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1、温度传感器原理及其应用,1 概述2 金属热电阻3 热敏电阻4 热电偶5 红外传感器6 集成温度传感器,1 概述,1.1 温度传感器的类型和特点温度是一个重要的物理量，它反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理量和化学过程相联系。测温的方法很多，仅从测量体与被测介质接触与否来分，有接触式测温和非接触测温两大类。接触式测温是基于热平衡原理，非接触式测温是利用物质的热辐射原理进行测量。,温度传感器的分类,常用材料温度传感器的类型、测温范围和特点如下：,1.2 温度传感器的应用温度传感器应用极其广泛，家用的空调系统、冰箱、电饭煲、电风扇等都要用到温度传感器；工业、航空、海洋开发、生物制药都需要温度传
2、感器。例如：Intel公司在其Pentium处理器中集成了一个远程二极管温度传感器，能更直接测到CPU核心的温度变化，通过一根引线接出，由外部传感器芯片处理，在温度过热时，便自动降低CPU主频或加大风扇功率。,1.3 温度传感器的发展1）传统的分立式温度传感器主要能够进行非电量和电量之间的转换。2）模拟集成温度传感器模拟集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，其优点是：功能单一、测量误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需进行非线性校准，外围电路简单。3）智能温度传感器 目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方
3、向发展。,智能传感器是指具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能的传感器，它不仅具有传统传感器的所有功能，而且还具有数据处理、故障诊断、非线性处理、自校正、自调整以及人机通讯等许多功能。,智能传感器：有逻辑思维与判断、信息处理功能，可对检测数值进行分析、修正和误差补偿。智能传感器可通过用软件对信号滤波，还能用软件实现非线性补偿或其他更复杂的环境因素补偿，因而提高了测量准确度。有自诊断、自校准功能，提高了可靠性。智能传感器可以检测工作环境，并当环境条件接近临界极限时能给出报警信号；当智能传感器因内部故障不能正常工作时，通过内部测试环节，可检测出不正常现象或部分故障。可实现多传感器多参
4、数复合测量，扩大了检测与适用范围。智能传感器很容易实现多个信号的测量与运算。,2 金属热电阻,利用导体或半导体的电阻率随温度变化的特性制成的传感器叫做热电阻式传感器，它主要用于对温度和与温度有关的参量进行检测。测温范围主要在中、低温区域（-200 650）。在高温方面，也出现了多种用于1000 1300 的电阻温度传感器。其测温元件可分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。,2.1 金属热电阻的结构 热电阻是由电阻体、保护套和接线盒等主要部件组成，电阻体是热电阻的最主要部分。虽然各种金属材料的电阻率均随温度变化，但作为热电阻的材料，则要求：电阻温度系数要大，以便提高热电阻的灵敏度；电阻率尽可能大
5、，以便在相同灵敏度下减小电阻体尺寸；热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；在整个测量温度范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近线性关系，具有良好的可加工性，且价格便宜。,热电阻的结构形式可根据实际使用制作成各种形状，图示为金属热电阻的外形与样式。它们通常是根据它的部件组成，将双线电阻丝绕在用石英、云母陶瓷和塑料等材料制成的骨架上，可以测量的-200 500 温度。,金属热电阻的外形与样式,金属热电阻保护套主要有玻璃、陶瓷或金属等类型，主要防止有害气体腐蚀，防止氧化（尤其是铜热电阻），水分侵入会造成漏电，影响阻值。热电阻也可以是一层薄膜，采用电镀或溅射的方法涂敷在陶瓷类材料
