第二章温度传感器.ppt

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1、第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术与应用 温度的测量与控制，一直都是电气自动化控制的一项重要任务，在工业现场与家庭生活中都存在着许多温度控制的要求，而准确的温度控制又决定着某种控制任务是否成功。比如，家用电饼铛的使用过程中，对其加热控制要求就很高，既要保证食物被烙熟，还要保证食物不被烙糊，在其中用于测量温度的元件就是热敏电阻。电加热温度控制接线原理图图中，由接触器完成电加热器的接通于断开，加热初始由启动按钮启动接触器接通电热管开始加热。热电偶完成温度测量，并将温度信号传送至温度控制器的输入端，温度控制器根据温度设定值来控制接触器的接通于断开，从而

2、达到闭环的温度自动控制要求。加热完成按下停止按钮关闭电加热控制系统。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术与应用21 温度的基本概念掌握温度及温标的基本概念。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用一、什么是温度 从宏观性质讲，温度表示了物体冷热程度，物体温度的高低确定了热量传递的方向；从微观性质讲，温度表示了物体内部分子运动的剧烈程度。二、什么温标 为了进行温度测量，需建立温度的标尺即温标。它规定了温度读数的起点（零点）以及温度的单位。国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标。1.摄氏温标 摄氏温标把在标准大气压下冰的熔点定为

3、零度（0），把水的沸点定为100度（100），在这两个温度点间划分100等份，每一等份为1摄氏度。国际摄氏温标的符号为t，国际摄氏温标的温度单位符号为。2.华氏温标 规定一定浓度的盐水凝固时的温度定为0，把纯水凝固时的温度定为32，把标准大气压下水沸腾的温度定为212，用代表华氏温度。华氏温标与摄氏温标的关系式为：（式2-1-2）第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用3.热力学温标（物理学中的绝对温度）国际单位制的基本温标。符号T，单位为开尔文，符号为K。热力学温标以水的固、液、气三态平衡共存时的温度为基本定点，并规定其温度为273.15K。热力学温标与摄氏温标存在着下述的关系：

4、（式2-1-3）第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用1掌握热敏电阻的结构、原理、特点及分类。2熟悉热敏电阻传感器的基本参数。3能根据实际应用场合正确选用热敏电阻。22 热敏电阻传感器念第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用一、热敏电阻的结构、原理、特点及分类1.热敏电阻的结构和原理 热敏电阻是由金属氧化物采用粉末冶金的工艺制成的一种合金体（用锰、镍、钴、铁、铜等粉料按一定配方压制成型后，经10001500高温烧结而成，通过改变合金的配比可以制成不同温度范围、阻值及温度系数的热敏电阻），其引出线一般采用银线。热敏电阻的阻值在室温（25）时可从几百欧变化到几兆欧，其可

5、测量的温度范围为-200+1000。利用这种电阻随温度变化呈显著变化的特性制成的一种敏感元件称为热敏电阻传感器。热敏电阻有管状、片状、点状、杆状等封装形式，在电路中的文字符号为 或，实物和图形符号如图2-2-1所示。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术与应用图2-2-1 各种热敏电阻传感器及其符号第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 2.热敏电阻的特点（1）电阻温度系数大，灵敏度高，可测量微小的温度变化（0.0020.005）。（2）结构简单，体积小，直径可以做到小于0.5mm，可以测量点温度。（3）电阻率高，热惯性小，响应速度快，

6、响应时间可以短到毫秒级，适宜动态测量。（4）易于维护和进行远距离控制。因为元件本身的电阻值可达3700K，当远距离测量时，导线电阻的影响可以不予考虑。（5）热敏电阻的缺点是互换性差，电阻温度曲线为非线性。3.热敏电阻的分类按热敏电阻的温度特性分为三类：（1）电阻值随温度升高而升高的，称为正温度系数（PTC）热敏电阻；（2）电阻值随温度升高而降低的，称为负温度系数（NTC）热敏电阻；（3）具有正或者负温度系数特性，但在某一温度范围电阻值发生巨大变化的，称为突变型温度系数（CTR）热敏电阻。这三类热敏电阻的温度特性曲线如图2-2-2所示。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用图2-2

