《熱電式傳感器》課件

熱電式傳感器第一節(jié)熱敏電阻式傳感器第二節(jié)金屬熱電偶傳感器熱電式傳感器熱電式傳感器是利用某些材料或元件的物理特性與溫度有關(guān)這一性質(zhì)，將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電量的變化幾乎所有物質(zhì)的電阻率都隨其本身的溫度的變化而變化，這一物理現(xiàn)象稱為熱電阻效應利用熱電阻效應制成的溫度敏感元件稱為熱敏電阻

第一節(jié)熱敏電阻式傳感器1.1金屬熱電阻純金屬是熱電阻的主要材料，雖然大多數(shù)金屬都有一定的溫度系數(shù)，但是作為測溫元件的材料必須具有良好的線性、穩(wěn)定性和較高的電阻率常用的金屬熱電阻材料為鉑和銅

1.1金屬熱電阻在一定的溫度范圍內(nèi)，大多數(shù)金屬的電阻率幾乎與溫度成正比

1.1金屬熱電阻鉑電阻的電阻－溫度關(guān)系1.1金屬熱電阻銅電阻的電阻－溫度關(guān)系1.1金屬熱電阻金屬熱電阻的測溫電路是橋式測量電路誤差來源

引線電阻各觸點上的熱電動勢電流流過電阻元件產(chǎn)生的自熱效應1.1金屬熱電阻兩線制接法R1R2R3ERtGR4r2r1r3三線制接法1.2半導體熱敏電阻采用半導體材料制作的熱電阻負溫度系數(shù)型（NTC）：是由某些金屬氧化物的混合物高溫燒結(jié)而成，-3％～-5％/?C；正溫度系數(shù)型（PTC）：由鈦酸鋇和鈦酸鍶的混合物高溫燒結(jié)而成，10％～60％/?C臨界溫度系數(shù)型（CTR）1.2半導體熱敏電阻對于NTC型熱敏電阻，在不太寬的溫度范圍內(nèi)(低于450?C)1.2半導體熱敏電阻材料系數(shù)B半導體電阻溫度系數(shù)1.2.1電阻-溫度特性電阻－溫度特性曲線1081021041060電阻（Ω）NTCCTRPTC40801201601801.2.2伏安特性伏安特性

線性段

非線性正阻區(qū)

負阻區(qū)1.2.3半導體熱敏電阻的結(jié)構(gòu)半導體熱敏電阻的結(jié)構(gòu)1.2.4熱敏電阻的線性化線性化 在線性讀數(shù)的溫度計設(shè)計中，當所需要的溫度量程較大時，電阻－溫度特性的固有非線性嚴重影響了測溫精度線性化方法恒流源供電，并聯(lián)電阻恒壓源供電，串聯(lián)電阻1.2半導體熱敏電阻恒流源供電，并聯(lián)電阻將測溫范圍中點設(shè)置在拐點對上式求二階導數(shù)并令其等于零1.2半導體熱敏電阻恒壓源供電，串聯(lián)電阻同理可得串聯(lián)電阻1.5熱敏電阻測溫電路1.6熱敏電阻在生物醫(yī)學測量中的應用交流溫差電橋第二節(jié)金屬熱電偶傳感器1821年，德國物理學家塞貝克發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當兩金屬接觸處的溫度不同時，在回路中會產(chǎn)生電流，這就是熱電效應，也稱作“塞貝克效應（Seebeckeffect）”2.1工作原理熱電偶熱電極熱端（工作端）冷端（自由端）熱電勢EAB(T,T0)接觸電勢溫差電勢接觸電動勢若金屬A的自由電子濃度大于金屬B的，則在同一瞬間由A擴散到B的電子將比由B擴散到A的電子多，因而A對于B因失去電子而帶正電，B獲得電子而帶負電，在接觸處便產(chǎn)生電場。A、B之間便產(chǎn)生了一定的接觸電動勢。接觸電動勢的大小與兩種金屬的材料、接點的溫度有關(guān)，與導體的直徑、長度及幾何形狀無關(guān)。溫差電動勢對于任何一種金屬，當其兩端溫度不同時，兩端的自由電子濃度也不同。溫度高的一端濃度大，具有較大的動能；溫度低的一端濃度小，動能也小。因此高溫端的自由電子要向低溫端擴散，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端得到電子而帶負電，形成溫差電動勢，又稱湯姆森電動勢。溫差電動勢的大小取決于導體的材料及兩端的溫度。熱電偶的總電動勢回路中所產(chǎn)生的熱電動勢由兩部分組成，一部分是兩種導體的接觸電動勢，另一部分是單一導體的溫差電動勢eB(T,T0)ABTT0-eA(T,T0)eAB(T)eAB(T0)熱電偶的總電動勢eB(T,T0)ABTT0-eA(T,T0)eAB(T)eAB(T0)熱電偶的總電動勢由于在金屬中自由電子數(shù)目很多，溫度對自由電子密度的影響很小，故溫差電動勢可以忽略不計，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動勢。NAT和NAT0可記做NA，NBT和NBT0可記做NB

