第二章溫度傳感器

1、LOGO溫度傳感器溫度傳感器Temperature sensor 傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo溫度傳感器溫度傳感器1溫度傳感器的類型與特征溫度傳感器的類型與特征2熱電偶熱電偶3熱電阻熱電阻4熱敏電阻熱敏電阻傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo1溫度傳感器的類型與特征溫度傳感器的類型與特征溫度傳感器是一種溫度傳感器是一種將將溫度溫度變化轉(zhuǎn)換為變化轉(zhuǎn)換為電電量量變化的裝置。變化的裝置。在各種熱電式傳感在各種熱電式傳感器中，把溫度量轉(zhuǎn)換器中，把溫度量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)和電阻的方法為電勢(shì)和電阻的方法最為普遍。其中將最為普遍。其中將溫溫度度轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電勢(shì)電勢(shì)的熱

2、電的熱電式傳感器叫熱電偶，式傳感器叫熱電偶，將將溫度溫度轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電阻值電阻值的熱電式傳感器叫熱的熱電式傳感器叫熱電阻。電阻。 傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo1溫度傳感器的類型與特征溫度傳感器的類型與特征 （1 1） 被測(cè)對(duì)象的溫度是否需記錄、報(bào)警和自動(dòng)控制，被測(cè)對(duì)象的溫度是否需記錄、報(bào)警和自動(dòng)控制，是否需要遠(yuǎn)距離測(cè)量和傳送。是否需要遠(yuǎn)距離測(cè)量和傳送。 （2 2） 測(cè)溫范圍的大小和精度要求。測(cè)溫范圍的大小和精度要求。 （3 3） 測(cè)溫元件大小是否適當(dāng)。測(cè)溫元件大小是否適當(dāng)。 （4 4） 在被測(cè)對(duì)象溫度隨時(shí)間變化的場(chǎng)合，測(cè)溫元件在被測(cè)對(duì)象溫度隨時(shí)間變化的場(chǎng)合，測(cè)溫元件

3、的滯后能否適應(yīng)測(cè)溫要求。的滯后能否適應(yīng)測(cè)溫要求。 （5 5） 被測(cè)對(duì)象的環(huán)境條件對(duì)測(cè)溫元件是否有損害。被測(cè)對(duì)象的環(huán)境條件對(duì)測(cè)溫元件是否有損害。 （6 6） 價(jià)格如何，使用是否方便。價(jià)格如何，使用是否方便。 傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用 溫度傳感器的選擇溫度傳感器的選擇實(shí)際上，要確保傳感器指示的溫度即為所測(cè)對(duì)象的溫實(shí)際上，要確保傳感器指示的溫度即為所測(cè)對(duì)象的溫度，常常是很困難的。度，常常是很困難的。 在大多數(shù)情況下，對(duì)溫度傳感器在大多數(shù)情況下，對(duì)溫度傳感器的選用，需考慮以下幾個(gè)方面的問題：的選用，需考慮以下幾個(gè)方面的問題：Company Logo2熱電偶熱電偶傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用

4、一一. .熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)將兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體將兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體A A、B B組成閉合回路，組成閉合回路，如圖所示。若節(jié)點(diǎn)如圖所示。若節(jié)點(diǎn)(1)(1)、(2)(2)處于不同的溫度處于不同的溫度(TT0)(TT0)時(shí)，兩者之間將產(chǎn)生一熱電勢(shì)，在回路中時(shí)，兩者之間將產(chǎn)生一熱電勢(shì)，在回路中形成一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。形成一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶傳感器熱電偶傳感器熱電偶傳感器在溫度測(cè)量中應(yīng)用極為廣泛，熱電偶傳感器在溫度測(cè)量中應(yīng)用極為廣泛，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)溫范圍寬、熱慣因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳。性小、準(zhǔn)確度

5、高、輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳。Company Logo其電勢(shì)由接觸電勢(shì)其電勢(shì)由接觸電勢(shì)( (珀?duì)柼妱?shì)珀?duì)柼妱?shì)) )和溫差電勢(shì)和溫差電勢(shì)( (湯姆遜電勢(shì)湯姆遜電勢(shì)) )兩部分組成。兩部分組成。 2熱電偶熱電偶傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo2熱電偶熱電偶溫差電勢(shì)溫差電勢(shì) 對(duì)于單一金屬，如果兩端的溫度不同，則溫度高端的自對(duì)于單一金屬，如果兩端的溫度不同，則溫度高端的自由電子向低端遷移，使單一金屬兩端產(chǎn)生不同的電位，形成由電子向低端遷移，使單一金屬兩端產(chǎn)生不同的電位，形成電勢(shì)，稱為電勢(shì)，稱為溫差電勢(shì)。溫差電勢(shì)。其大小與金屬材料的性質(zhì)和兩端的溫其大小與金屬材料的性質(zhì)和兩端的溫差有關(guān)

