Ch_溫傳感器PPT課件

1、傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,傳感器原理及應用,第2章溫度傳感器,主要內容： 2.1 熱敏電阻 2.2 熱電偶 2.3 集成溫度傳感器,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,我國目前實行的是1990年國際溫標(ITS90） 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 兩者關系為： t90/ = T90/ K 273.15 或 t/ = T/ K 273.15 華氏溫度F=9t/5+32,溫度單位：熱力學溫度是國際上公認的最基本溫度,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,溫度是諸多物理現(xiàn)象中具有代表性的物理量，現(xiàn)代生活中準

2、確的溫度是不可缺少的信息內容，如家用電器有：電飯煲、電冰箱、空調、微波爐這些家用電器中都少不了溫度傳感器。,概述,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,概述,根據(jù)所用測溫物質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。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,溫度傳感器的種類很多，如果按價格和性能可 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，結構簡單，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，因為傳感器的精度直

3、接關系到產(chǎn)品質量和 控制過程，通常價格比較昂貴。,概述,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,概述 各種熱電偶,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,概述 各種熱電阻,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,溫度測量的分類,概述,接觸式測溫 ,利用熱平衡原理，測溫敏感元件接觸被測物體，使兩者處于同一熱平衡狀態(tài)，具有同一溫度。,特點：測溫方法簡單、可靠，測溫精度高，但因與被測體表面接觸并吸收其一部分溫度，故會破壞被測物體表面溫度場，且響應速度較慢。,利用熱輻射原理，敏感元件不必與被測物體接觸。,特點：不會破壞被測體表面溫度場，且響應速度較快，但測溫誤差較大。,非接觸式測溫 ,傳感器原理及應用,第2

4、章 溫度傳感器,測溫傳感器的分類,概述,膨脹式溫度計,非接觸式測溫傳感器,全輻射高溫計 光學高溫計 比色高溫計,液體溫度計 固體溫度計 壓力溫度計,熱電阻溫度計 熱電偶溫度計,接觸式測溫傳感器,溫度傳感器分類(1),溫度傳感器分類(2),溫度傳感器分類(3),此外，還有微波測溫溫度傳感器、噪聲測溫溫度傳感器、溫度圖測溫溫度傳感器、熱流計、射流測溫計、核磁共振測溫計、穆斯保爾效應測溫計、約瑟夫遜效應測溫計、低溫超導轉換測溫計、光纖溫度傳感器等。這些溫度傳感器有的已獲得應用，有的尚在研制中。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,膨脹式溫度計 使用方便，精度高,概述,傳感器原理及應用,第2章 溫度

5、傳感器,液體膨脹式 電接點式 升到特定溫度，鉑絲與水銀柱接通 可做控制,概述,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,固體膨脹式 以雙金屬元件作為溫度敏感元件,線膨脹系數(shù)不同的金屬 使用方便 適應性強 精度不太高,概述,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,氣體膨脹式,概述,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,主要討論的溫度傳感器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結電流、 電壓隨溫度變化，有專用集成電路，

6、體積 小、響應快、價廉，測量150以下溫度。,概述,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,金屬熱電阻、半導體熱敏電阻統(tǒng)稱熱電阻。 熱敏電阻傳感器主要有兩大類： 金屬熱電阻 半導體熱敏電阻 廣泛用于測量 -200+850，少數(shù)可測1000。,2.1 熱電阻,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,金屬熱電阻一般用于-200+500溫度測量； 材料多為純鉑金屬絲，也有銅、鎳，繞制在云母板、玻璃或陶瓷線圈架上，構成熱電阻。,2.1 熱電阻2.1.1 金屬熱電阻,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.1 熱電阻2.1.1 金屬熱電阻,帶保護管的鉑測溫電阻元件,熱電阻的結構比較簡單，一般將電阻絲繞在云

