1、 第一章第一章 传感器及其应用传感器及其应用 温度传感器温度传感器 一一 温度传感器的组成和分类温度传感器的组成和分类温度是表征物体冷热程度的物理量温度是表征物体冷热程度的物理量，与自然界中，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。温度概念的建立的各种物理和化学过程相联系。温度概念的建立及测量是以热平衡为基础的。及测量是以热平衡为基础的。温度最本质的性质：温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物体当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。于热平衡状态，则它们具有相同的温度。 1. 温度传感器的组
2、成温度传感器的组成 就测量系统的功能而言，就测量系统的功能而言，测温传感器测温传感器通常由通常由现场的感温元件现场的感温元件和和控制室的显示装控制室的显示装置置两部分组成。简单的温度传感器往往是把温度传感两部分组成。简单的温度传感器往往是把温度传感器和显示器组成一体的。器和显示器组成一体的。 2 温度传感器分类温度传感器分类 （1）按感温元件感温元件是否与被测介质接触，可以分成接触式测温接触式测温与非接触式测温非接触式测温两大类。接触式测温接触式测温 ：温度敏感元件与被测对象接触，温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。经过换热后两者温度相等。 接触式测温特点：接触式测温特点：l优
3、点：优点：结构简单、工作可靠、精度高、结构简单、工作可靠、精度高、 稳定性好、稳定性好、价格低廉等优点，是目前应用最多的一类。价格低廉等优点，是目前应用最多的一类。l缺点：缺点： 由于敏感元件必须与被测对象接触，在接触过程由于敏感元件必须与被测对象接触，在接触过程中就可能破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量中就可能破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误差。有的测温元件不能和被测对象充分接触，不能误差。有的测温元件不能和被测对象充分接触，不能达到充分的热平衡，使测温元件和被测对象温度不一达到充分的热平衡，使测温元件和被测对象温度不一致，也会带来误差。致，也会带来误差。 在接触过程中，介质腐蚀
4、性，高温时对测温元件在接触过程中，介质腐蚀性，高温时对测温元件的影响，影响测温元件的可靠性和工作寿命。的影响，影响测温元件的可靠性和工作寿命。 l常用的接触式测温仪表常用的接触式测温仪表膨胀式温度计膨胀式温度计热电阻温度计热电阻温度计 热电偶温度计热电偶温度计其他原理的温度计其他原理的温度计常用的非接触式测温仪表：常用的非接触式测温仪表：辐射式温度计：辐射式温度计：基于普朗克定理 ( 光电高温计，辐射传感器，比色温度计)光纤式温度计：光纤式温度计：光纤的温度特性、传光介质。 (光纤温度传感器，光纤辐射温度计)l优点：优点：非接触式温度传感器理论上不存在接触式非接触式温度传感器理论上不存在接触式
5、温度传感器的测量滞后和应用范围上的限制，可温度传感器的测量滞后和应用范围上的限制，可测高温、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表测高温、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表面的温度，不干扰被测温度场，在被测物体为运面的温度，不干扰被测温度场，在被测物体为运动物体时尤为适用。动物体时尤为适用。l缺点：缺点：精度较低，使用不太方便。精度较低，使用不太方便。 （2）按结构不同分类）按结构不同分类热电偶温度传感器热电偶温度传感器热电阻温度传感器热电阻温度传感器热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器半导体温度传感器（硅二极管、三极管）半导体温度传感器（硅二极管、三极管）集成集成(IC)温度传感器温度传感器示温
6、涂料温度传感器示温涂料温度传感器液晶示温温度传感器液晶示温温度传感器电容式温度传感器电容式温度传感器 热电阻传感器是利用导体或半导体的热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温电阻值随温度变化而变化的原理度变化而变化的原理进行测温的。热电阻传感器分为进行测温的。热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻金属热电阻和半导体热电阻两大类，一般把两大类，一般把金属热电金属热电阻称为热电阻阻称为热电阻，而把，而把半导体热电阻称为热敏电阻半导体热电阻称为热敏电阻。热热电阻广泛用来测量电阻广泛用来测量-200850范围内的温度。热电阻范围内的温度。热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成。传感器由热电阻
