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第8章熱電式傳感器第8章熱電式傳感器1熱電式傳感器是利用某些材料或元件的物理特性與溫度有關(guān)這一性質(zhì),將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電量的變化。溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱(chēng)為熱電阻傳感器;將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)變化的稱(chēng)為熱電偶傳感器。熱電式傳感器是利用某些材料或元件的物理特性與溫度有關(guān)這一性質(zhì)2第一節(jié)熱敏電阻式傳感器幾乎所有物質(zhì)的電阻率都隨其本身的溫度而變化,這一物理現(xiàn)象稱(chēng)為熱電阻效應(yīng)。利用這一原理制成的溫度敏感元件稱(chēng)為熱敏電阻(thermistor),一般采用導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料。第一節(jié)熱敏電阻式傳感器幾乎所有物質(zhì)的電阻率都隨其本身的3式中:R0—元件在T0時(shí)的電阻;
a—T0時(shí)的電阻溫度系數(shù);
RT—溫度為T(mén)時(shí)元件的電阻值。
大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻,都具有隨溫度變化的特性。
溫度系數(shù)a表征電阻的阻值隨溫度變化的程度。金屬的溫度系數(shù)為正,即阻值隨溫度的升高而增加。單晶半導(dǎo)體的a也是正的,但隨摻雜的增加而減小。陶瓷半導(dǎo)體(熱敏電阻)的a為負(fù),且非線性較大。式中:R0—元件在T0時(shí)的電阻;
大多4一、金屬熱電阻
對(duì)用于制造熱電阻材料的要求:具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率
R-t關(guān)系最好成線性物理化學(xué)性能穩(wěn)定容易加工、價(jià)格盡量便宜等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。
純金屬是熱電阻的主要材料,是利用金屬的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。(一)金屬熱電阻工作原理一、金屬熱電阻對(duì)用于制造熱電阻材料的5鉑電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可以近似用下式表示:在0~660℃溫度范圍內(nèi)
在-200~0℃溫度范圍內(nèi)
式中
R0、Rt——分別為0℃和t℃的電阻值;
A——常數(shù)(3.963×10-3/℃);
B——常數(shù)(-5.86×10-7/℃2);
C——常數(shù)(-4.22×10-12/℃4)。
鉑電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可以近似用下式表示:6銅在-50~150℃范圍內(nèi)銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定,輸出-輸入特性接近線性,價(jià)格低廉。銅電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可近似表示為:
式中
A——常量(4.289×10-3/℃);
B——常量(-2.133×10-7/℃2);
C——常量(1.233×10-9/℃3)。當(dāng)溫度高于100℃時(shí)易被氧化,因此適用于溫度較低和沒(méi)有浸蝕性的介質(zhì)中工作。銅在-50~150℃范圍內(nèi)銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)7熱電阻的作用原理1.感溫元件2.鉑絲3.骨架4.引出線5.顯示儀表
熱電阻實(shí)物圖
熱電阻的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,一般將電阻絲繞在云母、石英、陶瓷、塑料等絕緣骨架上,經(jīng)過(guò)固定,外面再加上保護(hù)套管。熱電阻的作用原理,感溫元件1是以直徑為0.03~0.07mm的純鉑絲2繞在有鋸齒的云母骨架3上,再用兩根直徑約為0.5~1.4mm的銀導(dǎo)線作為引出線4引出,與顯示儀表5連接。當(dāng)感溫元件上鉑絲的溫度變化時(shí),感溫元件的電阻值隨溫度而變化,并呈一定的函數(shù)關(guān)系。
熱電阻的作用原理熱電阻實(shí)物圖熱電阻的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,一般將電8當(dāng)外界條件改變時(shí),傳感器的阻值RT會(huì)有相應(yīng)的變化,這時(shí)電橋平衡破壞,橋路兩端的電壓Vs也隨之而變,由于Vs能反映出橋臂電阻的微小變化,因此通過(guò)測(cè)量輸出電壓即可以檢測(cè)外界條件的變化。(二)金屬熱電阻測(cè)量與接口電路當(dāng)外界條件改變時(shí),傳感器的阻值RT會(huì)有相應(yīng)的變化,9
