传感器原理结热电偶

传感器原理结热电偶第1页，共41页，2023年，2月20日，星期日二、晶体管温度传感器

在晶体管集电极电流恒定下，发射结的正向电压随温度上升而下降。晶体管比二极管有更好的线性和互换性。UtT/℃PN结温度传感器的优缺点优点：灵敏度高、线性好、价格低廉缺点：一致性差硅管结电压常温下约0.7v并且大小随温度升高而减小，℃ut测温范围-50℃～+150℃第2页，共41页，2023年，2月20日，星期日1.基本原理2.晶体管温度传感器的结构由晶体管原理知检测温度时温敏三极管必须附加外围电路。外围电路包括参考电压源﹑运放﹑线性电路等部分。第3页，共41页，2023年，2月20日，星期日3、晶体管温度传感器基本电路由运放和温敏三极管组成，C防止寄生振荡。T为反馈元件跨接在运放的反相输入端和输出端，基极接地。T的集电极Ic仅取决于Rc和电压E,Ic=E/Rc，与温度无关，保证了恒流源工作条件。电压Vbe随T近似线性下降。第4页，共41页，2023年，2月20日，星期日设计原理：集成温度传感器则是将晶体管的b-e结作为温度敏感元件，加上信号放大、调整电路、甚至A/D转换或U/f转换等电路集成在一个芯片上制成优点：使用简便、价格低廉、线性好、误差小、适合远距离测量、控制、免调试。1.4集成温度传感器

第5页，共41页，2023年，2月20日，星期日集成温度传感器的分类电压型IC温度传感器电流型IC温度传感器数字输出型IC温度传感器。电流型IC温度传感器是把线性集成电路和与之相容的薄膜工艺元件集成在一块芯片上,再通过激光修版微加工技术,制造出性能优良的测温传感器。这种传感器的输出电流正比于热力学温度，即1μA/K；其次，因电流型输出恒流，所以传感器具有高输出阻抗。其值可达10MΩ。这为远距离传输深井测温提供了一种新型器件。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,制成一四端器件。因器件有放大器；故输出电压高、线性输出为10mV／℃；另外,由于其具有输出阻抗低的特性；抗干扰能力强，故不适合长线传输。这类IC温度传感器特别适合于工业现场测量。模拟输出型IC温度传感器第6页，共41页，2023年，2月20日，星期日典型电流式集成温度传感器有：AD590AD592TMP17典型电压式集成温度传感器有：LM334LM35TMP37第7页，共41页，2023年，2月20日，星期日美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS1820，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列号，所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根口线（单总线接口）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。DS1820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。数字输出型IC温度传感器第8页，共41页，2023年，2月20日，星期日

１、DS1820的特性

单线接口：仅需一根口线与MCU连接；

无需外围元件；

由总线提供电源；

测温范围为-55℃～125℃，精度为0.5℃；

九位温度读数；

A/D变换时间为200ms；

用户可以任意设置温度上、下限报警值，且能够识别具体报警传感器。

第9页，共41页，2023年，2月20日，星期日DS18B20123GNDI/OVDD(a)PR—35封装

DS18B20的管脚排列DS182012345678I/OGND(b)SOIC封装NCNCNCNCVDDNC2、DS18B20引脚及功能

GND：地；

VDD：电源电压

I/O：数据输入／输出脚(单线接口，可作寄生供电)第10页，共41页，2023年，2月20日，星期日温度/℃输出的二进制码对应的十六进制码+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+1/200000000000000010001H000000000000000000000H-1/21111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-551111111110010010FF92HDS1820温度与数字量对应关系表

第11页，共41页，2023年，2月20日，星期日1.5热电偶及其应用项目目标：通过本项目的学习和训练，掌握热电偶的主要特性，了解热电偶的工业应用，掌握普通热电偶的基本使用方法和温度补偿的常用方法。第12页，共41页，2023年，2月20日，星期日热处理温控系统1.5热电偶传感器第13页，共41页，2023年，2月20日，星期日任务一、认识热电偶活动1：了解热电偶的基本特性1.准备器材：数字万用表，酒精灯，ф0.4mm、长约250mm的

漆包铜线和康铜丝各一根。第14页，共41页，2023年，2月20日，星期日活动1：了解热电偶基本特性（2）2.实验方法

●制作一个简易热电偶

●将数字万用表拨至DC200mV档后接热电偶，读取此时电压值

●加热热电偶的工作端（即绞紧连接点），观察万用表电压显示值的变化；再将酒精灯逐渐远离热电偶，观察记录电压数值

第15页，共41页，2023年，2月20日，星期日热电偶实验原理演示

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右端称为：自由端（参考端、冷端）

左端称为：测量端（工作端、热端）

热电极B热电势AB第16页，共41页，2023年，2月20日，星期日活动2：认识热电偶

观察拆解后的普通热电偶芯或未安装的热电偶丝，可以看出两种不同的金属材料构成热电偶的敏感元件。热电偶芯（丝）就是热电偶的核心部分。

第17页，共41页，2023年，2月20日，星期日活动3.了解热电偶原理和特征

将两种不同材料的导体A、B的端点焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A、B两个接点温度T和T0之间存在差异时，回路中便产生电动势，这种效应称为热电效应。热电偶就是利用这一效应进行温度检测的。热电偶两个电极的一端焊接在一起作为检测端（也叫工作端、热端）；将另一端开路，用导线与仪表连接，这一端叫做自由端（也叫参考端、冷端）。

