《熱電式傳感器》課件

熱電式傳感器第一節(jié)熱敏電阻式傳感器第二節(jié)金屬熱電偶傳感器熱電式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)，將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電量的變化幾乎所有物質(zhì)的電阻率都隨其本身的溫度的變化而變化，這一物理現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)利用熱電阻效應(yīng)制成的溫度敏感元件稱為熱敏電阻

第一節(jié)熱敏電阻式傳感器1.1金屬熱電阻純金屬是熱電阻的主要材料，雖然大多數(shù)金屬都有一定的溫度系數(shù)，但是作為測(cè)溫元件的材料必須具有良好的線性、穩(wěn)定性和較高的電阻率常用的金屬熱電阻材料為鉑和銅

1.1金屬熱電阻在一定的溫度范圍內(nèi)，大多數(shù)金屬的電阻率幾乎與溫度成正比

1.1金屬熱電阻鉑電阻的電阻－溫度關(guān)系1.1金屬熱電阻銅電阻的電阻－溫度關(guān)系1.1金屬熱電阻金屬熱電阻的測(cè)溫電路是橋式測(cè)量電路誤差來源

引線電阻各觸點(diǎn)上的熱電動(dòng)勢(shì)電流流過電阻元件產(chǎn)生的自熱效應(yīng)1.1金屬熱電阻兩線制接法R1R2R3ERtGR4r2r1r3三線制接法1.2半導(dǎo)體熱敏電阻采用半導(dǎo)體材料制作的熱電阻負(fù)溫度系數(shù)型（NTC）：是由某些金屬氧化物的混合物高溫?zé)Y(jié)而成，-3％～-5％/?C；正溫度系數(shù)型（PTC）：由鈦酸鋇和鈦酸鍶的混合物高溫?zé)Y(jié)而成，10％～60％/?C臨界溫度系數(shù)型（CTR）1.2半導(dǎo)體熱敏電阻對(duì)于NTC型熱敏電阻，在不太寬的溫度范圍內(nèi)(低于450?C)1.2半導(dǎo)體熱敏電阻材料系數(shù)B半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)1.2.1電阻-溫度特性電阻－溫度特性曲線1081021041060電阻（Ω）NTCCTRPTC40801201601801.2.2伏安特性伏安特性

線性段

非線性正阻區(qū)

負(fù)阻區(qū)1.2.3半導(dǎo)體熱敏電阻的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體熱敏電阻的結(jié)構(gòu)1.2.4熱敏電阻的線性化線性化 在線性讀數(shù)的溫度計(jì)設(shè)計(jì)中，當(dāng)所需要的溫度量程較大時(shí)，電阻－溫度特性的固有非線性嚴(yán)重影響了測(cè)溫精度線性化方法恒流源供電，并聯(lián)電阻恒壓源供電，串聯(lián)電阻1.2半導(dǎo)體熱敏電阻恒流源供電，并聯(lián)電阻將測(cè)溫范圍中點(diǎn)設(shè)置在拐點(diǎn)對(duì)上式求二階導(dǎo)數(shù)并令其等于零1.2半導(dǎo)體熱敏電阻恒壓源供電，串聯(lián)電阻同理可得串聯(lián)電阻1.5熱敏電阻測(cè)溫電路1.6熱敏電阻在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中的應(yīng)用交流溫差電橋第二節(jié)金屬熱電偶傳感器1821年，德國物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當(dāng)兩金屬接觸處的溫度不同時(shí)，在回路中會(huì)產(chǎn)生電流，這就是熱電效應(yīng)，也稱作“塞貝克效應(yīng)（Seebeckeffect）”2.1工作原理熱電偶熱電極熱端（工作端）冷端（自由端）熱電勢(shì)EAB(T,T0)接觸電勢(shì)溫差電勢(shì)接觸電動(dòng)勢(shì)若金屬A的自由電子濃度大于金屬B的，則在同一瞬間由A擴(kuò)散到B的電子將比由B擴(kuò)散到A的電子多，因而A對(duì)于B因失去電子而帶正電，B獲得電子而帶負(fù)電，在接觸處便產(chǎn)生電場(chǎng)。A、B之間便產(chǎn)生了一定的接觸電動(dòng)勢(shì)。接觸電動(dòng)勢(shì)的大小與兩種金屬的材料、接點(diǎn)的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的直徑、長(zhǎng)度及幾何形狀無關(guān)。溫差電動(dòng)勢(shì)對(duì)于任何一種金屬，當(dāng)其兩端溫度不同時(shí)，兩端的自由電子濃度也不同。溫度高的一端濃度大，具有較大的動(dòng)能；溫度低的一端濃度小，動(dòng)能也小。因此高溫端的自由電子要向低溫端擴(kuò)散，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端得到電子而帶負(fù)電，形成溫差電動(dòng)勢(shì)，又稱湯姆森電動(dòng)勢(shì)。溫差電動(dòng)勢(shì)的大小取決于導(dǎo)體的材料及兩端的溫度。熱電偶的總電動(dòng)勢(shì)回路中所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)由兩部分組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)eB(T,T0)ABTT0-eA(T,T0)eAB(T)eAB(T0)熱電偶的總電動(dòng)勢(shì)eB(T,T0)ABTT0-eA(T,T0)eAB(T)eAB(T0)熱電偶的總電動(dòng)勢(shì)由于在金屬中自由電子數(shù)目很多，溫度對(duì)自由電子密度的影響很小，故溫差電動(dòng)勢(shì)可以忽略不計(jì)，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動(dòng)勢(shì)。NAT和NAT0可記做NA，NBT和NBT0可記做NB

