《傳感器原理》課件.ppt

1,溫度傳感器,第一章,2,v定義：溫度傳感器是一種將溫度變化轉換為電學量變化的裝置。v用途：用于檢測溫度和熱量，也稱為熱電式傳感器。v重要性：與生活、科研、生產密切相關。應用最廣泛。,簡介,第一章溫度傳感器,3,v將溫度T變化轉換為電阻變化的元件，主要有金屬熱電阻、半導體熱電阻、陶瓷熱敏電阻(NTC、PTC、CTR)和高分子熱敏電阻；v將溫度變化-電勢的傳感器，主要有熱電偶和PN結式傳感器；v將熱輻射-電學量的器件，有熱釋電探測器、紅外探測器；v集成溫度傳感器、光纖溫度傳感器、液晶溫度傳感器、智能溫度傳感器等,簡介,溫度傳感器分類,第一章溫度傳感器,4,1.1電阻型溫度傳感器,1.1.1熱電阻,1.1電阻型溫度傳感器,金屬熱電阻半導體陶瓷熱電阻,溫度,感溫材料,電阻,5,Rt：任意絕對溫度t時的電阻值R0：基準狀態(tài)溫度t0時的電阻值：溫度系數(shù)（1/）,一、熱電阻的特性,1.1.1熱電阻,6,1.1.1熱電阻,感溫材料的要求:v電阻溫度系數(shù)：純金屬v性能穩(wěn)定：測溫準確性v良好的輸出特性：線性v高的電阻率v良好的加工性、價格便宜,7,0630.755:,1.鉑熱電阻,1.1.1熱電阻,v穩(wěn)定性好、重復性好v熱電阻最佳材料v用于高精度工業(yè)測量:標準電l阻溫度計、溫度基準。,-1900:,8,1.1.1熱電阻,9,用于一般測量精度和測量范圍較小時，易于得到高純度材料、價格低廉，易氧化。,2.銅熱電阻,1.1.1熱電阻,-50150：,10,3.其它熱電阻,鐵和鎳電阻：應用較少靈敏度高，電阻率較大。易氧化，不易提純，非線性。,1.1.1熱電阻,銦電阻錳電阻碳電阻,低溫測量,-273-268.5，熱容量小，靈敏度高熱穩(wěn)定性較差。,-269-258，測量精度高，靈敏度高。重現(xiàn)性差。,-271-210用，靈敏度高脆性高，易損壞；,11,1、結構：組成：感溫元件、內引線、絕緣套管、保護套管和接線盒。將電阻絲無感雙線繞在云母、石英、陶瓷、塑料等絕緣架上，固定后外面再加上保護套管。2、測量電路：用精度較高的電橋電路。兩線制連接方式存在的問題：引線電阻為消除連接導線電阻隨環(huán)境溫度變化而造成的測量誤差，常采用三線和四線連接法。,二、熱電阻的結構及測量電路,1.1.1熱電阻,12,優(yōu)點：性能穩(wěn)定，測量范圍寬、精度高、低溫測量。不足：需輔助電源，熱容量大，限制用于動態(tài)測量。措施：為避免電熱效應，電流一般應小于10mA。,三、熱電阻溫度計的總結,1.1.1熱電阻,13,正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC,負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC,臨界溫度系數(shù)熱敏電阻CTR,1.1.2熱敏電阻,材料：金屬氧化物(Mn3O4、CuO、NiO、Co3O4)為基體、添加劑、陶瓷工藝制成。半導體陶瓷。特點：靈敏度高、重復性好、成本低、體積小、使用方便。,熱敏電阻,14,一、熱敏電阻特性參數(shù),標稱電阻值（R25）：25、零功率狀態(tài)的阻值。大小取決于電阻的材料和幾何尺寸。2527：,2.電阻溫度系數(shù)(T)：規(guī)定溫度下，單位溫度變化使阻值變化的相對值。,T決定了熱敏電阻全部工作范圍內對溫度的靈敏度。,1.1.2熱敏電阻,15,電阻型溫度傳感器,時間常數(shù)()：表征電阻的熱慣性.