第12章熱電傳感器

第12章溫度傳感器傳感器原理與應(yīng)用

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器主要內(nèi)容：

12.2溫度傳感器的分類及溫標(biāo)

12.2熱電偶

12.3熱電阻、熱敏電阻

12.4集成溫度傳感器

12.5紅外溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用第12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，是現(xiàn)代生活中不可缺少的信息內(nèi)容，更是科學(xué)實(shí)驗(yàn)與工業(yè)過程控制中檢測的重要參數(shù)。許多生產(chǎn)過程和日常生活都需要溫度參數(shù)和溫度控制。如家用電器：電冰箱、空調(diào)、電飯煲、微波爐.隨著測溫技術(shù)的發(fā)展，測溫范圍和精度都有很大的提高，新型溫度傳感器不斷出現(xiàn)，如紅外、光纖、微波、超聲波、核磁共振（NQR）等都獲得廣泛應(yīng)用。測溫系統(tǒng)主要由兩部分組成：傳感器及轉(zhuǎn)換電路。12.1溫度傳感器的分類及溫標(biāo)現(xiàn)場控制室感溫元件轉(zhuǎn)換顯示EtRtT

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器熱力學(xué)溫度是國際上公認(rèn)的最基本溫度，我國目前實(shí)行的是1990年國際溫標(biāo)(ITS—90）

(ITS—90）定義:

國際開爾文溫度（T90）：單位，開爾文（符號K）國際攝氏溫度（t90）：單位，攝氏（符號℃）兩者關(guān)系為：

t90/℃=T90/K–273.15

或表示為

t/℃=T/K–273.15

為定量描述溫度的高低，必須建立溫度標(biāo)尺（溫標(biāo)），各種溫度計和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標(biāo)確定。1.溫度單位

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器

溫度傳感器的種類很多，溫度傳感器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(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用較廣泛；

家電、汽車上使用的溫度傳感器測溫范圍?。ōh(huán)境溫度）、成本低、價格便宜、用量大、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?yàn)閭鞲衅鞯木戎苯雨P(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量和控制過程，通常價格比較昂貴。2.溫度傳感器分類方法根據(jù)所用測溫物質(zhì)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、紅外等等。

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器

溫度傳感器按工作原理主要有以下幾類：

熱電偶，利用金屬的溫差電動勢測溫，特點(diǎn)：耐高溫、精度高，可測量上千度；熱電阻，利用金屬導(dǎo)體電阻隨溫度變化，可測溫幾百度；熱敏電阻，利用半導(dǎo)體材料電阻隨溫度變化測溫，特點(diǎn)：體積小、靈敏度高、使用方便，穩(wěn)定性差；集成溫度傳感器，利用晶體管P-N結(jié)的電流、電壓隨溫度變化，有專用集成電路，特點(diǎn)：體積小、響應(yīng)快、價廉，測量150℃以下溫度。

智能型集成溫度傳感器。2.溫度傳感器分類方法

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器測溫方法測溫原理溫度傳感器接觸式

固體熱膨脹體積變化—液體熱膨脹氣體熱膨脹雙金屬溫度計玻璃管液體溫度計氣體溫度計、壓力溫度計電阻變化金屬電阻溫度傳感器半導(dǎo)體熱敏電阻接觸式熱電效應(yīng)貴金屬熱電偶普通金屬熱電偶非金屬熱電偶頻率變化石英晶體溫度傳感器光學(xué)特性光纖溫度傳感器；液晶溫度傳感器聲學(xué)特性超聲波溫度傳感器非接觸式

亮度法熱輻射—全輻射法比色法紅外法光學(xué)高溫計全輻射高溫計比色高溫計紅外溫度傳感器氣流變化射流溫度傳感器

按測溫方式分類：

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器3.各種熱電式傳感器液體膨脹

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器3.各種熱電式傳感器固體膨脹溫度計氣體膨脹溫度計

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器熱電偶熱電偶是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器熱電阻和熱敏電阻熱敏電阻是家用電器應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器在線高溫紅外測溫

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器甲型流感紅外測溫

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2

熱電偶熱電效應(yīng)：為兩種不同類型的金屬導(dǎo)體，導(dǎo)體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個結(jié)點(diǎn)溫度不等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(yīng)。利用這種效應(yīng)，只要知道一端結(jié)點(diǎn)溫度，通過熱電勢就可以測出另一端結(jié)點(diǎn)的溫度。

熱電偶是利用金屬的溫差電動勢測溫12.2.1熱電效應(yīng)