6、基底上，占用体积很小，如右图所示。,金属热电阻结构图,薄膜金属热电阻结构图,2.2 金属热电阻的工作原理热电阻是利用物质的变化特性制成的，将温度的变化量变换成与之有一定关系的电阻值的变化量，通过对电阻值的测量实现对温度的测量。目前应用较多的热电阻材料有铂和铜以及铁、镍等。1）铂热电阻 按IEC标准，铂电阻的测温范围为-200 650。铂电阻的阻值与温度之间的关系，即特性方程如下：当温度 时：当温度 时：在 范围内，Rt的表达式可近似线性为：,2）铜热电阻 在测量精度不太高，测量范围不大的情况下，可以采用铜电阻代替铂电阻，铜热电阻灵敏度比铂电阻高，价格便宜，也能达到精度要求。,铜热电阻外观形式,
7、铜电阻的缺点是电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性也较大，在100以上易氧化，因此只能用于150 以下低温及无水分、无腐蚀性的介质中。3）其它热电阻 上述两种热电阻对于低温和超低温测量性能不理想，而铟、锰、碳等热电阻却是测量低温和超低温理想材料。铟电阻：用高纯度的铟丝绕成电阻，可在室温至4.2K温度范围内使用。锰电阻：在263K温度范围内，电阻随温度变化大，灵敏度高。缺点是材料脆，难拉成丝。碳电阻：适合用液氦温域（4.2K）的温度测量，价廉，对磁场不敏感，但热稳定较差。,2.3金属热电阻的应用电路 金属热电阻广泛的应用在缸体、油管、水管、纺机、空调、热水器等狭小空间工业设备测温和控制。汽车空调
8、、冰箱、冷柜、饮水机、咖啡机及恒温等场合也经常使用。1）热电阻的连接法 在实际使用时，金属热电阻的连接方法不同，其测量精度也不同，最常用的测量电路的电桥电路，可采用三线或四线电桥连接法。,为了高精度地测量温度，可将电阻测量仪设计成四线制测量电路。,热电阻的三线制接法原理图,热电阻的四线制接法原理图,2）Pt100三线制测温原理三线制测温电路可以巧妙地克服电阻随温度的变化而对整个电路产生的影响，它适合于远距离的测量。,3）Pt100四线制测量电路四线制测量电路采用恒流源供电，它是从热电阻两端引出4根线，接线时电路回路和电压测量回路独立分开接法，测量精度高，但是需要导线多，它也适合远距离测量。,3
9、 热敏电阻,3.1 热敏电阻的结构热敏电阻是由一些金属氧化物的粉末按一定比例混合烧结而成的半导体。通过不同的材质组合，能得到热敏电阻不同的电阻值及不同的温度特性。热敏电阻主要由热敏探头1、引线2、壳体3等构成。,热敏电阻器的结构及符号,热敏电阻一般做成二端器件，但也有做成三端或四端器件的。二端和三端器件为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路中获得功率。四端器件则为旁热式。根据不同的使用要求，可以把热敏电阻做成不同的形状和结构，其典型结构如图所示。,热敏电阻的外观,3.2 热敏电阻的温度特性 热敏电阻按其物理特性分为三大特性，即：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
10、电阻CTR。,热敏电阻阻值温度特性曲线,1）负温度系数热敏电阻NTC的温度特性：负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制成。它们具有半导体性质，有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、价格低等优点，广泛应用于需要定点测温的自动控制电路中，如冰箱、空调等。2）正温度系数热敏电阻PTC的温度特性 正温度系数热敏电阻是以钛酸钡为基本材料，再掺入适量的稀土元素，利用陶瓷工艺高温烧结而成。3）临界温度系数热敏电阻CTR的温度特性临界温度系数热敏电阻CTR的特性是在某一特性温度下电阻值会发生变化，也属于负温度系数，主要用于温度开关类的控制。,3.3 热敏电阻的主要参
