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1、传感器原理与检测技术(第四章)第1页，本讲稿共58页 热电式传感技术是将温度变化转换为电量变化的一种技术，它所利用的传感元器是热电式传感器，其应用范围最广。如家电、医疗、国防、科研、航天航空技术、工业生产等领域，凡是需要调温、控温、测温的地方都要用到它。这里主要介绍几种常用热电式传感器的结构、原理、特性及应用。第2页，本讲稿共58页第一节第一节 热敏电阻热敏电阻 它它是是用用半半导导体体材材料料制制成成的的敏敏感感元元件件，其其特特点点是是电电阻阻随随温温度度变变化化而而显显著著变变化化，它它能能直直接接将将温温度度的的变变化化转转换换为为电电量量的的变变化化。可可测测温温度度的的范范围围为为
2、-50350。热热敏敏电电阻阻的的体体积积小小、寿寿命命长长、价价格格低低(人人民民币币1元元钱钱左左右右)，它它广广泛泛用用于于需需要要进进行行温温度度控控制制的的领领域域，如如冰冰箱箱、空空调调、锅锅炉炉、汽汽车车、工工农业、医疗等各种检测仪表。农业、医疗等各种检测仪表。第3页，本讲稿共58页1 1热敏电阻的结构形式热敏电阻的结构形式 热敏电阻由金属（如钴、锰、镍等）的氧化物，采用不同比例的配方，经高温烧结后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状，其结构形式如下图所示。它主要由热敏元件、引线和壳体组成。1.玻璃壳2.热敏电阻3.引线 热敏电阻结构形式 第4页，本讲稿共58
3、页2 2热敏电阻的温度特性热敏电阻的温度特性 按电阻随温度变化的典型特性可分为：负电阻温度系数(NTC)和正电阻温度系数(PTC)热敏电阻及在某一特定温度下电阻值将发生突变的临界温度电阻(CTR)。特性曲线见右图。从图中看，CTR型热敏电阻作温控开关十分理想，但在测温中，主要采用NTC或PTC型热敏电阻，且以使用NTC型热敏电阻最多。热敏电阻的特性曲线 第5页，本讲稿共58页3.3.热敏电阻的阻值与温度的关系热敏电阻的阻值与温度的关系 NTC型热敏电阻的阻值与温度的关系可表示为：RT、R0分别为温度T、T0(K)时的阻值；B为热敏电阻的材料常数，一般B=2000K6000K，高温使用时，B值将
4、增大。定义热敏电阻的温度系数 则:可见温度系数随T降低迅速增大，它决定热敏电阻在全部工作范围内的温度灵敏度。其测温灵敏度比金属丝高很多。但需进行线性化处理。第6页，本讲稿共58页4.4.热敏电阻输出特性的线热敏电阻输出特性的线性化处理性化处理 热敏电阻值随温度变化呈指数变化，当用它测温时，应进行线性化处理。常用的处理方法有：线性化网络和计算修正法及利用温度频率转换电路改善非线性输出。第7页，本讲稿共58页(1)(1)线性化网络 它是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度的线性关系将得到一定的改善。下图是两种最简单的线性化方法。常用线性化网络
5、第8页，本讲稿共58页(2)(2)计算修正法计算修正法 由于大部分传感器的输出特性都存在非线性问题，因此，实际使用时都必须对这种现象进行线性化处理，其处理方法有硬件(电子线路)法和软件(程序)法两种。在带有微处理器的测量系统中，可以用软件对传感器进行处理。当已知热敏电阻的实际特性和要求的理想特性时，可采用线性插值等方法将特性分段并把分段点的值存放在微处理器系统的E2PROM中，微处理器将根据热敏电阻的实际输出值进行修正后给出正确的输出值。第9页，本讲稿共58页(3)(3)利用温度频率转换电路改善非线性输出 该电路实际上是利用RC电路充放电过程的指数函数和热敏电阻的指数函数相比较的方法来改善热敏