6、差有關(guān)。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用接觸電勢(shì)接觸電勢(shì) 當(dāng)兩種金屬接觸在一起時(shí)，由于不同導(dǎo)體的自由電子當(dāng)兩種金屬接觸在一起時(shí)，由于不同導(dǎo)體的自由電子密度不同，在結(jié)點(diǎn)處就會(huì)發(fā)生電子遷移擴(kuò)散。失去自由電子密度不同，在結(jié)點(diǎn)處就會(huì)發(fā)生電子遷移擴(kuò)散。失去自由電子的金屬呈正電位，得到自由電子的金屬呈負(fù)電位。當(dāng)擴(kuò)散達(dá)的金屬呈正電位，得到自由電子的金屬呈負(fù)電位。當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到平衡時(shí)，在兩種金屬的接觸處形成電勢(shì)，稱為到平衡時(shí)，在兩種金屬的接觸處形成電勢(shì)，稱為接觸電勢(shì)。接觸電勢(shì)。其大小除與兩種金屬的性質(zhì)有關(guān)外，還與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。其大小除與兩種金屬的性質(zhì)有關(guān)外，還與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。Company Logo2熱電偶熱電偶

7、由此可以得出如下結(jié)論：由此可以得出如下結(jié)論：(1) (1) 如果熱電偶兩電極的材料相同，雖然兩端溫度不如果熱電偶兩電極的材料相同，雖然兩端溫度不同，但閉合回路的總熱電勢(shì)仍為零。因此，熱電偶同，但閉合回路的總熱電勢(shì)仍為零。因此，熱電偶必須用兩種不同材料作熱電極。必須用兩種不同材料作熱電極。(2) (2) 如果熱電偶兩電極材料不同，而熱電偶兩端的溫如果熱電偶兩電極材料不同，而熱電偶兩端的溫度相同，即度相同，即T TT T0 0，閉合回路中也不產(chǎn)生熱電勢(shì)。，閉合回路中也不產(chǎn)生熱電勢(shì)。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo2熱電偶熱電偶二、工程上熱電偶的使用二、工程上熱電偶的使用1

8、1、熱電偶的工程型號(hào)表示、熱電偶的工程型號(hào)表示2 2、熱電偶的材料、熱電偶的材料 鉑、銅為應(yīng)用最廣的熱電鉑、銅為應(yīng)用最廣的熱電阻材料。雖然鐵、鎳的溫度系阻材料。雖然鐵、鎳的溫度系數(shù)和電阻率均比鉑、銅要高，數(shù)和電阻率均比鉑、銅要高，但存在著不易提純和非線性嚴(yán)但存在著不易提純和非線性嚴(yán)重的缺點(diǎn)。重的缺點(diǎn)。 鉑容易提純，在高溫和氧鉑容易提純，在高溫和氧化性介質(zhì)中化學(xué)、物理性能穩(wěn)化性介質(zhì)中化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，制成的鉑電阻輸出輸入定，制成的鉑電阻輸出輸入特性接近線性，測(cè)量精度高。特性接近線性，測(cè)量精度高。3 3、熱電偶的安裝固定形式、熱電偶的安裝固定形式4 4、熱電偶的保護(hù)管、熱電偶的保護(hù)管傳感器技術(shù)及

9、應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo2熱電偶熱電偶傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo2熱電偶熱電偶傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用4 4、 熱電偶的安裝熱電偶的安裝 1)1)熱電偶的安裝應(yīng)盡可能保持垂直，以防止保護(hù)套管在高熱電偶的安裝應(yīng)盡可能保持垂直，以防止保護(hù)套管在高溫下產(chǎn)生變形，但在有流速的情況下，則必須迎著被測(cè)介質(zhì)溫下產(chǎn)生變形，但在有流速的情況下，則必須迎著被測(cè)介質(zhì)的流向插入，以保證測(cè)溫元件與流體的充分接觸。的流向插入，以保證測(cè)溫元件與流體的充分接觸。 2) 2)熱電偶應(yīng)安裝在有保護(hù)層的管道內(nèi)，以防止熱量散失。熱電偶應(yīng)安裝在有保護(hù)層的管道內(nèi)，以防止熱量散失。

