傳感器：第七章熱電式傳感器課件

第七章熱電式傳感器熱電式傳感器是一種將溫度轉(zhuǎn)化為電量變化的裝置。最常見(jiàn)的是把溫度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)或電阻。其中將溫度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)的叫熱電偶，將溫度轉(zhuǎn)換為電阻變化的叫熱電阻。一、熱電效應(yīng)如圖，把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料A、B連接成閉合回路，將兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度為及的熱源中，則在該回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，表示為這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電勢(shì)由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)構(gòu)成。7.1熱電偶設(shè)兩種金屬的電子密度為和，接觸區(qū)的溫度為，則接觸電勢(shì)為上式不僅表示電勢(shì)的大小，同時(shí)反映了電勢(shì)降的方向，正方向?yàn)橛蠥金屬指向B金屬。（二）溫差電勢(shì)同一種金屬中，如果兩端溫度不同，在兩端間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溫差電勢(shì)。其原因是：溫度高的一端導(dǎo)體內(nèi)自由電子具有較大的動(dòng)能，向溫度低的一段擴(kuò)散，高溫端失去電子而帶正電，低溫端獲得電子帶負(fù)電。溫差電勢(shì)的大小可表示為式中為湯姆遜系數(shù)，表示單位溫差所產(chǎn)生的溫差電勢(shì)。與材料性質(zhì)與兩端溫度有關(guān)。（三）熱電偶回路熱電勢(shì)由A、B兩種導(dǎo)體組成的熱電偶閉合回路，當(dāng)溫度，時(shí)，閉合回路總的熱電勢(shì)為或者在金屬導(dǎo)體中自由電子數(shù)目很多，溫度對(duì)自由電子密度影響很小，所以在同一種金屬中，溫差電勢(shì)極小，可以忽略，于是有在實(shí)際使用中，通常使為常數(shù)，即于是回路熱電勢(shì)可表示為二、熱電偶基本定律（一）中間導(dǎo)體定律如圖所示的熱電偶中，回路總熱電勢(shì)為（忽略溫差電勢(shì)）由上式可得可見(jiàn)，在熱電偶中插入第三種金屬，如果插入金屬兩端溫度保持一致，則熱電偶的熱電勢(shì)不變。（二）標(biāo)準(zhǔn)電極定律當(dāng)接點(diǎn)溫度為和時(shí)，用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電勢(shì)等于A、C和C、B組成熱電偶熱電勢(shì)的代數(shù)和，即上式證明如下（忽略溫差電勢(shì)）。2007.10.18JGLX303->（三）連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律如圖，回路中總熱電勢(shì)（忽略溫差電勢(shì)）上式變形得如果三、常用熱電偶及結(jié)構(gòu)（一）常用熱電偶1.鉑銠-鉑熱電偶分度號(hào)為S。工作溫度1300?C，良好環(huán)境可到1600?C。復(fù)制精度和測(cè)量準(zhǔn)確性較高；缺點(diǎn)是熱電勢(shì)小、高溫時(shí)易受還原氣體和金屬蒸汽侵害編制、成本高。2.鎳鉻-鎳硅熱電偶分度號(hào)為K。工作溫度900?C，短時(shí)可到1200?C?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好、復(fù)制性好、熱電勢(shì)大、線性好、價(jià)格便宜；在還原介質(zhì)中易受腐蝕、精度偏低。3.鎳鉻-考銅熱電偶分度號(hào)為E。工作溫度600?C，短時(shí)可到800?C。適用于還原性和中性介質(zhì)。靈敏度高、價(jià)格便宜。測(cè)溫范圍窄、易受氧化、不易得到均勻線徑。4.鉑銠30-鉑銠6熱電偶分度號(hào)為B。工作溫度1600?C，短時(shí)可到1800?C。性能穩(wěn)定、精度高、適用于氧化或中性介質(zhì)。