6、电阻的非线性输出。第10页，本讲稿共58页5 5热敏电阻的应用热敏电阻的应用 热敏电阻主要用作热敏电阻主要用作检测元件检测元件和和电路元件电路元件。1热敏电阻用作检测元件 它在温度计、温度差计、温度补尝、微小温度检测、温度报警、温度继电器、湿度计、分子量测定、液位报警、液位检测、流速计、流量计、气体分析仪、气体色谱仪、真空计、热导分析、风速计、液面计等仪器仪表中用作检测元件。2热敏电阻用作电路元件 它在偏置线圈的温度补偿、仪表温度补偿、热电偶温度补偿、晶体管温度补偿、恒压电路、延迟电路、保护电路、自动增益控制电路、RC振荡电路、振幅稳定电路等电路中用作电路元件。第11页，本讲稿共58页第二节第
7、二节 热电开关热电开关热热电电开开关关是是采采用用两两种种不不同同特特性性的的材材料料构构成成的的热热敏敏传传感感器器，该该传传感感器器具具有有温温控控开开关关特特性，因此，又称热电开关或温控开关。性，因此，又称热电开关或温控开关。热热电电开开关关常常有有双双金金属属片片和和陶陶铁铁磁磁体体式式两两种种，它它们们广广泛泛应应于于电电饭饭锅锅、电电熨熨斗斗、电电炉炉、电电热水器的恒温控制器中。热水器的恒温控制器中。第12页，本讲稿共58页一、一、双金属片式热电开关双金属片式热电开关 它的双金属片由两种膨胀系数不同的金属片轧制或锻压在一起形成。双金属片在常温时是平直的，受热后，膨胀系数大的金属片伸
8、长较多，而膨胀系数小的金属片伸长较少，因此，双金属片向膨胀系数小的一面弯曲变形。温度越高，弯曲越大，当温度下降时，双金属片又逐渐回弹，直至常温时又恢复原平直状态。根据双金属片的这一温度特性，便可将其制成各种电器常用的温度控制装置。第13页，本讲稿共58页1 1双金属片的弯曲特性双金属片的弯曲特性 双金属片的弯曲程度双金属片的弯曲程度(偏位的大小偏位的大小)，可参照下列公式算出：，可参照下列公式算出：D为偏位大小；K为双金属片的特性常数；(T2-T1)为温度的变化；l为双金属片长度；h为双金属片厚度。双金属片减薄厚度和增加长度可提高灵敏度。第14页，本讲稿共58页2 2双金属片的材料构成双金属片
9、的材料构成 双金属片的材料构成如下表所示。双金属片的材料构成如下表所示。第15页，本讲稿共58页3 3双金属片热电开关的类型双金属片热电开关的类型 类类型型有有常常开开式式(两两个个触触头头的的接接点点在在没没达达到到规规定定温温度度点点时时是是断断开开的的)、常常闭闭式式(两两个个触触头头的的接接点点在在没没有有到到达达规规定定温温度度点点时时是是闭闭合合的的)、简简易易式式、蝶蝶式式等等。但但按按其其工工作原理分只有作原理分只有“常开式常开式”和和“常闭式常闭式”两种。两种。第16页，本讲稿共58页4双金属片热电开关自动控温原理 它它的的自自动动控控温温原原理理以以常常闭闭式式电电饭饭锅锅
10、的的工工作作原原理理为为例例进进行行说说明明。由由于于触触点点处处于于常常闭闭状状态态，因因此此当当电电饭饭锅锅插插上上电电源源后后指指示示灯灯便便亮亮，此此时时，不不管管是是否否按按下下自自动动开开关关，电电热热板板的的发发热热器器都都已已通通电电。在在煮煮饭饭时时，已已按按下下自自动动开开关关，内内锅锅温温度度上上升升，双双金金属属片片逐逐渐渐弯弯曲曲。当当饭饭煮煮好好后后，两两触触点点离离开开，切切断断了了电电源源。于于是是，内内锅锅温温度度开开始始下下降降，直直至至降降到到65左左右右时时，双双金金属属片片回回伸伸，使使两两触触点点闭闭合合接接通通电电源源。此此时时，电电饭饭锅锅即即进
11、进入入保保温温状状态态。即即常常闭闭式式电电饭饭锅锅是是通通过过两两个个触触点点“闭闭合合断断开开闭闭合合”的方式达到自动保温的目的。的方式达到自动保温的目的。常常开开式式电电饭饭锅锅的的工工作作原原理理与与常常闭闭式式相相反反，即即“断断开开闭合闭合断开断开”的方式，达到自动保温的目的。的方式，达到自动保温的目的。第17页，本讲稿共58页二、二、陶铁磁体式热电开关 陶铁磁体式热电开关的结构原理 它主要由硬磁、软磁、动作弹簧、抵紧弹簧、拉杆、杠杆、银触点、操作按键等组成。第18页，本讲稿共58页1.1.陶铁磁电式开关的工作原理陶铁磁电式开关的工作原理 硬硬磁磁由由14%SrCO3和和86%Fe
