傳感器原理-PN結(jié)、熱電偶ppt課件

1、1.3 1.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體PNPN結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器 一、二極管溫度傳感器一、二極管溫度傳感器 是利用是利用PNPN結(jié)正向電壓與溫度關(guān)系的特性制造的。結(jié)正向電壓與溫度關(guān)系的特性制造的。 由由PNPN結(jié)實(shí)際可知，結(jié)實(shí)際可知， 當(dāng)If 不變時(shí)，PN結(jié)Ut 隨T的上升而下降，近似線性關(guān)系Ut二、晶體管溫度傳感器二、晶體管溫度傳感器 在晶體管集電極電流恒定下，發(fā)射結(jié)的正向電在晶體管集電極電流恒定下，發(fā)射結(jié)的正向電壓隨溫度上升而下降。壓隨溫度上升而下降。 晶體管比二極管有更好的線性和互換性。晶體管比二極管有更好的線性和互換性。UtT/PN結(jié)溫度傳感器的優(yōu)缺陷優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、線性好、價(jià)錢低廉缺

2、陷：一致性差硅管結(jié)電壓常溫下約0.7v并且大小隨溫度升高而減小，ut測(cè)溫范圍 -50+1501. 1. 根本原理根本原理 2. 2. 晶體管溫度傳感器的構(gòu)造晶體管溫度傳感器的構(gòu)造 由晶體管原理知由晶體管原理知 檢測(cè)溫度時(shí)溫敏三極管必需附加外圍電路。檢測(cè)溫度時(shí)溫敏三極管必需附加外圍電路。 外圍電路包括參考電壓源運(yùn)放線性電路等部分。外圍電路包括參考電壓源運(yùn)放線性電路等部分。 3、晶體管溫度傳感器根本電路、晶體管溫度傳感器根本電路 由運(yùn)放和溫敏三極管組成，由運(yùn)放和溫敏三極管組成，C C防止寄生振蕩。防止寄生振蕩。T T為反響元件跨接在運(yùn)放為反響元件跨接在運(yùn)放的反相輸入端和輸出端，基極接地。的反相輸入

3、端和輸出端，基極接地。 T T的集電極的集電極IcIc僅取決于僅取決于RcRc和電壓和電壓E, Ic=E/RcE, Ic=E/Rc，與溫度無(wú)關(guān)，保證了恒，與溫度無(wú)關(guān)，保證了恒流源任務(wù)條件。電壓流源任務(wù)條件。電壓VbeVbe隨隨T T近似線性下降。近似線性下降。 設(shè)計(jì)原理：集成溫度傳感器那么是將晶體管的b-e結(jié)作為溫度敏感元件，加上信號(hào)放大、調(diào)整電路、甚至A/D轉(zhuǎn)換或U/f轉(zhuǎn)換等電路集成在一個(gè)芯片上制成優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)用簡(jiǎn)便、價(jià)錢低廉、線性好、誤差小、適宜遠(yuǎn)間隔丈量、控制、免調(diào)試。1.4 1.4 集成溫度傳感器集成溫度傳感器 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

4、傳感器。電流型IC溫度傳感器是把線性集成電路和與之相容的薄膜工藝元件集成在一塊芯片上,再經(jīng)過(guò)激光修版微加工技術(shù),制造出性能優(yōu)良的測(cè)溫傳感器。這種傳感器的輸出電流正比于熱力學(xué)溫度，即1A/K；其次，因電流型輸出恒流，所以傳感器具有高輸出阻抗。其值可達(dá)10M。這為遠(yuǎn)間隔傳輸深井測(cè)溫提供了一種新型器件。電壓型IC溫度傳感器是將溫度傳感器基準(zhǔn)電壓、緩沖放大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大器；故輸出電壓高、線性輸出為10mV；另外,由于其具有輸出阻抗低的特性；抗干擾才干強(qiáng)，故不適宜長(zhǎng)線傳輸。這類IC溫度傳感器特別適宜于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)丈量。模擬輸出型IC溫度傳感器 典型電流式集成溫度傳感器有：A