熱電勢(shì)小、價(jià)格高。B型熱電偶在低溫時(shí)熱電勢(shì)極小，因此在冷端40?C以下范圍內(nèi)對(duì)熱電勢(shì)可以不修正。5.銅-康銅熱電偶分度號(hào)為T。工作溫度-200~+200?C，多用于實(shí)驗(yàn)室。低溫穩(wěn)定性較好，低溫技術(shù)應(yīng)用較多。（二）熱電偶結(jié)構(gòu)1.熱電極熱電極的直徑由材料的價(jià)格、機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電率以及熱電偶的用途和測(cè)量范圍等決定。2.絕緣套管3.保護(hù)管4.接線盒（二）冷端溫度計(jì)算校正法在冷端溫度不能保持為0?C的情況下，可以測(cè)量出冷端的溫度，利用分度表和下式進(jìn)行校正。式中是在冷端溫度不為0?C的情況下，熱電偶的輸出電勢(shì)。是由分度表查得的熱電偶熱端為時(shí)熱電勢(shì)的值。（三）冰浴法利用冰水混合物，為0?C的特性，將熱電偶的冷端置于冰水混合物中。該法最符合理想情況，但使用不方便，由于冰要融化，因此要定時(shí)補(bǔ)充冰塊。（四）補(bǔ)償電橋法如圖，電橋四個(gè)橋臂中，有一個(gè)銅電阻，銅電阻溫度系數(shù)較大，阻值隨溫度改變而改變，因此電橋的輸出也隨之改變。作為溫度傳感器的鉑需要達(dá)到一定的純度，工業(yè)上通常用，即100?C與0?C的電阻值之比，來(lái)衡量鉑的純度。（二）銅電阻銅電阻與溫度近似呈線性關(guān)系。銅電阻溫度系數(shù)大，容易加工和提純，價(jià)格便宜；缺點(diǎn)是溫度超過(guò)100?C時(shí)易氧化，電阻率小。銅電阻的測(cè)溫范圍一般為-50~150?C，其電阻與溫度的關(guān)系為式中：二、熱電阻測(cè)溫電路（一）三線制為了避免導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量的影響，工業(yè)熱電阻大多采用三線制接法。如圖。當(dāng)電橋平衡時(shí)有于是取則式中右邊的項(xiàng)完全消去，這時(shí)對(duì)橋路平衡沒(méi)有影響。2006.10.30JC204->（二）四線制見(jiàn)圖。E為恒流源。由于電位差計(jì)的輸入阻抗很高，電位差計(jì)測(cè)得的電壓即是熱電阻兩端的電壓不受導(dǎo)線電阻影響，于是利用PN結(jié)的伏安特性與溫度的關(guān)系制成的一種固態(tài)傳感器。PN結(jié)伏安特性可用下式表示當(dāng)時(shí)，上式簡(jiǎn)化為則7.3集成溫度傳感器由上式可見(jiàn)，只要通過(guò)PN結(jié)的正向電流恒定，則PN結(jié)的正向壓降與溫度的關(guān)系只受反向飽和電流的影響。是溫度的緩變函數(shù)，通過(guò)選擇合適摻雜濃度，可使在某溫度范圍內(nèi)近似為常數(shù)。此時(shí)為了提高線性，實(shí)際使用中選用將NPN型三極管的bc結(jié)短接，利用be結(jié)作為感溫元件。參見(jiàn)后圖。采用兩支晶體管構(gòu)成溫度測(cè)量傳感器，使用兩支晶體管可以起到差分減小溫漂和調(diào)整輸出幅度的作用。一只晶體管的發(fā)射極密度可用下式表示通常，將上式化簡(jiǎn)、取對(duì)數(shù)后得通過(guò)控制工藝，使兩個(gè)晶體管滿足則兩晶體管的之差，即兩端的壓降為由上式可知正比于絕對(duì)溫度。這就是集成溫度傳感器的基本原理。集成溫度傳感器分為模擬式和數(shù)字式兩類。模擬式有電壓型和電流型兩種。電壓型的溫度系數(shù)約為10mV/?C。電流型的溫度系數(shù)約為1μA/?C。集成電流型溫度傳感器AD590，原理圖參見(jiàn)后面。AD590實(shí)際使用時(shí)，作為理想恒流源考慮，通過(guò)串聯(lián)一精密電阻，將電流轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，由CPU處理。AD590輸出電流與絕對(duì)溫度成正比，與攝氏溫度的關(guān)系為式中：數(shù)字溫度傳感器DS18B20，內(nèi)部框圖如下。DS18B20數(shù)字溫度傳感器，內(nèi)部含有溫度傳感器電路、AD轉(zhuǎn)換電路、溫度報(bào)警電路、64位電子標(biāo)簽、1-wire總線控制器等部件。DS18B20可以同過(guò)電源引腳供電，也可以通過(guò)1-wire總線供電。