當(dāng)溫度處于測(cè)量下限時(shí),Rt=Rtmin,調(diào)節(jié)e2使電橋平衡,ΔU=0,即當(dāng)溫度處于測(cè)量下限時(shí),Rt=Rtmin,調(diào)節(jié)e2使電橋平10當(dāng)溫度上升,Rt=Rtmin+ΔRt
,橋路失去平衡,有當(dāng)溫度上升,Rt=Rtmin+ΔRt,橋路失去平衡,有11
12
因?yàn)閞1、r2相等又接在相鄰橋臂上,導(dǎo)線的電阻變化不影響電橋平衡。因?yàn)閞1、r2相等又接在相鄰橋臂上,導(dǎo)線的電阻變化不影響13半導(dǎo)體熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的溫度傳感器。按物理特性,可分為三類(lèi):(1)負(fù)溫度系數(shù)(NTC)具有很高的負(fù)電阻溫度系數(shù),特別適用于-100~300℃之間測(cè)溫。在點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、溫場(chǎng)等測(cè)量中得到日益廣泛的應(yīng)用,同時(shí)也廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)控制及電子線路的熱補(bǔ)償線路中。(2)正溫度系數(shù)(PTC);主要采用BaTiO3系列的材料,當(dāng)溫度超過(guò)某一數(shù)值時(shí),其電阻值朝正的方向快速變化。其用途主要是彩電消磁,各種電器設(shè)備的過(guò)熱保護(hù),發(fā)熱源的定溫控制也可以作為限流元件使用。(3)臨界溫度系數(shù)(CTR)。該類(lèi)電阻器的電阻值在某個(gè)溫度值上電阻值急劇變化,其用途主要用作溫度開(kāi)關(guān)。其主要材料是VO2并添加一些金屬氧化物。
二、半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的溫度傳感器。按物理14(一)NTC型半導(dǎo)體熱敏電阻的主要特性NTC型熱敏電阻,在一定的溫度范圍內(nèi)(在低于450℃)時(shí),有經(jīng)驗(yàn)公式:式中1.電阻-溫度特性RT、RT0——溫度為T(mén)、T0(絕對(duì)溫度)時(shí)熱敏電阻器的電阻值。B——熱敏電阻的材料系數(shù)。(一)NTC型半導(dǎo)體熱敏電阻的主要特性NTC型熱敏電阻,在一15若已知?jiǎng)t可計(jì)算:NTC電阻溫度系數(shù)負(fù)電阻溫度系數(shù)若已知?jiǎng)t可計(jì)算:NTC電阻溫度系數(shù)負(fù)電阻溫度系數(shù)16當(dāng)流過(guò)熱敏電阻的電流很小時(shí),不足以使之加熱。電阻值只決定于環(huán)境溫度,伏安特性是直線,遵循歐姆定律,主要用來(lái)測(cè)溫。在大電流時(shí),由于耗散功率的增加,使熱敏電阻溫度高于環(huán)境溫度。同時(shí)由于其溫度系數(shù)為負(fù)值,故其增量電阻減小。最后,當(dāng)電流足夠大時(shí),增量電阻下降到零(翻轉(zhuǎn)點(diǎn)),然后變?yōu)樨?fù)。2.伏安特性當(dāng)流過(guò)熱敏電阻的電流很小時(shí),不足以使之加熱。電阻值只決定于環(huán)17熱敏電阻的結(jié)構(gòu)熱敏電阻是由一些金屬氧化物,如鈷(Co)、錳(Mn)、鎳(Ni)等的氧化物采用不同比例配方,高溫?zé)Y(jié)而成。其形狀有珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等。(b)片狀(c)桿狀(d)墊圈狀圖6-21熱敏電阻的結(jié)構(gòu)類(lèi)型(a)珠狀玻璃殼熱敏電阻引線熱敏電阻的結(jié)構(gòu)熱敏電阻是由一些金屬氧化物,如鈷(Co)、錳(18(三)半導(dǎo)體熱敏電阻的線性化與測(cè)量電路1.半導(dǎo)體熱敏電阻的線性化熱敏電阻靈敏度高,適合測(cè)量微弱溫度變動(dòng);但是,其電阻值隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律,其非線性嚴(yán)重,當(dāng)所需的溫度量程較大時(shí),電阻一溫度特性的固有非線性是比較麻煩的。所以,實(shí)際使用時(shí)要對(duì)其進(jìn)行線性化處理。具體的方法是采用溫度系數(shù)很小的電阻與熱敏電阻串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)(常稱(chēng)為線性化網(wǎng)絡(luò))代替單個(gè)熱敏電阻,使等效電阻與溫度的關(guān)系在一定的溫度范圍內(nèi)是線性的。
