检测与转换温度传感器

检测与转换温度传感器课件第1页，共64页，2023年，2月20日，星期一2■了解温度传感器的作用、地位和分类■理解热电效应定义，掌握热电偶三定律及相关计算，热电偶冷端补偿原因及补偿方法■掌握热敏电阻不同类型的特点、特性曲线及应用场合■掌握电流型、电压型、数字型三种集成温度传感器特点、工作原理和使用方法■了解其他温度传感器工作原理学习要点第2页，共64页，2023年，2月20日，星期一3第一节概论温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。温度是与人类生活息息相关的物理量。温度检测始于2000多年前。工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的一半左右。温度是反映物体冷热状态的物理参数。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。第3页，共64页，2023年，2月20日，星期一4一、温度的基本概念温度：衡量物体冷热程度的物理量。温度的高低反映了物体内部分子运动平均动能的大小。温标：表示温度大小的尺度是温度的标尺。热力学温标thermodynamictemperaturescale国际实用温标Internationalpracticaltemperaturescale摄氏温标Celsiustemperaturescale华氏温标Fahrenheittemperaturescale第4页，共64页，2023年，2月20日，星期一5二、温度传感器的特点与分类随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化蒸气压的温度变化电极的温度变化热电偶产生的电动势光电效应热电效应介电常数、导磁率的温度变化物质的变色、融解强性振动温度变化热放射热噪声1

温度传感器的物理原理(11)第5页，共64页，2023年，2月20日，星期一6▲特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，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2.温度传感器应满足的条件第6页，共64页，2023年，2月20日，星期一73.温度传感器的种类及特点

接触式温度传感器非接触式温度传感器接触式温度传感器是将测温敏感元件直接与被测介质接触，使被测介质与测温敏感元件进行充分热交换，当两者具有相同温度时，达到测量的目的。这种传感器的测量精度较高，但由于被测介质的热量传递给传感器，从而降低了被测介质的温度，特别是被测介质热容量较小时，会给测量带来误差。非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。第7页，共64页，2023年，2月20日，星期一8物理现象体积热膨胀电阻变化温差电现象导磁率变化电容变化压电效应超声波传播速度变化物质颜色P–N结电动势晶体管特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射种类铂测温电阻、热敏电阻热电偶BaSrTiO3陶瓷石英晶体振动器超声波温度计示温涂料液晶半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅辐射温度传感器光学高温计1.气体温度计2.玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计5.液体压力温度计6.气体压力温度计1．

热铁氧体2．

Fe-Ni-Cu合金第8页，共64页，2023年，2月20日，星期一9热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅分类特征传感器名称超高温用传感器1500℃以上光学高温计、辐射传感器高温用传感器1000～1500℃光学高温计、辐射传感器、热电偶中高温用传感器500～1000℃光学高温计、辐射传感器、热电偶中温用传感器0～500℃低温用传感器-250～0℃极低温用传感器-270～-250℃BaSrTiO3陶瓷晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计见表下内容测温范围温度传感器分类(1)第9页，共64页，2023年，2月20日，星期一10温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。特点：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或信号转换，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。第二节热电偶温度传感器★热电偶的工作原理★热电偶回路的性质★热电偶的常用材料与结构★冷端处理及补偿第10页，共64页，2023年，2月20日，星期一11两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（See－back）发现,所以又称西拜克效应。热电偶原理图TT0AB一、工作原理回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势thermo-electricforce由两部分组成，即温差电势和接触电势。热端冷端第11页，共64页，2023年，2月20日，星期一121.接触电势+ABTeAB(T)-eAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e——单位电荷，e=1.6×10-19C；k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——导体A、B在温度为T时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势原理图第12页，共64页，2023年，2月20日，星期一13AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0——高低端的绝对温度；σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，铜的σ=2μV/℃。2.温差电势温差电势原理图第13页，共64页，2023年，2月20日，星期一14由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路总电势NAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度；NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；σA

、σB——导体A和B的汤姆逊系数。第14页，共64页，2023年，2月20日，星期一15导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。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。热电偶回路热电势的大小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。第15页，共64页，2023年，2月20日，星期一16在实际测量中只需用仪表测出回路中总电势即可。由于温差电势与接触电势相比较，其值很小，因此，在工程技术中认为热电势近似等于接触电势。在工程应用中，测出回路总电势后，用查热电偶分度表的方法确定被测温度。由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。二、热电偶回路的性质1.均质导体定律第16页，共64页，2023年，2月20日，星期一17

