热电式传感器

1、关于热电式传感器 第一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月第9章 热电式传感器第一节 热电偶测温传感器第二节 热电阻式传感器第三节 新型温度传感器 热电传感器原理第二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。 第一节 热电偶测温传感器热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。热电偶测温传感器是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传

2、或信号转换等优点。第三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月一、热电偶测温原理热电效应把两种不同导体材料 A、B 的两端分别连接在一起，组成闭合回路，这种组合称为热电偶。当接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，这个物理现象称为金属丝的热电效应。此现象是1823年塞贝克（T.J.Seebeck）用铜和锑做实验时发现的，称为塞贝克电势。TT0BA热电效应原理图工作端热端自由端冷端如图所示：将两个接点置于温度为 T 和 T0（设TT0），T 称为热端（工作端）T0 称为冷端（自由端）在该回路会产生电动势（热电势），用 EAB(T,T0) 表示。第一节 热电偶测温传感器第四张，PPT共七十二页

3、，创作于2022年6月（1）接触电势所有金属内部都有大量的自由电子，不同金属材料其自由电子密度不同。设：导体A自由电子密度为nA导体B自由电子密度为nBnAnB图中：eAB(T) 接触点在温度T时的接触电势e 电子电荷量，其值e=1.610-19CT 接触面的温度nA 导体A自由电子密度nB 导体B自由电子密度+-ABeAB（T）接触电势nAnB当两种不同金属接触时，在接触面上因自由电子密度不同而发生电子扩散，电子扩散速率与导体的自由电子密度有关，和接触区的温度成正比。热电势由两部分组成，即接触电势和温差电势。第五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月设：导体A自由电子密度为nA导体B自由

4、电子密度为nBnAnB在接触面由A扩散到B的自由电子必然比B扩散到A的电子数多；因此在两种导体的接触面附近，导体A中部分原子失去电子而带正电，导体B中部分原子因获得电子而带负电，在导体A、B接触面上形成一个由A指向B的静电场；这个电场阻碍了电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势，其可表示为：式中：eAB(T) 接触点在温度T时的接触电势e 电子电荷量，其值e=1.610-19CK 玻耳兹曼常数 K=1.3810-23 J/K T 接触面的温度nA 导体A自由电子密度nB 导体B自由电子密度+-ABeAB（T）接触电势nAnB第六张，PPT共七十二页，创作于2

5、022年6月（2）温差电势单一导体中，如果两端温度不同，在两端间会产生电势，即单一导体的温差电势。这是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散（运动），结果高温端中的原子因失去电子而带正电荷，低温端中的原子因得到电子而带负电荷，从而形成一个静电场；这个电场阻碍了电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在导体两端形成一个稳定的电位差，即温差电势，其可表示为：式中：eA(T，T0) 导体A两端温度为T、T0时的温差电势 汤姆逊系数，表示单一导体两端温度差为 1时产生的温差电势，其值与材料性质和 两端温度有关+-AeA（T,T0）温差电势TT0第七张，PPT共七十二页，创作于2022年6

6、月（3）热电偶回路热电势对于由导体A、B组成的热电偶闭合回路，当温度TT0，nAnB时，闭合回路总的热电势为EAB（T,T0），可用下式表示eAB(T)eAB(T0)BA回路总电势eA(T,T0)eB(T,T0)或写成式中：nAT，nAT0 导体A在接点温度为T和T0时的电子密度nBT，nBT0 导体B在接点温度为T和T0时的电子密度A，B 导体A和B的汤姆逊系数 EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)+-eA(T,T0)+eB(T,T0)第八张，PPT共七十二页，创作于2022年6月在金属导体中自由电子数目很多，但温度不能显著地改变导体中自由电子的动能，所以，在同一种金属导体内，温

