xiàn)代生活中準確的溫度是不可缺少的信息內(nèi)容，如家用電器有：電飯煲、電冰箱、空調(diào)、微波爐這些家用電器中都少不了溫度傳感器。,第一節(jié) 概 論,溫度是與人類生活息息相關(guān)的物理量。 在2000多年前，就開始為檢測溫度進行了各種努力，并開始使用溫度傳感器檢測溫度。 人類社會中，工業(yè)、農(nóng)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(guān)系。 工業(yè)生產(chǎn)自動

2、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。,我國目前實行的是1990年國際溫標(ITS90） （P104） 定義國際開爾文溫度（T90） 國際攝氏溫度（t90）； T90 ：單位（K）開爾文 t90 ：單位（C）攝氏 兩者關(guān)系為：,熱力學溫度是國際上公認的最基本溫度,熱力學溫標 國際實用溫標 攝氏溫標 華氏溫標,一、溫度的基本概念,t=T-273.15 ,T=t+273.15 K,規(guī)定各溫度段所使用的標準儀器,幾種溫標的對比,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

3、化； 電極的溫度變化 熱電偶產(chǎn)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(zhì)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,根據(jù)所用測溫物質(zhì)的不同和測溫范圍不同 有煤油溫度計、酒精溫度計、水銀溫度計、氣體溫度計、電阻溫度計、溫差溫度計、輻射溫度計、光測溫度計等等。,2、溫度傳感器的分類,溫度傳感器的種類很多，分類方法有多種。,按價格和性能可分為： 熱膨脹溫度傳感器，有液體、氣體的玻璃式溫度計、體溫 計，結(jié)構(gòu)簡單，應用廣泛； 家電、汽車上使用的傳感器，價格便宜、用量大、成本低、 性能差別不大； 工業(yè)上使用的溫度傳感器，性能價格差別比較大，因

4、為傳 感器的精度直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量和控制過程，通常價格比 較昂貴。,按工作原理主要有以下幾類： 熱電偶：利用金屬溫差電動勢，有耐高溫、精度高的特點； 熱電阻：利用導體隨溫度變化，測溫不高； 熱敏電阻：利用半導體材料隨溫度變化測溫，體積小、靈敏 度高、穩(wěn)定性差； 集成溫度傳感器：利用晶體管PN結(jié)電流、電壓隨溫度變化， 有專用集成電路，體積小、響應快、價 廉，測量150以下溫度。,按測溫方法不同：,接觸式溫度傳感器：（熱平衡） 傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量精度降低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前

5、提條件是被測物體的熱容量要足夠大。,非接觸式溫度傳感器（熱輻射） 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(chǎn)生消耗；反應快等。,（P106P107 表3-2、3-3）,接觸式與非接觸式測溫方法及其特點,（續(xù)）,介紹幾種溫度測量方法,示溫涂料（變色涂料）,裝滿熱水后圖案變得清晰可辨,變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用,CPU散熱風扇,低溫時顯示藍色,溫度升高后變?yōu)榧t色,體積熱膨脹式,不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。,氣體的體積與熱力學溫度成正比,紅外溫度計,溫差熱電

6、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。它除具有結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換等優(yōu)點外，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面點的溫度。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,1、熱電效應,將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應。,一、熱電偶的工作原理,熱電偶工作原理演示,結(jié)論：當兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。,熱電極A,右端稱為：自由端（參考端、冷端）,左端稱為：測量端（工作端、熱端）,熱電極B,熱電勢

7、,A,B,接觸電動勢（不同導體）（主要） 熱電勢 溫差電動勢（同一導體）,接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關(guān)。,接觸電動勢,溫差電動勢,回路總電勢：,T0,T,eAB(T),eAB(T0),eA(T,T0),eB(T,T0),A,B,NAT、NAT0導體A在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度； NBT、NBT0導體B在結(jié)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)。,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(guān)。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(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的原理。,熱電偶回路熱電勢只與組成

8、熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細無關(guān)。,若電極材料確定，冷端溫度保持恒定，此時,EAB(T,T0)= f(T),由一種均質(zhì)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(chǎn)生電動勢)；反之，如果有電流流動，此材料則一定是非均質(zhì)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(zhì),1. 均質(zhì)導體定律,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(chǎn)生的熱電勢的代數(shù)和為零。,在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度 相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。,3. 中間

