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1、传感检测技术及其应用传感检测技术及其应用 2023/2/21第1页，本讲稿共48页第八章第八章第八章第八章 热电式传感器及应用热电式传感器及应用热电式传感器及应用热电式传感器及应用热电式传感器概念热电式传感器概念 利用转换元件的电磁参量随温度变化的特性，对温度利用转换元件的电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。和与温度有关的参量进行检测的装置。分类分类 热电阻传感器热电阻传感器：温度的变化转化为电阻变化。：温度的变化转化为电阻变化。金属热电阻式传感器简称为金属热电阻式传感器简称为热电阻热电阻。半导体热电阻式传感器简称为半导体热电阻式传感器简称为热敏电阻热敏电阻。热电
2、偶传感热电偶传感：将温度变化转换为热电势变化。将温度变化转换为热电势变化。2023/2/22第2页，本讲稿共48页8.18.1热电阻传感器及应用热电阻传感器及应用 热电阻传感器的原理是基于热电阻传感器的原理是基于热电阻效应热电阻效应:物质的电物质的电阻率随温度变化而变化的现象。阻率随温度变化而变化的现象。一、一、热电阻材料的特点及性能热电阻材料的特点及性能电阻温度系数高电阻温度系数高，以提高其灵敏度。，以提高其灵敏度。电阻率（比电阻）高电阻率（比电阻）高，以减少电阻尺寸。，以减少电阻尺寸。热容量要小热容量要小，以提高其响应速度。，以提高其响应速度。物理和化学性能稳定物理和化学性能稳定。线性度好
3、线性度好。良好的工艺性。良好的工艺性。目前最广泛使用的热电阻丝材料是目前最广泛使用的热电阻丝材料是铜（铜（Cu)Cu)和铂和铂(Pt)(Pt)，另外随着低温和超低温测量技术的发展，已开始采用另外随着低温和超低温测量技术的发展，已开始采用铟、锰铟、锰等作为热电阻的材料。等作为热电阻的材料。2023/2/23第3页，本讲稿共48页 1.1.铂热电阻铂热电阻 铂热电阻性能稳定、重复性好、精度高，所以铂热电阻性能稳定、重复性好、精度高，所以在工业上得到了广泛应用。其测量范围一般为在工业上得到了广泛应用。其测量范围一般为-200-200650650。数学模型数学模型：当温度：当温度t t在在-200-2
4、0000时：时：当温度当温度t t在在00640640时：时：式中：式中：RtRt铂热电阻在铂热电阻在t t 时的电阻值；时的电阻值；R R0 0铂热电阻在铂热电阻在0 0 时的电时的电阻值；阻值；AA系数（系数（3.96847103.9684710-3-3/）；）；BB系数（系数（-5.84710-5.84710-7-7/）；）；C C系数（系数（-4.2210-4.2210-12-12/）2023/2/24第4页，本讲稿共48页2.2.铜热电阻铜热电阻 由于铂是贵重金属由于铂是贵重金属,因此因此,在一些测量精度要求在一些测量精度要求不高且温度较低的场合不高且温度较低的场合,普遍采用铜热电阻
5、进行温度普遍采用铜热电阻进行温度测量，其测量范围一般为测量，其测量范围一般为-50-50150150。数学模型：数学模型：模型模型1 1：在精确计算时，常用多项来表示：在精确计算时，常用多项来表示式中：式中：AA系数（系数（4.28899104.2889910-3/3/）；）；B B系数（系数（-2.13310-2.13310-7/7/）C C系数（系数（1.233101.23310-9/9/）模型模型2 2：为了计算简单，常用二项式来计算：为了计算简单，常用二项式来计算0 0为在初始温度为在初始温度t t0 0为时的温度系数。为时的温度系数。2023/2/25第5页，本讲稿共48页二、热电阻
6、种类及接线方式热电阻丝状热电阻薄膜热电阻厚膜热电阻 在工业应用中，敏感元件多放置在工作现场，而仪表、控制室则距离较远，因此必须考虑长距离传送的引线影响问题。工业中常用二线制、三线制、四线制电桥。1.二线制r1=r2=r,I1=I2=I,Vs=e1-e2e1=I1(r1+Rt+r2)=I(2r+Rt)e2=I2R4=IR42023/2/26第6页，本讲稿共48页Vs=e1-e2=I(2r+Rt)-IR4=I(Rt-R4)+2Ir2Ir为引线电阻的影响。2.三线制若I1=I2=I,r1=r2=r3=r 则有e1=I1(r1+Rt+r3)=I(2r+Rt)e2=I2(RD+r2+r3)=I(2r+R
