北航傳感器原理16

傳感器技術(shù)及應(yīng)用——幾種典型的模擬式傳感器(五)李成2013.05.21

第1講：緒論第2講：傳感器的輸入輸出特性第3講：傳感器敏感結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性第4講：幾種典型的模擬式傳感器第5講：諧振式傳感器第6講：發(fā)展中的傳感器新技術(shù)第7講：總結(jié)課程內(nèi)容4.1概述4.2電位器式傳感器4.3應(yīng)變式傳感器4.4壓阻式傳感器4.5熱電式傳感器4.6電容式傳感器4.7變磁路傳感器4.8壓電式傳感器第4講：幾種典型的模擬式傳感器為什么要測溫？溫度測量的基本概念？幾種常用的測溫傳感器溫度測量的典型應(yīng)用4.5熱電式傳感器4.5熱電式傳感器4.5.1概述4.5.2熱電阻測溫傳感器4.5.3熱電偶測溫4.5.4半導(dǎo)體P-N結(jié)測溫傳感器4.5.5其他測溫系統(tǒng)4.5.6應(yīng)用實例航空航天家用電器糧食儲藏人體體溫交通工具溫度石油勘探4.5.1概述利用物體的某些物理性質(zhì)（電阻、電勢、熱膨脹率等）隨溫度變化的特征進(jìn)行的測量。示例—猜猜看？？4.5.1概述4.5.1概述第一支溫度計伽利略

GalileoGalilei

1564~1642

義大利科學(xué)家WhoamI？1593年，

伽利略發(fā)明了

第一支溫度計。

伽利略在長頸圓形燒瓶中加入一些水後，我是長頸圓形燒瓶。

將長頸圓形燒瓶倒插入水瓶中。我是水瓶。

在長頸圓形燒瓶中標(biāo)示出水位高度。燒瓶中的空氣因為受熱體積變大，而將燒瓶中的水往下擠至水瓶中，使燒瓶中的水位下降。當(dāng)天氣熱時？燒瓶中的空氣因為遇冷體積收縮變小，使水流入燒瓶內(nèi)，致使燒瓶中的水位上升。當(dāng)天氣冷時？天氣熱天氣冷這說明了什么？溫標(biāo)的概念示例—猜猜看？原理：利用不同溫度下液體比重的差異而設(shè)計。上浮最下面的小球下端的金屬牌上面的讀數(shù)為是當(dāng)前溫度。彩球溫度計4.5.1概述？溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。17世紀(jì)初伽利略發(fā)明溫度計;荷蘭人華倫海特-華氏溫度計；法國人列繆爾-列氏溫度計；瑞典人攝爾修斯-攝氏溫度計。真正把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，即，后來的熱電偶傳感器。1870年以后，德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計。本世紀(jì)相繼發(fā)明半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。20世紀(jì)90年代中期問世智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器）。智能化取決于軟件的開發(fā)水平。分立式模擬集成式智能網(wǎng)絡(luò)式熱電偶AD5904.5.1概述發(fā)展歷程溫度的概念溫標(biāo)冷熱分子運(yùn)動內(nèi)涵量攝氏溫標(biāo)℃、華氏溫標(biāo)F熱力學(xué)溫標(biāo)K、國際實用溫標(biāo)(ITS-90)4.5.1概述溫度的標(biāo)準(zhǔn)：(1)有可實現(xiàn)的固定點(diǎn)溫度；(2)有在固定點(diǎn)溫度上分度的內(nèi)插儀器；(3)確定相鄰固定溫度點(diǎn)間的內(nèi)插公式。溫標(biāo)4.5.1概述測溫質(zhì)（介質(zhì)）:

