传感技术(2温度)资料

1、2 热电式传感器 热电式传感器是利用转换元件的电磁参数随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参数进行检测的装置。 将温度转换为热电势变化的称为热电偶传感器；将温度转化(zhunhu)为电阻变化的称为热电阻传感器，金属热电阻传感器简称热电阻，半导体热电阻传感器简称为热敏电阻。 内容：热电势式测温传感器热电偶；热电阻式测温传感器热电阻；PN结型测温传感器；集成电路温度传感器；热释电式传感器；应用实例。 重点：热电偶的测量电路，集成电路温度传感器，热释电传感器。共三十三页2.1 热电势式测温传感器热电偶 热电偶的测温原理热电效应(r din xio yng)； 热电偶测温的基本定律：均质导体定律、中

2、间导体定律、中间温度定律； 热电偶冷端温度补偿的方法：冰点槽法、冷端恒温法、冷端补偿器法、补偿导线法、计算修正法、使用无须冷端补偿的热电偶（300以下使用镍钴镍铝，50以下使用镍铁镍铜或铂铑30铂铑6）及工业上常采用的补正系数修正法等。 补正系数修正法：t=t1+ktn，其中：tn为冷端温度，t1为工作端测得温度，k为补正系数，t被测实际温度。例：使用铂铑铂热电偶测得某温度场温度为1400，此时，冷端温度为40，计算温度场的实际温度。（补正系数见表2.1）t=1400+400.52=1420.8 热电偶的类型：普通工业用热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶。共三十三页共三十三页2.1.6 热电偶测量

3、电路 这里以线性最好的K型热电偶（0600的测量范围）为例，介绍热电偶的测量电路。 K型热电偶的温度电势对照如下：00mV，1004.095mV， 2008.137mV，30012.207mV，40016.395mV，50020.640mV，60024.902mV。由放大器放大240.94倍,可得600对应输出6000mV。 由数据不难发现：对于(duy)1的温度变化，热电偶的输出变化仅为40微伏左右；且电势温度间存在非线性（最大非线性=（12.207*240.94-3000）/6000=-1%）。因而，须考虑信号放大和非线性校正。信号放大借助于放大器，非线性校正可利用高次多项式线性校正电路实

4、现。将热电偶的电势温度关系作切比雪夫展开，并保留2阶以下项（一般可以满足精度要求）得：共三十三页 600时，温差电势Ui=E=24.902，代入上式得输出(shch)为600 mV，期望6V的输出，故上式增大10倍。 验证(ynzhng)，300时，E=12.207 mV，U=2991.6 mV，相当于299.2；600时，E=24.902 mV，U=6001.2 mV，相当于600.1，精度有较大提高（10.2）。取Ua=249.952 Ui，则一次系数为1，二次系数为5.5610-6。 热电偶测量电路包括：热电偶，阻容滤波电路，放大电路，非线性校正电路。考虑到热电偶输出信号级别较低，所以需

5、要选取漏电流小的电容和高阻抗放大器。 测量电路如下：共三十三页共三十三页 其中：C1：滤波电容，电解电容；RW1：多圈金属陶瓷电位器，反馈电阻(dinz)用于放大器的增益调整，使Ua=249.952 Ui；RW2：多圈金属陶瓷电位器，实现放大器的零位调整；A1、A2：运算放大器；IC1：AD538AD （内部结构如图）集成模拟乘法器Uo=UY（UZ/UX）m，用于求取电压平方时，2、10脚接输入Ua，3、12脚短接，4脚为10V基准电压，此时m=1，UY=UZ=Ua，UX=10V，则Uo= Ua2/10000。常数项：R6/（R5+R6）10000=7.68，作为输出负极；选择合适(hsh)的

6、电阻保证一、二次项系数：A1运算放大器的差动输出： 共三十三页2.2 热电阻式温度传感器热电阻、热敏电阻2.2.1 热电阻的温度系数：（0.30.6）%/ 常用热电阻：铂、铜、镍。 使用注意事项：防止产生自热误差，通电电流 =6mA。避免导线电阻变化的影响，采用三线制连接(linji)方法。2.2.2半导体热敏电阻 类型：NTC：负温度系数；PTC：正温度系数；CTR：临界温度电阻。 注意事项：非线性校正，稳定性及老化问题。 实例：电动机过热保护装置共三十三页2.3 PN结型测温传感器2.3.1 温敏二极管及应用1. 工作原理 在一定的电流模式下，理想(lxing)二极管正向电压和温度间的关系

