传感器第七章 热电式传感器

传感器第七章热电式传感器第一页，共六十七页，2022年，8月28日一、热电效应如图，把两种不同的导体或半导体材料A、B连接成闭合回路，将两个接点分别置于温度为及的热源中，则在该回路中会产生热电势，表示为这种现象称为热电效应。热电势由接触电势和温差电势构成。7.1热电偶第二页，共六十七页，2022年，8月28日（一）接触电势将两种不同的金属导体接触，由于自由电子的密度不同，在接触面上发生电子扩散，电子扩散的速率与两导体的电子密度有关，并和接触区的温度成正比。参见下图。第三页，共六十七页，2022年，8月28日设两种金属的电子密度为和，接触区的温度为，则接触电势为上式不仅表示电势的大小，同时反映了电势降的方向，正方向为有A金属指向B金属。（二）温差电势同一种金属中，如果两端温度不同，在两端间会产生一个温差电势。其原因是：温度高的一端导体内自由电子具有较大的动能，向温度低的一段扩散，高温端失去电子而带正电，低温端获得电子带负电。第四页，共六十七页，2022年，8月28日温差电势的大小可表示为式中为汤姆逊系数，表示单位温差所产生的温差电势。与材料性质与两端温度有关。第五页，共六十七页，2022年，8月28日（三）热电偶回路热电势由A、B两种导体组成的热电偶闭合回路，当温度，时，闭合回路总的热电势为或者第六页，共六十七页，2022年，8月28日由上式可以看出：1.如果热电偶两种材料相同，则不管两端是否有温差，总热电势都为零;2.如果热电偶两种材料不同，而热电偶两端温度相同，总热电势也为零；第七页，共六十七页，2022年，8月28日在金属导体中自由电子数目很多，温度对自由电子密度影响很小，所以在同一种金属中，温差电势极小，可以忽略，于是有在实际使用中，通常使为常数，即于是回路热电势可表示为第八页，共六十七页，2022年，8月28日二、热电偶基本定律（一）中间导体定律如图所示的热电偶中，回路总热电势为（忽略温差电势）第九页，共六十七页，2022年，8月28日由上式可得可见，在热电偶中插入第三种金属，如果插入金属两端温度保持一致，则热电偶的热电势不变。（二）标准电极定律当接点温度为和时，用导体A、B组成的热电偶的热电势等于A、C和C、B组成热电偶热电势的代数和，即第十页，共六十七页，2022年，8月28日第十一页，共六十七页，2022年，8月28日上式证明如下（忽略温差电势）。2007.10.18JGLX303->第十二页，共六十七页，2022年，8月28日（三）连接导体定律与中间温度定律如图，回路中总热电势（忽略温差电势）第十三页，共六十七页，2022年，8月28日上式变形得如果第十四页，共六十七页，2022年，8月28日前式变为由此可见，只要金属A与金属B的电子密度之比与金属A’和金属B’的电子密度比相同，则热电势只与温度有关，与中间接点温度无关。第十五页，共六十七页，2022年，8月28日三、常用热电偶及结构（一）常用热电偶1.铂铑-铂热电偶分度号为S。工作温度1300˚C，良好环境可到1600˚C。复制精度和测量准确性较高；缺点是热电势小、高温时易受还原气体和金属蒸汽侵害编制、成本高。2.镍铬-镍硅热电偶分度号为K。工作温度900˚C，短时可到1200˚C。化学稳定性好、复制性好、热电势大、线性好、价格便宜；在还原介质中易受腐蚀、精度偏低。第十六页，共六十七页，2022年，8月28日3.镍铬-考铜热电偶分度号为E。工作温度600˚C，短时可到800˚C。适用于还原性和中性介质。灵敏度高、价格便宜。测温范围窄、易受氧化、不易得到均匀线径。4.铂铑30-铂铑6热电偶分度号为B。工作温度1600˚C，短时可到1800˚C。性能稳定、精度高、适用于氧化或中性介质。热电势小、价格高。B型热电偶在低温时热电势极小，因此在冷端40˚C以下范围内对热电势可以不修正。5.铜-康铜热电偶分度号为T。工作温度-200~+200˚C，多用于实验室。低温稳定性较好，低温技术应用较多。第十七页，共六十七页，2022年，8月28日（二）热电偶结构1.热电极热电极的直径由材料的价格、机械强度、导电率以及热电偶的用途和测量范围等决定。2.绝缘套管3.保护管4.接线盒第十八页，共六十七页，2022年，8月28日四、热电偶冷端温度补偿（一）补偿导线法为了使热电偶的冷端温度保持恒定，可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，连同测量仪表一起放置到恒温或温度波动较小的地方。