E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三种不同导体组成的热电偶回路TABCTT2.中间导体定律一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则第17页，共64页，2023年，2月20日，星期一18两点结论：l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：T2T1AaBC23EABAT023ABEABT1T2CT0EAB（T1,T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三种材料接入热电偶回路图第18页，共64页，2023年，2月20日，星期一19ET0T0TET0T1T1T电位计接入热电偶回路根据上述原理，在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。

第19页，共64页，2023年，2月20日，星期一20

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：第20页，共64页，2023年，2月20日，星期一213.中间温度定律

如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1,T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2,T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1,T3)，则BBAT2T1

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）第21页，共64页，2023年，2月20日，星期一22EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）=EAB（T1,0）-EAB（T3,0）=EAB（T1）-EAB（T3）

ABT1T2T2A’B’T0T0热电偶补偿导线接线图E对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0℃时，则：只要T1、T0不变，接入AˊBˊ后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EAB=EAB(T1)–EAB(T0)说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A′、B′(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA΄(T2)=EBB΄(T2)时，则回路总电动势为第22页，共64页，2023年，2月20日，星期一23例题解：根据中间导体定律结论公式，有EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）依题意可知，EAC（T,T0）＝13.967mV；ECB（T,T0）＝－8.345mV则EAB(T,T0)＝13.967mV－8.345mV＝5.622mV因此，在此特定条件下材料A与材料B配对后的热电势为5.622mV。已知在某特定条件下材料A与铂配对的热电动势为13.967mV，材料B与铂配对的热电动势为8.345mV，求出在此特定条件下材料A与材料B配对后的热电势。第23页，共64页，2023年，2月20日，星期一24热电偶材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于制造；复现性好，便于成批生产。三、热电偶的常用材料与结构第24页，共64页，2023年，2月20日，星期一25

1．铂—铂铑热电偶(S型)

分度号LB—3测量温度：长期：1300℃、短期：1600℃。（一）热电偶常用材料2．镍铬—镍硅(镍铝)热电偶(K型)

分度号EU—2测量温度：长期1000℃，短期1300℃。3．镍铬—考铜热电偶(E型)

分度号EA—2测量温度：长期600℃，短期800℃。4．铂铑30—铂铑6热电偶(B型)

分度号LL—2测量温度：长期可到1600℃，短期可达1800℃。第25页，共64页，2023年，2月20日，星期一26几种持殊用途的热电偶（1）铱和铱合金热电偶如铱50铑—铱10钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达2100℃的高温。（2）钨铼热电偶可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，使用温度范围300～2000℃分度精度为1％。（3）金铁—镍铬热电偶

主要用在低温测量，可在2～273K范围内使用，灵敏度约为10μV／℃。（4）钯—铂铱15热电偶输出性能高，在1398℃时的热电势为47.255mV。（6）铜—康铜热电偶，分度号MK热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43μV/℃。复现性好，稳定性好，精度高，广泛用于20K～473K的低温实验室测量中。（5）铁—康铜热电偶，分度号TK

灵敏度高，线性度好，可在800℃以下的还原介质中使用。第26页，共64页，2023年，2月20日，星期一27

（二）常用热电偶的结构类型1．工业用热电偶2．铠装式热电偶（又称套管式热电偶）3．快速反应薄膜热电偶4．快速消耗微型热电偶

第27页，共64页，2023年，2月20日，星期一28方法冰点槽法计算修正法补正系数法零点迁移法冷端补偿器法软件处理法四、冷端处理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，否则会产生误差。第28页，共64页，2023年，2月20日，星期一291.冰点槽法把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。这种办法仅限于科学实验中使用。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。mVABA’B’TCC’仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液四、冷端处理及补偿T0第29页，共64页，2023年，2月20日，星期一302.计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算例用铜-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)=1.979mV，又用室温计测出TH=21℃,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.84mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.979+0.84=2.819(mV)再次查分度表，与2.819mV对应的热端温度T=69℃。注意:既不能只按1.979mV查表，认为T=49℃，也不能把49℃加上21℃，认为T=70℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)第30页，共64页，2023年，2月20日，星期一31第31页，共64页，2023年，2月20日，星期一323.补正系数法把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即

