傳感器與檢測技術(shù)-圖文pp模塊二課件

1、傳感器與檢測技術(shù)項(xiàng)目教程學(xué)習(xí)單元一熱電阻傳感器學(xué)習(xí)單元二熱電偶傳感器學(xué)習(xí)單元三集成溫度傳感器學(xué)習(xí)單元四溫度傳感器應(yīng)用實(shí)例模塊二 溫度傳感器模塊二 溫度傳感器模塊導(dǎo)讀從人體溫度、環(huán)境氣溫到工業(yè)爐溫，從空間、海洋到家用電器，各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都離不開測溫和控溫。溫度是與人類的生活、工作息息相關(guān)的物理量，也是各門學(xué)科與工程研究設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到和必須精確測量的物理量。因此，測溫技術(shù)是傳感技術(shù)中應(yīng)用范圍最廣的技術(shù)之一。溫度傳感器是指能感受溫度并將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。溫度傳感器按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶。模塊二 溫度傳感器溫度是表征物體冷熱程度的

2、物理量，是物體內(nèi)部分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)劇烈程度的標(biāo)志，是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中最普遍、最重要的熱工參數(shù)之一。物體的很多物理現(xiàn)象和化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)，在很多生產(chǎn)過程中，溫度都直接影響著生產(chǎn)的安全、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、能源的使用情況等，因而對(duì)溫度的檢測及檢測的準(zhǔn)確性提出了更高的要求。 模塊二 溫度傳感器為了定量地描述溫度，引入溫標(biāo)的概念。溫標(biāo)是衡量物體溫度的標(biāo)準(zhǔn)尺度，是溫度的數(shù)值表示方法，它給出了溫度數(shù)值化的一套規(guī)則和方法，同時(shí)明確了溫度的測量單位。溫標(biāo)就是以數(shù)值表示溫度的標(biāo)尺，它應(yīng)具有通用性、準(zhǔn)確性和再現(xiàn)性，在不同地區(qū)或不同場合測量相同的溫度應(yīng)具有相同的數(shù)值。 溫標(biāo)的種類很多，目前國際上常用的溫標(biāo)有攝

3、氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和國際實(shí)用溫標(biāo)。 模塊二 溫度傳感器攝氏溫標(biāo)是根據(jù)液體（水銀）受熱后體積膨脹的性質(zhì)建立起來的。攝氏溫標(biāo)的單位符號(hào)為，變量符號(hào)為t，它規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰熔點(diǎn)為0 ，水沸點(diǎn)為100 。華氏溫標(biāo)也是根據(jù)液體（水銀）受熱后體積膨脹的性質(zhì)建立起來的，其單位符號(hào)為，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰熔點(diǎn)為32 ，水沸點(diǎn)為212 。熱力學(xué)溫標(biāo)又稱開氏溫標(biāo)，是國際統(tǒng)一的基本溫標(biāo)，單位符號(hào)為K，變量符號(hào)為T。熱力學(xué)溫標(biāo)有一個(gè)絕對(duì)零度，它規(guī)定分子運(yùn)動(dòng)停止時(shí)的溫度為絕對(duì)零度，因此它又稱為絕對(duì)溫標(biāo)。由于熱力學(xué)溫標(biāo)是理論溫標(biāo)，因而無法付諸實(shí)用。為此，需要建立一種緊密接近熱力學(xué)溫標(biāo)的簡單溫標(biāo)，即國際

4、實(shí)用溫標(biāo)。國際實(shí)用溫標(biāo)是用來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的，其單位符號(hào)也為K（開爾文）。模塊二 溫度傳感器攝氏溫標(biāo)與國際實(shí)用溫標(biāo)的換算關(guān)系為 t（）=T（K）-273.15 溫度的檢測方法按照感溫元件是否與被測對(duì)象接觸，可分為接觸式與非接觸式兩大類。 接觸式測溫就是使溫度敏感元件與被測對(duì)象相接觸，使其進(jìn)行充分的熱交換，當(dāng)熱交換平衡時(shí)，溫度敏感元件與被測對(duì)象的溫度相等，測溫傳感器的輸出大小即反映了被測溫度的高低。模塊二 溫度傳感器常用的接觸式測溫傳感器有熱膨脹式溫度傳感器（見圖21）、雙金屬溫度計(jì)（見圖22）、熱電阻、熱電偶、集成溫度傳感器等。圖21 熱膨脹式溫度傳感器 圖22 雙金屬溫度計(jì)模塊二 溫度傳感器

5、接觸式測溫傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，測量精度高，穩(wěn)定性好，價(jià)格低；缺點(diǎn)是有較大的滯后現(xiàn)象（測溫時(shí)要進(jìn)行充分的熱交換），不方便對(duì)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行溫度測量，被測對(duì)象的溫場易受傳感器的影響，測溫范圍比較小。 非接觸式測溫就是利用被測對(duì)象的熱輻射能量隨其溫度的變化而變化的原理，通過測量一定距離處被測物體發(fā)出的熱輻射強(qiáng)度來確定被測對(duì)象的溫度。模塊二 溫度傳感器常見的非接觸式測溫傳感器有紅外輻射傳感器（見圖23）、光高溫計(jì)（見圖24）等。圖23 紅外輻射傳感器 圖24 光高溫計(jì)模塊二 溫度傳感器非接觸式測溫傳感器的優(yōu)點(diǎn)是不存在測量滯后和溫度范圍的限制，可測高溫、腐蝕、有毒、運(yùn)動(dòng)物體及固體、液體表面的溫

