第4章温度传感器ppt课件

1、第四章 温度传感器 汽车电子控制基础情景模拟情景模拟温度传感器温度传感器热电偶热电偶热电阻热电阻热敏电阻热敏电阻为了解发动机的热状态，计算进气的质量流量及为了解发动机的热状态，计算进气的质量流量及进行排气净化处理，需要有能够连续、精确地测进行排气净化处理，需要有能够连续、精确地测量冷却液温度、进气温度与排气温度的传感器。量冷却液温度、进气温度与排气温度的传感器。温度传感器根据工作原理不同，可分为热电偶型、温度传感器根据工作原理不同，可分为热电偶型、热敏电阻型、金属测温电阻型、晶体管型、集成热敏电阻型、金属测温电阻型、晶体管型、集成型等型等汽车上温度传感器常用的有汽车上温度传感器常用的有: :金

2、属热电阻式金属热电阻式热电偶式热电偶式热敏电阻式热敏电阻式测量用部件测量用部件优点优点缺点缺点热电偶热电偶1.可测定很小部位的温度；可测定很小部位的温度；2.可缩短滞后时间；可缩短滞后时间；3.耐振动与冲击；耐振动与冲击；4.适于测定温度差；适于测定温度差；5.测定范围宽。测定范围宽。1.需要标准触点；需要标准触点；2.标准触点与补偿导线有误差；标准触点与补偿导线有误差；3.在常温下，不注意修正，难以得到在常温下，不注意修正，难以得到较高的精度。较高的精度。热电阻热电阻1.适于测定较大范围的平均温度；适于测定较大范围的平均温度；2.不需要标准触点等；不需要标准触点等；3.与热电偶相比，常温左右

3、的精度与热电偶相比，常温左右的精度较高。较高。1.难以缩短滞后时间；难以缩短滞后时间；2.在振动严重的场所下可能出现破损在振动严重的场所下可能出现破损；3.受导线电阻的影响，需要修正。受导线电阻的影响，需要修正。热敏电阻热敏电阻1.可测量很小部位的温度；可测量很小部位的温度；2.可缩短滞后时间；可缩短滞后时间；3.灵敏度高；灵敏度高；4.不能忽略导线电阻造成的误差；不能忽略导线电阻造成的误差；5.最适于测量微小的温度差；最适于测量微小的温度差；6.测量机构简单且价格低廉；测量机构简单且价格低廉；7.因信噪比较高，所以对系统性计因信噪比较高，所以对系统性计量工程来说经济性好。量工程来说经济性好。

4、1.因电阻与温度间的非线性程度较严因电阻与温度间的非线性程度较严重，有时需要做线性处理；重，有时需要做线性处理；2.有时需要互换用电阻；有时需要互换用电阻；3.振动严重的场合可能会造成破损。振动严重的场合可能会造成破损。几种温标的对比 正常体温为正常体温为37 C ，相当于华氏温度多少度？，相当于华氏温度多少度？接触式测温接触式测温 温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。 (1) (1) 膨胀式温度计膨胀式温度计 (2) (2) 热电阻温度计热电阻温度计 (3) (3)热电偶温度计热电偶温度计 (4) (4)其他原理的温度计其他

5、原理的温度计直观、可靠，测量仪表也比较简单直观、可靠，测量仪表也比较简单特点特点非接触测温非接触测温 温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。 (1) (1) 辐射式温度计辐射式温度计 (2) (2) 光纤式温度计：光纤式温度计：特点特点不与被测物体接触，不破坏原有的温度场。精度一般不高。不与被测物体接触，不破坏原有的温度场。精度一般不高。物物理理现现象象体积热膨胀体积热膨胀电阻变化电阻变化温差电现象温差电现象导磁率变化导磁率变化电容变化电容变化压

6、电效应压电效应超声波传播速度变化超声波传播速度变化物质物质 颜色颜色PN结电动势结电动势晶体管特性变化晶体管特性变化可控硅动作特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射热、光辐射品品种种铂测温电阻、热敏电阻铂测温电阻、热敏电阻热电偶热电偶BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶体振动器石英晶体振动器超声波温度计超声波温度计示温涂料示温涂料 液晶液晶半导体二极管半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅可控硅辐射温度传感器辐射温度传感器 光学高温计光学高温计1.气体温度计气体温度计 2. 玻璃制水银温度计玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计玻璃制有机液体温度计 4.双金属