7、、连接导线及显示仪表组成。二二 热电阻温度传感器热电阻温度传感器1 金属热电阻金属热电阻作为热电阻的材料要求：作为热电阻的材料要求：电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度；电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度；电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸；电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸；热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；在测量范围内，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于线性；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。应有良好的可加工性，且价格便宜。 使用最广泛的热电阻材料是铂
8、和铜使用最广泛的热电阻材料是铂和铜 （1）铂热电阻）铂热电阻 （目前最好材料）（目前最好材料） 长时间稳定的复现性可达长时间稳定的复现性可达10-4 K ，是，是目前测温复现目前测温复现性最好的性最好的一种温度计。主要作为标准电阻温度计，一种温度计。主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。广泛应用于温度基准、标准的传递。铂热电阻结构示意图 铜热电阻结构示意图铜热电阻结构示意图 （2） 铜热电阻铜热电阻l应应 用：用：测量精度要求不高且温度较低的场测量精度要求不高且温度较低的场合。合。l测量范围：测量范围：50150l优优 点：点：温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，温度范围
9、内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。l缺缺 点：点：易于氧化，一般只用于易于氧化，一般只用于150以下的低温测量以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。较大。2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻利用利用半导体的电阻值随温度显著变化半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成的特性制成由由金属氧化物和化合物金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结。按不同的配方比例烧结。优优 点：点： (1) 热敏电阻的温度
10、系数比金属大（热敏电阻的温度系数比金属大（49倍）倍） (2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。点温、表面温度及快速变化的温度。 (3) 结构简单、机械性能好。结构简单、机械性能好。缺点：缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。线性度较差，复现性和互换性较差。（1）热敏电阻分类）热敏电阻分类正温度系数正温度系数(PTC)负温度系数负温度系数(NTC) 临界温度系数临界温度系数(CTR)热敏电阻典型特性热敏电阻典型特性 lNTC热敏电阻主要用于温度测量和补偿，测温范围热敏电阻主要用于温度测量和补偿，测温范围一般为一般为5035
11、0，也可用于低温测量（，也可用于低温测量（1300）、中温测量（）、中温测量（150750），甚至更高温度，），甚至更高温度，测量温度范围根据制造时的材料不同而不同。测量温度范围根据制造时的材料不同而不同。lPTC热敏电阻既可作为温度敏感元件，又可在电子热敏电阻既可作为温度敏感元件，又可在电子线路中起限流、保护作用。线路中起限流、保护作用。 lCTR一般也是负温度系数，但与一般也是负温度系数，但与NTC不同的是，在不同的是，在某一温度范围内，电阻值会发生急剧变化。某一温度范围内，电阻值会发生急剧变化。 CTR热热敏电阻主要用作温度开关。敏电阻主要用作温度开关。 （2 2） 热敏电阻的主要特性热
12、敏电阻的主要特性 温度特性温度特性 伏安特性伏安特性温度特性温度特性NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻-温度特性温度特性 00273127310110ttBTTBTeReRR式中式中 RT , R0热敏电阻在绝对温度热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值时的阻值()； T0, T 介质的起始温度和变化温度（介质的起始温度和变化温度（K）；）； t0 , t 介质的起始温度和变化温度（介质的起始温度和变化温度（）；）； B 热敏电阻材料常数，一般为热敏电阻材料常数，一般为20006000K， 其大小取决于热敏电阻的材料。其大小取决于热敏电阻的材料。21TB
