第一章8.24(传感器原理与应用)

第一章温度传感器•一种将温度变化转换为电学量的装置，用于检测温度和热量，也叫热电式传感器。温度传感种类•温度-电阻：热电阻、热敏电阻等•温度-电势：热电偶、PN结式传感器•热辐射：热释电探测器、红外探测器•其他：光纤温度传感，液晶温度传感等等电阻型温度传感器•利用感温材料，把测量温度变化转为测量电阻变化。金属热电阻式（热电阻）半导体热电阻式（热敏电阻）金属热电阻•1.电阻温度系数a要高。纯金属合金•2.测温范围内，化学物理性能稳定•3.良好的线性输出特性•4.比较高的电阻率•5.可加工性。如铂，铜，铁，镍•几种正温度系数金属热电阻温度特性热敏电阻•热敏电阻是用某种金属氧化物为基体原料，加入一些添加剂，采用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的电阻器。•电阻温度系数比金属大很多。正温度系数PTC负温度系数NTC临界温度系数CTR•三类热敏电阻温度特性曲线PTC热敏电阻•电阻温度特性曲线突变型RT=R0exp(AT)缓变型RT=A+BTPTC热敏电阻•静态伏安特性曲线NTC热敏电阻•lnRT～1/T关系曲线NTC热敏电阻•静态伏安特性曲线CTR热敏电阻•负温临界热敏电阻在某一温度附近电阻值发生突变，在狭小的温度范围，阻值随温度增加降低3-4个数量级。半导体热电阻•半导体材料的电阻率对温度变化非常敏感，利用其电阻率随温度变化的特性可以实现温度传感。•半导体材料电阻率决定于载流子浓度和迁移率。•迁移率与温度关系：半导体载流子迁移率与载流子在电场作用下的散射机理有关。主要散射机构为：声波散射迁移率（晶格振动）电离杂质迁移率•电阻率与温度关系：本征半导体：本征载流子浓度决定杂质半导体：载流子浓度和迁移率决定硅热电阻硅热电阻•电阻-温度特性正向偏置偏置电流1mA室温25度1000Ω硅热电阻•电阻-电流关系偏置电流应小于1mA热敏电阻专业术语•零功率电阻在某一温度下测量热敏电阻值时,加在热敏电阻上的功耗极低,低到因其功耗引起的热敏电阻的阻值变化可以忽略不计.•额定零功率电阻R25额定零功率电阻指环境温度25℃条件下测得的零功率电阻值热敏电阻专业术语•温度系数α热敏电阻的温度系数定义为温度变化导致的电阻的相对变化.温度系数越大，反应越灵敏•最大电流Imax最大电流是指热敏电阻最高的电流承受能力.超过最大电流时热敏电阻将会失效。热敏电阻专业术语•居里温度Tc对于热敏电阻的应用来说,电阻值开始陡峭地增高时的温度是重要的,我们将其定义为居里温度.•动作电流Ik流过热敏电阻的电流,足以使热敏电阻自热温升超过居里温度,这样的电流称为动作电流.热敏电阻专业术语•最大工作电压Vmax最大工作电压是指在规定的环境温度下,允许持续地保持在热敏电阻上最高的电压.对同一类型而言,环境温度越高,最大工作电压值越低•额定电压VN额定电压是在最大工作电压Vmax以下的供电电压.通常Vmax=VN+15%热敏电阻的应用•医疗应用一般需在数字式温度计、培养(恒温)箱、皮肤传感器、导尿管、透析设备和呼吸器里使用来监测温度、血流或气流。•家电应用一般使用以各种包装的玻璃封装薄片来监测和控制烘箱、微波炉、淋浴器、空调器、冰箱、制冷机的温度和监控可充电镍铬电池上的温度热敏电阻的应用•电信应用一般进行温度补偿、温度监测与控制。典型应用包括开关设备，以及无绳电话、收音机、可充电电池的充电控制。•汽车应用被用作进气传感器、电池、发动机和传动温度传感器、空调和内/外环境温度传感器电阻式温度传感器应用•流量检测电阻式温度传感器应用•过热保护电阻式温度传感器应用•自动延时电阻式温度传感器应用•恒温箱控制热电偶•利用两种不同金属连接在一起，当结点处温度变化时，另两端产生电势变化的原理制成的传感器为热电偶热电效应•1823年赛贝克发现，把两种不同的金属组合闭合回路，且使其两触点处温度不同，回路中就会产生电流，这个物理现象称为赛贝克效应，也称热电效应。•帕尔帖效应汤姆逊效应帕尔帖效应•同温度的两种不同金属相互接触，由于金属内自由电子密度不同，在接触面附近产生一个稳定电势叫帕尔帖电势。汤姆逊效应•一均匀介质棒两端温度不同，导体的高、低温端有温度梯度，高温端自由电子有较高动能向低温端扩散，形成内建电场，内建电场的产生又使电子由低温端向高温端漂移，当扩散和漂移达到动态平衡时，两端的电势差叫汤姆逊电势。•参考端T0=0时，温度与热电势关系EA：镍鉻-镍铜EU：镍鉻-镍硅LB：铂铑-铂热电偶的基本定律•均质导体定律：两种均质金属组成的热电偶的电势大小与热电极的直径、长度及长度方向上的温度分布无关，与材料和温度有关。