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.1熱電效應(yīng)（冷端）T0——基準(zhǔn)端，固定溫度節(jié)點(diǎn)，恒定在某一標(biāo)準(zhǔn)溫度；冷端標(biāo)準(zhǔn)溫度為冰點(diǎn)（0℃）。（熱端）T——測溫端，待測溫度的接點(diǎn)，置于被測溫度場中。這種將溫度轉(zhuǎn)換成熱電動勢的傳感器稱熱電偶，金屬電極稱熱電極;

電極:冷端與熱端

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.1熱電效應(yīng)熱電偶冷端冰點(diǎn)測溫方法金屬的熱電勢由兩部分組成：

接觸電勢；

溫差電勢。

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.1熱電效應(yīng)不同金屬自由電子密度不同，當(dāng)兩種金屬接觸在一起時，在結(jié)點(diǎn)處會產(chǎn)生電子擴(kuò)散，濃度大的向濃度小的金屬擴(kuò)散。(1)兩種導(dǎo)體的接觸電勢

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.1熱電效應(yīng)(1)兩種導(dǎo)體的接觸電勢濃度高的失去電子顯正電，濃度低的得到電子顯負(fù)電。當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到動態(tài)平衡時，得到穩(wěn)定的接觸電勢。濃度大的向濃度小的金屬擴(kuò)散

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.1熱電效應(yīng)熱端接觸電勢為：

冷端接觸電勢為：、式中：A、B

代表不同材料；T，T0

為兩結(jié)點(diǎn)端溫度；

＿波爾茲曼常數(shù)；

＿電子電荷量；

是A、B材料的電子濃度。在閉合回路中，總的接觸電勢為

熱電偶熱端溫度為T時，兩個接點(diǎn)的接觸電勢分別為

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.1熱電效應(yīng)對單一金屬如果兩邊溫度不同，兩端有溫度梯度也產(chǎn)生溫差電動勢；產(chǎn)生這個電勢是由于導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動能，會向低溫端擴(kuò)散，由于高溫端失去電子帶正電，低溫端得到電子帶負(fù)電。(2)單一導(dǎo)體的溫差電勢（湯姆遜電勢）

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.1熱電效應(yīng)A、B兩導(dǎo)體構(gòu)成閉合回路總的溫差電勢為：

Ａ、Ｂ兩個導(dǎo)體的單一導(dǎo)體的溫差電勢分別為式中：是澤貝克系數(shù)，是溫度和位置的函數(shù)。

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.1熱電效應(yīng)結(jié)論：若熱電偶兩電極材料相同（NA=NB、σA=σB），無論兩端點(diǎn)溫度如何，總熱電勢EAB為零；2.如果熱電偶兩接點(diǎn)溫度相同（T=T0）時，A、B材料不同，回路總電勢EAB為零；3.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。

根據(jù)兩導(dǎo)體的接觸電勢和單一導(dǎo)體溫差電勢，熱電偶總的熱電勢為接觸電勢、溫差電勢之和：

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.2熱電偶基本定律如果將熱電偶T0端斷開，接入第三導(dǎo)體C，回路中電勢由EAB（T，T0）應(yīng)寫為：ＡＢＣＴＴ０Ｔ０設(shè)

則有：

(1)三種導(dǎo)體的熱電回路（中間導(dǎo)體定律）

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.2熱電偶基本定律ＡＢＣＴT０Ｔ０測量儀器

結(jié)論：當(dāng)熱電偶引入第三導(dǎo)體C時，只要C導(dǎo)體兩端溫度相同，回路總電勢不變。中間導(dǎo)體定律說明，回路中接入導(dǎo)體和儀表后不會影響熱電勢。根據(jù)這一定律，將導(dǎo)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(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.2熱電偶基本定律在熱電偶測溫回路中TC為熱電極上某點(diǎn)溫度；熱電偶在接點(diǎn)溫度為T、T0

時的熱電勢EAB（T，T0），等于接點(diǎn)溫度T、TC

和

TC、T0

時的熱電勢的代數(shù)和，A-B熱電偶的熱電勢為：

實(shí)際測量時，利用這一性質(zhì)，對參考端溫度不為零度時的熱電勢以及冷端延伸引線進(jìn)行修正和補(bǔ)償。(2)參考電極定律（中間溫度定律）

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.3熱電偶的結(jié)構(gòu)和種類貴金屬熱電偶鉑銠—鉑銠（600～1700）℃鉑銠—鉑（0～1600）℃普通金屬熱電偶鎳鉻—鎳硅（-200～1200）℃鎳鉻—鎳銅（-40～750）℃，鐵—康銅（0～400）℃熱電偶可以測量上千度高溫，并且精度高、性能好，這是其它接觸式溫度傳感器無法替代的。1.熱電偶種類

國際電工委員會IEC(InternationalElectroTechnicalCommission)