13、dTdRRTT B和和值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高。的灵敏度很高。热敏电阻的电阻温度系数热敏电阻的电阻温度系数热敏电阻在其本身温度变化热敏电阻在其本身温度变化1时，时，电阻值的相对变化量电阻值的相对变化量伏安特性伏安特性l在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端的电压U之间的关系， 当流过热敏电阻的电流很小时当流过热敏电阻的电流很小时: 不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律。主要用来测温。当电流增大到一定值
14、时：当电流增大到一定值时： 流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻特性。因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降。其所能升高的温度与环境条件有关。当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值取决于介质的流速、流量、密度流速、流量、密度等散热条件。可用它来测量流体速度和介质密度测量流体速度和介质密度。（3 3）热敏电阻的结构形式热敏电阻的结构形式 （4 4） 热敏电阻的主要参数热敏电阻的主要参数 标称电阻值标称电阻值RH： 在环境温度为在环境温度为250.2时测得的时测得的电阻值，又称电阻值，又称零功率电阻零功率电阻。其大小取决于热敏电其大小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。阻的材料和
15、几何尺寸。 耗散系数耗散系数H： 指热敏电阻的温度与周围介质的温指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差度相差1时热敏电阻所耗散的功率，单位为时热敏电阻所耗散的功率，单位为mW /； 热容量热容量C： 热敏电阻的温度变化热敏电阻的温度变化1所需吸收或释所需吸收或释放的热量，单位为放的热量，单位为J； 能量灵敏度能量灵敏度G （W）使热敏电阻的阻值变化使热敏电阻的阻值变化1所需耗散的功率。所需耗散的功率。 时间常数时间常数 温度为温度为T0的热敏电阻突然置于的热敏电阻突然置于温度为温度为T 的介质中，热敏电阻的温度增量的介质中，热敏电阻的温度增量T= 0.63 (TT0) 时所需的时间。时所需的时间
16、。 额定功率额定功率PE 在标准压力（在标准压力（750mmHg）和）和规定的最高环境温度下，热敏电阻长期连规定的最高环境温度下，热敏电阻长期连续使用所允许的耗散功率，单位为续使用所允许的耗散功率，单位为W。在实。在实际使用时，热敏电阻所消耗的功率不得超际使用时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率。过额定功率。 3 热电阻式传感器的应用举例热电阻式传感器的应用举例金属热电阻传感器金属热电阻传感器 200 +500范围的温度测量 特点：精度高、适于测低温低温。半导体热敏电阻传感器半导体热敏电阻传感器应用范围很广，可在宇宙航船、医学、工业及家用电器等方面用作测温、控温、温度补偿、流速测量、液面指
17、示测温、控温、温度补偿、流速测量、液面指示等。 其他应用其他应用 利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关系可以测量流量、流量、流速、风速流速、风速等 P86 矩形波发生器R是热敏电阻, r为运放正反馈网络的反馈系数例例1 T/F转换电路转换电路 例例2 T/U转换电路转换电路 集成稳压器集成稳压器7805 环境温度：环境温度：0 100输输 出：出：0.155.6V例例3 3 半导体热敏电阻传感器半导体热敏电阻传感器温度控制温度控制简易温度控制器简易温度控制器 PTC工作原理：工作原理：l常温下，Rt呈低阻，VB1呈低电位，VT1截止，VT2 截止，继电器J断开，LED不亮。l温度T升高，Rt
18、阻值增加，VB1呈高电位，VT1导通，VT2导通，继电器J导通，控制制冷设备的常开触点闭合，LED点亮报警。例例4 4 温度上下限报警电路温度上下限报警电路RrRr：正温度系数热敏电阻：正温度系数热敏电阻工作原理工作原理l温度上升过程：温度上升过程： T低温（UaUTH),VT2导通，VT1截止，绿灯亮。 T升高，Ua下降，当UaTTH),红灯亮，绿灯灭。 绿灯亮转红灯亮指示温度超过上限。绿灯亮转红灯亮指示温度超过上限。l温度下降过程：温度下降过程： T高温（UaUTH(TTTL), 绿灯亮，红灯灭。 红灯亮转绿灯亮指示温度超过下限。红灯亮转绿灯亮指示温度超过下限。四四 半导体温度传感器半导体
