传感器原理及应用温传感器

传感器原理及应用第11章温度传感器当前第1页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器主要内容：

11.1热电偶

11.2热敏电阻

11.3集成温度传感器当前第2页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器我国目前实行的是1990年国际温标(ITS—90）

(ITS—90）定义:

国际开尔文温度（T90）

国际摄氏温度（t90）；

T90：单位（K）开尔文

t90：单位（C）摄氏

两者关系为：

t90/℃=T90/K–273.15

或t/℃

=T/K–273.15温度单位：

热力学温度是国际上公认的最基本温度当前第3页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器

温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都少不了温度传感器。概述当前第4页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器概述

根据所用测温物质的不同和测温范围不同，有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差温度计、辐射温度计、光测温度计等等。当前第5页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器

温度传感器的种类很多，按价格和性能可分为：

热膨胀温度传感器，有液体、气体的玻璃式温度计、体温计，结构简单，应用较广泛；

家电、汽车上使用的温度传感器，价格便宜、用量大、成本低、性能差别不大；

工业上使用的温度传感器，性能价格差别比较大，因为传感器的精度直接关系到产品质量和控制过程，通常价格比较昂贵。概述当前第6页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器概述各种热电偶当前第7页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器概述各种热电阻当前第8页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器

温度传感器按工作原理主要有以下几类：

热电偶，利用金属的温差电动势测温，特点：耐高温、精度高，可测量上千度；热电阻，利用导体随温度变化，可测温几百度；热敏电阻，利用半导体材料随温度变化测温，特点：体积小、灵敏度高、使用方便，稳定性差；集成温度传感器，利用晶体管PN结电流、电压随温度变化，有专用集成电路，特点：体积小、响应快、价廉，测量150℃以下温度。概述当前第9页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶

11.1.1热电效应两种不同类型的金属导体，导体两端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等（T＞T0）有温差时，回路里会产生热电势，形成电流，这种现象称为热电效应。利用这种效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。当前第10页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶

11.1.1热电效应

固定温度的接点称基准点

（冷端）T0

，恒定在某一标准温度；待测温度的接点称测温点

（热端）T

，置于被测温度场中。这种将温度转换成热电动势的传感器称为热电偶，金属称热电极。热电偶测温方法真空瓶冰和水共存冰点+脚-脚当前第11页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶

11.1.1热电效应不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会产生电子扩散，浓度大的向浓度小的金属扩散。浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。不同金属自由电子密度不同

(1)两种导体的接触电势当前第12页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶

11.1.1热电效应热端接触电势：

冷端接触电势：

、、式中：

A、B代表不同材料；T，T0为两端温度；

＿波尔兹曼常数；

＿电子电荷量；

是A、B材料的电子浓度；在闭合回路中，总的接触电势为：(1)两种导体的接触电势热电偶热端温度为T时当前第13页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶

11.1.1热电效应

对单一金属如果两边温度不同，两端有温度梯度，两端也产生温差电动势；产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电。＋－Ｔ＞Ｔ０(2)单一导体的温差电势（汤姆逊电势）当前第14页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶

11.1.1热电效应A、B两导体构成闭合回路总的温差电势为：单一导体的温差电势为：根据两导体的接触电势和单一导体温差电势热电偶总的热电势为：式中：是泽贝克系数，是温度和位置的函数。当前第15页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶

11.1.1热电效应结论：若热电偶两电极材料相同（NA=NB、σA=σB），无论两端点温度如何，总热电势为零；2.如果热电偶两接点温度相同，T=T0时，A、B材料不同，回路总电势为零；因此，热电偶必须用不同材料做电极；在T、T0两端必须有温差梯度，这是热电偶产生热电势的必要条件。