为了降低成本，采用延长导线（补偿导线）将热电偶的冷端延长。见下图。第十九页，共六十七页，2022年，8月28日（二）冷端温度计算校正法在冷端温度不能保持为0˚C的情况下，可以测量出冷端的温度，利用分度表和下式进行校正。式中是在冷端温度不为0˚C的情况下，热电偶的输出电势。是由分度表查得的热电偶热端为时热电势的值。（三）冰浴法利用冰水混合物，为0˚C的特性，将热电偶的冷端置于冰水混合物中。该法最符合理想情况，但使用不方便，由于冰要融化，因此要定时补充冰块。第二十页，共六十七页，2022年，8月28日第二十一页，共六十七页，2022年，8月28日（四）补偿电桥法如图，电桥四个桥臂中，有一个铜电阻，铜电阻温度系数较大，阻值随温度改变而改变，因此电桥的输出也随之改变。第二十二页，共六十七页，2022年，8月28日绝大多数金属具有正温度系数，温度越高，电阻越大，利用这一规律可制成温度传感器，与热电偶对应，称为热电阻。一、常用热电阻（一）铂电阻在氧化环境中铂的物理、化学性质都很稳定。铂电阻与温度的关系可以用下式表示式中：7.2热电阻第二十三页，共六十七页，2022年，8月28日作为温度传感器的铂需要达到一定的纯度，工业上通常用，即100˚C与0˚C的电阻值之比，来衡量铂的纯度。（二）铜电阻铜电阻与温度近似呈线性关系。铜电阻温度系数大，容易加工和提纯，价格便宜；缺点是温度超过100˚C时易氧化，电阻率小。铜电阻的测温范围一般为-50~150˚C，其电阻与温度的关系为式中：第二十四页，共六十七页，2022年，8月28日二、热电阻测温电路（一）三线制为了避免导线电阻对测量的影响，工业热电阻大多采用三线制接法。如图。当电桥平衡时有于是取则式中右边的项完全消去，这时对桥路平衡没有影响。2006.10.30JC204->第二十五页，共六十七页，2022年，8月28日（二）四线制见图。E为恒流源。由于电位差计的输入阻抗很高，电位差计测得的电压即是热电阻两端的电压不受导线电阻影响，于是第二十六页，共六十七页，2022年，8月28日三、热电阻的特点热电阻与热电偶相比有以下特点：1.同样温度下输出信号较大，易于测量；2.测电阻必须借助外加电源；3.热电阻感温部分尺寸较大，反应速度较热电偶慢；4.同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。第二十七页，共六十七页，2022年，8月28日利用PN结的伏安特性与温度的关系制成的一种固态传感器。PN结伏安特性可用下式表示当时，上式简化为则7.3集成温度传感器第二十八页，共六十七页，2022年，8月28日由上式可见，只要通过PN结的正向电流恒定，则PN结的正向压降与温度的关系只受反向饱和电流的影响。是温度的缓变函数，通过选择合适掺杂浓度，可使在某温度范围内近似为常数。此时为了提高线性，实际使用中选用将NPN型三极管的bc结短接，利用be结作为感温元件。参见后图。采用两支晶体管构成温度测量传感器，使用两支晶体管可以起到差分减小温漂和调整输出幅度的作用。第二十九页，共六十七页，2022年，8月28日一只晶体管的发射极密度可用下式表示通常，将上式化简、取对数后得通过控制工艺，使两个晶体管满足第三十页，共六十七页，2022年，8月28日则两晶体管的之差，即两端的压降为由上式可知正比于绝对温度。这就是集成温度传感器的基本原理。第三十一页，共六十七页，2022年，8月28日集成温度传感器分为模拟式和数字式两类。模拟式有电压型和电流型两种。电压型的温度系数约为10mV/˚C。电流型的温度系数约为1μA/˚C。集成电流型温度传感器AD590，原理图参见后面。AD590实际使用时，作为理想恒流源考虑，通过串联一精密电阻，将电流转换为电压，经过A/D转换后，由CPU处理。AD590输出电流与绝对温度成正比，与摄氏温度的关系为式中：第三十二页，共六十七页，2022年，8月28日第三十三页，共六十七页，2022年，8月28日数字温度传感器DS18B20，内部框图如下。DS18B20数字温度传感器，内部含有温度传感器电路、AD转换电路、温度报警电路、64位电子标签、1-wire总线控制器等部件。DS18B20可以同过电源引脚供电，也可以通过1-wire总线供电。第三十四页，共六十七页，2022年，8月28日