7、温度计双金属温度计5.液体压力温度计液体压力温度计 6. 气体压力温度计气体压力温度计1 热铁氧体热铁氧体 2 Fe-Ni-Cu合金合金汽车上主要温度传感器汽车上主要温度传感器1冷却液温度传感器；2进气温度传感器；3变速器油温传感器；4排气温度传感器催化剂温度传感器）；5EGR废气循环监测温度传感器；6车外温度传感器；7车内温度传感器；8日照温度传感器；9空调蒸发器出口温度传感器；10热敏铁氧体温度传感器；11排气温度传感器；12冷却液温度表传感器13蓄电池温度传感器；14热敏开关。第一节第一节 热电阻式温度传感器热电阻式温度传感器热电阻效应:物质的电阻率随其本身温度变化而变化的现象热电阻式传

8、感器:根据热电阻效应制成的传感器 图4-1热电阻的结构热电阻的类型:1.半导体热敏电阻2.金属热电阻取一只取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484 。一、半导体热敏电阻一、半导体热敏电阻利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成由金属氧化物和化合物利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结按不同的配方比例烧结优优 点：点： (1) (1) 热敏电阻的温度系数比金属大热敏电阻的温度系数

9、比金属大4 49 9倍）倍） (2) (2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。变化的温度。 (3) (3) 结构简单、机械性能好。结构简单、机械性能好。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。热敏电阻分类：正温度系数(PTC)负温度系数(NTC) 临界温度系数(CTR)热敏电阻典型特性热敏电阻典型特性 PTCPTC热敏电阻正温度系数热敏电阻正温度系数 钛酸钡掺合稀土元素烧结而成钛酸钡掺合稀土元素烧结而成 用处：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，用处：彩电消磁，各种电器

10、设备的过热保护， 发热源的定温控制，限流元件。发热源的定温控制，限流元件。 CTR CTR热敏电阻负温度系数热敏电阻负温度系数 以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化 物的弱还原气氛中混合烧结而成物的弱还原气氛中混合烧结而成 用处：温度开关。用处：温度开关。 NTC NTC热敏电阻很高的负电阻温度系数热敏电阻很高的负电阻温度系数 主要由主要由MnMn、CoCo、NiNi、FeFe、CuCu等过渡金属氧化物等过渡金属氧化物 混合烧结而成混合烧结而成 应用：点温、表面温度、温差、温场等测量应用：点温、表面温度、温差、温场等测量 自动控制及电子线路的热补

11、偿线路自动控制及电子线路的热补偿线路热敏电阻分类NTC热敏电阻1. 热敏电阻的主要特性2. 热敏电阻的结构3. 热敏电阻的主要参数4. 热敏电阻的线性化1. 热敏电阻的主要特性 NTCNTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻- -温度特性温度特性 00273127310110ttBTTBTeReRR式中式中 RT , R0 RT , R0热敏电阻在绝对温度热敏电阻在绝对温度T T，T0T0时的阻值时的阻值()()； T0, T T0, T 介质的起始温度和变化温度介质的起始温度和变化温度K K）；）； t0 , t t0 , t 介质的起始温度和变化温度（

12、介质的起始温度和变化温度（）；）； B B 热敏电阻材料常数，一般为热敏电阻材料常数，一般为200020006000K6000K， 其大小取决于热敏电阻的材料。其大小取决于热敏电阻的材料。0011lnTTRRBT 温度特性温度特性21TBdTdRRTT B B和和值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高。所以它的灵敏度很高。热敏电阻的电阻温度系数热敏电阻在其本身温度变化1时，电阻值的相对变化量 伏安特性在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端的电压U之间的

13、关系 当流过热敏电阻的电流很小时:不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律。主要用来测温。当电流增大到一定值时：流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻特性。因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降。其所能升高的温度与环境条件(周围介质温度及散热条件)有关。当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。可用它来测量流体速度和介质密度。2. 热敏电阻的结构构成：热敏探头、引线、壳体二端和三端器件：为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路获得功率；四端器件：旁热式热敏电阻的结构形式 3. 热敏电阻的主要参数 标称电阻值RH 在