热电偶总的热电势为：当前第16页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶

11.1.2热电偶基本定律如果将热电偶T0端断开，接入第三导体C，回路中电势EAB（T，T0）应写为：ＡＢＣＴＴ０Ｔ０设

代入上式有：

(1)三种导体的热电回路（中间导体定律）当前第17页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶

11.1.2热电偶基本定律结论：

当引入第三导体C时，只要C导体两端温度相同，回路总电势不变。中间导体定律说明，回路中接入导体和仪表后不会影响热电势。根据这一定律，将导体C作为测量仪器接入回路，就可以由总电势求出工作端温度，条件是：保证两端温度一致。ＡＢＣＴT０Ｔ０测量仪器回路中总电势：当前第18页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶

11.1.2热电偶基本定律在热电偶测温回路中TC为热电极上某点温度，热电偶AB，在结点温度为T、T0时的热电势EAB（T，T0）等于结点温度T、TC和TC、T0

时的热电势与

的代数和，即：

实际测量时，利用这一性质，对参考端温度不为零度时的热电势以及冷端延伸引线进行修正和补偿。(2)考电极定律（中间温度定律）当前第19页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶

11.1.3热电偶的结构和种类热电偶种类：贵金属热电偶铂铑——铂铑（600～1700）℃铂铑——铂（0～1600）℃普通金属热电偶镍铬——镍硅（-200～1200）℃镍铬——镍铜（-40～750）℃铁——康铜（0～400）℃热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好，这是其它温度传感器无法替代的。当前第20页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶

11.1.3热电偶的结构和种类当前第21页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶

11.1.3热电偶的结构和种类普通热电偶，测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构；薄膜热电偶，用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄；铠装热电偶，用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲；表面热电偶，用于弧形表面物体测温；消耗式热电偶，主要用于钢水温度测量。a)普通热电偶b)薄膜热电偶c)铠装热电偶当前第22页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶

11.1.4热电偶测量电路通过查热电偶分度表可知热电偶产生的热电势；例如K型热电偶：

0℃时E=0mV，

600℃时E=24.902mv；分度表以t=0℃作基准.电路调试步骤：调零：T=0℃时调整调零电位器RP2使运放输出为零；调增益：温度600℃时调节负反馈电阻，使运放输出在6V。600℃时，K型热电偶热电势为E=24.902mv，放大器增益为6V/24.902mv=240.945，得到满量程输出6V。当前第23页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.1热电偶

11.1.4热电偶测量电路例：使用k型热电偶测温，基准接点为0℃、测量接点为30℃和900℃时，温差电动势分别为1.203mV和37.325mV。问，当基准接点为30℃，测温接点为900℃时的温差电动势为多少？解：现t=900℃，t0=30℃，基准接点温度为30℃，测温接点温度为900℃时的温差电动势设为E，则900℃总的温差电势为：37.325=1.203+E，所以E=36.122mV。

实际应用中往往t≠0℃；若参考端温度不为0℃，工作端温度为t时，由分度表可查出EA（t,0）,与实际热电势EAB（t,t0）之间的关系可通过参考电极定律得出：当前第24页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器炉温的自动调节

11.1热电偶＿应用当前第25页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器炉温的自动记录11.1热电偶＿应用当前第26页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器热敏电阻传感器主要有两大类：金属热电阻半导体热敏电阻金属热电阻、半导体热敏电阻统称热电阻。广泛用于测量-200～+850℃，少数可测1000℃。11.2热敏电阻贴片式薄膜式

大功率

当前第27页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器金属热电阻一般用于-200～+500℃温度测量；材料多为纯铂金属丝，也有铜、镍，绕制在云母板、玻璃或陶瓷线圈架上，构成热电阻。铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为：11.2热敏电阻

11.2.1金属热电阻-200～O℃

+0～850℃

式中：

为温度

和

时的电阻值，A、B、C为常数；ITS—90中

常数规定见P229。当前第28页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.2热敏电阻

11.2.1金属热电阻铂测温电阻元件的电阻的温度特性

分度号分别为：

Pt10Pt100,见分度表为的公称值，金属热电阻与有关目前我国规定工业用铂热电阻有两种：当前第29页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.2热敏电阻