推薦８種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件，具有統(tǒng)一的分度表。溫度℃0102030405060708090熱電動勢mV00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.62932.02432.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.51938.91539.31039.70340.09640.48840.879100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.35647.72648.09548.462120048.82649.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.39852.74753.09353.43953.78254.12554.46654.807——鎳鉻—鎳硅熱電偶(K型)分度表（參考端溫度為0℃）

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.3熱電偶的結(jié)構(gòu)和種類普通熱電偶，測量氣體、蒸汽、液體等，棒形結(jié)構(gòu)；薄膜熱電偶，用于火箭、飛機(jī)噴嘴溫度測量，結(jié)構(gòu)較薄；鎧裝熱電偶，用以測量狹小對象，結(jié)構(gòu)細(xì)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。2.熱電偶結(jié)構(gòu)

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.3熱電偶的結(jié)構(gòu)和種類普通熱電偶：測量氣體、蒸汽、液體等

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.3熱電偶的結(jié)構(gòu)和種類薄膜熱電偶：用于火箭、飛機(jī)噴嘴等溫度測量

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.3熱電偶的結(jié)構(gòu)和種類鎧裝熱電偶：用以測量狹小對象，結(jié)構(gòu)細(xì)長、可彎曲。

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.3熱電偶的結(jié)構(gòu)和種類這種熱電偶，專門適用于測量高溫爐溫度分布，可反復(fù)彎曲，耐溫可達(dá)1250℃。熱電偶的插頭部分也可耐425℃的高溫，可以直接安裝在爐內(nèi)。Nanmac還提供與之匹配的接線盒，可以一起固定在爐內(nèi)。

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.3熱電偶的結(jié)構(gòu)和種類熱電偶型號命名方法

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.4熱電偶測量電路及應(yīng)用

熱電偶特點(diǎn)：耐高溫、精度高，可測量上千度。

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.4熱電偶測量電路及應(yīng)用

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.4熱電偶測量電路及應(yīng)用

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.4熱電偶測量電路及應(yīng)用

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.4熱電偶測量電路及應(yīng)用通過查分度表可知熱電偶產(chǎn)生的熱電勢；如K型熱電偶：

0℃時E=0mV，

600℃時E=24.902mv；分度表以t=0℃作基準(zhǔn).電路調(diào)試步驟：調(diào)零：T=0℃時調(diào)整調(diào)零電位器RP2使運(yùn)放輸出為零；調(diào)增益：溫度600℃時調(diào)節(jié)反饋電阻RP1

使運(yùn)放輸出在6V。600℃時K型熱電偶熱電勢E=24.902mv，放大器增益為6V/24.902mv=240.945，可得到6V滿量程輸出。

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.4熱電偶測量電路及應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用若參考端溫度不為0℃，工作端溫度為t時，由分度表可查出EA（t，0）;與實(shí)際熱電勢EAB（t,t0）之間的關(guān)系可通過中間溫度定律得出：

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.2.4熱電偶測量電路及應(yīng)用例：使用K型熱電偶測溫，當(dāng)基準(zhǔn)接點(diǎn)為0℃，測量接點(diǎn)為30℃和900℃時，溫差電動勢分別為1.203mV和37.325mV。

當(dāng)基準(zhǔn)接點(diǎn)為30℃，測溫接點(diǎn)為900℃時的溫差電動勢E為多少？解：t=900℃（測溫點(diǎn)）t0=30℃（基準(zhǔn)點(diǎn)）

∵

K型熱電偶900℃時總的溫差電勢為

37.325mV=E

（900℃，30℃）+E（30℃，0℃）=E+1.203mV

∴

測溫點(diǎn)溫差電勢為

E=36.122mV900℃—30℃—0℃

中間溫度定律溫度℃0102030405060708090熱電動勢mV00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.62932.02432.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.51938.91539.31039.70340.09640.48840.879100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.35647.72648.09548.462120048.82649.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.39852.74753.09353.43953.78254.12554.46654.807——鎳鉻—鎳硅熱電偶(K型)分度表（參考端溫度為0℃）

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器爐溫的自動調(diào)節(jié)

12.2.4

熱電偶測量電路及應(yīng)用爐溫的自動記錄

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器熱敏電阻傳感器主要有兩大類：金屬熱電阻半導(dǎo)體熱敏電阻金屬熱電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻統(tǒng)稱熱電阻。12.3

熱電阻和熱敏電阻貼片式薄膜式

大功率

RT熱電阻電路符號

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器普通金屬熱電阻一般用于-200～+850℃溫度測量,

少數(shù)可測1000℃。

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(gòu)成熱電阻。鉑線云母絕緣耐高溫瓷管帶保護(hù)管的鉑測溫電阻元件12.3