(三)半導(dǎo)體熱敏電阻的線性化與測(cè)量電路1.半導(dǎo)體熱敏電阻的線19熱敏電阻的電壓為溫度指示熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的線形化處理熱敏電阻的電壓為溫度指示熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的線形化處理20第8章-熱電式傳感器ppt課件21經(jīng)線性化后在測(cè)溫范圍的中間溫度點(diǎn)處并聯(lián)和串聯(lián)的溫度系數(shù)分別為其溫度系數(shù)的絕對(duì)值有所下降,因此,線性化后的不利后果是溫度系數(shù)減少。經(jīng)線性化后在測(cè)溫范圍的中間溫度點(diǎn)處并聯(lián)和串聯(lián)的溫度系數(shù)分別為22一、熱電效應(yīng)(溫差電現(xiàn)象)第二節(jié)熱電偶式傳感器兩種不同導(dǎo)體A和B組成閉合回路,如果兩結(jié)點(diǎn)的溫度不同,在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),有電流流過(guò)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。這兩種導(dǎo)體的組合稱(chēng)為熱電偶,如圖所示。T與T0的溫差越大,熱電偶的輸出電動(dòng)勢(shì)就越大,因此,可用熱電動(dòng)勢(shì)衡量溫度的大小。熱電偶原理圖TT0AB回路中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì),叫熱電勢(shì)。熱電勢(shì)由兩部分組成,即溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。一、熱電效應(yīng)(溫差電現(xiàn)象)第二節(jié)熱電偶式傳感器兩種不同231.接觸電勢(shì)eAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì);e——單位電荷,e=1.6×10-19C;
k——波爾茲曼常數(shù),k=1.38×10-23J/K
;NA、NB
——導(dǎo)體A、B在溫度為T(mén)時(shí)的電子密度。接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。是由于不同金屬的自由電子密度不同,接觸時(shí)結(jié)點(diǎn)處發(fā)生電子擴(kuò)散造成的,當(dāng)觸點(diǎn)處電子擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的接觸電勢(shì)。1.接觸電勢(shì)eAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形24AeA(T,T0)——導(dǎo)體A兩端溫度為T(mén)、T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì);T,T0——高低端的絕對(duì)溫度;σA——湯姆遜系數(shù),表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì),例如在0℃時(shí),銅的σ=2μV/℃。2.溫差電勢(shì)對(duì)于單一金屬A,如果兩端溫度不同,則在兩端也會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。其形成原因是導(dǎo)體高溫端的自由電子具有較大動(dòng)能,向低溫端擴(kuò)散。高溫端失去電子帶正電,低溫端獲得電子帶負(fù)電,其電位差為:AeA(T,T0)——導(dǎo)體A兩端溫度為T(mén)、T0時(shí)形成的溫差電25由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路,其接點(diǎn)溫度分別為T(mén)、T0,如果T>T0,則必存在著兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì),回路總電勢(shì):T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路總電勢(shì)NA、NB——導(dǎo)體A和導(dǎo)體B的電子密度;σA
