《传感器与自动检测技术》张青春、纪剑祥第3章温度传感器

第3章 温度传感器,传感器与自动检测技术,本章概述,1.温度传感器：将温度（热量）变化转换为电学量变化的装置。 2.温度检测的重要性 温度是人体最敏感的物理量之一，光、声强度增大10对人的感觉影响不大，但温度却有较大影响；温度与人们生活密切相关，空调、冰箱、热水器、微波炉、电磁炉等家用电器都与温度有关；其它传感器测试环境与温度密切相关，温度是影响量，其变化将会产生系统误差（附加误差）；在工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等领域，都涉及温度检测与控制；工业自动化生产流程中，温度测量点占50%以上。 3.主要内容：本章主要介绍热电偶、热电阻、热敏电阻、辐射式温度传感器、集成温度传感器的工作原理、特性及其应用。,3.1 热电偶 3.1.1 热电偶传感器测温原理,1. 热电偶的特点 （1）结构简单； （2）具有较高的准确度； （3）测量范围宽，通常-501600，配用特殊材料的热电极 -1802800； （4）具有良好的敏感度； （5）信号可以远传和记录。,2. 热电效应 两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回路，当两接点温度不等时（ ），回路中就会产生大小和方向与导体材料及两接点的温度有关的电动势，从而形成电流，这种现象称为热电效应。该电动势称为热电动势；把这两种不同导体的组合称为热电偶，称A、B两导体为热电极。 热电偶的两个接点中，置于温度t为的被测对象中的接点称为测量端（工作端或热端）；而温度t0为的另一接点称为参考端（自由端或冷端），一般要求它恒定在某一温度。 热电动势来源于两个方面，一部分由两种导体的接触电动势构成，另一部分是单一导体的温差电动势。,3. 两种导体的接触电动势 两种不同的导体的电子密度不同，当A、B连接在一起，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同，A、B的接触处就会发生电子的扩散，且电子在两个方向上扩散的速率不相同。这种由于两种导体自由电子密度不同，而在其接触处形成的电动势称为接触电动势。 接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关，而与导体的直径、长度、几何形状等无关。两接点的接触电动势用符号 表示为,A、B两种材料在温度时的接触电动势； k波尔兹曼常数（k1.38×10-23J/K）； 材料A、B分别在温度下的自由电子密度； e单位电荷，e1.6×10-19C。,4. 单一导体的温差电动势 对单一金属导体，如果将导体两端分别置于不同的温度场t，t0中（tt0）， 在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，将更多地向冷端移动，导致热端失去电子带正电，冷端得到电子带负电，这样，导体两端将产生一个热端指向冷端的静电场。 该电场阻止电子从热端继续向冷端转移，并使电子反方向移动，最终将达到动态平衡状态。这样，在导体两端产生电位差，称为温差电动势。 温差电动势的大小取决于导体材料和两端的温度，可表示为,5. 热电偶回路的总电动势 实践证明，热电偶回路中所产生的热电动势主要是由接触电动势引起的，温差电动势所占比例极小，可以忽略不计。 因为 和 的极性相反，假设导体A的电子密度大于导体B的电子密度，且A为正极、B为负极，因此回路的总电动势为：,结论： （1）如果热电偶两电极相同，即nA(t)=nB(t)、nA(t0)=nB(t0)，则无论两接点温度如何，总热电动势始终为0。 （2）如果热电偶两接点温度相同，尽管A、B材料不同，回路中总电动势为0。 （3）热电偶产生的热电动势大小与材料（nA，nB）和接点温度（t，t0）有关，与其尺寸、形状等无关。 （4）热电偶在接点温度为t1,t3 时的热电动势，等于此热电偶在接点温度为t1,t2与t2,t3两个不同状态下的热电动势之和，即,（5）当热电极A、B选定后，热电动势EAB(t,t0)就是两接点温度t 和t0 的函数差，即 如果自由端的温度保持不变，即（常数），此时，就成为的单一函数，即 当保持热电偶自由端温度不变时，只要用仪表测出总电动势，就可以求得工作端温度。 对于不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，生产厂家提供分度表，供使用时查阅。 表中温度按10分档，其中间值可按内插法计算，即,tM、tH、tL分别为被测的温度值、较高的温度值和较低的温度值； EM、EH、EL分别为温度tM、tH、tL对应的热电动势。,3.1.2 热电偶的基本定律,1. 中间导体定律 如图3.3所示，在热电偶测温回路内接入第三种导体C，只要其两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。 在实际热电偶测温应用中，测量仪表（如动圈式毫伏表、电子电位差计等）和连接导线可以作为第三种导体对待。,图3.3 中间导体定律结构图,2. 中间温度定律 热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电动势等于它在接点温度t、tc和tc、t0时的热电动势 和 的代数和， 即 中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。如果热电偶的两个电极通过连接两根导体的方式来延长，只要接入的两根导体的热电特性与被延长的两个电极的热电特性一致，且它们之间连接的两点间温度相同，则回路总的热电动势只与延长后的两端温度有关，与连接点温度无关。 在实际测量中，利用该定律可以对参考端温度不为0的热导势进行修正。,图3.4 中间温度定律结构图,3. 标准电极定律 如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两个导体A、B组成的热电偶产生的热电动势可由下式来确定，即 在实际处理中，由于铂的物理化学性质稳定，通常选用高纯铂丝作标准电极，只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。