9、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,EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）,A,B,T1,T2,T2,A,B,T0,T0,熱電偶補償導線接線圖,E,只要T1、T0不變，接入AB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),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

10、(如圖)即引入所謂補償導線時，當EAA(T2)=EBB(T2)，則回路總電動勢為,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(zhì)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(chǎn)。,三、熱電偶的種類與結(jié)構(gòu),熱電偶可以測量上千度高溫，并且精度高、性能好，這是其它溫度傳感器無法替代的,常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。 標準熱電偶：是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允 許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有 與其配套的顯示儀表可供選用。 非標準化熱電偶：在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電

11、 偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某 些特殊場合的測量。,我國從1988年1月1日起，標準化熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T等標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。,1、種類,8種標準化熱電偶型號 分度號 熱電偶 分度表溫區(qū) S 鉑銠10鉑 -501768 R 鉑銠13鉑 501768 B 鉑銠30鉑銠6 01820 K 鎳鉻鎳硅 -2701372 N 鎳鉻硅鎳硅 -2701300 E 鎳鉻 銅鎳合金（康銅） -2701000 J 鐵銅鎳合金（康銅） -2101200 T 銅銅鎳合金（康銅） -270400,普通熱電偶：測量氣體、蒸汽、液體等，棒形結(jié)構(gòu)

12、； 薄膜熱電偶：用于火箭、飛機噴嘴溫度測量，結(jié)構(gòu)較?。?鎧裝熱電偶：用以測量狹小對象，結(jié)構(gòu)細長、可彎曲； 表面熱電偶：用于弧形表面物體測溫； 消耗式熱電偶：主要用于鋼水溫度測量。,a)普通熱電偶 b)薄膜熱電偶 c)鎧裝熱電偶,2、結(jié)構(gòu),典型工業(yè)用熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖 它由熱電偶絲、絕緣套管、保護套管以及接線盒等部分組成。 實驗室用時，也可不裝保護套管，以減小熱慣性。,鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶）,優(yōu)點是小型化（直徑從12mm到0.25mm）、壽命、熱慣性小，使用方便。,斷面如圖所示。它是由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細組合而成一體。,鎧裝式熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意圖 1 金屬套管; 2絕緣材

13、料; 3熱電極 (a)碰底型; (b)不碰底型; (c)露頭型; (d)帽型,普通裝配型熱電偶的外形,安裝 螺紋,安裝 法蘭,普通裝配型熱電偶的結(jié)構(gòu)放大圖,接線盒,引出線套管,固定螺紋 （出廠時用塑料包裹）,熱電偶工作端（熱端）,不銹鋼保護管,鎧裝型熱電偶外形,法蘭,鎧裝型熱電偶可 長達上百米,薄壁金屬 保護套管（鎧體）,鎧裝型熱電偶橫截面,快速反應薄膜熱電偶 用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極 材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜 裝熱電偶。如圖，其熱接點極薄 (0.010.lm),4,1,2,3,快速反應薄膜熱電偶 1熱電極; 2熱接點; 3絕緣基板; 4引出線,因此，特別適用于對壁面溫度的快速測量。安

14、裝時,用粘結(jié)劑將它粘結(jié)在被測物體壁面上。測溫范圍在300以下；反應時間僅為幾ms。,快速消耗微型熱電偶 下圖為一種測量鋼水溫度的熱電偶。它是用直徑為0.050.lmm的鉑銠10一鉑銠30熱電偶裝在U型石英管中，再鑄以高溫絕緣水泥，外面再用保護鋼帽所組成。這種熱電偶使用一次就焚化，但它的優(yōu)點是熱慣性小，只要注意它的動態(tài)標定，測量精度可達土57。,1,4,2,3,5,6,7,8,9,11,10,快速消耗微型 1鋼帽； 2石英； 3紙環(huán)； 4絕熱泥；5冷端； 6棉花； 7絕緣紙管； 8補償導線；9套管； 10塑料插座； 11簧片與引出線,冷端溫度補償方法 冰點槽法 計算修正法 補正系數(shù)法 零點遷移法

