温度传感器介绍及应用

温度传感器介绍及应用接触式：技术成熟、精度高、种类多热膨胀、热电势（热电偶）、热电阻、PN结型非接触式：不需接触，速度快，没有上线温度，误差大光学高温，热辐射式、热释电主要内容2.1热电势式测温传感器2.22.3PN结型测温传感器2.4集成电路温度传感器2.52.1热电势式温度传感器2.1.1工作原理热电效应：两种不同的导体两端接触构成闭合回路，当两接点温度不等（T＞T0）时,回路中就会产生电动势,从而形成热电流。热电势热电势热电偶回路中产生的电势热电势分成两部分：接触电势和温差电势热电偶接触电势不同到时接触时，由于自由电子密度不同，电子会从密度大的金属扩散到密度小的金属，从而形成内建电场，产生电动势当金属A和B紧密连接时,假如：NA＞NB。在单位时间内,由导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数多。于是,在接触表面上便形成了一个电场,在A、B之间形成一个电位差,即电动势接触电势的大小BTATBTATABNNeTkUUTeln)(0k0——波兹曼常数T——接触处的绝对温度（K）NA,NB——材料A、Be——电子电荷量,e=1.602×10-19C0000ln)(ln)(0000BTATBTATABBTATBTATABNNeTkUUTeNNeTkUUTeEAB（T,T0）=eAB(T)-eAB(T0)若A为正极,B为负极(1)若热电偶两电极材料相同,则无论两接点温度如何,(2)若热电偶两接点温度相同,尽管A、B材料不同,回(3)热电偶产生的热电势只与材料和接点温度有关,与热电极的尺寸、形状等无关。AB热电偶标定EAB（T,T0）=eAB(T)-eAB(T0)0000ln)(ln)(0000BTATBTATABBTATBTATABNNeTkUUTeNNeTkUUTeBAABBANNeTTkENNln)(00与温度无关：、假如所以标定热电偶时，一般既定T0为常数，此时eAB(T0)=CEAB（T,T0）=eAB(T)-C=f（T）-C=Φ（T）热电势与温度关系曲线（T0=0℃）非线性，温度上限2.1.2热电偶中加入第三导体如果在热电偶中加入第三种材料，只要第三种材料两端的温度相等，对热电偶的总的热电势就没有影响。在图2.3(a)中,2、3两点温度相同,回路中总电势EABC（T,T0）=eAB（T）+eBC（T0）+eCA（T0）当回路中各接点温度相同时,总电势为零,即EABC（T0,T0）=eAB（T0）+eBC（T0）+eCA（T0）=0eBC（T0）+eCA（T0）=-eAB（T0）EABC(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=EAB(T,T0)只要第三种材料两端的温度相等，对热电偶的总的热电势就没有影响。2.1.4热电偶冷端温度误差及补偿热电偶通常测量的是两个热源的温度差EAB（T,T0）=eAB(T)-eAB(T0)由于输出电压与温度成非线性关系，因此对任何一个实际的热电偶，并不是有精确地关系式确定其特性，而是使用特性分度表。分度表EAB（T,T0）=eAB(T)-eAB(T0)实际测量中的补偿措施0℃恒温法冷端补偿法采用不需要冷端补偿的热电偶补正系数修正法1、0℃恒温法（实验室用）2、冷端补偿法采用：四臂电桥取T0=20℃时电桥平衡：R1=R2=R3=RCu0)(3231ERRRRRRUCuCuab)20()(ABABabeTeUU)20()(ABABeTeERRRRRRUCuCuab)(3231)20()20()(nABABABabTeeTeUU当T0上升（如T0=Tn）采用合适的RCu使得)20(nABabTeU)20()(ABABeTeU3.采用不需要冷端补偿的热电偶下列情况可以不考虑冷端误差：镍钴-镍铝热电偶在300℃以下镍铁-镍铜热电偶在50℃以下铂铑30-铂铑6热电偶在50℃以下只要冷端温度在上述范围内，不需考虑冷端补偿。4、补正系数修正法设冷端温度为tn,工作端测得温度场的温度为t1,其实际温度应为t=t1+ktn式中k为补正系数工程上常用补正系数修正法实现补偿。表2.1例：用镍铬-考铜热电偶测得某温度场温度为600℃,此时,冷端温度为30℃，则温度场的实际温度为：t=600℃+0.78×30℃=623.4℃这一修正过程可以采用单片机的智能系统自动完成。