热电式热电阻集成温传感器.pptx

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1、内容回顾第四章第四章 热电式传感器热电式传感器4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 热电偶热电偶常用热电偶及其结构常用热电偶及其结构热电偶的测温原理、基本定律及温度补偿热电偶的测温原理、基本定律及温度补偿热电偶的应用热电偶的应用被测量被测量 温度温度()电阻变化电阻变化(R R)、电势变、电势变化、磁导率变化、热膨胀变化。化、磁导率变化、热膨胀变化。第1页/共40页内容回顾1、常用热电偶的分类及其结构 1）普通型热电偶 2）铠装热电偶 3）薄膜热电偶2、热电偶的测温原理？热电效应：将不同的导体或半导体组成闭合回路。当两个接合点温度T 和 T0不同时，则在该回路中就会产生电动势。热电偶回路产生

2、的电动势两种导体的接触电势单一导体的温差电势第2页/共40页内容回顾3、热电偶基本定律：（1）均质导体定律：均匀导体（或半导体）组成的闭合回路不产生热电势；（2）中间导体定律：接入导体和仪表测量热电势的条件和基础。（3）中间温度定律：参考温度计算修正法的理论依据，为热电势分度奠定理论基础（4）标准电极定律：第3页/共40页内容回顾4、热电偶冷端补偿：为什么要进行冷端补偿？冷端补偿的方法有哪些？不不稳稳定定（1）冰点法）冰点法（2）补偿导线法）补偿导线法（3）冷端补偿器法）冷端补偿器法（4）热电势修正法）热电势修正法 硬件法、软件法硬件法、软件法（5）采用集成电路）采用集成电路补补偿偿方方法法

3、热电偶测温原理：只有参比端温度恒定时，回路总热电势EAB(T,T0)才是温度T的单值函数！热电偶分度表中，热电势温度的对应值以T00为基础。第4页/共40页2）补偿导线法）补偿导线法补偿导线补偿导线0100 C 如果B、Q的性质相同，则 ；如果 A、P 的性质相同，则 ，所以 内容回顾内容回顾冷端温度补偿冷端温度补偿 补偿导线法又称冷端延长补偿导线法又称冷端延长法或延伸热电极法，远移至温法或延伸热电极法，远移至温度变化较平缓的环境中。度变化较平缓的环境中。材料：热电性质与热电偶材料：热电性质与热电偶相近（相近（01000100 C C）：）：第5页/共40页3）冷端补偿器法（补偿电桥法）冷端补

4、偿器法（补偿电桥法）不平衡电桥不平衡电桥R4（铜丝）（铜丝）R1=R2=R=1(锰锰 铜铜丝丝)Rg（限流）（限流）0 C 恒温恒温T0=f(时间时间,环境环境)内容回顾内容回顾冷端温度补偿冷端温度补偿调整Rg电阻 Uba=E(T0,0),说说明明：当当T0变变化化时时，由由于于冷冷端端补补偿偿器器的的接接入入，仪仪表表所所指指示示的的总总电电势势E仍仍保保持持为为E(T,0)，相相当当于于热热电电偶偶冷冷端端自自动处于动处于0 C。第6页/共40页4）热电势修正法热电势修正法中间温度定律中间温度定律得得方方法法：测测T0 查查表表EAB(T0,0)测测EAB(T,T0)计计算算EAB(T,T

5、0,0)查表求查表求T。冷端温度补偿冷端温度补偿内容回顾内容回顾第7页/共40页第四章第四章 热电式传感器热电式传感器4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 热电偶热电偶4.3 4.3 4.3 4.3 热电阻热电阻热电阻热电阻热电阻的测温原理热电阻的测温原理热电阻的种类及特点热电阻的种类及特点热电阻测温电桥热电阻测温电桥4.4 4.4 4.4 4.4 集成温度传感器集成温度传感器集成温度传感器集成温度传感器集成温度传感器基本原理集成温度传感器基本原理集成温度传感器举例集成温度传感器举例（AD590AD590）第8页/共40页4.3 热电阻热电阻测温原理热电阻测温原理原原理理：利利用用导导体体或