11.2.1金属热电阻带保护管的铂测温电阻元件铂线云母绝缘耐高温瓷管当前第30页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器近年来，几乎所有的家用电器产品都装有微处理器，温度控制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热敏电阻。热敏电阻用半导体材料氧化复合烧结而成主要材料有：Mn、Co、Ni、Cu、Fe氧化物，结构分为：二端、三端、四端、直热式、旁热式。

11.2热敏电阻

11.2.2热敏电阻热敏电阻符号

当前第31页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器热敏电阻—温度特性

PTC——正温度系数型；NTC——负温度系数型；

负温度系数热敏电阻的特性曲线用经验公式表示：11.2热敏电阻

11.2.2热敏电阻负温度系数型热敏电阻特性曲线

A，与材料和形状有关；B，常数；，温度为T时的电阻值；

当前第32页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器多数热敏电阻具有负温度系数，温度升高电阻下降，同时灵敏度下降，所以热电阻限制了它在高温下使用。目前，热敏电阻温度上限约300℃

。

热敏电阻最大的缺点是，产品一致性差，互换性不好，因此一般只用于电器产品，不在石油、钢铁、制造业上使用。11.2热敏电阻

11.2.2热敏电阻当前第33页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.2热敏电阻

11.2.3热敏电阻的应用图是一恒温控制电路，Rt为热敏电阻，A为比较器，当环境温度达到T℃时，输出信号实现自动调温控制。

同相端输入有RP1、R2、R3分压确定作比较电平，RP可调节比较器的比较电平，从而调节所需控制温度。热敏电阻的恒温控制电路当前第34页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.3集成温度传感器

目前国内外应用最普遍的集成温度传感器是：AD590、AD592、TMP17、LM135等，是上世纪80年代问世的，可以完成温度测量及模拟信号输出的专用IC；模拟集成温控模块，LM56、AD22105等，是可编程的温控开关模块；智能温度传感器、温控器将A/D转换电路，ROM存储器集成在一个芯片上，自90年代问世以来，被广泛应用于自动控制系统，当前第35页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.3集成温度传感器

集成温度传感器利用PN结的电流、电压特性与温度的关系测量温度，由于PN结受耐热性能的限制，一般测量温度范围在150℃以下。集成温度传感器把热敏晶体管和外围电路、放大器、偏置电路及线性电路制作在同一芯片上，构成一体化的专用集成器件；特点：集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点。当前第36页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.3集成温度传感器

11.3.1集成温度传感器测温原理PN结伏安特性方程：Is——

反向饱和电流；U

——

外加电压；UT=KT/q—温度电压当量t=300k(室温）,UT≈26mv

目前集成温度传感器多采用差分对管作为敏感元件，利用发射极电流密度在恒定比率下工作的晶体管对的，基极—发射极之间电压VBE的差与温度呈线性关系。

PN结加正向电压时PN结加反向电压时当前第37页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.3集成温度传感器

11.3.1集成温度传感器测温原理

（PTAT）绝对温度比例电路

Proportiondtoabsolutetemperature

集成温度传感器（PTAT）基本电路原理图

绝对温度比例电路由V1、V2两只互相匹配、性能完全相同的温敏晶体管构成；集电极电流分别为I1、I2是由恒流源（晶体管）提供；电阻R上的电压ΔVbe是两个晶体管发射极和基极之间电压差。R当前第38页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.3集成温度传感器

11.3.1集成温度传感器测温原理晶体管伏安方程式：式中：K——

波尔滋蔓常数；

T——

绝对温度;

——电子电荷量；

——V1、V2发射极面积比。

正比于绝对温度

T，只要保证恒定，就可以使与温度T为单值函数。

当前第39页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.3集成温度传感器

11.3.1集成温度传感器测温原理由方程式可见：因为集电极电流比等于集电极电流密度比，那么只要保证两只晶体管的集电极电流密度比不变，电阻R上的电压就可以正比于热力学温度T。电路的核心是使两只管子的集电极电流密度之比不随温度变化，实际制作时，特意将T1、T2发射结面积作的不相等，面积比为γ，电阻R上的电压差取决与发射结面积比γ。当前第40页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.3集成温度传感器