DS18B20通过1-wire总线与CPU连接如下图。CPU接口必须为漏极开路输出（OD）或三态输出。第三十五页，共六十七页，2022年，8月28日

1-wire总线通信初始化过程如下图。1-wire总线发送接受时序图，见下页图。第三十六页，共六十七页，2022年，8月28日第三十七页，共六十七页，2022年，8月28日

DS18B20输出为二进制定点数，低4位为小数部分。参见下表。2007.10.22JGLX303->第三十八页，共六十七页，2022年，8月28日热敏电阻是一种用半导体材料制成的敏感元件。主要特点有：灵敏度高、体积小、使用方便。缺点是阻值与温度呈非线性关系、元件稳定性和互换性差。一、热敏电阻的结构与材料（一）结构如图，热敏电阻由热敏探头、引线、壳体等构成。7.4热敏电阻第三十九页，共六十七页，2022年，8月28日热敏电阻常见结构见下图。（二）材料最常见的热敏电阻采用金属氧化物半导体材料制成。通常将金属氧化物烧制成半导体陶瓷。第四十页，共六十七页，2022年，8月28日二、基本参数（一）标称电阻值

标称电阻是热敏电阻在25˚C时的阻值。标称阻值由热敏电阻的材料和几何尺寸决定。（二）材料常数材料常数是描述热敏材料物理特性的一个常数。其大小取决于热敏电阻材料的激活能，且（三）电阻温度系数温度变化1˚C，电阻的相对变化率。第四十一页，共六十七页，2022年，8月28日（四）时间常数

时间常数为热容量和耗散系数之比，即（五）耗散系数耗散系数是指热敏电阻在与环境温差为1˚C时，单位时间内吸收或释放的热量。（六）最高工作温度最高工作温度是指热敏电阻在规定技术条件下长期连续工作所允许的温度。第四十二页，共六十七页，2022年，8月28日（七）额定功率

额定功率是热敏电阻在规定的技术条件下长期连续工作所允许的输入功率。在此条件下热敏电阻自身的温度不能超过。（八）测量功率在规定环境温度下，电阻体由测量电流加热而引起的电阻值变化不超过0.1%时所消耗的功率。第四十三页，共六十七页，2022年，8月28日三、主要特性（一）电阻-温度特性