6、或半半导导体体的的电电阻阻值值随随温温度度的的变变化化而而改改变变的的性性质质来测量温度来测量温度。实验证明：实验证明：l 多多数数金金属属导导体体在在温温度度升升高高1时时，阻阻值值变变化化 0.4%0.6%；l 多多数数具具有有负负温温度度系系数数的的半半导导体体在在温温度度升升高高1时时，阻阻值值变变化化 3%6%；l多数导体或半导体电阻值随温度变化的关系式为：多数导体或半导体电阻值随温度变化的关系式为：测温范围：测温范围：-200500-200500第9页/共40页热电阻的种类及特点1、热电阻的材料、热电阻的材料 电阻温度系数要大：单位电阻温度系数要大：单位1/，定义为：，定义为：l

7、越大越大制成的温度计的制成的温度计的灵敏度灵敏度越高越高测量结果越准确；测量结果越准确；l 一般非常数，一般非常数，不同温度数值不同不同温度数值不同=f(T)；l 材料越纯材料越纯,越大。越大。要要求求有有较较大大的的电电阻阻率率：因因为为电电阻阻率率越越大大电电阻阻体体积积越越小小热容量和热惯性越小热容量和热惯性越小温度变化的响应越快温度变化的响应越快。在测温范围内，在测温范围内，要求物理化学性质稳定要求物理化学性质稳定。复现性好、复制性强、易得到纯净物质复现性好、复制性强、易得到纯净物质。电阻值与温度间近似为电阻值与温度间近似为线性关系线性关系，便于测温的分度和读数。，便于测温的分度和读数

8、。价格低。价格低。综上所述：综上所述：铂、铜、铁、镍铂、铜、铁、镍和一些和一些半导体材料半导体材料比较适合做热电阻。比较适合做热电阻。第10页/共40页 热电阻按材料分类热电阻按材料分类（1）铂热电阻铂热电阻特特点点：精精度度高高、稳稳定定性性好好、性性能能可可靠靠、易易于于提提纯纯、复复制制性性好好、具具有有良良好好的的工工艺艺性性、可可以以制制成成极极细细的的铂铂丝丝、电电阻阻率率较较高高；在在0 C 以以上上，其其电电阻阻与与温温度度的的关关系系接接近近于于直直线线(其其电电阻阻温温度度系系数数为为3.9103/C)。作作用用：工工业业测测量量，温温度度的的基基准准、标标准准仪仪器器。I

9、TS-90国国际际温温标标规规定，在定，在13.81K961.78的标准仪器为铂电阻温度计。的标准仪器为铂电阻温度计。缺缺点点：电电阻阻温温度度系系数数小小；在在还还原原气气氛氛中中，特特别别是是在在高高温温下下，易易被污染变脆；价格昂贵。被污染变脆；价格昂贵。常用铂电阻分度号：常用铂电阻分度号：Pt1000，Pt100和和 Pt10热电阻的种类及特点第11页/共40页铂电阻的阻值与温度之间的关系铂电阻的阻值与温度之间的关系:在在0 0850850范围内范围内:在在 -200-20000范围内范围内:式中，式中，为温度为为温度为 t t 时的铂电阻的阻值；时的铂电阻的阻值；为温度为为温度为00

10、时的铂电阻的阻值；时的铂电阻的阻值；A A、B B、C C 均为常数，且均为常数，且 /，/，/。对满足上述关系的热电阻，其温度系数约为 /。由上式可见，电阻值Rt与 t 及R0有关，当R0 值不同时，即使在同样的温度下其Rt 的值也不同。因此作为测量用热电阻必须规定R0值。热电阻的种类及特点第12页/共40页 铂电阻材料的纯度通常用铂电阻材料的纯度通常用百度电阻比百度电阻比 W W(100)(100)来表示，即来表示，即 式中式中,表示水沸点表示水沸点 (100)(100)时的铂电阻的电阻值；时的铂电阻的电阻值；表表示水冰点（示水冰点（00）时的铂电阻的电阻值。）时的铂电阻的电阻值。目前技术