12、2O3组组成成。软软磁磁由由11%NiO、22%ZnO和和67%Fe2O3组组成成。硬硬磁磁的的居居里里点点为为450，远远高高于于电电饭饭锅锅的的工工作作温温度度。因此该材料又叫永久磁铁。因此该材料又叫永久磁铁。软软磁磁的的居居里里点点在在130150之之间间，是是一一种种感感温温磁磁体体，其其配配方方和和制制作作工工艺艺要要求求严严格格。它它和和弹弹簧簧的的作作用用力力、拉拉杆杆的的重重力力等等配配合合选选取取，务务必必使使内内锅锅在在饭饭熟熟(1032)时时，开开关关自自动动跳跳开开，切切断断电电源源。煮煮饭饭时时，按按下下操操作作键键，动动作作弹弹簧簧即即被被压压缩缩，使使硬硬磁磁体体
13、上上升升吸吸住住软软磁磁体体，使使开开关关的的两两银银触触点点接接触触，接接通通电电源源。于于是是，发发热热器器的的热热量量便便通通过过电电热热板板传传给给了了内内锅锅。饭饭煮煮熟熟时时，内内锅锅底底温温度度为为103左左右右，这这时时软软磁磁体体正正好好达达其其居居里里点点迅迅速速失失去去磁磁性性不不能能再再被被硬硬磁磁体体吸吸住住，被被动动作作弹弹簧簧弹弹开开，拉拉杆杆向向下下移移动动压压下下杠杠杆杆，使使两两触触点点脱脱离离切切断断电电源源。于于是是，发发热热器器停停止止发发热热，电电热热板板表表面面温温度度不不再再升升高高。由由于于磁磁体体的的受受热热面面受受抵抵紧紧弹弹簧簧上上弹弹的
14、的压压力力而而紧紧密密与与内内锅锅底底部部相相贴贴，因因此此，内内锅锅底底部部的的温温度度可可由该开关准确无误地控制。由该开关准确无误地控制。第19页，本讲稿共58页2 2陶铁磁体热电开关性陶铁磁体热电开关性能特点能特点 陶铁磁体式热电开关的动作灵活，不需要经常调整机件，既经久耐用，又安全可靠。所以，它比双金属片式热电自动开关的控制性能好，已被广泛地应用于自动电饭锅中。第20页，本讲稿共58页三、三、热电开关的应用 以以自自动动保保温温式式电电饭饭锅锅为为例例。我我们们知知道道，2540腐腐败败细细菌菌最最易易繁繁殖殖。在在1025和和4063范范围围内内腐腐败败细细菌菌繁繁殖殖较较慢慢。在在
15、63以以上上和和10以以下下腐腐败败细细菌菌不不会会繁繁殖殖。煮煮好好的的米米饭饭放放在在冰冰箱箱中中保保存存不不会会被被细细菌菌腐腐蚀蚀，但但饭饭变变冷冷后后，即即使使重重新新加加热热至至食食用用温温度度也也不不可可口口。所所以以，带带自动保温装置的电饭锅颇受用户欢迎。自动保温装置的电饭锅颇受用户欢迎。第21页，本讲稿共58页 因因此此，电电饭饭锅锅的的恒恒温温要要求求在在6080。70左左右右的的食食物物最最符符合合人人的的要要求求。其其恒恒温温温温度度在在产产品品出出厂厂前前已已调调整准确，不需用户调整。其控制电路如下：整准确，不需用户调整。其控制电路如下：单按键电饭锅电路 给给电电时时
16、电电路路通通过过K1的的常常闭闭触触点点接接通通，电电饭饭锅锅的的指指示示灯灯点点亮亮。煮煮饭饭时时，按按下下K2，电电热热管管通通过过K1、K2并并联联接接到到电电源源上上发发热热，当当温温度度达达到到70时时，K1自自动动跳跳开开，但但电电路路仍仍然然接接通通。当饭熟水干后温度上当饭熟水干后温度上升到升到103 时，时，K2因软磁失磁而断开。当温度下降到因软磁失磁而断开。当温度下降到70时，双金属开关时，双金属开关K1复位，从而开始保温。复位，从而开始保温。第22页，本讲稿共58页带加热功率调整的电饭锅电路如下：工作原理：工作原理：按下按键开关使按下按键开关使T1接接通，磁钢控温器吸合；此
