熱電式傳感器

關(guān)于熱電式傳感器第1頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三溫度傳感器的種類應(yīng)用的物理量氣體溫度計(jì)玻璃溫度計(jì)體積雙金屬（熱膨脹）壓力溫度計(jì)鉑電阻熱敏電阻電阻銅電阻熱電偶------------------熱電動勢第2頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三溫度傳感器的種類應(yīng)用的物理量熱鐵氧體------------------磁性陶瓷------------------------電容量晶體管---------------------晶體管特性石英振子超聲溫度計(jì)彈性熱敏材料液晶色輻射溫度傳感器光傳感器熱、光輻射

其他------------------------各種物理量第3頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第4頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

接觸電勢：兩種不同金屬導(dǎo)體接觸時，在接觸面上因自由電子密度不同而發(fā)上電子擴(kuò)散，一個導(dǎo)體失去電子而帶正電荷，另一個導(dǎo)體因獲得電子而帶負(fù)電荷，在兩金屬導(dǎo)體接觸面上便形成一個靜電場，這個靜電場阻礙了電子的繼續(xù)擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時，在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電勢差—接觸電勢。電子擴(kuò)散速率與兩導(dǎo)體的電子密度和接觸區(qū)的溫度成正比。（接觸電勢一個副作用是電腐蝕問題，這在某些情況下必須抑制。）第5頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三溫差電勢：單一導(dǎo)體中，如果兩端溫度不同，在兩端會產(chǎn)生電勢。導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴(kuò)散，結(jié)果高溫端已失去電子而帶正電荷，低溫端因得到電子而帶負(fù)電荷，從而形成一個靜電場。該電場阻礙電子的繼續(xù)擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時，在導(dǎo)體的兩端便產(chǎn)生一個相應(yīng)的電位差——溫差電勢。第6頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第7頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第8頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三意義：將第三種導(dǎo)體換成儀表或?qū)Ь€時，只要保持兩點(diǎn)溫度相同，就可以對熱電勢進(jìn)行測量，而不影響原來熱電勢的數(shù)值。第9頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三當(dāng)三點(diǎn)溫度相同時當(dāng)AB為T時第10頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第11頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三我國常用的熱電偶型號、測溫范圍及允許偏差如下表第12頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三分度表熱電偶的計(jì)算公式：

理論計(jì)算熱電勢E繁雜。通常在實(shí)際使用中，編制出針對各種熱電偶的熱電勢與溫度對照表，稱為“分度表”，表中溫度按10℃分檔，其中間值可按內(nèi)插法計(jì)算。各表均按參考溫度為0℃的條件取值。（熱電偶的分度法有若干種）

熱電偶的輸出電勢范圍10～60mV第13頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三鉑銠10—鉑熱電偶（S型）分度表（冷端T0=0℃

）

第14頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三鎳鉻—鎳硅熱電偶（K型）分度表（冷端T0=0℃

）

第15頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三（普通型熱電偶，鎧裝式熱電偶）碰底型不碰底型露頭型帽型第16頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三3.熱電偶冷端溫度補(bǔ)償由熱電偶測溫原理知道，只有冷端溫度保持不變時，熱電勢才是被測溫度的單值函數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于熱電偶工作端與冷端距離很近，冷端又暴露于空間，容易受到環(huán)境溫度波動的影響，也就是說熱電偶的冷端溫度是變化不定的。而熱電偶的分度表又是按照冷端為0℃給出的，所以必須對熱電偶的冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償。第17頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

加入一項(xiàng)

只要使得

則冷端溫度得到補(bǔ)償。幾種冷端補(bǔ)償方法第18頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三（1）冰浴法將熱電偶的冷端置于冰水中，使冷端保持0℃，這種方法最為妥善，但不夠方便，僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室使用。（2）補(bǔ)償電橋電橋四個臂與冷端處于同一溫度，其中R1=R2=R3為錳銅線繞電阻，R4為銅導(dǎo)線繞制的補(bǔ)償電阻，E為電橋電源，R為限流電阻。選擇R4的阻值使電橋保持平衡，Uab=0。當(dāng)冷端溫度升高時，阻值隨之增大，電橋失去平衡，Uab相應(yīng)增大。熱電偶的熱電勢隨冷端溫度升高而減小，若Uab增量等于熱電勢的減小量，則回路總的電勢UAB的值就不會隨著熱電偶冷端溫度變化而變化。第19頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