7、差电势极小，可以忽略。因此，在一个热电偶回路中起决定作用的是两个接点处材料的性质和该点所处温度有关的接触电势。故上式可以近似为：eAB(T)eAB(T0)TT0热电偶回路接触电势EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)+-eA(T,T0)+eB(T,T0)第九张，PPT共七十二页，创作于2022年6月在工程中，常用上式表示热电偶回路的总热电势。从上式可以看出，回路的总电势是随T和T0而变化的，即总电势为T和T0的函数差，这在实际使用中不方便。为此，在使用和标定热电势时，使T0为常数，即:eAB(T0) = f(T0) = C(常数)则上式可写成EAB(T,T0) = eAB(T)-f(

8、T0) = f(T)-C当热电偶回路的一个端点（冷端）保持温度不变，则热电势EAB（T,T0）只随另一个端点（热端）的温度变化而变化，回路总电势是（热端）温度T的单值函数。第十张，PPT共七十二页，创作于2022年6月结论： 热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。 只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生；且两个端点温差（T-T0）越大，回路总电势EAB（T,T0）也越

9、大。第十一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月1. 均质导体定律由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。应用：可用于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀性。 二、热电偶基本定律第十二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。2. 中间导体定律 EABC（T，T0）=EAB（T，T0）三种不同导体组成的热电偶回路TABCT0T0如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回

10、路，由中间导体定律有：（9-1）第十三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月公式推导：TABCT0T0在热电偶AB回路中，断开参考结点，接入第三种导体C，只要保持两个新结点AC和BC的温度仍为参考结点温度T0，根据热电偶的热电势等于各结点热电势的代数和，即：EABC（T,T0）=EAB（T）+EBC（T0）+ECA（T0）（9-2）如果回路中各结点温度相等，均为T0，则回路中的总热电势应等于零，即：EAB（T0）+EBC（T0）+ECA（T0）=0（9-3）将式（9-3）代入式（9-2），得：EABC（T,T0）=EAB（T）-EAB（T0）=EAB（T，T0） EABC（T，T0）=EA

11、B（T，T0）（9-1）此式即为（9-1）式。第十四张，PPT共七十二页，创作于2022年6月利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，根据中间导体定律，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。接入的方式如下图所示。 应用：第十五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月3. 中间温度定律 在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在结点温度为t、t0时的热电势eAB(t, t0)等于热电偶AB在结点温度t、tc的热电势 eAB(t, tc)和tc、t0时的热电势eAB(tc, t0)之和，即 eAB(t,t0)=eAB(t

12、,tc)+eAB(tc,t0) 第十六张，PPT共七十二页，创作于2022年6月 根据中间温度定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。 该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中, 利用热电偶这一性质, 可对参考端温度不为0的热电势进行修正。应用：第十七张，PPT共七十二页，创作于2022年6月4. 标准电极定律 当热电偶回路的两个结点温度为T、T0时，用导体AB组成热电偶的热电势等于热电偶AC和热电偶CB的热电势的代数和，即：导体C称为标准电极。第十八张，PPT共七十二页，创作于202

13、2年6月标准电极C通常选用高纯铂丝制成，因为铂的物理、化学性能稳定，易提纯，熔点高。如果已求得各种热电极对铂极的热电动势，即可以用标准电极定律，求出其中任意两种材料配成热电偶后的的热电势，这大大简化了热电偶的选配工作。 应用：第十九张，PPT共七十二页，创作于2022年6月例：设热端为100，冷端为0时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为4.0mV，则镍铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：2.95(4.0)=6.95(mV)第二十张，PPT共七十二页，创作于2022年6月三、常用热电偶及结构类型目前，常用热电材料分贵金属和普通金属两大

14、类我国使用的热电偶有以下几种铂铑-铂 热电偶镍铬-镍硅 热电偶分度号为 S 测温范围：0-1300 分度号为 K 测温范围：0-1000 镍铬-考铜 热电偶分度号为 E 测温范围：0-600 分度号为 B 测温范围：0-1800 分度号为 T 测温范围：0-1000 铂铑30-铂铑6 热电偶铜-康铜 热电偶1. 常用的热电偶第二十一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月2. 常用的热电偶的结构类型（1）工业用热电偶（普通热电偶）下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。 工业热电偶结构示意图1接线盒；

