第6章 温度传感器

1、第六章第六章 温度传感器温度传感器本章学习要求：本章学习要求：1. 掌握热电偶传感器的工作原理、基本定律、冷端掌握热电偶传感器的工作原理、基本定律、冷端补偿及工程应用；补偿及工程应用； 2. 掌握热电阻传感器的工作原理、特点及工程应用；掌握热电阻传感器的工作原理、特点及工程应用；3. 了解了解PN结温度传感器的工作原理及工程应用；结温度传感器的工作原理及工程应用；4. 了解集成温度传感器的类型及工程应用。了解集成温度传感器的类型及工程应用。传感器与检测技术传感器与检测技术6.1 热电偶传感器热电偶传感器一、一、 工作原理：工作原理：热电效应（温度热电效应（温度热电势）热电势） 两种不同导体两种

2、不同导体(或半导体或半导体)A和和B，串联组成一个闭合回路，串联组成一个闭合回路，当当两个接点温度不同两个接点温度不同时，回路中就会产生热电势，这一现象时，回路中就会产生热电势，这一现象称为热电效应。称为热电效应。第六章第六章 温度传感器温度传感器热电极热电极测温端测温端参考端参考端 (冷端冷端)1300100(CBAABln)(NNqkTTE k 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数(1.3810-23J/K)；q 电子电荷量电子电荷量(1.610-19C)；NA，NB 导体导体A和和B的自由电子密度。的自由电子密度。BA00ABln)(NNqkTTE 1. 接触电势：接触电势： 导体材料不同，电子扩散

3、导体材料不同，电子扩散(NANB)。AT0BT6.1 热电偶传感器热电偶传感器2. 温差电势：温差电势：接点温度不同，温度扩散接点温度不同，温度扩散(T T0)。 TTdTTTE0A0A),( TTdTTTE0B0B),( 汤姆逊系数，与材料性质和两端温度有关。汤姆逊系数，与材料性质和两端温度有关。 A B ， 当热电偶材料一定，冷端温度时，总热电势为当热电偶材料一定，冷端温度时，总热电势为热端温度热端温度 的单值函数的单值函数(分度表分度表)。CT00 TABTT0 TTkNTTdTqN0A0ABB()ln() ET TAB0( ,)6.1 热电偶传感器热电偶传感器二、二、 热电偶的基本定律

4、热电偶的基本定律2. 中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要被接入导被接入导体的两端体的两端温度相等，则热电偶回路的总热电势不变。温度相等，则热电偶回路的总热电势不变。故故热电热电偶回路中的测量仪表、导线等均可视为中间导体偶回路中的测量仪表、导线等均可视为中间导体。1. 匀质导体定律匀质导体定律 两种匀质导体材料组成的热电偶，其热电势与热电极的两种匀质导体材料组成的热电偶，其热电势与热电极的长度、截面积以及沿热电极长度方向的温度分布无关，仅与长度、截面积以及沿热电极长度方向的温度分布无关，仅与热电极材料的性质和热热电极材料的性

5、质和热端、冷端的温度有关。端、冷端的温度有关。若热电极的材质不均匀，若热电极的材质不均匀，则会产生附加热电势。则会产生附加热电势。TT0V6.1 热电偶传感器热电偶传感器3. 标准电极定律标准电极定律 若热电极若热电极A、B与第三与第三种电极种电极C(标准铂电极标准铂电极)分别分别组成三种热电偶，在相同组成三种热电偶，在相同的结点温度下，则的结点温度下，则ET TET TET TAB0AC0BC0( ,)( ,)( ,) 4. 中间温度定律中间温度定律 热电极热电极A、B分别与导线分别与导线 、相连，相连，结点温度为分别结点温度为分别T、Tn、T0 A B ET T TET TET TABA

6、Bn0ABnA Bn0( ,)( ,)(,) 6.1 热电偶传感器热电偶传感器三、三、 热电偶的热电偶的冷端补偿冷端补偿 1. 计算计算修正法：修正法：),(),(),(0nABnAB0ABTTETTETTE C0n T1）热电势修正法：）热电势修正法：2）温度修正法：）温度修正法：TTkTn 2. 电桥补偿法电桥补偿法 abnAB0AB),(),(UTTETTE 3. 补偿导线法补偿导线法 ET TET TABn0A Bn0(,)(,) 4. 恒温法：恒温法： C0将冷端置于纯水和冰屑相混合的冰瓶内。将冷端置于纯水和冰屑相混合的冰瓶内。 6.1 热电偶传感器热电偶传感器四、四、 常用热电偶常

7、用热电偶 6.1 热电偶传感器热电偶传感器五、五、 热电偶传感器的应用热电偶传感器的应用 EEEE12n 1. 为了提高灵敏度，将为了提高灵敏度，将n支同型号的热电偶串联，支同型号的热电偶串联，则则只要有一支热电偶发生断路，整个电路将无法工作。只要有一支热电偶发生断路，整个电路将无法工作。 2. 为了提高测量精度，将为了提高测量精度，将n支同型号的热电偶并联，支同型号的热电偶并联，则则 EEEEn12n 某个热电偶断路并不影响整个电路的工作，且相对误差为某个热电偶断路并不影响整个电路的工作，且相对误差为单支热电偶相对误差的单支热电偶相对误差的 倍。倍。n1/6.1 热电偶传感器热电偶传感器1）

