第二章温度传感器

2.1温标及测温方法2.1.1温标经验温标:1.摄氏温标;2.华氏温标;3.列氏温标。摄氏、华氏、列氏温度之间的换算关系为C=(5/9)*(F-32)=(5/4)R热力学温标:1848年威廉.汤姆首先提出以热力学第二定律为基础建立起来的温度仅与热量有关而与物质无关的热力学温标。因是开尔文总结出来的故又称为开尔文温标，用符号K表示。国际实用温标2.1温标及测温方法2.1.2温度检测的主要方法及分类温度检测方法一般可以分为两大类，即接触测量法和非接触测量法。常用的测温方法、类型及特点如表2.1.1所示。2.2电阻式温度传感器热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度的变化而变化的原理制成的，实现了将温度的变化转化为元件电阻的变化。有金属（铂、铜和镍）热电阻及半导体热电阻（称为热敏电阻）。2.2.1金属热电阻传感器1、热电阻类型:金属热电阻主要有铂电阻、铜电阻和镍电阻等,其中铂电阻和铜电阻最为常见。(1)铂热电阻：在-200～0℃的范围内在0～850℃的范围内(2)铜热电阻：可表示为2.2电阻式温度传感器2、热电阻的结构:热电阻主要由电阻体、绝缘套管和接线盒等组成。3、热电阻传感器的测量电路(1)三线制(2)四线制2.2电阻式温度传感器2.2.2半导体热敏电阻传感器热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。1、特性：温度特性和伏安特性NTC型、PTC型、CTR型三类热敏电阻的特性曲线如图2.2电阻式温度传感器2.2电阻式温度传感器2、热敏电阻的主要参数标称电阻值RH、耗散系数H、电阻温度系数α、热容量C、时间常数τ2.2电阻式温度传感器3、热敏电阻的特点:灵敏度高,体积小、热贯性小、结构简单，化学稳定性好，机械性能强，价格低廉，寿命长，热敏电阻的缺点是复现性和互换性差，非线性严重，测温范围较窄，目前只能达到-50～300℃。4、热敏电阻的应用:（1）温度测量（2）温度补偿（3）温度控制（4）过热保护2.3薄膜热传感器2.3.1金属薄膜热电阻1、薄膜热传感器的结构基片敏感膜引线WL2.3薄膜热传感器2、薄膜热电阻的测温机理铂热电阻在－200～0℃范围内的电阻与温度的关系近似地表示，即])100(1[3o20tCtCBtAtRRt2.3薄膜热传感器2.3.2多晶硅薄膜热电阻1、结构2、测温机理）（）（）（）（TKqUTKKTKKTKKTBCBA003030exp12.4热电偶传感器2.4.1热电偶测温原理1、热电偶的特点2、热电偶的分类（1）热电偶材料分（2）按用途和结构分3、热电偶的测温原理:热电偶测温是基于热电效应，在两种不同的导体（或半导体）A和B组成的闭合回路中，如果它们两个接点的温度不同，则回路中产生一个电动势，通常我们称这种现象为热电势，这种现象就是热电效应。2.4热电偶传感器当热电偶材料一定时，热电偶的总电势成为温度T和T0的函数差。即如果使冷端温度T0固定,则对一定材料的热电偶，其总电势就只与温度T成单值函数关系，即)()(),(00TfTfTTEAB)()(),(0TCTfTTEAB2.4热电偶传感器由此可得有关热电偶的几个结论(1)热电偶必须采用两种不同材料作为电极，否则无论热电偶两端温度如何，热电偶回路总热电势为零。(2)尽管采用两种不同的金属，若热电偶两接点温度相等，即T=T0，回路总电势为零。(3)热电势只与结点温度有关，与中间各处温度无关。2.4热电偶传感器4、热电偶基本定律（1）均质导体定律（2）中间导体定律（3）中间温度定律（4）标准电极定律2.4.2热电极材料及常用热电偶1、热电极材料2、标准热电偶（1）铂铑10-铂热电偶(S型)（2）铂铑30-铂铑6热电偶(B型)（3）镍铬-镍硅(镍铬-镍铝)热电偶(K型)（4）镍铬-考铜热电偶（E型）3、非标准热电偶（1）钨铼系（2）铱铑系（3）镍钴-镍铝2.4热电偶传感器2.4.3热电偶的结构1、普通型热电偶:通常都是由热电极、绝缘材料、保护套管和接线盒等主要部分组成。2、铠装热电偶:铠装热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管经拉伸加工而成的组合体，其结构分单芯和双芯两种。2.4热电偶传感器2.4.4热电偶冷端温度补偿1、补偿导线法:常用热电偶的补偿导线参见表2.4.2。2、计算法:3、补偿电桥法:补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，如图所示。4、冰浴法5、软件处理法2.4热电偶传感器2.4.5热电偶常用测温线路1、测量某点温度的基本电路2、测量两点之间温度差的测温电路3、测量多点的测温线路4、测量平均温度的测温线路:其缺点是当某一热电偶烧断时，不能很快地觉察出来。5、测量几点温度之和的测温线路:优点是热电偶烧坏时可立即知道，还可获得较大的热电动势。2.5辐射式温度传感器2.5.1辐射测温的物理基础辐射式温度传感器是利用物体的辐射能随温度变化的原理制成的。1、热辐射:物体受热，激励了原子中带电粒子，使一部分热能以电磁波的形式向空间传播，它不需要任何物质作媒介（即在真空条件下也能传播），将热能传递给对方，这种能量的传播方式称为热辐射（简称辐射），传播的能量叫辐射能。