7、D)所以VS=e1-e2 =I(RD-Rt)2023/2/27第7页，本讲稿共48页4.四线制r1=r2=r3=r4如右图，e1=I(Rt+r4)e2=Ir4则Vs=e1-e2=IRt2023/2/28第8页，本讲稿共48页三、铂热电阻应用的基本电路1.恒流工作电路e1e22023/2/29第9页，本讲稿共48页如图83所示。运放A1组成IV变换电路，运放A2组成反相输入端比例放大器。所谓恒流工作电路是指流过铂电阻RT的电流为规定的恒定值。若设流过铂电阻RT（t）的恒定电流为IIN，则根据电路结构可作传递函数图如图831所示。则2023/2/210第10页，本讲稿共48页根据运放条件，流过铂电
8、阻根据运放条件，流过铂电阻RT（t）电流与流过）电流与流过R1的的电流相等。若电流相等。若IIN=1mA,VR=2V,根据图根据图83中中A1的外的外围电路，围电路，IIN=(VRe1)/R1=1mA，则，则e1=VRIINR1=21mA1k=1V 可以通过调节可以通过调节R R2 2、R RP1P1、R R3 3，使，使e e2 2=1V=1V。运放。运放A1A1同同相端电位相端电位e e2 2的存在，可以抵消其输出端电压的存在，可以抵消其输出端电压e eOUTOUT对对反相端的偏置，即因反相端的偏置，即因0 0度时度时e eOUTOUT不为零而产生的偏置不为零而产生的偏置，使之在，使之在0
9、 0度时运放度时运放A A1 1的输出电压的输出电压e eOUTOUT位零：位零：e eOUTOUT=e=e2 2I IININR RT T(0)(0)1 11mA1k=01mA1k=0铂电阻方程、电路方程为2023/2/211第11页，本讲稿共48页所以设输入温度范围为 。当t=500度，可由eOUT求出A1的满度输出及灵敏度分别为若要求电路输出电压VOUT的温度灵敏度为10mV/度，则可求得A2的放大倍数为2023/2/212第12页，本讲稿共48页若若R4=10k，R524k，则，则RP2=3.2k 这样，0度时输出0V，500度时输出5V。若取对应0度输出电压为0V，和500度对应电压
10、为5V的连线为拟合直线，并令250度的输出在拟合直线的中点，则可求得在250度时输出相对最大满刻度输出的相对非线性误差约为2，如图所示。所以精确测量时，应对非线性进行线性化校正。2023/2/213第13页，本讲稿共48页由由VOUT可知，恒流工作基本方程的输出电压二次项可知，恒流工作基本方程的输出电压二次项系数为负值，因此必须采用正反馈对二次非线性项进系数为负值，因此必须采用正反馈对二次非线性项进行补偿，如图行补偿，如图84所示。由运放所示。由运放A3对运放对运放A1组成的组成的IV变换器的输出信号变换器的输出信号eOUT反相后形成电流负反馈反相后形成电流负反馈，输入运放，输入运放A1的反相
11、输入端。根据电路可求得反馈的反相输入端。根据电路可求得反馈电流电流IIN及反馈系数为及反馈系数为由于A1的同相端接地，而在0度时输出电压不为零。为了在0度时使电路的输出电压VOUT为零，对运放2023/2/214第14页，本讲稿共48页2023/2/215第15页，本讲稿共48页A2的反相端引入偏置电路RP1、R6,使0度时运放A2的反相电位为零，从而使电路输出电压VOUT为零。由此可以求得在0度时运放A1的输出电压 eOUT（0）与偏置量的关系 2023/2/216第16页，本讲稿共48页运放A2组成反向端输入放大器。根据上述对电路各环节的分析，可画出电路传递函数方框图如图所示。根据方框图可
12、求出电路输出为：2023/2/217第17页，本讲稿共48页要使要使VOUT(t)在在0 0C时为零，必须有时为零，必须有则VOUT(t)为这样这样250 250 0C时，时，VOUT(t)2.5V,落在拟合直线的落在拟合直线的中点上。可以把中点上。可以把2的误差降到的误差降到0.1%。2023/2/218第18页，本讲稿共48页2.恒压工作电路eOUT2023/2/219第19页，本讲稿共48页如图所示电桥，如图所示电桥，RP1为调零电阻，要求为调零电阻，要求R8、R9并联并联阻值等于阻值等于0C时热电阻的阻值时热电阻的阻值RT(0)，在，在0C时电桥时电桥平衡。平衡。当温度不为当温度不为0
13、C时，电桥的输出电压为：时，电桥的输出电压为：设放大电路的放大倍数为A电路的输出电压为2023/2/220第20页，本讲稿共48页灵敏度为灵敏度为10mV/C，则放大电路的放大倍数为，则放大电路的放大倍数为可取R7=2M，R6=14M,RP2=5M。由由eOUT可以算出可以算出0500 0C温度范围内，电桥输出电压灵温度范围内，电桥输出电压灵敏度为敏度为1.416mV/C，若要求电路电压输出，若要求电路电压输出这样，这样，可以计算出可以计算出0500 C温度范围温度点所温度范围温度点所对应的输出电压，可以描绘出输入输出曲线，并对应的输出电压，可以描绘出输入输出曲线，并可以计算出每点的非线性度，