11、水平已达到目前技术水平已达到 W W(100)=1.3930(100)=1.3930，与之相应的铂纯度为，与之相应的铂纯度为 99.9995%99.9995%，工业用铂电阻纯度为，工业用铂电阻纯度为 。热电阻的种类及特点第13页/共40页（2）铜热电阻铜热电阻优点：优点：线性度好，电阻温度系数大、价格低、精度适中；线性度好，电阻温度系数大、价格低、精度适中；缺点：缺点：机械强度较差，热惯性大，机械强度较差，热惯性大，100时，易被氧化；时，易被氧化；测温范围：测温范围：-50+150。常用铜电阻分度号：常用铜电阻分度号：Cu100和和Cu50铜电阻的电阻温度特性方程为：由于B、C 比 A 小得

12、多，所以可以简化为：式中，为常数。热电阻的种类及特点第14页/共40页热电阻名称热电阻名称分度号分度号0时阻值时阻值()测温范围（测温范围（）特点特点铜电阻铜电阻Cu50500.05-50150线性好，价格低，线性好，价格低，适用于无腐蚀性介适用于无腐蚀性介质质Cu1001000.1铂电阻铂电阻Pt50500.003-200850精度高，价格贵，精度高，价格贵，适用于中性和氧化适用于中性和氧化性介质，但线性度性介质，但线性度差差Pt1001000.006第15页/共40页热电阻的种类及特点 思考：如果用分度号为如果用分度号为Pt100Pt100的铂电阻测温，在计算时错的铂电阻测温，在计算时错用

13、了用了Cu100Cu100的分度表，查得的温度为的分度表，查得的温度为 200 200，则实际温，则实际温度比度比 200 200 大？还是小？说明原因。大？还是小？说明原因。第16页/共40页热电阻的种类及特点（3 3）其他类型热电阻）其他类型热电阻 上述两种热电阻对于低温和超低温测量性能不理想，而铟、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、碳等热电阻材料却是测量锰、碳等热电阻材料却是测量低温和超低温低温和超低温的理想材料。的理想材料。铟电阻铟电阻用用 99.99999.999 高纯度的铟丝绕成电阻，可在室温至高纯度的铟丝绕成电阻，可在室温至 4.2K 4.2K 温度范围内使

14、用。实验证明：在温度范围内使用。实验证明：在 4.24.215K 15K 温度范围内，灵温度范围内，灵敏度比铂电阻高敏度比铂电阻高1010倍；缺点是材料软，复制性差。倍；缺点是材料软，复制性差。锰电阻锰电阻测温范测温范围为围为 2 263K63K，电阻随温度变化大、灵敏度高。但材料脆，难拉成，电阻随温度变化大、灵敏度高。但材料脆，难拉成丝。丝。碳电阻碳电阻适合用液氦温域的温度测量，价廉，对磁场不敏感，适合用液氦温域的温度测量，价廉，对磁场不敏感，热稳定性较差。热稳定性较差。另外，常用一定比例的锰、镍、铜、钛、镁的另外，常用一定比例的锰、镍、铜、钛、镁的氧化物氧化物混合制混合制成成半导体热电阻半

15、导体热电阻热敏电阻热敏电阻。第17页/共40页2、热电阻的结构类型热电阻的结构类型（1）普通型热电阻普通型热电阻感温元件感温元件保护套管保护套管接线盒接线盒与热电偶类似与热电偶类似热电阻的种类及特点第18页/共40页（2）铂热电阻铂热电阻玻璃烧结式玻璃烧结式 陶瓷架式陶瓷架式云母管架式云母管架式昂贵昂贵双线双线无感无感绕制绕制热电阻的种类及特点第19页/共40页（3）铠装热电阻铠装热电阻力学性好力学性好热电阻热电阻+保护套管保护套管+绝绝缘材料缘材料封装封装热电阻的种类及特点 它比装配式铂电阻直径小，易弯曲，适宜安装在管道狭窄它比装配式铂电阻直径小，易弯曲，适宜安装在管道狭窄和要求快速反应、微