、σB——導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)。由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路,其接點(diǎn)溫度分別為T(mén)、T0,如26溫差電現(xiàn)象由兩種相互獨(dú)立的效應(yīng)組成。第一種效應(yīng)是珀耳帖發(fā)現(xiàn)的,它是由于兩種不同的金屬相接觸和接點(diǎn)溫度所產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì),稱(chēng)為接觸電勢(shì)。它與溫度和兩金屬的電子密度有關(guān)。凈的珀耳帖電動(dòng)勢(shì)近似地與兩接點(diǎn)的溫度差成正比。第二種效應(yīng)是沿著導(dǎo)體的溫度梯度所產(chǎn)生的,稱(chēng)為湯姆遜效應(yīng)。由此產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)(稱(chēng)為湯姆遜電動(dòng)勢(shì))與導(dǎo)體兩端的溫度T和T0的平方差成正比。溫差電現(xiàn)象由兩種相互獨(dú)立的效應(yīng)組成。第一種效應(yīng)是珀耳帖發(fā)現(xiàn)的27導(dǎo)體材料確定后,熱電勢(shì)的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使EAB(T0)=常數(shù),則回路熱電勢(shì)EAB(T,T0)就只與溫度T有關(guān),而且是T的單值函數(shù),這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時(shí)才能有熱電勢(shì)產(chǎn)生。熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān);與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)無(wú)關(guān)。只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶;相同材料不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。導(dǎo)體材料確定后,熱電勢(shì)的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使28
二、熱電偶的基本定則1.均質(zhì)回路定律由相同成分材料的熱電極組成回路,若只受到溫度的作用,不論導(dǎo)體的截面、長(zhǎng)度,以及各處的溫度分布如何,都不產(chǎn)生熱電勢(shì)。1、如果熱電偶的兩根熱電極是由均質(zhì)導(dǎo)體組成,那么,熱電偶的熱電勢(shì)僅與兩端溫度有關(guān),而與熱電極的溫度分布無(wú)關(guān)。2、用于檢驗(yàn)兩根熱電極A,A’材料成分是否相同。作用:二、熱電偶的基本定則1.均質(zhì)回路定律由相同成分材料的熱電29根據(jù)這個(gè)定律,可將第三種導(dǎo)體換成測(cè)試儀或連接導(dǎo)線。只要保持兩結(jié)點(diǎn)溫度相同,就可以對(duì)熱電勢(shì)進(jìn)行測(cè)量。2、中間金屬定則
將A、B構(gòu)成的熱電偶的T0端斷開(kāi),接入第三種導(dǎo)體C,只要保持第三導(dǎo)體兩端溫度相同,接入導(dǎo)體C后對(duì)回路總電動(dòng)勢(shì)無(wú)影響。ABCCT0T0作用:根據(jù)這個(gè)定律,可將第三種導(dǎo)體換成測(cè)試儀或連接導(dǎo)線。只303、中間溫度定則
在熱電偶回路中,兩接點(diǎn)溫度為T(mén)、T0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì),等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為T(mén)、Ta和Ta、T0時(shí)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線法就是這個(gè)定律的實(shí)際應(yīng)用。作用:3、中間溫度定則在熱電偶回路中,兩接點(diǎn)溫度為T(mén)、T031證明:(中間溫度定則證明)證明:(中間溫度定則證明)32由三種不同材料的熱電極A、B、C各自組成的三對(duì)熱電偶回路,如果熱電極A和B分別與C組成的熱電偶回路所產(chǎn)生的熱電勢(shì)已知,則熱電極A和B組成的熱電偶回路的熱電勢(shì)為A
A
TTT=-BBCCT0T0T0
若已知各種金屬對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電極的熱電勢(shì),即可方便地求出各種金屬搭配成熱電偶時(shí)的熱電勢(shì)。作用:4、組成定則由三種不同材料的熱電極A、B、C各自組成的三對(duì)熱電偶33證明:(標(biāo)準(zhǔn)熱電極定律證明)證明:(標(biāo)準(zhǔn)熱電極定律證明)34