5、D590 AD592 TMP17 典型電壓式集成溫度傳感器有：LM334 LM35 TMP37美國(guó)DALLAS公司消費(fèi)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS1820，可把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處置。由于每片DS1820含有獨(dú)一的串行序列號(hào)，所以在一條總線上可掛接恣意多個(gè)DS1820芯片。從DS1820讀出的信息或?qū)懭隓S1820的信息，僅需求一根口線單總線接口。讀寫及溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS1820供電，而無(wú)需額外電源。DS1820提供九位溫度讀數(shù)，構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)而無(wú)需任何外圍硬件。 數(shù)字輸出型IC溫度傳感器 、 DS1820的特性 單線接口：僅需一根口

6、線與MCU銜接； 無(wú)需外圍元件； 由總線提供電源； 測(cè)溫范圍為-55125，精度為0.5； 九位溫度讀數(shù)； A/D變換時(shí)間為200ms； 用戶可以恣意設(shè)置溫度上、下限報(bào)警值，且可以識(shí)別詳細(xì)報(bào)警傳感器。 DS 18B20123GNDI/O V DD(a) PR35封裝 DS18B20的管腳陳列DS182012345678I/OGND(b) SOIC封裝NCNCNCNCV DDNC2 2、 DS18B20 DS18B20引腳及功能引腳及功能 GND GND：地；：地； VDD VDD：電源電壓：電源電壓 I/O I/O：數(shù)據(jù)輸入輸出腳：數(shù)據(jù)輸入輸出腳( (單線接口，可作寄單線接口，可作寄生供電生供

7、電) )溫度/輸出的二進(jìn)制碼對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制碼+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+1/200000000000000010001H000000000000000000000H-1/21111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-551111111110010010FF92HDS1820溫度與數(shù)字量對(duì)應(yīng)關(guān)系表溫度與數(shù)字量對(duì)應(yīng)關(guān)系表 1.51.5熱電偶及其運(yùn)用熱電偶及其運(yùn)用工程目的：經(jīng)過(guò)本工程的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，掌握熱電工程目的：經(jīng)過(guò)本工程的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，掌握熱電偶的主要特性，了解熱電偶的工業(yè)運(yùn)用，

8、掌握普偶的主要特性，了解熱電偶的工業(yè)運(yùn)用，掌握普通熱電偶的根本運(yùn)用方法和溫度補(bǔ)償?shù)某Ｓ梅椒āＭ犭娕嫉母具\(yùn)用方法和溫度補(bǔ)償?shù)某Ｓ梅椒ā?熱處置溫控系統(tǒng)熱處置溫控系統(tǒng)1.5熱電偶傳感器熱電偶傳感器義務(wù)一、認(rèn)識(shí)熱電偶義務(wù)一、認(rèn)識(shí)熱電偶活動(dòng)活動(dòng)1 1：了解熱電偶的根本特性：了解熱電偶的根本特性 1. 1.預(yù)備器材：預(yù)備器材： 數(shù)字萬(wàn)用表，酒精燈，數(shù)字萬(wàn)用表，酒精燈，0.4mm0.4mm、長(zhǎng)約、長(zhǎng)約250mm250mm的的 漆包銅線和康銅絲各一根。漆包銅線和康銅絲各一根。 活動(dòng)活動(dòng)1 1：了解熱電偶根本特性：了解熱電偶根本特性2 22. 實(shí)驗(yàn)方法 制造一個(gè)簡(jiǎn)易熱電偶 將數(shù)字萬(wàn)用表?yè)苤罝C200 mV