熱電阻和熱敏電阻

12.3.1金屬熱電阻

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.3.1金屬熱電阻

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.3.1金屬熱電阻

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.3.1金屬熱電阻

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器按IEC（國際電工委員會）標(biāo)準(zhǔn)

鉑熱電阻阻值與溫度變化范圍之間的關(guān)系近似為：12.3.1金屬熱電阻-200～O℃

+0～850℃

式中：

為溫度

和

時的電阻值A(chǔ)、B、C

為常數(shù)，Ｒt值的大小與Ｒ０有關(guān)為的公稱值

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.3.1金屬熱電阻分度號分別為：Pt10、Pt100

目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有兩種公稱值：

國際溫標(biāo)ITS—90標(biāo)準(zhǔn)中,

A、B、C

常數(shù)規(guī)定為；鉑電阻的溫度特性多為正特性

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器熱電阻型號命名方法

傳感器原理及應(yīng)用第12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。12.3

熱電阻和熱敏電阻

12.3.2熱敏電阻熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料氧化復(fù)合燒結(jié)而成溫度敏感元件主要材料有：Mn、Co、Ni、Cu、Fe氧化物，結(jié)構(gòu)分為：二端、三端、四端、直熱式、旁熱式。

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.3.2熱敏電阻

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器熱敏電阻—溫度特性

PTC

——正溫度系數(shù)特性型；

NTC

——負(fù)溫度系數(shù)特性型；12.3.2熱敏電阻負(fù)溫度系數(shù)型熱敏電阻特性曲線

多數(shù)半導(dǎo)體熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，溫度升高電阻下降，同時靈敏度下降；所以熱電阻限制了它在高溫下使用。目前，熱敏電阻溫度上限約300℃

。半導(dǎo)體熱敏電阻通過參雜，是很好的低溫傳感器，可以測量40-100K（-233--173℃）的溫度。熱敏電阻最大的缺點(diǎn)是，產(chǎn)品一致性差，互換性不好，一般只用于電器產(chǎn)品，不在石油、鋼鐵等制造業(yè)上使用。

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的特性曲線可用經(jīng)驗(yàn)公式表示：12.3.2熱敏電阻A，與材料和形狀有關(guān)；B，常數(shù)。，溫度為T時的電阻值；

標(biāo)稱電阻值R25（Ω），是熱敏電阻在25℃時的阻值。Rt溫度t℃時的電阻值（Ω）；α25是熱敏電阻在25℃時的電阻溫度系數(shù)。

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.3.3熱敏電阻的應(yīng)用

圖是一滯回特性的恒溫控制電路，RT為熱敏電阻，A為比較器，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到T℃時，由輸出信號實(shí)現(xiàn)調(diào)溫控制。比較器同相端Vb作為基準(zhǔn)電壓，由RP1、R2、R3（或穩(wěn)壓管）確定分壓，RP1可調(diào)節(jié)比較器的比較電平，從而調(diào)節(jié)所需控制溫度。輸入端由RT、R2分壓。

輸出特性：

Vb1、Vb2為門限電壓，傳輸特性通過R4正反饋使轉(zhuǎn)換部分變陡

Va＞Vb1，U0

由正翻轉(zhuǎn)為負(fù)；

Va＜Vb2，U0

由負(fù)翻轉(zhuǎn)為正。

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.3.3熱敏電阻的應(yīng)用熱敏電阻的恒溫控制電路復(fù)合管作開關(guān)-+LM311比較器，反相端-3，同相端-2；輸出-1加熱器負(fù)特性熱敏電阻NTC——負(fù)溫度系數(shù)特性熱敏電阻

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.3.3熱敏電阻的應(yīng)用+-

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.3.3熱敏電阻的應(yīng)用+-

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.3.3熱敏電阻的應(yīng)用+-

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.3.3熱敏電阻的應(yīng)用+-

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.3.3熱敏電阻的應(yīng)用+-

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器

無線測溫系統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯無線測溫系統(tǒng)，采用無線通信技術(shù)，將熱電偶測得的窯內(nèi)溫度無線傳送到控制室并在計算機(jī)上顯示。同時可顯示窯頭、窯中和窯尾12-24個通道的溫度；安裝在窯體上的發(fā)射裝置經(jīng)隔熱處理后可耐受400℃以下表面溫度；發(fā)射系統(tǒng)采用高性能鋰電池供電，太陽能板隨時為電池充電；該系統(tǒng)具有溫度上下限超限報警，傳感器回路開路提示，及電池電壓過低報警功能。系統(tǒng)根據(jù)需要使用的熱電偶類型為（S﹑R﹑B﹑K）。

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器

無線測溫系統(tǒng)測溫發(fā)射裝置USB接收裝置USB接收與計算機(jī)顯示4-20mA接收裝置應(yīng)用現(xiàn)場4-20mA接收柜現(xiàn)場隔熱箱現(xiàn)場室外轉(zhuǎn)窯

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.4

集成溫度傳感器目前國內(nèi)外普遍應(yīng)用的80年代問世的集成溫度傳感器如:AD590、AD592、TMP17、LM135等.

