傳感器原理溫度傳感器

1、第2章 溫度檢測 溫度是表征 物體或系統(tǒng)的冷熱程度的物理量。溫度單位是國際單位制中七個(gè)基本單位之一。本章在簡單介紹溫標(biāo)及測溫方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹膨脹式溫度測量、電阻式溫度傳感與測試、熱電偶溫度計(jì)、輻射式溫度計(jì)、光導(dǎo)纖維溫度計(jì)、集成溫度傳感技術(shù)等測溫原理及方法。2.1 溫標(biāo)及測溫方法 n2.1.1 溫 標(biāo) n經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo):1.攝氏溫標(biāo);2.華氏溫標(biāo);3. 列氏溫標(biāo)。攝氏、華氏、列氏溫度之間的換算關(guān)系為 C=(5/9)*(F-32)=(5/4)R n熱力學(xué)溫標(biāo):1848年威廉.湯姆首先提出以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)建立起來的溫度僅與熱量有關(guān)而與物質(zhì)無關(guān)的熱力學(xué)溫標(biāo)。因是開爾文總結(jié)出來的故又稱為開爾文溫標(biāo)

2、，用符號 K表示。n國際實(shí)用溫標(biāo) 為了解決國際上溫度標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一及實(shí)用問題，國際上協(xié)商決定，建立一種既能體現(xiàn)熱力學(xué)溫度（即能保證一定的準(zhǔn)確度），又使用方便、容易實(shí)現(xiàn)的溫標(biāo)，這就是國際實(shí)用溫標(biāo)，又稱國際溫標(biāo)。2.1 溫標(biāo)及測溫方法n2.1.2 溫度檢測的主要方法及分類 溫度檢測方法一般可以分為兩大類，即接觸測量法和非接觸測量法。常用的測溫方法、類型及特點(diǎn)如表2.1.1所示。 2.2 電阻式溫度傳感器 熱電阻溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化而變化的原理制成的，實(shí)現(xiàn)了將溫度的變化轉(zhuǎn)化為元件電阻的變化。有金屬（鉑、銅和鎳）熱電阻及半導(dǎo)體熱電阻（稱為熱敏電阻）。n2.2.1 金屬熱電阻傳感

3、器 n1、熱電阻類型:金屬熱電阻主要有鉑電阻、銅電阻和鎳電阻等,其中鉑電阻和銅電阻最為常見。n (1) 鉑熱電阻： n 在-2000的范圍內(nèi) n 在0850的范圍內(nèi) n (2) 銅熱電阻：可表示為 2.2 電阻式溫度傳感器n2、熱電阻的結(jié)構(gòu):熱電阻主要由電阻體、絕緣套管和接線盒等組成。電阻體由電阻絲、引出線、骨架等組成。2.2 電阻式溫度傳感器n3 、熱電阻傳感器的測量電路 (1)三線制 (2)四線制n2.2.2 半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器 熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的。n1、特性：溫度特性和伏安特性 NTC型、PTC型、CTR型三類熱敏電阻的特性曲線如圖2.2 電阻

4、式溫度傳感器 )11(00TTTeRR 12TdTdRRTT2.2 電阻式溫度傳感器n2、熱敏電阻的主要參數(shù) 標(biāo)稱電阻值RH： 是指環(huán)境溫度為25 0.2時(shí)測得的電阻值，又稱冷電阻，單位為。 耗散系數(shù)H： 是指熱敏電阻的溫度變化與周圍介質(zhì)的溫度相差1時(shí)，熱敏電阻所耗散的功率，單位為W-1。 電阻溫度系數(shù)：熱敏電阻的溫度變化1 時(shí)，阻值的變化率。通常指溫標(biāo)為20 時(shí)的溫度系數(shù)，單位為（%）-1。 2.2 電阻式溫度傳感器熱容量C： 熱敏電阻的溫度變化1 時(shí)，所需吸收或釋放的能量，單位為J-1。 時(shí)間常數(shù)：是指溫度為T0的熱敏電阻，在忽略其通過電流所產(chǎn)生熱量的作用下，突然置于溫度為T的介質(zhì)中，熱敏