7、-2 热敏电阻的温度特性曲线1PTC热敏电阻 2NTC热敏电阻 3正温度系数CTR 4负温度系数CTR第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用二、热敏电阻传感器的基本参数 想要正确地选择和使用热敏电阻传感器，首先要了解其基本参数。1.测量温度范围 不同的合金和工艺形成的热敏电阻会有不同的测量范围，应用中根据测量要求恰当选择测量温度的范围。常温器件适用于-55315，高温器件可以更高，最高可以达1000，低温器件适用于-27355。其中，-55315是热敏电阻最适合的工作温度范围。2.热敏电阻的标称电阻值 是指25零功率时的电阻值。即常温时，没有通电的情况下热敏电阻的阻值，其阻值变化

8、范围可以从几欧到几十兆欧。在同一系列的热敏电阻中，其标称值的范围为1到几十欧，或从几欧到10k，可供在不同的控制任务中选择。如HW68-1/6W型热敏电阻，其阻值可以在55.410K的范围内选择。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术与应用3.额定功率 是指热敏电阻在常温、常压条件下，长期连续运行所允许的耗散功率。其中，用于过电流保护的正温度系数(PTC）热敏电阻通常可以有较大的功率，一般串联在被测电路中，根据不同的用途可以通过一定的电流值，其电流值可以达几百毫安以上，功率可以达几十瓦；用于测量温度的热敏电阻其工作电流值则一般限制在毫安值的量级，这主

9、要为了不使它产生自发热现象，从而可保证在测量温度范围内具有线性的V/A曲线。热敏电阻的V/A特性十分重要，如图2-2-3所示，开始时电流与电压呈较好的线性关系，此时在电阻上消耗的功率小，所以不会发生自发热现象。这时，热敏电阻的冷态电阻完全由环境温度决定。但是随着电流的增加，电阻产生热量导致自身发热，阻值下降，它两端的电压也就不再遵循线性规律。在一个区域内，电流增大和电阻发热导致的阻值下降相互抵消后，电压基本保持不变。直到电阻的下降幅值超过相应电流的增大幅值时，电压便开始减小。因此，应根据热敏电阻的允许功率来确定流过热敏电阻的电流。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术

10、与应用 传感器技术与应用图2-2-3 热敏电阻的V/A特性曲线4.最大稳态电流 是指功率型热敏电阻在25环境温度下允许施加在热敏电阻上的最大持续电流值。这个值必须高于实际电路中热敏电阻的工作电流值，否则会造成热敏电阻的过载而损坏。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术与应用三、热敏电阻的选用 一般根据热敏电阻的用途对其温度系数、测量范围、标称阻值和额定功率进行选择。1.热敏电阻的用途 由于热敏电阻最合适的工作温度为-55315，因此，热敏电阻多用于汽车、仪表、计算机、家电等领域的温度控制与显示及其修正。（1）温度的测量 这是热敏电阻主要的应用。通过热

11、敏电阻感知环境温度或被测目标的温度变化，再经过测量电路的转换，变成反应温度变化的电压信号。一般选择微功耗热敏电阻，通过电路参数的设置，控制流过热敏电阻的电流，防止电流过大造成的自身发热，从而影响测量结果。如图2-2-4所示为用PTC组成的温度测量原理图。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用图2-2-4 用PTC组成的温度测量原理图第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术与应用 低温时，PTC处于低阻抗状态，由于分压关系，比较器的正向输入端为低电平，开始时，通过调节RP，使得比较器的反向输入端也处于低电平并低于正向输入端电位，则比较器输出

