傳感器第8章課件

1、普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材傳傳 感感 器器（第第5版）版） 第一節(jié)第一節(jié) 熱電偶傳感器熱電偶傳感器 第二節(jié)第二節(jié) 熱電阻傳感器熱電阻傳感器 第三節(jié)第三節(jié) 熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器 第四節(jié)第四節(jié) 集成溫度傳感器集成溫度傳感器第八章第八章 熱電式傳感器熱電式傳感器普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材返回主目錄返回主目錄第一節(jié)第一節(jié) 熱電偶傳感器熱電偶傳感器一、熱電偶的工作原理一、熱電偶的工作原理1、熱電效應、熱電效應 將兩根不同材料的導體或半導體（將兩根不同材料的導體或半導體（A和和B）聯(lián)接起來構成一個回）聯(lián)接起來構成一

2、個回路，如果兩個接合點處的溫度不同（路，如果兩個接合點處的溫度不同（T0T1），則在兩導體向產(chǎn)生熱電），則在兩導體向產(chǎn)生熱電勢，并在回路中有一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱為勢，并在回路中有一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應熱電效應。 第八章第八章 熱電式傳感器熱電式傳感器T0TBA圖圖8-1熱電效應熱電效應 由熱電效應制成的測溫傳感器就是熱電偶。測溫時：由熱電效應制成的測溫傳感器就是熱電偶。測溫時：l 結點結點2置于被測溫度場中，稱為測量端（工作端、熱端）；置于被測溫度場中，稱為測量端（工作端、熱端）；l 結點結點1處于某一恒定溫度（或已知溫度），稱為參考端（自由端或冷處于某一恒定溫度（或已知溫

3、度），稱為參考端（自由端或冷端）。端）。 T0TBA12第一節(jié)第一節(jié) 熱電偶傳感器熱電偶傳感器(1)接觸電動勢接觸電動勢 由于不同的金屬材料所具有的自由電子密度不同，當兩種不同的由于不同的金屬材料所具有的自由電子密度不同，當兩種不同的金屬導體接觸時，在接觸面上就會發(fā)生電子擴散。電子的擴散速率與金屬導體接觸時，在接觸面上就會發(fā)生電子擴散。電子的擴散速率與兩導體的電子密度有關并和接觸區(qū)的溫度成正比。設導體兩導體的電子密度有關并和接觸區(qū)的溫度成正比。設導體A和和B的自的自由電子密度為由電子密度為NA和和NB，且有，且有NA NB，電子擴散的結果使導體，電子擴散的結果使導體A失去失去電子而帶正電，導體

4、電子而帶正電，導體B則因獲得電子而帶負電，在接觸面形成電場。則因獲得電子而帶負電，在接觸面形成電場。這個電場阻礙了電子繼續(xù)擴散，達到動態(tài)平衡時，在接觸區(qū)形成一個這個電場阻礙了電子繼續(xù)擴散，達到動態(tài)平衡時，在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電位差，即接觸電動勢，其大小可表示為：穩(wěn)定的電位差，即接觸電動勢，其大小可表示為：( )AABBNKTeTlneN式中：式中：K波爾茲曼常數(shù)，波爾茲曼常數(shù)，K1.3810-23 e 電子電荷量電子電荷量 e = 1.610-19C NA(NB)為為A(B)材料的自由電子密度。材料的自由電子密度。第一節(jié)第一節(jié) 熱電偶傳感器熱電偶傳感器(2) 溫差電勢溫差電勢 同一導體中的，

5、如果兩端溫度不同，在兩端間會產(chǎn)生電動勢，即產(chǎn)生單同一導體中的，如果兩端溫度不同，在兩端間會產(chǎn)生電動勢，即產(chǎn)生單一導體的溫差電動勢，這是由于導體內自由電子在高溫端具有較大的動能，一導體的溫差電動勢，這是由于導體內自由電子在高溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴散的結果。高溫端因失去電子而帶正電，低溫端由于獲得電因而向低溫端擴散的結果。高溫端因失去電子而帶正電，低溫端由于獲得電子而帶負電，在高低溫端之間形成一個電位差。溫差電動勢的大小與導體的子而帶負電，在高低溫端之間形成一個電位差。溫差電動勢的大小與導體的性質和兩端的溫差有關，表示為：性質和兩端的溫差有關，表示為：00( ,)TAATe T TdT

