温度传感器原理

1、5.3 5.3 温度传感器温度传感器1 1、热电偶、热电偶2 2、热电阻、热电阻3 3、热敏电阻、热敏电阻4 4、半导体、半导体5 5、红外式、红外式6 6、KG3007AKG3007A型温度传感器型温度传感器热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。2.热电动势的产生热电动势的产生1）单一导体的温差电势2）两种导体的接触电势3）热电偶回路的总热电动势 BAABNNlnekTTe),(0TTeA),(0TTeBdTTTeT T AA00，dTTTeT T BB00， dTNNlnekTNNlnekTT,TeT,TeT

2、eTeT,TET T BTATBTATABABABAB00000000()( )( )()BAABABABNNlnTTekTeTeT,TE000= CTfTeTeT ,TEABABAB00 NNABC1ABNABTeTeTeE 2 0CA0BCAB0ABCTeTeTeTTE，T0T0BTAC( )( )( )0=+0CA0BC0ABTeTeTe0AB0CA0BCTeTeTe 0TTETeTeTTEAB0ABAB0ABC，T1CT0T1TBA()( )( )( )( )1CA1AC0BAAB0ABCTeTeTeTeTTE+=，( )( )1CA1ACTeTe= 0TTETeTeTeTeTTEAB

3、0ABAB0BAAB0ABC，()( )( )0ACAC0ACTeTeTTE，=()( )( )0BCBC0BCTeTeTTE，= TeTeTeTeTeTeTeTeTTETTEBC0ACBCACBCBC0ACACBC0AC000，( )( )( )( )( )( )0 TeTeTeTeTeTe0BACB0ACBACBAC=+0=+0( )( )( )( )( )( ) TeTeTeTeTeTe0ABBC0ACABBCAC=0 0000TTETeTe TeTeTeTeTTETTEABABABBC0ACBCACBC0AC，)()()()(00TeTeTeTeEBAABABAB 0000TTETeT

4、eTeTeTeTeTTETTEABABABABnABnABABnABnAB，()()()00+=TTETTETTEnABnABAB，()()()()()00=0+0=000，TETETETETTEABABABABAB 0000TTETeTeTeTeTeTeTeTeEABBAABDCABnCADCnBDAB，由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为多种型式如图。体。又由于它的热端形状不同，可分为多种型式如图。铠装热电偶断面结构铠装热电偶断面结构示意图示意图1 1 金属套管金属套管; ; 22绝缘材料绝缘材料

5、; ; 33热电极热电极 优点优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。142 35678 91110 例例1 采用镍铬采用镍铬-镍硅热电偶测量炉温。热端镍硅热电偶测量炉温。热端温度为温度为800，冷端温度为，冷端温度为50。为了进行炉温的调节与显示，必须将热电偶为了进行炉温的调节与显示，必须将热电偶产生的热电动势信号送到仪表室，仪表室的产生的热电动势信号送到仪表室，仪表室的环境温度恒为环境温度恒为20。首先由镍铬首先由镍铬-镍硅热电偶分度表查出它在冷镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为端温度为0，热端温度分别为，热端温度分别为800、50、20时的热电动势

6、：时的热电动势：如果热电偶与仪表之间直接用如果热电偶与仪表之间直接用铜导线铜导线连接，连接，根据中间导体定律，输入仪表的热电动势根据中间导体定律，输入仪表的热电动势为为 ：如果在热电偶与仪表之间用如果在热电偶与仪表之间用补偿导线补偿导线连接，连接，相当于将热电极延伸到仪表室，输入仪表的相当于将热电极延伸到仪表室，输入仪表的热电动势为热电动势为()()()0110+=TTETTETTEABABAB，TRIUETT1 10.2993.070.00391 50 0.5TERtI0ABLETTIR， 002001TeTeTeTeTeTeECAACBADBBDABT00000000TeTeTeTeCAA