14、环境温度为250.2时测得的电阻值，又称冷电阻。其大小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。 耗散系数H 指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差1时热敏电阻所耗散的功率，单位为mW /； 热容量C 热敏电阻的温度变化1所需吸收或释放的热量，单位为J； 能量灵敏度G （W）使热敏电阻的阻值变化1所需耗散的功率。 时间常数 温度为T0的热敏电阻突然置于温度为T 的介质中，热敏电阻的温度增量T= 0.63 (TT0) 时所需的时间。 额定功率PE 在标准压力750mmHg和规定的最高环境温度下，热敏电阻长期连续使用所允许的耗散功率，单位为W。在实际使用时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率 100)/(H

15、GHC/3. 热敏电阻的主要参数二、金属热电阻二、金属热电阻金属热电阻及其特性热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量。 1.铂电阻 铂易于提纯，在高温和氧化性介质中物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度；制成的铂电阻输出输入特性接近线性。铂电阻的电阻值与温度之间的关系：100)t-C(tBtAt1RRC0200-)BtAt(1RRC6500320t20t A、B、C常数 铂电阻制成的温度计，除作温度标准外，还广泛应用于高精度的工业测量。由于铂为贵金属，一般在测量精度要求不高和测温范围较小时，均采用铜电阻。铜电阻铜在-50150范围内铜电阻化学、物理性能稳

16、定，输出输入特性接近线性，价格低廉。铜电阻阻值与温度变化之间的关系：式中 A、B、C常量当温度高于100时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作其他热电阻镍使用温度范围是镍使用温度范围是-50-50100100和和-50-50150 150 。但目前应用较少：。但目前应用较少：镍非线性严重，材料提取也困难。但灵敏度都较高，稳定性好，在镍非线性严重，材料提取也困难。但灵敏度都较高，稳定性好，在自动恒温和温度补偿方面的应用较多。（我国定为标准化热电阻）自动恒温和温度补偿方面的应用较多。（我国定为标准化热电阻）铟电阻适宜在铟电阻适宜在-269-269-258-258温度范围内使用，测温

17、精度高，灵敏度温度范围内使用，测温精度高，灵敏度是铂电阻的是铂电阻的1010倍，但是复现性差。倍，但是复现性差。锰电阻适宜在锰电阻适宜在-271-271-210-210温度范围内使用，灵敏度高，但是质脆温度范围内使用，灵敏度高，但是质脆易损坏。易损坏。碳电阻适宜在碳电阻适宜在-273-273-268.5-268.5温度范围内使用，热容量小，灵敏度温度范围内使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但是热稳定性较差。高，价格低廉，操作简便，但是热稳定性较差。 热电阻的结构比较简单，一般将电阻丝统在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘骨架上，经过固定，外面再加上保护套管。但骨架性能的好坏，影响其测量精

18、度、体积大小和使用寿命。热电阻的结构、类型你好感温元件结构感温元件结构 普通装配式铂电阻普通装配式铂电阻 铠装式铂电阻比装配式铂电阻直径小，易弯曲，抗震性好，适宜安装在装配式铂电阻无法安装的场合。铠装式铂电阻外保护套管采用不锈钢，内充满高密度氧化物绝缘体，因此具有很强的抗污染性能和优良的机械强度，适合安装在环境恶劣的场合。可直接用铜导线和二次仪表相连接使用。由于它具有良好的电输出特性，可为显示仪、记录仪、调节器、扫描器、数据记录仪以及计算机提供准确的温度变化信号。 铠装式铂电阻铠装式铂电阻薄膜铂热电阻元件，把金属铂研制成粉浆，采用先进的激光喷溅薄膜技术，及光刻法和干燥蚀刻法把铂附着在陶瓷基片上

19、形成膜，引线经过激光调阻制成。铂金属的长期稳定性、可重复操作性、快速响应及较宽的工作温度范围等特性使其能够适合多种应用。薄膜铂热电阻薄膜铂热电阻铂热电阻分度表 热电阻的应用1、 热电阻温度计 通常工业上用于测温是采用铂电阻和铜电阻作为敏感元件，测量电路用得较多的是电桥电路。为了克服环境温度的影响常采用图所示的三导线四分之一电桥电路。由于采用这种电路，热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中，假如，则由于环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被相互抵消。 第二节第二节 热电偶式温度传感器热电偶式温度传感器 热电偶热电偶 将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A和和B B串接成一

20、个串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。热电效应。1 1、 热电效应热电效应BAABNNekTTEln)(ABTT0kk玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，ee电子电荷量，电子电荷量，TT接触处的温度，接触处的温度，NANA，NBNB分别为导体分别为导体A A和和B B的自由电子密度。的自由电子密度。BAABNNekTTEln)(002 2、热电偶测温基本定律、热电偶测温基本定律1)1)均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面由一种均质导