16、型化等特殊场合。和要求快速反应、微型化等特殊场合。第20页/共40页（4）薄膜热电阻薄膜热电阻陶瓷陶瓷铂铂真空镀膜法真空镀膜法热惯性小！热惯性小！厚膜厚膜7m7m薄膜薄膜2m2m热电阻的种类及特点优点：体积细小，响应时间快，一致性好，机械性能好抗震、抗振动，精度高，价格便宜 等。第21页/共40页热电阻的种类及特点3、半导体热敏电阻半导体热敏电阻半导体热电阻半导体热电阻热敏电阻。热敏电阻。材材料料：常常用用一一定定比比例例的的锰锰、镍镍、铜、钛、镁的铜、钛、镁的氧化物氧化物混合制成。混合制成。l 负温度系数负温度系数NTCl 正温度系数正温度系数PTCl 临界温度系数临界温度系数CTR测温特点

17、：测温特点：近似线性关系近似线性关系变化剧烈变化剧烈变化剧烈变化剧烈第22页/共40页(1)半导体热敏电阻的形状半导体热敏电阻的形状 片状、柱状和珠状片状、柱状和珠状热电阻的种类及特点第23页/共40页(2)半导体热敏电阻实物照片半导体热敏电阻实物照片应应用用范范围围：适适用用于于大大功功率率的的转转换换电电源源、开开关关电电源源、UPS电电源源及及各各类类大大功功率率照照明明灯灯具具、电电加加热热器器的的浪涌电流抑制。浪涌电流抑制。MF74超大功率型超大功率型NTC热敏电阻器热敏电阻器应应用用范范围围：广广泛泛应应用用于于空空调调设设备备、暖暖气气设设备备、电电子子体体温温计计、液液位位传传

18、感感、汽车、电子台历、手机电池。汽车、电子台历、手机电池。MF52珠状测温型珠状测温型NTC热敏电阻器热敏电阻器 热电阻的种类及特点第24页/共40页应应用用范范围围：半半导导体体集集成成电电路路、液液晶晶显显示示、晶晶体体管管及及移移动动通通讯讯设设备备用用石石英英振振荡荡器器的的温温度度补补偿偿、可可充充电电电电池池的的温温度度探探测测、计计算算机机微微处处理理器器的的温温度度探探测测、需温度补偿的各种电路。需温度补偿的各种电路。CMF贴片式贴片式NTC热敏电阻器热敏电阻器应应用用范范围围：电电脑脑、打打印印机机、家家用用电电器等。器等。MF55系列绝缘薄膜型系列绝缘薄膜型NTC热敏电阻器

19、热敏电阻器热电阻的种类及特点第25页/共40页(3)热敏电阻的特点热敏电阻的特点测温范围：测温范围：-100300优点：优点：电阻温度系数大，灵敏度高，约为电阻温度系数大，灵敏度高，约为 电阻率大，利于小型化，连接导线的影响可以忽略；电阻率大，利于小型化，连接导线的影响可以忽略；结构简单、体积小，可以用于测量结构简单、体积小，可以用于测量点温度点温度；热惯性小，适用于热惯性小，适用于表面温度及快速变化温度表面温度及快速变化温度。不足：不足：热敏电阻温度特性分散、互换性差、非线性严重。热敏电阻温度特性分散、互换性差、非线性严重。进进一一步步的的发发展展依依赖赖于于半半导导体体技技术术的的发发展展