15、2保险套管；3绝缘套管；4热电偶丝1234第二十二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月（2）铠装式热电偶（又称套管式热电偶）下图为铠装式热电偶结构示意图。它由热电极、绝缘材料、金属保护套等部分组成。其结构比较特殊，可做得很细、很长，可以弯曲等。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。 第二十三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月特点：热接点可以做得很小（m），具有热容量小、反应速度快（s）等特点，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。 （3）薄膜热电偶下图为薄膜热电偶的结构示意图。它由热电极、绝缘基板、接头夹具等部分组成。采用

16、真空蒸镀、化学涂层和电镀等工艺制成。第二十四张，PPT共七十二页，创作于2022年6月四、热电偶冷端误差及补偿原因热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，如果冷端温度不为0 ，就会产生误差。为了消除或补偿这个误差，常采用以下几种补偿方法。第二十五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。1. 冰点槽法（00C恒温法）这种方法是一种准确度

17、很高的冷端处理方法，但使用起来比较麻烦，需保持冰水两相共存，仅限于科学实验中使用。第二十六张，PPT共七十二页，创作于2022年6月EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)2. 计算修正法在实际使用中，热电偶冷端保持00C比较麻烦，但将其保持在某一恒温下，置热电偶冷端在一个恒温箱内比较容易做到。此时，可以采用冷端温度修正法（即计算修正法）。根据中间温度定律：当冷端温度TH为某一个非00C的恒定值时，由冷端温度引入的误差EAB（TH，T0）是一个常数，可以由分度表查得其电势值。将测得的热电势值EAB（T,TH）加上EAB（TH，T0)值，即可获得冷端温度T0=00C时的热电势

18、EAB（T，T0），经查热电偶分度表，即可得到被测热源的真实温度T。第二十七张，PPT共七十二页，创作于2022年6月例 用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，求被测热源的真实温度T。注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49，也不能把49加上21，认为T=70。由已知条件可得：EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68。由公式：

19、EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)第二十八张，PPT共七十二页，创作于2022年6月不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，电桥输出Uab=0 ，电桥对仪表读数无影响。 注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。T0 Uab EAB(T,T0)当冷端温度升高时，补偿桥臂RCu阻值增大，电桥失去平衡，电桥输出随之增大。而热电偶的热电势EAB（T，T0），由于冷端温度升高而减小，若电桥输出值的增大量Uab等于热电偶电势的减小量EAB，则总输出值U=EAB+

20、Uab，就不随着冷端温度的变化而变化。3. 补偿电桥法冷端温度补偿电桥测温时若保持冷端温度为某一恒温有困难，可采用电桥补偿法。利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。如下图所示。E是电桥的电源，R为限流电阻。第二十九张，PPT共七十二页，创作于2022年6月第二节 热电阻式传感器物质的电阻率随温度变化而变化的物理现象称为热电阻效应。热电阻传感器就是根据热电阻效应制成的。热电阻传感器按材料不同，可分为金属热电阻（一般称为热电阻）和半导体热电阻（一般称为热敏电阻）两大类。一、热电阻大多数金属导体的电阻随温度的升高而增加，电阻增加的原因可用其导电机理说明。1、金属导体测

21、温机理第三十张，PPT共七十二页，创作于2022年6月在金属中参加导电的为自由电子，当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变，但是每个自由电子的动能将增加。因此，在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，导致金属电阻随温度的升高而增加，其变化关系可由下式表示：Rt=R01+(t-t0)(9-4)式中：Rt，R0分别为热电阻在t0C和t00C时的电阻值； 为热电阻的电阻温度系数。由式（9-4）可见，只要保持不变，则金属电阻Rt将随温度线性的增加。第三十一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应

