傳感器與檢測技術(shù)第五章熱電傳感器

傳感器與檢測技術(shù)第五章熱電傳感器第一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六第一節(jié)熱電偶的基本原理一、熱電效應1.塞貝克效應（1821/德國）兩種不同金屬導線組成一閉合回路，若兩接頭處維持一溫差，回路中就有電流和電動勢產(chǎn)生。第二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六2.珀爾帖效應將同溫度的兩種不同的金屬互相接觸，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在它們的接點處會產(chǎn)生接觸電動勢。⑵.冷端接觸電動勢⑴.熱端接觸電動勢第三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六3.湯姆遜效應同一種導體因其兩端的溫度不同會產(chǎn)生溫差電勢。⑴.導體A溫差電動勢⑵.導體B溫差電動勢4.回路總電勢第四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六二、測溫原理當熱電偶導體A和B材料一定時，回路總電動勢成為熱端和冷端的溫度的函數(shù)。在實際測溫中，把冷端置于某一恒溫下，此時冷端接觸電勢為一常數(shù)，回路總電勢僅決定于熱端接觸電勢，即只與熱端溫度有關(guān)，兩者之間是單值的函數(shù)關(guān)系。則：當：第五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六二、熱電偶的工作特性1.基本特性①當組成熱電偶的兩導體性能相同時，則無論接觸點處溫度如何，熱電偶回路總電勢為零。第六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六②當熱電偶兩接觸點處的溫度相等時，盡管組成熱電偶的兩導體材料不同，熱電偶回路總電勢為零。由熱電效應原理分析可知，無論是哪一種類型的熱電偶，產(chǎn)生回路電勢的必要充分條件是：第七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六2.基本定律①中間導體定律當插入第三種金屬時，只要兩端溫度相同，就不會使熱電偶的電動勢發(fā)生變化。圖5－4中間導體定律第八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六②標準電極定律

金屬A和B之間的電動勢等于金屬A、C和C、B組成熱電偶的熱電動勢之和。（C為標準電極）導體C被稱為標準電極，通常用純鉑（Pt）作標準電極第九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六③中間溫度定律

熱電偶在接觸點溫度為T,T0時的回路電勢，等于該熱電偶在接觸點溫度為T,Tn和Tn，T0時回路電勢之代數(shù)和。EAB（T,T0）＝EAB（T,Tn）+EAB（Tn，T0）

若T0＝0，則有EAB（T，0）＝EAB（T，Tn）+EAB（Tn，0） 測量環(huán)境溫度

T0<T<Tn

查分度表

第十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六三、熱電偶冷端溫度補償

為什么要進行冷端溫度補償？

1.在測溫時，冷端溫度T0隨著環(huán)境溫度變化，因而產(chǎn)生測量誤差，故應采取補償措施。2.分度表是在T0＝0℃時測得的，使用時，只有滿足T0＝0℃的條件才能使用分度表。第十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六常用的修正或補償方法有如下幾種：一、冰浴法

二、冷端溫度修正法

EAB（T，0）＝EAB（T，Tn）+EAB（Tn，0）

將熱電偶冷端置于冰水中，使冷端保持恒定的0℃，它可以使冷端溫度誤差完全消失。第十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六三、冷端補償器法（電橋補償法）利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢。圖5－５電橋補償示意圖令ΔUab＝ΔEAB（T0）

得U0＝EAB（T）－EAB（20℃）U0＝EAB（T）－〔EAB（T0）+ΔEAB（T0）〕+ΔUab

第十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六四、延伸導線法

五、采用不需要冷端補償?shù)臒犭娕?/p>

冷端溫度在300℃以下的鎳鈷—鎳鋁熱電偶，50℃以下的鎳鐵—鎳銅熱電偶及鉑銠30—鉑銠6熱電偶

第十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六六、補正系數(shù)修正法

工程上經(jīng)常采用補正系數(shù)實現(xiàn)補償。設工作端溫度為T1，冷端溫度為T0，現(xiàn)場實際溫度為T，則T＝T1+kT0 （5－13）式中k——為熱電偶溫度修正系數(shù)，其值決定于熱電偶種類和被測的溫度范圍。七.用集成溫度傳感器AD590作為冷端補償元件