UAB=e+Uab_+at0t0etAB+_UabUABbRER1R2R3R4第20頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三（3）冷端溫度計(jì)算校正法由于熱電偶的分度表是在冷端保持0℃的情況下得到的，與它匹配使用的儀表又是根據(jù)分度表進(jìn)行刻度的，而冷端雖然可以保持恒定，但并不一定等于0℃，必須加以修正。例：K型熱電偶在工作時冷端溫t0=30℃度，測得熱電勢EK(t,t0)=39.17mV。求被測介質(zhì)的實(shí)際溫度t？解：由分度表查出

EK(30℃,0℃)=1.20mV則EK(t,0℃)=EK(t,30℃)+EK(30℃,0℃)=39.17+1.20=40.37mV

查分度表求出真實(shí)溫度t=977℃第21頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三（4）專用補(bǔ)償模塊（5）補(bǔ)償系數(shù)修正法設(shè)冷端溫度為，測得的溫度為，則實(shí)際溫度

熱電偶補(bǔ)償系數(shù)，可以通過查表獲得。第22頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

幾種常用熱電偶的值第23頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

根據(jù)熱電偶中間導(dǎo)體定律，可以采用第三種材料延伸熱電偶的引線（補(bǔ)償導(dǎo)線）距離，但使用時必須注意：（1）補(bǔ)償導(dǎo)線只能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用（2）不同型號的熱電偶有不同的導(dǎo)線（3）熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個接點(diǎn)要保持同溫度第24頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三4.熱電偶的傳熱誤差和動態(tài)誤差（1）傳熱誤差

熱電偶測溫是通過熱電偶與被測介質(zhì)之間進(jìn)行熱交換來進(jìn)行的，熱電偶吸收被測介質(zhì)傳送來的熱量，提高自身溫度，同時，又向周圍散失熱量。當(dāng)熱交換達(dá)到平衡狀態(tài)時，熱電偶的測量端就達(dá)到了一個穩(wěn)定溫度。由于熱量散失，熱電偶測量端溫度低于被測介質(zhì)溫度，因此產(chǎn)生傳熱誤差。它是由導(dǎo)熱、對流和輻射三種基本熱交換形式造成的。第25頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三（2）動態(tài)誤差熱電偶測溫時，熱接點(diǎn)具有一定的熱容量，因此達(dá)到熱平衡需要一定的時間，熱接點(diǎn)溫度的變化總是滯后被測介質(zhì)的溫度變化。這種由于熱慣性引起的溫度偏差，稱為動態(tài)響應(yīng)誤差。對于以熱對流為主要散熱的熱電偶有：

——接點(diǎn)溫度

——被測介質(zhì)實(shí)際溫度

——時間常數(shù)第26頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

式中：接點(diǎn)比熱容接點(diǎn)材料的質(zhì)量密度對流換熱系數(shù)熱接點(diǎn)的體積熱接點(diǎn)表面積熱電偶傳遞函數(shù)為一階慣性環(huán)節(jié)減小，則動態(tài)誤差減小第27頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三減小動態(tài)誤差方法：●采用尺寸較小和較小的測量端●選用比熱容和密度小的熱電偶材料●采用外電路補(bǔ)償在系統(tǒng)中串聯(lián)一個網(wǎng)絡(luò)使得測溫系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：用外電路補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)動態(tài)誤差修正，需要知道熱電偶的時間常數(shù)，常用時間常數(shù)測試方法主要有，沸水法、激波管法、激光法和風(fēng)洞試驗(yàn)。第28頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三一階慣性環(huán)節(jié)單位階躍響應(yīng)曲線給熱電偶一個溫度階躍，記錄下熱電偶的響應(yīng)曲線，取其幅值的0.632處對應(yīng)的時間，即為熱電偶的時間常數(shù)。第29頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第30頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第31頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三另外，還有其他熱電阻（鎳熱電阻、鐵熱電阻等等）。第32頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三9.2.3熱電阻測量電路一般采用直流電橋作為熱電阻的測量電路R1R2R3RtU(I)WWR3R2R1RtUoUoU(I)第33頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

由上式可見電橋輸出與鉑電阻變化是非線性關(guān)系。鉑電阻與溫度之間基本上是線性關(guān)系，由于測量電橋，使得輸出電壓與鉑電阻產(chǎn)生了非線性。為了消除測量電路引起的非線性，是否可以采用差動電橋或者全臂電橋？答案是否定的，因?yàn)殂K電阻需要安裝在測溫現(xiàn)場，而電橋其他橋臂在儀表中，另外沒有負(fù)溫度系數(shù)的鉑電阻。如果在電橋?qū)Ρ鄄捎孟嗤你K電阻，則電橋沒有平衡狀態(tài)。第34頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