21、体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。TT02)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，只要其两端在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。电动势。TT0V3)3)参考电极定律参考电极定律 两种导体两种导体A,BA,B分别与参考电极分别与参考电极C C组成热电偶，如果他们所组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，产生的热电动势为已知，A A和和B B两极配对后的热电动势可用下

22、两极配对后的热电动势可用下式求得：式求得：),(),(),(000TTETTETTECBACABABTT0=ACTT0CBTT03)3)中间温度定律中间温度定律 热电偶在两接点温度热电偶在两接点温度t t、t0t0时的热电动势等于该热电偶时的热电动势等于该热电偶在接点温度为在接点温度为t t、tntn和和tntn、t0t0时的相应热电动势的代数和。时的相应热电动势的代数和。中间温度定律可以用下式表示：中间温度定律可以用下式表示：),(),(),(00TTETTETTEnABnAABB中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。3 3、热电偶的结构、热

23、电偶的结构1 1普通工业装配式热电偶的结构普通工业装配式热电偶的结构 热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成。几个主要部分组成。2 2铠装热电偶的结构铠装热电偶的结构 铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应时间快和坚铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，它和工业用装配式热电偶一样，作为固耐用等许多优点，它和工业用装配式热电偶一样，作为测量温度的变送器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调测量温度的变送器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用，同时亦可作为装配式热电偶的感温元件。节器配套使用，同时亦

24、可作为装配式热电偶的感温元件。图4-9普通热电偶式温度传感器的结构示意图4 4、热电偶的材料、热电偶的材料 根据金属的热电效应原理，任意两种不同材料的导根据金属的热电效应原理，任意两种不同材料的导体都可以作为热电极组成热电偶体都可以作为热电极组成热电偶在实际应用中，用作热电极的材料应具备如下几在实际应用中，用作热电极的材料应具备如下几方面的条件：方面的条件：(1)(1)温度测量范围广温度测量范围广 (2) (2)性能稳定性能稳定 (3)(3)物理化学性能好物理化学性能好5 5、热电偶的种类、热电偶的种类1 1标准型热电偶标准型热电偶2 2非标准型热电偶非标准型热电偶 非标准型热电偶包括铂铑系、

25、铱铑系及钨铼非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。系热电偶等。 主要有：铂铑主要有：铂铑30-30-铂铑铂铑6 6热电偶，分度号热电偶，分度号“B”“B”； 铂铑铂铑10-10-铂热电偶，分度号铂热电偶，分度号“S”“S”；镍铬；镍铬- -镍硅热电偶镍硅热电偶 ，分度号分度号“K”“K”；镍铬；镍铬- -康铜热电偶康铜热电偶 ，分度号，分度号“E”“E”；铁；铁- -康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号“J”“J”；铜；铜- -康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号“T”“T”。6.6.型型号号表表示示第三节第三节 温度传感器的应用温度传感器的应用 发动机冷却水温传感器 水油温表用热

26、电阻传感器 车内、外空气温度传感器 发动机进气温度传感器 空调蒸发器出风口传感器 发动机排气温度传感器 图4-12水温表传感器的结构与特性（a构造（b特性1加热用线圈与双金属片2接收部件3发送部件4热敏电阻一、水温传感器一、水温传感器作用检测发动机冷却水温度，向ECU输入温度信号作为燃油喷射和点火正时的修正信号其它控制系统的控制信号 安装位置安装位置发动机缸体的水套缸盖的水套水管接头上构造构造 检测检测参考值参考值温度（）电阻k）06202.2401.1600.6800.25桑塔纳桑塔纳2000GSi2000GSi轿车的冷却液温度传感器轿车的冷却液温度传感器 二、进气温度传感器检测二、进气温度传感器检测 1作用检测进气温度，向ECU输入进气温度信号，作为燃油喷射和点火正时的修正信号。 2 2安装位置安装位置 3 3构造与工作原理构造与工作原理 4 4电路图电路图 5 5检测检测 桑塔纳桑塔纳2000GSi2000GSi轿车的进气温度传感器轿车的进气温度传感器 三、变速器油温传感器检测三、变速器油温传感器检测 1安装位置 2构造与工作原理 液压油温度传感器内部是一个半导体热敏电阻，它具有负的温度电阻系数。温度愈高，电阻愈低。