2.1.5热电偶的结构、种类及特性热电偶的结构:装配式热电偶铠装热电偶装配热电偶装配简单，抗振性能好，机械强度高，耐压性能好，测温范围大，0℃-1800℃铠装热电偶铠装热电偶具有能弯曲、耐高温、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，测温范围：0℃～1100℃热电偶的种类K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中；不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中。S分度号的特点：抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1400℃，短期1600℃。在所有热电偶中，S分度号的精确度等级最高，通常用作标准热电偶2.1.6热电偶的测量电路低通滤波放大倍数？K、J、E、T型热电偶产生的相对于基准点冷端（0℃假如放大倍数为240.94，0℃-600℃为量程，求非线性误差？K型热电偶的非线性误差测量值TV拟合值TV%100....SFSFTTTTVAVAVA%100....SFSFTTTTVAVAVA非线性误差K型热电偶的线性校正电路和元件表线性校正Uout=-7.76+Ua-5.56×10-6Ua2K型热电偶校正前后温度误差特性比较2.2热电阻式温度传感器原理：材料（金属、半导体）的电阻随温度的变化而变化。分类：金属热电阻传感器、半导体热敏传感器2.2.1金属热电阻一、电阻温度特性关系1、电阻与温度的关系如下：大多数金属导体的电阻随温度而变化关系：Rt=R0［1+α(t-t0)］式中：Rt,R0——分别为热电阻在t℃和t0℃时的电阻值；α——热电阻的电阻温度系数（1／℃t——被测温度（℃）。2、铂电阻与温度的关系如下：Rt=R0［1+At+Bt2+C(t-100)t3］当0℃t850℃时，Rt=R0(1+At+Bt2)式中：R1——在t℃时的电阻值；R0——在0℃时的电阻值。当-200℃t0℃时，图2铂电阻与温度的曲线按照国际电工委员会IEC751国际标准，铂电阻的温度系数为：TCR=0.003851,其中：10000TCR100RRR并且规定了统一设计型铂电阻：Pt100、Pt10003、铜电阻与温度关系大多数金属导体的电阻随温度而变化关系：Rt=R0［1+α(t-t0)］表：主要金属感温电阻器的性能分度表对比二、结构：装配式和铠装式常用电路三线式测温电阻实例3、注意事项测温范围：-200～+600℃、精度高,适于测低温。使用时注意：1）电阻总要消耗一定的电功率,加热电阻，导致误差。需要尽量减小因电阻器自热而引起的误差。一般是限制电流,规定其值应不超过6mA。2）引线电阻的影响由于金属电阻器本身的电阻值很小,所以引线的电阻值及其变化就不能忽略。利用电桥消除部分影响1.半导体半导体SiSiSiSiSiSiSiSi2.2.2半导体热敏电阻n型半导体在n型半导体中电子……多数载流子SiSiSiSiSiSiSiP空穴……少数载流子P型半导体SiSiSiSiSiSiSi+B在p型半导体中空穴……多数载流子电子……少数载流子NTC：负电阻温度系数热敏电阻PTC：正电阻温度系数热敏电阻CTR：临界温度电阻0011exptRRBTTNTC的温度特性：Rt、R0——分别为T和T0时的热敏电阻值；B——材料常数，2000～6000K，与材料本身性质和温度有关T——被测温度（K）。2、分类及特性为热敏电阻的温度系数α,0202d11111{expdtttRaRBBRTRTTTBT3、使用注意事项（1）电阻与温度呈指数规律1）线性化网络2）利用电子装置中其他部位修订3）计算修正法线性化网络热敏电阻的线性化网络（2）热敏电阻的稳定性和老化问题1）现在已制出300℃以下可以忽略老化问题的产品2）不同厂家差别很大3）一般来说，PTC优于NTC和CTR4、应用举例电动机过热保护装置组成电路原理：～220V7812KV1R1RwS～Rt1Rt2Rt3V2负温度系数正常运转温度低，热敏电阻阻值高三极管V1截止继电极K不动作电极过载温度高，热敏电阻阻值降低三极管V1导通继电极K动作S闭合，红灯亮，警告