6、度，不影響被測溫度；缺點(diǎn)是受被測對(duì)象熱輻射率的影響，測量精度低，使用中測量距離和中間介質(zhì)時(shí)對(duì)測量結(jié)果有影響。 本模塊將重點(diǎn)介紹熱電阻、熱電偶和集成溫度傳感器。學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器，它是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加的特性來進(jìn)行溫度測量的。其主要特點(diǎn)是測量精度高、性能穩(wěn)定，因此應(yīng)用廣泛。本學(xué)習(xí)單元主要是讓學(xué)生掌握熱電阻的基本工作原理和應(yīng)用方法。學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 金屬熱電阻一、熱電阻大都由純金屬材料制成。金屬熱電阻常用的感溫材料種類較多，最常用的是鉑絲。目前，工業(yè)測量用的金屬熱電阻材料有純金屬材質(zhì)的鉑（Pt）、銅（Cu）、鎳（Ni）和鎢（

7、W）等，以及合金材質(zhì)的銠鐵及鉑鈷等，如圖25所示。 圖2-5 金屬熱電阻學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 金屬熱電阻隨溫度變化的曲線如圖2-6所示。圖2-6 金屬熱電阻隨溫度變化的曲線 學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 工作原理1.熱電阻通常是把電阻信號(hào)通過引線傳遞到計(jì)算機(jī)控制裝置或其他儀表上。學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 主要類型2.（1）普通型熱電阻。從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的。因此，熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會(huì)給溫度測量帶來影響。 （2）鎧裝熱電阻。鎧裝熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料和不銹鋼套管組合而成的堅(jiān)實(shí)體，與普通型熱電阻相比，它有下

8、列優(yōu)點(diǎn)：體積小，測量滯后小；機(jī)械性能好，耐振，抗沖擊；能彎曲，便于安裝；使用壽命長；等等。學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 （3）端面熱電阻。端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計(jì)端面。它與一般軸向熱電阻相比，能更準(zhǔn)確和快速地反映被測端面的實(shí)際溫度，適用于測量軸瓦和其他機(jī)件的端面溫度。 （4）隔爆型熱電阻。隔爆型熱電阻使用特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，生產(chǎn)現(xiàn)場不會(huì)引起爆炸。它可用于具有爆炸危險(xiǎn)場所的溫度測量。 學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 標(biāo)準(zhǔn)熱電阻鉑電阻3.如圖2-7和圖2-8所示，鉑電阻的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變,其使用測溫范圍為-200+850 ，分度號(hào)為Pt100和Pt10。它們?cè)? 時(shí)的

9、阻值分別是100 和10 。其阻值會(huì)隨著溫度上升勻速增長。圖2-7 Pt100薄膜鉑電阻 圖2-8 Pt10鉑電阻學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 常見的Pt100感溫元件有陶瓷元件、玻璃元件和云母元件，它們是由鉑絲分別繞在陶瓷骨架、玻璃骨架和云母骨架上再經(jīng)過復(fù)雜的工藝加工而成的。云母鉑電阻示意圖如圖2-9所示。 圖2-9 云母鉑電阻示意圖學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 Pt100傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并成一定函數(shù)關(guān)系的特性進(jìn)行測溫的，其溫度阻值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下： （1）當(dāng)溫度為-2000 時(shí)，鉑電阻的阻值為 Rt=1001+At+Bt2+Ct3（t-100） （2-1） （2）當(dāng)溫度為0

10、850 時(shí)，鉑電阻的阻值為 Rt=100（1+At+Bt2） （2-2）式中，系數(shù)A=3.968 7410-3/；B=-5.87410-7/2；C=-4.2210-12/4。 鉑電阻應(yīng)用范圍很廣，可用于醫(yī)療、電機(jī)、工業(yè)、溫度計(jì)算、衛(wèi)星、氣象、阻值計(jì)算等高精溫度設(shè)備上。學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 標(biāo)準(zhǔn)熱電阻銅電阻4.銅電阻的使用測溫范圍為-40140 ，分度號(hào)為Cu50和Cu100，它們?cè)? 時(shí)的阻值分別為50 和100 。銅熱電阻線性好、價(jià)格低，但電阻率低，因而體積大，熱響應(yīng)慢，而且銅電阻容易氧化，因此測溫范圍小。 銅電阻的阻值和溫度之間的關(guān)系可以表示為 Rt=R0（1+t）式中，R0為銅電阻在

11、0 時(shí)的阻值；為銅電阻的電阻溫度系數(shù)，=（4.254.28）10-3/。 工業(yè)上常用銅電阻的R0值可以通過對(duì)應(yīng)的分度表查得。 學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 標(biāo)準(zhǔn)熱電阻的分度表5.標(biāo)準(zhǔn)熱電阻的分度表是以列表的方式表示溫度與熱電阻阻值之間的關(guān)系。與標(biāo)準(zhǔn)熱電阻對(duì)應(yīng)的分度表有四個(gè)，即Pt100和Pt10、Cu50和Cu100。分度表是由標(biāo)準(zhǔn)熱電阻數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出的，在相鄰數(shù)據(jù)之間可采用線性內(nèi)插法求出中間值。鉑電阻Pt100的分度表見表2-1。學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 半導(dǎo)體熱敏電阻二、熱敏電阻是敏感元件的一類，按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)（NTC）

12、熱敏電阻。其典型特點(diǎn)是對(duì)溫度敏感，不同溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。正溫度系數(shù)熱敏電阻在溫度越高時(shí)電阻值越大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻在溫度越高時(shí)電阻值越低，它們同屬于半導(dǎo)體器件。 熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器件。熱敏電阻采用半導(dǎo)體材料制成，大多為負(fù)溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化會(huì)造成較大的阻值改變，因此它是最靈敏的溫度傳感器。學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 但熱敏電阻的線性度極差，并且與生產(chǎn)工藝有很大關(guān)系。熱敏電阻體積非常小，對(duì)溫度變化的響應(yīng)也快。常用熱敏電阻如圖2-10所示。圖2-10 常用熱敏電阻學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 熱敏電阻的主要特點(diǎn)1.熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)如下： （1）靈