14、从而画出非线性度曲可以计算出每点的非线性度，从而画出非线性度曲线，最大非线性度约为线，最大非线性度约为4。2023/2/221第21页，本讲稿共48页可以看出，恒压工作方式在没有进行非线性校正时可以看出，恒压工作方式在没有进行非线性校正时的非线性误差，比恒流工作方式未非线性校正的非的非线性误差，比恒流工作方式未非线性校正的非线性误差大。因此，应用时需要进行线性化校正。线性误差大。因此，应用时需要进行线性化校正。采用电压正反馈进行非线性校正的电路如图采用电压正反馈进行非线性校正的电路如图8-6所示。正反馈电压由电路的输出电压所示。正反馈电压由电路的输出电压VOUT经经R3、RP3、R4分压获得。
15、反馈电压与电源电压串联相加分压获得。反馈电压与电源电压串联相加，经运放，经运放A1作为电桥工作电压作为电桥工作电压VB。设反馈电压为。设反馈电压为UO，则反馈系数为，则反馈系数为2023/2/222第22页，本讲稿共48页2023/2/223第23页，本讲稿共48页根据电路图中各环节的工作原理，可以画出如图所示传递函数框图。2023/2/224第24页，本讲稿共48页由传递函数方框图，可求得电路的输出为：又所以有2023/2/225第25页，本讲稿共48页这样，这样，在在0 0500 C500 C温度范围，通过选择合适的温度范围，通过选择合适的G2 2和和，就能使最大非线性误差降到，就能使最大
16、非线性误差降到0.3%0.3%。2023/2/226第26页，本讲稿共48页8.2热敏电阻传感器及应用 热敏电阻是由金属氧陶瓷半导体化物材料经成形、烧结等工艺制成的对温度敏感的元件。一、一、热敏电阻分类及结构热敏电阻分类及结构 热敏电阻热敏电阻(Thermistor)常分为三类：常分为三类：负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻(NTCNegative TemperatureCoefficient Thermistor)，其阻值随温度上升而减，其阻值随温度上升而减小。使用温度范围为小。使用温度范围为50300，主要用于温，主要用于温度测量；正温度系数热敏电阻度测量；正温度系数热敏电阻(PTCPo
17、sitive Tem-Perature Coefficient Thermistor),其阻值随温度上其阻值随温度上升而增大，具有开关特性，升而增大，具有开关特性，50150 ；临界；临界温度热敏电阻温度热敏电阻(CTRCritical Temperature Resistor)2023/2/227第27页，本讲稿共48页,也具有开关特性，使用温度范围为也具有开关特性，使用温度范围为0300。热敏电阻有珠粒状、圆柱状和圆片状。热敏电阻有珠粒状、圆柱状和圆片状。二、热敏电阻的特性及特点 NTC和PTC特性曲线如图所示。2023/2/228第28页，本讲稿共48页热敏电阻与热电阻相比，其特点为：（
18、1）灵敏度高，约为热电阻的10倍；（2）体积小，重量轻，热惯量小，适用于点温度测量和动特测量；（3）阻值大，不需要考虑引线带来的误差；（4）工作寿命长；（5）非线性误差大，常需要进行非线性补偿。三、热敏电阻的线性化化1.串联电阻法串联电阻的大小为ERTR1选择的平衡点温度，一般为测温区间的中点附近。2023/2/229第29页，本讲稿共48页2.并联电阻法并联定值电阻R1，则复合电阻为RTR13.电桥法如图所示，在测量范围不大时，可以获得较满意的结果。2023/2/230第30页，本讲稿共48页串联在热敏电阻中的R的最佳值为四、测量电路1.串联测量电路路2023/2/231第31页，本讲稿共4
19、8页五、热敏电阻应用2.电桥测量电路1.温度控制2.温度测量3.其它应用2023/2/232第32页，本讲稿共48页8.3 热电偶传感器及应用 热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广泛的热电式传感器，其特点为：结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于运距离传输等。以热电效应为工作原理而制成的感温元件，称为热电偶。一、热电效应及热电偶工作定律1.热电效应 将两种不同性质的导体A、B组成闭合回路，如图。若结点（1）、（2）处于不同的温度时，两者之间将产生一热电势，在回路中形成一定大小的电流，2023/2/233第33页，本讲稿共48页这种现象称为热电效应。热电效应产生的热电