6、A A材料的湯姆遜系數(shù)。材料的湯姆遜系數(shù)。（表示導體（表示導體A兩端的溫度差為兩端的溫度差為1時所產(chǎn)生的溫差電動勢時所產(chǎn)生的溫差電動勢 ）第一節(jié)第一節(jié) 熱電偶傳感器熱電偶傳感器對于圖對于圖8-2中導體中導體A、B組成的熱電偶回路，當溫度組成的熱電偶回路，當溫度 時，回路總的熱時，回路總的熱電勢可表示為電勢可表示為式中式中 導體導體A在結點溫度為在結點溫度為 和和 時的電子密度；時的電子密度； 導體導體B在結點溫度為在結點溫度為 和和 時的電子密度；時的電子密度； 導體導體A和和B的湯姆遜系數(shù)。的湯姆遜系數(shù)。00000( ,)lnln()TATATABABTBTBTkTNNkTET TdTeNe

7、N TTAdT0TTBdT0)(TeAB)0(TeAB0ATATNN、0BTBTNN、BA、圖圖8-2 閉合回路溫差電動勢閉合回路溫差電動勢 第一節(jié)第一節(jié) 熱電偶傳感器熱電偶傳感器由此可得出有關熱電偶回路的幾點結論：由此可得出有關熱電偶回路的幾點結論：1）如果構成熱電偶的兩個熱電極為材料相同的均質導體即）如果構成熱電偶的兩個熱電極為材料相同的均質導體即 ， ，則無論兩結點溫度如何，熱電偶回路內的總熱電動勢為零。，則無論兩結點溫度如何，熱電偶回路內的總熱電動勢為零。因此，熱電偶必須采用兩種不同的材料作為熱電極。因此，熱電偶必須采用兩種不同的材料作為熱電極。2）如果熱電偶兩結點溫度相等，即）如果熱

8、電偶兩結點溫度相等，即 ，則盡管導體，則盡管導體A、B的材的材料不同，熱電偶回路內的總電動勢亦為零。料不同，熱電偶回路內的總電動勢亦為零。3）熱電偶）熱電偶AB的熱電動勢與的熱電動勢與A、B材料的中間溫度無關，只與結點材料的中間溫度無關，只與結點溫度有關。溫度有關。BABANN0TT 第一節(jié)第一節(jié) 熱電偶傳感器熱電偶傳感器2、熱電偶的基本定律、熱電偶的基本定律（1）中間導體定律）中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導線，只要其兩端的溫度相等，在熱電偶回路中接入第三種材料的導線，只要其兩端的溫度相等，第三導線的引入不會影響熱電偶的熱電動勢。第三導線的引入不會影響熱電偶的熱電動勢。),()(

9、)(),(000TTETETETTEABABABABC第一節(jié)第一節(jié) 熱電偶傳感器熱電偶傳感器（2）參考電極定律圖）參考電極定律圖由于純鉑絲的物理化學性能穩(wěn)定，熔點較高，易提純，所以目前常由于純鉑絲的物理化學性能穩(wěn)定，熔點較高，易提純，所以目前常用純鉑絲作參考電極。如果已求出各種熱電極對鉑極的熱電特性，可大用純鉑絲作參考電極。如果已求出各種熱電極對鉑極的熱電特性，可大大簡化熱電偶的選配工作。大簡化熱電偶的選配工作。TTABBAABABCBACTTEdTTeTeTTETTE0),()()()(),(),(0000圖圖8-4 參考電極定律示意圖參考電極定律示意圖 第一節(jié)第一節(jié) 熱電偶傳感器熱電偶傳感