19、温度传感器1 二极管（二极管（PN结）温度传感器结）温度传感器 当测温范围在0150时，利用二极管PN结的结电压结的结电压随温度的升高而线性下降随温度的升高而线性下降的基本原理制成二极管温度传感器。2 三极管温度传感器三极管温度传感器晶体管的基极发射极电压 与集电极电流IC随温度的关系满足下面公式：CGBEiTrqkTUuln0UG0三极管在绝对温度为273K时的硅禁带宽度电压，约为1.2V；、r由三极管结构决定，与温度无关。保持保持 Ic为定值为定值时，时， 与温度与温度T呈近似线性关系呈近似线性关系，利用这一特性可制成晶体管温度传感器。BEuBEu晶体管传感器特点：晶体管传感器特点：体积小
20、、稳定性体积小、稳定性好、价格低廉。好、价格低廉。 根据半导体的温度特性构成的温度传感器根据半导体的温度特性构成的温度传感器在医疗器械上得到了广泛的应用，其准确在医疗器械上得到了广泛的应用，其准确度主要由显示仪表的读数准确度决定，灵度主要由显示仪表的读数准确度决定，灵敏度也是其他类型的传感器难以达到的。敏度也是其他类型的传感器难以达到的。3 半导体温度传感器应用举例半导体温度传感器应用举例例例1 CPU1 CPU过热报警电路过热报警电路555定时器构成多谐振荡器定时器构成多谐振荡器（a）多谐振荡器电路 （b）工作波形123456ABCD654321DCBATitleNumberRevision
21、SizeBDate:11-Jul-2005Sheet of File:E:指导书电子技术指导书数字电路.ddbDrawn By:R2R1C0.01uF48763152VCCvOvC555tVOVCVOHVOLtVCC3213VCCOOTTPHTPLC10.1uF10K1KTHTL5VttttPHPL工作原理工作原理l555定时器构成多谐振荡器；l常温下，锗二极管温度传感器为反偏，VT1导通，555定时器复位端（4脚）处于低电平，555定时器不工作，扬声器不发声；lT升高到一定值，锗二极管温度传感器结电阻减小使端电压减小到使VT1截止，使555定时器4脚为高电平，555起振，扬声器发声报警。例例
22、2 2 三极管温度传感器的测温电路三极管温度传感器的测温电路A1灵敏度灵敏度 ：2.3mV/ A2输出精度输出精度: 0.01 测量范围测量范围 ：50 115工作原理工作原理:lIF=U/RP1，lA1的输出电压随环境温度的变化而变化。lRp1：调节温度传感器的电流（要求十分稳定）；lA2对A1的输出再次放大，Rp2调节A2增益；lRp3对电路进行校正，使环境温度为0oC时，输出电压为0V。lRC防止电路振荡。0lnBEGFkTTruUqI1oBEuu 五五 集成集成(IC)(IC)温度传感器温度传感器 集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流、电压特性与温度的关系，把感温感温PN结及有关电子
23、线路集成在一个小硅片结及有关电子线路集成在一个小硅片上，上， 构成一个小型化、一体化的专用集成电路片构成一个小型化、一体化的专用集成电路片。集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格低体积小、反应快、线性好、价格低等优点。由于PN结受耐热性能和特性范围的限制，它只能用来测150以以下的温度下的温度。 1. 基本工作原理基本工作原理 集成温度传感器基本原理图 I1I2UV2V1Ube目前在集成温度传感器中，都采用目前在集成温度传感器中，都采用一对非常匹配的差一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件分对管作为温度敏感元件。其中。其中V1和和V2是互相匹配的是互相匹配的晶体管，晶体管，I1和和I2
24、分别是分别是V1和和V2管的集电极电流，由恒流管的集电极电流，由恒流源提供。源提供。V1和和V2管的两个发射极和基极电压之差管的两个发射极和基极电压之差Ube可用下式表示：可用下式表示： 21122111IInqKTIIIInqKTUSSbe 2. 集成温度传感器的信号输出方式集成温度传感器的信号输出方式 (1) 电压电压 输出型输出型电压型集成温度传感器有电压型集成温度传感器有AN6701当电流I1恒定时，通过改变R1的阻值，可实现I1=I2， 当晶体管的1时，电路的输出电压可由下式确定，即输出电压随温度的变化而变化： nqKTRRRRURIUbeo1122122若取R1=940，R2=30