,4. 均质导体定律 如果组成热电偶的两个热电极的材料相同，无论两接点的温度是否相同，热电偶回路中的总热电动势均为0。 均质导体定律有助于检验两个热电极材料成分是否相同及热电极材料的均匀性。,3.1.3 热电偶的结构与种类,1. 结构 为了适应不同测量对象的测温条件和要求,热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜型热电偶。,2. 热电极材料的选取 根据金属的热电效应原理，理论上讲，任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶，但为了准确可靠地测量温度，对组成热电偶的材料有严格的选择条件。在实际应用中，用作热电极的材料一般应具备以下条件： （1）性能稳定； （2）温度测量范围广； （3）物理、化学性能稳定； （4）导电率要高，并且电阻温度系数要小； （5）材料的机械强度要高，复制性好、复制工艺简单，价格便宜。,3. 热电偶的种类,3.1.4 热电偶的冷端温度补偿,（1）补偿导线法 补偿导线实际上是一对与热电极化学成分不同的导线，在0150温度范围内与配接的热电偶具有相同的热电特性，但价格相对便宜。,图3.9补偿导线连接图,（2）冷端恒温法 将热电偶的冷端置于某些温度不变的装置中，以保证冷端温度不受热端测量温度的影响。恒温装置可以是电热恒温器或冰点槽（槽中装冰水混合物，温度保持在0）。,（3）冷端温度校正法 如果热电偶的冷端温度偏离0，但稳定在 ，则按中间温度定律对仪表指示值进行修正，即 （4）自动补偿法(电桥补偿法) 如图3.11所示，在热电偶和仪表间接一个电桥补偿器，其中R1、R2、R3固定，RT随T0变化。 当冷端T0升高时，热电势降低，而补偿器中RT变化使ab间产生一个电位差，让其值正好补偿热电势降低的量，达到自动补偿。,3.1.5 热电偶的实用测温电路,（1）测量单点的温度 图3.12是一个热电偶直接和仪表配用的测量单点温度的测量线路，图中A、B组成热电偶。热电偶在测温时，也可以与温度补偿器连接，转换成标准电流信号输出,图3.12 热电偶单点温度测量线路图,。,（2）测量两点间温度差（反极性串联）,图3.13 热电偶测量两点温度差线路图,图3.13是测量两点间温度差（t1-t2）的一种方法。将两个同型号的热电偶配用相同的补偿导线，其接线应使两热电偶反向串联（A接A、B接B），使得两热电动势方向相反，故输入仪表的是其差值，这一差值反映了两热电偶热端的温度差。,（3）测量多点的平均温度 将多支同型号热电偶的正极和负极分别连接在一起的线路称为热电偶的并联。 回路中总的电动势为： E1、E2、E3分别为单只热电偶的热电动势。 并联电路的特点是有一只热电偶烧断时，难以觉察出来；但不会中断整个测温系统工作。,（4）测量多点温度之和（同极性串联） 将多支同型号热电偶的正负极依次连接形成的线路称为热电偶的串联。 回路的总电动势为： 可见对应得到的是三点的温度之和。如果将结果再除以3，就得到三点的平均温度。,串联线路主要优点是热电动势大，仪表的灵敏度大大增加，且避免了热电偶并联线路存在的缺点，只要有一只热电偶断路，总的热电动势消失，立即可以发现有断路； 缺点是只要有一支热电偶断路，整个测温系统将停止工作。,3.2 热电阻,热电阻作为一种感温元件，它是利用导体的电阻值随温度变化而变化的特性来实现对温度的测量。 最常用的材料是铂和铜。工业上被广泛用来测量中低温区200500的温度。,图3.16 热电阻结构图,3.2.1 铂热电阻,铂热电阻在氧化性介质中，甚至在高温下，其物理、化学性能稳定，电阻率大，精确度高，能耐较高的温度 因此，国际温标IPTS-68规定，在-259.34+630.74温度域内，以铂热电阻温度计作为基准器。 铂热电阻值与温度的关系 在0850范围内为： 在-2000范围内为：,Rt温度为t时的电阻值；R0温度为0时的电阻值； 温度系数 A3.908×10-3/，B=-5.802×10-7/2，C-4.274×10-12/4,3.2.2 铜热电阻,在-50+150的温度范围内，铜热电阻与温度近似呈线性关系，可用公式表示为 铜热电阻有两种分度号：Cu50 (R0=50) 和Cu100 (R0=100)，后者为常用。,铜热电阻的电阻温度系数较大、线性性好、价格便宜； 缺点是电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定性较差，在100 以上时容易氧化，因此只能用于低温及没有浸蚀性的介质中。,0 时铜热电阻温度系数（4.289×10-3/）,3.2.3 热电阻的测量电路,（1）两线制接法（用于引线不长，精度较低） （2）三线制接法（用于工业测量，一般精度） （3）四线制接法（实验室用，高精度测量）,图3.17 二线制接法,图3.18 三线制接法,图3.19 四线制接法,3.3 热敏电阻 3.3.1 热敏电阻的结构与特点,热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。,热敏电阻与热电阻相比，具有电阻值和电阻温度系数大、灵敏度高（比热电阻大12个数量级）；体积小（最小直径可达0.10.2mm，可用来测量“点温”）、结构简单坚固（能承受较大的冲击、振动）；热惯性小、响应速度快（适用于快速变化的测量场合）；使用方便；寿命长；易于实现远距离测量等优点，得到了广泛的应用。 主要缺点是互换性较差，同一型号的产品特性参数有较大差别；稳定性较差；非线性严重；不能在高温下使用。 测温范围-50+350,图3.20 热敏电阻的结构,图3.21 热敏电阻的符号,3.3.2 热敏电阻类型及其温度特性,热敏电阻可分为三类： 负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度系数热敏电阻（CTR）。 PTC： NTC：,图3.22 热敏电阻的温度特性曲线,Rt、R0温度t（K）和t0(K)时的电阻值； t0热敏电阻的材料常数；t0=273.15K，即0时的绝对温度。,B热敏电阻的材料常数（单位K，一般