1、第第4章章 温度传感器温度传感器 传感器原理与应用传感器原理与应用温度传感器温度传感器 n将温度转换为电势电势的热电式传感器叫做热电偶热电偶，n将温度转换为电阻值电阻值的热电式传感器叫做热电阻热电阻（金属）（金属）n半导体半导体集成温度传感器AD590n热敏电阻热敏电阻（半导体，陶瓷）n热释电红外红外传感器温标温标n为了定量的描述温度高低，必须建立温度标尺温度标尺，即温标温标。n各种温度计和温度传感器的温度数值均由温标确定。n热力学温度热力学温度是国际上公认的基本温度，我国实行的是1990年国际温标（ITS-90）。国际开尔文温度为T90单位为K（开尔文）国际摄氏温度为t90单位是（摄氏度）9
2、090/=T /273.15tK 华氏温标单位是 （度）华氏度 = 32 + 摄氏度 1.8摄氏度 = (华氏度- 32) 1.8非重点4.1 热电偶热电偶part 1. 原理原理热电偶热电偶n热电偶传感器是一种将温度变化转换为电势变化电势变化的传感器。n在工业应用中，热电偶是应用最广泛的测温元件之一。n优点：q测温范围广，可以在1K2800范围内使用。q精度高、性能稳定、结构简单、动态性能好q能把温度转换为电势信号，便于处理和远距离传输。热电效应热电效应n热电偶是利用热电效应制成的温度传感器。n热电偶效应是1823年，赛贝克（SeeBack）发现的，相应的原理如图所示：把两种不同的金属A、B
3、连接成闭合回路，将它们的两个接点分别置于温度为T及T0（设T T0）的热源中，则在该回路中会有电流流动，会产生热点势。这一现象称为热电动势效应，也成为热电效应热电效应（赛贝克效应）。产生的电动势叫做热电势热电势（也成赛贝克电势），用EAB(T,T0)表示。接触电势接触电势 n因不同金属的自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在接点处会发生电子迁移扩散。n电子从浓度大的向浓度小的金属扩散，浓度高的失去电子显正点，浓度低的得到电子显负点，当扩散达到某种动态平衡时，得到一个稳定的接触电势，在金属的接触处形成电位差，此电位差称为接触电势接触电势.n其大小与两种导体的性质、接点温度有关。 n当温度为
4、T时，热端的接触电势可以表示为：n相应的冷端的接触电势可以表示为：n式中：qK: 波尔兹曼常数，K=1.3810-23J/Kqe: 电子电荷量， e=1.610-19CqT、T0: 分别表示热端和冷端的温度qNA、NB: 分别表示金属A、B的自由电子浓度,( )ln()A TABB TNKTeTeN00,00,()ln()A TABB TNKTeTeN温差电势（汤姆逊电势）温差电势（汤姆逊电势） n对于单一的金属，如果两端的温度不同，导体两端也会产生电势，该电动势称为单一导体的温差电势温差电势。 n产生该电势的原因是由于导体内高温端的自由电子相对于低温端具有较大的动能，高温端自由电子向低温端迁
5、移扩散高温端自由电子向低温端迁移扩散。n由于导体高温端失去电子带正电荷，低温端得到电子带负电荷，从而形成一个静电场。n该电场阻碍电子的继续扩散，当达到动态平衡时，导体的两端便产生一个相对的电位差，从而形成温差电势。 n热电极A中，温差电势的大小可以表示成：n热电极B中，温差电势的大小可以表示成：n式中：qA、B : 热点极A、B的汤姆逊系数汤姆逊系数，q表示单一导体两端温度差为1时所产生的温差电势，其值与材料性质以及两端温度有关。 00( ,)TAATe T TdT00( ,)TBBTe T TdT热电偶回路的热电势热电偶回路的热电势 n在一个热电偶回路中，总的热电势为： 0000000,0,
6、( ,)( )()( ,)( ,)ln()ln()ABABABABTA TA TBATB TB TET TeTeTe T Te T TNNKTTdTeNN 结论结论 n热电偶两个电极材料相同，即NA=NB，A=B，无论两端点温度如何变化，总的热电势为零；n如果热电偶的两个接点温度相同，即T=T0时，无论导体A、B材料相同或不同，回路的总电势也为零；n热电偶必须用不同材料作为电极用不同材料作为电极，在T、T0两端必须有温度梯度，这是热电偶产生热电势的必要条件必要条件；n由于热电偶的热电势是两个结点温度的函数，因此必须固定参考端（冷端）的温度，才能确定热电势与被测温度T的对应关系。热电偶的技术指标