第18页，共41页，2023年，2月20日，星期日热电效应的本质是热电偶本身吸收了外部的热能，在内部转换为电能的一种物理现象。

热电势的大小只与材料和结点温度有关而热电偶的内阻与其长短，粗细，形状有关热电偶的工作原理热电偶两端的热电动势可以用下式表示：Et=EAB(t)–EAB(t0)式中：Et

——热电偶的热电动势；EAB(t)——温度为t时工作端的热电动势；EAB(t0)——温度为t0时自由端的热电动势。第19页，共41页，2023年，2月20日，星期日（1）中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。2、热电偶回路的主要性质

EABC(t,t0)=EAB(t,t0)（C两端接点温度相同）

CABtt0第20页，共41页，2023年，2月20日，星期日中间导体定律应用举例：a）可以引入各种仪表、连接导线等，也允许采用任意的焊接方法来焊制热电偶b）可以采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量第21页，共41页，2023年，2月20日，星期日当工作端和自由端温度为T和T0时，用导体A、B组成热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。或（2）标准电极定律tt0ABtt0ACtt0CB=+简化热电偶的选配第22页，共41页，2023年，2月20日，星期日（3）中间温度定律

热电偶AB在接点温度为T1、T3时的热电动势，等于热电偶在接点温度为T1、T2和T2、T3时的热电动势总和

EAB(t,t0)=EAB(t,tn)+EAB(tn,t0)

t1t3ABt1t2ABt2t3AB=+

EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3)

第23页，共41页，2023年，2月20日，星期日热电偶的分度表如果自由端温度恒定不变，则热电动势只与工作端的温度有关，即Et=f(t)。热电动势的大小只与热电极材料的成分及两端的温度有关，而与热电极的尺寸无关。根据这一特点，工程上以0℃作为冷端基准温度，将热电偶的热电动势与对应热端的温度精确测出，作成表格，称为热电偶的分度表，见附录。工作端温度℃01020304050

热电动势（mV）－0-0.000-0.392-0.777-1.156-1.527-1.889

00.0000.3970.7981.2031.6112.022

1004.0954.5084.9195.3275.7336.137

2008.1378.5378.9389.3419.74510.151

第24页，共41页，2023年，2月20日，星期日任务二、热电偶应用训练一、热电偶的种类8种国际通用热电偶

1.铂铑30—铂铑6B2.铂铑13—铂R3.铂铑10—铂S4.镍铬—镍硅K5镍铬硅—镍硅N6.镍铬—铜镍（康铜）E7.铁—铜镍J8.铜—铜镍T分度号名称热电偶丝第25页，共41页，2023年，2月20日，星期日几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线第26页，共41页，2023年，2月20日，星期日任务二、热电偶应用训练二、热电偶的结构1.普通型热电偶2.铠装型热电偶3.薄膜型热电偶第27页，共41页，2023年，2月20日，星期日普通装配型热电偶的外形第28页，共41页，2023年，2月20日，星期日接线盒引出线套管

不锈钢保护管

固定螺纹

热电偶工作端（热端）

普通铠装热电偶的结构第29页，共41页，2023年，2月20日，星期日铠装型热电偶可长达上百米铠装型热电偶外形第30页，共41页，2023年，2月20日，星期日小形K型热电偶其他热电偶外形第31页，共41页，2023年，2月20日，星期日

补偿导线由两种不同性质的廉价金属材料制成，在一定温度范围内（0~100℃），与所配接的热电偶具有相同的热电特性，起到延长冷端的作用。

二、热电偶使用训练1、补偿导线补偿导线第32页，共41页，2023年，2月20日，星期日A’B’屏蔽层保护层补偿导线外形第33页，共41页，2023年，2月20日，星期日常用热电偶补偿导线的特性配用热电偶正-负补偿导线正-负导线外皮颜色100℃热电势（mV）150℃热电势（mV）20℃时的电阻率（Ω·m）正负铂铑10－铂铜－铜镍①红绿0.645±0.0231.029+0.024-0.055＜0.0484×10-6镍铬－镍硅铜－康铜红蓝4.095±0.156.137±0.20＜0.634×10-6镍铬－考铜镍铬－考铜红黄6.95±0.3010.69±0.38＜1.25×10-6钨铼5－钨铼20铜－铜镍②红蓝1.337±0.045－－第34页，共41页，2023年，2月20日，星期日2、冷端温度补偿的方法冷端恒温法

将热电偶的冷端置于冰水混合物中，也称冰浴法

第35页，共41页，2023年，2月20日，星期日2.冷端温度补偿的方法活动1：确定被测温度——练习用计算法进行温度补偿计算校正法E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)已知：镍铬-镍硅热电偶的检测系统进行测温时，其冷端温度为30℃，仪表显示的热电动势为39.17mV，利用附录C中的数据，完成以下操作：

查表得E（30，0）=1.20mV

计算:E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=(39.17+1.20)mV=40.37mV再反查分度表，可得被测温度为977℃。第36页，共41页，2023年，2月20日，星期日仪表机械零点调整法

用螺丝刀调节仪表面板上的“机械零点”，使指针指到气温t0（图中为40C）的刻度上。机械零点指针被预调到室温（40C）可补偿冷端损失第37页，共41页，2023年，2月20日，星期日电桥补偿法

XT-WBC热电偶冷端补偿器

电桥补偿法是利用不平衡