要確定選擇什么樣的物質(zhì),這些物質(zhì)的冷熱狀態(tài)必須能夠明顯地反映客觀物體(欲測物體)的溫度變化，而且這種變化具有復(fù)現(xiàn)性。如：水銀、氫氣或是電偶2.測溫特性：要知道該測溫質(zhì)的哪些物理量隨著溫度的改變將產(chǎn)生某種預(yù)期的改變。如：水銀溫度計是用水銀做測溫質(zhì)，水銀的體積隨溫度作線性變化。3.參考點(diǎn)：依據(jù)確定的數(shù)值作為基準(zhǔn)，實現(xiàn)劃分溫度的間隔。幾種溫標(biāo)的對比正常體溫為37C，相當(dāng)于華氏溫度多少度？4.5.1概述溫度的概念溫標(biāo)溫度標(biāo)準(zhǔn)的傳遞溫度計的標(biāo)定與校正測溫方法與測溫儀器的分類國家計量院省市級對比、傳遞熱電阻熱電勢其他溫度源溫度值對比4.5.1概述測溫方法及儀器4.5.1概述（1）接觸式測溫（2）非接觸式測溫測溫方法接觸式測溫儀器非接觸式測溫儀器測溫方法及儀器4.5.1概述(1)接觸式測溫含義：測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進(jìn)行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡，感溫元件的某一物理參數(shù)的量值（熱電動勢、電阻、熱膨脹等等）代表了被測對象的溫度值。優(yōu)點(diǎn)：直觀可靠、準(zhǔn)確度高。缺點(diǎn)：感溫元件影響被測溫度場的分布，接觸不良會帶來測量誤差，另外溫度太高和腐蝕性介質(zhì)對感溫元件的性能和壽命會產(chǎn)生不利影響。測溫方法及儀器4.5.1概述（2）非接觸式測溫含義：感溫元件不與被測對象相接觸，而是通過輻射方式進(jìn)行熱交換。特點(diǎn)：可避免接觸測溫的缺點(diǎn)（不影響溫場分布）；具有較高的測溫上限；非接觸測溫法熱慣性小，可達(dá)千分之一秒，便于測量運(yùn)動物體的溫度和快速度變化的溫度。準(zhǔn)確度低測溫方法及儀器4.5.1概述1接觸式儀器膨脹式溫度計(包括液體和固體膨脹式溫度計、壓力式溫度計)電阻式溫度計(包括金屬熱電阻溫度計和半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計)熱電式溫度計(包括熱電偶和P-N結(jié)溫度計)2非接觸式溫度儀以光輻射為基礎(chǔ)，也稱為輻射溫度計。如：輻射溫度計、亮度溫度計和比色溫度計、紅外熱相儀；測溫方法及儀器4.5.1概述測溫方法及儀器4.5.1概述依據(jù)類型用途基準(zhǔn)溫度計和工業(yè)溫度計測量方法接觸式和非接觸式工作原理膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式輸出方式電流輸出、電壓輸出供電方式有源、無源測量范圍超低溫、低溫、中高溫和超高溫如何選擇溫度傳感器？溫度傳感器的分類4.5.1概述溫度傳感器的選擇4.5.1概述溫度特性容易檢測和處理，且隨溫度呈線性變化；除溫度以外，特性對其它物理量的靈敏度要低；特性隨時間變化要?。恢貜?fù)性好，沒有滯后和老化；靈敏度高，堅固耐用，體積小，對檢測對象的影響要??；機(jī)械性能好，耐化學(xué)腐蝕，耐熱性能好；能大批量生產(chǎn)，價格便宜；無危險性，無公害等。4.5熱電式傳感器4.5.1概述4.5.2熱電阻測溫傳感器4.5.3熱電偶測溫4.5.4半導(dǎo)體P-N結(jié)測溫傳感器4.5.5其他測溫系統(tǒng)4.5.6應(yīng)用實例金屬熱電阻半導(dǎo)體熱敏電阻測溫電橋電路4.5.2熱電阻測溫傳感器原理：熱阻效應(yīng)（電阻率隨溫度變化）熱電阻的電阻溫度系數(shù)，在一定溫度范圍內(nèi)為常數(shù)類型：類型代表特點(diǎn)變化金屬熱電阻鉑熱電阻測溫范圍寬1200℃，成本高正銅熱電阻測溫范圍小-50～150℃，成本低正半導(dǎo)體熱敏電阻NTC均勻感溫特性，變化緩慢，測溫范圍寬負(fù)PTC變化劇烈，測溫范圍小，發(fā)熱元件正CTR變化突變，溫控開關(guān)臨界4.5.2熱電阻測溫傳感器半導(dǎo)體熱敏電阻電阻類型電阻特性工作機(jī)理4.5.2熱電阻測溫傳感器壓阻效應(yīng)？負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）為提高測量范圍或測量精度，必須進(jìn)行線性化處理。方法1：熱敏電阻與精密電阻串聯(lián)或并聯(lián)精密電阻熱敏電阻方法2：計算機(jī)分段線性化處理4.5.2熱電阻測溫傳感器非線性處理半導(dǎo)體熱敏電阻熱電阻的自熱特性4.5.2熱電阻測溫傳感器負(fù)溫度系數(shù)的半導(dǎo)體熱敏電阻測溫電橋電路1.平衡電橋2.不平衡電橋3.自動平衡電橋4.5.2熱電阻測溫傳感器測溫電橋電路1.平衡電橋2.不平衡電橋3.自動平衡電橋4.5.2熱電阻測溫傳感器測溫電橋電路1.平衡電橋2.不平衡電橋3.自動平衡電橋4.5.2熱電阻測溫傳感器測溫電橋電路4.5.2熱電阻測溫傳感器1.平衡電橋2.不平衡電橋3.自動平衡電橋?qū)Ь€連接方式？熱電阻測溫電橋說明：為了消除金屬熱電阻(幾歐~幾十歐范圍)中的引線電阻和連接導(dǎo)線電阻受溫度變化而改變其阻值大小，從而影響熱電阻測溫。測溫電橋——兩線制、三線制、四線制接法。（1）工業(yè)用常用線路①兩線制熱電阻測溫電橋Rac=2(Rr+r+r’)+Rt熱電阻Rt引線r’連接導(dǎo)線r調(diào)整電阻Rr不平衡電橋（1）工業(yè)用常用線路①兩線制特點(diǎn)：接入一個橋臂。引線與連接導(dǎo)線隨環(huán)境溫度變化全部加入到熱電阻的變化之中；簡單，仍有應(yīng)用引出線的電阻值特性：銅：<=0.2％(R0)；鉑:<=