7、热电偶的技术指标 n分度号分度号 q国际上，按照热电偶的A、B热电极材料不同分成若干个分度号。 n分度表分度表 q由于多数热电偶的输出都是非线性非线性的，国际计量委员会已对这些热电偶的每一度的热电偶做了非常精密的测试，并向全世界公布了其分度表。n可以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。分度表是以每10分档的，中间值按内插法计算。qtM：被测温度值qtH：较高温度值qtL：较低温度值qEM、EH、EL：分别为温度tM、tH、tL对应的热电势。()MLMLHLHLEEttttEE几种常用热电偶的热电势与温度关系曲线几种常用热电偶的热电势与温度关系曲线 E JKNRSBNKJE10
8、20304050-2-4-6-8-10热电偶结构热电偶结构 n常见的热电偶结构形式主要有普通热电偶、薄膜热电偶、铠装热电偶、表面热电偶等。 非重点热电偶的基本定律热电偶的基本定律 n1. 中间导体定律中间导体定律q当热电偶回路接入第三种金属导体C，只要金属导体C与金属导体A、B的两个接电处于同一温度，则此导体对回路总的热电势没有影响总的热电势没有影响，其中导体C称为中间导体。 热电偶的特点热电偶的特点 n优点优点q测温范围广，能测较高的温度（-1802800）q输出的是电压信号，测量方便，便于远距离传输q结构简单，维护方便q热惯性和热容量小，便于快速测量q自身产生电压，不需要外加驱动电源，是典
9、型的自发自发电式传感器电式传感器n缺点缺点q低灵敏度、低稳定性q高温下容易老化q有漂移以及非线性q需要外部参考端 非重点n回路总电势为：n若三个接触点置于恒温T0环境下，回路中是没有电动势的。因此有：n由于：n因此得到：n进一步得到：n带入得到：00000000( ,)( )()()( )()()()TTABCABBCCAABTTTABBCCABATET TeTeTeTdTdTeTeTeTdT000000(,)()()()()0TABCABBCCABATET TeTeTeTdT00()0TBATdT000()()()0ABBCCAeTeTeT000()()()BCCAABeTeTeT 0000
10、( ,)( )()()( ,)TABCABABBAABTET TeTeTdTET Tn定律的应用：定律的应用：q利用热电偶进行测温时，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。 000000000( ,)( )()()( ,)( )()()( ,)( )()()TABABABBATTACACACCATTBCBCBCCBTET TeTeTdTET TeTeTdTET TeTeTdT0000000000000,0,0,0,0 ( ,)( ,)( ,)( ,)ln()ln()()ln()ln()()ln()ln()()( ,)ACCBACBCTA TA TCATC TC
11、 TTB TB TCBTC TC TTB TB TBATC TC TABET TET TET TET TNNKTKTdTeNeNNNKTKTdTeNeNNNKTKTdTeNeNET Tn2. 标准电极定律标准电极定律q当接点温度为T和T0时，用导体A、B组成热电偶产生的热电势等于A、C热电偶和C、B热电偶热电势的代数和，即 q其中，导体C称为标准电极标准电极（一般由铂制成）。这一规律称为标准电极定律标准电极定律。 000( ,)( ,)( ,)ABACCBET TET TET T非重点n定律的应用：定律的应用：q通常都是选用高纯铂丝作为标准电极。q只要测得它与各种金属组成的热电偶的分度表，则各
12、种金属之间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。 n3. 连接导体定律与中间温度定律连接导体定律与中间温度定律 n在热电偶回路中，若导体A、B分别与连接导线A、B相连接，接点温度分别为T、Tn、T0，则回路的总热电势为： 0000( ,)( )()()() nnnnABB AnABBBnB AA AnTTTTAABBTTTTET T TeTeTeTeTdTdTdTdTn上式为连接导线定律连接导线定律的数学表达式，即回路总热电势等于热电偶电势EAB(T,Tn)与连接导线电势EAB(Tn,T0)的代数和。n连接导线定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。 00( ,)(