模擬集成溫控模塊是可編程的溫控開關(guān)模塊.如:LM56、AD22105等，溫敏元件有熱敏電阻，熱敏二極管、三極管等

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，構(gòu)成一體化的專用集成器件。是可以完成溫度測量及模擬信號輸出的專用IC。

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.4

集成溫度傳感器集成溫度傳感器利用晶體管PN結(jié)的電流、電壓特性與溫度的關(guān)系進(jìn)行溫度測量，由于PN結(jié)受耐熱性能的限制，一般測量溫度范圍在150℃以下。特點(diǎn)：集成溫度傳感器具有體積小、反應(yīng)快、線性好、價格低等優(yōu)點(diǎn)。UbeIb150℃25℃0.30.60.9二極管PN結(jié)溫度特性

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.4

集成溫度傳感器

12.4.1集成溫度傳感器測溫原理

（PTAT）絕對溫度比例電路

Proportiondtoabsolutetemperature

集成溫度傳感器（PTAT）基本電路原理圖絕對溫度比例電路，由V1、V2兩只互相匹配、性能完全相同的溫敏晶體管構(gòu)成差分對管；集電極電流分別為I1、I2是由恒流源（晶體管）提供；電阻R上的電壓ΔVbe是兩個晶體管發(fā)射結(jié)電壓差。

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.4.1集成溫度傳感器測溫原理PN結(jié)伏安特性方程Is—反向飽和電流；u—外加電壓；uT

=KT/q—溫度電壓當(dāng)量；t=300K（室溫300K-273.15=26.85℃）時,UT≈26mV所謂絕對溫度比例是，利用兩個晶體管發(fā)射極的電流密度在恒定比率下工作時，基極—發(fā)射極之間電壓VBE的差與溫度呈線性關(guān)系。

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.4.1集成溫度傳感器測溫原理PN結(jié)伏安特性方程PN結(jié)加正向電壓時PN結(jié)加反向電壓時根據(jù)晶體管知識已知，二極管PN結(jié)為負(fù)溫度特性，T↑1℃，Ube↓2mV，所以溫度T↑，Ube↓；UbeIb150℃25℃0.30.60.9二極管PN結(jié)溫度特性

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.4.1集成溫度傳感器測溫原理根據(jù)晶體管伏安方程式得：式中:K0

——

波爾滋蔓常數(shù)；

T——

絕對溫度;

——電子電荷量；

——

V1、V2發(fā)射極面積比。

正比于絕對溫度

T，只要保證的比恒定，就可以使與溫度T

為單值函數(shù)。

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.4.1集成溫度傳感器測溫原理由方程式可見：

因?yàn)榧姌O電流比可等于集電極電流密度比：只要保證兩只晶體管的集電極電流密度比不變，電阻R上的電壓就可以正比于熱力學(xué)溫度T。

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.4.1集成溫度傳感器測溫原理VT2的發(fā)射極設(shè)計成條形，VT1用同樣條形并聯(lián)，可嚴(yán)格控制結(jié)的面積，兩管面積比變?yōu)楹唵蔚臈l數(shù)比；電路核心是使兩只管子的集電極電流密度比不隨溫度變化；實(shí)際制作時，特意將V1、V2發(fā)射結(jié)面積作的不相等，面積比為γ，電阻R上的電壓差取決與發(fā)射結(jié)面積比γ。

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.4.1集成溫度傳感器測溫原理

電路輸出總電流用條數(shù)比表示電路輸出總電流與溫度系數(shù)有關(guān)，與電流無關(guān)；而面積比n的大小決定了靈敏度大小。VT1面積VT2面積

傳感器原理及應(yīng)用第12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(jié)壓降之差全部落在電阻R1上，流過R1上電流為：

12.4.2集成溫度傳感器信號輸出方式電路輸出為：

可見輸出電壓U0與絕對溫度T成正比關(guān)系

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.4.2集成溫度傳感器信號輸出方式2）電流輸出型V1、V2是結(jié)構(gòu)對稱的晶體管作為恒流源負(fù)載；V3、V4是測溫用晶體管，V3發(fā)射結(jié)面積是V4管的8倍（γ=8），流過電路的總電流是：若R=358Ω，得電路輸出溫度系數(shù)為