20、和和制制造造工工艺艺水水平平的的提高。提高。热电阻的种类及特点第26页/共40页热电阻测温电桥热电阻测温电桥说说明明：为为了了消消除除金金属属热热电电阻阻（几几欧欧几几十十欧欧范范围围）中中的的引引线线电电阻阻和和连连接接导导线线电电阻阻受受温温度度变变化化而而改改变变其其阻值大小，从而影响热电阻测温。阻值大小，从而影响热电阻测温。测温电桥测温电桥两线制两线制、三线制三线制、四线制接法四线制接法。热电阻测温电桥第27页/共40页不平衡电桥不平衡电桥RlRl热电阻测温电桥工业用常用线路工业用常用线路 两线制两线制特点：特点：l 接入一个桥臂；接入一个桥臂；l 引线与连接导线随环境温度变化全部加引

21、线与连接导线随环境温度变化全部加 入到热电阻的变化之中；入到热电阻的变化之中；l 简单，仍有应用；简单，仍有应用；l 引出线的电阻值特性：铜：引出线的电阻值特性：铜：=0.2(R0)；铂铂:=0.1(R0)。Rt：热电阻；：热电阻；r：引线；：引线；r：连接导线；连接导线；Rr：调整电阻：调整电阻第28页/共40页 三线制三线制方法：方法：l 热电阻有热电阻有三个引线；三个引线；l 其其中中两两根根+连连接接导导线线的的电电阻阻分分别别加加到到电电桥桥相临两桥臂相临两桥臂相临两桥臂相临两桥臂中中中中；l 第三根接到电源线上；第三根接到电源线上；l 电电源源与与电电桥桥的的连连接接点点a a从从

22、仪仪表表内内部部的的桥桥路上移到热电阻附近。路上移到热电阻附近。效效果果：引引引引线线线线与与与与连连连连接接接接导导导导线线线线电电电电阻阻阻阻变变化化影影响减小。响减小。RlRlRl热电阻测温电桥第29页/共40页4.4 集成温度传感器 集成电路温度传感器集成电路温度传感器是将作为感温器件的是将作为感温器件的温敏晶体管及其外温敏晶体管及其外围电路围电路集成在同一芯片上的集成化温度传感器（集成在同一芯片上的集成化温度传感器（integrated integrated temperature sensortemperature sensor）。）。优点：优点：是测温精度高、复现性好、线性优良、

23、体积小、热容是测温精度高、复现性好、线性优良、体积小、热容量小、稳定性好、输出电信号大、使用方便和成本低廉等。量小、稳定性好、输出电信号大、使用方便和成本低廉等。缺点：缺点：是测量范围仅为是测量范围仅为 -80-80 150 150。因此，在最近十年内集成电路温度传感器得到了迅速发展，因此，在最近十年内集成电路温度传感器得到了迅速发展，成为半导体温度传感器的主要发展方向之一。目前，商品化的集成为半导体温度传感器的主要发展方向之一。目前，商品化的集成电路温度传感器已经广泛用于温度检测、控制、补偿等场合。成电路温度传感器已经广泛用于温度检测、控制、补偿等场合。4.4 4.4 集成温度传感器集成温度

24、传感器第30页/共40页4.4 集成温度传感器（1 1 1 1）模拟集成）模拟集成）模拟集成）模拟集成温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器时间时间时间时间：2020世纪世纪8080年代问世；年代问世；工艺：工艺：工艺：工艺：硅半导体集成工艺制作而成硅半导体集成工艺制作而成硅半导体集成工艺制作而成硅半导体集成工艺制作而成信号输出：模拟信号输出：模拟信号输出：模拟信号输出：模拟电压或电流。电压或电流。特点：特点：特点：特点：测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等小、微功耗等,适合远距离测温、控温适合远距离测温、控温,不需要进

25、行非线性校准不需要进行非线性校准,外围电路简单。外围电路简单。应用范围应用范围应用范围应用范围：最普遍最普遍最普遍最普遍典型产品典型产品典型产品典型产品：AD590AD590、AD592AD592、TMP17TMP17、LM35LM35等。等。第31页/共40页4.4 集成温度传感器（2 2 2 2）智能）智能）智能）智能温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器时间：时间：时间：时间：20世纪90年代中期问世；名称：名称：名称：名称：亦称数字温度传感器数字温度传感器数字温度传感器数字温度传感器。是微电子技术、计算机技术和自动检测技术(ATE)的结晶构成：构成：构成：构成：温度传感器、A/D转换