13、,)(,)ABB AnABnA BnET T TET TET Tn如果导体A与A，B与B材料分别相同时，上式可变形为：n上式为中间温度定律中间温度定律的数学表达式，即回路总热电势等于EAB(T,Tn)与EAB(Tn,T0)的代数和。其中Tn称为中间温度。n中间温度定律为指定热电势分度表奠定了理论基础，只要求得参考温度0时的热电势与温度关系，就可求出参考电压不等于0时的热电势。 00( ,)( ,)(,)ABnABnABnET T TET TET T4.1 热电偶热电偶part 2. 基本应用电路基本应用电路非线性校正非线性校正n热电偶的输出电势输出电势与温度温度的关系是 非线性非线性的E JK
14、NRSBNKJE1020304050-2-4-6-8-10非线性校正热电偶测量电路温度Ti热电势E(Ti,0)电压Vout)()0 ,(1iiTfTE )0 ,(2iioutTEfTV iiiioutkTTffTEfTV122)0 ,(线性线性目标目标 112fkff1()非线性f2()非线性非线性校正-测量电路特性曲线)(1f)(2f实验测得热电偶的分度表（一系列离散点）转换得到f2()的样本点得到一条拟合曲线n对于K型热电偶，采用最佳一致逼近原则最佳一致逼近原则得到的非线性校正方程为：非线性校正-最佳一致逼近)0 ,(347332. 0)0 ,(952.249763. 72iioutTET
15、EVE J KNRSBNKJE1020304050-2-4-6-8-10n测量电路的数学模型得到了，为：非线性校正-电路实现)0 ,(347332. 0)0 ,(952.249763. 72iioutTETEV【思考】如何用电路实现上述的系统函数？非线性校正-电路实现)0 ,(347332. 0)0 ,(952.249763. 72iioutTETEV？【复习】同相放大器nPort+与Port-虚短，则有：-VV（）（）nPort+与Port-虚断，反向输入端没有电流，则通过R1和R2的电流相等，设此电流为I，根据欧姆定律得：12outVIRRn由于V（-）等于R2上的分压：22-12=out
16、VVIRRRR（）n又因为：-inVVV（）（）122outinRRVVR非线性校正-电路分析同向放大器同向放大器)0 ,(952.249)0 ,(3.16376.233003.1)0 ,(11211TETEKKKKTERRRRVP)0 ,(347332. 0)0 ,(952.249763. 72iioutTETEV【背景知识】AD538nAD538是美国ADI公司出品的实时模拟计算器件,能提供精确的模拟乘、除和幂运算功能。mXZYVVVVo52 . 0 mwhere最基本的计算功能，其他计算功能详见DataSheet【背景知识】AD538n根据AD538的芯片手册（DataSheet）非线性
17、校正-电路分析幂运算幂运算)0 ,(347332. 0)0 ,(952.249763. 72iioutTETEV）（mvTETEVVo)0 ,(2476. 6)0 ,(952.2491011022244218【背景知识】AD538）（mvVVVVVVVVoZYmXZY411410101VVZ1YVV 10XV1m10V【复习】减法器nPort+与Port-虚断，则有：)2()1(RRII2)(1)(2RVRVV)4()3(RRII3) - (4) - (1-RVVRVVout21)()(2RRVVV34) - () - (1-RRVVVVoutoutVkVkVVkV1) - (2)(1111)
18、()(VV12-kVVVoutkRRRR4321令非线性校正-电路分析减法器减法器)0 ,(347332. 0)0 ,(952.249763. 72iioutTETEV81127015KKk)0 ,(347089. 0)0 ,(952.249)0 ,(182476. 6)0 ,(952.24922812TETETETEkVVVoo非线性校正-电路分析)0 ,(347332. 0)0 ,(952.249763. 72iioutTETEVmV6864. 7100K130100V101oV)0 ,(347089. 0)0 ,(952.2496864. 7212TETEVVVooout单位：mV10V