22、用。（1）铂热电阻2、常用热电阻按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围为-200850。第三十二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月由特性方程可见：铂热电阻和温度之间近似线性关系；且热电阻在温度t时的电阻值与0时的电阻值R0有关。目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和R0=100两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其中以Pt100为常用。铂热电阻的特性方程为：在-2000的温度范围内： Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) 在0850的温度范围内： Rt = R0(1+At+Bt2) 式中：Rt 温度为t时铂电阻的电阻值（）R0 温度为0时铂电阻的电阻值（）A 常数

23、，3.9684710-3/B 常数，-5.84710-7/C 常数，-4.2210-12/ t 测量温度 第三十三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温， 它的测量范围为-50150。（2）铜热电阻优点：铜热电阻的电阻温度系数较大、线性性好、价格便宜。缺点：电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定性较差，在100 以上时容易氧化，因此只能用于低温及没有浸蚀性的介质中。特点：第三十四张，PPT共七十二页，创作于2022年6月铜电阻的温度特性Rt = R0（1+t）式中：Rt 温度为t时铜电阻的电阻值（）R0 温度为0时铜电阻

24、的电阻值（） 常数，4.2889910-3/ t 测量温度 铜电阻的分度号：Cu50 测温范围：-50-150Cu100 测温范围：-50-150（铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的）第三十五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月3. 热电阻的测温电路用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。 热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。热电阻内部引线方式有三种：二线制、三线制和四线制。第三十六张，PPT共七十二页，创作于2022年6月（1）两线制两线制连接电路如图所示。将两根导线接在热电阻两端，导线本身的阻值和热电阻串联在一起。两线制

25、接法所带来的测量误差较大。这是由于导线所带的阻值引起的；并且导线阻值会随其所处环境的温度变化而变化，难以修正。这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。第三十七张，PPT共七十二页，创作于2022年6月（2）三线制三线制连接电路如图所示。将热电阻的一端与一根导线相接，另一端同时接两根导线。三线制的连接方案可以消除导线电阻对测温的影响。如图所示，当热电阻与电桥电路配合时，其中一根导线串联在电桥的电源上，对电桥的平衡与否毫无影响，另外两根分别串联在电桥的相邻两臂上，则相邻两臂的阻值都增加相同的阻值r。当电桥平衡时，可写出下列

26、关系式，即：（Rt+r）R2=（R3+r）R1(9-5)第三十八张，PPT共七十二页，创作于2022年6月由式(9-5)可得：(9-6)由式(9-6)可见，设计电桥时如满足R1=R2，则式(9-6)中右边含有r的项完全消去，这种情况下连线电阻r对桥路平衡毫无影响，即可以消除热电阻测量过程中r的影响。三线制比较适合用于工业测量，具有较高的测量精度。第三十九张，PPT共七十二页，创作于2022年6月（3）四线制四线制连接电路如图所示。将热电阻两端各用两根导线连到仪表上，一般使用直流电位差计作为指示或记录仪表。由恒流源提供已知电流I，流过热电阻Rt，使其产生压降U，再用电位差计测出U，便可利用欧姆定

27、律得到Rt：Rt=U/I(9-7)由式(9-7)可以看出，四线制连接方案中，四根导线的电阻r对热电阻没有影响。由恒流源提供已知电流I，虽然电流在导线上形成压降rI，但不在测量范围之内。而电压导线上虽有电阻但无电流，所以四根导线的电阻r对测量均无影响。四线制连接方式适合实验室用，具有很高的测量精度。第四十张，PPT共七十二页，创作于2022年6月半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度而变化的性质制成的温度敏感元件。二、热敏电阻1、半导体热敏电阻测温机理半导体中参加导电的是载流子，载流子的密度（单位体积内载流子的数目）与金属中自由电子的密度相比要多得多，所以半导体的电阻率大。随着温度的升高，