第十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六八.冷端溫度的智能補償利用單片機或計算機，可以實現(xiàn)溫度監(jiān)測、控制、誤差修正與冷端溫度補償一體化和智能化。

圖5-7溫度檢測系統(tǒng)

第十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)熱電偶測溫電路一、測量某點溫度圖5－8熱電偶測一點溫度第十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六二、測量兩點溫度差圖5－8熱電偶測兩點溫差第十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六三、測多點溫度的平均值與熱電偶相配套的測量與顯示儀表：毫伏計、電子電位差計、數(shù)字測溫指示儀第十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六第二節(jié)

電阻溫度傳感器

熱電阻或熱敏電阻都是利用材料的電阻對溫度敏感的特性制成的電阻溫度傳感器，常用于-200℃~500℃范圍內(nèi)的溫度測量。在低溫區(qū)域，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢小，測量精度較低；采用熱電阻可以獲得很高的測量精度，而且不存在冷端補償問題，因而在工業(yè)中被廣泛應用。

一、金屬熱電阻常用鉑熱電阻、銅熱電阻。第二十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六 鉑金屬易于提純，高溫下物理、化學性能都能穩(wěn)定，是目前制作熱電阻的最好材料，常用來制作標準測溫器件。

銅是一種價格便宜、純度可以獲得很高的熱電阻材料，在-50℃~150℃范圍內(nèi)靈敏度高，而且線性好，因而在此溫度范圍內(nèi)采用銅熱電阻比采用鉑熱電阻好，其缺點是在較高的溫度下銅易氧化，因而只能用于低溫及無侵蝕性介質(zhì)中；銅的電阻率比較小，熱電阻體積較大。

鐵和鎳電阻溫度系數(shù)較高，電阻率大，可制作小體積、高靈敏度的熱電阻，其缺點是易氧化、不易提純、化學穩(wěn)定性差，且熱電阻與溫度的線性關(guān)系差，故目前尚不多用。第二十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六二、半導體熱敏電阻

半導體電阻隨溫度變化的典型特性分為三種類型，即負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和在某一特定溫度下電阻值會發(fā)生突變的臨界溫度電阻器（CTC）。

大部分NTC和部分PTC可用做傳感器感知溫度的“探頭”，即感溫元件；其身也可能作為一個獨立和完整的溫度傳感器而直接用于電路的補償。

第二十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六NTC廣泛用于通信、軍事、航空、航天、醫(yī)療、汽車電子、自動化設施的溫度計、控溫儀等裝置。高溫NTC傳感器則用于汽車等發(fā)動機排氣檢測、工業(yè)過程控制、電熱炊具、煤氣系統(tǒng)、空調(diào)、暖氣系統(tǒng)、賓館與住宅防火報警系統(tǒng)，以及復印機、打印機等辦公自動化設施。

PTC也可用于工業(yè)自動化、汽車等領(lǐng)域的液位計、溫度測控儀和報警器。

第二十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六電動機過熱保護裝置中的應用

圖5-11電動機過熱保護裝置

第二十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六第三節(jié)半導體溫度傳感器

半導體材料和器件的許多性能參數(shù)，如電阻率、PN結(jié)的反向漏電流和正向電壓等，都與溫度密切相關(guān)。半導體溫度傳感器恰好利用半導體材料和器件某些性能的溫度依賴性，實現(xiàn)對溫度的檢測、控制和補償?shù)裙δ?。按照工作機理，半導體溫度傳感器可分為電阻性和PN結(jié)兩大類，它們分別以半導體材料的電阻率和PN結(jié)特性對溫度的依賴關(guān)系作為工作基礎(chǔ)。

一、半導體熱敏電阻器二、溫敏二極管及其應用三、溫敏晶體管及其應用第二十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六一、溫敏二極管及其應用

