传感器原理-PN结、热电偶[1]1.ppt

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1、1.3 1.3 半导体半导体PNPN结型温度传感器结型温度传感器 一、二极管温度传感器一、二极管温度传感器 是利用是利用PNPN结正向电压与温度关系的特性制作的。结正向电压与温度关系的特性制作的。由由PNPN结理论可知，结理论可知，当当If 不变时，不变时，PN结结Ut 随随T的上升而下降，近似线性关系的上升而下降，近似线性关系Ut二、晶体管温度传感器二、晶体管温度传感器 在晶体管集电极电流恒定下，发射结的正向电在晶体管集电极电流恒定下，发射结的正向电压随温度上升而下降。压随温度上升而下降。晶体管比二极管有更好的线性和互换性。晶体管比二极管有更好的线性和互换性。UtT/PN结温度传感器的优缺点

2、优点：灵敏度高、线性好、价格低廉缺点：一致性差硅管结电压常温下约0.7v并且大小随温度升高而减小，ut测温范围-50+1501.1.基本原理基本原理 2.2.晶体管温度传感器的结构晶体管温度传感器的结构 由晶体管原理知由晶体管原理知 检测温度时检测温度时温敏三极管必须温敏三极管必须附加外围电路。附加外围电路。外围电路外围电路包括包括参考电压源参考电压源运放运放线性电路等部分。线性电路等部分。3、晶体管温度传感器基本电路、晶体管温度传感器基本电路 由由运运放放和和温敏三极管温敏三极管组成，组成，C C防止寄生振荡。防止寄生振荡。T T为反馈元件跨接在运放为反馈元件跨接在运放的反相输入端和输出端，

3、基极接地。的反相输入端和输出端，基极接地。T T的集电极的集电极I Ic c仅取决于仅取决于R Rc c和电压和电压E,IE,Ic c=E/R=E/Rc c，与温度无关，保证了恒流，与温度无关，保证了恒流源工作条件。源工作条件。电压电压V Vbebe随随T T近似线性下降近似线性下降。设计原理：集成温度传感器则是将晶体管的b-e结作为温度敏感元件，加上信号放大、调整电路、甚至A/D转换或U/f转换等电路集成在一个芯片上制成优点：使用简便、价格低廉、线性好、误差小、适合远距离测量、控制、免调试。1.4 1.4 集成集成温度传感器温度传感器集成温度传感器的分类电压型IC温度传感器电流型IC温度传感

4、器数字输出型IC温度传感器。电流型IC温度传感器是把线性集成电路和与之相容的薄膜工艺元件集成在一块芯片上,再通过激光修版微加工技术,制造出性能优良的测温传感器。这种传感器的输出电流正比于热力学温度，即1A/K；其次，因电流型输出恒流，所以传感器具有高输出阻抗。其值可达10M。这为远距离传输深井测温提供了一种新型器件。电压型IC温度传感器是将温度传感器基准电压、缓冲放大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大器；故输出电压高、线性输出为10mV；另外,由于其具有输出阻抗低的特性；抗干扰能力强，故不适合长线传输。这类IC温度传感器特别适合于工业现场测量。模拟输出型IC温度传感器典型电流式集

5、成温度传感器有：AD590AD592TMP17典型电压式集成温度传感器有：LM334LM35TMP37美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS1820，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列号，所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根口线（单总线接口）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。DS1820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。数字输出型IC温度传感器、DS1820 DS1820的特性的

6、特性u单线接口：仅需一根口线与MCU连接；u无需外围元件；u由总线提供电源；u测温范围为-55125，精度为0.5；u九位温度读数；uA/D变换时间为200ms；u用户可以任意设置温度上、下限报警值，且能够识别具体报警传感器。DS18B20123GNDI/O VDD(a)PR35封装DS18B20的管脚排列DS182012345678I/OGND(b)SOIC封装NCNCNCNCVDDNC2 2、DS18B20 DS18B20引脚及功能引脚及功能GND：地；VDD：电源电压I/O：数据输入输出脚(单线接口，可作寄生供电)温度/输出的二进制码对应的十六进制码+125000000001111101