17、时通，磁钢控温器吸合；此时T2断断开，大部分电流通过开，大部分电流通过96.8的电的电热元件开始加热，煮饭指示灯经热元件开始加热，煮饭指示灯经1.2M电阻和电阻和1210保温元件点保温元件点亮。此时保温指示灯被亮。此时保温指示灯被T1短接，短接，煮饭的功率为：煮饭的功率为：饭熟时，T1断开，T2闭合，煮饭指示灯熄灭，此时电热元件的电流因串联保温指示灯和限流电阻的作用而很小，保温元件的功率消耗为：第23页，本讲稿共58页第三节第三节 铂电阻铂电阻 铂铂电电阻阻由由铂铂金金属属丝丝（带带）绕绕制制而而成成，它它利利用用导导体体电电阻阻随随温温度度变变化化的的特特性性来来测测量量温温度度。铂铂电电阻
18、阻具具有有电电阻阻温温度度系系数数稳稳定定、电电阻阻率率高高、线线性性度度好好、测测量量范范围围较较宽宽(-200600)、在在高高温温和和氧氧化化性性介介质质中中的的物物理理和和化化学学性性能能很很稳稳定定等等特特点点。因因此此，它它被被广广泛泛用用作作工工业业测测温温元元件件和和作作为为温温度度标标准准。按按国国际际温温标标IPTS-68规规定定，在在-259.34630.74的的温温度区间内，以铂电阻温度计作为基准器。度区间内，以铂电阻温度计作为基准器。第24页，本讲稿共58页一、一、铂电阻与温度的关系铂电阻与温度的关系 在在0630.74之间，铂电阻与温度的关系为：之间，铂电阻与温度的
19、关系为：Rt为为温温度度在在t时时的的电电阻阻；R0为为温温度度在在0时时的的电电阻阻；t为任意温度；为任意温度；A，B，C为分度系数，其中为分度系数，其中 A=3.94010-2 B=-5.8410-72 C=-4.2210-12 4在在-1900之间，铂电阻与温度的关系为：之间，铂电阻与温度的关系为：第25页，本讲稿共58页二、二、铂电阻的结构铂电阻的结构 工工业业用用铂铂电电阻阻的的结结构构如如下下图图所所示示，一一般般由由直直径径0.030.07mm的的纯纯铂铂丝丝在在平平板板形形支支架架上绕制，并用上绕制，并用银导线银导线作引出线。作引出线。工业用铂热电阻的结构 第26页，本讲稿共5
20、8页三、三、铂电阻的分度特性表铂电阻的分度特性表 要要确确定定电电阻阻Rt与与温温度度t的的关关系系，首首先先要要确确定定R0的的数数值值（即即铂铂丝丝的的长长度度和和截截面面积积），R0不不同同时时，Rt与与t的的关关系系不不同同。工工业业上上将将对对应应于于R0=50和和100的的Rtt关关系系制制成成一一个个数数据据表表，并并称称之之为为热热电电阻阻分分度度表表，供供使使用用者者查查 阅阅。分分 度度 表表 见见 教教 材材 的的 表表 4.3和和 表表4.4（P135）第27页，本讲稿共58页第四节第四节 铜电阻铜电阻 铜铜电电阻阻成成本本低低，在在-50150的的温温度度区区间间内内
21、电电阻阻与与温温度度呈呈线线性性关关系系，它它主主要要用用于于测测量量精精度度要要求求不不高高、测测温温范范围围不不大大的的场场合合，一一般在热电偶测温电路中作般在热电偶测温电路中作温度补偿温度补偿用。用。第28页，本讲稿共58页一、一、铜电阻与温度的关系铜电阻与温度的关系 在在-50150的的温温度度范范围围内内，铜铜电电阻阻与与温度呈线性关系，它可表示为：温度呈线性关系，它可表示为：式式中中，Rt为为温温度度在在t时时的的电电阻阻值值；R0为为温温度度在在0时时的的电电阻阻值值；为为铜铜电电阻阻温温度度系系数数，=4.2510-34.2810-3。第29页，本讲稿共58页二、二、铜电阻的结