15、 冷端補償器法 軟件處理法,四、冷端處理及補償,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(chǎn)生誤差。,把熱電偶的參考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,T0,1. 冰點槽法,用普通室溫計算出參考端實際溫度TH，利用公式計算 例：用銅-康銅熱電偶測某一

16、溫度T，參考端在室溫環(huán)境TH中，測得熱電動勢EAB(T，TH)=1.999mV，又用室溫計測出TH=21,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得 EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0) =1.999+0.832 =2.831(mV) 再次查分度表，與2.831mV對應的熱端溫度T=68。,EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0),2. 計算修正法,把參考端實際溫度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為參考端在室溫下熱電偶電勢與分度表上對應的某

17、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+0.5335=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 k T H,3. 補正系數(shù)法,例 ： 用動圈儀表配合熱電偶測溫時，如果把儀表的機械零點 調(diào)到室溫TH的刻度上,在熱電動勢為零時，指針指示的溫度值 并不是0而是TH。而熱電偶的冷端溫度已是TH,則只有當熱端 溫度

18、T=TH時，才能使EAB(T,TH)=0，這樣，指示值就和熱端的實 際溫度一致了。這種辦法非常簡便，而且一勞永逸，只要冷端 溫度總保持在TH不變，指示值就永遠正確。,4. 零點遷移法,應用領(lǐng)域： 如果冷端不是0，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調(diào)的場所）。,用螺絲刀調(diào)節(jié)儀表面板上的“機械零點”，使指針指到氣溫t0（圖中為40 C）的刻度上。,機械零點,指針被預調(diào)到室溫（40 C ） 可補償冷端損失,5. 冷端補償器法 利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢補償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。 設計時，在0下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時Uab=0 ，電橋?qū)x表讀數(shù)無影響。,注意：橋臂RC

19、u必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。,mV,EAB(T,T0),T0,T0,T,A,B,+,+,-,a,b,U,Uab,RCu,R1,R2,R3,R,供電4V直流，在040或-2020的范圍起補償作用。 注意：不同材質(zhì)的熱電偶所配的冷端補償器，其中的限流電阻 R 不一樣，互換時必須重新調(diào)整。,6. 軟件處理法 對于計算機系統(tǒng)，不必全靠硬件進行熱電偶冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為0的情況，只需在采樣后加一個與冷端溫度對應的常數(shù)即可。 對于T0經(jīng)常波動的情況，可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號輸入計算機，按照運算公式設計一些程序，便能自動修正。后一種情況必須考慮輸入的采樣通道中除了熱

20、電動勢之外還應該有冷端溫度信號，如果多個熱電偶的冷端溫度不相同，還要分別采樣，若占用的通道數(shù)太多，宜利用補償導線把所有的冷端接到同一溫度處，只用一個冷端溫度傳感器和一個修正T0的輸入通道就可以了。冷端集中，對于提高多點巡檢的速度也很有利。,第三節(jié) 熱敏電阻溫度傳感器,近年來，幾乎所有的家用電器產(chǎn)品都裝有微處理器，溫度控制完全智能化，這些溫度傳感器幾乎都使用熱敏電阻。 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(zhì)制成的。,熱敏電阻用半導體材料氧化復合燒結(jié)而成 主要材料有：Mn、Co、Ni、Cu、Fe氧化物,按熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系這一重要特性可分為： 1正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC

21、） 電阻值隨溫度升高而增大的電阻器，簡稱PTC熱敏電阻。 2負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC） 電阻值隨溫度升高而下降的熱敏電阻器，簡稱NTC熱敏電阻。 3突變型負溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR） 該類電阻器的電阻值在某特定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而降低34個數(shù)量級，即具有很大負溫度系數(shù)。,一、熱敏電阻的分類,二、熱敏電阻溫度特性（RTT）,1,2,3,4,鉑絲,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； 3-4 PTC,TT 與RTT 特性曲線一致。,RT、RT0溫度為T、T0時熱敏電阻器