5、電阻的溫度增量達(dá)到T = 0.63（T - T0）時(shí)所需時(shí)間，它與電容C和耗散系數(shù)H之間的關(guān)系如下：HC2.2 電阻式溫度傳感器 3、熱敏電阻的特點(diǎn): 靈敏度高,體積小、熱貫性小、結(jié)構(gòu)簡單，化學(xué)穩(wěn)定性好，機(jī)械性能強(qiáng)，價(jià)格低廉，壽命長，熱敏電阻的缺點(diǎn)是復(fù)現(xiàn)性和互換性差，非線性嚴(yán)重，測溫范圍較窄，目前只能達(dá)到-50300。 4、熱敏電阻的應(yīng)用: （1）溫度測量 （2）溫度補(bǔ)償 2.2 電阻式溫度傳感器2.2 電阻式溫度傳感器（3）溫度控制：用熱敏電阻與一個(gè)電阻相串聯(lián)，并加上恒定的電壓，當(dāng)周圍介質(zhì)溫度升到某一數(shù)值時(shí)，電路中的電流可以由十分之幾毫安突變?yōu)閹资涟病Ｒ虼丝梢杂美^電器的繞阻代替不隨溫度變化

6、的電阻。當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，繼電器動作，繼電器的動作反應(yīng)溫度的大小，所以熱敏電阻可用作溫度控制。 （4）過熱保護(hù)2.3 薄膜熱傳感器n薄膜熱傳感器是隨著人們對溫度信息獲取的手段要求越來越高，對溫度傳感器的超小型化的要求越來越迫切而產(chǎn)生的。由于薄膜熱電阻的性能優(yōu)良，可以替代傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型熱傳感器，適用于物體表面、快速和小間隙場所的溫度測量，因而被廣泛地應(yīng)用于冶金、化工、能源、交通、機(jī)電、儀器儀表和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。 n2.3.1 金屬薄膜熱電阻 1、薄膜熱傳感器的結(jié)構(gòu)n基片n敏感膜n引線nWnL2.3 薄膜熱傳感器2、薄膜熱電阻的測溫機(jī)理 鉑熱電阻在2000范圍內(nèi)的電阻與溫度的關(guān)系近似地表示，即)

7、100(13o20tCtCBtAtRRt00RtRRt2.3 薄膜熱傳感器2.3.2 多晶硅薄膜熱電阻 1、結(jié)構(gòu) 2、測溫機(jī)理）（）（）（）（TKqUTKKTKKTKKTBCBA003030exp12.4 熱電偶傳感器n2.4.1 熱電偶測溫原理 n1、熱電偶的特點(diǎn) 測量范圍寬、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠、信號可以遠(yuǎn)傳和記錄。n2、熱電偶的分類 （1）熱電偶材料分：貴金屬、廉價(jià)金屬、難熔金屬和非金屬。 （2）按用途和結(jié)構(gòu)分：普通工業(yè)用（直形、角形和錐形）和專用（鋼水消耗、多點(diǎn)式和表面測溫）。 2.4 熱電偶傳感器n3、熱電偶的測溫原理: 熱電偶測溫是基于熱電效應(yīng)，在兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成

8、的閉合回路中，如果它們兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不同，則回路中產(chǎn)生一個(gè)電動勢，通常我們稱這種現(xiàn)象為熱電勢，這種現(xiàn)象就是熱電效應(yīng) 。 接觸電勢和溫差電勢。 )(1),(000dtdttNdNekUUTTEATTAATATA)()(ln)(TNTNekTTEBAAB2.4 熱電偶傳感器n當(dāng)熱電偶材料一定時(shí)，熱電偶的總電勢成為溫度T和T0的函數(shù)差。即n如果使冷端溫度T0固定,則對一定材料的熱電偶，其總電 勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即 )()(),(00TfTfTTEAB)()(),(0TCTfTTEAB2.4 熱電偶傳感器n由此可得有關(guān)熱電偶的幾個(gè)結(jié)論 (1)熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極，否則無論熱

9、電偶兩端溫度如何，熱電偶回路總熱電勢為零。 (2)盡管采用兩種不同的金屬，若熱電偶兩接點(diǎn)溫度相等， 即T=T0，回路總電勢為零。 (3)熱電勢只與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，與中間各處溫度無關(guān)。 2.4 熱電偶傳感器n4、熱電偶基本定律 （1）均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其截面、長度如何以及各處的溫度如何分布，都不會產(chǎn)生熱電動勢。即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。 （2）中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中，接入第三種導(dǎo)體C，只要這第三種導(dǎo)體兩端溫度相同，則熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢保持不變。即第三種導(dǎo)體C的引入對熱電偶回路的總電動勢沒有影響。 2.4 熱電偶傳感器（3）中間溫度定律 在