7、CDBBD 2121TeTeTeTeEABABBAABT TTEETTEETTEEABABAB033022011，nEEEEnT+=21特点：当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来。当然，它也不会中断整个测温系统的工作。( )( )( )( )( )( )030201+=TeTeTeTeTeTeEDCABDCABDCABT000-TeTeTeABBADC 030201030201TTE TTETTETeTeTe TeTeTeEABABABABABABABABABT，热电阻是利用导体材料的热电阻是利用导体材料的电阻随温度变化而电阻随温度变化而变化变化的特性来实现对温度的测量的。的特性来实现对温度的测

8、量的。 热电阻是热电阻是中低温区中低温区最常用的一种温度检测最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中定。其中铂热电阻铂热电阻的测量精确度是最高的，的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。标准的基准仪。 应用于应用于-200600-200600范围内的温度测量范围内的温度测量 铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示：似用下式表示：在在0 0630.74630.74范围内，金属铂的电阻值范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为：与

9、温度的关系为：1 320CtBtAtRRt)t (CBtAtRRt3201001在在-190-19000范围内，金属铂的电阻值与范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为：温度的关系为：A、B、C分度系数分度系数其中：其中：A=3.9410-3/； B=-5.810-7/2； C=-4.4210-12/3) 可以看出，它们的可以看出，它们的高次项很小高次项很小。铂电阻在。铂电阻在0100时的最大非线性偏差小于时的最大非线性偏差小于0.5；R0不同，不同，Rt与与t 的关系也不同。的关系也不同。 铂铂容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定。铂电阻的输出

10、化性介质中很稳定。铂电阻的输出 输入输入特性接近线性，且测量精度高，所以它能用特性接近线性，且测量精度高，所以它能用作工业测温元件和作为温度标准。作工业测温元件和作为温度标准。按国际温标按国际温标IPTS-68规定，在规定，在-259.34630.73温域内，以铂电阻温度计作基准温域内，以铂电阻温度计作基准器。器。tRRt10 铟电阻铟电阻铟电阻用铟电阻用99.999%高纯度的铟丝绕成电阻，高纯度的铟丝绕成电阻，适宜在适宜在-269-258温度范围内使用。实温度范围内使用。实验证明，在验证明，在4.2K15K范围内，铟电阻灵敏范围内，铟电阻灵敏度比铂电阻高度比铂电阻高10倍。倍。铟电阻的缺点是

11、材料软，复制性差。铟电阻的缺点是材料软，复制性差。 锰电阻适宜在锰电阻适宜在-271-210温度范围内温度范围内使用。其优点是在使用。其优点是在2K 63K温度范围内电温度范围内电阻随温度变化大，灵敏度高。锰电阻的缺阻随温度变化大，灵敏度高。锰电阻的缺点是材料脆，难拉成丝。点是材料脆，难拉成丝。碳电阻适宜在碳电阻适宜在-273-268.5温度范围温度范围内使用。其优点是热容量小，灵敏度高，内使用。其优点是热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便。但是碳电阻的热稳价格低廉，操作简便。但是碳电阻的热稳定性较差。定性较差。Rt为热电阻为热电阻, r1 、r2、r3为引线电阻为引线电阻, R1 、R2为

12、两桥臂电阻为两桥臂电阻,R1=R2 ,R3为调整电为调整电桥的精密电阻。桥的精密电阻。M表内阻很大，故电流近似表内阻很大，故电流近似为零。当为零。当UA=UB时电桥平衡。若使时电桥平衡。若使r1=r2 ,则则R3=Rt，就可消除引线电阻的影响。，就可消除引线电阻的影响。电压表电压表恒流源恒流源由上式知引线电阻由上式知引线电阻r1 r4将不引起测量误差。将不引起测量误差。电压表的值电压表的值EM可认为是热电阻可认为是热电阻Rt上的压降，上的压降，据此可计算出微小温度变化。据此可计算出微小温度变化。23()tMVMMVMURIEIrrEIII热敏电阻是利用热敏电阻是利用半导体半导体的电阻值随温度的