7、母、石英、陶瓷、塑料等絕緣骨架上，經(jīng)過固定，外面再加上保護套管。 但骨架性能的好壞，影響其測量精度、體積大小和使用壽命。 對骨架的要求是：電絕緣性能好；在高、低溫下有足夠的機械強度，在高溫下有足夠的剛度；體膨脹系數(shù)要小，在溫度變化后不結熱電阻絲造成壓力；不對電阻絲產(chǎn)生化學作用。,選作感溫元件的材料應滿足如下要求： 材料的電阻溫度系數(shù)a要大，純金屬的a比合金的高，所以一般均采用純金屬作熱電阻元件； 在測溫范圍內，材料的物理、化學性質應穩(wěn)定； 在測溫范圍內，a（溫度系數(shù)）保持常數(shù)，便于實現(xiàn)溫度表的線性刻度特性； 具有比較大的電阻率，以利于減少熱電阻的體積，減小熱慣性. 特性復現(xiàn)性好，容易復制。 比

8、較適合以上要求的材料有：鉑、銅、鐵和鎳。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,鉑熱電阻精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠 鉑熱電阻阻值與溫度變化之間的關系近似為：,2.1 熱電阻2.1.1 金屬熱電阻,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.1 熱電阻2.1.1 金屬熱電阻,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,銅熱電阻電阻值與溫度是線性的，價格便宜 在50 - 150，Rt=R0（1+t） 為銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)，取=4.2810-3/,2.1 熱電阻2.1.1 金屬熱電阻,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.1 熱電阻2.1.1 金屬熱電阻,測量電路:三線連接,傳感器原理及應用,第2章

9、 溫度傳感器,2.1 熱電阻2.1.1 金屬熱電阻,測量電路: 四線連接,傳感器原理及應用,第2章 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：金屬氧化物半導體材料、陶瓷工藝 主要材料有：Mn、Co、Ni、Cu、Fe氧化物，,2.1 熱電阻2.1.2 熱敏電阻,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,熱敏電阻溫度特性 PTC 正溫度系數(shù)型(BaTiO3,稀土)；NTC 負溫度系數(shù)型（oxide）；CTR 臨界溫度系數(shù)型（V2O3）；,2.1 熱電阻 2.1.2 熱敏電阻,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.1

10、熱電阻2.1.2 熱敏電阻,特征參數(shù) 標稱電阻值：25oC、零功率 電阻溫度系數(shù)：單位溫度變化引起電阻阻值變化的相對值 (表征靈敏度) 時間常數(shù)：表征電阻熱慣性 額定功率,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,PTC熱敏電阻的特性曲線： I：突變型（開關型）,開關溫度Tb以上，近似 II：緩變型（線性好）,2.1 熱電阻2.1.2 熱敏電阻,靜態(tài)伏安特性 AB：低溫，阻值基本不變 BC：阻值隨溫度升高而增加 CD：電流平緩,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,NTC負溫度系數(shù)熱敏電阻的特性曲線用經(jīng)驗公式表示： 溫度系數(shù)不是常數(shù),2.1 熱電阻2.1.2 熱敏電阻,負溫度系數(shù)型熱敏電阻特性曲線

11、,NTC的溫度特性,CTR的溫度特性,半導體硅熱電阻,2.1.3 硅熱電阻 半導體材料的電阻率對溫度非常敏感,對半導體器件影響很大，但是可以用來制成傳感器,硅熱電阻工作原理,電阻率與載流子濃度和遷移率有關 載流子濃度和遷移率都與溫度相關 1、遷移率與溫度的關系 聲學波（晶格振動）散射 電離雜質散射,2、電阻率與溫度的關系 一定摻雜濃度 AB段：溫度很低時，載流子（雜質電離）濃度隨溫度升高而增加，遷移率也隨溫度升高而增大（電離雜質散射） BC段：雜質全部電離，載流子濃度變化不大，遷移率隨溫度升高而降低（晶格振動散射） CD段：本征激發(fā)增加， 載流子濃度增加,硅熱電阻的結構和制作工藝,上、下電極：

12、銀電極歐姆接觸區(qū) N型硅片：,硅熱電阻的特性,1、電阻溫度特性 正向偏置，溫度升高，阻值增加，線性較好 反向偏置，溫度太高，本征激發(fā),2、電阻溫度系數(shù),傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.1 熱電阻2.1.3 熱電阻的應用,圖是一恒溫電路，A為比較器，當環(huán)境溫度達到T時，輸出信號實現(xiàn)自動調溫控制。 同相端輸入有RP1、R2、R3分壓確定作比較電平，RP可調節(jié)比較器的比較電平，從而調節(jié)所需控制溫度。,熱敏電阻的恒溫控制電路,溫度檢測及指示,溫度補償電路,過熱保護,自動延時電路,控溫電路,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.1 熱電效應,兩種不同類型的金屬導體兩端，分