12、为低电平。一旦温度超过一定值，如PTC从几十欧变化到几千欧，则比较器翻转，输出高电平。通过特定电路将此“0”“1”输出变化进行响应，就可以完成温度的控制。比如，可以将这个“0”“1”变化输入到单片机的某个输入端，经过单片机响应与处理，再通过其输出就可以完成温度控制。（2）电路的限流和保护 利用突变型正温度系数热敏电阻CTR，可以制作自恢复过电流保护器；PTC热敏电阻可以作为负荷的过电流限制器；将NTC热敏电阻串接在整流滤波电容器的前面，可以有效抑制上电时电容电流造成的冲击。CTR元件用于过电流保护的应用电路举例如图2-2-5所示。当电动机工作电流正常时，CTR处于低阻抗，其形成的压降不足以影响

13、电动机的正常工作。运行中一旦发生了电动机的过电流故障，由于电流迅速增加，导致CTR的温度也迅速升高，当其温度升高至120附近时，其阻抗迅速增大，形成近乎断路的电路状况，则电动机停转。当温度恢复正常后，CTR又会恢复到原来的低阻抗状况，电动机自动进入运行状况，这就是所谓的“自复式熔断器”。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术与应用图2-2-5 自恢复过电流保护器电路原理图第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 如图2-2-6所示是将负温度系数热敏电阻用于冲击电流抑制的电路原理图。利用NTC或CTR的负温度特性，当电路接通时，由于热敏电阻

14、温度就是环境温度，温度较低，阻抗较大或很大，电容器C的充电冲击电流得到有效抑制。经过一定时间的电流的作用，热敏电阻的温度开始升高，其电阻也明显下降，充电电流变大，直至电路达到稳定，热敏电阻维持在低阻抗状态下，电路可以正常工作。图2-2-6 将负温度系数热敏电阻用于冲击电流抑制的电路原理图第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用2.热敏电阻的选择 一般用于温度控制与显示的热敏电阻，应选择微功耗型，要尽量使流过热敏电阻的电流不造成明显的测量温升，从而造成温度测量误差。同时，选用时还应注意在有效的温度测量范围内有较好的线性度。对于用于限流控制功能的热敏电阻，一般要选择功率型，要使其最大稳

15、态电流大于所在电路的工作电流。但在这种应用功能下可不必太注重其线性度，应关注其温度响应速度以及保护和限流功能时稳态后的阻值。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术与应用实训1 基于PTC热敏电阻传感器和555时基电路的电动机温度测量电路的应用。实训目的1掌握PTC热敏电阻的基本温度特性。2掌握PTC热敏电阻测温电路的组成。3能完成PTC热敏电阻测温电路的安装与调试。实训内容 分析并安装、调试基于PTC热敏电阻传感器和555时基电路的电动机温度测量电路（图2-2-7）。1.分析并弄懂任务中给出的温度控制电气原理图。2.根据原理图和所选择完成的元件对任务

16、中的温度控制电路进行焊接，并完温度控制功能的调试。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术与应用 传感器技术与应用图2-2-7 电动机温度控制电路原理图第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用实训设备与工具 实训设备与工具 万用表（1块），2535W内热式电烙铁（1把），烙铁架（1个），松香焊锡丝及小块松香适量，蘸湿的棉质擦布（1块），焊接练习用电工工具，焊接练习用万用敷铜板（1块），照明良好的焊接练习实验台。实训步骤 实训步骤一、分析测量电路1.热敏电阻的选择 由于热敏电阻传感器元件本身既是测量元件同时也是转换元件，其本身就可形成一个温度传感器。因此，我们