式中：T——为未知的被测温度；T′——为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度；TH——室温；k——为补正系数，其它参数见下表。例用铂铑10－铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35℃，这时热电动势为11.348mV．查S型热电偶的分度表，得出与此相应的温度T′=1150℃。再从下表中查出，对应于1150℃的补正系数k=0.53。于是，被测温度

T=1150+0.53×35=1168.3（℃）用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但误差不大于0.14％。T＝T′＋kTH第32页，共64页，2023年，2月20日，星期一33第33页，共64页，2023年，2月20日，星期一34

热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40～＋350℃）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。主要讲述热敏电阻的特点、分类，基本参数，主要特性和应用等。

第三节热敏电阻温度传感器第34页，共64页，2023年，2月20日，星期一35NTC二极管封装环氧封装、小型化高精度；响应时间快；稳定性好根据不同用途有多种封装结构；使用温区宽高稳定性、高可靠性根据不同用途有多种封装结构；使用温区宽；高稳定性、高可靠性；为客户提供多种便捷服务家用冰箱、空调器；电热水器、整体浴室；冰柜、豆浆机环氧封装、小型化、精度高；可靠性高、响应时间快；引线采用聚脂漆包线、耐热、绝缘性好第35页，共64页，2023年，2月20日，星期一36（一）热敏电阻的特点1．电阻温度系数的范围甚宽2．材料加工容易、性能好3．阻值在1Ω～10MΩ之间可供自由选择4．稳定性好5．原料资源丰富，价格低廉一、热敏电阻的特点与分类第36页，共64页，2023年，2月20日，星期一37

1．正温度系数热敏电阻器（PTC）

PositiveTemperatureCoefficient

2．负温度系数热敏电阻器（NTC）

NegativeTemperatureCoefficient

3．突变型负温度系数热敏电阻器（CTR）

ChopTemperatureResistor

（二）热敏电阻的分类

第37页，共64页，2023年，2月20日，星期一38（一）热敏电阻器的电阻——温度特性（RT—T）

12340601201600100101102103104105106RT/Ω温度T/ºC热敏电阻的电阻--温度特性曲线1-NTC；2-CTR；3PTC二、热敏电阻器主要特性Resistance-temperaturecharacteristicofthermistorρT—T与RT—T特性曲线一致。T/℃第38页，共64页，2023年，2月20日，星期一39第四节集成温度传感器

IntegrateCircuitTemperatureSensor一、IC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温度传感器第39页，共64页，2023年，2月20日，星期一40二、IC温度传感器的测温原理晶体管伏安方程式：K0

——

波尔滋蔓常数；

T——

绝对温度;

γ——V1、V2发射极面积比。

q——电子电荷量；

ΔVBE正比于绝对温度T，只要保证IC1/IC2恒定，

就可以使ΔVBE与T为单值函数。

因此，可利用电流I与T的正比关系，通过电流的变化来测量温度的大小。I∝T若将ΔVBE转换为电流I，则第40页，共64页，2023年，2月20日，星期一41（一）电压输出型集成温度传感器型号：LM35、LM335、AN6701S等多种。LM35系列传感器是3端的电压输出型的精密感温器件，有LM35、LM35A、LM35C、LM35CA和LM35D等型号。极限参数：电源电压为+35V～-0.2V；输出电压为+6V～-1.0V输出电流为10mA；存放温度范围对于T0－46封装(金属壳)为-60℃～+180℃，T0－92封装(塑料)为-55℃～+150℃；工作温度范围对于LM35和LM35A为-55℃～+150℃，LM35C和LM35CA为-40℃～+110℃，LM35D为-0℃～+100℃。特点：直接用摄氏温度校正；线性温度系数(灵敏度)为10.0mV/℃；在25℃时，测量精度为05℃；工作电压范围为4Ｖ～30Ｖ；非线性度小于±05℃；输出阻抗低，在1mA负载电流时，输出阻抗只有0.1Ω；静态电流小于60μA；可采用单电源供电，也采用双电源供电，在测量温度范围内无需进行调整。三、IC温度传感器的主要特性第41页，共64页，2023年，2月20日，星期一42T0－46封装T0－92封装T0－220封装LM35的常用基本电路第42页，共64页，2023年，2月20日，星期一43