22、构铜电阻的结构 铜铜电电阻阻的的结结构构如如下下图图所所示示。通通常常用用直直径径0.1mm的的漆漆包包线线或或丝丝包包线线在在支支架架上上进进行行双双线线并并绕绕，其其后后浸浸以以酚酚醛醛树树脂脂制制成成一一个个铜铜电电阻阻体体，再再用用镀镀银银铜线作引出线，穿过绝缘套管。铜线作引出线，穿过绝缘套管。铜热电阻的结构 第30页，本讲稿共58页三、三、铜电阻分度表及其缺点铜电阻分度表及其缺点 我我国国将将R0值值在在100和和50的的Rtt关关系系制制成成分分度度表表作作为为标标准准，供供使使用用者者查查阅阅。铜铜电阻的分度表见教材的表电阻的分度表见教材的表4.5(P136)。铜铜电电阻阻的的缺
23、缺点点是是电电阻阻率率较较低低，体体积积较较大大，热热惯惯性性较较大大，在在100以以上上易易氧氧化化，故故只只能能用于用于低温低温以及以及无侵蚀性无侵蚀性的介质中。的介质中。第31页，本讲稿共58页第五节第五节 热电偶热电偶 热热电电偶偶是是将将温温度度转转换换为为电电压压的的热热电电式式传传感感器器。它它广广泛泛于于测测量量-1802800范范围围内内的的温温度度，根根据据需需要要还还可可以以用用来来测测量量更更高高或或更更低低的的温温度度。它它具具有有结结构构简简单单，使使用用方方便便、精精度度高高、热热惯惯性性小小、可可测测局局部部温温度度和和便便于于远远距距离离传送传送与与集中检测集
24、中检测、自动记录等优点。、自动记录等优点。第32页，本讲稿共58页一、一、热电偶的基本结构热电偶的基本结构 两种不同导体两端紧密连接在一起，组成一个闭合回路。当两接点温度不等(TT0)时，回路中将产生电动势形成热电流。该现象称为热电效应。回路中产生的电动势称为热电势。通常将上述两种不同导体的组合称为热电偶，称A、B两导体为热电极；两接点中一个为工作端或热端(T)，测量时置于被测温度场中；另一个叫自由端或冷端(T0)，一般要求该端点恒定在某一温度。第33页，本讲稿共58页 二、热电势的组成二、热电势的组成 在热电偶回路中，产生的热电势由接触电势和温差电势（在同一导体的两端因温度不同而产生的一种热
25、电势）两部分组成。实验与理论都已证明：热电偶回路的总电势主要由接触电势引起。因此，接触电势的成因，是研究热电偶的一个重点。第34页，本讲稿共58页三、接触电势的成因三、接触电势的成因 当两种不同导体A、B紧密连在一起时，由于其自由电子密度不同将在接触处产生电子扩散。设导体A比导体B的自由电子密度大(NANB)，则单位时间由导体A扩散到B的电子数比导体B扩散到A的电子数多。这时导体A失去电子带正电，导体B得到电子带负电。于是接触表面形成电场，A、B间形成电动势。它将阻碍电子由导体A向B的进一步扩散，并最终使接触处的电子扩散达到动态平衡。这种现象形成的电动势称为接触电势。设导体A和B的两个接触点在
26、温度T和T0时形成的电位差分别为：和。根据物理学的推导有：式中k为波兹曼常数；T，T0为两个接触点的绝对温度；NA，NB分别为材料A、B的自由电子密度；e为电子电荷量。第35页，本讲稿共58页四、关于热电偶的几点结论四、关于热电偶的几点结论 若导体A为正，B为负，则总电势为：由热电偶的关理论可得到如下几点结论：由热电偶的关理论可得到如下几点结论：热电偶电极材料相同，则无论两接点温度如何其总热电势为零。热电偶电极材料相同，则无论两接点温度如何其总热电势为零。若热电偶两接点温度相同，则其总电势为零。若热电偶两接点温度相同，则其总电势为零。热热电电偶偶产产生生的的热热电电势势只只与与材材料料和和接接
27、点点温温度度有有关关，电电极极尺尺寸寸、形形状状等等无无关。故热电极材料相同的热电偶可以互换。关。故热电极材料相同的热电偶可以互换。热热电电偶偶A、B在在接接点点温温度度为为T1、T3时时的的热热电电势势，等等于于此此热热电电偶偶在在接接点点温温度度为为T1、T2与与T2、T3两个不同状态下的热电势之和，即两个不同状态下的热电势之和，即 当热电极A、B选定后，热电势是两接点温度T和T0的函数差，即 当热电极当热电极A、B选定后，热电势是两接点温度选定后，热电势是两接点温度T和和T0的函数差的函数差:如果使冷端温度T0保持不变，则:从上式看出，若保持热电偶自由端温度T0不变，则测出总的热电势，就
