第7章热电式传感器.ppt

第七章 热电式传感器,第一节 热电式传感器 概论,第二节 热电偶,一、热电效应原理,二、热电偶基本定律,三、热电偶结构和种类,四、热电偶测量电路,五、热电偶冷端补偿方式,第三节 热电阻,第四节 热敏电阻传感器,第五节热电式传感器的应用,每课一新,每课一新,温度变化,转变为,传感元件电、磁参数的变化,电阻,磁导,电动势,测量电路,可测的电参数,一、热电式传感器定义,第一节 热电式传感器 概论,二、热电式传感器分类：,在各种热电式传感器中，以把温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍,分类如下:,1、热电偶,将温度转变为电动势。,2、热电阻,将温度转变为金属电阻值的变化。,3、PN结型温度传感器,利用半导体PN节与温度的关系。,4、热敏电阻,将温度转变为半导体电阻值的变化。,第二节 热电偶,一、热电效应原理,把两种不同的金属A和B连接成如图1(a)所示的闭合回路。如果将它们的两个接点中的一个进行加热，使其温度为 T 而另一点置于室温T0中、则在回路中就有电流产生。如果在回路中接入电流计M。如图1(b)所示就可以看到电流计的指针偏转，这一现象称为热电效应。,通常把两种不同的金属的这种组合称为热电偶 A和B称为热电极温度高的接点称为热端(或称为工作端)而温度低的接点称为冷端(或称为自由端),有理论分析知道，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。,为什么会产生接触电势和温差电势呢,图7-1热电效应原理图,？,（一）、接触电势产生的原因,由于所有金属都具有自由电子，而且在不同的金属中自由电子的浓度不同，因此当两种不同金属A和B接触时，在接触处便发生电子的扩散。,B金属,A金属,e扩散,+,-,e扩散,反扩散,反扩散,在这种动态平衡状态下，A和B两金属之间便产生一定的接触电势,图7-2,它的数值取决于两种金属的性质和接触点的温度、而与金属的形状及尺寸无关。由物理学可知，该电势为,波尔兹曼常数（）,绝对温度,材料A、B的自由电子密度,电子电荷电量(),（二）、温差电势产生的原因,对于任何一个金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同。温度高的一端浓度大具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此，高温端的自由电子要向低温端扩散最后同样要达到动态平衡，高温端失去电子而带正电，而低温端得到电子带负电。从而在曲端形成温差电势，又称为汤姆森电势。在由两种不同金属组成的闭合回路中当两端点的温度不同时，回路中产生的热电势等于上述电位差的代数和。,（三）、回路中的总热电势,(1)金属A和金属B的一个接点在温度为T时，产生的接触电势。(2)金属A和金属B的另一接点在温度为T0时，产生的接触电势。(3)金属A两端温度为T,T0时，形成的温差电势。(4)金属B两端温度为T,T0时形成的温差电势。因此，整个闭合回路内、总的热电势 为:,应该指出的是，在金属中自由电子数目很多、以致于温度不能显著地改变它的自内电子浓度。所以在同一种金属内的温差电势极小，可以忽略。因此，在一个热电偶回路中起决定作用的是两个接点处产生的与材料性质和该点所处温度有关的接触电势，故上式可改写为：在实际使用中为了方便，在标定热电偶时，使T0为常数、即则上式变为：,若固定T0则热电势可仅看作是T的函数,图7-3各种热电偶的热电势与温度关系曲线To=0),对于各种不同金属组成的热电偶，温度与热电势之间有着不同的函数关系。一般是用实验的方法来求取这个函数关系。如图73所示的曲线,或列成表格(称为热电偶分度表)，供使用时查阅。,Sensor,近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；(2)模拟集成温度传感器控制器；(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、网络化的方向发展。1、模拟集成温度传感器 集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、,温度传感器的发展历史、趋势(一),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，不需要进行非线性校定，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。