电流输出型典型集成温度传感器有AD590（美国AD公司生产），国内同类产品SG590。器件电源电压4～30V，测温范围-50～+150℃。AD590引脚和内部电路原理图（二）电流型温度传感器第43页，共64页，2023年，2月20日，星期一441．伏安特性工作电压：4V～30V，I为一恒流值输出，I∝Tk，即KT——标定因子，AD590的标定因子为1μA/KI=KT·TK

4V30V0I/μAU/VAD590伏安特性曲线-55℃+25℃+150℃218298423第44页，共64页，2023年，2月20日，星期一45－550150273.2μAI/μATC/ºCAD590温度特性曲线2．温度特性其温度特性曲线函数是以Tk为变量的n阶多项式之和，省略非线性项后则有:Tc——摄氏温度；I的单位为μA。

可见，当温度为0℃时，输出电流为273.2μA。在常温25℃时，标定输出电流为298.2μA。I=KT·Tc＋273.2第45页，共64页，2023年，2月20日，星期一463．AD590的非线性150－55△T/ºC0.3－0.30在实际应用中，ΔT通过硬件或软件进行补偿校正，使测温精度达±0.1℃。其次，AD590恒流输出，具有较好的抗干扰抑制比和高输出阻抗。当电源电压由＋5V向＋10V变化时，其电流变化仅为0.2μA/V。长时间漂移最大为±0.1℃，反向基极漏电流小于10pA。–55℃～100℃，ΔT递增，100℃～150℃则是递降。ΔT最大达±3℃，最小ΔT＜0.3℃，分I、J、K、L、M五档T/ºCAD590非线性误差曲线第46页，共64页，2023年，2月20日，星期一474．AD590的测量电路AD590在温度25℃（298.2K）时，理想输出为298.2μA，实际存在误差，可通过电位器调整，使输出电压满足1mV/K的关系。AD590典型应用第47页，共64页，2023年，2月20日，星期一48（三）数字输出型IC温度传感器

１、DS18B20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48页，共64页，2023年，2月20日，星期一493

、DS18B20的工作原理存储器控制逻辑64bitROM和单线接口温度传感器高温触发器低温触发器8位CRC触发器存储器DS18B20内部结构图电源检测寄生电源2

、DS18B20引脚及功能第49页，共64页，2023年，2月20日，星期一50第50页，共64页，2023年，2月20日，星期一51四、集成温度传感器的应用1、LM35构成的数字温度计

第51页，共64页，2023年，2月20日，星期一52四、集成温度传感器的应用串联、并联使用：串联测最低温度；并联测平均温度冷端补偿：可代替冰池，环境温度15℃～35℃温度控制：温度检测：2、AD590的典型应用第52页，共64页，2023年，2月20日，星期一53AD590构成的深井长传输线的温度测量第53页，共64页，2023年，2月20日，星期一543、DS18B20构成的温度检测系统采用寄生电容供电的温度检测系统

89C51DS18B20DS18B20DS18B20P1.0P1.1P1.2TxRx+5VGNDVDDP1.1作输出口用，相当于TxP1.2作输入口用，相当于Rx……提供电流通过试验发现:可挂接DS18B20数十片，距离可达到50m，而用一个口时仅能挂接10片DS18B20，距离仅为20m。同时，由于读写在操作上是分开的，故不存在信号竞争问题。第54页，共64页，2023年，2月20日，星期一55一、铂电阻温度传感器利用纯铂丝电阻随温度的变换而变化的原理设计研制成的。可测量和控制–200℃～650℃范围内的温度，也可作对其他变量(如：流量、导电率、pH值等)测量电路中的温度补偿。有时用它来测量介质的温差和平均温度。它具有比其他元件良好的稳定性和互换性。目前，铂电阻上限温度达850℃。第五节其他温度传感器第55页，共64页，2023年，2月20日，星期一56在0～850℃范围内，铂电阻的电阻值与温度的关系为

在–200℃～0℃范围内为：

式中R0、Rt——温度为0及t℃时的铂电阻的电阻值；

A、B、C——常数值，Rt=R0（1+At+Bt2）Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]铂电阻的纯度以R100/R0表示，R100表示在标准大气压下水沸点时的铂的电阻值。国际温标规定，作为基准器的铂电阻，其R100/R0不得小于1.3925。我国工业用铂电阻分度号为