辐射能量的大小与波长、温度有关。2、黑体:所谓黑体是指能对落在它上面的辐射能量全部吸收的物体。2.5辐射式温度传感器3、辐射基本定律（1）普朗克定律:普朗克定律揭示了在各种不同温度下黑体辐射能量按波长分布的规律，其关系式（2）斯忒藩-波耳兹曼定律:斯忒藩--波耳兹曼定律确定了黑体的全辐射与温度的关系如上。此式表明，黑体的全辐射能是和它的绝对温度的四次方成正比，所以这一定律又称为四次方定律。把灰体全辐射能E与同一温度下黑体全辐射能E0相比较，得到物体的另一个特征量ε1),(2510TCeCTE40TE2.5辐射式温度传感器2.5.2辐射测温方法1.亮度法:是指被测对象投射到检测元件上的是被限制在某一特定波长的光谱辐射能量，而能量的大小与被测对象温度之间的关系是普朗克公式所描述的一种辐射测温方法，即比较被测物体与参考源在同一波长下的光谱亮度，并使二者的亮度相等，从而确定被测物体的温度，典型测温传感器是光学高温计。2.5辐射式温度传感器2.全辐射法:全辐射法是指被测对象投射到检测元件上的是对应全波长范围的辐射能量，而能量的大小与被测对象温度之间的关系是由斯忒藩—波耳兹曼所描述的一种辐射测温方法，典型测温传感器是辐射温度计（热电堆）。2.5辐射式温度传感器3.比色法:被测对象的两个不同波长的光谱辐射能量投射到一个检测元件上，或同时投射到两个检测元件上，根据它们的比值与被测对象温度之间的关系实现辐射测温的方法，比值与温度之间的关系由两个不同波长下普朗克公式之比表示，典型测温传感器是比色温度计。2.6石英晶体测温传感器石英晶体谐振器的等效电路温度与频率的关系3020000)()()(TTCTTBTTAfffT2.6石英晶体测温传感器石英晶体数字温度计的原理框图如图晶体探头晶体基准振荡器振荡器混频器低通滤波器数字显示计数器计数间隔f－f0f±f0f2.7光纤传感器2.7.1光纤传感原理1、光纤结构:光纤为玻璃光纤，其结构如图所示，它由导光的纤芯及其周围的包层组成，包层的外面常有塑料或橡胶等保护套。包层折射率n1略小于纤芯折射率n2，它们的相对折射率差Δ通常Δ为0.005～0.14这样的构造可以保证入射到光纤内的光波集中在芯子内传播。121nn2.7光纤传感器2、工作原理:光纤工作的基础是光的全反射。当端面入射的光满足全反射条件时即使用时应使入射光处于2θc的光锥角内，光纤才能理想地导光。否则，这些光线便从包层中逸出而产生漏光。3、光纤分类:按传输的模式分为单模和多模两类。)(sin121nnc212221212122100)()1(sinnnnnnn2.7光纤传感器2.7.2光纤温度传感器光纤温度传感器按其工作原理可分两大类：功能型和非功能型。1、功能型:功能型也称物性型或传感型，是利用其某种参数随温度变化的特性作为传感器的主体，即将其作为敏感元件进行测温。2.7光纤传感器2、非功能型:非功能型也称结构型或传光型，光纤在这类传感器中只是作传光的媒质，还须要加上其它的敏感元件才能构成传感器。2.8集成数字温度传感器集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流与电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成化，并把它们装封在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。一般只能用来测50℃以下的温度。2.8.1集成温度传感器工作原理及分类1、工作原理nqKTRRUoln122.8集成数字温度传感器2、分类电压型、电流型、数字输出型，典型的电压型集成电路温度传感器有μPC616A／C，LM135，AN670l等；典型的电流型集成电路温度传感器为AD590，LM134；典型的数字输出型传感器有DS1B820，ETC-800等。2.8集成数字温度传感器2.8.2电压型集成温度传感器μPC616A／C四端电压输出型传感器框图:6.85VPTAT电路－＋运放10mV/K50kU＋U－输出输入2.8集成数字温度传感器基本应用电路输入输出＋15VR18.2kU＋U－Uo(10mV/K)(a)正电源输入输出U＋U－Uo(－10mV/K)(b)负电源－15V2.8集成数字温度传感器温度检测电路输入输出＋15VR112kU＋U－Uo(10mV/℃)(a)CR327kR439kRw5kR25.6k－15V输入输出U＋U－(b)－15VR220k－＋Rw100kR17.5kR320kUo(10mV/℃)＋15V2.8集成数字温度传感器2.8.3电流型集成温度传感器AD5901、性能特点线性电流输出工作温度范围两端器件工作电压器件本身与外壳绝缘2、简单应用：温度测量2.8集成数字温度传感器2.8.4数字输出型传感器DS18201、DS1820的主要特性2、DS1820的结构内部结构：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器HT和HL、配置寄存器。精品课件！精品课件！2.8集成数字温度传感器3、DS1820工作原理