溫度變化1度（開爾文），輸出電流1μA電流輸出型電路

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.4

集成溫度傳感器

12.4.3AD590集成溫度傳感器

典型溫度傳感器——AD590

典型電流輸出型集成溫度傳感器有

AD590--美國AD公司生產(chǎn)；

SG590--國內(nèi)同類產(chǎn)品。測溫范圍-50～+150℃；器件電源電壓4～30V；小于3V時靈敏度隨外加電壓增加而增加，所以電源必須大于4V。+-AD590封裝VI/μA1234+150℃+25℃-55℃AD590視為電流源

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.4.3AD590集成溫度傳感器AD590引腳和內(nèi)部電路原理圖+-AD590封裝AD590用電流源表示1+2-3GND

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.4.3AD590集成溫度傳感器AD590在攝氏溫度25℃（298.15K）時，理想輸出為298.15μA，實(shí)際存在誤差；可通過電位器調(diào)整，使輸出電壓滿足

1mV/K（1μA/K）的關(guān)系。AD590定標(biāo)方法一點(diǎn)校正法，僅對某點(diǎn)溫度進(jìn)行校準(zhǔn)，AD590在25℃時，輸出電流并非298.15μA時，調(diào)節(jié)R電阻，使輸出值為298.15mV。一點(diǎn)校正法

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.4.3AD590集成溫度傳感器

兩點(diǎn)校正法先對AD590在0℃溫度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)R1，使輸出VOUT=0；再將AD590置于100℃溫度，調(diào)節(jié)R2，使VOUT=10V；使輸出電壓溫度系數(shù)值為100mV/℃。兩點(diǎn)校正法

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.4.3AD590集成溫度傳感器T↑時比較器LM311的3腳電壓↑；輸出端跳為低電平-+AD590典型應(yīng)用溫控電路

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.4.1AD590集成溫度傳感器AD590典型應(yīng)用測量攝氏溫度電路測量兩點(diǎn)溫差電路

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器12.4.3AD590集成溫度傳感器AD590典型應(yīng)用ICL7107（7106）帶LED（LCD）驅(qū)動的A/D轉(zhuǎn)換大規(guī)模集成芯片顯示精度31/2（BCD）輸入電壓量程：0～2V，0～20V，0～200V

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器ICL7107（7106）A/D轉(zhuǎn)換電路

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器ICL7107（7106）LED（LCD）驅(qū)動電路顯示精度31/2（BCD）

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器AD590典型應(yīng)用紅外傳感器按應(yīng)用可分為：熱成像遙感技術(shù)；紅外搜索(跟蹤目標(biāo)、確定位置)、通訊；紅外輻射測量；紅外測距、測溫等。第12章溫度傳感器12.5紅外線傳感器紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，人、動物、植物、火、水都有熱輻射，只是波長不同而已；一個識熱的物體向外輻射能量，大部分是通過紅外線輻射出來的，溫度越高輻射紅外線越多，輻射能越強(qiáng)。

傳感器原理及應(yīng)用12.5.1紅外輻射第12章溫度傳感器12.5.1紅外輻射紅外輻射俗稱紅外線，是一種不可見光，其光譜位于可見光中紅色以外，所以稱紅外線，波長約0.75～1000μm。紅外輻射是介于可見光和微波之間的電磁波；紅外波長比無線電波的波長短，所以紅外儀器的空間分辨率比雷達(dá)高；紅外波長比可見光的波長長，因此紅外線透過陰霾的能力比可見光強(qiáng)。可見光紅外線微波

傳感器原理及應(yīng)用長波短波760nm400nm

可見光

電磁波譜紅外線

紫外線

射線X射線長波無線電波頻率波長短波無線電波電磁波譜無線電波可見光紅外線紫外光

射線

射線END

電磁波譜波長范圍第12章溫度傳感器

工程上把紅外線占據(jù)在電磁波譜中的波段分為:

近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外四個波段。紅外

傳感器原理及應(yīng)用12.5.1紅外輻射紅外線和電磁波一樣，以波的形式在空間傳播，因?yàn)榭諝庵械?、氫、氧不吸收紅外線，使大氣層對不同的波長紅外線存在不同吸收帶;紅外線在通過大氣層時有三個波段通過率最高：

2～2.6μm,3～5μm,8～14μm這三個波段對紅外探測技術(shù)非常重要，遙感紅外探測器一般工作在這三個波段。第12章溫度傳感器紅外

傳感器原理及應(yīng)用12.5.2紅外輻射探測器紅外傳感器有兩部分組成：1）紅外輻射源有紅外輻射的物體就可以視為紅外輻射源；根據(jù)輻射源的幾何尺寸、距離遠(yuǎn)近可視為點(diǎn)源和面源；