2、智能温度传感器 数字温度传感器是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术ATE的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(cpu)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。其特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。,二、热电偶基本定律,从式 中可以得出热电偶的一些基本定律即：,1、只有由化学成分不同的两种导体材料组成的热电偶，其两端点间的温度不同时，才能产生热电势。热电势的大小与材料的性质及其两端点的温度有关，而与形状、大小无关。,2、化学成分相同的材料组成的热电偶，即使两个接点的温度不同，回路的总热电势也等于零，应用这一定律可以判断两种金属是否相同。,3、化学成分不相同的两种材料组成的热电偶，若两个接点的温度相同，回路中的总热电势也等于0。,4、在热电偶中插入第三种材料，只要插入材料两端的温度相同对热电偶的总热电势没有影响。,为什么？,如图74所示。图74(a)是将热电偶的一个接点分开，接入第三种材料,设接点2和接点3的温度相同(T0)，则这时热电偶回路中的总电势为:,图7-4热电偶中加入第三种材料,（a）,（b）,因为我们知道，如果热电回路各接点温度相同其总的热电势为0。于是假设当接点1、2和3的温度都为T0时其回路总的热电势必为0，即,则有：,把上式代入到 得到：与没有插入第三种材料前一样，总热电势没变！,5、如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电势已知，则此两种导体组成热电偶的热电势就已知。,即：如图所示，已知材料A分别和材料B和材料C构成 热电偶的热电势 则可求得由B和C构成热电偶的热电势为：,图7-5,三、热电偶结构和种类,1结构：,图7-5 热电偶结构图,普通型热电偶通常将热电极加上绝缘套、保护套管和接线盒做成如图7-5所示的结构。安装连接时，可采用螺纹或法兰方式连接；根据使用条件，可制作成密封式普通型或高压固定螺纹型。除此之外微型热电偶结构。,2、常用热电偶介绍,（1）、铂铑铂热电偶(WRLB型),优点：这种热电偶可以用于较高的温度，能长时间在0-1300中工作，短时间可以测到1600。精度高、它的物理化学稳定性好，因此一般用于较为精密测温中。它在氧化性气体中使用有相当好的稳定性。缺点：但在金属蒸气、金属氧化物、一氧化碳及碳氢还原介质中易受损坏。在这种情况下使用时，要选用可靠的保护套管。铂铑铂热电偶另一个缺点是它的热电势较小，因此测量时要采用灵敏度较高的仪表。目前在国际实用温标中它被规定为在630.741064.43范围内复现温标的基准。,（2）镍铬镍铝(镍铬镍硅)(WREU型),它是非贵重金属热电偶中性能最稳定的一种。因此应用最广。热电偶的正极是镍铬合金负极是镍铝合金.优点：因为热电极中含有大量的镍故这种热电偶在高温下抗氧化能力及抗腐蚀能力都很强。它具有接近直线的分度曲线。另外在相同的温差下，它的热电势要比铂铭铂的热电势大4-5倍。价格较为便宜，故它的电极制作得比较粗(约3mm)，这样便带来很多优点、如使用寿命长、强度高等。缺点：是热电极不易做得均匀，所以精度有所下降，镍铝电极长期在较高温度下使用较易氧化，稳定性变差，因此目前已经用镍铬-镍硅热电偶取代了镍铬-镍铝热电偶。我国已正式决定选用镍铬镍硅热电偶作为标准热电偶。,（3）铜康铜热电偶,它是非标准分度热电偶中应用较多的一种，尤其在低温下可靠稳定使用更为普通。一般多用于实验和科研中，目前在0一100范围内铜康铜热电偶已被定为三级标准热电偶用以检定低温测量仪表的精度。它的误差不超过01。,四、热电偶实用测量电路,1测量单点温度的基本测温线路:,图7-6 单点测量电路,A、B为热电偶，C、D为补偿导线，冷端温度为T0，E为铜导线,M为所配用的毫伏计，或者数字仪表。如果采用数字仪表测量热电势，必须加适当输入放大电路,若选用运放可选用OP07。,这时回路中总热电势为、流过测温毫伏计的电流为：,热电偶内阻。导线(包括铜线、补偿导线电阻),仪表的内阻（包含）,2测量两点之间温差的测温线路,这种测温线路如图77所示。这是测量两个温度Tl和T2之差的一种实用线路。用两只同型号的热电偶，配用相同的补偿导线，连接的方法应使各自产生的热电势互相抵消、这时仪表即可测得了T1和T2的温度之差。,图7-7测温差电路,回路内的总电势为:,因为C、D为补偿导线，其热电性质分别与A、B材料性质相同，所以可以认为:,所以:!如果连接导线用普通铜导线，则必须保证两热电偶的冷端湿度相等否则测量结果是不准的。,3、测量平均温度的测温线路,测量平均温度的方法通常用几只同型号的热电偶并联在一起，例如，如图78所示,要求三只热电偶都工作在线性段。