在零功率測量狀態(tài)下,當環(huán)境溫度突變時,阻值從起始值變化到最終變化量的63%時所需的時間。額定功率（PE）：在標準壓力750mmHg和規(guī)定的最高溫度下，電阻期連續(xù)工作所允許的最大耗散功率。實際中所消耗的功率不得超過PE。,1.1.2熱敏電阻,16,二、正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC),基體材料是BaTiO3(納米陶瓷材料鈦酸鋇)，輔以稀土元素為添加劑，經陶瓷工藝燒結制成。納米鈦酸鋇(BaTiO3)：具有高介電常數(shù)及優(yōu)良的鐵電、壓電和絕緣性能稀土元素：17種化學元素，鈧、釔、鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥。,1.1.2熱敏電阻,17,1.電阻溫度特性,突變型（開關型）：曲線中阻值隨溫度變化很陡、開關溫度、指數(shù)關系、溫度系數(shù)與溫度無關。,1.1.2熱敏電阻,18,1.1.2熱敏電阻,緩變型：曲線阻值隨溫度變化緩慢、線性關系、溫度系數(shù)隨溫度變化、溫度補償。,19,靜態(tài)伏安特性：一定溫度下，靜止的空氣中，PTC電阻兩端的電壓降與電阻穩(wěn)態(tài)電流之間的關系。曲線可分為AB、BC、CD三段。,2、PTC的靜態(tài)伏安特性曲線,電流I(A),電壓U(V),1.1.2熱敏電阻,20,三、NTC熱敏電阻,1.NTC電阻的溫度特性,隨T升高而迅速減小，可用于溫度檢測、溫度補償、控溫等各種電路。,1.1.2熱敏電阻,用Mn、Co、Ni、Fe等過渡金屬氧化物按比例混合，采用陶瓷工藝制備。,21,2.NTC靜態(tài)伏安特性曲線,oa段：電壓隨電流增大線性增大。ab段：電壓偏離線性，隨電流增加。bd段：電壓隨電流增加下降很快。de段：電壓下降緩慢。,1.1.2熱敏電阻,22,指在某一溫度附近電阻值發(fā)生突變，于幾度的狹小溫區(qū)內，隨溫度的增加阻值降低34個數(shù)量級的元件。阻值的突變點為臨界溫度點。,四、CTR熱敏電阻,宏觀開關溫度：電阻值下降到某一規(guī)定值時所對應的溫度。,開關電阻：按曲線求出切線在高阻端的交點Rh和切線在低阻端的交點Rl，算出Rc。,1.1.2熱敏電阻,23,1.1.2熱敏電阻,24,降值比：描述阻值下降的快慢，即標稱電阻R25與最小電阻比值Rmin的對數(shù)，即,降值比越大，開關特性越好。由于CTR電阻具有很大的負溫度系數(shù)，可用作控溫、報警、無觸點開關等場合。,1.1.2熱敏電阻,25,五、熱敏電阻的結構及其特點,珠狀,熱敏電阻,圓片型,方片型,棒狀,厚薄膜型,它們各自適用于不同的應用場合。,1.1.2熱敏電阻,26,1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器,利用電阻率隨溫度變化的特性制成溫度傳感器。一、工作原理,半導體的導電能力：載流子的遷移載流子：電子和空穴半導體材料的電阻率：為材料的電子濃度為電子遷移率為材料的空穴濃度為空穴遷移率為電子電量,27,1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器,本征半導體：純凈的半導體，共價鍵結合能力很強，導電能力弱，在熱力學溫度零度時，不導電。電子和空穴濃度相等。,電阻率主要決定于載流子(電子或空穴)的濃度和遷移率，二者都與溫度密切相關。