热敏电阻分为负温度特性和正温度特性两大类。常见的热敏电阻电阻-温度曲线见下图。第四十四页，共六十七页，2022年，8月28日1.具有负温度系数的热敏电阻的电阻—温度曲线负温度系数的热敏电阻其电阻—温度曲线如1所示，其经验公式为为了方便使用，常取25˚C为参考温度，则上式可改写为将前面经验公式取对数得第四十五页，共六十七页，2022年，8月28日第四十六页，共六十七页，2022年，8月28日2.正温度特性热敏电阻的电阻—温度特性正温度系数热敏电阻是利用正温度系数材料在居里点附近结构发生相变而引起导电率突变而取得的。正温度系数热敏电阻工作区在Tp1和TP2之间。T(˚C)RT(Ω)第四十七页，共六十七页，2022年，8月28日正温度系数热敏电阻的工作温度范围由到之间存在温度，对应有较大的温度系数。在工作温度范围内，电阻—温度经验公式为对上式两边取对数得由前面公式可得到正温度系数热敏电阻的电阻温度系数第四十八页，共六十七页，2022年，8月28日（二）热敏电阻伏—安特性

伏—安特性表示加在热敏电阻上的电压和通过电阻的电流在热敏电阻与周围介质热平衡时的关系。负温度系数热敏电阻的伏—安特性

参见下图。为了保护热敏电阻，通常测量负温度系数热敏电阻的伏—安特性时使用可调恒流源供电。Oa段为线性工作区域；ab端开非线性变化；bc段为正负电阻过渡段；cd段为负阻值段。第四十九页，共六十七页，2022年，8月28日第五十页，共六十七页，2022年，8月28日2.正温度系数热敏电阻的伏—安特性

参见下图。测量正温度系数热敏电阻的伏—安特性通常采用可调恒压源。Oa段为线性工作区域；ab端开非线性变化；bc段为过渡段；cd段为负阻值段。第五十一页，共六十七页，2022年，8月28日第五十二页，共六十七页，2022年，8月28日四、热敏电阻的测温电路由于热敏电阻的阻值与温度为非线性关系，因此在要求温度精确测量时，设计灵敏度高且具有非线性校正功能的测量电路。下面介绍多谐振荡器温度—频率转换电路。电路参见右图。图中R1，R2构成放大器的正反馈，R、C组成RC充放电回路，R3为限流电阻。第五十三页，共六十七页，2022年，8月28日通常，所以反馈系数为设时，。假定振荡周期为，在时间内，C上的电压将以指数规律由向方向变化，所以当时，第五十四页，共六十七页，2022年，8月28日UC-FUOFUOUO-UOmaxUOmaxT/2Ttt第五十五页，共六十七页，2022年，8月28日所以于是振荡频率通过选择电路参数使得第五十六页，共六十七页，2022年，8月28日于是用热敏电阻取代电阻R，由于热敏电阻阻值为比较上面两式曲线的形状是极为相似的。参见后图。因此只要适当的调整两条曲线的位置（通过选择C或RT）来实现，可使其在某一指定点相交。在相交点附近的一定范围内，两条曲线接近，可以用频率值代替温度值。第五十七页，共六十七页，2022年，8月28日第五十八页，共六十七页，2022年，8月28日上面采用一点相交，标定精度不高，为了提高精度通过与RT并、串联电阻使两条曲线在被测温度范围内三点相交，如下图，A、B、C三点。第五十九页，共六十七页，2022年，8月28日在A、B、C三点上有：A点：B点：C点：第六十页，共六十七页，2022年，8月28日若T2恰好为温度范围中点，而Rm和Rn的选择使得f2恰在f3和f1中间，即于是由前面方程组可求出满足上面条件的电阻值和电容值，即第六十一页，共六十七页，2022年，8月28日上面公式中RT1，RT2，RT3为热敏电阻在温度为T1，T2，T3时的热敏电阻值，由实验测得。f1，f2，f3对应RT为RT1，RT2，RT3时电路的输出频率。由此可计算出Rm，Rn和C。实际电路参见下图。第六十二页，共六十七页，2022年，8月28日五、热敏电阻的应用