，則有逆向賽貝克效應電荷載體在導體中運動形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當它從高能級向低能級運動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運動時，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出

熱電偶的基本性質(zhì)熱電偶回路的熱電動勢只與組成熱電偶的材料及兩端接點的溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細、形狀無關(guān)只有用不同性質(zhì)的材料才能組合成熱電偶，相同材料不會產(chǎn)生熱電動勢。因為當A、B兩種導體是同一種材料時， ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0熱電偶的基本性質(zhì)只有當熱電偶兩端溫度不同時，不同材料組成的熱電偶才能有熱電動勢產(chǎn)生；當熱電偶兩端溫度相同時，不同材料組成的熱電偶也不產(chǎn)生熱電動勢，即EAB（T，T0）=0。導體材料確定后，熱電動勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使eAB（T0）=常數(shù)，則回路熱電動勢EAB（T，T0

）就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的基本原理熱電偶的基本性質(zhì)對于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，若各接點溫度分別為T1、T2……TN

，閉合回路總的熱電動勢為：2.1.2熱電偶的基本定則均質(zhì)回路定則 如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電動勢均為零；反之，如果有熱電動勢產(chǎn)生，兩個熱電極的材料則一定是不同的2.1.2熱電偶的基本定則中間金屬定則： 在熱電偶回路中接入第三種導體，只要第三種導體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變T0T0BTACT1CT0T1TAB2.1.2熱電偶的基本定則標準電極定則 如果兩導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也可知T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC2.1.2熱電偶的基本定則例1.熱端為100℃、冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為-4.0mV，求鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢？2.1.2熱電偶的基本定則中間溫度定則 熱電偶在兩接點溫度分別為T1和T3時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度分別為T1和T2和接點溫度分別為T2和T3時相應熱電動勢的代數(shù)和BBAT2T1

T3

AAB2.1.2熱電偶的基本定則中間溫度定則說明只要A、B組成的熱電偶在冷端溫度為零時的“熱電動勢—溫度”關(guān)系已知，則它在冷端溫度不為零時的熱電動勢即可知

例2.用鎳鉻-鎳硅熱電偶測某一水池內(nèi)水的溫度，測出的熱電動勢為2.436mV。再用溫度計測出環(huán)境溫度為30℃(且恒定)，求池水的真實溫度。溫度℃0102030405060708090熱電動勢mV00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.27432.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.91538.91539.31039.70340.09640.48840.879100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.35647.72648.09548.462120048.82849.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.39852.74753.09353.43953.78254.12554.46654.807——2.2熱電偶溫度計2.3熱電偶參比端的冷端補償當在原來熱電偶回路中分別引入與導體材料A、B相同熱電特性的材料C、D即引入所謂補償導線時，只要它們之間連接的兩點溫度相同，則總回路的熱電動勢與兩連接點溫度無關(guān)，只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。利用補償導線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室)。2.3熱電偶參比端的冷端補償熱電偶補償導線接線圖ABTTnTnCDT0T0M由于A與C、B與D的熱電特性相同，由熱電偶的基本性質(zhì)可知：eAC（Tn）=eBD（Tn）=0，則回路總電動勢為:2.3熱電偶參比端的冷端補償冰浴法mVABT銅導線銅導線試管補償導線熱電偶冰點槽冰水溶液T0儀表補償導線2.3熱電偶參比端的溫度補償電橋補償T1I2I1+ERSRTR3R1R2－ATT1BU用補償熱電偶可以使熱電偶不受接線盒所處溫度t1變化的影響如圖所示接法。試用回路電勢的公式證明E（t，t0）tt1t1t0作業(yè)ABCD第三節(jié)PN結(jié)溫度傳感器8.1.1二極管溫度傳感器為了擴大線性范圍，則可以采用差分對管二極管溫度傳感器測量電路——恒流源激勵8.1.2三極管溫度傳感器C1虛地R1溫敏三極管A+-ERCUbe溫敏三極管作為負反饋元件跨接在運放A的反相輸入端和輸出端，基極接地，集電極零偏，發(fā)射結(jié)正偏8.2集成溫度傳感器集成電路溫度傳感器是將作為感溫器件的溫敏三極管及其外圍電路集成在同一芯片上的集成化PN結(jié)溫度傳感器集成電路溫度傳感器感溫元件采用差分對晶體三極管，它能夠產(chǎn)生與溫度成正比的電流和電壓8.2集成溫度傳感器兩管必須采用不同的發(fā)射極面積γ故流過該電路的總電流為：電流輸出型電路8.2集成溫度傳感器電壓輸出型電路在電流鏡PTAT電路上加一個和VT3和VT4相同性質(zhì)的PNP管VT5R1的電壓降為：R1的電流為：只要R1:R2為一常數(shù)，就可以得到正比于溫度的輸出電壓U0模擬輸出型集成溫度傳感器電壓型——TMP36電流型——AD592數(shù)字輸出型集成溫度傳感器AD7415開關(guān)輸出型集成溫度傳感器TMP01TMP36供電電壓2.7～5.5V測溫范圍：-40～+1250C