13、別接在一 起構成閉合回路，當兩個結點溫度不等（TT0） 有溫差時，回路里會產(chǎn)生熱電勢，形成電流。 這種現(xiàn)象稱為熱電效應。利用這種效應，只要 知道一端結點溫度，就可以測出另一端結點的溫度。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.1 熱電效應,固定溫度的接點稱基準點（冷端）T0 ，恒定在某一標 準溫度； 待測溫度的接點稱測溫點（熱端）T ，置于被測溫度 場中。 這種將溫度轉換成熱電動 勢的傳感器稱為熱電偶， 金屬稱熱電極。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.1 熱電效應,1）兩種導體的接觸電勢(珀爾帖Peltier效應) 不同金屬自由電子密度不同，當

14、兩種金屬接觸在一起時，在結點處會產(chǎn)生電子擴散，濃度大的向濃度小的金屬擴散。 濃度高的失去電子顯正電，濃度低的得到電子顯負電。當擴散達到動態(tài)平衡時，得到一個穩(wěn)定的接觸電勢。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.1 熱電效應,溫度T時熱端接觸電勢：,冷端接觸電勢 ：,、,、,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.1 熱電效應,在閉合回路中，總的接觸電勢為：,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.1 熱電效應,2）單一導體的溫差電勢（湯姆遜Thomson電勢） 對單一金屬如果兩邊溫度不同，兩端也產(chǎn)生電勢。 產(chǎn)生這個電勢是由于導體內自

15、由電子在高溫端具 有較大的動能，會向低溫端擴散。由于高溫端失 去電子帶正電，低溫端得到電子帶負電。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.1 熱電效應,A、B 兩導體構成閉合回路總的溫差電勢為：,單一導體的溫差電勢為：,稱為湯姆遜系數(shù),傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.1 熱電效應,根據(jù)兩導體的接觸電勢和單一導體溫差電勢， 熱電偶總的熱電勢為：,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.1 熱電效應,根據(jù)兩導體的接觸電勢和單一導體溫差電勢， 熱電偶總的熱電勢為：,EAB(T,T0)=eAB(T)- eAB(T0),傳感器原理及應

16、用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.1 熱電效應,結論： 熱電偶兩電極材料相同，NA=NB A=B ，無論兩端點溫度如何，總熱電勢為零； 2. 如果熱電偶兩接點溫度相同，T=T0時，A、B材料不同，回路總電勢為零； 因此，熱電偶必須用不同材料做電極； 在T、T0兩端必須有溫差梯度，這是熱電偶產(chǎn)生熱電勢的必要條件。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.1 熱電效應,通常溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的總熱電勢可表示為： EAB(T,T0) =eAB(T)- eAB(T0) 對熱電偶來說，當參考端溫度T0恒定，總熱電勢就與溫度T成單值函數(shù)關系 EA

17、B(T,T0) =eAB(T)-c = f(T),傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.1 熱電效應,3)均質導體定律 由兩種均質導體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點溫度有關，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關。即如材料不均勻，當導體上存在溫度梯度時，將會有附加電動勢產(chǎn)生。這條定理說明， 熱電偶必須由兩種不同性質的均質材料構成。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.1 熱電效應,4)三種導體的熱電回路 （中間導體定律） 如果將熱電偶T0端斷開， 接入第三導體C，回路中 電勢EAB（T，T0）應寫為：,傳感器原理及應用

18、,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.1 熱電效應,代入上式有：,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.1 熱電效應,結論： 當引入第三導體C時，只要C導體兩端溫 度相同，回路總電勢不變，根據(jù)這一定律， 將導體C作為測量儀器接入回路，就可以由 總電勢求出工作端溫度，條件是：保證兩端 溫度一致。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.1 熱電效應,結論：,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.1 熱電效應,5）參考電極定律（中間溫度定律） 當結點溫度為T、T0時的熱電勢EAB（T，T0） 等于結點溫度 T、TC和 TC、T0