17、在构成并实施这样一个任务时，只需要将这种转换后电参数阻值的变化加以利用，并变成有效的控制输出即可。具体到本控制任务，是对电动机的运行温度进行监控，由于电动机热保护的温度测量范围不会超过200，因此，选用电动机专用PTC热敏电阻传感器即可满足本控制要求。如图2-2-8所示为所选择的用于测量电动机温度的PTC热敏电阻传感器，其结构形式为三头串联型，采用DIN 44082 标准。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用图2-2-8 电动机专用PTC热敏电阻传感器第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 三头串联的结构形式，可以将三个探头放置在不同的测量位置，以达到更全面和均衡

18、的测量，比如，三相电动机，可以每相一个探头。温度范围为60190。不同反应温度的 PTC 热敏电阻可以串接在一起，这样可以对电器在不同温度阶段起到最经济和优良的保护。其基本电参数见表2-1-1，其特性曲线如图2-1-9所示。表2-2-1 电动机专用PTC热敏电阻传感器的基本电参数 项目 单头型 三头串联型 最大工作电压 30 30 V额定响应温度 参考订货数据表 额定响应温度的公差 5 5 K额定响应温度的复验性 0.5 0.5 K在 25 下的电阻值 100 300 额定响应温度-5K时的电阻值 550 1650 额定响应温度+5K时的电阻值 1330 3990 额定响应温度+15K时的电阻

19、值 4 12 k热响应时间 ta 5 5 S绝缘强度 Uis AC2.5 AC2.5 kV最大控制温度 200 200 最高允许存放温度 160 160 最低允许存放温度-25-25 重量 2 3.5 g表2-2-1 电动机专用PTC热敏电阻传感器的基本电参数第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用图2-2-9 电动机专用PTC热敏电阻传感器特性曲线 从其电参数来看，其冷态零功率电阻为单只100，三头组合时，其值为300。选择+15K的元件，其额定响应温度+15K时的电阻值为12K。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用2.555时基电路 由于用于温度测量的热敏电阻都

20、是微功耗元件，因此，采集热敏电阻阻值变化的电路必须是电压比较器这种运放类元件，因为这种元件采集信号时基本不取电流。但由于电压比较器只能输出一个电平变化，没有输出能力，要做到采集信号是运放，又要有一定的输出能力的元件，就只有555时基电路了，其典型型号为NE555。如图2-2-10所示为555时基电路的内部框图和功能引脚图。图2-2-10 555时基电路的内部框图和功能引脚图第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2反相输入端的参

21、考电平为2/3Vcc和1/3 Vcc。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自输入端6输入电压并超过2/3Vcc时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管T导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3 Vcc时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管T截止。3.温度监测过程分析（1）正常情况下，即PTC温度处于室温的情况下，调节RP使得Ui小于电源电压的1/3，本例在中即小于2V时，低电位触发端2端起作用，IC输出为高电平，继电器KA不动作，表示温度正常。（2）当PTC处于高温状态时，由于温度升高，Rt受热阻值增大，当增大至一定值时，由于分压关

22、系，导致Ui大于电源电压的2/3，即大于4V时，高电位触发端6端起作用，IC输出翻转为低电平，KA吸合，切换电路。由KA的常闭触点断开电动机的控制回路，由其常开触点启动报警。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用二、电路的安装与调试1.按表2-2-2的元器件清单准备电路元器件。元器件名称 规格型号 数量 备注IC NE555 1 微调电阻RP 6.8K、0.1W 1 碳膜电阻R1 300欧、1/8W 1 碳膜电阻R2R3 500、1/8W 2 电解电容器C1 470uF16V 1 电解电容器C2 220uF16V 1 PTC热敏电阻 三头串联型，DIN 44082 标准，+15K

23、 1 发光二极管VD1 46mA，红色 1 报警发光二极管VD3 46mA，绿色 1 正常二极管VD2 1N4004 1 微型继电器 6V，2A，一开一闭 1表2-2-2 元器件清单第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用2.按照图2-2-7中标定的电路元件规格型号进行图纸和元件的熟悉和认知。3.根据电路原理图对所用元器件在练习板上进行位置布局。4.使用电烙铁焊接工艺完成温度控制电路板的安装。5.检查无误后进入通电调试过程。上电前可变电阻RP的可调端处于中间位置。（1）模拟常温状态 一上电，由于RP的调节端处于中间，PTC处于常温的300欧状态，根据电路参数的分压关系，使Ui处于低