三、熱電偶的種類(lèi)任意兩種導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)都可以配制成熱電偶作為測(cè)溫的元件,但實(shí)用中總是希望配制成的熱電偶的熱電勢(shì)較大、熱電勢(shì)與被測(cè)溫度之間盡量地呈線性單值關(guān)系,且測(cè)溫的范圍較寬。①熱電動(dòng)勢(shì)大,測(cè)溫范圍寬,線性好。②化學(xué)、物理性能穩(wěn)定,不易氧化、變形及腐蝕。③電阻溫度系數(shù)α小,電阻率ρ小。④易加工,易復(fù)制,工藝性和互換性好。2、熱電極材料類(lèi)型(1)一般金屬:鎳鉻-鎳硅,銅-康銅,鎳鉻-鎳鋁等;(2)貴金屬:鉑銠-鉑1、對(duì)熱電偶材料的要求(3)結(jié)構(gòu)形式:普通熱電偶,鎧裝熱電偶等三、熱電偶的種類(lèi)任意兩種導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)都可以配制成熱電偶35方法冰浴法補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)正系數(shù)修正法補(bǔ)償電橋法原因熱電偶熱電勢(shì)的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差,為保證輸出熱電勢(shì)是被測(cè)溫度的單值函數(shù),必須使冷端溫度保持恒定;
四、熱電偶的冷端補(bǔ)償方法原因四、熱電偶的冷端補(bǔ)償36mVABT銅導(dǎo)線銅導(dǎo)線試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冰點(diǎn)槽冰水溶液T0儀表補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里,使T0=0℃。這種辦法僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路,必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里,浸入同一冰點(diǎn)槽,使相互絕緣。1、冰浴法mVABT銅導(dǎo)線銅導(dǎo)線試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冰點(diǎn)槽冰水溶液T0儀372、補(bǔ)償導(dǎo)線法在實(shí)際測(cè)溫時(shí),需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表。熱電偶一般做得較短,需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來(lái)。工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線,它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬導(dǎo)線制成,而且在0~100℃溫度范圍內(nèi),要求使用的補(bǔ)償導(dǎo)線的冷端熱電特性和熱電偶冷端的熱電特性相同。2、補(bǔ)償導(dǎo)線法在實(shí)際測(cè)溫時(shí),需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳383、補(bǔ)正系數(shù)修正法:實(shí)際使用時(shí):①指示值②查表(修正系數(shù))④實(shí)際溫度③實(shí)際冷端溫度(室溫)例:用鎳鉻-康銅熱電偶測(cè)得未修正的介質(zhì)溫度為600℃,此時(shí)冷端溫度Tn=30℃,查表得k=0.78,則實(shí)際溫度為
3、補(bǔ)正系數(shù)修正法:實(shí)際使用時(shí):①指示值②查表(修正系數(shù))④394、補(bǔ)償電橋法:補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電動(dòng)勢(shì)變化值。熱電偶的冷端與電橋電阻R1、R2、R3、RT處于同一環(huán)境溫度中,RT是由溫度系數(shù)較大的銅絲繞制而成的。設(shè)電橋在0℃時(shí)處于平衡,此時(shí),橋路輸出電壓Ubd=0,電橋無(wú)補(bǔ)償作用。假設(shè)環(huán)境溫度升高,熱電偶的冷端溫度也隨之升高,此時(shí),熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)就有所降低。由于Rcu與冷端處于同一環(huán)境溫度中,使Ubd增大,對(duì)熱電勢(shì)的減小起到補(bǔ)償作用。4、補(bǔ)償電橋法:補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來(lái)40第8章-熱電式傳感器ppt課件41第三節(jié)晶體管與集成溫度傳感器利用PN結(jié)的伏安特性與溫度有關(guān)這一特性實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)、控制和補(bǔ)償?shù)裙δ?。?jīng)典的PN結(jié)溫度傳感器有二極管溫度傳感器、三極管溫度傳感器和集成溫度傳感器。這種傳感器的測(cè)溫范圍為-50℃至150℃,與其他的溫度傳感器相比有較好的線性度,且尺寸小、響應(yīng)快、靈敏度高、熱時(shí)間常數(shù)小,因此用途較廣。第三節(jié)晶體管與集成溫度傳感器利用PN結(jié)的伏安特性與溫度有關(guān)42一、晶體管溫度傳感器由二極管的伏安特性曲線知,當(dāng)流過(guò)二極管的電流IF恒定時(shí),隨著溫度的升高,二極管兩端的電壓近似線性地降低。溫度T每升高1℃,電壓VF降低約2mV。