10、 3)3)熱電偶安裝在負(fù)壓管道中時(shí)，必須保證測(cè)量處的密封性，熱電偶安裝在負(fù)壓管道中時(shí)，必須保證測(cè)量處的密封性，以防止外界冷空氣進(jìn)入，使讀數(shù)偏低。以防止外界冷空氣進(jìn)入，使讀數(shù)偏低。 4)4)熱電偶的接線盒面蓋應(yīng)向上，入線口應(yīng)向下，以避免雨熱電偶的接線盒面蓋應(yīng)向上，入線口應(yīng)向下，以避免雨水或灰塵進(jìn)入接線盒，影響測(cè)量精度。水或灰塵進(jìn)入接線盒，影響測(cè)量精度。Company Logo2熱電偶熱電偶傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo2熱電偶熱電偶傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用5 5、 熱電偶的溫度補(bǔ)償熱電偶的溫度補(bǔ)償 1)1)計(jì)算修正法計(jì)算修正法 2) 2)自由端溫度恒定法自由端溫

11、度恒定法 3)3)電路補(bǔ)償法電路補(bǔ)償法思考：思考：1 1、為什么在實(shí)際使用中熱電偶的兩端并聯(lián)一個(gè)電容、為什么在實(shí)際使用中熱電偶的兩端并聯(lián)一個(gè)電容2 2、為什么電流信號(hào)能夠遠(yuǎn)距離傳輸，而電壓信號(hào)不、為什么電流信號(hào)能夠遠(yuǎn)距離傳輸，而電壓信號(hào)不能？能？Company Logo3熱電阻熱電阻20(1)tRRAtBt傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用適宜制作熱電阻的材料有鉑、銅、鎳、鐵等。一、熱電阻的材料一、熱電阻的材料二、鉑熱電阻二、鉑熱電阻在在0 0660660溫度范圍內(nèi)溫度范圍內(nèi)在在-190-19000溫度范圍內(nèi)溫度范圍內(nèi)2301(100)tRRAtBtC tt 式中 R0、Rt分別為0和t的電阻值

12、； A常數(shù)(3.9684710-3/)； B常數(shù)(-5.84710-7/2)； C常數(shù)(-4.2210-12/3)。 Company Logo3熱電阻熱電阻 銅在銅在-50-50150150范圍內(nèi)銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸范圍內(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。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：銅電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可近似表示為： 式中式中 A A常量常量(4.28899(4.2889910-3/)10-3/)； B B常量常量(-2.133(-2.13310-7/2)10-7/2)； C C常量常量(1.233(1.

13、23310-9/3)10-9/3)。 當(dāng)溫度高于當(dāng)溫度高于100100時(shí)易被氧化，因此適用于溫度較低和時(shí)易被氧化，因此適用于溫度較低和沒有浸蝕性的介質(zhì)中工作。沒有浸蝕性的介質(zhì)中工作。230(1)tRRAtBtCt三、銅熱電阻三、銅熱電阻傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo4熱敏電阻熱敏電阻傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用一、熱敏電阻的特點(diǎn)一、熱敏電阻的特點(diǎn)熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的熱敏器件。熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的熱敏器件。按物理特性，可分為三類：按物理特性，可分為三類：(1)(1)、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)(NTC)；(2)(2)、正溫度系數(shù)

14、熱敏電組、正溫度系數(shù)熱敏電組(PTC)(PTC)；(3)(3)、臨界溫度系數(shù)熱敏電阻、臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)(CTR)。下面以負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻為例作一下介下面以負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻為例作一下介紹。紹。Company Logo4熱敏電阻熱敏電阻 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是一種氧化物的復(fù)合燒結(jié)體，通常用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是一種氧化物的復(fù)合燒結(jié)體，通常用它測(cè)量它測(cè)量-100-100+300+300范圍內(nèi)的溫度，與熱電阻相比，其特點(diǎn)范圍內(nèi)的溫度，與熱電阻相比，其特點(diǎn)是：是：(1)(1)、電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，約為熱電阻的、電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，約為熱電阻的1010倍。倍。(2)(2)、結(jié)