PN結(jié)型溫敏器件，它是根據(jù)半導體PN結(jié)的正向電壓與溫度之間具有良好的線性關(guān)系，實現(xiàn)溫度檢測。

圖5－122DWM1U—T特性當正向電流I一定時，PN結(jié)正向電壓U與被測溫度T之間呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系；且隨著溫度的升高，正向電壓將下降，表現(xiàn)出負的溫度系數(shù)，這就是溫敏二極管測溫的基本原理

第二十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六典型應用：

這是一個簡易溫度調(diào)節(jié)器，用于液氮氣流式恒溫器中77~300K范圍內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)器。

第二十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六二、溫敏晶體管及其應用

由于分析，二極管作為溫敏器件是利用PN結(jié)在恒定的正向電流下，其正向電壓與溫度之間的近似線性關(guān)系。實際上溫敏二極管電壓—溫度特性的線性度是很差的，原因是正向電流中除了PN結(jié)的擴散電流之外，還應包括漂移電流及空間電荷區(qū)的復合電流，而在上述分析中只考慮擴散電流。采用晶體管代替二極管時，由于晶體管發(fā)射結(jié)正向偏置條件下，雖然發(fā)射極電流也包括上述三種成份，但只有擴散電流到達集電極形成集電極電流，而另兩個電流成分則作為基極電流漏掉，對集電極電流無影響，使得發(fā)射結(jié)偏壓與集電極電流之間有較好的線性關(guān)系，并因此能表現(xiàn)出更好的電壓—溫度特性。

第二十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六集電極電流Ic是與溫度基本無關(guān)的多數(shù)載流子擴散運動形成的電流，因而當IC恒定時，UBE與T呈單調(diào)和單值變化。且UBE隨T的升高而近似線性下降，其下降幅度約為2.2mv/℃。

溫敏晶體管具有成本低、性能好、使用方便等優(yōu)點，因而比溫敏二級管應用范圍廣，可用于測某一點的溫度、測兩點的溫差，或用于過程監(jiān)視或控制場合。

第二十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)集成溫度傳感器

集成溫度傳感器是將作為感溫器件的溫敏晶體管及外圍電路集成在同一單片上的集成化溫度傳感器。優(yōu)點是在于小型化、使用方便和成本低廉。商品化的集成溫度傳感器已經(jīng)廣泛應用于需要溫度監(jiān)測、控制和補償?shù)脑S多場合。

第三十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六分類：1.電壓型：直接輸出電壓，且輸出阻抗低，易于讀出或控制電路接口。2.電流型：電流輸出型輸出阻抗極高，因此可以簡單地使用雙股絞線進行數(shù)百米遠的精密溫度遙感或遙測，而不必考慮長饋線上引起的信號損失和噪聲問題。也可以用于多點溫度測量系統(tǒng)中，而不必考慮開關(guān)或多路轉(zhuǎn)換開關(guān)或多路轉(zhuǎn)換器引入的接觸電阻造成的誤差。頻率輸出型具有與電流輸出型相似的特點。

3.頻率輸出型器件：具有與電流輸出型相似的特點。第三十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六

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99個人小廣告：第三十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六１、AD590型溫度傳感器簡介

美國ＡＤ公司，電流輸出型集成溫度傳感器，其輸出電流與絕對溫度成正比（1μA/K），具有恒流特性，測溫范圍-50℃~+150℃，電源電壓為4～30Ｖ。當25℃（298.2Ｋ）時，能輸出298.2μA的電流。在電源電壓4～30Ｖ內(nèi)，該器件為溫控電流源，其電流ＫＴ為標度因子，靈敏度1μA/K；ＴＫ為冷端絕對溫度，ＴＫ＝（273.2+t）Ｋt為攝氏溫度。

第三十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六這種傳感器的典型參數(shù)和特點如下：

（1）線性電流輸出：1μA/K；（2）工作溫度范圍：-50℃~+150℃（3）兩端器件：電壓輸入，電流輸出；（4）輸出阻抗高達１０ＭΩ以上；（5）激光微調(diào)使定標精度達±０.５℃；（6）整個工作溫度范圍內(nèi)非線性誤差小于±０.５℃（7）工作電壓范圍：4～30Ｖ；（8）器件本身與外殼絕緣。

第三十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期六２.典型應用

（1）基本溫度測量