19、 時，熱電勢,實際測量時，利用這一性 質，對參考端溫度不為零 度時的熱電勢進行修正。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.1 熱電效應,6）標準電極定律 如果兩種導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢已知，則這兩種導體組成熱電偶的熱電勢就已知。,常以鉑、銅為標準電極。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.2 熱電偶的結構和種類,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.2 熱電偶的結構和種類,結構： 普通熱電偶，測量氣體、蒸汽、液體等，棒形結構； 薄膜熱電偶，用于火箭、飛機噴嘴溫度測量，結構較??； 鎧裝熱電偶，用以測量狹

20、小對象，結構細長、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,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.2 熱電偶的結構和種類,熱電偶種類： 貴金屬熱電偶 鉑銠鉑銠（6001700） 鉑銠鉑 （01600） 普通金屬熱電偶 鎳鉻鎳硅（-2001200） 鎳鉻鎳銅（-40750） 鐵康銅 （0400） 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。,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

21、勢高，導電率高，且電阻溫度系數(shù)??； 便于制造； 復現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)。,熱電偶的常用材料與結構,1鉑鉑銠熱電偶(S型) 分度號LB3 工業(yè)用熱電偶絲：0.5mm，實驗室用可更細些。 正極：鉑銠合金絲,用90鉑和10銠(重量比)冶煉而成。 負極：鉑絲。 測量溫度：長期：1300、短期：1600。 特點： 材料性能穩(wěn)定，測量準確度較高；可做成標準熱電偶 或基準熱電偶。用途：實驗室或校驗其它熱電偶。 測量溫度較高，一般用來測量1000以上高溫。 在高溫還原性氣體中（如氣體中含CO、H2等）易被侵 蝕，需要用保護套管。 材料屬貴金屬，成本較高。 熱電勢較弱。,（一）熱電偶常用材料,2鎳鉻鎳硅(鎳鋁)

22、熱電偶(K型) 分度號EU2 工業(yè)用熱電偶絲： 1.22.5mm，實驗室用可細些。 正極：鎳鉻合金(用88.489.7鎳、910鉻，0.6硅，0.3錳，0.40.7鈷冶煉而成)。 負極：鎳硅合金(用95.797鎳,23硅,0.40.7鈷冶煉而成)。 測量溫度：長期1000，短期1300。 特點： 價格比較便宜，在工業(yè)上廣泛應用。 高溫下抗氧化能力強，在還原性氣體和含有SO2， H2S等氣體中易被侵蝕。 復現(xiàn)性好，熱電勢大，但精度不如WRLB。,3鎳鉻考銅熱電偶(E型) 分度號為EA2 工業(yè)用熱電偶絲:1.22mm，實驗室用可更細些。 正極：鎳鉻合金 負極：考銅合金（用56銅，44鎳冶煉而成）。

23、 測量溫度：長期600，短期800。 特點： 價格比較便宜，工業(yè)上廣泛應用。 在常用熱電偶中它產(chǎn)生的熱電勢最大。 氣體硫化物對熱電偶有腐蝕作用?？笺~易氧化變 質，適于在還原性或中性介質中使用。,4鉑銠30鉑銠6熱電偶(B型) 分度號為LL2 正極：鉑銠合金（用70鉑，30銠冶煉而成）。 負極：鉑銠合金（用94鉑，6銠冶煉而成）。 測量溫度：長期可到1600，短期可達1800。 特點： 材料性能穩(wěn)定，測量精度高。 還原性氣體中易被侵蝕。 低溫熱電勢極小，冷端溫度在50以下可不加補償。 成本高。,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

24、的高溫。 （2）鎢錸熱電偶 是60年代發(fā)展起來的，是目前一種較好的高溫熱電偶，可使用在真空惰性氣體介質或氫氣介質中，但高溫抗氧能力差。國產(chǎn)鎢錸-鎢錸20熱電偶使用溫度范圍3002000分度精度為1。 （3）金鐵鎳鉻熱電偶 主要用在低溫測量，可在2273K范圍內使用，靈敏度約為10V。 （4）鈀鉑銥15熱電偶 是一種高輸出性能的熱電偶，在1398時的熱電勢為47.255mV，比鉑鉑銠10熱電偶在同樣溫度下的熱電勢高出3倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應用于航空工業(yè)。,（6）銅康銅熱電偶，分度號MK 熱電偶的熱電勢略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43V/。復現(xiàn)性好，穩(wěn)定性好，精度高，價格便宜。缺