7、000FAH+2500000000001100100032H+1/200000000000000010001H000000000000000000000H-1/21111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-551111111110010010FF92HDS1820温度与数字量对应关系表温度与数字量对应关系表1.51.5热电偶及其应用热电偶及其应用项目目标：项目目标：通过本项目的学习和训练，掌握热电通过本项目的学习和训练，掌握热电偶的主要特性，了解热电偶的工业应用，掌握普偶的主要特性，了解热电偶的工业应用，掌握普通热电偶的基本使用方法和温度补偿的常

8、用方法。通热电偶的基本使用方法和温度补偿的常用方法。热处理温控系统热处理温控系统1.5热电偶传感器热电偶传感器任务一、任务一、认识热电偶认识热电偶活动活动1 1：了解热电偶的基本特性了解热电偶的基本特性 1.1.准备器材：准备器材：数字万用表，酒精灯，数字万用表，酒精灯，0.4mm0.4mm、长约、长约250mm250mm的的 漆包铜线和康铜丝各一根。漆包铜线和康铜丝各一根。活动活动1 1：了解热电偶基本特性（了解热电偶基本特性（2 2）2.实验方法实验方法 制作一个简易热电偶 将数字万用表拨至DC200 mV档后接热电偶，读取此时电压值 加热热电偶的工作端（即绞紧连接点），观察万用表电压显示

9、值的变化；再将酒精灯逐渐远离热电偶，观察记录电压数值 热电偶实验原理演示热电偶实验原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端自由端（参考（参考端、冷端、冷端）端）左端称为：左端称为：测量端测量端（工作（工作端、热端、热端端）热电极热电极B B热电势热电势AB活动活动2 2：认识热电偶认识热电偶 观察拆解后的普通热电偶芯或未安装的热电偶丝，可观察拆解后的普通热电偶芯或未安装的热电偶丝，可以看出两种不同的金属材料构成热电偶的敏感元件。热电以看出两种不同的金属材料构成热电偶的敏感元件。热电

10、偶芯（丝）就是热电偶的核心部分。偶芯（丝）就是热电偶的核心部分。活动活动3.3.了解热电偶原理和特征了解热电偶原理和特征 将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A A A、B B B B的端点焊接起来的端点焊接起来的端点焊接起来的端点焊接起来 ，构成一个，构成一个，构成一个，构成一个闭合回路。当导体闭合回路。当导体闭合回路。当导体闭合回路。当导体A A A A、B B B B两个接点温度两个接点温度两个接点温度两个接点温度T T T T和和和和T T T T0 0 0 0 之间存在差异时，之间存在差异时，之间存在差异时，之间存在差异时，回路中便产生

11、电动势，这种效应称为热电效应。回路中便产生电动势，这种效应称为热电效应。回路中便产生电动势，这种效应称为热电效应。回路中便产生电动势，这种效应称为热电效应。热电偶就是利用这一效应进行温度检测的。热电偶就是利用这一效应进行温度检测的。热电偶就是利用这一效应进行温度检测的。热电偶就是利用这一效应进行温度检测的。热电偶两个电极的一端焊接在一起作为检测端（也叫工作热电偶两个电极的一端焊接在一起作为检测端（也叫工作热电偶两个电极的一端焊接在一起作为检测端（也叫工作热电偶两个电极的一端焊接在一起作为检测端（也叫工作端、热端）；将另一端开路，用导线与仪表连接，这一端叫做端、热端）；将另一端开路，用导线与仪表

12、连接，这一端叫做端、热端）；将另一端开路，用导线与仪表连接，这一端叫做端、热端）；将另一端开路，用导线与仪表连接，这一端叫做自由端（也叫参考端、冷端）。自由端（也叫参考端、冷端）。自由端（也叫参考端、冷端）。自由端（也叫参考端、冷端）。热电效应的本质是热电偶本身吸收了外部热电效应的本质是热电偶本身吸收了外部的热能，在内部转换为电能的一种物理现象。的热能，在内部转换为电能的一种物理现象。热电势的大小只与材料和结点温度有关热电势的大小只与材料和结点温度有关而热电偶的内阻与其长短，粗细，形状有关而热电偶的内阻与其长短，粗细，形状有关热电偶的工作原理热电偶的工作原理 热电偶两端的热电动势可以用下式表示