22、 的電阻值； BN NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。,負電阻溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器的溫度特性,NTC的電阻溫度關(guān)系的一般數(shù)學表達式為：,多數(shù)熱敏電阻具有負溫度系數(shù)，溫度升高電阻下降，同時靈敏度下降，所以限制了它在高溫下使用。目前，熱敏電阻溫度上限約300 。 熱敏電阻最大的缺點是，產(chǎn)品一致性差，互換性不好，因此一般不在石油、鋼鐵、制造業(yè)上使用。 熱敏電阻不宜用于較寬的溫度范圍，但對于特定的溫度點的檢測卻十分靈敏。因此熱敏電阻可在儀表中用做檢測元件、在電路中做保護元件等。,點溫計,產(chǎn)品,RT,R5,R6,R3,(R1),En,+,+,U2,UT,R,IT,E,UR,Rr,(a),(b),(c),

23、R1,En,A,R1,R2,R4,R3,U,+,熱敏電阻測溫電橋 電阻分壓電路,應用,還廣泛應用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計等,溫控器,應用,圖中A為比較器，當環(huán)境溫度達到T時，輸出信號實現(xiàn)自動調(diào)溫控制。同相端輸入有RP1、R2、R3分壓確定作比較電平，當溫度T升高時，正溫度系數(shù)熱敏電阻Rt 阻值上升，反相端Ua升高，當Ua升高至與同相端Ub相等時，比較器A輸出電壓Uo翻轉(zhuǎn)為低電平，可輸出控制開關(guān)繼電器。RP可調(diào)節(jié)比較器的比較電平，從而調(diào)節(jié)所需控制溫度。,熱敏電阻的恒溫控制電路,設計原理： 利用半導體PN結(jié)的電流、電壓與溫度有關(guān)的特性。 一般測量溫度范圍在150以下。 特點： 輸出線性好、測量精度

24、高, 傳感驅(qū)動電路、信號處理電路等都與溫度傳感部分集成在一起,因而封裝后的組件體積非常小,使用方便,價格便宜,故在測溫技術(shù)中得到越來越廣泛應用。,第四節(jié) 集成溫度傳感器,一、集成溫度傳感器的分類,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。,電流型IC溫度傳感器： 這種傳感器的輸出電流正比于熱力學溫度；因電流型輸出恒流，所以傳感器具有高輸出阻抗。這為遠距離傳輸測溫提供了一種新型器件。,電壓型IC溫度傳感器： 因器件有放大器，故具有輸出電壓高、輸出阻抗低的特性；不適合長線傳輸。這類IC溫度傳感器適合于工業(yè)現(xiàn)場測量。,數(shù)字輸出型IC溫度傳感器： 抗干擾能力強，應用于節(jié)

25、點分布多的測溫場合。,基于晶體管的PN結(jié)隨溫度變化而產(chǎn)生漂移現(xiàn)象研制的。 發(fā)射極電流密度在恒定比率下工作的晶體管對的基極發(fā)射 極之間電壓VBE的差與溫度呈線性關(guān)系。,二、IC溫度傳感器的測溫原理,正比于絕對溫度 T，只要保證 恒定， 就可以使 與 T 為單值函數(shù)。,集成溫度傳感器測溫原理,右圖為絕對溫度比例電路 V1、V2是兩只互相匹配的 溫敏晶體管， I1、I2是集電極電流，由 恒流源提供， Vbe是兩個晶體管發(fā)射 極和基極之間電壓差。,集成溫度傳感器基本 電路原理圖,1）電壓輸出型 輸出電壓正比于絕對溫度，V1、V2的發(fā)射結(jié)壓降之差全部落在電阻R1上，流過R1上電流為：,電壓輸出型電路,電

26、路輸出為：,可見輸出電壓U0與絕對溫度T成正比關(guān)系,2）電流輸出型 V1、V2是結(jié)構(gòu)對稱的晶體管作為恒流源負載， V3、V4是測溫用晶體管，V3發(fā)射結(jié)面積是V4管的 8倍（=8），流過電路的總電流是：,若R=358，電路輸出溫度系數(shù)為：,電流輸出型電路,1伏安特性 工作電壓：4V30V，I 為一恒流值輸出，ITk，即 KT標定因子，AD590的標定因子為1A/,I = KT TK,三、IC溫度傳感器的應用,電流輸出型典型集成溫度傳感器有AD590器件 （美國AD公司生產(chǎn)） 電源電壓430V， 測溫范圍-55+150。,2溫度特性 Tc攝氏溫度；I 的單位為A。 可見，當溫度為0時，輸出電流為273.2A。在常溫 25時，標定輸出電流為298.2A。,I=KT