（紅外輻射基準(zhǔn)源—黑體爐）2）紅外探測器指能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的熱敏和光敏器件。第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用紅外線熱、光電能12.5.2紅外輻射探測器紅外探測器主要有兩大類型：1）（熱電型）熱探測器包括有：熱釋電元件、熱敏電阻、熱電偶等；2）（量子型）光子探測器利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的照射下產(chǎn)生光電子效應(yīng)，使材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化；其中有：光敏電阻、光敏管、光電池等。

量子型光子探測器與光電傳感器原理相同，本節(jié)主要介紹熱電型紅外探測器。第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用12.5.2紅外輻射探測器光量子型紅外探測器是利用光電效應(yīng)，通過改變電子能量的狀態(tài)引起電學(xué)現(xiàn)象，光量子型傳感器有：

光電導(dǎo)型（PC），電阻受光照后引起電阻變化；

光電型（PV），由于光照產(chǎn)生光生電子——空穴對；

光電磁型（PEM），利用光電磁PEM效應(yīng)，器件加電場和磁場的同時產(chǎn)生與光照成正比的感應(yīng)電荷；

肖特基型（ST），金屬與半導(dǎo)體接觸形成肖特基勢壘隨光照而變化。光量子型探測器與熱探測器的區(qū)別：

光量子型光電探測器探測的波長較窄，與器件材料有關(guān)；

熱探測器幾乎可以探測整個紅外波長范圍第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用12.5.2紅外輻射探測器熱釋電元件主要利用熱釋電效應(yīng)熱探測器利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測器吸收輻射能后引起溫度升高，使其它物理量變化；熱釋電元件首先將光輻射能變成材料自身的溫度，利用器件對溫度的敏感特性將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號；包括了光—熱—電，兩次信息變換過程。光——熱階段，物質(zhì)吸收光能，溫度升高；熱——電階段，利用某種效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)換為電信號第12章溫度傳感器1.熱釋電效應(yīng)光熱電

傳感器原理及應(yīng)用熱釋電材料晶體、陶瓷、塑料等鐵電體。

鐵電體-壓電體、熱電體、透明的光電晶體。熱釋電元件結(jié)構(gòu)把具有熱釋電效應(yīng)的晶體薄片兩面鍍上電極，將透明電極涂上黑色膜使晶體有利于吸收紅外線。P黑色膜電極透明電極ΔP第12章溫度傳感器1.熱釋電效應(yīng)晶體本身具有一定極化強(qiáng)度P；當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體表面時，薄片溫度T升高，表面釋放部分電荷，電荷減少，使極化強(qiáng)度降低▲P，所以稱熱釋電。ΔPPΔTT/℃自發(fā)極化

傳感器原理及應(yīng)用溫度一定時，極化產(chǎn)生的電荷被附集在外表的自由電荷慢慢中和掉，不顯電性；要讓熱釋電材料要顯示出電特性，必需用光調(diào)制器，使溫度變化；光調(diào)制器的入射光頻率必須大于電荷中合時間的頻率。

τ為中和的平均時間P黑色膜電極透明電極ΔP1.熱釋電效應(yīng)第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用鐵電體在溫度變化時極化強(qiáng)度發(fā)生變化，無論溫度上升還是下降，介質(zhì)從帶電到不帶電有一個中合時間；要使電荷表現(xiàn)出來，必須使晶體處于冷熱交替變化的工作狀態(tài)，表面才能產(chǎn)生電荷。升溫或降溫時電荷極性相反。ΔTTONOFF自發(fā)極化被中合，TP，中合，TP，中合第12章溫度傳感器1.熱釋電效應(yīng)

傳感器原理及應(yīng)用熱釋電傳感器只能檢測變化的信號，檢測時輻射源必須晃動才有信號輸出。通常采用菲涅爾透鏡對移動信號進(jìn)行放大，菲涅爾透鏡相當(dāng)于光柵作用可放大移動信號；菲涅爾透鏡在很多時候相當(dāng)于紅外線及可見光的凸透鏡，與一般的放大鏡不同，它的表面布滿了微小的條紋，在它旋渦狀條紋中包含著許多凸透鏡（簡稱圓環(huán)狀），使得穿過它的光線彎曲即產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，從而形成放大的影像。第12章溫度傳感器1.熱釋電效應(yīng)

傳感器原理及應(yīng)用第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用2.熱釋電元件及等效電路熱釋電元件可視為電流源，熱釋電材料只有在溫度變化時才產(chǎn)生電流：熱釋電元件式中：S—元件面積；

g—熱釋電系數(shù)；

P—極化強(qiáng)度。2.熱釋電元件及等效電路第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用