28、可求出工作端的温度T。第36页，本讲稿共58页 五、热电偶中引入第三导体热电偶中引入第三导体 材料A、B组成的热电偶回路接入第三导体C，只要C两端温度相同，则该导体引入不会改变总电势的大小。实际应用中，热电偶回路需接入测量仪表，相当于在热电偶回路中必须接入第三导体，考虑2、3两点温度相同，则回路中的总电势：当回路中各接点温度相同时，总电势为零，即：即：可见，热电偶的热电势在引入的第三导体两端温度相等时，不会因此而受到影响。第37页，本讲稿共58页 六、热电偶冷端温度误差六、热电偶冷端温度误差 热热电电偶偶测测量量的的是是一一个个热热源源的的温温度度或或两两个个热热源源的的温温度度差差。为为此此
29、，必必须须把把冷冷端端温温度度保保持持恒恒定定或或采采用用其其它它方方法法进进行行处处理理。由由于于一一般般热热电电偶偶的的输输出出电电压压与与温温度度成成非非线线性性关关系系，因因此此，其其特特性性不不能能用用精精确确的的数数学学关关系系描描述述，而而是是用用特特性性分分度度表表进进行行表表征征。一一般般手手册册上上提提供供的的热热电电偶偶特特性性分分度度表表是是在在保保持持热热电电偶偶冷冷端端温温度度T00或或25的的条条件件下下给给出出热热电电势势与与热热端端温温度度的的数数值值对对照照。因因此此，当当使使用用热热电电偶偶测测量量温温度度时时，如如果果冷冷端端温温度度保保持持0或或25，
30、则则只只要要正正确确测测出出热热电电势势，就可通过分度表查出所测的温度。就可通过分度表查出所测的温度。但但实实际际测测量量中中热热电电偶偶的的冷冷端端温温度度受受环环境境或或热热源源温温度度的的影影响响，并并不不为为0或或25。为为了了使使用用特特性性分分度度表表对对热热电电偶偶进进行行标标定定，实实现现对对温温度度的的准准确确测测量量，必必须须对对冷冷端端温温度度变变化所引起的温度误差进行补偿。化所引起的温度误差进行补偿。第38页，本讲稿共58页 七、热电偶冷端温度的常用补偿方法七、热电偶冷端温度的常用补偿方法 10或或25恒温法恒温法2冷端恒温法冷端恒温法 3冷端补偿器法冷端补偿器法 4补
31、偿导线法补偿导线法5采用不需要冷端补偿的热电偶采用不需要冷端补偿的热电偶 6补正系数修正法补正系数修正法 第39页，本讲稿共58页 1 100或或2525恒温法恒温法 将将热热电电偶偶的的冷冷端端保保持持在在0或或25器器皿皿中中，此此法法适适用于实验室，它能完全消除冷端温度误差的影响。用于实验室，它能完全消除冷端温度误差的影响。冷端冷端0恒温恒温 第40页，本讲稿共58页 2 2冷端恒温法冷端恒温法 将将热热电电偶偶的的冷冷端端置置于于一一个个恒恒温温器器内内，如恒定温度为如恒定温度为T0，则冷端误差，则冷端误差为为：由由上上式式可可见见，虽虽不不为为零零，但但为为一一个个定定值值。只只要要
32、在在回回路路中中加加入入相相应应的的修修正正电电压压，或或调调整整指指示示装装置置的的起起始始位位置置，即即可可达达到到完完全全补偿的目的。补偿的目的。第41页，本讲稿共58页 3 3冷端补偿器法冷端补偿器法 工业上常采用冷端补偿器法。它是一个四臂电桥，其中三个桥臂电阻的温度系数为零，另一桥臂用铜电阻RCu(其值随温度变化)放置在热电偶冷接点处，取取T=20时时电电桥桥平平衡衡(R1=R2=R3=RCu)。此此时时，若若不不考考虑虑Rs和和四四臂电桥的负载影响，则：臂电桥的负载影响，则：第42页，本讲稿共58页这时总输出为：当当T0上上升升(如如T0=Tn)时，时，RCu上上升升，Uab上上升