8、两点间温差测量）两点间温差测量 将两支型号相同的热电将两支型号相同的热电偶反向串接，且配接相同的偶反向串接，且配接相同的补偿导线，测量仪表示值补偿导线，测量仪表示值 EEE12 2）炉温测量实例）炉温测量实例 热电偶的热端插入炉热电偶的热端插入炉内感受待测温度，冷端通内感受待测温度，冷端通过补偿导线与测量仪表的过补偿导线与测量仪表的输入导线输入导线(铜线铜线)相连，并相连，并插入冰瓶以保证插入冰瓶以保证 。 T00 C 6.1 热电偶传感器热电偶传感器6.1 热电偶传感器热电偶传感器第六章第六章 温度传感器温度传感器 工作原理：工作原理：热阻效应热阻效应(温度温度电阻电阻) 利用电阻值随温度变

9、化的特点制成。利用电阻值随温度变化的特点制成。 1. 铂电阻：铂电阻： C6300C15050 )1(20tBtAtRR 2. 铜电阻：铜电阻： 6.2 热电阻温度传感器：热电阻温度传感器：一、一、 金属热电阻：正电阻温度系数金属热电阻：正电阻温度系数)500200(C 3. 铟和锰电阻：铟和锰电阻： C 258296C 210271，)1(0ttRR C190 0 t23t01(100 C)RRAtBtCt ：4. 热电阻测温电桥电路热电阻测温电桥电路 三线接法三线接法四线接法四线接法6.2 热电阻温度传感器热电阻温度传感器二、二、 热敏电阻热敏电阻热敏电阻不宜用于较宽的温度范围，但对于特定

10、温度点的热敏电阻不宜用于较宽的温度范围，但对于特定温度点的检测却十分灵敏。因此可用做检测元件、电路保护元件、检测却十分灵敏。因此可用做检测元件、电路保护元件、温度补偿元件、温度报警元件等。温度补偿元件、温度报警元件等。 （2）PTC 型：型： 正电阻温度系数正电阻温度系数 (过热保护过热保护)（3）CT R型：型： 临界电阻温度系数临界电阻温度系数 (开关元件开关元件)（1）NTC 型：型： 负电阻温度系数负电阻温度系数)11(exp0TT0TTBRR B 热敏电阻材料的特征常数热敏电阻材料的特征常数(20006000K)。（ ）50 350 C 6.2 热电阻温度传感器热电阻温度传感器6.2

11、 热电阻温度传感器热电阻温度传感器产品产品6.2 热电阻温度传感器热电阻温度传感器热敏电阻线性化处理的方法：热敏电阻线性化处理的方法：1. 串联电阻补偿法串联电阻补偿法RT为负温度系数，为负温度系数，Rc为正温度系数，为正温度系数， 。RRRTeTc1/ IT (a)补偿电路；补偿电路；(b)电阻与温度的关系；电阻与温度的关系；(c)电流与温度的关系电流与温度的关系 6.2 热电阻温度传感器热电阻温度传感器2. 并联电阻补偿法并联电阻补偿法RT为负温度系数，为负温度系数，Rc为正温度系数，为正温度系数， 与温度无关。与温度无关。RRReTc/ / 3. 计算修正法计算修正法在单片微机测温系统中

12、，利用软件进行非线性补偿。在单片微机测温系统中，利用软件进行非线性补偿。 (a)补偿电路；补偿电路；(b)电阻与温度的关系电阻与温度的关系 6.2 热电阻温度传感器热电阻温度传感器三、三、 热电阻传感器的应用热电阻传感器的应用1. 气体成分分析气体成分分析 四个分析室的外壳用相同材四个分析室的外壳用相同材料制成，其中两个分析室内充入料制成，其中两个分析室内充入被分析混合气体；另外两个分析被分析混合气体；另外两个分析室内充入洁净空气，作为参考室，室内充入洁净空气，作为参考室，四个分析室内的热电阻组成测量四个分析室内的热电阻组成测量电桥。工作时先将惰性气体通入电桥。工作时先将惰性气体通入分析室使电

13、桥达到平衡，然后将分析室使电桥达到平衡，然后将被测混合气体通入分析室，电桥被测混合气体通入分析室，电桥将失去平衡，不平衡输出电压是将失去平衡，不平衡输出电压是混合气体成分的函数。混合气体成分的函数。 6.2 热电阻温度传感器热电阻温度传感器2. 热敏电阻点温计热敏电阻点温计 R1=R2为锰铜电阻，对热敏为锰铜电阻，对热敏电阻的非线性起补偿作用；电阻的非线性起补偿作用；R3为为锰钢电阻，阻值等于点温计起始锰钢电阻，阻值等于点温计起始刻度时热敏电阻的阻值；刻度时热敏电阻的阻值；Rm是锰是锰铜电阻，其阻值等于点温计满刻铜电阻，其阻值等于点温计满刻度时热敏电阻的阻值；度时热敏电阻的阻值；RT为为NTC

