模块四--温度传感器及其应用

模块四温度传感器及其应用课题一热敏材料的特性任务目标★掌握常用金属热电阻的工作原理，理解热电阻传感器的三线制接法；★掌握半导体热敏电阻的工作原理，了解其应用；★掌握热电偶的工作原理、常用的三个基本定律，了解常用热电偶材料特性。一、温度传感器概述1、三种温度表示方法摄氏温标：规定在标准大气压下纯水的冰融点为0℃，水沸点为100℃，中间分100等份，每一等份定义为1℃；华氏温标：规定在标准大气压下纯水的冰融点为32℉，水沸点为212℉，中间分180等份，每一等份定义为1℉；热力学温标：规定分子运动停止时的温度为绝对零度，水的三相点（纯水、纯冰、水蒸汽共存平衡状态，其温度为0.01℃）为273.16K，每1K的温度间隔与每1℃的温度间隔相等。2、温度传感器的工作机理温度传感器一般是利用材料热敏特性，实现由温度到电参量的转换。3、温度传感器的分类根据使用方式，温度传感器通常分为直接接触式温度传感器和非接触式温度传感器。热电阻传感器、热电偶传感器、集成温度传感器均属于接触式温度传感器；红外温度传感器属于非接触式温度传感器。二、热电阻及热敏电阻传感器热电阻传感器主要利用金属材料或氧化物半导体材料的电阻值随温度变化这一特性来测定温度，前一种称热电阻，后一种称热敏电阻，一般统称热电阻。作为测量温度的热电阻材料应具备以下特点：①高的温度系数、高电阻率以提高灵敏度及缩小传感器体积。②物理、化学性能稳定，以确保在温度检测范围内其电阻温度特性不变。③良好的输出特性，即电阻值随温度的变化尽量接近线性。④良好的加工工艺性。目前作为热电阻的材料主要有铂、铜、镍、铁等，热敏电阻主要是半导体材料，如钼、镍、钴等氧化物及其烧结体。1．热电阻通过试验发现热电阻材料的电阻率与温度的关系近似为2tabtct（4-1）式中——温度t时的电阻率；t——温度（℃）；a、b、c——由实验确定的常数。t对于电阻丝ttttlRS（4-2）其中（4-3）式中，为线膨胀系数，一般为数量级。510Rt与t为近似线性关系，据此就可利用这些金属材料来作测温传感器。在我国作为工业标准的铂电阻温度计，它的电阻和温度的关系如下：在-200~0℃范围内2301(100)tRRatbtctt在0~850℃范围内201tRRatbt式中R0——0℃时的热敏电阻阻值；33.9684710a75.84710b124.22010c由于b、c远小于a,可见Rt近似与t近似成线性关系。由于铂是贵金属，因此工业上常用铜来作为温度传感器材料，在-50~150℃范围内它的电阻和温度几乎成线性。其他如镍、铁等材料电阻温度系数均较高，电阻率也较高，因此也适宜作为测温传感器材料，不过要注意它们的使用温度区间，克服铜﹑铁易氧化等缺点。近年来一些新热电阻材料相继被采用。在具体选用何种材料作为温度传感器材料时，主要考虑它的阻温特性﹑灵敏度﹑热容量、稳定性及价格等。我国最常用的铂热电阻有R0=10欧姆和R0=100欧姆两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100；铜热电阻有R0=50欧姆和R0=10欧姆两种，它们的分度号分别为Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50的应用最为广泛。表4-1常用热电阻材料的特性热电阻传感器主要用于-200~+500℃的低温温度测量，其主要特点是测量精度高、性能稳定。随着技术的发展，热电阻也可用于低至1~3K高至1000~1300℃的温度测量。热电阻测温时，需要电源，要求电源是恒流源，或者是恒压源，并且热电阻上的工作电流不能大，否则自热引起温度升高影响结果。在与仪表或放大器连接时主要有三种引线方式：二线制、三线制、四线制。二线制：在热电阻的两端各连接一根导线的连接方式叫二线制。这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度等因素有关，且随环境温度变化，造成测量误差。因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。三线制：在热电阻根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制。这种方式通常与电桥配套使用，热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线也成为桥臂电阻的一部分。三线制接法这种接线方法如图4-1（a）所示，将一根导线接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上。这种方法可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中最常用的接线方法。四线制：在热电阻根部的两端各连接两根导线的方式称为四线制。接线方法如图4-1（b）所示，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把Rt转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。这种引线方式可完全消除引线电阻影响，主要用于高精度的温度检测。四线制接法由金属氧化物的粉未按照一定比例烧结而成的热敏电阻，是近年来应用较广的一种半导体测温元件，它的工作原理和热电阻相似，即在一定的温度作用下，热敏电阻的阻值将随之变化，将此变化转换为电量输出。2．热敏电阻不过热敏电阻阻值随温度变化的关系不像热电阻成代数关系，而是呈现复杂的指数关系。按其对温度的不同反应特性，一般分三类：①电阻值随温度升高而下降的负温度系数热敏电阻（NTC）；②电阻值随温度升高而升高的正温度系数热敏电阻（PTC）；③电阻值在某一温度附近发生突变的临界温度系数热敏电阻（CTR）。热敏电阻具有的主要特点是：热敏电阻温度系数大﹑灵敏度高，约为热电阻的10倍或更高；热敏电阻结构简单﹑体积小，可用来测量点的温度；电阻率高﹑热惯性小，适宜动态测量；工作温度范围宽，常温器件适用于-55~+315℃，低温器件适用于-273~+55℃；易于维护﹑制造简单﹑寿命长。主要缺点是阻温关系是非线性的。