13、敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10100倍以上。 （2）工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55+315 ，高溫器件適用溫度高于315 （目前最高可達(dá)到2 000 ）。 （3）體積小，能夠測量其他溫度計(jì)無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度。 （4）使用方便，電阻值可在0.1100 k任意選擇。 （5）易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)。學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 熱敏電阻的缺點(diǎn)如下： （1）阻值與溫度的關(guān)系非線性嚴(yán)重。 （2）元件的一致性差，互換性差。 （3）元件易老化，穩(wěn)定性較差。 （4）除特殊高溫?zé)崦綦娮柰?，絕大多數(shù)熱敏電阻僅適合0150 ，使用時(shí)必須注意。 學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 正溫

14、度系數(shù)熱敏電阻2.正溫度系數(shù)（positive temperature coefficient，PTC）熱敏電阻（見圖2-11）的阻值隨溫度上升而增大。圖2-11 PTC熱敏電阻學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻可專門用作恒定溫度傳感器。該材料是以BaTiO3、SrTiO3或PbTiO3為主要成分的燒結(jié)體，其中摻入微量的Nb、Ta、Bi等的氧化物進(jìn)行原子價(jià)控制而使之半導(dǎo)體化，常將這種半導(dǎo)體化的BaTiO3等材料簡稱為半導(dǎo)（體）瓷；同時(shí)，還添加增大其正電阻溫度系數(shù)的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和添加物，采用陶瓷工藝成形、高溫?zé)Y(jié)而使鈦酸鉑等及其固溶體半導(dǎo)化，從而得到正特性的熱敏

15、電阻材料。 學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 實(shí)驗(yàn)表明，在工作溫度范圍內(nèi)，PTC熱敏電阻的電阻溫度特性可近似用實(shí)驗(yàn)公式表示為 Rt=R0expBp（T-T0）式中，Rt、R0表示溫度為T、T0時(shí)熱敏電阻的阻值；Bp為該種材料的材料常數(shù)?？梢酝ㄟ^計(jì)算，將測得的電阻值轉(zhuǎn)化為溫度值。 PTC熱敏電阻于1950年出現(xiàn)，1954年出現(xiàn)了以BaTiO3為主要材料的PTC熱敏電阻。PTC熱敏電阻在工業(yè)上可用作溫度的測量與控制，也用于汽車某部位的溫度檢測與調(diào)節(jié)，還大量用于民用設(shè)備，如控制瞬間開水器的水溫、空調(diào)器與冷庫的溫度，以及用于對(duì)加熱器、電機(jī)、變壓器、大功率晶體管等電器的加熱和過熱保護(hù)方面的應(yīng)用。學(xué)習(xí)單元一 熱電

16、阻傳感器 PTC熱敏電阻除用作加熱元件外，還能起到“開關(guān)”的作用，稱之為熱敏開關(guān)。電流通過元件后引起溫度升高，即發(fā)熱體的溫度上升，當(dāng)超過居里點(diǎn)后，電阻增加，從而限制電流增加，于是電流的下降導(dǎo)致元件溫度降低，電阻值的減小又使電路電流增加，元件溫度升高，周而復(fù)始，因此具有使溫度保持在特定范圍的功能，起開關(guān)作用。利用這種阻溫特性做成加熱源，作為加熱元件應(yīng)用的有暖風(fēng)器、電烙鐵、烘衣柜、空調(diào)等，還可對(duì)電器起到過熱保護(hù)作用。 高分子PTC熱敏電阻用于過流保護(hù)，又經(jīng)常被稱為自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 當(dāng)電路正常工作時(shí)，熱敏電阻溫度與室溫相近、電阻很小，串聯(lián)在電路中不會(huì)阻礙電流通過；而當(dāng)電路因故障

17、而出現(xiàn)過電流時(shí)，熱敏電阻由于發(fā)熱功率增加，導(dǎo)致溫度上升，當(dāng)溫度超過開關(guān)溫度時(shí)，電阻驟增，回路中的電流迅速減小到安全值。熱敏電阻動(dòng)作后，電路中電流有了大幅度的降低。由于高分子PTC熱敏電阻的可設(shè)計(jì)性好，可通過改變自身的開關(guān)溫度來調(diào)節(jié)其對(duì)溫度的敏感程度，因而可同時(shí)起到過溫保護(hù)和過流保護(hù)兩種作用。例如，KT161700DL型熱敏電阻由于動(dòng)作溫度很低，因而適用于鋰離子電池和鎳氫電池的過流及過熱保護(hù)。學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻3.負(fù)溫度系數(shù)（negative temperature coefficient，NTC）熱敏電阻（見圖2-12）的阻值隨溫度上升而減小。利用錳、銅、硅、鈷、鐵、

18、鎳、鋅等兩種或兩種以上的金屬氧化物進(jìn)行充分混合、成形、燒結(jié)等工藝制成的半導(dǎo)體陶瓷，可制成NTC熱敏電阻。圖2-12 NTC熱敏電阻學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 其電阻率和材料常數(shù)隨材料成分比例、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)溫度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)不同而變化?，F(xiàn)在還出現(xiàn)了以碳化硅、硒化錫、氮化鉭等為代表的非氧化物系NTC熱敏電阻材料。NTC熱敏半導(dǎo)瓷大多是尖晶石結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)的氧化物陶瓷，具有負(fù)溫度系數(shù)，電阻值與溫度的關(guān)系可近似表示為 Rt=R0expBn（1/T-1/T0）式中，Rt、R0分別為溫度為T、T0時(shí)的電阻值；Bn為材料常數(shù)。 陶瓷晶粒本身由于溫度變化而使電阻率發(fā)生變化，這是由半導(dǎo)體的特性決定的。 學(xué)習(xí)單元一