11、数和优点热敏电阻的主要参数有：标称阻值 温度系数 散热系数 时间常数 热敏电阻与金属电阻比较的优点：由于有较大的电阻温度系数，所以灵敏度很高，可测得微小温度的变化；热敏电阻元件根据需要可制作成多种形状；热敏电阻的阻值很大，当远距离测量时导线电阻的影响可不考虑；具有较好的稳定性。,3.4热敏电阻的应用电路 热敏电阻应用广泛，常用于家用空调、汽车空调、冰箱、冷柜、热水器、饮水机、暖风机、洗碗机、消毒柜、洗衣机、烘干机以及中低温干燥箱、恒温箱等场合的温度测量与控制的场合。,1）NTC热敏电阻实现单点温度控制电路如图所示。,2）PTC热敏电阻组成的测温电路0100的测温电路是应用广泛的电路之一，实现的
12、形式也是多种多样，下图是采用正温度系数的热敏电阻组成的电路。,热敏电阻测量单点温度原理图,3）CPU温度检测 电脑在使用过程中，当CPU工作繁忙的时候，CPU温度往往升高，若不加处理，会造成CPU的烧毁，在CPU插槽中，用热敏电阻测温，然后通过相关电路进行处理，实施保护。,用热敏电阻实现过热保护原理图,4）单相异步电动机起动 对于启动时需要较大功率，运动时功率又较小的这类单相电动机（冰箱压缩机、空调机等），往往采用启动后将启动绕组通过离心开关将其断开。如采用PTC热敏电阻作为启动线圈自动通断的无触点开关时，则效果更好，寿命更长。,单相异步电动机起动用热敏电阻原理图,4 热电偶,4.1 热电偶的
13、分类与结构热电偶结构形式很多，按热电偶结构划分有普通热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶、表面热电偶。普通热电偶：工业上常用的热电偶一般由热电极、绝缘管、保护套管、接线盒、接线盒盖组成。这种热电偶主要用于气体、蒸汽、液体等介质的测温。铠装热电偶：由热电偶丝、绝缘材料（氧化铁）、不锈钢保护管组合在一起经拉制工艺制成。薄膜热电偶：由两种金属薄膜连接在一起的特殊结构的热电偶。表面热电偶：分为永久性安装和非永久性安装两种，主要用来测量金属块、炉壁、橡胶筒、涡轮叶片等固体的表面温度。,（c）薄膜热电偶,热电偶及其结构示意图,热电偶的外形与样式,4.2 热电偶的工作原理热电偶的工作原理是物体的热电效应。1823
14、年，赛贝壳（Seebeck）发现，当两种不同的金属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（TT0）时，回路中会产生热电势，形成电流，这种现象称为热电效应。产生的电动势叫做热电势，用 来表示。,通常把两种不同金属的组合称为热电偶，A和B称为热电极，温度高的结点称为测量端（也称为工作端或热端），而温度低的结点称为参考端（也称自由端或冷端）。用热电偶把被测温度信号转变为热电势信号，用电测仪表测出电势大小，就可间接求得被测温度值。热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成。,（1）接触电动势A、B两导体接触后，由于电子浓度不同，在截面附近产生接触电势：,波尔茨曼常数，电子电荷量
15、，A、B电子浓度，绝对温度。,热电势的方向与导体电子浓度n有关。显然，当AB材料已定时，接触电势与温度T（绝对温度）有关。,（2）温差电动势当一块导体两端温度不同时，在导体两端形成温差电势。,汤奴逊系数，与材料性质及导体两端平均温度有关。,（3）热电偶回路的总热电动势当两种材料A、B组成闭合回路时，回路中总电动势为：,当0，AB时，A为正极，B为负极。由于接触电势远大于温差电势，所以可忽略温差电势的影响，即：,一般热电偶的分度表（输出特性）是在冷端为0时给出的，若测量时冷端不为0，则可据此修正。,中间温度定律：热电偶AB的电动势仅取决于热电偶的材料和两节点的温度，而与温度沿热电极的分布无关。,
16、均匀电路定律：由单一的金属构成的回路中不存在热电势。,（4）热电偶基本定理,中间导体定律：在由A、B两种导体组成的热电偶回路中，将冷端断开，接入第三种或更多种导体，只要保证接入端的温度相同，则回路总电势不变。,标准电极定律：若热电偶AB的两个节点的温度为T和T0，则回路的热电动势等于热电偶AC和热电偶CB的热电动势之和，即,有时热电偶的两个极AB的分度表不知，但知道AC、BC的分度表，据此则可获得A、B的分度表。,等值替代定律：如果使一热电偶在某一温度范围内所产生的热电势等于另一支热电偶在同一温度范围内所产生的热电势，则这两支热电偶在该温度范围内可以互相代用。如果以A、B组成的热电偶作为测量用