7、表现出良好的线性。下式给出了理想二极管正向电流IF与正向电压UF和温度T间的关系：式中：K0为波尔兹曼常数(chngsh)；T：为绝对温度；q：电子电荷；B：常数；r：与迁移率有关的常数；Ug0=Eg0/q，Eg0：0K时材料的禁带宽度（势垒）。当温度传感器的起始工作温度为T1时，工作电流为IF1，相应的正向电压UF1满足： 研究表明：锗、硅二极管，在相当宽的温度范围内，其正向电压与温度间的关系符合上式，故可通过测量温敏二极管的正向电压，实现对温度的测量。共三十三页2. 基本特性1）电压温度特性：恒流下，硅二极管在-50+150范围内，电压与温度间具有良好(lingho)的线性关系（温度上升，

8、UF线性下降）。2）灵敏度特性 对前式求温度T的偏导数，即得温敏二极管的电压温度灵敏度。当维持电流恒定不变时，灵敏度的表达式为： 可见|s|随T的增加(zngji)而缓慢增加(zngji)。3）自热特性 二极管通过电流，消耗一定功率，自热必然产生。稳态下自热温升为： 由UF的表达式可知自热温升取决于IF和T。所以测温时，恒定工作电流一般取1050A。利用自热温升特性，使温敏二极管工作在自热状态，可以测量流体流速及液面位置等。共三十三页3.典型(dinxng)应用:锗二极管VT用于气流式恒温器的温度控制共三十三页2.3.2 温敏晶体管及其应用1.测量原理 在恒定集电极电流条件下，晶体管发射结上正

9、向电压随温度上升而近似线性下降(xijing)。NPN型晶体管的基极发射极电压与温度T和Ic间的关系： 式中：K0为波尔兹曼常数；T：为绝对温度；q：电子电荷；B：常数；r：与迁移率有关的常数；Eg0：0K时材料的禁带宽度（势垒）。若电流Ic为常数，则Ube是温度(wnd)的单值函数，所以可用于温度(wnd)测量。基本电路如图所示：温敏晶体管作为负反馈元件跨接在运算放大器的反相输入端和输出端，同时基极接地，保证发射结正偏，集电结零偏。集电极电流Ic的大小仅取决于集电极电阻Rc和电源电压Ucc，而与温度无关，从而保证了温敏晶体管处于恒流工作状态。C1用于防止寄生振荡。Usc=-Ube。共三十三页

10、2 典型(dinxng)应用温差传感器（范围：0150，精度0.5）测温探头为两个性能相同的温敏晶体管（MTS102）V1、V2。将V1、V2分别置于待测的两温度(wnd)区域，通过运算放大器A1、A2将各输出电压Ube放大，并加到运算放大器A3的差动输入端，进行差动放大。测量电路定标调整：将两探头放于一起，调整100K的电位器使A3的输出为零，保证输出Uo正比于两点的温差。若取R为27K，则灵敏度为10mV/K；若取R为15K，则灵敏度为10mV/。 共三十三页2.4 集成温度传感器 集成温度传感器是将温敏晶体管及其外围电路集成在同一单片上的温度传感器。 集成温度传感器的典型测量范围是：-5

11、0150（223423K）。 按输出量的形式，将集成温度传感器分为电压输出型、电流输出型和频率输出型三大类。电压输出型的优点是直接输出电压，输出阻抗低，易于和读出或控制电路接口。电流输出型的优点是输出阻抗极高，便于进行遥测、遥控(yokng)，抗干扰能力强。频率输出型的优点在于抗干扰能力强，便于信号远传和数字化。共三十三页2.4.1 基本原理及PTAT核心(hxn)电路由式可见，温敏(wn mn)晶体管的输出在集电极电流恒定的条件下仍存在一定的非线性，且随温度上升，其输出电压是下降的。解决这样问题的方法是：采用对管差分电路。图中：V1、V2是两个结构、性能完全相同的晶体管。由图知：共三十三页

12、若能保证Ic1/Ic2为常数，则R1上的电压降Ube与绝对温度T成正比。 假设，V1、V2的增益极高，忽略(hl)基极电流，集电极电流=发射极电流，则： Ube=R1Ic2，可见，Ic2也与绝对温度T成正比。此时，要保证Ic1/Ic2为常数，则Ic1与绝对温度T成正比。换言之，总电流（Ic1+Ic2）正比于绝对温度T。 图示电路(dinl)可以给出正比于绝对温度的电压，也可以给出正比于绝对温度的电流，该电路(dinl)作为传感器的感温部分被称为PTAT（Proportional To Absolute Temperature）核心电路。共三十三页 总之，保证两管集电极电流之比Ic1/Ic2为常