在测量仪表中指示的为三只热电偶输出电势的平均值:,图7-8,4、测量几点温度之和的测温线路:,利用同类型的热电偶串联如图7-9所示，可以测量几点温度之和，也可以测量几点的平均温度。,图7-9,图79是几个热电偶的串联线路图。这种线路可以避免并联线路的缺点。当有一只热电偶烧断时，总的热电势消失，可以立即知道有热电偶烧断。同时由于总热电势为各热电偶热电势之和，故可以测量微小的温度变化。图中C，D为补偿导线，回路的总热电势为:,因为C、D为A、B的补偿导线，其热电性质相同、即：,将其代入上式中得：,即回路的总热电势为各热电偶的热电势之和。,5、若干只热电偶共用一台仪表的测量线路,在多点温度测量时，为了节省显示仪表，将若干只热电偶通过模拟式切换开关共用一台测量仪表，常用的测量线路，如图710所示。,图7-10 若干只热电偶共用一台仪表的测量线路,常用的切换开关有密封微型精密继电器和电子 模拟式开关两类。例如精密继电器器JRW-1M，其接触电阻0.10欧姆，绝缘电阻100M欧姆，切换时间10ms它是慢速多点温度测量时较为理想的一种机械切换开关。常用的电子切换开关有AD7501，AD7503等。它们适用于快速测量。但是其接触电阻较大。约在几百欧姆。,热电偶,信号调理,运算放大,A/D 转 换,微处理器,显示,键盘,六、在工业自动检测中往往采用以下的检测方案：,五、热电偶冷端补偿方式,热电偶输出的电势是两结点温度差的函数。为了使输出的电势是被测温度的单一函数，一般将T作为被测温度端，T0作为参比温度端(冷端)。通常要求T0保持为，但在实际中做到这一点很困难。于是产生了热电偶冷端补偿问题。,1、冷端补偿的原因,2、冰点器冷端补偿法,将热电偶的冷端置于冰水保温瓶中，获取热电偶冷端的参考温度。,3恒温槽方式冷端补偿法,即将冷端置于恒温槽中如恒定温度为，则冷端的误差 为：,其中T为被测温度。由式可见，虽然，但是 个定值。只要在回路中加入相应的修正电压，或调整指示装置的超始位置，即可达到完全补偿的目的，或是在数据处理程序中加上一个固定的修整值。常用的恒温温度有50 和0。,4冷端自动补偿方式,工业上，常采用冷端自动补偿法。自动补偿法是在热电偶和测量仪表间接人一个直流不平衡电桥也称为冷端温度补偿器。,如图711所示。当热电偶冷端温度升高，导致回跃总电势降低时，补偿器感受到自由端的变化，产生一个电位差，其值正好等于热电偶降低的电势，两者互相抵消以达到自动补偿的目的。,图7-11 冷端补偿器原理,！必须注意：设计时使电桥在20处于平衡，所以此时应把仪表的机械零位调整到20处，或在数据处理时应该所测得的热电势上加上。不同类型的冷端补偿器应与所用的热电偶配套。常见的几种冷端补偿器如表所示。,第三节 热电阻,热电阻是利用导体的电阻随温度变化而变化的特性测量温度的。因此要求作为测量用的热电阻材料必须具备以下特点:(1)电阻温度系数要尽可能大和稳定。(2)电阻率高。(3)电阻与温度之间关系最好成线性(4)并且在较宽的测量范围内具有稳定的物理和化学性质。目前应用得较多的热电阻材料有铂和铜等。热电阻由电阻体、保护套和接线盒等部件组成。其结构形式可根据实际使用制作成各种形状通常都是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它们可以测量一200一500的温度。,一、常用的几种热电阻,由于铂电阻物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定它能用作工业测温元件和作为温度标准。按国际温标（IPTs68）规定，在-2593463074温域内，以铂电阻温度计作基准器。铂电阻与温度的关系，在0-63074以内为：,在-1900以内为:,1、铂电阻,温度为t时的电阻；,温度为0 的电阻,A、B、C一分度系数：,工业用铂电阻体的结构见图712一般由直径0.03一0.07mm粗的纯铂丝绕在平板形支架上，用银导线作引出线。,图7-12 铂电阻体结构,在测量精度不太高、测温范围不大的情况下，可以来用铜电阻来代替铂电组，这样可以降低成本，同时也能达到精度要求。在-50一150的温度范围内，铜电阻与温度呈线性关系，可用下式表示：,2铜电阻：,铜电阻温度系数。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l00以上易氧化，因此只能用于低温以及无侵蚀性的介质中。,铜电阻体的结构如图613所示。通常用直径0.1mm的漆包线或丝包线双线绕制，而后浸以酚醛树脂成为一个铜电阻体再用镀银铜线作引出线，穿过绝缘套管。,铜电阻分度表:,用99.999高纯度的铟丝绕成电阻，可在室温至4.2k温度范围内使用。