19、熱電阻傳感器 臨界溫度系數(shù)熱敏電阻4.如圖2-13所示，臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（critical temperature resistor，CTR）具有負(fù)電阻突變特性，在某一溫度下，電阻值隨溫度的增加急劇減小，具有很大的負(fù)溫度系數(shù)。這是不同雜質(zhì)的摻入使氧化釩的晶格間隔不同造成的。CTR能夠作為控溫報(bào)警等應(yīng)用。 圖2-13 CTR學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 溫度特性5.如前所述，熱敏電阻按溫度特性可分為正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻、負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）三類，其電阻和溫度的變化關(guān)系曲線 （溫度特性曲線）如圖2-14所示。圖2-14 熱敏電阻的溫度特性曲線1負(fù)溫度

20、系數(shù)； 2正溫度系數(shù)； 3臨界溫度系數(shù)學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 其他應(yīng)用6.熱敏電阻也可作為電子線路元件，用于儀表線路溫度補(bǔ)償和溫差電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)取＠肗TC熱敏電阻的自熱特性可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制，構(gòu)成RC振蕩器穩(wěn)幅電路、延遲電路和保護(hù)電路。在自熱溫度遠(yuǎn)大于環(huán)境溫度時(shí)，阻值還與環(huán)境的散熱條件有關(guān)，因此在流速計(jì)、流量計(jì)、氣體分析儀、熱導(dǎo)分析中常利用熱敏電阻制成專用的檢測元件。PTC熱敏電阻主要用于電氣設(shè)備的過熱保護(hù)，無觸點(diǎn)繼電器，恒溫、自動(dòng)增益控制，電機(jī)起動(dòng)，時(shí)間延遲，彩色電視自動(dòng)消磁，火災(zāi)報(bào)警和溫度補(bǔ)償?shù)确矫妗W(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 思考與練習(xí)問題1 求鉑電阻Pt100在50 時(shí)的電阻值，

21、并用查分度表的方法驗(yàn)證。 思考： 問題2 常見的熱敏電阻有哪幾種？其主要應(yīng)用在哪些方面？ 思考：學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 課堂體驗(yàn)鉑電阻1.（1）將鉑電阻Pt100固定在面包板上。 （2）用萬用表測量鉑電阻的阻值變化，查看室溫下的阻值。用手指接觸鉑電阻，查看阻值變化情況。 （3）記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過分度表查到對(duì)應(yīng)的溫度值。 （4）利用鉑電阻Pt100的溫度公式計(jì)算溫度值，與查表結(jié)果進(jìn)行比較。 （5）將測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，使用Excel軟件做出阻值和溫度特性統(tǒng)計(jì)曲線，認(rèn)識(shí)鉑電阻的Rt特性曲線。學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 熱敏電阻2.（1）將熱敏電阻固定在面包板上。 （2）用萬用表測量熱敏電阻的阻

22、值變化，查看室溫下的阻值。用手指接觸熱敏電阻，查看阻值變化情況。 （3）記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過分度表查到對(duì)應(yīng)的溫度值。 （4）利用熱敏電阻的溫度公式計(jì)算溫度值，與查表結(jié)果進(jìn)行比較。 （5）將測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，使用Excel軟件做出阻值和溫度特性統(tǒng)計(jì)曲線，認(rèn)識(shí)熱敏電阻的Rt特性曲線。 （6）比較鉑電阻和熱敏電阻在測量溫度時(shí)的異同。學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 拓展知識(shí) 利用鉑電阻Pt100或熱敏電阻測溫，使用LabVIEW軟件和相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)一個(gè)溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 （1）硬件選擇。NI cDAQ-9174和信號(hào)調(diào)理卡，或使用NI ELVIS和LECT-1302實(shí)驗(yàn)電路板。 （2）軟件選擇。LabV

23、IEW軟件。 系統(tǒng)采用間接方式進(jìn)行溫度檢測，連接硬件后，將鉑電阻接入恒流源，利用硬件采集卡測量鉑電阻Pt100或熱敏電阻兩端的電壓，即當(dāng)實(shí)際的溫度值超過所設(shè)定的上下限值時(shí)，進(jìn)行報(bào)警并點(diǎn)亮LED燈，同時(shí)將溫度值直接輸入到波形圖表中進(jìn)行顯示。學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 （3）前面板設(shè)計(jì)?；贚abVIEW的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前面板如圖2-15所示。圖2-15 基于LabVIEW的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前面板學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 （4）程序框圖設(shè)計(jì)?；贚abVIEW的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序框圖如圖2-16所示。圖2-16 基于LabVIEW的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序框圖學(xué)習(xí)單元一 熱電阻傳感器 系統(tǒng)設(shè)

24、計(jì)完成后，可以通過LabVIEW軟件打包的功能生成可執(zhí)行程序，在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行安裝程序，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器熱電偶是工業(yè)上常用的溫度檢測組件之一， 它是一種將溫度量轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢大小的熱電式傳感器，具有測溫范圍寬、測量精度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好，可直接輸出電信號(hào)，快速測量，遠(yuǎn)距離傳輸，便于集中檢測、調(diào)節(jié)和控制的特點(diǎn)，因此在冶金、機(jī)械和化工等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。本學(xué)習(xí)單元主要是讓學(xué)生掌握熱電偶的基本工作原理和應(yīng)用方法。 學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器 熱電偶測溫原理一、熱電偶的測溫原理基于熱電效應(yīng)。將兩種不同的導(dǎo)體A和B組成閉合回路，若兩端節(jié)點(diǎn)處的溫度不同（分別為T0和T