13、：热电偶两端的热电动势可以用下式表示：E Et t=E=EABAB(t)E(t)EABAB(t(t0 0)式中：式中：E Et t 热电偶的热电动势；热电偶的热电动势；E EABAB(t)(t)温度为温度为t t时工作端的热电动势；时工作端的热电动势；E EABAB(t(t0 0)温度为温度为t t0 0时自由端的热电动势。时自由端的热电动势。（1 1）中间导体定律）中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。热电偶回路的总热电动势。2 2、

14、热电偶回路的主要性质、热电偶回路的主要性质EABC(t,t0)=EAB(t,t0)（C两端接点温度相同）两端接点温度相同）CABtt0中间导体定律应用举例：中间导体定律应用举例：a）可以引入各种仪表、）可以引入各种仪表、连接导线等，也允许采用连接导线等，也允许采用任意的焊接方法来焊制热任意的焊接方法来焊制热电偶电偶b）可以采用开路热电）可以采用开路热电偶对液态金属和金属壁偶对液态金属和金属壁面进行温度测量面进行温度测量 当工作端和自由端温度为当工作端和自由端温度为T T和和T0T0时，用导体时，用导体A A、B B组成热电偶的热电动势等于组成热电偶的热电动势等于ACAC热电偶和热电偶和CBCB

15、热电偶的热电偶的热电动势的代数和。热电动势的代数和。或或（2）标准电极定律标准电极定律tt0ABtt0ACtt0CB=+简化热电偶的选配简化热电偶的选配（3）中间温度定律）中间温度定律 热电偶热电偶AB在接点温度为在接点温度为T1、T3时的热电动时的热电动势，等于热电偶在接点温度为势，等于热电偶在接点温度为T1、T2和和T2、T3时的热电动势总和时的热电动势总和EAB(t,t0)=EAB(t,tn)+EAB(tn,t0)t1t3ABt1t2ABt2t3AB=+EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3)热电偶的分度表热电偶的分度表 如果自由端温度恒定不变，则热电动势只与工作

16、端的温度如果自由端温度恒定不变，则热电动势只与工作端的温度有关，即有关，即Et=f(t)Et=f(t)。热电动势的大小只与热电极材料的成分及两。热电动势的大小只与热电极材料的成分及两端的温度有关，而与热电极的尺寸无关。根据这一特点，工程端的温度有关，而与热电极的尺寸无关。根据这一特点，工程上以上以00作为冷端基准温度，将热电偶的热电动势与对应热端的作为冷端基准温度，将热电偶的热电动势与对应热端的温度精确测出，作成表格，称为热电偶的分度表，见附录。温度精确测出，作成表格，称为热电偶的分度表，见附录。工作端温度01020304050热电动势（mV）0-0.000-0.392-0.777-1.156

17、-1.527-1.88900.0000.3970.7981.2031.6112.0221004.0954.5084.9195.3275.7336.1372008.1378.5378.9389.3419.74510.151任务二、热电偶应用训练任务二、热电偶应用训练 一、热电偶的种类一、热电偶的种类 8 8种国际通用热电偶种国际通用热电偶 1.铂铑30铂铑6 B 2.铂铑13铂 R 3.铂铑10铂 S 4.镍铬镍硅 K 5镍铬硅镍硅 N 6.镍铬铜镍（康铜）E 7.铁铜镍 J 8.铜铜镍 T分度号分度号名称名称热电偶丝几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线任务二、热电偶应用训练任务二、热电偶应用

18、训练 二、热电偶的结构二、热电偶的结构 1.1.普通型热电偶普通型热电偶 2.2.铠装型热电偶铠装型热电偶 3.3.薄膜型热电偶薄膜型热电偶普通装配型热电偶的外形普通装配型热电偶的外形接线盒接线盒引出线套管引出线套管不锈钢不锈钢保护管保护管固定螺纹固定螺纹 热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端）普通铠装热电偶的结构普通铠装热电偶的结构铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形小形小形K型热电偶型热电偶其他热电偶外形其他热电偶外形 补偿导线由两种不同性质的廉价金属材料制成，在一定温度补偿导线由两种不同性质的廉价金属材料制成，在一定温度范围内（范围内（01

19、000100），与所配接的热电偶具有相同的热电特性，），与所配接的热电偶具有相同的热电特性，起到延长冷端的作用。起到延长冷端的作用。二、二、热电偶使用训练热电偶使用训练1、补偿导线补偿导线补偿导线补偿导线AB屏蔽层屏蔽层保护层保护层补偿导线外形补偿导线外形常用常用热电热电偶偶补偿导线补偿导线的特性的特性配用热电偶正-负补偿导线正-负导线外皮颜色100热电势（mV）150热电势（mV）20时的电阻率（m）正负铂铑10铂铜铜镍红绿0.6450.0231.029+0.024-0.0550.048410-6镍铬镍硅铜康铜红蓝4.0950.156.1370.200.63410-6镍铬考铜镍铬考铜红黄6.