10、器（3）中間溫度定律）中間溫度定律當熱電偶的兩個節(jié)點溫度為當熱電偶的兩個節(jié)點溫度為T，T1時時,熱電勢為熱電勢為EAB（T,T1）；當熱電）；當熱電偶的兩個節(jié)點溫度為偶的兩個節(jié)點溫度為T1，T0時時, 熱電勢為熱電勢為EAB（T1,T0）；當熱電偶的兩個）；當熱電偶的兩個節(jié)點溫度為節(jié)點溫度為T，T0時時, 熱電勢為熱電勢為),),(),(0011TTETTETTEABABAB（第一節(jié)第一節(jié) 熱電偶傳感器熱電偶傳感器二、常用的熱電偶二、常用的熱電偶熱電偶名稱熱電偶名稱分度號分度號極性極性化學成分化學成分100時時電勢電勢(mV)使用溫度使用溫度允許誤差允許誤差長期長期短期短期()鉑銠鉑銠10鉑鉑

11、LB-3正正Pt90%Rh10%0.64313001600600600負負Pt100%2.40.4%t鉑銠鉑銠30鉑銠鉑銠6LL2正正Pt70%Rh30%0.03416001800600600負負Pt94%Rh6%30.5%t鎳鉻鎳硅鎳鉻鎳硅EU-2正正Cr910%Si0.4%Ni90%4.1010001200400400負負Si2.53.0%Co0.6%Ni97%40.75%t鎳鉻考銅鎳鉻考銅EA-2正正Cr910%Si0.4%Ni90%6.95600800400400負負Cu5657%Ni4344%41%t銅康銅銅康銅正正Cu100%4.26200300-200-400-40400負負Cu

12、55%Ni45%2%t0.75%第一節(jié)第一節(jié) 熱電偶傳感器熱電偶傳感器三、熱電偶的溫度補償三、熱電偶的溫度補償 在實際使用時，由于熱電偶的熱端（測量端）與冷端離的很近，在實際使用時，由于熱電偶的熱端（測量端）與冷端離的很近，冷端又暴露于空間，容易受到環(huán)境溫冷端又暴露于空間，容易受到環(huán)境溫 度的影響，因而冷端溫度很度的影響，因而冷端溫度很難保持恒定。為此需要進行溫度補償。難保持恒定。為此需要進行溫度補償。 由熱電偶測溫原理可知，只有當熱電偶的冷端溫度保持不變，由熱電偶測溫原理可知，只有當熱電偶的冷端溫度保持不變，熱電勢才是被測溫度的單值函數(shù)。熱電勢才是被測溫度的單值函數(shù)。 工程技術上使用的熱電偶

13、分度表和根據(jù)分度表刻劃工程技術上使用的熱電偶分度表和根據(jù)分度表刻劃 的測溫顯示的測溫顯示儀表的刻度都是根據(jù)冷端溫度為儀表的刻度都是根據(jù)冷端溫度為0而制作的。而制作的。第一節(jié)第一節(jié) 熱電偶傳感器熱電偶傳感器 電橋補償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶因冷端溫電橋補償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶因冷端溫度不在度不在0時引起的熱電勢變化值，在熱電偶與測溫儀表之間串接一個時引起的熱電勢變化值，在熱電偶與測溫儀表之間串接一個直流不平衡電橋，電橋中的直流不平衡電橋，電橋中的R1、 R2、 R3、由電阻溫度系數(shù)很小的錳、由電阻溫度系數(shù)很小的錳銅絲制作，另一橋臂的銅絲制作，另一橋臂的RT由溫

14、度系數(shù)較大的銅線繞制。由溫度系數(shù)較大的銅線繞制。 電橋的電橋的4個電阻均和熱電偶冷端處在同一環(huán)境溫度，但由于個電阻均和熱電偶冷端處在同一環(huán)境溫度，但由于RT的阻的阻值隨環(huán)境溫度變化而變化，使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓的大小和極性隨值隨環(huán)境溫度變化而變化，使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓的大小和極性隨著環(huán)境溫度的變化而變化，從而達到自動補償?shù)哪康?。著環(huán)境溫度的變化而變化，從而達到自動補償?shù)哪康?。第一?jié)第一節(jié) 熱電偶傳感器熱電偶傳感器電橋補償法補償原理電橋補償法補償原理圖圖8-6 電位補償法原理電位補償法原理第一節(jié)第一節(jié) 熱電偶傳感器熱電偶傳感器第二節(jié)第二節(jié) 熱電阻傳感器熱電阻傳感器一、概述一、概述熱電阻傳感器是