25、），則回路中將產(chǎn)生電流，相應(yīng)的電動(dòng)勢稱為熱電動(dòng)勢，這個(gè)物理現(xiàn)象稱為熱電動(dòng)勢效應(yīng)，簡稱熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)是1821年由德國人塞貝克發(fā)現(xiàn)的，因此又稱塞貝克效應(yīng)。構(gòu)成這種熱電變換的元件稱為熱電偶（見圖2-17），導(dǎo)體A和B稱為熱電極，通常把兩熱電極的一個(gè)節(jié)點(diǎn)固定焊接，用于對(duì)被測介質(zhì)進(jìn)行溫度測量，這一節(jié)點(diǎn)稱為測量端或工作端，俗稱熱端；兩熱電極的另一節(jié)點(diǎn)處通常保持為某一恒定溫度或室溫，被稱為基準(zhǔn)點(diǎn)或參考端，俗稱冷端。冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指示出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。 學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器圖2-17 熱電偶根據(jù)熱電動(dòng)勢與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表。分度表是自由端溫度在0 時(shí)的條

26、件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器熱電偶實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢測量溫度。對(duì)于熱電偶的熱電勢，應(yīng)注意如下幾個(gè)問題： （1）熱電偶的熱電勢是熱電偶工作端的兩端溫度函數(shù)的差。 （2）當(dāng)熱電偶的材料均勻時(shí)，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢的大小與熱電偶的長度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成分和兩端的溫差有關(guān)。學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器（3）當(dāng)熱電偶的兩個(gè)熱電偶絲材料成分確定后，熱電偶熱電勢的大小只與熱電偶的溫度差有關(guān)；若熱電偶冷端的溫度保持一定，熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數(shù)。 熱電偶的熱電動(dòng)勢由兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢和同一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢組

27、成。接觸電動(dòng)勢是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同，而在接觸處形成的電動(dòng)勢，接觸電動(dòng)勢的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的材料特性和接觸點(diǎn)的溫度。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的接觸電動(dòng)勢eAB(T)和eAB（T0）可表示為 學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器式中，NA、NB是材料自由電子密度；Q0是電子電荷量，為1.610-19 C；K是玻爾茲曼常數(shù)，為1.3810-23 J/K。 溫差電動(dòng)勢是在同一導(dǎo)體中，由于兩端溫度不同而使導(dǎo)體內(nèi)高溫端的自由電子向低溫端擴(kuò)散形成的電動(dòng)勢。高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電，在導(dǎo)

28、體兩端便形成溫差電動(dòng)勢。溫差電動(dòng)勢大小可表示為 學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器熱電偶回路如圖2-18所示。圖2-18 熱電偶回路學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器熱電偶的熱電動(dòng)勢為 其中，接觸電動(dòng)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫差電動(dòng)勢，因此可以把溫差電動(dòng)勢忽略。故有 綜上所述，可以得出以下結(jié)論：熱電偶熱電動(dòng)勢的大小，只與組成熱電偶的材料和兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀和尺寸無關(guān)。對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí)，eAB(T0)=c（常數(shù)），則總的熱電動(dòng)勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即 eAB(T, T0)=eAB(T)eB(T,T0)eAB(T0)eA(T,T0) eAB(T,T0)=eAB(T)c=f(T)學(xué)

29、習(xí)單元二 熱電偶傳感器均質(zhì)導(dǎo)體定律1. 熱電回路的基本定律二、由同一種導(dǎo)體組成的閉合回路，無論節(jié)點(diǎn)的溫度如何，均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢，這是因?yàn)橥环N導(dǎo)體不產(chǎn)生接觸電動(dòng)勢，溫差電動(dòng)勢也相抵消，所以總的熱電動(dòng)勢為零。學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器中間導(dǎo)體定律 2.在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體（第三種導(dǎo)體），只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，熱電偶的熱電動(dòng)勢就不變。 熱電偶的熱電動(dòng)勢測量必須有連接導(dǎo)線和儀表，若把連接導(dǎo)線和儀表看成第三種導(dǎo)體，只要它們的兩端溫度相同，就不影響總熱電動(dòng)勢。在實(shí)際測溫系統(tǒng)中，常采用熱端焊接、冷端開路的形式，由冷端連接導(dǎo)線和顯示儀表構(gòu)成。學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器中間溫度定律3.熱電偶回路兩節(jié)點(diǎn)（

30、溫度為T、T0）間的熱電動(dòng)勢，等于熱電偶在溫度為T、Ta時(shí)的熱電動(dòng)勢與在溫度為Ta、T0時(shí)的熱電動(dòng)勢的代數(shù)和，其中Ta為中間溫度。 eAB(T,T0)=eAB(T,Ta)+ eAB(Ta,T0) 在實(shí)際熱電偶測溫回路中，利用中間溫度定律，可對(duì)參考端溫度不為0 的熱電動(dòng)勢進(jìn)行修正。學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器標(biāo)準(zhǔn)電極定律4.工作端和自由端溫度為T、T0時(shí)，用導(dǎo)體AB組成熱電偶的熱電動(dòng)勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢之代數(shù)和。 eAB(T,T0)=eAC(T,T0)+ eCB(T,T0) 利用標(biāo)準(zhǔn)電極定律可以方便地根據(jù)幾個(gè)熱電極與標(biāo)準(zhǔn)電極組成熱電偶時(shí)所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢，求出這些熱電極彼此任意組合時(shí)

31、的熱電動(dòng)勢，而不需要逐個(gè)進(jìn)行測定。學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器 熱電偶的外形結(jié)構(gòu)和種類特性三、熱電偶按照用途不同可以制成不同形式，常見的有普通型熱電偶、鎧裝熱電偶和薄膜型熱電偶。 （1）普通型熱電偶又稱工業(yè)裝配式熱電偶。普通型熱電偶已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)套管和接線盒等幾部分組成。 （2）鎧裝熱電偶又稱纜式熱電偶，是由熱電極、絕緣材料和金屬保護(hù)管三者結(jié)合，焊接成一個(gè)堅(jiān)實(shí)的整體。鎧裝熱電偶已實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，具有體積小、精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、耐振動(dòng)、耐沖擊、機(jī)械強(qiáng)度高、可撓性好、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)。學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器（3）薄膜型熱電偶采用真空蒸鍍的方法，將兩種熱電極材料蒸鍍