工作于恒流源情況下的Ge、Si二極管溫度特性只要滿(mǎn)足正向電壓UF大于幾個(gè)kT/q,其正向電流IF與UF及溫度T之間的關(guān)系可表示為:一、晶體管溫度傳感器由二極管的伏安特性曲線知,當(dāng)流過(guò)二極管的43兩邊除以Is
,取對(duì)數(shù)得:所以?xún)蛇叧訧s,取對(duì)數(shù)得:所以44從上式可見(jiàn)只要通過(guò)PN結(jié)上的正向電流IF恒定,則PN結(jié)的正向壓降VF是溫度的緩變函數(shù),在一定電流下,二極管正向電壓隨溫度的升高而降低,呈負(fù)溫度系數(shù)。只要選擇合適的摻雜濃度,就可認(rèn)為在不太寬的溫度范圍內(nèi)近似常數(shù),因此,正向壓降VF與溫度T成線性關(guān)系。這就是PN結(jié)溫度傳感器的基本原理。lnT是溫度的緩變函數(shù),其變化對(duì)于T的變化來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì),可近似認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)。從上式可見(jiàn)只要通過(guò)PN結(jié)上的正向電流IF恒定,則PN結(jié)的正向45二極管作為溫度傳感器雖然工藝簡(jiǎn)單,但線性差,為擴(kuò)大VF與T的線性關(guān)系范圍,可采用特性相同的差分對(duì)管,如果一個(gè)二極管的工作電流為IF1,而另一個(gè)二極管的工作電流為IF2,則兩只二極管的電位差為:
二極管作為溫度傳感器雖然工藝簡(jiǎn)單,但線性差,為擴(kuò)大VF與T的46式中α—與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù),但與結(jié)面積和基區(qū)寬度有關(guān);
γ——常數(shù),取決于基區(qū)中少數(shù)載流子遷移率對(duì)溫度的依賴(lài)性,其值一般在3~5之間;
Eg0——絕對(duì)溫度時(shí)硅的外推禁帶寬度,常取1.205eV。式中,Vg0=Eg0/q,如果Ic為常數(shù),則VBE僅隨溫度單調(diào)和單值變化。在恒流工作狀態(tài)下,VBE與T的關(guān)系只是近似線性;在寬溫度范圍和高精度測(cè)溫時(shí),必須進(jìn)行線性化補(bǔ)償,常用的方法如差分對(duì)管法。
式中α—與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù),但與結(jié)面積和基區(qū)寬度有關(guān);式中,V47基本測(cè)溫電路溫敏晶體管作為負(fù)反饋元件跨接在運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端,基極接地。如此連接的目的是使發(fā)射結(jié)為正偏。而集電結(jié)幾乎為零偏。C虛地RVA+-VccRCUbe
溫敏晶體管測(cè)溫電路集電極電流只要Vcc不變,則Ic恒定,從而保證三極管工作在恒流狀態(tài)?;緶y(cè)溫電路C虛地RVA+-VccRCUbe溫敏晶體管測(cè)溫48式中n——Q1和Q2三極管發(fā)射板的面積比;k——波爾茲曼常數(shù);T——被測(cè)溫度;q——電子電荷。集成電路溫度傳感器的感溫元件采用差分對(duì)晶體三極管,它產(chǎn)生與絕對(duì)溫度成正比的電壓和電流,這部分常稱(chēng)為PTAT。
式中n——Q1和Q2三極管發(fā)射板的面積比;集成電路溫度傳49
集成溫度傳感器按輸出類(lèi)型可分為模擬輸出型、數(shù)字輸出型和開(kāi)關(guān)輸出型。(一)模擬輸出型溫度傳感器又可分為電壓型和電流型,典型的電流型集成溫度傳感器為AD590。(二)數(shù)字輸出型溫度傳感器一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20。集成溫度傳感器按輸出類(lèi)型可分為模擬輸出型、數(shù)字輸出型和開(kāi)關(guān)50第8章-熱電式傳感器ppt課件51穩(wěn)壓管D2鉗制了由電源提供的電流電壓,經(jīng)可調(diào)電阻R7調(diào)節(jié)后,保持VP=2.73V。穩(wěn)壓管D1的作用是使AD590在穩(wěn)定的工作電壓范圍下工作。調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R3為10kΩ,由穩(wěn)壓管D1穩(wěn)壓后,用以保證A點(diǎn)電壓。適當(dāng)?shù)馗淖僐8以及R9的電阻值可以改變輸出電壓的放大倍數(shù)。根據(jù)AD590特性可知,流過(guò)器件的電流與溫度關(guān)系為:實(shí)驗(yàn)中輸出電流是以絕對(duì)溫度零度(-273℃)為基準(zhǔn)。