28、一方面，半导体中的价电子受热激发跃迁到较高的能级而产生新的电子-空穴对，使参加导电的载流子数目大大增加，导致电阻率减少；另一方面，半导体材料的载流子的平均运动速度升高，导致电阻率增大。因此，半导体热敏电阻有多种不同类型。第四十一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月2、半导体热敏电阻的基本类型半导体热敏电阻随温度变化的典型特性有三种类型，即负电阻温度系数热敏电阻（NTC）、正电阻温度系数热敏电阻（PTC）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR）。1正温度系数热敏电阻器（PTC） 电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏阻器。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶

29、瓷。2负温度系数热敏电阻器（NTC） 电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。3突变型负温度系数热敏电阻器（CTR）该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低34个数量级，即具有很大负温度系数。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。第四十二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月3. 热敏电阻的特点热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。相对于一般的金属热电阻而言，它主要有如下特点：灵敏度高，其电阻温度系数比一般金属电阻大10100倍工作温度范围较宽常温器件适用于-55315高温器件适用温度高于315（目前最高可达到200

30、0）低温器件适用于-27355 结构简单，体积小，可以测量点温度电阻率高，热惯性小，适宜动态测量阻值与温度变化呈非线性关系稳定性好，过载能力强第四十三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月4. 热敏电阻的分类热敏电阻器种类繁多，按阻值温度系数可分为负电阻温度系数（以下简称负温系数）和正电阻温度系数（以下简称正温系数）热敏电阻器；按温度变化的灵敏度（大小）分类 高灵敏度型（突变型）、低灵敏度型（缓变型）热敏电阻器；按其受热方式可分为直热式和旁热式；按其工作温度范围可分为常温、高温和超低温热敏电阻器；按其结构分类有棒状、圆片、方片、垫圈状、球状、线管状、薄膜以及厚膜等热敏电阻器。 第四十四张，

31、PPT共七十二页，创作于2022年6月5.热敏电阻的主要用途 家用电器设备电熨斗、电冰箱、电饭锅、洗衣机、电子炉灶、电暖壶、烘干机、电烤箱住房设备空调器、电热褥、电热地毯、太阳能系统、风取暖器、快速煮水器汽车电子喷油嘴、发动机防热装置、液位计、汽车空调器测量仪器流量计、风速表、真空计、浓度计、湿度计、环境污染监测仪办公设备复印机、传真机、打印机农业、园艺暖房培育、育苗、饲养、烟草干燥医疗体温计、人工透晰、检查诊断第四十五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月第三节 新型温度传感器 一、 PN结温度传感器1. PN结温度传感器的原理半导体PN结测温传感器是以PN结的温度特性为理论基础的。即半

32、导体PN结的电流电压与温度有关的特性。PN结的伏安特性可用下式表示式中：I为PN结正向电流；U为PN结正向压降；Is为PN结反向饱和电流；q为电子电荷量；T为绝对温度；k为玻耳兹曼常数。（9-8）第四十六张，PPT共七十二页，创作于2022年6月由式（9-8）可见，只要通过PN结上的正向电流I恒定，则PN结的正向压降U与温度的线性关系只受反向饱和电流Is的影响，是温度的缓变函数。只要选择合适的掺杂浓度，即可认为Is在不太宽的温度范围内近似常数。因此，正向压降U与温度T呈线性关系。这就是PN结温度传感器的基本原理。（9-8）第四十七张，PPT共七十二页，创作于2022年6月例如，硅管的PN结的结

33、电压在温度每升高10C时，下降-2mV，利用这种特性，一般可以直接采用二极管或采用硅晶体管接成二极管来做PN结温度传感器。第四十八张，PPT共七十二页，创作于2022年6月2. PN结温度传感器的应用图示为采用PN结温度传感器的数字式温度计。图中的VD为玻璃封装的开关二极管1N4148，或将硅晶体管的b、e极短接成的二极管。测温范围-50+1500C，分辨力为0.10C，在01000C范围内精度可达10C。第四十九张，PPT共七十二页，创作于2022年6月PN结温度传感器的特点：目前多采用集成温度传感器。 成本低 输出线性好，准确度较高 体积小，使用方便 但在高、低温区误差较大第五十张，PPT