17、的热电偶，则C、D两线我们称之为补偿导线。补偿导线的作用：为使热电势与被测温度间成单值函数关系，需要将热电偶自由端（冷端）的温度保持恒定（最好为0），可以把热电偶做得很长，使自由端远离工作端，并同测量仪表一起放置到恒温或温度波动较小的地方，但这种方法安装使用不方便，并且耗费许多贵重金属材料。一般是用补偿导线将热电偶自由端延伸出来，远离工作端，延伸到温度恒定的地方，使t0稳定，同时用廉价金属替代了贵金属，便于安装和敷设。,4.3 热电偶的参数1）分度号国际上，按热电偶的A、B热电极材料不同分成若干个分度号，如常用的K（镍铬镍硅或镍铝）、E（镍铬康铜）、T（铜康铜）等，并且有相应的分度表。2）分度
18、表国际计量委员会对热电偶的每一度的热电势做了非常精密的测试，并向全世界公布了它们分度表。通过测量热电偶输出的热电势再查分度表得到相应的温度值。每分档，中间值按内插法计算。S分度号热电偶的分度表如下所示。,4.4 热电偶的特点（1）热电偶的特点1）测温范围宽，能测量较高的温度。2）输出电压信号，测量方便、便于远距离传输、集中检测和控制。3）结构简单、性能稳定、维护方便、准确度高。4）热惯性和热容量小，便于快速测量。5）自身产生电压，不需要外加驱动电源，是典型的自发电式传感器。（2）热电偶的缺点 低灵敏度、低稳定性、响应速度慢、高温下容易老化和有漂移，以及非线性。且热电偶需要外部参考端。,4.5
19、热电偶的冷端温度补偿1）补偿导线法为了使热电偶冷端温度保持稳定，可将热电偶做得很长，使冷端远离工作时，并连同测量仪表一起放置在恒温或温度波动比较小地方，但这种方法一方面使安装使用不方便，另一方面可能耗费许多贵重的金属材料。因此，一般是用一种称为补偿导线的连接线将热电偶冷端延伸出来。,我国生产的常用热电偶补偿导线的型号、线芯材质、绝缘层着色及允差等级如表所示。,2）冷端温度恒温法 在一个保温容器里放冰水混合物，1个标准大气压下（101.325kPa）冰和纯水的平衡温度为0。自由端恒温法适用于实验中的精确测量和检定热电偶时使用。,冷端处理用冰点槽法,3）冷端温度校正法 由于热电偶的温度分度表是在冷
20、端温度保持在0的情况下得到的，与它配套使用的测量电路或显示仪表又是根据这一关系曲线进行刻度的，因此冷端温度不等于0时，就需对仪表指示值加以修正。4）冷端温度电桥补偿法 用电桥在温度变化时的不平衡电压（补偿电压）去消除冷端温度变化对热电偶电势的影响，这种装置称为冷端温度补偿器。,热电偶桥式冷端温度补偿原理图,4.6 热电偶的应用电路热电偶应用极其广泛，如在电力冶金、水利工程、石油化工、轻工纺织、科研、工业锅炉、工业过程控制、自动化仪表、温室监测等方面应用非常多。用AD592做冷端补偿的热电偶应用电路 如图所示，图中MC1403为精密电压源，AD592为电流输出型集成温度传感器，作冷端温度补偿。,
21、AD592做冷端补偿的应用原理图,4.7 热电偶安装注意事项 1）插入深度要求安装时热电偶的测量端应用足够的插入深度，管道上安装时应使保护套管的测量端超过管道中心线。2）注意保温 为防止传导散热产生测温附加误差，保护套管露在设备外部的长度应尽量短，并加保温层。3）防止变形为防止高温下保护套管变形，应尽量垂直安装。在有流速的管道中必须倾斜安装，如有条件应尽量在管道的弯管处安装，并且安装的测量端要迎向流速方向。若需水平安装时，则应有支架支撑。,5 红外传感器,5.1 红外传感器的分类把红外辐射转换成电量变化的装置，称为红外传感器。红外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，
22、可进行遥测。红外传感器主要分为光电型和热敏型。1）光电型是利用红外辐射的光电效应制成的，其核心是光电元件，这类传感器主要有红外二极管、三极管等。2）热敏型主要制作红外温度传感器，它是利用红外辐射的热效应制成的，其核心是热敏元件。热敏元件吸收红外线的辐射能后引起温度升高，从而测出物体的温度。热探测器的种类主要分四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。,5.2 红外传感器的工作原理与结构1）红外传感器的工作原理红外传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分热敏元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射