20、势由接触电势和温差电势两部分组成。接触电势：温差电势：结论：结论：（1）如果热电偶两电极的材料相同，即）如果热电偶两电极的材料相同，即NA=NB,A=B B，虽然两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍，虽然两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍为零。因此，热电偶必须用两种不同的材料作电极。为零。因此，热电偶必须用两种不同的材料作电极。（2 2）如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的）如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，即温度相同，即T=TT=T0 0，闭合回路中也不产生热电势。，闭合回路中也不产生热电势。2023/2/234第34页，本讲稿共48页1.工作定律（1）中间导体定律导体
21、A、B组成的热电偶，当引入第三导体时，只要保持其两端温度相同，则对回路总热电势无影响，这就是中间导体定律。利用该定律可以将第三导体换成毫伏表，只要保证两个结点温度一致，就可以完成热电势测量而不影响热电偶输出。（2）连接导体定律回路总热电势等于热电偶电势回路总热电势等于热电偶电势EAB(T,Tn)与连接导线电势与连接导线电势EAB(Tn,T0)的代数和。的代数和。2023/2/235第35页，本讲稿共48页连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。用公式表示为（3）中间温度定律对于图对于图829，当导体，当导体A与与A、B与与B材料分别相同时材料分别相同时，连接导体定律为，连接导体
22、定律为回路总热电势等于EAB(T,Tn)与 的代数和。Tn称为中间温度。（4）参考电极定律2023/2/236第36页，本讲稿共48页参考电极C与各电极配对时总热电势为与两电极A、B配对后电势之差。二、热电偶材料、分类及结构1.热电偶材料2.热电偶分类3.热电偶的结构三、补偿导线与冷端补偿1.补偿导线2023/2/237第37页，本讲稿共48页2.冷端补偿（1）冷端温度补偿器（2）PN结温度传感器冷端补偿2023/2/238第38页，本讲稿共48页（3）二端集成传感器补偿四、热电偶的放大电路2023/2/239第39页，本讲稿共48页五、非线性校正电路非线性校正的方法之一采用多项式，设温度为T
23、，则热电偶的热电势E可表示为K型热电偶的热电势近似表达式为2023/2/240第40页，本讲稿共48页当温度为当温度为600C，热电势为，热电势为24.903mV时，根据上式时，根据上式可得可得Vout=600mV。若要获得。若要获得6000mV输出电压，把上输出电压，把上式乘以式乘以10，则有，则有当温度为当温度为300C，热电势为，热电势为12.207mV时，可得时，可得 而温度为而温度为600C，热电势为，热电势为24.902mV时时由上述可知：温度与输出电压为良好的线性关系。因此，线性化电路的关键是求平方的运算。2023/2/241第41页，本讲稿共48页集成电路AD538是最适宜进行
24、平方运算的芯片。其内部电路如图所示，精度为0.5%，片内有高精度的基准电压源。有三个输入可以组成VOUT=VY(VZ/VX)m函数关系。不同外接元件即可构成平方运算电路。2023/2/242第42页，本讲稿共48页应用电路如图所示，运放A2的R1R4决定多项式中一次幂系数和二次幂系数的增益。现在将式改写为2023/2/243第43页，本讲稿共48页AD538若按图841那样连接，则8脚输出电压VO为则有二次幂系数为二次幂系数为R4R2=0.0556,可取可取R4=15k，R2=270k。一次幂系数为一次幂系数为(1+R4/R2)R3(R1+R3)=1,可取可取R1=15k，R3=270k。7.76mV的偏置电压由R5和R6获得。2023/2/244第44页，本讲稿共48页六、热电偶测温应用1.K性热电偶测温应用2023/2/245第45页，本讲稿共48页2.J型热电偶测温应用2023/2/246第46页，本讲稿共48页2023/2/247第47页，本讲稿共48页8.4 其它温度传感器晶体管PN结集成温度传感器2023/2/248第48页，本讲稿共48页