19、热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端温度补偿 n用热电偶测温时，热电势的大小决定冷热端的温度之差。如果冷端温度固定不变冷端温度固定不变，热电势才是被测温度的单值函数。n在应用时，由于热电偶工作端与冷端距离很近，冷端又暴露在空气中，容易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度很难保持恒定冷端温度很难保持恒定，为此，需要采用一定的措施来消除冷端温度变化所产生的影响。 补偿导线法补偿导线法 n为了使热电偶冷端温度保持稳定，热电偶可以做的很长，使冷端原理工作端，并连同仪表一起放置到恒温或温度波动较小的地方。带来的问题：带来的问题：1，安装不方便，2，需要消耗很多贵重的金属材料。解决办法：解决办法：用便宜的
20、导线（称之为补偿导线）将热电偶的冷端延伸到温度恒定的地方。n需要指出，只有当新移的冷端温度恒定或配用仪表本身具有冷端温度自动补偿装置时，应用补偿导线才有意义。n此外，热电偶和补偿导线连接处温度不应超过100。 非重点冷端温度校正法冷端温度校正法 n由于热电偶的温度分度表是在冷端温度保持在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进行刻度绘制的。因此当冷端温度不等于0时，就需要进行修正。n根据中间温度定律，相应的修正方程为： ( ,0)( ,)(,0)ABABnABnETET TET适用于冷端温度恒定，但不是适用于冷端温度恒定，但不是0的情况下。的情况下。 ？【注意】【注
21、意】Tn是抖动的。是抖动的。如何得到实时变化的如何得到实时变化的EAB(Tn,0)冷端温度恒温法冷端温度恒温法 n为了避免校正的麻烦，采用冰浴的方法使冷端始终保持在0。n这是一种理想的补偿发发，但是在工业生产中使用极其不便。n这种办法仅限于科学实验中使用。 非重点解决方案解决方案n使用集成温度传感器AD590来进行冷端温度检测。AD59025输出为298.2uA线性度为1uA/KnAD590属于电流输出型。n输出的比例关系为： 273.21IAA t电电流流输出电压输出电压线性系数线性系数【回顾】【回顾】热电偶的非线性特性热电偶的非线性特性E JKNRSBNKJE1020304050-2-4-
22、6-8-10温度补偿端处于室温范围：030可以认为是线性的线性度为40.44V/温度补偿电路温度补偿电路冷端温度补偿电路冷端温度补偿电路( ,0)( ,)(,0)( ,)273.21= ( ,)273.21nnnnnnE TE T TE TE T TAA TRE T TA RA RT并并并40.44 V/40.44R并带来了11.05mV的偏压如何除偏压如何除偏压 ？+11.05mV电流源电流源芯片芯片Pin4输出输出10V参考电压参考电压温度补偿电路的偏压消除温度补偿电路的偏压消除偏压去除电路偏压去除电路同相输入，反向零点平移电路同相输入，反向零点平移电路1249.952( ,0)VE T1
23、=23.6376PRk目标希望：目标希望：原电路方案中原电路方案中RP1阻值为：阻值为：VaVcVb新的方案中电阻如何设定呢？Vb同相输入，反向零点平移电路同相输入，反向零点平移电路Vi1VbVa（1）当Vi1=0时，根据虚短，Va=01919101010.9894bRRVVmVRRR该电路有两个输入电源，该电路有两个输入电源，根据电路叠加定理，分别令Vi1=0和Vi2=0分别计算输出：Vi2211911191010pRRRRVVRRRR （2）当Vi2=0时，根据同相放大器的结论211119101piRRVVRRR2112111pbapbRRVVVRRVRR Va同相输入，反向零点平移电路同相输入，反向零点平移电路1249.952( ,0)VE T根据叠加定理：根据叠加定理：1112121191910119102121211919101910119101( ,0) 11.05101( ,0)111.0510pppppVVVRRRRRRE TmVVRRRRRRRRRRRRRRRE TmVVRRRRRRRRRR目标希望：目标希望：相互抵消为相互抵消为0