32、到絕緣基板上，形成薄膜狀熱電極及熱接點(diǎn)。為了防止熱電極氧化并與被測物絕緣，在薄膜熱電偶表面涂覆一層SiO2保護(hù)層。薄膜型熱電偶可以做得很薄，尺寸可以很小，因此具有熱容量小、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。 常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。 學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器（1）標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。 （2）非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，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。 為了便于工業(yè)使用，國際電工委員會(huì)推薦了八種工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)熱電偶有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)

33、分度表，其名稱用專用字母，即熱電偶型號(hào)標(biāo)志，稱之為分度號(hào)。熱電偶名稱由熱電極材料命名，前面是正極，后面是負(fù)極。學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器表2-2中列出了這八種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。注：鉑銠10指含銠為10%，含鉑90%，以此類推。學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器理論上講，任意兩種不同導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）都可以配制成熱電偶，但是作為實(shí)用的測溫元件，對(duì)熱電偶的要求是多方面的。為了保證工程技術(shù)中的可靠性，一般對(duì)熱電偶電極材料的基本要求如下： （1）在測溫范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時(shí)間而變化，有足夠的物理化學(xué)穩(wěn)定性，不易氧化或腐蝕。 （2）電阻溫度系數(shù)小，導(dǎo)電率高，比熱小。 （3）測溫中產(chǎn)生熱電勢要大，并且熱電勢與溫度之間成

34、線性或接近線性的單值函數(shù)關(guān)系。 （4）材料復(fù)制性好，機(jī)械強(qiáng)度高，制造工藝簡單，價(jià)格便宜。 不同分度號(hào)的熱電偶具有不同的分度表，表2-3是S型熱電偶分度表，參考端溫度為0 。 學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)1. 熱電偶的冷端補(bǔ)償四、熱電偶的熱電勢由其冷熱兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的溫差決定，因此需要設(shè)置基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)。通常選用冷節(jié)點(diǎn)作為基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)；然而，冷節(jié)點(diǎn)的溫度變化并不意味被測溫度的變化。因此，要確定不同方式的基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，即冰點(diǎn)式基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)、電子冷卻式基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)、恒溫槽式基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)、補(bǔ)償式基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)和室溫式基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)等。 （1）冰點(diǎn)式基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)。如圖2-19所示，將熱電偶延長在瓶中，基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)與連接熱電偶

35、和計(jì)量儀器的導(dǎo)線接在一起，瓶中放入冰水混合液，由于冰水保持熱平衡，因此，基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)就保持在冰點(diǎn)處。學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器圖2-19 冰點(diǎn)式基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)冰點(diǎn)式基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)要用潔凈的飲用水，瓶中要保持水與冰處于良好的平衡狀態(tài)。冰點(diǎn)式基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)常用于實(shí)驗(yàn)室溫度測量及溫度計(jì)校準(zhǔn)等要求精度較高的場合。學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器（2）電子冷卻式基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)。它是利用珀?duì)柼?yīng)（熱電制冷現(xiàn)象）的熱電半導(dǎo)體元件使密閉的水槽冷卻，當(dāng)槽中水變?yōu)楸鶗r(shí)，利用其體積變化進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，這樣，使基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)保持在冰點(diǎn)狀態(tài)。 （3）恒溫槽式基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)。它是用溫度調(diào)節(jié)器將基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的溫度調(diào)整為恒定溫度，這時(shí)，須用溫度計(jì)測量基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的溫度，對(duì)基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的

36、溫度進(jìn)行補(bǔ)償。 （4）補(bǔ)償式基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)。如圖2-20所示，這是在測量儀器的一部分測量電路中，采用溫度系數(shù)較大的基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償電阻RC，將基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的溫度變化引起的電壓變化加到熱電偶的熱電勢中對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞?，其工作電源采用電池或穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓電源。學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器（5）室溫式基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)。這種情況下不特意設(shè)置基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)裝置，一般須另置溫度計(jì)以測量基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的溫度，對(duì)基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的溫度進(jìn)行補(bǔ)償。圖2-20 補(bǔ)償式基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器對(duì)基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)溫度進(jìn)行補(bǔ)償2.理想基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的溫度應(yīng)保持恒定，但工業(yè)用的基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的溫度保持恒定非常困難，這時(shí)就需要對(duì)測量值進(jìn)行補(bǔ)償。 對(duì)于基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)溫度校正為0 的

37、熱電偶溫度計(jì)，若使用時(shí)其基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)溫度為t0（），測溫節(jié)點(diǎn)溫度為t（），則可采用以下三種方法求出： （1）若測量的熱電勢為E（t，t0）（mV），基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的溫度為0 ，測溫節(jié)點(diǎn)的溫度為t（）及t0（）時(shí)，各自熱電勢為Et（mV）及E0（mV），則測溫節(jié)點(diǎn)的溫度t（）對(duì)應(yīng)于下式中Et（mV）的溫度。 Et=E（t，t0）+E0 學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器（2）動(dòng)圈式計(jì)量儀器用溫度進(jìn)行刻度時(shí)，通過指針調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其端子短接時(shí)的指示值為基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)溫度t0（）。若基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的溫度變化，則用這種方法得到與（1）同樣的結(jié)果。 （3）若熱電偶的熱電勢特性曲線為線性，基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)溫度為tr，則測溫節(jié)點(diǎn)的溫度t（）