34、共七十二页，创作于2022年6月二、集成温度传感器1. 集成温度传感器的原理集成温度传感器在20世纪80年代问世。采用硅半导体集成工艺制成。它是将温度传感器集成在一个芯片上，可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC，因此也称为IC温度传感器或单片集成温度传感器。第五十一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月集成温度传感器将热敏晶体管、偏置电路和放大电路制作在同一芯片上，利用晶体管的基极-发射极电压之间的差Ube与温度成线性关系制成，基本电路如图9-1所示。图9-1 集成温度敏感元件的基本电路第五十二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月当忽略基极电流情况下，认为两个晶体三极管的温度均

35、为T时，它们的集电极电流是相等的，Ube1与Ube2的结压降差就是电阻R1上的电压降，即：（9-9）式中：为Tt1与Tt2结面积相关的倍数；e为电子电荷量；T为被测物体的热力学温度；k为玻耳兹曼常数。该式表明，Ube正比于绝对温度T。此即为集成温度传感器的测温原理。与单个晶体管温度传感器相比，由于它采用了晶体管对作为温度敏感器件，因而补偿了许多不利因素。第五十三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月2. 集成温度传感器的应用集成温度传感器具有测温误差小、价格低、响应速度快、体积小、微功耗、适合远距离测温、控温等特点。常见的集成温度传感器可分为电压型和电流型。电压型的温度系数约为10mV/K

36、，电流型的温度系数约为1uA/K；且输出电压或电流与绝对温度成线性关系。典型产品有：电流型：AD590，AD592等；电压型：MAX6610/6611，LM3911，LM335，AD22103等。第五十四张，PPT共七十二页，创作于2022年6月（1）电流输出型温度传感器AD590AD590是属于采用激光修正的精密集成温度传感器，其系列产品的引脚及符号如图9-2所示。它共有3个引脚：1为正极，2为负极，3为管壳。使用时，将引脚3接地，可起到屏蔽作用。该系列产品以AD590M的性能最佳。其测温范围是-551500C，最大非线性误差为0.30C，响应时间为20us，重复性误差为0.050C，功耗约

37、为2mW。第五十五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月AD590典型应用 由AD590构成的模拟式温度计由AD590构成的最简单的测温电路如图9-3所示。AD590把被测温度转成电流，使微安表偏转。在对微安表进行标定之后，即可作为模拟式温度计使用。为防止引入外界的干扰，需采用双股绞合线（简称双绞线）作引线，其长度可达几百米。图9-3 由AD590构成的模拟式温度计第五十六张，PPT共七十二页，创作于2022年6月 由AD590构成的数字温度计AD590配以ICL7106型单片A/D转换器，即可构成数字温度计，电路如图9-4所示。AD590跨接在IN-与U-之间。调整电位器RP1使基准电压

38、UREF=500.0mV。校正时用一只精密水银温度计监测温度，调整电位器RP2使仪表显示值与被测温度t（0C）相等。图9-4 液晶显示的数字温度计第五十七张，PPT共七十二页，创作于2022年6月（2）电压输出型温度传感器MAX6610/6611电压型IC温度传感器是将温度传感器基准电压、缓冲放大器集成在同一芯片上的测温传感器。MAX6610/6611是美信公司2002年推出的一款电压型IC温度传感器。适用于系统温度监控、温度补偿、通风系统、家用电器等领域。MAX6611为六脚SOT-23封装，如图所示。1为电源正端，接0.1uF旁路电容；2、6为电源负端，接地；3为关闭控制端，低电平（0.5