33、升，由于，由于而补偿器选择的RCu产生的 故U维持公式：从从上上面面的的推推导导看看出出，冷冷端端补补偿偿器器产产生生的的不不平平衡衡电电压压正正好好补补偿偿了了由由于于冷冷端端温温度度变变化化引引起起的的热热电电势势变变化化，因此，仪表可以正确测量温度。因此，仪表可以正确测量温度。使使用用冷冷端端补补偿偿器器应应注注意意：由由于于电电桥桥是是在在20平平衡衡，故故此此时时应应把把温温度度表表示示的的机机械械零零位位调调整整到到20处处。不同型号规格冷端补偿器应与一定的热电偶配套。不同型号规格冷端补偿器应与一定的热电偶配套。第43页，本讲稿共58页 4 4补偿导线法补偿导线法 当热电偶冷端的温
34、度由于受热端温度影响，在很大范围内变化时，则直接采用冷端温度补偿法将很困难。此时，应先采用补偿导线(对于廉价热电偶，可以采用延长热电极的方法)将冷端远移至温度变化比较平缓的环境中，再采用上述的补偿方法进行补偿。第44页，本讲稿共58页 5 5采用不需要冷端补偿的热电偶采用不需要冷端补偿的热电偶 目目前前已已经经知知道道，镍镍钴钴镍镍铝铝热热电电偶偶在在300以以下下，镍镍铁铁一一镍镍铜铜热热电电偶偶在在50以以下下，铂铂铑铑30铂铂铑铑6热热电电偶偶在在50以以下下的的热热电电势势都都非非常常小小。只只要要实实际际的的冷冷端端温温度度在在其其范范围围内内，使使用这些热电偶可以不考虑冷端误差用这
35、些热电偶可以不考虑冷端误差。第45页，本讲稿共58页 6 6补正系数修正法补正系数修正法 工程上常采用补正系数法进行补偿。设冷端温度为tn，工作端测得的温度为t1，其实际温度应为：k为补正系数，可从补正系数表中查得。例例如如，用用镍镍铬铬考考铜铜热热电电偶偶测测得得某某点点的的温温度度为为600，此此时时冷冷端端温温度度为为30，通通过过查查表表得得k值值为为0.78，则则该该点的实际温度为：点的实际温度为：T=600+0.7830=623.4 在使用热电偶作温度传感器并采用单片机作主控单元的测试系统中，这一修正过程可以自动完成。第46页，本讲稿共58页热电偶补正系数表热电偶补正系数表 第47
36、页，本讲稿共58页 八、八、常用热电偶的特性常用热电偶的特性 热热电电偶偶按按结结构构分分普普通通型型、铠铠装装(又又叫叫缆缆式式，带带保保护护外外套套)和和薄薄膜膜热热电电偶偶等等。后后者者用用真真空空蒸蒸镀镀等等方方法法使使两两种种热热电电极极金金属属蒸蒸镀镀到到绝绝缘缘基基板板上上，并并形形成成薄薄膜膜状状热热接接点点。在在辐辐射射检检测测器器中中，常常采采用用多多个个热热电电偶偶组组成成热热电电堆堆，构构成成热热量量型型检检测测器器，实实现现将将辐辐射射热热转转换换为为相相应应的的电电信信号。号。热热电电偶偶分分K、J、E、T等等四四种种类类型型，其其测测温温范范围围(K型型：-200
37、1600、J型型：-2001200、E型型：-2001000、T型型：-200400)和和灵灵敏敏度度不不同同，对对应的冷端温度补偿也不同。应的冷端温度补偿也不同。虽虽然然许许多多金金属属相相互互结结合合都都会会产产生生热热电电效效应应，但但能能做做成成适适合合测测量量温温度度的的实实用用热热电电偶偶为为数数不不多多。目目前前常常用用的热电偶及其特性见下表。的热电偶及其特性见下表。第48页，本讲稿共58页第49页，本讲稿共58页 九、九、热电偶的测量电路热电偶的测量电路 热电偶输出电压小，通常每度只有几微伏，需使用低漂移集成运算放大器进行放大，相关元件也需认真选择。下图是一个K型热电偶的测量电
38、路。图中滤波电容的漏电必须小，否则将产生很大的偏移电压。第50页，本讲稿共58页 第六节第六节 温敏二极管温敏二极管 随着半导体技术和测温技术的发展，人们发现在一定的电流模式下，PN结的正向电压与温度之间具有很好的线性关系。如砷化镓和硅温敏二极管在lK400K范围的温度表现为良好的线性。第51页，本讲稿共58页一、一、温敏二极管的工作原理温敏二极管的工作原理 根据PN结理论，对于理想二极管，只要正向电压 UF大于几个 KT/e，其正向电流 IF和正向电压 UF与温度T之间的关系可表示为：Eg0为为材材料料在在绝绝对对温温度度零零时时的的禁禁带带宽宽度度(eV)；B为为与与温温度度无无关关但但与