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。适合用液氦温域的温度测量价廉，对磁场不敏感，但热稳定性较差。,3、低温热电阻:,铟电阻:,锰电阻:,碳电阻:,二、热电阻的测量电路,在实际的温度测量小，常用电桥作热电阻的测量电路。由于热电阻的电阻值很小所以导线电阻值不可忽视。例如50欧的铂电阻，若导线电阻为1欧，将会产生5c的测量误差。为了解决这一问题，可采用如图714所示的三线式电桥连接测量电路。,图7-14,图中Rt为热电阻，r1、r2、r3为引线电阻；Rl、R2为两桥臂电阻，取RlR2；R3为调整电桥的精密电阻。由于测量仪表M的内阻很大，流过r3的电流接近于0，当UAUB时，电桥平衡、调节R3，使r1+Rtr2+R3，就可消除引线电阻的影响。,为了高精度的测量温度，可将电阻测量仪设计成如图6-15所示的四线式测量电路。,图7-15,图中I为恒流源，是导线电阻，为热电阻，V为电压表。因为电压表V内阻很大，则：又因为，所以：由此可知，引线电阻 将不引入测量误差。电压表V指示的值将是热电阻 的电压降，根据此电压降可间接地测出微小温度。,Sensor,温度传感器的发展趋势(二),1、提高测温精度和分辨力：,在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1C。目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是912位A/D转换器，分辨力一般可达0.50.0625C。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高0.03125度，测温精度为0.2C。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27us、9us。,2、总线技术的标准化与规范化：目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。,3、可靠性及安全性设计 为了避免在温控系统受到噪声干扰时产生误动作，在AD7416/7417/7817、LM7576、MAX66256626等智能温度传感器的内部，都设置了一个可编程的“故障排队(FaultQueue)”计数器，专用于设定允许被测温度值超过上、下限的次数。仅当被测温度连续超过上限或低于下限的次数达到或超过所设定的次数n(n=14)时，才能触发中断端.还有传感器具有自诊断功能。,4、虚拟温度传感器,虚拟传感器是基于传感器硬件和计算机平台、并通过软件开发而成的。利用软件可完成传感器的标定及校准，以实现最佳性能指标。最近，美国公司已开发出一种基于软件设置的TEDS型虚拟传感器，其主要特点是每只传感器都有唯一的产品序列号并且附带一张软盘，软盘上存储着对该传感器进行标定的有关数据。使用时，传感器通过数据采集器接至计算机，首先从计算机输入该传感器的产品序列号，再从软盘上读出有关数据，然后自动完成对传感器的检查、传感器参数的读取、传感器设置和记录工作。,5、网络温度传感器,网络温度传感器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。数字传感器首先将被测温度转换成数字量，再送给微控制器作数据处理。最后将测量结果传输给网络，以便实现各传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享，在更换传感器时无须进行标定和校准，可做到“即插即用(Plug&PlAy)”，这样就极大地方便了用户。,第四节 热敏电阻传感器简介,热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。相对于一般的金属热电阻而言，它主要具备如下特点：电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大 10-100倍。结构简单，体积小，可以测量点温度。电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。阻值与温度变化呈非线性关系。稳定性和互换性较差。,一、热敏电阻的特点,大部分半导体热敏电阻是由各种氧化物按一定比例混合，经高温烧结而成。多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时，其电阻值下降同时灵敏度也下降。由于这个原因，限制了它在高温下的使用。目前热敏电阻的使用上限温度约为300。除了负温度系数的热敏电阻之外，还有正温度系数热敏电阻和临界温度系数热敏电阻，由于这两种热敏电阻应用的不多，所以主要介绍负温度系数热敏电阻。