11.3.1集成温度传感器测温原理VT2的发射极设计成条形，VT1用同样条形并联，可严格控制结的面积，两管面积比变为简单的条数比，电路输出总电流为：VT1面积VT2面积电路输出总电流与温度系数有关，与电流无关面积比n大小决定灵敏度大小。当前第41页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器1）电压输出型输出电压正比于绝对温度；V1、V2的发射结压降之差全部落在电阻R1上，流过R1上电流为：

11.3集成温度传感器

11.3.2集成温度传感器信号输出方式电压输出型电路电路输出为：

可见输出电压U0与绝对温度T成正比关系当前第42页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.3集成温度传感器

11.3.2集成温度传感器信号输出方式2）电流输出型V1、V2是结构对称的晶体管作为恒流源负载，

V3、V4是测温用晶体管，V3发射结面积是V4管的8倍（γ=8），流过电路的总电流是：若R=358Ω，电路输出温度系数为：

温度变化1度（开尔文），输出电流1μA电流输出型电路当前第43页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器511.3集成温度传感器

11.3.3AD590集成温度传感器

典型器件AD590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。AD590引脚和内部电路原理图测温范围-50～+150℃；器件电源电压4～30V；小于3V时灵敏度随外加电压增加而增加，所以电源必须大于4V。+-1+2-3GNDAD590封装VI/μA1234+150℃+25℃-55℃当前第44页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.3集成温度传感器

11.3.3AD590集成温度传感器

AD590在摄氏温度25℃（298.2K）时，理想输出为298.2μA，实际存在误差；下图中可通过电位器调整，使输出电压满足1mV/K的关系。AD590定标方法AD590100Ω950Ω

一点校正法，仅对某点温度进行校准AD590在25℃时，输出电流并非298.2μA时，调节RP电阻，使输出值为298.2mV。1μA/K当前第45页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.3集成温度传感器

11.3.3AD590集成温度传感器AD590典型应用控温电路T↑V3↑V3>V2时比较器输出？

两点校正法，先对AD590在0℃温度时调节R1使输出VOUT=0；再将AD590置于100℃温度，调节R2使VOUT=10V，使输出电压温度系数值为100mV/℃。两点校正法当前第46页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.3集成温度传感器

11.3.1AD590集成温度传感器AD590典型应用测量摄氏温度电路测量两点温差电路当前第47页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.3集成温度传感器

11.3.3AD590集成温度传感器AD590典型应用当前第48页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.3集成温度传感器

11.3.4基于1-WIRE总线的DB18B20型智能温度传感器DB18B20引脚、封装智能传感器的总线技术已实现标准化、规范化；传感器作为从机，可以通过专用总线接口与主机进行通讯，传输数据。目前采用的总线主要有：1-WIRE总线——单总线；USB——通用串行总线；SPI——三线串行总线；I2C——二线串行总线；SMBUS当前第49页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.3集成温度传感器

11.3.4基于1-WIRE总线的DB18B20型智能温度传感器DS1820是DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，与其它温度传感器相比有以下特点：单线接口方式，可实现双向通讯；支持多点组网功能，多个1820可并联在唯一的总线上实现多点测温；使用中不需要任何外围器件，测量结果以9位数字量方式串行传送温度范围-55～+125℃

供电电压+3～+5.5V123GNDI/OVDD两种封装形式：三个引脚八个引脚I/O：输入/输出端VDD：外部电源+5VGND：地，NC：空脚当前第50页\共有56页\编于星期二\17点传感器原理及应用第11章温度传感器11.3集成温度传感器

11.3.4基于1-WIRE总线的DB18B20型智能温度传感器内部原理框图

内部电路框图主要包括7个部分：寄生电源，温度传感器，64位ROM与接口，高速暂存器，高温TH触发寄存器、低温TL触发寄存器，存储与控制逻辑，8位循环冗余校验码（CRC）发生器。

64位ROM与接口存储与控制逻辑温度传感器电源8位CRC发生器TH触发寄存器TL触发寄存器便笺式

RAM高速暂存器当前第51页\共有56页\编于星期二\