15、利用導體的電阻隨溫度變化的特性，對溫度和溫度熱電阻傳感器是利用導體的電阻隨溫度變化的特性，對溫度和溫度有關的參數(shù)進行檢測的裝置。有關的參數(shù)進行檢測的裝置。主要優(yōu)點：主要優(yōu)點：測量精度高；測量精度高；有較大的測量范圍，尤其在低溫方面；有較大的測量范圍，尤其在低溫方面；易于使用在自動測量和遠距離測量中；易于使用在自動測量和遠距離測量中；與熱電偶相比，它沒有參比端誤差問題。與熱電偶相比，它沒有參比端誤差問題。第八章第八章 熱電式傳感器熱電式傳感器第二節(jié)第二節(jié) 熱電阻傳感器熱電阻傳感器二、熱電阻材料和常用熱電阻二、熱電阻材料和常用熱電阻作為測量溫度用的熱電阻材料必須具有以下特點：作為測量溫度用的熱電阻

16、材料必須具有以下特點：高且穩(wěn)定的溫度系數(shù)和大的電阻率，以便提高靈敏度和保證測量高且穩(wěn)定的溫度系數(shù)和大的電阻率，以便提高靈敏度和保證測量精度；精度；良好的輸出特性，即電阻溫度的變化接近于線性關系；良好的輸出特性，即電阻溫度的變化接近于線性關系；在使用范圍內，其化學、物理性能應保持穩(wěn)定；在使用范圍內，其化學、物理性能應保持穩(wěn)定；良好的工藝性，以便于批量生產(chǎn)，降低成本。良好的工藝性，以便于批量生產(chǎn)，降低成本。1.鉑熱電阻鉑熱電阻鉑是一種貴金屬，其主要優(yōu)點是物理化學性能極為穩(wěn)定，并且有良鉑是一種貴金屬，其主要優(yōu)點是物理化學性能極為穩(wěn)定，并且有良好的工藝性，易于提純，可以制成極細的鉑絲（直徑可達到好的工

17、藝性，易于提純，可以制成極細的鉑絲（直徑可達到0.02mm或更或更細）或極薄的鉑箔。它的缺點是電阻溫度系數(shù)較小。細）或極薄的鉑箔。它的缺點是電阻溫度系數(shù)較小。第二節(jié)第二節(jié) 熱電阻傳感器熱電阻傳感器鉑電阻阻值與溫度變化之間的關系可近似用下式表示：鉑電阻阻值與溫度變化之間的關系可近似用下式表示：在在-2000范圍內范圍內在在0850范圍內范圍內 式中式中 R0、RT分別為分別為0和和t時的電阻值；時的電阻值；對于常用的工業(yè)鉑電阻，對于常用的工業(yè)鉑電阻，A=3.9080210-3-1，B=-5.80210-7-2，C=-4.2735010-12-4。)100(1 320TTCBTATRRT)1 (2

18、0BTATRRT第二節(jié)第二節(jié) 熱電阻傳感器熱電阻傳感器2.銅熱電阻銅熱電阻銅熱電阻以金屬銅為感溫元件。它的特點是：電阻溫度系數(shù)較大、銅熱電阻以金屬銅為感溫元件。它的特點是：電阻溫度系數(shù)較大、價格便宜、互換性好、固有電阻小、體積大。使用溫度范圍是價格便宜、互換性好、固有電阻小、體積大。使用溫度范圍是-50150，在此溫度范圍內銅熱電阻阻值與溫度的關系可以用下式表示：，在此溫度范圍內銅熱電阻阻值與溫度的關系可以用下式表示： 式中式中 R0、RT分別為分別為0和和t時的電阻值；時的電阻值；對于常用的工業(yè)銅熱電阻，對于常用的工業(yè)銅熱電阻，A=4.2889910-3-1，B=-2.13310-7-2，C