9、檔后接熱電偶，讀取此時(shí)電壓值 加熱熱電偶的任務(wù)端即絞緊銜接點(diǎn)，察看萬(wàn)用表電壓顯示值的變化；再將酒精燈逐漸遠(yuǎn)離熱電偶，察看記錄電壓數(shù)值 熱電偶實(shí)驗(yàn)原理演示熱電偶實(shí)驗(yàn)原理演示 結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不一樣時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不一樣時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。 熱電極熱電極A A右端稱為：右端稱為：自在端自在端參考端、參考端、冷端冷端 左端稱為：左端稱為：丈量端丈量端任務(wù)端、任務(wù)端、熱端熱端 熱電極熱電極B B熱電勢(shì)熱電勢(shì)AB活動(dòng)活動(dòng)2 2：認(rèn)識(shí)熱電偶：認(rèn)識(shí)熱電偶 察看拆解后的普通熱電偶芯或未安裝的熱電偶絲，可察看拆解后的普通熱電偶芯或未安裝的熱電偶絲，可以看出兩種不同的金屬資料構(gòu)

10、成熱電偶的敏感元件。熱電以看出兩種不同的金屬資料構(gòu)成熱電偶的敏感元件。熱電偶芯絲就是熱電偶的中心部分。偶芯絲就是熱電偶的中心部分。 活動(dòng)活動(dòng)3.3.了解熱電偶原理和特征了解熱電偶原理和特征 熱電效應(yīng)的本質(zhì)是熱電偶本身吸收了外部熱電效應(yīng)的本質(zhì)是熱電偶本身吸收了外部的熱能，在內(nèi)部轉(zhuǎn)換為電能的一種物理景象。的熱能，在內(nèi)部轉(zhuǎn)換為電能的一種物理景象。 熱電勢(shì)的大小只與資料和結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)熱電勢(shì)的大小只與資料和結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān) 而熱電偶的內(nèi)阻與其長(zhǎng)短，粗細(xì)，外形有關(guān)而熱電偶的內(nèi)阻與其長(zhǎng)短，粗細(xì)，外形有關(guān)熱電偶的任務(wù)原理熱電偶的任務(wù)原理 熱電偶兩端的熱電動(dòng)勢(shì)可以用下式表示：熱電偶兩端的熱電動(dòng)勢(shì)可以用下式表示： E

11、t = EAB(t) EAB(t0) Et = EAB(t) EAB(t0) 式中：式中：Et Et 熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)；熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)； EAB(t) EAB(t) 溫度為溫度為t t時(shí)任務(wù)端的熱電動(dòng)勢(shì)；時(shí)任務(wù)端的熱電動(dòng)勢(shì)； EAB(t0) EAB(t0) 溫度為溫度為t0t0時(shí)自在端的熱電動(dòng)勢(shì)。時(shí)自在端的熱電動(dòng)勢(shì)。1 1中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種資料的導(dǎo)體，只在熱電偶回路中接入第三種資料的導(dǎo)體，只需其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響需其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。2 2、熱電偶回路的主要性質(zhì)、熱電偶回路

12、的主要性質(zhì) EABC(t,t0)=EAB(t,t0) C兩端接點(diǎn)溫度一樣 CABtt0中間導(dǎo)體定律運(yùn)用舉例：中間導(dǎo)體定律運(yùn)用舉例：a可以引入各種儀表、可以引入各種儀表、銜接導(dǎo)線等，也允許采用銜接導(dǎo)線等，也允許采用恣意的焊接方法來(lái)焊制熱恣意的焊接方法來(lái)焊制熱電偶電偶b可以采用開路熱電可以采用開路熱電偶對(duì)液態(tài)金屬和金屬壁偶對(duì)液態(tài)金屬和金屬壁面進(jìn)展溫度丈量面進(jìn)展溫度丈量),(),(),(000ttEttEttECBACAB 當(dāng)任務(wù)端和自在端溫度為當(dāng)任務(wù)端和自在端溫度為T T和和T0T0時(shí)，用導(dǎo)體時(shí)，用導(dǎo)體A A、B B組成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)等于組成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)等于ACAC熱電偶和熱電偶和CBCB熱

13、電偶的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。),(),(),(000ttEttEttEBCACAB或或2規(guī)范電極定律規(guī)范電極定律tt0ABtt0ACtt0CB=+簡(jiǎn)化熱電偶的選配簡(jiǎn)化熱電偶的選配3中間溫度定律中間溫度定律 熱電偶熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為在接點(diǎn)溫度為T1、T3時(shí)的熱電動(dòng)時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)，等于熱電偶在接點(diǎn)溫度為勢(shì)，等于熱電偶在接點(diǎn)溫度為T1、T2和和T2、T3時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)總和時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)總和 EAB(t,t0)=EAB(t,tn)+EAB(tn,t0) t1t3ABt1t2ABt2t3AB=+ EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3) 熱電偶的分度表熱電偶的