DS18B20通過(guò)1-wire總線與CPU連接如下圖。CPU接口必須為漏極開(kāi)路輸出（OD）或三態(tài)輸出。

1-wire總線通信初始化過(guò)程如下圖。1-wire總線發(fā)送接受時(shí)序圖，見(jiàn)下頁(yè)圖。

DS18B20輸出為二進(jìn)制定點(diǎn)數(shù)，低4位為小數(shù)部分。參見(jiàn)下表。2007.10.22JGLX303->熱敏電阻是一種用半導(dǎo)體材料制成的敏感元件。主要特點(diǎn)有：靈敏度高、體積小、使用方便。缺點(diǎn)是阻值與溫度呈非線性關(guān)系、元件穩(wěn)定性和互換性差。一、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)與材料（一）結(jié)構(gòu)如圖，熱敏電阻由熱敏探頭、引線、殼體等構(gòu)成。7.4熱敏電阻熱敏電阻常見(jiàn)結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。（二）材料最常見(jiàn)的熱敏電阻采用金屬氧化物半導(dǎo)體材料制成。通常將金屬氧化物燒制成半導(dǎo)體陶瓷。二、基本參數(shù)（一）標(biāo)稱電阻值

標(biāo)稱電阻是熱敏電阻在25?C時(shí)的阻值。標(biāo)稱阻值由熱敏電阻的材料和幾何尺寸決定。（二）材料常數(shù)材料常數(shù)是描述熱敏材料物理特性的一個(gè)常數(shù)。其大小取決于熱敏電阻材料的激活能，且（三）電阻溫度系數(shù)溫度變化1?C，電阻的相對(duì)變化率。（四）時(shí)間常數(shù)

時(shí)間常數(shù)為熱容量和耗散系數(shù)之比，即（五）耗散系數(shù)耗散系數(shù)是指熱敏電阻在與環(huán)境溫差為1?C時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)吸收或釋放的熱量。（六）最高工作溫度最高工作溫度是指熱敏電阻在規(guī)定技術(shù)條件下長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許的溫度。（七）額定功率

額定功率是熱敏電阻在規(guī)定的技術(shù)條件下長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許的輸入功率。在此條件下熱敏電阻自身的溫度不能超過(guò)。（八）測(cè)量功率在規(guī)定環(huán)境溫度下，電阻體由測(cè)量電流加熱而引起的電阻值變化不超過(guò)0.1%時(shí)所消耗的功率。三、主要特性（一）電阻-溫度特性

熱敏電阻分為負(fù)溫度特性和正溫度特性兩大類。常見(jiàn)的熱敏電阻電阻-溫度曲線見(jiàn)下圖。1.具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的電阻—溫度曲線負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻其電阻—溫度曲線如1所示，其經(jīng)驗(yàn)公式為為了方便使用，常取25?C為參考溫度，則上式可改寫為將前面經(jīng)驗(yàn)公式取對(duì)數(shù)得2.正溫度特性熱敏電阻的電阻—溫度特性正溫度系數(shù)熱敏電阻是利用正溫度系數(shù)材料在居里點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相變而引起導(dǎo)電率突變而取得的。正溫度系數(shù)熱敏電阻工作區(qū)在Tp1和TP2之間。T(?C)RT(Ω)正溫度系數(shù)熱敏電阻的工作溫度范圍由到之間存在溫度，對(duì)應(yīng)有較大的溫度系數(shù)。在工作溫度范圍內(nèi)，電阻—溫度經(jīng)驗(yàn)公式為對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)得由前面公式可得到正溫度系數(shù)熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)（二）熱敏電阻伏—安特性