负温度系数热敏电阻阻温关系：0(11)0nBttttRRe正温度系数热敏电阻阻温关系：0()0PBttttRRe式中Rt、Rt0——温度为t、t0时热敏电阻的阻值；Bn、Bp——负、正温度系数热敏电阻的材料常数。图4-2热敏电阻的阻温特性曲线热敏电阻的应用相对热电阻较为广泛，在家电、汽车、办公设备、农业、医疗及测量仪器等方面都有应用，除了用于温度测量，还常用于温度补偿或其他物理量的测量和控制。热敏电阻传感器在温度补偿方面的应用：图4-4热敏电阻传感器在温度补偿方面的应用电路选用NTC热敏电阻传感器实现晶体管静态工作点稳定。由图可知，当温度升高时晶体管集电极电流ICQ增加，同时由于温度升高负温度系数的热敏电阻Rt阻值相应减小，则晶体管的基极电位VB下降，从而使基极电流IBQ减少，进而使ICQ下降。合理选择热敏电阻，则可使静态工作点Q稳定。热敏电阻（PTC）传感器在电机启动中的应用：图4-5热敏电阻（PTC）控制电机原理图若电机启动需要较大功率，而工作时所需功率较小，则可采用附加启动线圈来实现。在刚启动时，热敏电阻（PTC）的阻抗远小于启动线圈L2，不影响L2的工作；启动后，因电流作用热敏电阻温度升高，其阻值远大于L2的阻抗，从而切断启动线圈，此后仅工作线圈L1工作。可见热敏电阻（PTC）传感器在此相当于一个无触点开关。三、热电偶传感器两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由塞贝克（See－back）发现,所以又称塞贝克效应。回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。热端冷端1．热电偶的工作原理接触电势示意图（NAtNBt）接触电势为：ATAB0BTlnNkTeqN式中T——接点处的绝对温度，单位为K，T=t+273.15；k——玻耳兹曼常数，k=1.38×10-23J/k；q0——电子电量，q0=1.6×10-19C。（4-8）（1）两种不同导体的接触电势（2）导体的温差电势温差电势（tt0）000(,)dTATTkettTq温差电势为：式中，T、T0分别是摄氏温度t、t0所对应的绝对温度；为汤姆逊系数（又称温差系数），它表示导体两端温差1℃时温差电势的大小。不同材料的汤姆逊系数不同，同种材料，温度不同时汤姆逊系数也不相同。T（3）回路总电势由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为t、t0,如果t＞t0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：图4-9热电偶回路热电势示意图由此可得如下结论：①如果热电偶两极材料相同，即使两端温度不同，则闭合电路的总电势仍为零，即组成热电偶的两极材料必须为不同材料。②如果热电极材料不同，但两端温度相同，可见式（4-10）仍为零，即闭合回路热电势仍为零。③热电偶闭合回路热电势只与两结点温度有关，而与回路中间的温度无关。（4-10）ABtt00000000(,)[()()][(,)(,)]()(,)()(,)ABABABBAABBABAEttetetettettetettetett（4）热电偶三定律1）中间导体定律在电极为A和B材料组成的热电偶回路中接入第三种导体C，只要导体C两端温度相同，则此导体的接入不会影响原来热电偶回路的热电势。图4-10中间导体定律示意图该定律有两个应用：①冷端引入导线和仪表，如图4-10所示。根据式（4-10）可知，热电势00000000000000000000(,)()()()(,)(,)()(lnln)(,)(,)()()(,)(,)()()(,)(,)(,)ABCABBCCAABBtCtABABCtAtABBAABABABABABEttetetetettettNNkTetettettqNNetetettettetetettettEtt（4-11）由式（4-11）可知，在测量热电势时只要保证引入导线和仪表处在T0温度场中，就不会影响热电偶输出。②热端开路测量。如果将热端开路成为两个接点，只要保证两个接触点温度一致即可。2）中间温度定律。如图4-11所示，在任何两种匀质材料组成的热电偶回路中，热端温度为、冷端温度为时的热电势等于该热电偶热端为、冷端为时的热电势与同一热电偶热端为，冷端为时的热电势的代数和。用式子表示为t0t0(,)ABEttttt(,)ABEtt0t0(,)ABEtt00(,)(,)(,)ABABABEttEttEtt（4-12）式中——中间温度。t图4-11中间温度定律示意图中间温度定律主要有两个应用：①冷端修正（又称冷端温度补偿）。热电偶的热电特性（即热电势与温度的关系）是采用分度表的形式给出的，国际标准热电偶分度表规定冷端标准温度为0℃，但一般测试中冷端温度不为0℃，这时用式（4-12）进行补偿计算，即(,0)(,)(,0)ABABABEtEttEt（4-13）式中——环境温度，即热电偶实际冷端温度；——实际测得的热电偶热电势；——在环境温度为时应加的修正值，只要已知，可由热电偶分度表查到。t(,)ABEtt(,0)ABEt②为补偿导线提供了理论依据。若热电偶的两热电极被两根导体延长，只要接入的两根导体组成的热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。3）参考电极定律由热电极A、B分别与参考电极C（与A、B不相同的第三种导体）组成的热电偶结点温度为t,t0时，热电势分别为和，那么在相同温度下由A、B组成的热电偶电动势存在以下关系式AC0(,)EttBC0(,)EttAB0(,)EttAB0AC0BC0(,)(,)(,)EttEttEtt（4-14）参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作。2．常用热电偶及其结构（1）常用热电偶材料适于制造热电偶的材料有几百种，但国际电工委员会只推荐其中七种为标准化热电偶。（2）热电偶常用结构根据所测温度场的不同一般热电偶可制成铠装型或薄膜型等。薄膜型热电偶的热惯性小，动态响应快，可测瞬变温度。这两种热电偶的结构如图所示。热电偶的热电势与温度的关