輸出電壓：熱釋電元件等效電路熱釋電元件絕緣電阻很高，幾十～幾百兆歐，容易引入噪聲，熱釋電元件的電荷要形成電壓輸出，要求有較高的輸入電阻，還需用FET進(jìn)行阻抗變換。通常熱釋電傳感器已經(jīng)將前極的場效應(yīng)管FET和輸入電阻安裝在管殼中。2.熱釋電元件等效電路熱釋電元件等效電路OUT+VGNDRsRg第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用熱釋電元件因紅外線照射產(chǎn)生熱量，材料本身與波長無關(guān)，利用元件的窗口選用不同材料做濾光器，通過波長選擇確定選擇波長。材料有鈮酸鍶鋇、鉭酸鋰，工作溫度-40～+85℃，工作視角85°。12.5.3紅外傳感器應(yīng)用紅外傳感器主要用于紅外測溫、遙控器、紅外監(jiān)控報警器；紅外攝象機(jī)、夜視鏡；控制裝置：自動門、干手機(jī)、自動水龍頭等；紅外無損檢測：通過測量熱流或熱量來檢測、鑒定金屬或非金屬材料的質(zhì)量和內(nèi)部缺陷；紅外成像技術(shù)，紅外變像管成像、紅外攝像管成像、電荷耦合器件（CCD）成像。第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用12.5.3紅外傳感器應(yīng)用

熱釋電紅外報警控制電路人體輻射紅外線波長大致為6～12μm，溫度36°～37°

人活動的頻率范圍一般在0.1～10Hz之間；熱釋電元件可檢測到10m距離，85°的水平視角范圍；傳感器將熱——電信號送運(yùn)放A放大，反饋電阻可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)；低通輸出一定幅值的直流信號驅(qū)動蜂鳴器告警。第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用報警12.5.3紅外傳感器應(yīng)用第12章溫度傳感器F′222hipp′111333

傳感器原理及應(yīng)用通過菲涅爾透鏡放大了，可對微小移動進(jìn)行檢測。12.5.3紅外傳感器應(yīng)用紅外報警電路第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用12.5.3紅外傳感器應(yīng)用紅外光束報警電路為防止防盜報警系統(tǒng)的誤報，監(jiān)控系統(tǒng)不僅嚴(yán)格場地要求，還需通過各種監(jiān)測方式、多方位進(jìn)行監(jiān)測。下圖中，通過兩只串聯(lián)的LED發(fā)射紅外光束，另外兩只并聯(lián)的紅外光敏器件接收紅外光束，兩只管子的間距是小于75mm，小于人體的肩厚度。每只光敏管可測到由兩只LED中任意一只發(fā)射的光信號，只有當(dāng)兩條光束同時被遮擋阻斷時接收器才觸發(fā)報警，也就是說只有大于75mm的物體遮擋時輸出報警信號，電路可防止蚊蟲、飛蛾導(dǎo)致的誤報。第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用12.5.3紅外傳感器應(yīng)用自動門由熱釋電紅外傳感器檢測是否有人出入，由單穩(wěn)態(tài)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。第12章溫度傳感器干手器由熱釋電紅外傳感器感應(yīng)的干手器自動門放大整形

傳感器原理及應(yīng)用12.5.3紅外傳感器應(yīng)用

紅外測溫紅外測溫是目前較先進(jìn)的測溫方法，特點(diǎn)有：1.遠(yuǎn)距離、非接觸測量，適應(yīng)于高速、帶電、高溫、高壓；2.反映速度快，不需要達(dá)到熱平衡過程，反映時間在μs量級；3.靈敏度高，輻射能與溫度T成正比；準(zhǔn)確度高，可達(dá)0.1℃內(nèi)；4.應(yīng)用范圍廣泛，0℃以下～上千度。第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用12.5.3紅外傳感器應(yīng)用

紅外測溫第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用12.5.3紅外傳感器應(yīng)用第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用甲型流感紅外測溫第12章溫度傳感器紅外測溫

傳感器原理及應(yīng)用熱電偶紅外測溫第12章溫度傳感器透鏡冷端紅外輻射電壓放大器熱電偶

傳感器原理及應(yīng)用12.5.3紅外傳感器應(yīng)用第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用12.5.3紅外傳感器應(yīng)用紅外攝像紅外探測制導(dǎo)空對空導(dǎo)彈第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用12.5.2紅外輻射應(yīng)用紅外測溫紅外報警監(jiān)視器第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用紅外線傳感器一氧化碳?xì)怏w檢測第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用

工業(yè)紅外熱像儀第12章溫度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用