13、数是关键所在，具体方法：电流镜PTAT核心电路（图2.23）。图中NPN晶体管别串联PNP晶体管V3、V4组成所谓电流镜。由于两侧的结构和特性完全一致，所以V1、V2的集电极电流在任何温度下都相等。若采用不同的发射极面积（面积之比为n），则两管的电流密度比为面积的反比。所以，当“+”，“-”端之间存在(cnzi)高于两倍的Ube的电压时，电阻R1上的压降为两管的基极发射极电压差： 共三十三页 可见，在电流镜PTAT核心(hxn)电路中，Ube的温度系数仅取决于两管的发射极面积之比n。流过这个电路的左右两支的电流为： “+”、“-”端之间的总电流(dinli)为： 总之，只要电阻R1不随温度变化

14、，PTAT核心电路就输出与绝对温度成正比的电流。 由前述内容可知PTAT核心电路输出与绝对温度成正比的电流，在需要电压信号的场合，我们还需对PTAT电路做一些处理，图2.24即电压输出型温度传感器的基本电路。因为V5与V3、V4的结构完全相同，所以三条支路的电流完全相同，则输出电压为：保证R2与R1之比为常数，输出电压即与绝对温度成正比。 总之，无论输出是电压还是电流，电路的电阻阻值和两NPN晶体管发射极面积之比都会影响输出灵敏度。共三十三页2.4.2 电压(diny)输出型四端电压输出型1)基本参数 构成：PTAT核心电路(dinl)、参考电压源、运算放大器常见器件：LX5600/5700、

15、LM3911、PC6A/C3911测温范围：-40125灵敏度：10mV/K线性误差：（0.52）%长期稳定性和重复性：0.3%精度：4K共三十三页2)典型应用 （1）基本(jbn)应用电路 需注意：采用(ciyng)何种连接方式（正电源、负电源）；输入电压大于6.85V（常取15V）；输入、输出端短接；串联电阻应满足： 共三十三页（2）摄氏温度检测电路 思想：将传感器的参考(cnko)电压进行分压，使输出电压平移-2.73V，即使273K（0）输出为0。补偿后，输出电压直接指示摄氏度，灵敏度为10mV/。 共三十三页2.4.3 电流输出型 以AD590电流输出型温度传感器为例介绍其工作原理及

16、特性。 测温范围：-55155； 灵敏度：1A/K； 系列型号：I、J、K、L、M； 三端结构：1 电源正端，2 电流输出端，3 金属外壳，通常不用； 内部结构：PTAT核心电路(dinl)； 非线性误差小于0.5；工作电压范围：430V。 将AD590输出与一个1000的电阻串联，即可得到与绝对温度成比例的电压输出(1mV/K)。由于AD590内阻极高，所以通常(tngchng)可将电流信号远传，而在显示端串接负载电阻取出电压信号。 共三十三页 图2.33 是摄氏、华氏数字温度计的结构示意图。图中电阻R用于IV转换，R1R5为电阻网络，用于调整ICL7106的A/D转换器输入。ICL7106

17、为集成电路，内部包括3位半A/D模数转换器、时钟发生器、参考电压(diny)源、BCD七段译码器及自馈和LED显示驱动器（0199.9 ）。 另外，可使用场效应管运算放大器实现电流电压转换。如：模拟器件(qjin)公司的AD542L型运放，F3130型高输入阻抗放大器。共三十三页2.5 热释电传感器2.5.1 热释电效应 当一些(yxi)晶体受热时，晶体两端将产生数量相等而符号相反的电荷，这种晶体受热极化的现象即热释电效应。能产生热释电效应的晶体称为：热释电体。 常用材料：单晶（铌酸锂、钽酸锂、钛酸钡、镐钛酸铅）；热释电塑料（聚偏二氟乙烯）等。2.5.2 热释电红外传感器 热释电红外传感器是利

18、用热释电效应探测人体(rnt)用的红外传感器，常用于防盗报警、来客告知、自动门、自动灯及非接触开关等。 热释电红外传感器由热释电体、场效应管、高阻元件、滤光片、探测电路等构成。结构如图：共三十三页 热释电体：PZT镐钛酸铅，热释电信号与其温度的变化率成正比， 所以只对运动的人体或物体敏感。通常将两个PZT反向串联，用于补偿温度电势 效应。 场效应管：常用2SK303V3、2SK94X3。由于热释电体的阻值可达1013，故需更高阻抗的放大器作测量电路，构成源极跟随器。高值电阻用于释放(shfng)栅极电荷，使场效应管安全正常工作。 滤光片：是Si基片上镀多层膜制成的，对人体发射的红外辐射（910m，峰值9.4 m ）有较强的穿透性；对太阳光、荧光灯光等短波长光具有很强的反射能力，确保PZT热释电体