10、熱電偶回路中，兩結(jié)點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)的熱電動勢，等于該熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為T、Ta和Ta、T0時(shí)熱電動勢的代數(shù)和，即（4）標(biāo)準(zhǔn)電極定律 當(dāng)溫度為T、T0時(shí)，用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢之代數(shù)和，即 導(dǎo)體C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極，故把這一定律稱為標(biāo)準(zhǔn)電極定律。), 0()0 ,(),(00TETETTEABABAB),(),(),(000TTETTETTECBACAB2.4 熱電偶傳感器n2.4.2 熱電極材料及常用熱電偶 1、熱電極材料 （1） 在測溫范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時(shí)間和被測介質(zhì)變化，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，不易氧化或腐蝕。 （2） 導(dǎo)電率要高，并且電阻溫度

11、系數(shù)要小。 （3） 它們組成的熱電偶，熱電動勢隨溫度的變化率要大，并且希望該變化率在測溫范圍內(nèi)接近常數(shù)。 （4） 材料的機(jī)械強(qiáng)度要高，復(fù)制性要好，復(fù)制工藝要簡單，價(jià)格便宜。2.4 熱電偶傳感器2、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 （1）鉑銠10-鉑熱電偶(S型) （2）鉑銠30-鉑銠6熱電偶(B型) （3）鎳鉻-鎳硅(鎳鉻-鎳鋁)熱電偶(K型) （4）鎳鉻-考銅熱電偶（E型）3、非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 （1）鎢錸系：通常用于測量300 2000，分度誤差為 1%的溫度，短時(shí)間測量可達(dá)3 000。 （2）銥銠系：在中性介質(zhì)和真空中測溫可長期使用到2 000左右。 （3）鎳鈷-鎳鋁：測溫范圍為300 1 000 。 2.4 熱電

12、偶傳感器n2.4.3 熱電偶的結(jié)構(gòu) 1、普通型熱電偶:通常都是由熱電極、絕緣材料、保護(hù)套管和接線盒等主要部分組成。 2、鎧裝熱電偶:鎧裝熱電偶是由熱電極、絕緣材料和金屬套管經(jīng)拉伸加工而成的組合體，其結(jié)構(gòu)分單芯和雙芯兩種。 2.4 熱電偶傳感器n2.4.4 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償 由熱電偶的作用原理可知，熱電偶熱電動勢的大小，不僅與測量端的溫度有關(guān)，而且與冷端的溫度有關(guān)，是測量端溫度t和冷端溫度t 0的函數(shù)差。 1、補(bǔ)償導(dǎo)線法:常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線參見表2.4.2。在使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意以下問題: （1） 補(bǔ)償導(dǎo)線只能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi) ( 一般為0 100 ) 與熱電偶的熱電動勢相等或相近。 （

13、2） 不同型號的熱電偶有不同的補(bǔ)償導(dǎo)線。 （3） 熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個(gè)接點(diǎn)處要保持同溫度。 （4） 補(bǔ)償導(dǎo)線有正、負(fù)極，與熱電偶的正、負(fù)極相連。 （5） 補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只是延伸熱電偶的自由端，當(dāng)自由端t0 0時(shí)，還需進(jìn)行其他補(bǔ)償與修正。2.4 熱電偶傳感器2、計(jì)算法：3、冰浴法：把熱電偶的冷端置于冰水混合物的容器里，保證使 t 0 = 0 。這種辦法最為妥善，然而不夠方便，所以僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用。 )0 ,(),()0 ,(00tEttEtE2.4 熱電偶傳感器n4、補(bǔ)償電橋法:補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值，如圖所示。n5、軟件處理法2

14、.4 熱電偶傳感器2.4.5 熱電偶常用測溫線路 1、測量某點(diǎn)溫度的基本電路 2、測量兩點(diǎn)之間溫度差的測溫電路 2.4 熱電偶傳感器3、測量多點(diǎn)的測溫線路 多個(gè)被測溫度用多支熱電偶分別測量，但多個(gè)熱電偶共用一臺顯示儀表，它們是通過專用的切換開關(guān)來進(jìn)行多點(diǎn)測量的。 2.4 熱電偶傳感器4、測量平均溫度的測溫線路:其缺點(diǎn)是當(dāng)某一熱電偶燒斷時(shí)，不能很快地覺察出來。 5、測量幾點(diǎn)溫度之和的測溫線路:優(yōu)點(diǎn)是熱電偶燒壞時(shí)可立即知道，還可獲得較大的熱電動勢。2.5 輻射式溫度傳感器與接觸式測溫相比較： 1. 傳感器和被測對象不接觸，不會破壞被測對象的溫度場，故可測量運(yùn)動物體的溫度并可進(jìn)行遙測。 2. 由于傳