39、V）有效，不用时接Vcc；4接输出与温度成正比的模拟电压；5为4.096V基准电压输出端，其驱动电流可达1mA，接1nF1uF的旁路电容。第五十八张，PPT共七十二页，创作于2022年6月MAX6611输出电压UTEMP与测量温度T的关系为：式中：U0为00C时的输出电压；S为传感器的灵敏度；T为测量温度。该芯片输出电压UTEMP与温度T的关系如图所示。第五十九张，PPT共七十二页，创作于2022年6月传感器的防爆标准防爆规定的标识第六十张，PPT共七十二页，创作于2022年6月传感器的防爆在石油、化工、冶金等工业生产过程中，多有爆炸性、可燃性气体、液体、粉尘存在，所以，要求传感器具有防爆功能

40、。如何防爆具有防爆的意识应清楚防爆的原理、方法、分类与标准掌握防爆的基本知识爆炸是在同时满足三个条件下发生的：现场存在易燃易爆物质（易燃易爆气体、液体、固体）现场存在氧气现场存在引燃引爆源，如足够能量的电火花、足够高的物体表面温度显然，消除三个条件中的任何一个，就能防爆。传感器的防爆第六十一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月防爆规定的标识在实际应用中，防爆仪表在名牌上必须标识、标注防爆标志。从而对仪表的可安装区域和可使用的防爆场合一目了然。防爆标志的含义：防爆标志用4段英语字母来表示第一字段：表示防爆声明第二字段：表示防爆方法第三字段：表示气体类别（仪表适用爆炸性气体的类别）第四字段：

41、表示温度组别（仪表表面温度）例：Ex ia IIC T6Ex 防爆声明 符合国际标准 IEC60079-1:1998 （中国）国家标准 GB 3836-2000ia 防爆方法 采用ia级本质安全防爆方法，可安装在0区域IIC 气体类别 被准许使用IIC类爆炸性气体（氢气）T6 温度组别 仪表表面温度不超过 85C传感器的防爆第六十二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月正压型防爆 Ex p人为地在危险现场营造一个没有易爆气体的空间，将仪表装在其中。具体的做法是：将仪表装在一个密封的箱体内，箱体内充满非易燃易爆的惰性气体，并保持箱内气压略大于箱外气压，易燃易爆气体不能进入箱内。隔爆型防爆 E

42、x d 人为地将爆炸局限在一个有限的范围内，该范围内的爆炸不至于引起更大范围的爆炸。具体的做法是：为仪表设计一个足够坚固的外壳或将仪表及电器安置在一个足够坚固的壳体内，严格按标准设计、制造和安装所有界面，使在机壳内发生的爆炸不至于引发壳外危险性气体的爆炸。显然，这是一种苛刻的防爆方法。不仅设计和制造的规范及其严格，而且安装、接线和维修的操作规程十分严格，容不得一点差错。传感器的防爆第六十三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月本质安全防爆 Ex i 人为地消除引爆源，即消除引爆的火花、消除足以引爆的仪表表面温升。具体做法是：利用安全栅，将提供给现场仪表的电能量（电源）限制在即不能产生足以引

43、爆的火花，也不能产生足以引爆仪表表面升温。IEC60079-1:1998国际标准GB3836.2-2000国家标准当安全栅安全区一侧所接设备发生任何故障（不超过250V电压）时，本质安全防爆方法能确保现场的防爆安全。本质安全防爆要确保对现场仪表进行带电拆装、检查和维修时的防爆安全。Ex ia 本质安全设备在正常工作时，发生一个故障、发生两个故障时均不能点燃爆炸性气体混合物。本质安全是最可靠的防爆方法。被准许用在最危险的场合。传感器的防爆第六十四张，PPT共七十二页，创作于2022年6月安全栅防爆原理安全栅防爆的作用就是控制去现场的能量提供给现场仪表的供电能量保证仪表正常工作，同时在短路的情况下，短路的火花能量不足以点燃现场易燃易爆的物品电压15VDC电流420mADC试验证明在这样供电情况下，如果发生短路，短路火花的能量很低，不足以点燃易燃易爆物品。安全的能量二线制现场仪表采用二线制，即仪表的供电线路和测量信号的传送线路均在同一个回路里