19、=1.23310-9-3。)1 (320CTBTATRRT一、熱敏電阻的工作原理一、熱敏電阻的工作原理半導體熱敏電阻（以下簡稱熱敏電阻）是利用半導體的電阻半導體熱敏電阻（以下簡稱熱敏電阻）是利用半導體的電阻值隨溫度變化這一特性制成的一種熱敏元件。值隨溫度變化這一特性制成的一種熱敏元件。優(yōu)點：優(yōu)點：靈敏度高，體積小，響應快，功耗低，價格低廉；靈敏度高，體積小，響應快，功耗低，價格低廉；缺點：缺點：電阻值隨溫度呈非線性變化，元件的穩(wěn)定性及互換性差。電阻值隨溫度呈非線性變化，元件的穩(wěn)定性及互換性差。第三節(jié)第三節(jié) 熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器第八章第八章 熱電式傳感器熱電式傳感器熱敏電阻是由某些金屬氧

20、化物按不同的配方比例燒結制成的。熱敏電阻是由某些金屬氧化物按不同的配方比例燒結制成的。不同的熱敏電阻材料，具有不同的電阻溫度特性，按溫度系數(shù)不同的熱敏電阻材料，具有不同的電阻溫度特性，按溫度系數(shù)的正負，將其分為正溫度系數(shù)熱敏電阻，負溫度系數(shù)熱敏電阻和的正負，將其分為正溫度系數(shù)熱敏電阻，負溫度系數(shù)熱敏電阻和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻。各熱電阻的溫度特性曲線如圖臨界溫度系數(shù)熱敏電阻。各熱電阻的溫度特性曲線如圖8-7所示。所示。第三節(jié)第三節(jié) 熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器圖圖8-7 各種熱敏電阻特性曲線各種熱敏電阻特性曲線（1）負溫度系數(shù)熱敏電阻（）負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）其電阻隨溫度升高而降低，具有負

21、的溫度系數(shù)，通常將其電阻隨溫度升高而降低，具有負的溫度系數(shù)，通常將NTC稱為熱敏電稱為熱敏電阻，負溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻溫度特性，可用如下經(jīng)驗公式描述：阻，負溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻溫度特性，可用如下經(jīng)驗公式描述：式中，式中，RT 絕對溫度為絕對溫度為T時熱敏電阻的阻值；時熱敏電阻的阻值； 絕對溫度為絕對溫度為T0時熱敏電阻的阻值；時熱敏電阻的阻值； BN負溫度系數(shù)熱敏電阻器的熱敏指數(shù)。負溫度系數(shù)熱敏電阻器的熱敏指數(shù)。第三節(jié)第三節(jié) 熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器)1 1 (exp00NTTTTBRR0TR（2）正溫度系數(shù)的熱敏電阻器（）正溫度系數(shù)的熱敏電阻器（PTC）其電阻隨溫度增加而增加，它

22、的電阻與溫度的關系可近似表示為：其電阻隨溫度增加而增加，它的電阻與溫度的關系可近似表示為： 式中，式中， RT 絕對溫度為絕對溫度為T時熱敏電阻的阻值；時熱敏電阻的阻值； 絕對溫度為絕對溫度為T0時熱敏電阻的阻值；時熱敏電阻的阻值； BN負溫度系數(shù)熱敏電阻器的熱敏指數(shù)。負溫度系數(shù)熱敏電阻器的熱敏指數(shù)。（3）臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（）臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）其特點是在某一溫度時，電阻急劇降低，因此可作為溫度開關。其特點是在某一溫度時，電阻急劇降低，因此可作為溫度開關。第三節(jié)第三節(jié) 熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器0TR) (exp00PTTTTBRR二、熱敏電阻的結構二、熱敏電阻的結構通常，熱敏