一般工業(yè)現(xiàn)場這種非線性是允許的。如果要提高測量精度，可以采用分段校正的方法或者采用拋物線校正方法。

在鉑電阻實(shí)際應(yīng)用中，電橋的電流通常在2～6mA范圍（主要是考慮到驅(qū)動功率和鉑電阻本身發(fā)熱問題）。

在工業(yè)現(xiàn)場鉑電阻距離儀表可能數(shù)十米，引線電阻就不能不加以考慮（更遠(yuǎn)的就離可采用變送器傳輸）。第35頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三三線制測量電路考慮連線電阻當(dāng)電橋平衡時，可寫出下面關(guān)系式RtR3R2R1wR2R1R3RtrrrUoUo第36頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

設(shè)計(jì)電橋時，滿足，則含有項(xiàng)完全消去，這種情況下連線電阻對橋路平衡沒有影響，即可消除熱電阻測量過程中連線電阻的影響。上面結(jié)論的前提是電橋處于平衡狀態(tài)，如果電橋處于非平衡狀態(tài)，三線制并不能完全消除連線電阻的影響，但大大降低了其影響。第37頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三熱電阻與熱電偶比較1.同樣溫度下熱電阻輸出信號較大，易于測量。2.測電阻必須借助外電源，熱電偶是自發(fā)式傳感器。3.熱電阻感溫部分尺寸較大，熱電偶工作端是很小的焊點(diǎn)，因而熱電阻測溫反應(yīng)速度比熱電偶慢。4.同類材料制成的熱電阻不如熱電偶測溫上限高。由于熱電阻必須用細(xì)導(dǎo)線繞在絕緣支架上，支架材料受到高溫限制。第38頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第39頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第40頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三一般而言，同一型號的熱敏電阻阻值存在3%~5%誤差，熱敏電阻常數(shù)也存在3%誤差。所以，熱敏電阻的一致性比較差。第41頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第42頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三9.3.3熱敏電阻基本參數(shù)1.標(biāo)稱電阻值標(biāo)稱電阻是熱敏電阻在25℃時的阻值2.材料常數(shù)B（K）

B值越大，則阻值越大，靈敏度越高。在工作溫度范圍內(nèi)，B值并不是一個嚴(yán)格的常數(shù)，它隨溫度升高略有增加。3.電阻溫度系數(shù)（%/℃）4.耗散系數(shù)H（mW/℃）熱敏電阻溫度變化1℃所耗散的功率。其大小與熱敏電阻的形狀、結(jié)構(gòu)以及所處介質(zhì)的種類、狀態(tài)有關(guān)。第43頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三5.時間常數(shù)時間常數(shù)定義為熱容量C與耗散系數(shù)H之比其數(shù)值等于熱敏電阻在零功率測量狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時熱敏電阻隨溫度變化量從起始點(diǎn)到最終點(diǎn)變化量的63.2%所需時間。6.測量功率Pc(W)

在規(guī)定的環(huán)境溫度下，電阻體由測量電流加熱而引起的電阻值變化不超過0.1%時所消耗的功率。7.最高工作溫度Tmax

熱敏電阻在規(guī)定的技術(shù)條件下，長期連續(xù)工作所允許的溫度。第44頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三9.3.4熱敏電阻的電流-電壓特性伏安特性是熱敏電阻的重要特性。它表示加在熱敏電阻上的端電壓和通過電阻體的電流在電阻本身與周圍介質(zhì)平衡時的相互關(guān)系。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻正溫度系數(shù)熱敏電阻伏—安特性伏—安特性第45頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

當(dāng)電流很小時（如小于Ia）時，元件的功耗小，電流不足以引起熱敏電阻發(fā)熱，元件的溫度基本上就是環(huán)境溫度T0。電壓與電流符合歐姆定律。隨著電流的增加，熱敏電阻的耗散功率增加，使工作電流引起的熱敏電阻自身的溫升超過介質(zhì)溫度，則熱敏電阻的阻值下降。當(dāng)電流為Im時，其電壓達(dá)到最大值Um。如電流繼續(xù)增加，熱敏電阻自身升溫更劇烈，使其阻值繼續(xù)減小，熱敏電阻的電壓隨電流的增加而降低。當(dāng)電流超過某一允許值時，熱敏電阻將被燒壞。第46頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三依據(jù)熱敏電阻的伏安特性可以正確的選擇熱敏電阻的正常工作范圍。一般熱敏電阻的適用范圍在-100～350℃之間。如果要求特別穩(wěn)定，最高溫度不要超過150℃根據(jù)熱敏電阻的伏安特性，可以設(shè)計(jì)不同用途的傳感器。第47頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三9.3.5熱敏電阻的非線性熱敏電阻特性的嚴(yán)重非線性，是擴(kuò)大測溫范圍和提高精度必須解決的關(guān)鍵問題。解決的辦法是，利用溫度系數(shù)小的金屬電阻與熱敏電阻串聯(lián)或并聯(lián)，使熱敏電阻在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系。ERxRtARtRtRxRxRyu第48頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三9.3.6熱敏電阻的應(yīng)用熱敏電阻的用途主要分為兩大類：一類是作為檢測元件，另一類是最為電路元件。熱敏電阻工作在伏—安特性曲線Oa段時，流過熱敏電阻的電流很小，電阻體溫度接近環(huán)境溫度。屬于這一類的應(yīng)用有溫度測量、電路元件的補(bǔ)償、濕度測量等。熱敏電阻工作在伏—安特性曲線bc段時，熱敏電阻受環(huán)境溫度和自身耗散功率影響，利用這段特性熱敏電阻作為開關(guān)元件使用。熱敏電阻工作在伏—安特性曲線cd段時，熱敏電阻的耗散功率使熱敏電阻溫度大大超過環(huán)境溫度第49頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三