,二、热敏电阻的结构与材料,热敏电阻主要由热敏探头、引先壳体构成，如图7-16所示。热敏电阻一般做成二端器件，但也有构成三端或四端的。二端和三端器件为直 热式。即直接由电路中获得功率。根据不同的要抵可以把热电阻做成不同的形状结构，其典型结构如图97所示。,图7-16热敏电阻的结构形式,三、负温度系数热敏电阻的特性,图7-17为负温度系数热敏电阻的电阻一温度特性曲线，可用如下经验公式描述：,温度为T时的电阻值，与材料和几何尺寸有关的常数热敏电阻常数。,若已知T1和T2时的电阻为 和 则可通过公式求取A、B的值，即：,图7-20给出了热敏电阻的伏安特性曲线。由图可见当流过热敏电阻的电流较小时，曲线呈直线状，服从欧姆定律，当电流增加时，热敏电阻自身温度明显增加，由于负温度系数的关系，阻值下降，电压上升速度减小出现了非线性，当电流速度增加时，热敏电阻自身温度上升更快，阻值大幅度下降于是出现了电压随电流增长而下降的现象。,热敏电阻的应用很广泛在家用电器、汽车、测量仪器、农业等方面部有广泛的应用,图7-17热敏电阻温度曲线,图7-18热敏电阻伏安特性,第五节热电式传感器的应用,基于热电偶的多功能高精度钢水测温仪,该系统具有如下功能相指标：(1)测温范围1000一2000C：(2)测量误差01一02；对上述测温范围折合温度为1-2度.(3)快速连续测温方式(可供选择)；(4)断偶指示；(5)峰值锁存；(6)上下限报警。,根据上述指标可知，其测量温度值是很精确的，因此热电偶及其前置放大电路是至关重要的。为此选用了B型或S型热电偶(约10 c)和失调电压0.05 以下的斩波放大器ICL7650(斩波自稳零)的高精度运放；否则不能保证其测温精度。,ICL7650第四代集成运放,采用先进的CMOS工艺制成。特点:超低失调和超低漂移、高增益、高输入阻抗,性能极为优越稳定；我国的斩波稳零运放有5G7650,F7650,与国外的ICL7650的内部结构、外引脚排列、功能和参数都相同,可以互相代用。,各管脚功能如下:V+,V-:供电电压正和负,V+=3 9V,V-=-3-9V,典型值为V+=5V,V-=-5V。,IN+,IN-:分别为正相输入端和反相输入端。应保证加于此 两端的共模输入电压为(V+0.3V)(V-一0.3V)；保证加于此两端差模电压在7V以内OUT:输出端。为了得到好的响应,负载电阻应大于1OK。CA,CB:外接电容引脚,两个电容分别接到CA和CB脚,两电容的 另一端接在一起再接“返回(R)”脚(对于14脚DIP封装)或接V-脚(对于8脚圆形封装):1.若采用片内振荡器(频率为200Hz),可取CA=CB=0.1F,2.采用片外振荡器,可视频率低或高适当加大或减小CA和CB。内/外(脚14)、外时钟输入(脚13)和内时钟输入(脚12):“内/外”是采用内部时钟或外部时钟选择端:1.若采用外部时钟：应把“内/外”引脚接在V-上,并且在“外时 钟输入”端接外部振荡器输出。,2 若采用片内200Hz时钟信号：应把“内/外”引脚接V+或悬空,此时“内部时钟输出(脚12)”输出200Hz脉冲,可通过观察此波形检查内部时钟电路的工作情况。钳位输出:1.当5G7650的输出OUT达到V+或V-时：“钳位输出(脚9或5)”与输出端OUT相连,在应用线路中可 利用钳位输出信号实现强负反馈,以限制输出幅度,实现钳位。2.当5G7650工作于线性区域时,钳位输出脚与OUT无关。图5-2-11(a)是14脚DIP封装的5G7650的连线:这是一个同相放大器,利用片内时钟,取CA=CB=0.1F,如果需要输出钳位,可把脚9与脚4相连,否则,脚9悬空即可。图5-2-11(b)是8脚圆封装接成反相放大器的接法:脚5与脚2相连,实现输出钳位。,这种封装只可采用片内时钟。因为时钟频率只有200Hz,因此,5G7650只在直流或超低频应用中才能体现其优越性。,热电偶前置微弱信号微弱处理部分,热电偶冷端温度要进行补偿，本电路采用了模拟量叠加法实现热电偶冷端温度补偿。选用了半导体温敏元件AD590对-50一50之间温度进行了自动补偿.,另外，为了实现断偶报警功能，在前置放大器的信号输入端设置一个大阻值(10M)的上拉电阻R3(歇火电路)；当正常工作时，热电偶电阻值很小，几微安的电流基本不会产生电压；一旦热电偶烧断，则前置放大器就会饱和，且输出高电压，此时，AD转换器7109的0R管脚输出溢出电平给单片机80c31BH，进行断偶报警。为了保证热电偶的高精度测温，除上述微信号处理技术外，AD转换器的选型也至关重要。虽通常 AD转换器其分辨力也能达到0.5C/bit的要求、但是要保证整个系统累加误差不大于0.5就很困难了。为此，本系统选用了其分辨力优于0.25bit的12位AD转换器ICL7109。,