25、點是銅易氧化，廣泛用于20K473K的低溫實驗室測量中。,（5）鐵康銅熱電偶，分度號TK 靈敏度高，約為53V/，線性度好，價格便宜，可在800以下的還原介質中使用。主要缺點是鐵極易氧化，采用發(fā)藍處理后可提高抗銹蝕能力。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.3 熱電偶冷端補償,當熱電偶材料選定以后，熱電動勢只與熱端和冷端溫度有關。因此只有當冷端溫度恒定時，熱電偶的熱電勢和熱端溫度才有單值的函數(shù)關系。此外熱電偶的分度表是以冷端溫度0作為基準進行分度的，而在實際使用過程中，冷端溫度往往不為0，所以必須對冷端溫度進行處理，消除冷端溫度的影響。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳

26、感器,2.2 熱電偶2.2.3 熱電偶冷端補償,補償導線 在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h離現(xiàn)場數(shù)十米遠的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣, 冷端溫度t0比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短， 一般為3502000mm，需要用導線將熱電偶的冷端延伸出來。 工程中采用一種補償導線，它通常由兩種不同性質的廉價金屬導線制成，而且在0100溫度范圍內，要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.3 熱電偶冷端補償,冷端恒溫法 在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入0恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0，這種方法又稱冰浴

27、法。這是一種理想的補償方法，但工業(yè)中使用極為不便。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.3 熱電偶冷端補償,冷端溫度自動補償（補償電橋） 補償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uab作為補償信號，來自動補償熱電偶測量過程中因冷端溫度不為0或變化而引起熱電勢的變化值。它由三個電阻溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制的電阻r1、r2、r3及電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制的電阻rcu和穩(wěn)壓電源組成。補償電橋與熱電偶冷端處在同一環(huán)境溫度，當冷端溫度變化引起的熱電勢eAB(t,t0)變化時，由于rcu的阻值隨冷端溫度變化而變化，適當選擇橋臂電阻和橋路電流， 就可以使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uab

28、補償由于冷端溫度t0變化引起的熱電勢變化量，從而達到自動補償?shù)哪康摹?傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.3 熱電偶冷端補償,冷端溫度自動補償（補償電橋） 冷端溫度變化引起的電勢變化E rcu電阻值隨溫度變化，使電橋失去平衡， Eab E = Eab,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.3 熱電偶冷端補償,冷端溫度修正法 通過查熱電偶分度表可知熱電偶產(chǎn)生的熱電勢； 例如K型：0 時 0mV，600 時 E=24.902mv； 分度表以t=0作基準，而實際應用中t0； 若參考端溫度不為0，工作端溫度為t時，由分 度表可查出EA（t,0），與實際熱電

29、勢EAB（t,t0）之間的關系可通過參考電極定律得出：,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.3 熱電偶冷端補償,冷端溫度修正法 例如，用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30，測得熱電勢eAB（t，t0）為33.29mV, 求加熱爐溫度。 解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得eAB（30，0）1.203 mV。 可得,eAB（t，0）= eAB(t,t0)+eAB(t0,0) =33.29+1.203=34.493mV,由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得t=829.5。,表15-5 K型(鎳鉻鎳硅)熱電偶分度表,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

30、(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+0.5335=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,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.2 熱電偶2.2.

31、3 熱電偶測量電路,特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是同一分度號的熱電偶，且冷端應在同一溫度下。如熱電偶正向串聯(lián)， 可獲得較大的熱電勢輸出和提高靈敏度；在測量兩點溫差時，可采用熱電偶反向串聯(lián)；利用熱電偶并聯(lián)可以測量平均溫度。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,爐溫的自動調節(jié),2.2 熱電偶應用,在設定溫度， P固定使V0 以CD間電勢V變化來調節(jié)Q,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,爐溫的自動記錄,2.2 熱電偶應用,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.3 集成溫度傳感器2.3.1 集成溫度傳感器測溫原理,集成溫度傳感器利用PN結的電流、電壓特性與溫 度的關系測溫，一