0.1％(R0)

。熱電阻測溫電橋Rac=2(Rr+r+r’)+Rt（1）工業(yè)用常用線路②三線制方法一：熱電阻有三個引線其中兩根+連接導(dǎo)線的電阻分別加到電橋相臨兩橋臂中第三根接到電源線上電源與電橋的連接點(diǎn)a從儀表內(nèi)部的橋路上移到熱電阻附近效果：引線與連接導(dǎo)線電阻變化影響減小。Rac=Rt+r’+r+RrRad=R1+r’+r+Rr熱電阻測溫電橋（1）工業(yè)用常用線路②三線制Rac=Rt+2r’+r+RrRad=R1+r+Rr方法二兩根引線三根連接導(dǎo)線兩根連接導(dǎo)線的電阻分別加到電橋相鄰的兩橋臂中第三根接到電源對角線上電源的接點(diǎn)a移到熱電阻傳感器內(nèi)的接線柱上效果：連接導(dǎo)線r影響減小引線電阻r’影響依存在

熱電阻測溫電橋（2）實驗室精密測溫線路——四線制

熱電阻測溫電橋4引線（2）實驗室精密測溫線路——四線制

電源E：向標(biāo)準(zhǔn)電阻RH、熱電阻Rt（經(jīng)a,c）、調(diào)節(jié)電阻Rr和電流表回路供電；電流I：調(diào)節(jié)Rr，使得回路電流I調(diào)整到熱電阻的規(guī)定值3~4mA；電流測量線：與a和c相連電位測量線：與b和d相連轉(zhuǎn)換開關(guān)K：先后測量標(biāo)準(zhǔn)電阻RH和熱電阻Rt上的電壓降UH和Ut；熱電阻測溫電橋（2）實驗室精密測溫線路——四線制

特點(diǎn)：利用電位差計平衡讀數(shù)時，電位差計不取電流，熱電阻的電位測量線沒有電流通過,因此，熱電阻引線電阻r’、連接導(dǎo)線電阻r無論怎樣變化也不會影響熱電阻Rt的測量，可完全消除Rt以外電阻的影響。熱電阻測溫電橋熱電阻結(jié)構(gòu)形式4.5.2熱電阻測溫傳感器熱電阻實物圖4.5.2熱電阻測溫傳感器工業(yè)常用三線制和四線制電路熱電阻接口電路4.5.2熱電阻測溫傳感器熱電效應(yīng)熱電偶的工作機(jī)理熱電偶的基本定律熱電偶的誤差及補(bǔ)償熱電偶的組成、分類及特點(diǎn)4.5.3熱電偶測溫原理：熱電效應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：屬自發(fā)電型傳感器，測量時無需外加電源，可直接驅(qū)動動圈式儀表；測溫范圍寬：-270～1800C；熱電勢與溫度之間盡可能呈線性單值關(guān)系。不足：有引線、需冷端補(bǔ)償、測量距離短、體積較大。接線盒保護(hù)管絕緣管熱電極熱端4.5.3熱電偶測溫?zé)犭娦?yīng)——接觸熱電勢產(chǎn)生原理4.5.3熱電偶測溫數(shù)量級10-2~10-3V之間接觸電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勢。兩種導(dǎo)體接觸時，自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散（），在接觸處失去電子的一側(cè)A帶正電，得到電子的一側(cè)B帶負(fù)電，在接觸面形成電場，阻礙電子繼續(xù)擴(kuò)散，擴(kuò)散達(dá)到動平衡時，在接觸面的兩側(cè)就形成穩(wěn)定的接觸電勢。接觸電勢的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。熱電效應(yīng)——熱電勢產(chǎn)生原理——接觸熱電勢：帕爾帖效應(yīng)——玻爾茲曼常數(shù)——電子電荷量——材料A和B的自由電子濃度

4.5.3熱電偶測溫?zé)犭娦?yīng)——溫差熱電勢產(chǎn)生原理4.5.3熱電偶測溫溫差電勢是同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢。同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時，高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，因而從高溫端移動到低溫端的電子數(shù)比從低溫端移動到高溫端的要多，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。因此，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電勢。數(shù)量級約為10-5V——溫差熱電勢：湯姆遜效應(yīng)——材料A的湯姆遜系數(shù)(V/K)熱電效應(yīng)——熱電勢產(chǎn)生原理4.5.3熱電偶測溫結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點(diǎn)溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。

熱電極A右端稱：自由端（參考端或冷端）

左端稱：測量端（工作端或熱端）

熱電極B熱電勢AB熱電偶的工作機(jī)理4.5.3熱電偶測溫從實驗到理論：熱電效應(yīng)

1821年，德國物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點(diǎn)同時加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減小（又說明什么？）

。指南針的偏轉(zhuǎn)說明：回路中有電動勢產(chǎn)生，并有電流在回路中流動，電流的