14、分度表 假設(shè)自在端溫度恒定不變，那么熱電動(dòng)勢(shì)只與任務(wù)端的溫假設(shè)自在端溫度恒定不變，那么熱電動(dòng)勢(shì)只與任務(wù)端的溫度有關(guān)，即度有關(guān)，即Et=f(t)Et=f(t)。熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與熱電極資料的成分及。熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與熱電極資料的成分及兩端的溫度有關(guān)，而與熱電極的尺寸無(wú)關(guān)。根據(jù)這一特點(diǎn)，工兩端的溫度有關(guān)，而與熱電極的尺寸無(wú)關(guān)。根據(jù)這一特點(diǎn)，工程上以程上以00作為冷端基準(zhǔn)溫度，將熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)與對(duì)應(yīng)熱端作為冷端基準(zhǔn)溫度，將熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)與對(duì)應(yīng)熱端的溫度準(zhǔn)確測(cè)出，作成表格，稱為熱電偶的分度表，見(jiàn)附錄。的溫度準(zhǔn)確測(cè)出，作成表格，稱為熱電偶的分度表，見(jiàn)附錄。 任務(wù)端溫度01020304050 熱電動(dòng)勢(shì)

15、mV0-0.000-0.392-0.777-1.156-1.527-1.889 00.0000.3970.7981.2031.6112.022 1004.0954.5084.9195.3275.7336. 2008.8.5378.9389.3419.74510.151 義務(wù)二、熱電偶運(yùn)用訓(xùn)練義務(wù)二、熱電偶運(yùn)用訓(xùn)練 一、熱電偶的種類一、熱電偶的種類 8 8種國(guó)際通用熱電偶種國(guó)際通用熱電偶 1.鉑銠30鉑銠6 B 2.鉑銠13鉑 R 3.鉑銠10鉑 S 4.鎳鉻鎳硅 K 5鎳鉻硅鎳硅 N 6.鎳鉻銅鎳康銅E 7.鐵銅鎳 J 8.銅銅鎳 T分度號(hào)分度號(hào)稱號(hào)稱號(hào)熱電偶絲幾種常用熱電偶的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)

16、系曲線義務(wù)二、熱電偶運(yùn)用訓(xùn)練義務(wù)二、熱電偶運(yùn)用訓(xùn)練 二、熱電偶的構(gòu)造二、熱電偶的構(gòu)造 1. 1.普通型熱電偶普通型熱電偶 2. 2.鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶 3. 3.薄膜型熱電偶薄膜型熱電偶普通裝配型熱電偶的外形普通裝配型熱電偶的外形接線盒接線盒引出線套管引出線套管 不銹鋼維護(hù)管不銹鋼維護(hù)管 固定螺紋固定螺紋 熱電偶任務(wù)端熱端熱電偶任務(wù)端熱端 普通鎧裝熱電偶的構(gòu)造普通鎧裝熱電偶的構(gòu)造鎧裝型熱電偶可鎧裝型熱電偶可 長(zhǎng)達(dá)上百米長(zhǎng)達(dá)上百米鎧裝型熱電偶外形鎧裝型熱電偶外形小形小形K型熱電偶型熱電偶其他熱電偶外形其他熱電偶外形 補(bǔ)償導(dǎo)線由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬資料制成，在一定溫度補(bǔ)償導(dǎo)線由兩種不同性質(zhì)