38、為 t=tr+t0 學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行補(bǔ)償3.當(dāng)測溫節(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)之間距離相當(dāng)長時(shí)， 要用高價(jià)熱電偶， 如B、R和S型熱電偶，但接線也非常難，電阻顯著增大。因此，熱電偶端子與基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)間可用其他廉價(jià)熱電偶代替，這時(shí)就要用導(dǎo)線連接，稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。 補(bǔ)償導(dǎo)線隨使用的熱電偶及其構(gòu)成材料是不同的，它要與各自對(duì)應(yīng)的熱電偶組合使用。使用時(shí)熱電偶的“+”端要接補(bǔ)償導(dǎo)線的“+”側(cè)芯線，熱電偶的“-”端要接補(bǔ)償導(dǎo)線的“-”側(cè)芯線，如圖2-21所示。學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器圖2-21 接有補(bǔ)償導(dǎo)線的測量電路學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器 熱電偶傳感器的使用五、熱電偶是兩種不同的導(dǎo)體連接在一起形成的，當(dāng)

39、測量及參考節(jié)點(diǎn)分別處于不同溫度上時(shí)即產(chǎn)生出所謂的熱電動(dòng)勢。在常規(guī)工業(yè)應(yīng)用中，熱電偶元件一般端接在接頭上；但參考節(jié)點(diǎn)卻很少位于接頭上，而是利用適當(dāng)?shù)臒犭娕佳由炀€來轉(zhuǎn)接到溫度比較穩(wěn)定的被控環(huán)境中。 選擇熱電偶時(shí)要考慮被測溫度范圍、所需響應(yīng)時(shí)間、節(jié)點(diǎn)類型、熱電偶或護(hù)套材料的抗化學(xué)腐蝕能力、抗磨損或抗振動(dòng)能力、安裝及限制要求等因素。學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器思考與練習(xí)問題1 用K型熱電偶測量爐溫，冷端為20 ，儀表測得當(dāng)時(shí)熱電動(dòng)勢為40.557 mV，則爐溫為多少？ 思考：問題2 用鎳鉻鎳硅熱電偶測爐溫，冷端為40 時(shí)，測得熱電動(dòng)勢為39.17 mV，若用冷端為20 測量該爐溫，則測得的熱電動(dòng)勢為多少？

40、 思考： 學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器課堂體驗(yàn)基本內(nèi)容 思考應(yīng)用熱電偶測量溫度，所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢的大小量級(jí)，測量信號(hào)是否需要連接放大電路？經(jīng)過放大并采集得到的信號(hào)，是否可以使用電壓表或者示波器顯示測量結(jié)果？ 拓展知識(shí) 通過采集卡或NI ELVIS平臺(tái)得到的信號(hào)，同樣可以利用LabVIEW軟件自己動(dòng)手設(shè)計(jì)測溫監(jiān)控程序。 當(dāng)然，也可以通過LabVIEW軟件的打包功能生成可執(zhí)行程序，然后在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行安裝程序以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，具體操作可參考以下步驟： 學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器（1）如圖2-22所示，在計(jì)算機(jī)中安裝好NextPAD，打開桌面快捷鍵，在NextPAD中選擇Setting功能。圖2-22 Ne

41、xtPAD設(shè)定界面 學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器（2）在Setting界面中，單擊“加載”按鈕，到相應(yīng)位置中找到“Lect1302.nex”文件，確認(rèn)選擇該文件，程序會(huì)自動(dòng)加載1302的APP文件，如圖2-23所示。圖2-23 LECT1302實(shí)驗(yàn)面板 學(xué)習(xí)單元二 熱電偶傳感器（3）設(shè)置好后，在NextPAD面板上可看到1302按鈕，雙擊進(jìn)入實(shí)驗(yàn)面板，選擇溫度測量，選擇熱電偶，測量得到熱電動(dòng)勢。同時(shí)采集鉑電阻測量得到的冷端溫度，運(yùn)用中間溫度定律進(jìn)行溫度補(bǔ)償，完成熱端溫度測量的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)習(xí)單元三 集成溫度傳感器集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的正向壓降隨溫度升高而降低的特性，將晶體管的PN結(jié)作為感

42、溫元件，把敏感元件、放大電路和補(bǔ)償電路等部分集成并封裝在同一殼體里的一種一體化溫度檢測元件，又稱溫度IC。它與半導(dǎo)體熱敏電阻一樣具有體積小、反應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有線性好、性能高、價(jià)格低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。雖然由于PN結(jié)受耐熱性能和特性范圍的限制，只能用來測量150 以下的溫度，但集成溫度傳感器仍在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本學(xué)習(xí)單元主要介紹集成溫度傳感器的基本工作原理和應(yīng)用方法。學(xué)習(xí)單元三 集成溫度傳感器 半導(dǎo)體管溫度傳感器一、半導(dǎo)體二極管溫度傳感器由PN結(jié)構(gòu)成，根據(jù)PN結(jié)的伏安特性可以導(dǎo)出PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的關(guān)系為溫度升高，PN結(jié)正向壓降就下降，如圖2-24 所示。圖2-24 二極管

43、的溫度特性學(xué)習(xí)單元三 集成溫度傳感器利用二極管的這一特性，就可以進(jìn)行溫度的測量。除擴(kuò)散電流外，半導(dǎo)體二極管的正向電流中還包含空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和表面復(fù)合電流成分，這兩種復(fù)合電流成分將使得半導(dǎo)體二極管的實(shí)際特性曲線偏離理想曲線，線性誤差較大。而半導(dǎo)體三極管在正向工作狀態(tài)下的溫度特性更理想，具有良好的線性度。當(dāng)集電極電流為恒定電流時(shí)，發(fā)射結(jié)壓降Vbe與溫度T成線性關(guān)系，可以根據(jù)這個(gè)關(guān)系通過發(fā)射結(jié)壓降來測量溫度。學(xué)習(xí)單元三 集成溫度傳感器 集成溫度傳感器的工作原理與應(yīng)用 二、三極管由于僅有一個(gè)發(fā)射結(jié)電壓Vbe，因此其具有的線性度和一致性不太理想。在集成溫度傳感器中，可以采用一對(duì)非常匹配的半導(dǎo)體管做