,本征半導體P型半導體N型半導體,半導體,28,1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器,P型半導體：在4價元素(硅、鍺)的晶體中摻入少量的3價雜質元素(硼、鎵、銦)，組成共價鍵時，缺少一個電子，形成空穴，主要依靠空穴導電。,N型半導體材料：在4價元素(硅、鍺)的晶體中摻入少量的5價雜質元素(磷、銻ti、砷)，組成共價鍵時，多余一個電子，形成自由電子，主要依靠電子導電。,29,1.遷移率與溫度的關系,q為電子電量M為載流子的有效質量A、B為常數(shù)Ni為摻雜濃度,1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器,100,200,10,104,30,2.電阻率與溫度的關系,本征半導體：電阻率主要由本征載流子濃度決定，由于濃度隨溫度上升急劇增加，因而電阻率隨溫度增加下降。,雜質半導體：受雜質電離和本征激發(fā)影響，電阻率隨溫度的變化關系復雜。,1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器,31,二、硅熱電阻的結構和工藝,棒狀、擴散電阻型兩種結構,1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器,32,工藝：摻雜v離子注入v擴散金屬層v腐蝕基體形成淺槽v磁控濺射Ti/Pt/Au(Ag)v超聲剝離金屬層v壓焊,1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器,33,1.電阻一溫度特性,正向偏置時:55175，電阻值隨溫度的升高而增大，具有較好的線性度。,反向偏置時：120以上時，電阻值突然下降。,三、硅熱電阻的特性,1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器,34,2.電阻溫度系數(shù)T,1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器,隨著溫度升高，T減小。,35,3、硅電阻與電流的關系,v不同的溫度下，當電流超過1mA時，電阻就會增大。v電流的自身熱效應使電阻增大。v工作電流應小于1mA。,1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器,36,1.2熱電偶,熱電偶：利用兩種不同的金屬連接在一起，當結點處溫度變化時，另兩端產生電勢變化的原理制成的傳感器。,37,1.2.1熱電偶的基本原理,一、熱電效應(塞貝克效應):用兩種不同的金屬組成閉合回路，且使其兩接觸點處溫度不同，回路中就會產生電流。,塞貝克電勢EAB(T,T0),熱電勢率(塞貝克系數(shù))TAB感熱材料、兩接點溫度,38,熱電效應,珀爾貼效應,湯姆遜效應,1.2.1熱電偶的基本原理,1.珀爾帖效應,珀爾帖電勢(接觸電勢),同溫度、兩種金屬、自由電子密度不同、擴散,39,K0為波爾茲曼常數(shù)q電子電量nA、nB為金屬A、B在溫度T的自由電子密度,1.2.1熱電偶的基本原理,40,A稱為湯姆遜系數(shù)表示溫差1時產生的電勢差,2.湯姆遜電勢(溫差電勢),均質導體棒、兩端溫度不同、高、低溫端的自由電子動能不同、擴散,1.2.1熱電偶的基本原理,41,EAB(T)為熱端的熱電勢,EAB(T0)為冷端的熱電勢。,熱電偶回路的總熱電勢EAB,討論：兩點溫度相同時，湯姆遜電勢為零，EAB(T0,T0)=0；兩金屬相同時，接點溫度不同，兩個湯姆遜電勢大小相等、方向相反，回路總電勢仍為零；只有兩不同材料組成熱電偶、且T,T0不同，才有熱電勢出現(xiàn)；溫差越大，回路的總電勢也越大。