15、感器或熱輻射探測器不必達(dá)到與被測對象同樣的溫度，故儀表的測溫上限不受傳感器材料熔點(diǎn)的限制，從理論上說儀表無測溫上限。 3. 在檢測過程中傳感器不必和被測對象達(dá)到熱平衡，故檢測速度快，響應(yīng)時(shí)間短，適于快速測溫。2.5.1 輻射測溫的物理基礎(chǔ) 輻射式溫度傳感器是利用物體的輻射能隨溫度變化的原理制成的。 2.5 輻射式溫度傳感器1、熱輻射:物體受熱，激勵(lì)了原子中帶電粒子，使一部分熱能以電磁波的形式向空間傳播，它不需要任何物質(zhì)作媒介（即在真空條件下也能傳播），將熱能傳遞給對方，這種能量的傳播方式稱為熱輻射（簡稱輻射），傳播的能量叫輻射能。輻射能量的大小與波長、溫度有關(guān)。 2、黑體:所謂黑體是指能對落在

16、它上面的輻射能量全部吸收的物體。在某個(gè)給定溫度下，對應(yīng)不同波長的黑體輻射能量是不相同的，在不同溫度下對應(yīng)全波長（：0）范圍總的輻射能量也是不相同的。 2.5 輻射式溫度傳感器 3、輻射基本定律（1）普朗克定律:普朗克定律揭示了在各種不同溫度下黑體輻射能量按波長分布的規(guī)律，其關(guān)系式 （2）斯忒藩-波耳茲曼定律:斯忒藩-波耳茲曼定律確定了黑體的全輻射與溫度的關(guān)系如上。 此式表明，黑體的全輻射能是和它的絕對溫度的四次方成正比，所以這一定律又稱為四次方定律。 把灰體全輻射能 E與同一溫度下黑體全輻射能E0相比較，得到物體的另一個(gè)特征量1),(2510TCeCTE40TE2.5 輻射式溫度傳感器n2.5

17、.2 輻射測溫方法1.亮度法:是指被測對象投射到檢測元件上的是被限制在某一特定波長的光譜輻射能量，而能量的大小與被測對象溫度之間的關(guān)系是普朗克公式所描述的一種輻射測溫方法，即比較被測物體與參考源在同一波長下的光譜亮度，并使二者的亮度相等，從而確定被測物體的溫度，典型測溫傳感器是光學(xué)高溫計(jì)。 2.5 輻射式溫度傳感器2.全輻射法:全輻射法是指被測對象投射到檢測元件上的是對應(yīng)全波長范圍的輻射能量，而能量的大小與被測對象溫度之間的關(guān)系是由斯忒藩波耳茲曼所描述的一種輻射測溫方法，典型測溫傳感器是輻射溫度計(jì)（熱電堆）。2.5 輻射式溫度傳感器 3.比色法:被測對象的兩個(gè)不同波長的光譜輻射能量投射到一個(gè)檢

18、測元件上，或同時(shí)投射到兩個(gè)檢測元件上，根據(jù)它們的比值與被測對象溫度之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)輻射測溫的方法，比值與溫度之間的關(guān)系由兩個(gè)不同波長下普朗克公式之比表示，典型測溫傳感器是比色溫度計(jì)。 2.6 石英晶體測溫傳感器n石英晶體諧振器的等效電路n溫度與頻率的關(guān)系3020000)()()(TTCTTBTTAfffT 2.6 石英晶體測溫傳感器n石英晶體數(shù)字溫度計(jì)的原理框圖如圖 晶 體 探頭晶體基準(zhǔn)振蕩器振蕩器混頻器低通濾波器數(shù)字顯示計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)間隔f f 0f f 0f 2.7 光纖傳感器n2.7.1 光纖傳感原理 1、光纖結(jié)構(gòu):光纖為玻璃光纖，其結(jié)構(gòu)如圖所示，它由導(dǎo)光的纖芯及其周圍的包層組成，包層的外面常