如果材料不均匀，将会产生无法估量的附加电势差。•标准电极定律两种金属组成热电偶电势可以用它们分别与第三种金属组成热电偶电势差来表示。工程上常以铂、铜为标准电势。•中间导体定律在热电偶参考端接入第三种均匀导体只要保证其两端温度大小，则不影响原来的回路热电势值。•中间温度定律热电偶接点温度T\T0，其热电势等于热电偶接点温度为T\Tn和Tn\T0相应电热势的代数和。热电偶的材料•在测量范围内，热电性质稳定，物理化学性质稳定，不易氧化和腐蚀。•热电势足够大，且热电势温度最好是线性或简单函数关系，测量精度高，误差小。•电阻温度系数小，电导率高。•材料复制性好，机械强度高，易加工。热电偶种类•标准化热电偶铂铑-铂：高温精密测量，中性介质测量镍鉻-镍硅、镍鉻-镍铝、镍鉻-考铜：热电势大，但测温范围小•非标准化热电偶铁-康铜、钨-铼系、铱-铑系：特殊用途，复制性差。热电偶结构•电极直径0.1-3.2mm•长度按实际情况定•电极之间用耐高温绝缘材料热电偶的实用电路•单点温度测量热电偶的实用电路•两点温差测量热电偶的实用电路•串联求和测量热电偶的实用电路•并联求平均温度半导体PN结温度传感器•半导体材料器件的性能参数，如电阻率、pn结的反向漏电流和正向电压等都与温度有密切的关系，利用它们对温度的敏感性制成半导体温度敏感器件，实现对温度的测量和补偿功能。二极管温度传感器•利用二极管pn结正向电压与温度的关系硅二极管，温度每升高1度，正向电压下降约2mV三极管温度传感器•三极管集电极电流Ic恒定，发射结上正向电压Vbe随温度上升而线性下降。集成温度传感器•集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一个芯片上的温度传感器，输出结果与绝对温度成正比，是理想的线性输出•集成温度传感器常采用对管差分电路设计。PTAT原理电路•ProportionalToAbsoluteTemperature优点：输出结果与绝对温度成正比，理想的线性输出。电压型PTAT•输出电压与温度成正比，由恒流源、PTAT及晶体管组成•常用的电压型温度传感器为四端输出型：调整输出温度系数为10mV/KV+，V-：基准电压Vout：电压输出表示KVin：偏置电压Vin=2.73V，Vout=0表示0oC电流型PTAT•输出电流与温度成正比，由恒流源、PTAT组成AD590•AD590工作电压4-30V，测温范围-55-150度输出电流和热力学温度严格成正比晶闸管•晶闸管的特点是可以用弱信号控制强信号。从控制的观点看，它的功率放大倍数很大，用几十到一二百毫安电流，两到三伏的电压可以控制几十安、千余伏的工作电流电压。•在许多晶体管放大器功率达不到的场合，它可以发挥作用。从电能的变化与调节方面看，它可以实现交流—直流、直流—交流、交流—交流、直流—直流以及变频等各种电能的变换和大小的控制。晶闸管类型•晶闸管有很多类型，比较常用的有普通晶闸管、高频晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、无控制晶闸管、光控晶闸管和热敏晶闸管。晶闸管结构与外形•晶闸管由PNPN四层半导体构成，其间形成三个PN结，引出三个电极，分别为阳极a、阴极k和控制极g。晶闸管栅极电流Ig控制通断阳极A，阴极K，栅极G温敏晶闸管•当温度升高时，J2结的反向漏电流指数增加，相当于在栅极注入电流“开关温度”温敏晶闸管温度控制•1.增大反向漏电流•2.利用栅极分路电阻,分流作用，増流作用半导体温敏计应用•温度控制热辐射温度计•根据物体的热辐射随温度变化测量温度，属于非接触测量，不干扰温度场，不受腐蚀。•全辐射高温计：用绝对黑体接受全部热量•光学高温计：物体的亮度表示热辐射大小•光电高温计：光电流表示热辐射大小•比色温度计：单色辐射强度比随温度变化•热敏电容：利用陶瓷电容的介电常数随温度变化测量。•石英温度计：改变切割方法的石英振子的共振频率随温度变化。•表面波温度计：由表面波器件和电路组成振荡器，振荡频率随温度变化•超声波温度计：石英振子发出的超声波在被测气体中频率随温度变化•谐振式温度计：材料的弹性和密度随温度变化，其制成的谐振器频率是温度的函数。•音叉式水晶温度计：利用振动频率与温度的关系，可以作为基准。•光纤辐射温度计：黑体辐射定律，被动测量•荧光光纤温度计：荧光物质受激发射某些谱线强度随温度变化。总结•热电阻型•热电偶型•PN结型