39、与结结面面积积有有关关的的常常数数；Tr为为与与迁迁移移率率有有关关的的常常数数；k为为波波尔尔兹兹曼曼常常数数；e为为电电子子电电荷荷；T为为PN结结的绝对温度的绝对温度(K)。从从上上式式可可知知，当当二二极极管管的的正正向向电电流流一一定定时时，其其正正向向电电压压随随温温度度的的升升高高而而降降低低，故故温温敏敏二二极极管管呈呈负负温温度系数。度系数。第52页，本讲稿共58页 二、温敏二极管的基本特性二、温敏二极管的基本特性 对对于于不不同同的的工工作作电电流流，温温敏敏二二极极管管的的UFT关关系系不不同同；但但UF-T之之间间总总是是 线线 性性 关关 系系。如如2DWM1型型 硅
40、硅 温温 敏敏二二极极管管恒恒流流时时的的UF-T在在-50+150范范围围内内呈呈良良好好的的线线性关系。性关系。第53页，本讲稿共58页 第七节第七节 温敏三极管温敏三极管 实际研究证明，晶体管发射结的正向电压随温度上升而近似线性下降，这种特性与二极管十分相似，但晶体管比二极管表现出更好的线性和互换性。第54页，本讲稿共58页 一、温敏三极管的基本原理一、温敏三极管的基本原理 根据晶体管有关理论可以证明，NPN型晶体管的发射结电压与温度T和IC的函数关系为：从上式可以看出，若IC恒定，则UBE仅随温度T呈单调单值的函数变化。式式中中Eg0为为材材料料在在绝绝对对温温度度零零时时的的禁禁带带
41、宽宽度度(eV)；B为为与与温温度度无无关关但但与与结结面面积积有有关关的的常常数数；Tr为为与与迁迁移率有关的常数；移率有关的常数；第55页，本讲稿共58页 二、温敏三极管测温的基本电路二、温敏三极管测温的基本电路 温敏晶体管作负反馈元件跨接在运放的反相输入端和输出端，基极接地。其目的是使发射结正偏，集电结几乎零偏使不需要的空间电荷复合电流和表面复合电流为零。发射结的空间电荷复合电流和表面漏电流作基极电流流入地回路，因此，集电极电流完全由扩散电流成分组成。它只取决于集电极电阻Rc和电源E的大小，即Ic恒定。电容C防止电路发生寄生振荡。第56页，本讲稿共58页 第八节第八节 其它温度传感器其它
42、温度传感器 至于温敏晶闸管（可控硅）、集成温度传感器（它是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一个芯片上的温度传感器，如AD590。它的优点是体积小、成本低、使用方便，广泛用于温度检测、控制和许多温度补偿电路中。）、新型和特种温度传感器的有关原理和特性，请有兴趣的同学参看教材的P144P158。有关热电式传感器的典型应用举例部分的内容，请同学们看教材的P158P164部分的内容，通过参看一些具体的应用电路，可以了解和掌握相关传感器的特性及其工作原理。第57页，本讲稿共58页 课后练习题课后练习题 1.热热敏敏电电阻阻有有何何优优点点？它它按按电电阻阻随随温温度度变变化化的的典典型型特特性可分为哪几种类型？性可分为哪几种类型？2.试试述述热热电电偶偶冷冷端端温温度度补补偿偿的的几几种种常常用用方方法法和和补补偿偿原原理。用热电偶测表面温度应注意哪些问题？理。用热电偶测表面温度应注意哪些问题？3.若若被被测测温温度度点点距距离离测测温温仪仪500cm，应应用用何何种种温温度度传传感感器器？为为什什么么？若若测测量量变变化化迅迅速速的的200的的温温度度应应选选何何种种传传感感器器？若若测测量量2000 的的高高温温又又应应选选用用何何种传感器，并说明理由。种传感器，并说明理由。第58页，本讲稿共58页