17、的廉價(jià)金屬資料制成，在一定溫度范圍內(nèi)范圍內(nèi)01000100，與所配接的熱電偶具有一樣的熱電特性，與所配接的熱電偶具有一樣的熱電特性，起到延伸冷端的作用。起到延伸冷端的作用。 二、熱電偶運(yùn)用訓(xùn)練二、熱電偶運(yùn)用訓(xùn)練 1、補(bǔ)償導(dǎo)線、補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線AB屏蔽層屏蔽層維護(hù)層維護(hù)層補(bǔ)償導(dǎo)線外形補(bǔ)償導(dǎo)線外形常用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的特性常用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的特性配用熱電偶正-負(fù)補(bǔ)償導(dǎo)線正-負(fù)導(dǎo)線外皮顏色100熱電勢(shì)mV150熱電勢(shì)mV20時(shí)的電阻率m正負(fù)鉑銠10鉑銅銅鎳紅綠0.6450.0231.029+0.024-0.0550.048410-6鎳鉻鎳硅銅康銅紅藍(lán)4.0950.156.0.200.63410

18、-6鎳鉻考銅鎳鉻考銅紅黃6.950.30 10.690.381.2510-6鎢錸5鎢錸20銅銅鎳紅藍(lán)1.3370.0452 2、冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?、冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ɡ涠撕銣胤ɡ涠撕銣胤?將熱電偶的冷端置于冰水混合物中，也稱冰浴法將熱電偶的冷端置于冰水混合物中，也稱冰浴法 2.2.冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ɡ涠藴囟妊a(bǔ)償?shù)姆椒?活動(dòng)活動(dòng)1 1：確定被測(cè)溫度：確定被測(cè)溫度練慣用計(jì)算法進(jìn)展溫度補(bǔ)償練慣用計(jì)算法進(jìn)展溫度補(bǔ)償計(jì)算校正法計(jì)算校正法 E(t,0) = E(t,t0) + E(t0,0) E(t,0) = E(t,t0) + E(t0,0)知：鎳鉻知：鎳鉻- -鎳硅熱電偶的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)展測(cè)溫時(shí)，其冷端溫

19、度為鎳硅熱電偶的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)展測(cè)溫時(shí)，其冷端溫度為3030，儀表顯示的熱電動(dòng)勢(shì)為，儀表顯示的熱電動(dòng)勢(shì)為39.17mV39.17mV，利用附錄，利用附錄C C中的數(shù)據(jù)，中的數(shù)據(jù)，完成以下操作：完成以下操作： 查表得查表得E E3030，0 0=1.20mV=1.20mV 計(jì)算計(jì)算: E(t,0) = E (t,30) + E(30,0)=(39.17+1.20)mV = : E(t,0) = E (t,30) + E(30,0)=(39.17+1.20)mV = 40.37mV40.37mV 再反查分度表，可得被測(cè)溫度為再反查分度表，可得被測(cè)溫度為 977 977。 儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法儀表機(jī)械零點(diǎn)

20、調(diào)整法 用用螺絲刀螺絲刀調(diào)理儀調(diào)理儀外表板外表板上的上的“機(jī)機(jī)械零點(diǎn)械零點(diǎn)，使，使指針指指針指到氣溫到氣溫t0t0圖中為圖中為40 40 C C的刻度的刻度上。上。機(jī)械零點(diǎn)機(jī)械零點(diǎn)指針被預(yù)調(diào)到室溫指針被預(yù)調(diào)到室溫40 C 可補(bǔ)償冷端損失可補(bǔ)償冷端損失電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法 XT-WBC XT-WBC熱電熱電偶偶 冷端補(bǔ)償冷端補(bǔ)償器器 電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值，可購(gòu)買與被補(bǔ)償熱電偶對(duì)應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償電橋?；?，可購(gòu)買與被補(bǔ)償熱電偶對(duì)應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償電橋。 活動(dòng)活動(dòng)2 .2 .學(xué)習(xí)熱電偶的運(yùn)用方法學(xué)習(xí)熱電偶的運(yùn)用方法 選擇帶溫度丈量功能的數(shù)字萬(wàn)用表。運(yùn)用萬(wàn)用表丈量室內(nèi)選擇帶溫度丈量功能的數(shù)字萬(wàn)用表。運(yùn)用萬(wàn)用表丈量室內(nèi)溫度，與其他溫度計(jì)