13、的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测温的。半导变化而显著变化的特性实现测温的。半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，特别适于在很小，故动态特性好，特别适于在-100300之间测温。之间测温。热敏电阻的缺点是热敏电阻的缺点是互换性较差互换性较差，另外其，另外其热热电特性是非线性的电特性是非线性的。热敏电阻是由一些热敏电阻是由一些金属氧化物金属氧化物，如钴，如钴（Co）、锰（）、锰（Mn）、镍（）、镍（Ni）等的氧化物）等的氧化物采用不同比例配方，采用不同比例配方

14、，高温烧结高温烧结而成。其形而成。其形状有状有珠状、片状、杆状、垫圈状珠状、片状、杆状、垫圈状等。等。标称电阻值是热敏电阻在标称电阻值是热敏电阻在250.2、零功、零功率时的阻值，也叫冷电阻。率时的阻值，也叫冷电阻。热敏电阻的温度每变化热敏电阻的温度每变化1时电阻值的变化时电阻值的变化率叫做热敏电阻的电阻温度系数。率叫做热敏电阻的电阻温度系数。 即：即：TR/R=热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的变量的63.2所需的时间称为热敏电阻的时所需的时间称为热敏电阻的时间常数间常

15、数 热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度。工作所允许的最高温度。 热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数型型(PTC)(PTC)、负温度系数型、负温度系数型(NTC)(NTC)、和临界温、和临界温度系数型度系数型(CTR)(CTR)。CTRCTR临界热敏电阻有临界热敏电阻有一突变温度，此特性一突变温度，此特性可用于自动控温和报可用于自动控温和报警电路中。警电路中。对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻

16、串或并联构成电阻网络串或并联构成电阻网络( (常称为线性化网常称为线性化网络络) )代替单个热敏电阻，其等效电阻与温代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系。度呈一定的线性关系。图中热敏电阻图中热敏电阻Rt与补偿电阻与补偿电阻Rx 串联串联, ,串联串联后的等效电阻后的等效电阻R= Rt +Rx ，只要，只要Rx 的阻值的阻值选择适当，可使温度在某一范围内与选择适当，可使温度在某一范围内与电阻电阻的倒数成线性关系的倒数成线性关系，所以电流，所以电流I I与温度与温度T成成线性关系。线性关系。图中热敏电阻图中热敏电阻Rt与补偿电阻与补偿电阻Rx并联，其等效并联，其等效电阻电阻R= Rt

17、 / Rx 。由图可知，。由图可知，R与温度的关与温度的关系曲线便显得比较平坦。因此可以在某一系曲线便显得比较平坦。因此可以在某一温度范围内得到线性的输出特性。温度范围内得到线性的输出特性。利用利用PN结的结的结电压随温度成近似线性变化结电压随温度成近似线性变化这一特性实现对温度的检测、控制和补偿这一特性实现对温度的检测、控制和补偿等功能。可直接用半导体二极管或将半导等功能。可直接用半导体二极管或将半导体三极管接成二极管做成体三极管接成二极管做成PN结温度传感器。结温度传感器。这种传感器的测温范围为这种传感器的测温范围为-50至至150，与其他的温度传感器相比有较好的线性度，与其他的温度传感器

18、相比有较好的线性度，且尺寸小、响应快、灵敏度高、热时间常且尺寸小、响应快、灵敏度高、热时间常数小，因此用途较广。数小，因此用途较广。在一定电流下在一定电流下，二极管正向电压随温度的，二极管正向电压随温度的升高而降低，呈升高而降低，呈负温度系数负温度系数。经研究表明，对于经研究表明，对于锗和硅二极管锗和硅二极管，在相当，在相当宽的一个温度范围内，其正向电压与温度宽的一个温度范围内，其正向电压与温度之间的关系之间的关系负温度系数负温度系数。将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。片的集成化温度传感器。其最大优点是直接给出正比于绝对温度的其最大优