,1.2.1熱電偶的基本原理,42,二、熱電偶的基本定律,1.均質導體定律：兩均質金屬的熱電勢大小與熱電極的直徑、長度及沿電極長度方向上的溫度分布無關，只與熱電極材料和溫度有關。,2.標準電極定律：兩種金屬的熱電勢可用它們分別與第三種金屬的熱電勢之差來表示。,1.2.1熱電偶的基本原理,43,1.2.1熱電偶的基本原理,44,3.中間導體定律,在熱電偶的參考端接入第三種均質金屬,被插入金屬兩端溫度相同（T0），只要所插入的導體兩端溫度與參考點相同，不會影響原來熱電勢的大小,即中間導體定律。,1.2.1熱電偶的基本原理,45,4.中間溫度定律,熱電偶的接點溫度為T、T0時，其熱電勢等于該熱電偶在接點溫度為T、Tn和Tn、T0時相應的熱電勢的代數(shù)和。,1.2.1熱電偶的基本原理,46,一、熱電極材料特性,1.熱電性質穩(wěn)定，足夠的物理、化學穩(wěn)定性，不易氧化和腐蝕。,2.熱電勢要足夠大，易于測量、單值關系、誤差小。,3.電阻溫度系數(shù)小，電導率高。,4.材料復制性好、機械強度高、工藝簡單，價格便宜。,1.2.2熱電偶的種類和結構,47,1.2.2熱電偶的種類和結構,熱電偶,標準化熱電偶,非標準化熱電偶,二、熱電偶的種類,1、標準化熱電偶,鉑銠鉑熱電偶鉑銠鉑銠熱電偶鎳鉻鎳硅熱電偶鎳鉻鎳鋁熱電偶鎳鉻考銅熱電偶銅康銅熱電偶,48,v鉑銠鉑熱電偶用于較高溫度、較精密的測量、熱電勢較小。不能用于金屬蒸氣和還原性氣氛中。v鉑銠鉑銠熱電偶可長期測量160oC高溫，性能穩(wěn)定、精度高，適于在氧化性或中性介質中測量，室溫下熱電勢較小，不需要參考端補償和修正。,v銅康銅熱電偶,v鎳鉻鎳硅熱電偶,v鎳鉻鎳鋁熱電偶,v鎳鉻考銅熱電偶,熱電勢較大，測溫范圍小。,1.2.2熱電偶的種類和結構,49,2、非標準化熱電偶,鐵康銅熱電偶測溫上限6000C，易生銹，線性好，靈敏度高。鎢鉬熱電偶測溫上限21000C，易氧化，加石墨保護管。鎢錸系熱電偶測溫上限21000C。,1.2.2熱電偶的種類和結構,v金屬非標準化熱電偶,50,熱解石墨熱電偶二硅化鎢二硅化鉬熱電偶,1.2.2熱電偶的種類和結構,v非金屬非標準化熱電偶,復制性差，沒有統(tǒng)一的分度表，應用受到很大限制。,51,三、熱電偶的結構,珠形絕緣子熱電偶,雙孔絕緣熱電偶,石棉絕緣管熱電偶,有兩個熱電極，兩個電極的一個端點緊密焊接在一起。熱電極間通常用耐高溫絕緣材料絕緣。,1.2.2熱電偶的種類和結構,52,四、熱電偶的冷端溫度補償,1.恒溫法,將熱電偶的冷端置于恒溫器中，若恒溫器溫度調到0，電壓表讀數(shù)對應的溫度為實際溫度，即冷端溫度誤差得到解決。,1.2.2熱電偶的種類和結構,為什么要進行冷端溫度補償？,冷端恒溫示意圖,53,若恒溫器溫度為T0，則冷端誤差為：,T0恒定時，冷端誤差為常數(shù)，只要在回路中加入相應的修正電壓，或調整指示裝置的起始值就能實現(xiàn)完全補償。,1.2.2熱電偶的種類和結構,54,在熱電偶和測量儀表之間接入一個電橋補償器。當熱電偶冷端溫度T升高時，回路中總電勢降低，同時補償器中RT變化，使ab間產生一個電位差，設計使該電位差正好補償熱電偶降低的量，實現(xiàn)自動補償。,2.冷端自動補償法,冷端自動補償原理圖,1.2.2熱電偶的種類和結構,55,1.3半導體PN結型溫度傳感器,1.3.1PN結型溫度傳感器,一、二極管溫度傳感器,是利用PN結正向電壓與溫度關系的特性制作的。由PN結理論可知，,56,I0為反向飽和電流，B、與材料和工藝有關常數(shù)，qVg0為禁帶寬度。,當If不變時，PN結Vf隨T的上升而下降，近似線性關系。