44、差分對(duì)管，利用它們的發(fā)射結(jié)電壓Vbe之差所具有的良好正溫度系數(shù)來制作集成溫度傳感器。在較寬的溫度范圍內(nèi)可以做到發(fā)射結(jié)電壓Vbe之差就是溫度T的理想線性函數(shù)，這也是集成溫度傳感器的基本工作原理，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出各種不同電路和不同輸出類型的集成溫度傳感器。學(xué)習(xí)單元三 集成溫度傳感器集成溫度傳感器內(nèi)將溫敏晶體管與相應(yīng)的輔助電路集成在同一芯片上，能直接給出正比于絕對(duì)溫度的理想線性輸出，一般用于-50120 的溫度測量。集成溫度傳感器按照輸出方式有電壓型和電流型兩種，其中電流輸出型集成溫度傳感器在一定溫度下相當(dāng)于一個(gè)恒流源，因此不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪聲的干擾，具有很好的線性特性。 下面以電流

45、輸出型集成溫度傳感器AD590為例介紹其工作原理與應(yīng)用，同時(shí)簡單介紹電壓輸出型集成溫度傳感器LM35和智能溫度控制器DS18B20的應(yīng)用。學(xué)習(xí)單元三 集成溫度傳感器電流輸出型集成溫度傳感器AD5901.AD590是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的電流型集成溫度傳感器，其采用TO-52金屬圓殼封裝結(jié)構(gòu)，其外形、引腳排列和電路符號(hào)如圖2-25所示。圖2-25 AD590的外形、引腳排列和電路符號(hào)學(xué)習(xí)單元三 集成溫度傳感器AD590的主要特性如下： （1）流過器件的電流(A)在數(shù)值上等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度，即 Ir/T=1式中，Ir為流過器件（AD590）的電流，A；T為熱力學(xué)溫度，

46、K。 (2)AD590的測溫范圍為-55+150 。 (3)AD590的電源電壓為430 V，可以承受44 V正向電壓和20 V反向電壓，因而器件即使反接也不會(huì)被損壞。 學(xué)習(xí)單元三 集成溫度傳感器(4)輸出電阻為710 m。 (5)精度高，在-55+150 其非線性誤差僅為0.3 。 利用AD590可以構(gòu)建測量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路，如圖2-26所示。圖2-26 AD590的基本應(yīng)用電路學(xué)習(xí)單元三 集成溫度傳感器由于流過AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻R1和電位器R2的電阻之和為1 k時(shí)，輸出電壓Vo隨溫度的變化率為1 mV/K；但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應(yīng)對(duì)

47、電路進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的方法為：把AD590放于冰水混合物中，調(diào)整電位器R2，使Vo=273.2 mV；或在室溫（25 ）條件下調(diào)整電位器，使Vo=(273.2+25)mV=298.2 mV。但這樣調(diào)整只能保證其在0 或25 附近有較高精度。由于電阻的阻值隨溫度變化存在誤差，因此也可以把電阻設(shè)為電位器，根據(jù)溫度變化隨時(shí)進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。學(xué)習(xí)單元三 集成溫度傳感器電壓輸出型集成溫度傳感器LM352.學(xué)習(xí)單元三 集成溫度傳感器圖2-27 LM35的封裝形式學(xué)習(xí)單元三 集成溫度傳感器（1）使用溫度為-55+150 。 （2）工作電壓為直流430 V。 （3）輸出阻抗小，1 mA負(fù)載時(shí)為

48、0.1 。 （4）非線性值僅為1/4 。 （5）精度為0.5 （在+25 時(shí)）。 （6）靜止空氣中自熱效應(yīng)低，小于0.08 的自熱。LM35系列集成溫度傳感器的特性如下： 學(xué)習(xí)單元三 集成溫度傳感器智能溫度控制器DS18B20 3.DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20型單線智能溫度傳感器，屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器，可直接將被測溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理，廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測量及控制儀器、測控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。學(xué)習(xí)單元三 集成溫度傳感器（1）DS18B20的特性。 采用單總線專用技術(shù)，被測溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量串行輸出，無須經(jīng)過其他變換電路。 測

49、溫范圍為-55+125 ，在-10+85 ，精度為0.5 。 內(nèi)含64位經(jīng)過激光修正的ROM。 適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)機(jī)。 用戶可分別設(shè)定各路溫度的上、下限。 其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生。 以上特點(diǎn)使DS18B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)。學(xué)習(xí)單元三 集成溫度傳感器（2）DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和封裝形式。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-28所示，主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、高速暫存器和高低溫觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。圖2-28 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)單元三 集成溫度傳感器DS18B20具有3引腳TO-92小體積和貼片封裝形式，其引腳排列

50、如圖2-29所示。DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；GND為接地端；VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。圖2-29 DS18B20的引腳排列學(xué)習(xí)單元三 集成溫度傳感器（3）使用DS18B20的注意事項(xiàng)。DS18B20雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題。 較小的硬件開銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償。由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級(jí)語言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)DS18B20操作部分最好采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。 學(xué)習(xí)單元三 集成溫度傳感器在單總線上所掛DS18B20超過8 h，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問題，這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要加以注意。 連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。普通信號(hào)電纜的傳輸長度不超過50 m。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí),正常通信距離可達(dá)150 m。因此，在用DS18B20進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。測溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線，其中一組接地線與信號(hào)線，另一組接VDD和地線，屏蔽層在源端單點(diǎn)接地。 學(xué)