19、点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出，另外，体积小、成本低理想的线性输出，另外，体积小、成本低廉。因此，它是现代半导体温度传感器的廉。因此，它是现代半导体温度传感器的主要发展方向之一。目前，已经广泛用于主要发展方向之一。目前，已经广泛用于- -50+15050+150温度范围内的温度监测、控制温度范围内的温度监测、控制和补偿的许多场合。和补偿的许多场合。集成温度传感器按输出信号可分为集成温度传感器按输出信号可分为电压型和电流型电压型和电流型两两种。种。电压型的温度系数约为电压型的温度系数约为10mV/，如，如AD590；电流型的温度系数约为电流型的温度系数约为1A/，如，如LM35。这就

20、很容易从它们输出信号的大小换算成绝对温度，这就很容易从它们输出信号的大小换算成绝对温度，而且而且其输出电压或电流与绝对温度成线性关系其输出电压或电流与绝对温度成线性关系。a）AD590的主要特征是：的主要特征是：(1)(1)线性电流输出：线性电流输出：1AK，正比于绝对，正比于绝对温度；温度；(2)(2)宽温度范围：宽温度范围：-55+150；(3)(3)精度高：激光校准精度到精度高：激光校准精度到 0.5(AD590M)(4) (4) 电源范围宽：电源范围宽：+4+30V。b b）单总线数字温度传感器）单总线数字温度传感器DS18B20 DS18B20 的特点的特点1 1 ）采用单总线的接口

21、方式与微处理器连接时仅需要）采用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与一条口线即可实现微处理器与DS18B20DS18B20的双向通讯。的双向通讯。 2 2 ）测量温度范围宽，测量精度高。）测量温度范围宽，测量精度高。DS18B20DS18B20的测量的测量范围为范围为 -55 -55 125 125 ；在；在 -10 -10 85 85 范围范围内，精度为内，精度为 0.5 0.5 。3 3 ）在使用中不需要任何外围元件。）在使用中不需要任何外围元件。4 4 ）供电方式灵活。）供电方式灵活。DS18B20DS18B20可以通过内部寄生电路可以通过内部寄生电路从数据线

22、上获取电源。因此，当数据线上的时序满从数据线上获取电源。因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。结构更趋简单，可靠性更高。DS18B20管脚排列DS18B20DS18B20的管脚排列的管脚排列1. GND1. GND为电源地；为电源地；2. DQ2. DQ为数字信号输入为数字信号输入输出端；输出端；3. VDD3. VDD为外接供电电为外接供电电源输入端（在寄生电源源输入端（在寄生电源接线方式时接地）接线方式时接地）5 5 红外式温度传感器红外式温度传感器 任何物质当温度超过绝对零度（任何物质当温

23、度超过绝对零度（-273-273）均会产）均会产生红外幅射，辐射功率生红外幅射，辐射功率P P随物体温度增高而增大。随物体温度增高而增大。 式中式中: : 常数，常数，5.66975.669710e-12W/cm10e-12W/cm2 2K K4 4 比辐射率，比辐射率， 绝对黑体绝对黑体1.01.0，非绝对黑体，非绝对黑体 0 0 1.01.0 4PT 具有测温范围广，反应快，灵敏度高，属非接触具有测温范围广，反应快，灵敏度高，属非接触式测量，不影响被测温度场分布等优点。式测量，不影响被测温度场分布等优点。 KG3007AKG3007A型矿用温度传感器是型矿用温度传感器是本质安全型仪器本质安

24、全型仪器，主要用于测量煤矿井下的环境温度，也可用于其，主要用于测量煤矿井下的环境温度，也可用于其他场所的温度测量。他场所的温度测量。1. 1. 传感器型号意义：传感器型号意义：6 KG3007A6 KG3007A型温度传感器型温度传感器= 规格号：规格号：“1” 输出为频率信号输出为频率信号 200Hz 1000Hz “2” 输出为电流信号输出为电流信号lmA 5mA “3” 输出输出RS-485信号信号 1200b/s改进型改进型登记序号登记序号温度温度矿用传感器矿用传感器KG 3 007 A X, 2 2主要技术指标主要技术指标 测量范围：测量范围：5 5+45+45 基本误差：基本误差：11 响应时间：不大于响应时间：不大于2 2分钟分钟 数值显示：三位数码显示，分辨率数值显示：三位数码显示，分辨率0