24、于2V的状态，IC输出端输出高电平，继电器KA不动作。此时表示电动机运行正常。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用Ui（V）2 3 4 4以上KA动作情况 表2-2-3 KA动作情况记录（3）根据调试过程写出电路调试结论。（2）模拟电动机过载状态 用电烙铁靠近PTC热敏电阻，将其逐渐加热，模拟电动机过载发热过程。根据控制要求，将其加热至不敢碰的状况，此时PTC立刻处于高阻抗状态，之后稍微将电烙铁离得稍远，以保持其持续的高温。加热过程中注意观察Ui的电压变化，并观察KA动作情况，将观察结果填于表2-1-3中。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用23 热电偶传感器1

25、掌握热电偶传感器的结构、原理、特点及分类。2熟悉热电偶传感器的基本参数。3能根据实际应用场合正确选用热电偶传感器。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用一、热电偶传感器的原理、特点及分类1.热电偶传感器的原理 热电偶传感器是由A、B两条不同性质的金属导体并联成的一个闭合回路，如图2-3-1所示。图2-3-1 热电偶结构示意图第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 如果两结合点处两种金属自由电子的密度不同，在连接点上会形成接触电势；两种金属两个连接点温度的不同，即,则在两导体间产生温差电动势。两种电势共同作用在回路中有一定大小的电流，这种现象被称为热电效应。在此闭合回

26、路中的两种导体叫做电极；两个结合点分别被称为工作端（热端）和参比端（冷端）。由这样一种结构，并将温度值转换成热电动势的传感器叫做热电偶传感器。2.热电偶基本定律（1）如果热电偶两种电极材质相同，则无论两接点的温度如何，总电动势始终为零。（2）如果热电偶两接点温度相同，尽管A、B材质不同，回路中的总电动势依然为零。（3）热电偶产生的热电动势大小与材料和接点温度有关，与其尺寸、形状无关。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用（4）如果在热电偶回路中插入中间导体，只要中间导体两端的温度相同则对热电偶回路的总热电势无影响。如图2-3-2所示。图2-3-2 热电偶插入中间导体示意图第二章

27、温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用3.热电偶类型和材料 从理论上说，任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶，但为了做到准确、可靠以及稳定的测量温度，对热电偶材料必须进行一定的选择，其原则为：（1）热电势变化尽量大；（2）热电势与温度的关系尽量接近线性；（3）理化性能稳定，易加工，有良好的互换性。根据以上原则，现在工业上常用的4种热电偶材料及其分度号为：（1）（2）（3）（4）表2-3-1列出了工业上常用的四种热电偶传感器的主要性能和特点，写在前面的热电极是正极，写在后面的是负极。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用表2-3-1第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器

28、技术与应用二、热电偶传感器的结构类别 热电偶按照使用的结构形式可分为装配式、铠装式和薄膜式三种形式。1.装配式热电偶传感器 装配式热电偶传感器主要用于测量气体、蒸汽和液体等流体介质的温度。这类热电偶已经做成标准形式，其中包括有棒形、角型、锥形等。从按照方式来分，有固定法兰式、活动法兰式、固定螺纹式、焊接固定式等几种。图2-3-3所示的是棒型、活动法兰式的普通热电偶的结构示意图。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用1-热电偶工作端；2-绝缘套；3-下保护管；4-绝缘珠管；5-固定法兰；6-上保护套管；7-接线盒底座；8-接线绝缘座；9-引出线套管；10-固定螺钉；11-接线盒外罩