15、構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量點(diǎn)溫度。、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量點(diǎn)溫度。(3)(3)、電阻率高，熱慣性小，適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量。、電阻率高，熱慣性小，適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量。(4)(4)、易于維護(hù)和進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。、易于維護(hù)和進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。(5)(5)、制造簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)。、制造簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是互換性差，非線性嚴(yán)重。缺點(diǎn)是互換性差，非線性嚴(yán)重。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo4熱敏電阻熱敏電阻 上圖為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的電阻上圖為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的電阻- -溫度特性曲線，用溫度特性曲線，用如下經(jīng)驗(yàn)公式描述：如下經(jīng)驗(yàn)公式描述： 式中式中 R RT T溫度為溫度為T(K)T(K)時(shí)

16、的電阻值；時(shí)的電阻值； A A與熱敏電阻的材料和幾何尺寸有關(guān)的常數(shù)；與熱敏電阻的材料和幾何尺寸有關(guān)的常數(shù)； B B熱敏電阻常數(shù)。熱敏電阻常數(shù)。/BTTRA e二、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的特性二、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的特性熱敏電阻特性曲線圖熱敏電阻的伏安特性傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo4熱敏電阻熱敏電阻 若已知若已知T1T1和和T2T2時(shí)的電阻為時(shí)的電阻為RT1RT1和和RT2RT2，則可通過公式求取，則可通過公式求取A A、B B值，即值，即 由伏安特性圖可知，由伏安特性圖可知，當(dāng)流過熱敏電阻的電流較小時(shí)，曲線當(dāng)流過熱敏電阻的電流較小時(shí)，曲線呈直線狀，服從歐姆定律。呈直線

17、狀，服從歐姆定律。當(dāng)電流增加時(shí)，熱敏電阻自身當(dāng)電流增加時(shí)，熱敏電阻自身溫度明顯增加，由于負(fù)溫度系數(shù)的關(guān)系，阻值下降，于是電溫度明顯增加，由于負(fù)溫度系數(shù)的關(guān)系，阻值下降，于是電壓上升速度減慢，出現(xiàn)了非線性。壓上升速度減慢，出現(xiàn)了非線性。當(dāng)電流繼續(xù)增加時(shí)，熱當(dāng)電流繼續(xù)增加時(shí)，熱敏電阻自身溫度上升更快，阻值大幅度下降，其減小速度超敏電阻自身溫度上升更快，阻值大幅度下降，其減小速度超過電流增加速度，于是出現(xiàn)電壓隨電流增加而降低的現(xiàn)象。過電流增加速度，于是出現(xiàn)電壓隨電流增加而降低的現(xiàn)象。 由于熱敏電阻特性的嚴(yán)重非線性，擴(kuò)大測(cè)溫范圍和提高精度由于熱敏電阻特性的嚴(yán)重非線性，擴(kuò)大測(cè)溫范圍和提高精度必須進(jìn)行補(bǔ)償

18、校正。必須進(jìn)行補(bǔ)償校正。/11B TTARe1212ln21TTTTRBTTR傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo4熱敏電阻熱敏電阻 解決辦法：串聯(lián)或并聯(lián)溫度系數(shù)很小的金屬電阻，使熱敏電解決辦法：串聯(lián)或并聯(lián)溫度系數(shù)很小的金屬電阻，使熱敏電阻阻值在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。下圖介紹一種金屬電阻與阻阻值在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。下圖介紹一種金屬電阻與熱敏電阻串聯(lián)以實(shí)現(xiàn)非線性校正的方法。只要金屬電阻熱敏電阻串聯(lián)以實(shí)現(xiàn)非線性校正的方法。只要金屬電阻RxRx選選得合適，在一定溫度范圍內(nèi)可得到近似雙曲線特性得合適，在一定溫度范圍內(nèi)可得到近似雙曲線特性圖圖(b) (b) RsRs，即溫度與電阻的倒數(shù)成線性關(guān)系，從而使溫度與電流，即溫度與電阻的倒數(shù)成線性關(guān)系，從而使溫度與電流成線性關(guān)系成線性關(guān)系圖圖(c)(c)。近年來已出現(xiàn)利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)較寬溫。近年來已出現(xiàn)利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)較寬溫度范圍內(nèi)線性化校正的方案。度范圍內(nèi)線性化校正的方案。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用Company Logo4熱敏電阻熱敏電阻三、近代熱敏電阻的特性三、