19、有塑料或橡膠等保護(hù)套。包層折射率n1略小于纖芯折射率n2，它們的相對折射率差 n通常為0.0050.14這樣的構(gòu)造可以保證入射到光纖內(nèi)的光波集中在芯子內(nèi)傳播。 121nn2.7 光纖傳感器2、工作原理:光纖工作的基礎(chǔ)是光的全反射。n當(dāng)端面入射的光滿足全反射條件時(shí) n即使用時(shí)應(yīng)使入射光處于2c的光錐角內(nèi)，光纖才能理想地導(dǎo)光。否則，這些光線便從包層中逸出而產(chǎn)生漏光。 3、光纖分類:按傳輸?shù)哪Ｊ椒譃閱文：投嗄深悺?(sin121nnc212221212122100)()1 (sinnnnnnn2.7 光纖傳感器n2.7.2 光纖溫度傳感器 光纖溫度傳感器按其工作原理可分兩大類：功能型和非功能型。1

20、、功能型:功能型也稱物性型或傳感型，是利用其某種參數(shù)隨溫度變化的特性作為傳感器的主體，即將其作為敏感元件進(jìn)行測溫。 2.7 光纖傳感器2、非功能型:非功能型也稱結(jié)構(gòu)型或傳光型，光纖在這類傳感器中只是作傳光的媒質(zhì)，還須要加上其它的敏感元件才能構(gòu)成傳感器。2.8 集成數(shù)字溫度傳感器 集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的電流與電壓特性與溫度的關(guān)系，把敏感元件、放大電路和補(bǔ)償電路等部分集成化，并把它們裝封在同一殼體里的一種一體化溫度檢測元件。一般只能用來測50以下的溫度。n2.8.1 集成溫度傳感器工作原理及分類 1、工作原理nqKTRRUoln122.8 集成數(shù)字溫度傳感器 2、分類 電壓型、電流型、

21、數(shù)字輸出型，典型的電壓型集成電路溫度傳感器有PC616AC，LM135，AN670l等；典型的電流型集成電路溫度傳感器為AD590，LM134；典型的數(shù)字輸出型傳感器有DS1B820，ETC-800等。 2.8 集成數(shù)字溫度傳感器2.8.2電壓型集成溫度傳感器PC616AC 四端電壓輸出型傳感器框圖:它由PTAT核心電路、參考電壓源和運(yùn)算放大器三部分組成，其四個(gè)端子分別為U+、U-、輸入和輸出。該類型傳感器的最大工作溫度范圍是-40125，靈敏度是10mVK，線性偏差為0.5%2%，長期穩(wěn)定性和重復(fù)性為0.3%，精度為4 K。6.85 VPTAT電路運(yùn)放10 mV/ K50 kUU輸出輸入2.

22、8 集成數(shù)字溫度傳感器n基本應(yīng)用電路輸 入輸 出 15 VR18.2 kUUUo(10 mV / K)(a) 正 電 源輸 入輸 出UUUo( 10 mV / K)(b) 負(fù) 電 源 15 V2.8 集成數(shù)字溫度傳感器n溫度檢測電路輸入輸出15 VR112 kUUUo(10 mV / )(a)CR327 kR439 kRw5 kR25.6 k15 V輸入輸出UU(b)15 VR220 kRw100 kR17.5 kR320 kUo(10 mV / )15 V2.8 集成數(shù)字溫度傳感器2.8.3電流型集成溫度傳感器AD590 1、性能特點(diǎn) 線性電流輸出： 1AK。 工作溫度范圍： -55155。

23、 兩端器件： 電壓輸入,電流輸出。 激光微調(diào)使定標(biāo)精度達(dá)0.5 。 整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)非線性誤差小于0.5。 工作電壓范圍： 4 V30 V。 器件本身與外殼絕緣。2.8 集成數(shù)字溫度傳感器n2、簡單應(yīng)用：溫度測量和溫差測量2.8 集成數(shù)字溫度傳感器n多點(diǎn)溫度測量2.8 集成數(shù)字溫度傳感器n2.8.4 數(shù)字輸出型傳感器DS1820 1、DS1820 的主要特性 (1) 適應(yīng)電壓范圍3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電；(2) 獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)，僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；(3) DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫；(4) DS18B20在使用中，不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)；(5) 測溫范圍55125，在10+85時(shí)精度為0.5；(6) 可編程的分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫；2.8 集