,1.3半導體PN結型溫度傳感器,二、晶體管溫度傳感器,在晶體管集電極電流恒定下，發(fā)射結的正向電壓隨溫度上升而下降。晶體管比二極管有更好的線性和互換性。,57,1.基本原理,Vg0=Eg0/q，A為發(fā)射結面積、n與材料和工藝有關的常數(shù)，當Ic一定且T不太高時，Vbe基本與T線性關系；當溫度較高時，產生一定的非線性偏移。,2.晶體管溫度傳感器的結構,由晶體管原理知,檢測溫度時溫敏三極管必須附加外圍電路。外圍電路包括參考電壓源運放線性電路等部分。,1.3半導體PN結型溫度傳感器,58,3、晶體管溫度傳感器基本電路,由運放和溫敏三極管組成，C防止寄生振蕩。T為反饋元件跨接在運放的反相輸入端和輸出端，基極接地。T的集電極Ic僅取決于Rc和電壓E,Ic=E/Rc，與溫度無關，保證了恒流源工作條件。電壓Vbe隨T近似線性下降。,1.3半導體PN結型溫度傳感器,59,1.4其它溫度傳感器,物體的熱輻射作用隨物體溫度變化非接觸測量熱慣性小,1.4.1熱輻射溫度傳感器,一、全輻射高溫計,v理論基礎：斯蒂芬玻爾茲曼定律：全部輻射能Eb=0T4。v方法：用絕對黑體接收被測對象發(fā)出的所有波長的全部輻射能量Eb，黑體溫升反映被測溫度。,60,v構成：絕對黑體：一定面積、表面粗糙并涂黑的鉑片。熱電偶測溫：鉑片接收熱量、溫度升高，鉑片溫度由熱電偶堆測出，由毫伏表或電位差計讀數(shù)。,輻射溫度計的結構圖,1.4其它溫度傳感器,61,v工作原理：被加熱時，物體的顏色隨溫度T改變，溫度愈高，物體愈亮。理想黑體的光譜輻射亮度用普朗克公式表示：,C1、C2為普朗克常數(shù)，為波長，T為絕對溫度。,二、光學高溫計,1.4其它溫度傳感器,v精密儀表，常用于1064.43oC以上溫度的測量。,當波長一定時，物體的亮度只與溫度T有關，即單波長測量原理。,62,方法：利用經過溫度刻度的鎢絲燈發(fā)出的單色亮度和被測物體的單色輻射亮度一樣時，由鎢絲燈的溫度T確定被測物體的溫度。,1.4其它溫度傳感器,工作原理：光電器件把物體的輻射能轉換成與之成一定比例的電信號。光電器件的光電流與被測物體的亮度成正比，用光電流的大小來判斷被測物體溫度。,三光電高溫計,v是自動的光學高溫計。,63,v原理：利用物體在波長1和2兩種單色輻射強度比值隨溫度T變化來測量。v誤差小。v常用于煉鋼、軋鋼過程中溫度的準確測量。,四、比色溫度計(雙色溫度計),光電器件,光敏電阻：100700oC,光電池：700o以上,1.4其它溫度傳感器,64,1.4.2熱敏電容,工作原理:(BaSr)TiO3(鈦酸鍶鋇)系列陶瓷電容器的靜電容(介電常數(shù))隨溫度T變化。高介電常數(shù)的陶瓷材料：鈦酸鍶SrTiO3,k=200)鈦酸鍶鋇(BaSr)TiO3,k=200鋯鈦酸鉛Pb(Zr,Ti)O3,k=1000，(鋯gao),1.4其它溫度傳感器,如TI公司(德儀)開發(fā)的采用BST（BaSr）TiO3熱電材料的產品和Honeywell公司使用二氧化釩（VO2）材料的熱輻射計型產品都已達到實用化程度。,65,（BaSr）TiO3陶瓷電容傳感器的靜電容-溫度特性,1230以上靜電容與溫度的關系曲線,1.4其它溫度傳感器,66,v某晶向的石英振子的共振頻率隨溫度T直線變化。v直接輸出準數(shù)字信息。,1.4.3石英溫度計,1.4其它溫度傳感器,67,工作原理：根據(jù)溫度引起的振蕩頻率的偏移量來測量溫度。SAW振蕩器：由壓電材料基片和沉積在基片上的差指換能器組成。,1.4.4表面波溫度傳感器,1.4其它溫度傳感器,VR為