25、 k，=37，则电路输出的温度电路输出的温度系数系数为 :KmVnqKRRdTdUCoT/10112V1I1V2I2V3V4ITRA1 A/KRLEUo电流输出型原理电路图 （2） 电流输出型电流输出型V1和V2是结构对称的两个晶体管，作为恒流源负载， V3和V4管是测温用的晶体管，其中V3管的发射结面积是V4管的8倍，即=8。流过电路的总电流IT： nqRKTRUIIbeT12221上式表明，当上式表明，当R和和一定时，电路的输出电流与温度有一定时，电路的输出电流与温度有良好的线性关系。良好的线性关系。 若取R为358，则电路输出的温度系数温度系数为 KAnqRKdTdICTT/112电流输
26、出型典型的集成温度传感器有美国电流输出型典型的集成温度传感器有美国AD公司生产的公司生产的AD590。我国生产的SG590也属于同类型产品，其基本电路与图15-23一样，只是增加了一些启动电路，防止电源反接以及使左右两支路对称的附加电路，以进一步提高性能。AD590的电源电压为的电源电压为430 V， 可测温度范围为可测温度范围为-50 150 。 3. 集成温度传感器实例集成温度传感器实例例例1 电压型集成温度传感器电压型集成温度传感器AN6701温度系数：温度系数：2.1110mv/ 输出阻抗：输出阻抗：30Rc用于设定输出电压为用于设定输出电压为0时的温度和反映环境温度的时的温度和反映环
27、境温度的变化。变化。AN6701传感器因其灵敏度高（比一般传感器高传感器因其灵敏度高（比一般传感器高10倍倍左右）、线性度好（左右）、线性度好（0.5%）、响应快等优点，被广）、响应快等优点，被广泛用于泛用于空气调节器、电热毯、电子仪器空气调节器、电热毯、电子仪器等领域。等领域。例例2 电流型集成温度传感器电流型集成温度传感器AD590 AD590是应用广泛的一种集成温度传感器，是应用广泛的一种集成温度传感器， 由于它由于它内部有放大电路内部有放大电路，再配上相应外电路，再配上相应外电路，就可方便地构成各种应用电路。就可方便地构成各种应用电路。简单的测温电路 5 VAD590100 950 U
28、o(1) 温度测量电路温度测量电路 AD590在25（298.2K）时，理想输出电流为298.2A。将AD590串联一个可调电阻，在已知温度下调整电阻值，使输出电压Uo满足1 mV/K的关系调整好以后，固定可调电阻，即可由输出电压Uo读出AD590所处的热力学温度。 (2) 控温电路控温电路 简单的控温电路如图所示。简单的控温电路如图所示。AD311为比较器，它为比较器，它的输出控制加热器电流，调节的输出控制加热器电流，调节RT可改变比较电压，可改变比较电压，从而改变了控制温度。从而改变了控制温度。AD581是稳压器，是稳压器， 为为AD590提供一个合理的稳定电压。提供一个合理的稳定电压。
29、六六 其他温度传感器其他温度传感器1.1.膨胀式温度传感器膨胀式温度传感器根据液体、固体、气体受热时产生热膨胀的原理根据液体、固体、气体受热时产生热膨胀的原理, 这类温度传感器有这类温度传感器有液体膨胀式液体膨胀式、固体膨胀式固体膨胀式和和气体气体膨胀式膨胀式。 玻璃管液体温度计(a) 外标尺式； (b) 内标尺式 (1)液体膨胀式液体膨胀式 利用液体受热后体积膨胀利用液体受热后体积膨胀的原理来测量温度的。的原理来测量温度的。 在有刻度的细玻璃管里充入液体（如水银、 酒精等），又称玻璃管液体温度计玻璃管液体温度计。 结构简单，使用方便， 精确度高，价格低廉。这种温度计远不能算传感器，它只能就地
30、指示温度。 (2) 固体膨胀式固体膨胀式以双金属元件作为温度敏以双金属元件作为温度敏感元件受热而产生膨胀变感元件受热而产生膨胀变形来测温的。形来测温的。由两种膨胀两种膨胀系数不同的金属紧固结合系数不同的金属紧固结合而成双金属片而成双金属片，当温度变化时，双金属片弯曲变形，通过指针轴带动指针偏转显示温度。为提高灵敏度常作成螺旋形。双金属温度计结构示意图 ( 3) 气体膨胀式气体膨胀式 气体膨胀式是利用封闭容器中的气体压力随温度升气体膨胀式是利用封闭容器中的气体压力随温度升高而升高的原理来测温的，高而升高的原理来测温的，利用这种原理测温的温度计又称压力计式温度计压力计式温度计。温包、毛细管和弹簧管
31、三者的内腔构成一个封闭容器，其中充满工作物质（如气体常为氮气），工作物质的压力经毛细管传给弹簧管，使弹簧管产生变形，并由传动机构带动指针， 指示出被测温度的数值。 2 热电偶温度传感器热电偶温度传感器 两种不同的金属A和B构成闭合回路,当两个接触端T T0时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应热电效应, 该电动势称为热电势该电动势称为热电势。这两种不同材料的导体或半导体的组合称为热电偶，导体A、B称为热电极。 两个接点，一个称热端热端，又称测量端或工作端测量端或工作端，测温时将它置于被测介质中;另一个称冷端冷端，又称参考端或自由端参考端或自由端，它通过导线与显示仪表相连。 热电偶热电偶测温系统简图测温系统简图 TT0AB塞贝克热电效应塞贝克热电效应