26、器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路等集成在一片芯片上。有的产品还带多路选择器、CPU。特点特点特点特点：测温范围150;输出温度温度温度温度数据及相关的温度控制量；控制量；控制量；控制量；在硬在硬在硬在硬件的基础上，通过软件实现测试功能件的基础上，通过软件实现测试功能件的基础上，通过软件实现测试功能件的基础上，通过软件实现测试功能,其智能化程度也取决于软件其智能化程度也取决于软件其智能化程度也取决于软件其智能化程度也取决于软件的开发水平的开发水平的开发水平的开发水平。发展新趋势：发展新趋势：发展新趋势：发展新趋势：进入21世纪后,向高精度、多功能、高可靠性及安全性、总线标准化、虚拟传

27、感器和网络传感器等高科技的方向迅速发展 典型产品：典型产品：典型产品：典型产品：DS18B20DS18B20DS18B20DS18B20第32页/共40页集成温度传感器的基本原理集成温度传感器的基本原理：集成温度传感器的基本原理：集成温度传感器的基本原理：集成温度传感器的基本原理：利用利用PNPN结构的伏安特性与温度之间关系研制成的一种固态传结构的伏安特性与温度之间关系研制成的一种固态传感器。感器。式中式中式中式中U U U U0 0 0 0T=0T=0T=0T=0时的时的时的时的U U U Ubebebebe值，值，值，值，K K K K波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；波尔兹曼常数

28、；T T T T发射结所处的温度；发射结所处的温度；发射结所处的温度；发射结所处的温度；q q q q电子电量；电子电量；电子电量；电子电量；I I I Ie e e e集电极电流；集电极电流；集电极电流；集电极电流；A A A A为与温度、结构、材料等多种因素有关为与温度、结构、材料等多种因素有关为与温度、结构、材料等多种因素有关为与温度、结构、材料等多种因素有关的函数。的函数。的函数。的函数。NPNNPN三极管的结电压是温度的函数：三极管的结电压是温度的函数：第33页/共40页 集成温度传感器的基本原理图中，图中，V V1 1,V,V2 2为一对镜像管，它们的为一对镜像管，它们的U Ube

29、be相等，集电极电流相等，相等，集电极电流相等，I I1 1=I=I2 2；V V3 3,V,V4 4为温度检测用晶体管，二者的为温度检测用晶体管，二者的发射极面积不同，其面积比为发射极面积不同，其面积比为m m，R R上的电压为上的电压为V V3 3,V,V4 4的的U Ubebe的差值的差值U Ubebe输出电流输出电流当当R,m R,m 一定时，输出电路与温度有良好的线性关系。一定时，输出电路与温度有良好的线性关系。第34页/共40页集成温度传感器举例名称名称公司公司灵敏度灵敏度输出信号输出信号测温范围测温范围单价单价AD590AD590Analog Devices 1uA/K电流0 1

30、00 34元TMP17TMP17Analog Devices1 uA/K电流40 +105LM135/LM135/235/335 235/335 National Semiconductor 10mV/电压-55+150-40+125-40 100 14美元/KpcsTMP36TMP36Analog Devices20mV/电压-40 +80 2元DS18B20DS18B20DALLAS单总线结构-55 +125 6.68元典型产品及特点典型产品及特点第35页/共40页举例：模拟型集成温度传感器举例：模拟型集成温度传感器电流输出型电流输出型举例：举例：AD590AD590特点：能产生一个与特点：能产生一个与绝对温度绝对温度成正比的电流作为输出。成正比的电流作为输出。工作温度范围：工作温度范围：-50-50+150 集成温度传感器举例第36页/共40页集成温度传感器举例第37页/共40页集成温度传感器举例第38页/共40页第39页/共40页共22页 第40页感谢您的观看！第40页/共40页