北航传感器原理16

传感器技术及应用——几种典型的模拟式传感器(五)李成2013.05.21

第1讲：绪论第2讲：传感器的输入输出特性第3讲：传感器敏感结构的力学特性第4讲：几种典型的模拟式传感器第5讲：谐振式传感器第6讲：发展中的传感器新技术第7讲：总结课程内容4.1概述4.2电位器式传感器4.3应变式传感器4.4压阻式传感器4.5热电式传感器4.6电容式传感器4.7变磁路传感器4.8压电式传感器第4讲：几种典型的模拟式传感器为什么要测温？温度测量的基本概念？几种常用的测温传感器温度测量的典型应用4.5热电式传感器4.5热电式传感器4.5.1概述4.5.2热电阻测温传感器4.5.3热电偶测温4.5.4半导体P-N结测温传感器4.5.5其他测温系统4.5.6应用实例航空航天家用电器粮食储藏人体体温交通工具温度石油勘探4.5.1概述利用物体的某些物理性质（电阻、电势、热膨胀率等）随温度变化的特征进行的测量。示例—猜猜看？？4.5.1概述4.5.1概述第一支温度计伽利略

GalileoGalilei

1564~1642

義大利科學家WhoamI？1593年，

伽利略發明了

第一支溫度計。

伽利略在長頸圓形燒瓶中加入一些水後，我是長頸圓形燒瓶。

將長頸圓形燒瓶倒插入水瓶中。我是水瓶。

在長頸圓形燒瓶中標示出水位高度。燒瓶中的空氣因為受熱體積變大，而將燒瓶中的水往下擠至水瓶中，使燒瓶中的水位下降。當天氣熱時？燒瓶中的空氣因為遇冷體積收縮變小，使水流入燒瓶內，致使燒瓶中的水位上升。當天氣冷時？天氣熱天氣冷这说明了什么？温标的概念示例—猜猜看？原理：利用不同温度下液体比重的差异而设计。上浮最下面的小球下端的金属牌上面的读数为是当前温度。彩球温度计4.5.1概述？温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。17世纪初伽利略发明温度计;荷兰人华伦海特-华氏温度计；法国人列缪尔-列氏温度计；瑞典人摄尔修斯-摄氏温度计。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，即，后来的热电偶传感器。1870年以后，德国人西门子发明了铂电阻温度计。本世纪相继发明半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。20世纪90年代中期问世智能温度传感器(亦称数字温度传感器）。智能化取决于软件的开发水平。分立式模拟集成式智能网络式热电偶AD5904.5.1概述发展历程温度的概念温标冷热分子运动内涵量摄氏温标℃、华氏温标F热力学温标K、国际实用温标(ITS-90)4.5.1概述温度的标准：(1)有可实现的固定点温度；(2)有在固定点温度上分度的内插仪器；(3)确定相邻固定温度点间的内插公式。温标4.5.1概述测温质（介质）:

要确定选择什么样的物质,这些物质的冷热状态必须能够明显地反映客观物体(欲测物体)的温度变化，而且这种变化具有复现性。如：水银、氢气或是电偶2.测温特性：要知道该测温质的哪些物理量随着温度的改变将产生某种预期的改变。如：水银温度计是用水银做测温质，水银的体积随温度作线性变化。3.参考点：依据确定的数值作为基准，实现划分温度的间隔。几种温标的对比正常体温为37C，相当于华氏温度多少度？4.5.1概述温度的概念温标温度标准的传递温度计的标定与校正测温方法与测温仪器的分类国家计量院省市级对比、传递热电阻热电势其他温度源温度值对比4.5.1概述测温方法及仪器4.5.1概述（1）接触式测温（2）非接触式测温测温方法接触式测温仪器非接触式测温仪器测温方法及仪器4.5.1概述(1)接触式测温含义：测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，感温元件的某一物理参数的量值（热电动势、电阻、热膨胀等等）代表了被测对象的温度值。优点：直观可靠、准确度高。缺点：感温元件影响被测温度场的分布，接触不良会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。测温方法及仪器4.5.1概述（2）非接触式测温含义：感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射方式进行热交换。特点：可避免接触测温的缺点（不影响温场分布）；具有较高的测温上限；非接触测温法热惯性小，可达千分之一秒，便于测量运动物体的温度和快速度变化的温度。准确度低测温方法及仪器4.5.1概述1接触式仪器膨胀式温度计(包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计)电阻式温度计(包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计)热电式温度计(包括热电偶和P-N结温度计)2非接触式温度仪以光辐射为基础，也称为辐射温度计。如：辐射温度计、亮度温度计和比色温度计、红外热相仪；测温方法及仪器4.5.1概述测温方法及仪器4.5.1概述依据类型用途基准温度计和工业温度计测量方法接触式和非接触式工作原理膨胀式、电阻式、热电式、辐射式输出方式电流输出、电压输出供电方式有源、无源测量范围超低温、低温、中高温和超高温如何选择温度传感器？温度传感器的分类4.5.1概述温度传感器的选择4.5.1概述温度特性容易检测和处理，且随温度呈线性变化；除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；特性随时间变化要小；重复性好，没有滞后和老化；灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小；机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；能大批量生产，价格便宜；无危险性，无公害等。4.5热电式传感器4.5.1概述4.5.2热电阻测温传感器4.5.3热电偶测温4.5.4半导体P-N结测温传感器4.5.5其他测温系统4.5.6应用实例金属热电阻半导体热敏电阻测温电桥电路4.5.2热电阻测温传感器原理：热阻效应（电阻率随温度变化）热电阻的电阻温度系数，在一定温度范围内为常数类型：类型代表特点变化金属热电阻铂热电阻测温范围宽1200℃，成本高正铜热电阻测温范围小-50～150℃，成本低正半导体热敏电阻NTC均匀感温特性，变化缓慢，测温范围宽负PTC变化剧烈，测温范围小，发热元件正CTR变化突变，温控开关临界4.5.2热电阻测温传感器半导体热敏电阻电阻类型电阻特性工作机理4.5.2热电阻测温传感器压阻效应？负温度系数热敏电阻（NTC）为提高测量范围或测量精度，必须进行线性化处理。方法1：热敏电阻与精密电阻串联或并联精密电阻热敏电阻方法2：计算机分段线性化处理4.5.2热电阻测温传感器非线性处理半导体热敏电阻热电阻的自热特性4.5.2热电阻测温传感器负温度系数的半导体热敏电阻测温电桥电路1.平衡电桥2.不平衡电桥3.自动平衡电桥4.5.2热电阻测温传感器测温电桥电路1.平衡电桥2.不平衡电桥3.自动平衡电桥4.5.2热电阻测温传感器测温电桥电路1.平衡电桥2.不平衡电桥3.自动平衡电桥4.5.2热电阻测温传感器测温电桥电路4.5.2热电阻测温传感器1.平衡电桥2.不平衡电桥3.自动平衡电桥导线连接方式？热电阻测温电桥说明：为了消除金属热电阻(几欧~几十欧范围)中的引线电阻和连接导线电阻受温度变化而改变其阻值大小，从而影响热电阻测温。测温电桥——两线制、三线制、四线制接法。（1）工业用常用线路①两线制热电阻测温电桥Rac=2(Rr+r+r’)+Rt热电阻Rt引线r’连接导线r调整电阻Rr不平衡电桥（1）工业用常用线路①两线制特点：接入一个桥臂。引线与连接导线随环境温度变化全部加入到热电阻的变化之中；简单，仍有应用引出线的电阻值特性：铜：<=0.2％(R0)；铂:<=