伏—安特性表示加在熱敏電阻上的電壓和通過(guò)電阻的電流在熱敏電阻與周圍介質(zhì)熱平衡時(shí)的關(guān)系。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的伏—安特性

參見(jiàn)下圖。為了保護(hù)熱敏電阻，通常測(cè)量負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的伏—安特性時(shí)使用可調(diào)恒流源供電。Oa段為線性工作區(qū)域；ab端開(kāi)非線性變化；bc段為正負(fù)電阻過(guò)渡段；cd段為負(fù)阻值段。2.正溫度系數(shù)熱敏電阻的伏—安特性

參見(jiàn)下圖。測(cè)量正溫度系數(shù)熱敏電阻的伏—安特性通常采用可調(diào)恒壓源。Oa段為線性工作區(qū)域；ab端開(kāi)非線性變化；bc段為過(guò)渡段；cd段為負(fù)阻值段。四、熱敏電阻的測(cè)溫電路由于熱敏電阻的阻值與溫度為非線性關(guān)系，因此在要求溫度精確測(cè)量時(shí)，設(shè)計(jì)靈敏度高且具有非線性校正功能的測(cè)量電路。下面介紹多諧振蕩器溫度—頻率轉(zhuǎn)換電路。電路參見(jiàn)右圖。圖中R1，R2構(gòu)成放大器的正反饋，R、C組成RC充放電回路，R3為限流電阻。通常，所以反饋系數(shù)為設(shè)時(shí)，。假定振蕩周期為，在時(shí)間內(nèi)，C上的電壓將以指數(shù)規(guī)律由向方向變化，所以當(dāng)時(shí)，UC-FUOFUOUO-UOmaxUOmaxT/2Ttt所以于是振蕩頻率通過(guò)選擇電路參數(shù)使得于是用熱敏電阻取代電阻R，由于熱敏電阻阻值為比較上面兩式曲線的形狀是極為相似的。參見(jiàn)后圖。因此只要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整兩條曲線的位置（通過(guò)選擇C或RT）來(lái)實(shí)現(xiàn)，可使其在某一指定點(diǎn)相交。在相交點(diǎn)附近的一定范圍內(nèi)，兩條曲線接近，可以用頻率值代替溫度值。上面采用一點(diǎn)相交，標(biāo)定精度不高，為了提高精度通過(guò)與RT并、串聯(lián)電阻使兩條曲線在被測(cè)溫度范圍內(nèi)三點(diǎn)相交，如下圖，A、B、C三點(diǎn)。在A、B、C三點(diǎn)上有：A點(diǎn)：B點(diǎn)：C點(diǎn)：若T2恰好為溫度范圍中點(diǎn)，而Rm和Rn的選擇使得f2恰在f3和f1中間，即于是由前面方程組可求出滿足上面條件的電阻值和電容值，即上面公式中RT1，RT2，RT3為熱敏電阻在溫度為T1，T2，T3時(shí)的熱敏電阻值，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。f1，f2，f3對(duì)應(yīng)RT為RT1，RT2，RT3時(shí)電路的輸出頻率。由此可計(jì)算出Rm，Rn和C。實(shí)際電路參見(jiàn)下圖。五、熱敏電阻的應(yīng)用

熱敏電阻的應(yīng)用分為兩大類：一是作為檢測(cè)元件；二是作為功能元件。通常Oa段用作檢測(cè)，bc段可作為開(kāi)關(guān)，cd段用作低頻振蕩器、啟動(dòng)電阻、時(shí)間繼電器等。