利用這一區(qū)域的特性，熱敏電阻可用來作啟動電阻、時間繼電器以及流量測量等。1.測溫電路簡單測溫電路儀表或控制器現(xiàn)場熱敏電阻采樣電阻射隨器第50頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三2.管道流量測量

Rt1和

Rt2為熱敏電阻，

Rt1放入被測流量管道中；

Rt2放入不受流體流速影響的容器內(nèi)，R1和R2為一般電阻。4個電阻組成橋路。測量管道流量示意圖當(dāng)流體靜止時，電橋處于平衡狀態(tài)，電流計(jì)上沒有指示。當(dāng)流體流動時，Rt1上的熱量被帶走，Rt1因溫度變化引起阻值變化，電橋失去平衡，電流計(jì)出現(xiàn)示數(shù)，其數(shù)值與流體流速成正比。第51頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三3.熱電式繼電器下圖是一種應(yīng)用熱敏電阻組成的電機(jī)過熱保護(hù)線路。三只特性相同的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻串聯(lián)在一起，固定在電機(jī)三相繞組附近。熱電式繼電器電機(jī)正常工作時，繞組溫度較低，熱敏電阻阻值較大，三極管不導(dǎo)通，繼電器不動作。當(dāng)電機(jī)過載或某一相短路時，電機(jī)繞組溫度急劇上升，熱敏電阻阻值下降，三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，電機(jī)電路被斷開，起到保護(hù)作用。第52頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三4.溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償是利用熱敏電阻的溫度特性來補(bǔ)償某些具有相反電阻溫度系數(shù)的元件，從而改善電路對環(huán)境溫度變化的適應(yīng)能力，例如下圖。當(dāng)溫度升高使晶體管集電極電流Ic增加，同時由于溫度升高也使熱敏電阻阻值相應(yīng)減小，則晶體管基極電位Ub下降，使基極電流Ib減小，從而使集電極電流Ic減小，晶體管靜態(tài)點(diǎn)補(bǔ)償達(dá)到穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的目的。IbIC第53頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第54頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三第55頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三熱釋電型傳感器一般采用下面的電極結(jié)構(gòu)。熱釋電體受到調(diào)制頻率為f的輻射照射并吸收能量，使晶體溫度上升，自發(fā)極化強(qiáng)度按f周期變化，則表面束縛電荷的密度也按f變化，使晶體在垂直自發(fā)極化強(qiáng)度方向的兩個面上出現(xiàn)開路交流電壓。PsPs面電極邊電極第56頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三熱釋電傳感器應(yīng)用紅外線測溫、自動門、報(bào)警裝置等第57頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三集成溫度傳感器是將溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一個芯片上的溫度傳感器第58頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三1.AD590半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590三種封裝形式：T0-52封裝、陶瓷封裝（測溫范圍-50℃～+150℃）和T0-92封裝（測溫范圍0℃～+70℃）。T0-52封裝的AD590系列產(chǎn)品的外形和符號如圖所示，1腳為正極，2腳為負(fù)極，3腳接管殼（使用時將3腳接地，可起到屏蔽作用）。工作電壓4～30V,對應(yīng)于熱力學(xué)溫度T每變化1K，就輸出的1uA電流。132外形符號AD590第59頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三AD590測量電路uA-+++--mV9V9V第60頁，講稿共65頁，2023年5月2日，星期三2.數(shù)字輸出型溫度傳感器DS18B20DS18B20在管芯內(nèi)集成了溫敏元件、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片、存儲芯片和計(jì)算機(jī)接口電路等多功能模塊。DS18B20

直接輸出二進(jìn)制溫度信號，并通過串行方式與單片機(jī)通信。用其組成的測溫系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可靠性