20、950.3010.690.381.2510-6钨铼5钨铼20铜铜镍红蓝1.3370.0452 2、冷端温度补偿的方法、冷端温度补偿的方法冷端恒温法冷端恒温法 将热电偶的冷端置于冰水混合物中，也称冰浴法将热电偶的冷端置于冰水混合物中，也称冰浴法 2.2.冷端温度补偿的方法冷端温度补偿的方法 活动活动1 1：确定被测温度：确定被测温度练习用计算法进行温度补偿练习用计算法进行温度补偿计算校正法计算校正法 E(t,0)=E(t,t E(t,0)=E(t,t0 0)+E(t)+E(t0 0,0),0)已知：镍铬已知：镍铬-镍硅热电偶的检测系统进行测温时，其冷端温度为镍硅热电偶的检测系统进行测温时，其冷端

21、温度为3030，仪表显示的热电动势为，仪表显示的热电动势为39.17mV39.17mV，利用附录，利用附录C C中的数据，中的数据，完成以下操作：完成以下操作：查表查表得得E E（3030，0 0）=1.20mV1.20mV 计算计算:E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=(39.17+1.20)mV=:E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=(39.17+1.20)mV=40.37mV40.37mV 再再反查分度表反查分度表，可得被测温度为，可得被测温度为 977977。仪表机械零点调整法仪表机械零点调整法 用用螺丝刀调螺丝刀调节仪表面节仪表面板上的板上的“机械零点机械零点”，

22、使指，使指针指到气针指到气温温t0（图中为（图中为40 40 C）的）的刻刻度上。度上。机械零点机械零点指针被预调到室温（指针被预调到室温（40 C）可补偿冷端损失可补偿冷端损失电桥补偿法电桥补偿法 XT-WBC热电偶热电偶 冷端补偿器冷端补偿器 电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。活动活动2.2.学习热电偶的使用方法学习热电偶的使用方法 选选择择带带温温度度测测量

23、量功功能能的的数数字字万万用用表表。使使用用万万用用表表测测量量室室内内温温度度，与与其其他他温温度度计计的的读读数数比比较较。观观察察测测温温附附件件，注注意意热热电电偶偶丝的结构和封装方式。寻找热电偶的工作端焊接点。丝的结构和封装方式。寻找热电偶的工作端焊接点。1 1、万用表中的热电偶、万用表中的热电偶2 2、工业热电偶的一般使用方法、工业热电偶的一般使用方法 我我国国生生产产的的热热电电偶偶符符合合ITS-90ITS-90（国国际际温温标标）所所规规定定的的标标准准，其其一一致致性性较较好好。工工程程上上规规定定了了每每一一种种标标准准热热电电偶偶配配套套的的仪仪表表，仪仪表表的的显显示

24、示值值为为温温度度，不不需需要要用用户户再再自自己己改改制制。动动圈圈式式仪仪表表命命名名为为XCXC系系列列，有有指指示示型型（XCZXCZ）和和指指示示调调节节型型（XCTXCT）等等系系列列品品种种。最最常常用用的的K K型型热热电电偶偶配配套套的的动动圈圈仪仪表表为为XCZ-101XCZ-101或或XCT-101XCT-101等等。数数字字式式仪仪表表也也有有指指示示型型（XMZXMZ）和和指示调节型（指示调节型（XMTXMT）等几种系列产品。）等几种系列产品。活动活动2.2.学习热电偶的使用方法学习热电偶的使用方法 2、工业热电偶的一般使用方法工业热电偶的一般使用方法 热电偶热电阻温度变送器模块是一种现场安装式温度变送单元。它采用二线制传送方式(电源输入与信号输出为二根公用导线)，输出与被测温度成线性的420mA电流信号。变送器可以安装于热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构，也可单独安装于仪表盘内作转换单元。