14、型热敏电阻，起测温作用；型热敏电阻，起测温作用； R4和和R5用于调节桥路工作电压；开关用于调节桥路工作电压；开关S置置“0”时关机，置时关机，置“1”时为调整状时为调整状态，调节态，调节Rp使指示仪表使指示仪表G满刻度，满刻度，将将S置置 “2”即可测量。即可测量。 6.2 热电阻温度传感器热电阻温度传感器3. 热敏电阻实现温度控制热敏电阻实现温度控制 当实际温度比设定温度低时，当实际温度比设定温度低时，RT阻值较小，阻值较小，V1和和V2导通，导通，继电器继电器K吸合，电热丝通电加热；当实际温度比设定温度高吸合，电热丝通电加热；当实际温度比设定温度高时，时，RT阻值较大，阻值较大，V1和和

15、V2截止，截止，K断开，电热丝断电停止加断开，电热丝断电停止加热。热。VD为继电器为继电器K提供放电回路，保护三极管提供放电回路，保护三极管V2。6.2 热电阻温度传感器热电阻温度传感器4. 热敏电阻实现温度补偿热敏电阻实现温度补偿 RT为为NTC热敏电阻，与温度系数很小的锰铜电阻热敏电阻，与温度系数很小的锰铜电阻R2并并联，再与被补偿元件联，再与被补偿元件R1串联，可抵消温度变化所造成误差。串联，可抵消温度变化所造成误差。 温控器温控器水温感应塞水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等6.2 热电阻温度传感器热电阻温度传感器6.3 PN结（半导体）温

16、度传感器结（半导体）温度传感器 第六章第六章 温度传感器温度传感器一、一、 二极管温度传感器二极管温度传感器50 150 C EkTATUqqI0gln() 当正向电流当正向电流 I 保持不变时，保持不变时，PN结的正向压降结的正向压降U 随温度的随温度的上升而下降，近似呈线性关系。上升而下降，近似呈线性关系。 二、二、 晶体管温度传感器晶体管温度传感器EkTATUqqI0gbecln()（ ）三、三、 PN结温度传感器的应用结温度传感器的应用 1. 二极管温度传感器的应用二极管温度传感器的应用 R1、R2、RP1和二极管温度传感器和二极管温度传感器VD组成测温电桥，其输组成测温电桥，其输出接

17、入差动放大器出接入差动放大器A1 ，放大后的信号由，放大后的信号由02.000V数字电压数字电压表显示。表显示。A2接成电压跟随器，与配合调节的增益。接成电压跟随器，与配合调节的增益。 6.3 PN结（半导体）温度传感器结（半导体）温度传感器 2. 晶体管温度传感器的应用晶体管温度传感器的应用 电容电容C用来防止寄生振荡，晶体管温度传感器用来防止寄生振荡，晶体管温度传感器V接在运算接在运算放大器的反馈回路，集电极电流放大器的反馈回路，集电极电流Ic仅取决于电阻仅取决于电阻 R1和电源电压和电源电压VCC，即，即Ic=UCC/R1与温度无关，从而保证恒流源工作条件，使与温度无关，从而保证恒流源工

18、作条件，使输出电压输出电压Ube随温度随温度T 近似线性下降。近似线性下降。6.3 PN结（半导体）温度传感器结（半导体）温度传感器 6.4 集成温度传感器集成温度传感器 一、一、 电压输出型电压输出型 （AN6701S） 1、2脚为输出端，脚为输出端，3、4脚接外部校正电阻脚接外部校正电阻Rc，其作用是调，其作用是调整整 时的输出电压为时的输出电压为5V。 25 C 第六章第六章 温度传感器温度传感器二、二、 电流输出型电流输出型 （AD590） AD590输出电流和绝对温度成正比，输出电流和绝对温度成正比，电流灵敏为电流灵敏为 ，测温范围为测温范围为 。克服了电压输出型温度传感器在长距克服

19、了电压输出型温度传感器在长距离温度测量时电压信号损失和噪声干扰问题，特别适用于远距离温度测量时电压信号损失和噪声干扰问题，特别适用于远距离温度测量和控制离温度测量和控制。1A / K55150 C 6.4 集成温度传感器集成温度传感器 三、三、 数字数字输出型输出型 （DS18B20） 测温范围为测温范围为 ，适用于远距离、多点位、恶劣，适用于远距离、多点位、恶劣环境的温度测量，并且可根据需要设定报警上下限值，通过环境的温度测量，并且可根据需要设定报警上下限值，通过编程实现编程实现912位的数字量输出。位的数字量输出。 55125 C 6.4 集成温度传感器集成温度传感器 四、四、 集成温度传感器的应用集