，則有逆向賽貝克效應(yīng)電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級(jí)，當(dāng)它從高能級(jí)向低能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，便釋放出多余的能量；相反，從低能級(jí)向高能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出

熱電偶的基本性質(zhì)熱電偶回路的熱電動(dòng)勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端接點(diǎn)的溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)、形狀無關(guān)只有用不同性質(zhì)的材料才能組合成熱電偶，相同材料不會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。因?yàn)楫?dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)， ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0熱電偶的基本性質(zhì)只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同時(shí)，不同材料組成的熱電偶才能有熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生；當(dāng)熱電偶兩端溫度相同時(shí)，不同材料組成的熱電偶也不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，即EAB（T，T0）=0。導(dǎo)體材料確定后，熱電動(dòng)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)，則回路熱電動(dòng)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)溫的基本原理熱電偶的基本性質(zhì)對(duì)于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，若各接點(diǎn)溫度分別為T1、T2……TN

，閉合回路總的熱電動(dòng)勢(shì)為：2.1.2熱電偶的基本定則均質(zhì)回路定則 如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極材料相同，無論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電動(dòng)勢(shì)均為零；反之，如果有熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，兩個(gè)熱電極的材料則一定是不同的2.1.2熱電偶的基本定則中間金屬定則： 在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變T0T0BTACT1CT0T1TAB2.1.2熱電偶的基本定則標(biāo)準(zhǔn)電極定則 如果兩導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也可知T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC2.1.2熱電偶的基本定則例1.熱端為100℃、冷端為0℃時(shí)，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為-4.0mV，求鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)？2.1.2熱電偶的基本定則中間溫度定則 熱電偶在兩接點(diǎn)溫度分別為T1和T3時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度分別為T1和T2和接點(diǎn)溫度分別為T2和T3時(shí)相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和BBAT2T1

T3

AAB2.1.2熱電偶的基本定則中間溫度定則說明只要A、B組成的熱電偶在冷端溫度為零時(shí)的“熱電動(dòng)勢(shì)—溫度”關(guān)系已知，則它在冷端溫度不為零時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)即可知

例2.用鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)某一水池內(nèi)水的溫度，測(cè)出的熱電動(dòng)勢(shì)為2.436mV。再用溫度計(jì)測(cè)出環(huán)境溫度為30℃(且恒定)，求池水的真實(shí)溫度。溫度℃0102030405060708090熱電動(dòng)勢(shì)mV00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.27432.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.91538.91539.31039.70340.09640.48840.879100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.35647.72648.09548.462120048.82849.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.39852.74753.09353.43953.78254.12554.46654.807——2.2熱電偶溫度計(jì)2.3熱電偶參比端的冷端補(bǔ)償當(dāng)在原來熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B相同熱電特性的材料C、D即引入所謂補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，只要它們之間連接的兩點(diǎn)溫度相同，則總回路的熱電動(dòng)勢(shì)與兩連接點(diǎn)溫度無關(guān)，只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。利用補(bǔ)償導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場(chǎng)所(如儀表室)。2.3熱電偶參比端的冷端補(bǔ)償熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖ABTTnTnCDT0T0M由于A與C、B與D的熱電特性相同，由熱電偶的基本性質(zhì)可知：eAC（Tn）=eBD（Tn）=0，則回路總電動(dòng)勢(shì)為:2.3熱電偶參比端的冷端補(bǔ)償冰浴法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儀表補(bǔ)償導(dǎo)線2.3熱電偶參比端的溫度補(bǔ)償電橋補(bǔ)償T1I2I1+ERSRTR3R1R2－ATT1BU用補(bǔ)償熱電偶可以使熱電偶不受接線盒所處溫度t1變化的影響如圖所示接法。試用回路電勢(shì)的公式證明E（t，t0）tt1t1t0作業(yè)ABCD第三節(jié)PN結(jié)溫度傳感器8.1.1二極管溫度傳感器為了擴(kuò)大線性范圍，則可以采用差分對(duì)管二極管溫度傳感器測(cè)量電路——恒流源激勵(lì)8.1.2三極管溫度傳感器C1虛地R1溫敏三極管A+-ERCUbe溫敏三極管作為負(fù)反饋元件跨接在運(yùn)放A的反相輸入端和輸出端，基極接地，集電極零偏，發(fā)射結(jié)正偏8.2集成溫度傳感器集成電路溫度傳感器是將作為感溫器件的溫敏三極管及其外圍電路集成在同一芯片上的集成化PN結(jié)溫度傳感器集成電路溫度傳感器感溫元件采用差分對(duì)晶體三極管，它能夠產(chǎn)生與溫度成正比的電流和電壓8.2集成溫度傳感器兩管必須采用不同的發(fā)射極面積γ故流過該電路的總電流為：電流輸出型電路8.2集成溫度傳感器電壓輸出型電路在電流鏡PTAT電路上加一個(gè)和VT3和VT4相同性質(zhì)的PNP管VT5R1的電壓降為：R1的電流為：只要R1:R2為一常數(shù)，就可以得到正比于溫度的輸出電壓U0模擬輸出型集成溫度傳感器電壓型——TMP36電流型——AD592數(shù)字輸出型集成溫度傳感器AD7415開關(guān)輸出型集成溫度傳感器TMP01TMP36供電電壓2.7～5.5V測(cè)溫范圍：-40～+1250C