23、时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。,红外线传感器测温原理图,2）红外传感器的外形结构 红外传感器的外形，如图所示。,5.3 红外传感器的应用1）红外测温仪红外测温仪一般用于探测目标的红外辐射和测定其辐射强度，确定目标的温度。它采用滤光片可分离出所需的波段，因而该仪器能工作在任意波段。红外测温仪的电路比较复杂，包括前置放大、选频放大、温度补偿、线性化、发射率调节等。红外测温仪的光学系统可以是透射式，也可以是反射式。反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜。,2）红外线辐射温度计测人体温度 人体主要辐射波长为910m的红外线，通过对人体自身辐射红外能量的测量，便能准确地测定人体表面温
24、度。由于该波长范围内的光线不被空气所示吸收，因而可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度。红外温度测量技术的最大优点是测试速度快，1s内可测试完毕。,红外温度快速检测仪为在人流量较大的公共场合所降低病毒的扩散和传播提供快速、非接触测量手段，可广泛用于机场、海关、车站、宾馆、商场、影院、写字楼、学校等人流较大的公共场所，对体温超过的人员进行有效筛选，如图所示。,测量人体温度示意图,3）红外线辐射温度计的其他应用,6 集成温度传感器,6.1 集成温度传感器的分类集成温度传感器常分为模拟式和数字式。模拟式又分为电压型和电流型，其分类如下。,6.2 集成温度传感器LM35LM35温度传感器是电压
25、型集成温度传感器，其电路符号如图所示。,LM35引脚及应用,6.3 集成温度传感器AD590AD590是一种电流集成电路温度传感器。其工作范围宽，输出电流大小与温度成正比。它是一个二端器件，电路符号如图所示，AD590等效于一个高阻抗的恒流源，能大大减小因电源电压变动而产生的测温误差。AD590的电流温度特性曲线如图所示。,AD590引脚及符号,AD590电流温度特性曲线,6.4 精密温度传感器LM135、235、335 LM35系列是精密、容易校准的集成温度传感器，是美国NS公司产品，工作温度范围宽，工作于电流范围，容易校准。LM135系列温度传感器的封装如图所示。,(a)T0-92塑料封装
26、；(b)双列直插式8脚封装；(c)T0-94金属封装,LM135系列温度传感器的封装,6.5 智能化风扇集成控制电路ADT7460 美国ADI公司开发的专用与风扇控制（如CPU风扇）集成电路，能检测温度，并对4台风扇进行控制。采用了PWM技术对风扇进行控制，基本原理是：风扇的温度信号输入到TACH引脚，内部进行处理后，从PWM引脚送出脉冲控制三极管，实现速度的控制。ADT7460本身也带有温度传感器，能检测本地温度。,6.6 其他集成温度传感器1）模拟输出温度传感器芯片LM20、LM26LM20模拟输出温度传感器是适应于蜂窝式移动电话中。由于这类电话对温度都非常敏感，过高或过低温度保护功能便显得非常重要。LM26是一款高精度输出的低功率恒温器芯片。特别适应于温度控制装置，例如火警警报系统。2）远程二极管温度传感器 LM83是一款远程二极管芯片的传感器，它可测试系统内四个不同位置的温度，其三个属于芯片之外三个不同位置的温度，而第四个是芯片本身的内部温度。,LM88是一款远程二极管温度传感器恒温器芯片，同样都是最适用笔记本型计算机、台式机、工作站与服务器上，以及电池供电的便携式系统等。3）数字温度传感器芯片LM92 LM92是一种高精度的双线接口温度传感器芯片，该款芯片最适合用于各种高精度的场合，其中包括冷暖空气调节、通风系统、医疗系统、汽车、基站等。,