0.1％(R0)

。热电阻测温电桥Rac=2(Rr+r+r’)+Rt（1）工业用常用线路②三线制方法一：热电阻有三个引线其中两根+连接导线的电阻分别加到电桥相临两桥臂中第三根接到电源线上电源与电桥的连接点a从仪表内部的桥路上移到热电阻附近效果：引线与连接导线电阻变化影响减小。Rac=Rt+r’+r+RrRad=R1+r’+r+Rr热电阻测温电桥（1）工业用常用线路②三线制Rac=Rt+2r’+r+RrRad=R1+r+Rr方法二两根引线三根连接导线两根连接导线的电阻分别加到电桥相邻的两桥臂中第三根接到电源对角线上电源的接点a移到热电阻传感器内的接线柱上效果：连接导线r影响减小引线电阻r’影响依存在

热电阻测温电桥（2）实验室精密测温线路——四线制

热电阻测温电桥4引线（2）实验室精密测温线路——四线制

电源E：向标准电阻RH、热电阻Rt（经a,c）、调节电阻Rr和电流表回路供电；电流I：调节Rr，使得回路电流I调整到热电阻的规定值3~4mA；电流测量线：与a和c相连电位测量线：与b和d相连转换开关K：先后测量标准电阻RH和热电阻Rt上的电压降UH和Ut；热电阻测温电桥（2）实验室精密测温线路——四线制

特点：利用电位差计平衡读数时，电位差计不取电流，热电阻的电位测量线没有电流通过,因此，热电阻引线电阻r’、连接导线电阻r无论怎样变化也不会影响热电阻Rt的测量，可完全消除Rt以外电阻的影响。热电阻测温电桥热电阻结构形式4.5.2热电阻测温传感器热电阻实物图4.5.2热电阻测温传感器工业常用三线制和四线制电路热电阻接口电路4.5.2热电阻测温传感器热电效应热电偶的工作机理热电偶的基本定律热电偶的误差及补偿热电偶的组成、分类及特点4.5.3热电偶测温原理：热电效应优点：属自发电型传感器，测量时无需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；测温范围宽：-270～1800C；热电势与温度之间尽可能呈线性单值关系。不足：有引线、需冷端补偿、测量距离短、体积较大。接线盒保护管绝缘管热电极热端4.5.3热电偶测温热电效应——接触热电势产生原理4.5.3热电偶测温数量级10-2~10-3V之间接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。两种导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散（），在接触处失去电子的一侧A带正电，得到电子的一侧B带负电，在接触面形成电场，阻碍电子继续扩散，扩散达到动平衡时，在接触面的两侧就形成稳定的接触电势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。热电效应——热电势产生原理——接触热电势：帕尔帖效应——玻尔兹曼常数——电子电荷量——材料A和B的自由电子浓度

4.5.3热电偶测温热电效应——温差热电势产生原理4.5.3热电偶测温温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高温端移动到低温端的电子数比从低温端移动到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电。因此，在导体两端便形成温差电势。数量级约为10-5V——温差热电势：汤姆逊效应——材料A的汤姆逊系数(V/K)热电效应——热电势产生原理4.5.3热电偶测温结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

热电极A右端称：自由端（参考端或冷端）

左端称：测量端（工作端或热端）

热电极B热电势AB热电偶的工作机理4.5.3热电偶测温从实验到理论：热电效应

1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）

。指南针的偏转说明：回路中有电动势产生，并有电流在回路中流动，电流的