23、電阻主要由熱敏探頭通常，熱敏電阻主要由熱敏探頭1、引線、引線2、殼體、殼體3構成，如圖構成，如圖8-8所示。所示。熱敏電阻一般做成二端器件，但也有構成三端或四端的。二端和三端器件為熱敏電阻一般做成二端器件，但也有構成三端或四端的。二端和三端器件為直熱式，即直接由電路中獲得功率。四端器件則是旁熱式的。根據(jù)不同的要直熱式，即直接由電路中獲得功率。四端器件則是旁熱式的。根據(jù)不同的要求，可以把熱電阻做成不同的形狀結構，其典型結構如圖求，可以把熱電阻做成不同的形狀結構，其典型結構如圖8-9所示。所示。第三節(jié)第三節(jié) 熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器 圖圖8-8 熱敏電阻的結構及符號熱敏電阻的結構及符號 圖圖8

24、-9 熱敏電阻的結構形式熱敏電阻的結構形式 a）結構）結構 b）符號）符號 a） 圓片型圓片型 b） 薄膜型薄膜型 c）柱型）柱型 d）管型）管型 e）平板型）平板型 f）珠型）珠型 g）扁型）扁型 h）墊圈型）墊圈型 I）桿型）桿型 三、熱敏電阻的應用三、熱敏電阻的應用第三節(jié)第三節(jié) 熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器家用電家用電器器設設備備電熨斗、電冰箱、電飯鍋、洗衣機、電子爐灶、電暖壺、電熨斗、電冰箱、電飯鍋、洗衣機、電子爐灶、電暖壺、烘干機、電烤箱烘干機、電烤箱住住房房設設備備空調器、電熱褥、電熱地毯、太陽能系統(tǒng)、風取暖器、空調器、電熱褥、電熱地毯、太陽能系統(tǒng)、風取暖器、快速煮水器快速煮水器汽

25、車汽車電子噴油嘴、發(fā)動機防熱裝置、液位計、汽車空調器電子噴油嘴、發(fā)動機防熱裝置、液位計、汽車空調器測測量量儀儀器器流量計、風速表、真空計、濃度計、濕度計、環(huán)境污染流量計、風速表、真空計、濃度計、濕度計、環(huán)境污染監(jiān)測儀監(jiān)測儀辦公設備辦公設備復印機、傳真機、打印機復印機、傳真機、打印機農業(yè)、園藝農業(yè)、園藝暖房培育、育苗、飼養(yǎng)、煙草干燥暖房培育、育苗、飼養(yǎng)、煙草干燥醫(yī)療醫(yī)療體溫計、人工透析、檢查診斷體溫計、人工透析、檢查診斷一、概述一、概述集成溫度傳感器是將溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一芯片的集集成溫度傳感器是將溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一芯片的集成化溫度傳感器成化溫度傳感器。集成溫度傳感器同

26、熱電偶、熱電阻等傳統(tǒng)傳感器相比，其主要特點集成溫度傳感器同熱電偶、熱電阻等傳統(tǒng)傳感器相比，其主要特點有：靈敏度高，電壓型集成溫度傳感器通常為有：靈敏度高，電壓型集成溫度傳感器通常為10/。而熱電偶。而熱電偶則為微伏級，靈敏度較低。線性較好，集成溫度傳感器具有較好的則為微伏級，靈敏度較低。線性較好，集成溫度傳感器具有較好的線性，一般不必再進行非線性補償。重復性好，通常集成溫度傳感線性，一般不必再進行非線性補償。重復性好，通常集成溫度傳感器的重復性好于熱電偶及熱電阻。溫度范圍較窄，通常為器的重復性好于熱電偶及熱電阻。溫度范圍較窄，通常為-50150之間，而熱電偶范圍為之間，而熱電偶范圍為-2001600，熱電阻范圍為，熱電阻范圍為-200500左右。準確度較低，一般來說，低于熱電阻和貴金屬熱電偶，左右。準確度較低，一般來說，低于熱電阻和貴金屬熱電偶，與廉價金屬熱電偶相當或略低。與廉價金屬熱電偶相當或略低。第四節(jié)第四節(jié) 集成溫度傳感器集成溫度傳感器第八章第八章 熱電式傳感器熱電式傳感器二、集成溫度傳感器的應用二、集成溫度傳感