因此,圖2中A點(diǎn)的電壓值為:VA=I0×R=(273+T)uA×10kΩ(T為被測(cè)溫度的攝氏表示值)輸出電壓為:穩(wěn)壓管D2鉗制了由電源提供的電流電壓,經(jīng)可調(diào)電阻R7調(diào)節(jié)后,52美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS1820,可把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列號(hào),所以在一條總線上可掛接任意多個(gè)DS1820芯片。從DS1820讀出的信息或?qū)懭隓S1820的信息,僅需要一根口線(單總線接口)。DS1820引腳及功能
GND:地;
VDD:電源電壓
I/O:數(shù)據(jù)輸入/輸出腳美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS1820,53DS1820的特性
采用單總線專(zhuān)用技術(shù),既可通過(guò)串行口線,也可通過(guò)其它I/O口線與微機(jī)接口,無(wú)須經(jīng)過(guò)其它變換電路,直接輸出被測(cè)溫度值(9位二進(jìn)制數(shù),含符號(hào)位)
測(cè)溫范圍為-55℃~125℃,精度為0.5℃;
A/D變換時(shí)間為200ms;
用戶(hù)可以任意設(shè)置溫度上、下限報(bào)警值,且能夠識(shí)別具體報(bào)警傳感器。
DS1820的特性54溫度檢測(cè)系統(tǒng)原理由于單線數(shù)字溫度傳感器DS1820具有在一條總線上可同時(shí)掛接多片的顯著特點(diǎn),可同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)的溫度,而且DS1820的連接線可以很長(zhǎng),抗干擾能力強(qiáng),便于遠(yuǎn)距離測(cè)量,因而得到了廣泛應(yīng)用。采用寄生電容供電的溫度檢測(cè)系統(tǒng)
89C51DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2TxRx+5VGNDVDDP1.1作輸出口用,相當(dāng)于TxP1.2作輸入口用,相當(dāng)于Rx……溫度檢測(cè)系統(tǒng)原理采用寄生電容供電的溫度檢測(cè)系統(tǒng)
DS182055一、石英晶體溫度傳感器及測(cè)溫技術(shù)工作原理
利用石英晶體的固有振蕩頻率隨溫度變化的特性,把溫度轉(zhuǎn)換成頻率。諧振頻率的溫度特性方程:
第四節(jié)其他類(lèi)型的溫度傳感器一、石英晶體溫度傳感器及測(cè)溫技術(shù)工作原理56第8章-熱電式傳感器ppt課件57熱輻射測(cè)溫方法就是基于物體的熱輻射能量隨其溫度的變化而變化的特性來(lái)檢測(cè)其溫度的,是一種非接觸式的測(cè)溫方法。自然界中的一切物體,只要它的溫度高于絕對(duì)溫度(-273℃)就存在分子和原子無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng),其表面就不斷地發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此,通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量,便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度,這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。熱輻射測(cè)溫方法就是基于物體的熱輻射能量隨其溫度的變化而變化的58二、熱釋電傳感器
熱釋電效應(yīng)——某些晶體在溫度變化時(shí)會(huì)發(fā)生電極化。加熱和冷卻時(shí)產(chǎn)生的電荷變化相反。其電荷密度等于自發(fā)極化強(qiáng)度PS。
(1)熱釋電探測(cè)器工作原理
靜態(tài)條件下,即熱幅射恒定,測(cè)不出PS(∵產(chǎn)生的電荷被中和)動(dòng)態(tài)條件下,熱幅射按一定頻率變化,能測(cè)出PS(∵產(chǎn)生的電荷來(lái)不及被中和)二、熱釋電傳感器59可見(jiàn):熱釋電材料的輸出電信號(hào)只與材料的溫度變化率有關(guān),與溫度本身無(wú)關(guān)。就是說(shuō)熱釋電探測(cè)器只能探測(cè)到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)或溫度不斷變化的目標(biāo),對(duì)靜物,則需要對(duì)入射輻射進(jìn)行調(diào)制。可見(jiàn):熱釋電材料的輸出電信號(hào)只與材料的溫度變化率有關(guān),與溫度60溫度是人體最緊密的可以控制的變量之
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