32、般測量溫度范圍在150以下。 集成溫度傳感器把熱敏晶體管和外圍電路、放大 器、偏置電路及線性電路制作在同一芯片上； 利用發(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 關系。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.3 集成溫度傳感器2.3.1 集成溫度傳感器測溫原理,PN結伏安特性可表示為 Upn結正向壓降, Ipn結正向電流 Ispn結反向飽和電流,A為發(fā)射結面積，與材料和工藝有關，qUgo為禁帶寬度，K 波爾茲曼常數(shù)；,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.3 集成溫度傳感器2.3.1 集成溫度傳感器測溫原理,通常三極管IcUbe關系比二極管I

33、U關系更符合理想情況 二極管除擴散電流外，還有空間電荷區(qū)的復合電流和表面電流成份，三極管的集電極電流只有擴散電流,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.3 集成溫度傳感器2.3.1 集成溫度傳感器測溫原理,晶體管溫度傳感器 基本電路 溫度特性,發(fā)射結正偏，集電結零偏，復合電流流入基極；集電極電流完全由擴散電流組成，取決與Rc和E；電容C1的作用是防止寄生振蕩,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.3 集成溫度傳感器2.3.1 集成溫度傳感器測溫原理,圖為是絕對溫度比例電路 （Proportional To Absolute Temperature，PTAT） V1、V2是兩只互相匹配的

34、 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。 Vbe=Ube1-Ube2,集成溫度傳感器基本 電路原理圖,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.3 集成溫度傳感器2.3.1 集成溫度傳感器測溫原理,正比于絕對溫度 T，只要保證 恒定， 就可以使 與 T 為線性單值函數(shù)。 當晶體管增益很大時，Vbe=Ic2*R，Ic2T， Ic1T，,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,1）電壓輸出型 輸出電壓正比于絕對溫度，V1、V2的發(fā)射結壓降之差全部落在電阻R1上，流過R1上電流為：,2.3 集成溫度傳感器2.3.2 集成溫度傳感器信號輸出方

35、式,電壓輸出型電路,電路輸出為：,可見輸出電壓Uo與絕對溫度T成正比關系,Uo,電壓型集成溫度傳感器電路結構,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.3 集成溫度傳感器2.3.2 集成溫度傳感器信號輸出方式,2）電流輸出型 V1、V2是結構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,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.3 集成溫度傳感器2.3.3 AD590集成溫度傳感器,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.3 集成溫度傳感器2.3.3 AD590集成溫度

36、傳感器,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.3 集成溫度傳感器2.3.3 AD590集成溫度傳感器,AD590在溫度25（298.2K）時，理想輸出為298.2A，實際存在誤差，可通過電位器調整，(1K)使輸出電壓滿足1mV/K 的關系。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.3 集成溫度傳感器2.3.3 AD590集成溫度傳感器,AD590 典型應用,比較器輸出電壓控制加熱器,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.3 集成溫度傳感器2.3.3 AD590集成溫度傳感器,AD590 典型應用 在反饋電阻為100k 的情況下，設1#和2# AD590處的溫度分別為t1和t2（），則

37、輸出電壓為(t1-t2)100mv/ 。 由基爾霍夫電流定律：I+I2=I1+I3+I4 I3=0,調節(jié)R2使：I4=0 I=I1-I2 設：R4=90k 則有 (I1-I2 )(R3+R4)=(t1-t2)100mv/ ,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,2.3 集成溫度傳感器2.3.3 AD590集成溫度傳感器,AD590的輸出電流I=(273+T)A(T為攝氏溫度),因此量測的電壓V為(273+T)A 10K= (2.73+T/100)V。使用電壓跟隨器其輸出電壓V2等于輸入電壓V。 使用齊納二極體作為穩(wěn)壓零件, 再利用可變電阻分壓,其輸出電 壓V1需調整至2.73V。 差動放大器其輸出Vo為 (100K/10K)(V2-V1)=T/10V。 如果現(xiàn)在為攝氏28度, 輸出電壓為2.8V。,傳感器原理及應用,第2章 溫度傳感器,本章要點:,溫度傳感器電阻因溫度而變化 1）金屬熱電阻：溫度越高，電阻越大，元件 在500以下使用； 2）半導體熱敏電