29、；12-接线柱图2-3-3 棒型、活动法兰式的普通热电偶的结构示意图第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用2.铠装型热电偶传感器 铠装型热电偶传感器又称套管热电偶。它是由热电极、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体，如图2-3-4所示。图2-3-4 铠装热电偶传感器结构示意图第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 把热电极材料与高温绝缘材料预制在金属保护管中，运用同比例压缩工艺，将三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截至适当长度将工作端焊接密封，配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。其外径可以小到13mm，热电极直径为0.20.8mm，使用中

30、可以随意弯曲。一般普通热电偶连接点的结构形式如图2-3-5所示。图2-3-5 热电偶连接点的结构形式示意图第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用3.薄膜式热电偶传感器 薄膜热电偶温度传感器的工作核心是由2个热电极薄膜相互搭接而成的热结点，它是用真空蒸镀的方法，把热电极材料蒸镀在绝缘基板上而制成的，其测量范围为-200300，时间常数在00.01S。测量端既小又薄，厚度仅为几个微米左右，热容量小，相应速度快，便于敷贴。适用于测量微小面积上的瞬变温度。图2-3-6是薄膜热电偶传感器的实物图片。图2-3-6 薄膜热电偶传感器的实物图片第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用

31、三、热电偶传感器的温度/热电势特性 对于不同金属组成的热电偶，温度与热电势之间有不同的函数关系，一般是通过实验的方式进行确定。将不同温度下测得的结果列成表称为热电偶的分度表。表2-3-1为K型热电偶参比端为0时的分度表。表2-3-1 K型热电偶分度表第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 图2-3-7为常用的四种热电偶传感器的热电势与温度的关系曲线，从图中可以看出，在0时，它们的热电势均为零。而且可以看出其中的S、B型的是非线性的且热电势也较低。图2-3-7 常用的四种热电偶传感器的热电势与温度的关系曲线第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用四、热电偶的使用方法 热

32、电偶的使用方式基本分为两种，一种是用补偿导线延长冷端与测量端的距离，提高测温精度；第二种是使用安装在测量现场的温度变送器，可以将温度变化变为随温度变化成线性关系的模拟量输出，一般为220mA，同时还可以在一定的温度变化范围内完成冷端温度补偿。1.采用补偿导线测量 由热电偶测温原理可知，一只确定的热电偶，其热电势的大小与两端的温度差有关，热电偶的两个端的温差越大热电势也越大。当一端的温度固定后，热电势的大小就只与另一端的温度变化有关了。前者称为参比端，后者称为测量端。为了提高测量精度，参比端的温度最好比较稳定，因此，实际测量时，为了让参比端免受被测端介质温度和周围环境温度影响，往往采用补偿导线将

33、参比端引到远离高温区的地方，当有确定的参比端温度时，测量结果才是准确的，通常在测量分度表热电势参数时，参比端温度选择为0。对于测量实践中不能使用恒定参比端的测量，也必须通过测量参比端的方式根据分度表进行推算，从而得到较为精确的测量结果。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用举例：用镍铬-镍硅K型传感器测温，测得参比端的温度为40，实测热电偶输出的热电势为2.146mV，那么实际的温度应该按下面的方式进行折算：查K型热电偶分度表得:则:再查2-3-1分度表，可知实际温度为90100之间。如果有更细致的分度表，温度值还可以再精确。工程中用的补偿线是指在一定的温度范围内（0100），其

34、热电性能与相应的热电偶热电性能相同的减价导线。它主要的功能是延长热电偶的参比端，但没有温度补偿作用。图2-3-8为薄膜热电偶补偿导线示意图。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用1-工作端；2-热电极；3-绝缘基板；4-引脚接头；5-引出线（与热电偶相同材质的导线）;6-补偿导线（与热电偶相同热电性能的廉价导线）图2-3-8薄膜热电偶补偿导线示意图第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 接补偿导线后的热电偶回路可以看成仅由热电极A、B组成的回路。使用补偿导线应该注意：（1）补偿导线的选择 补偿导线一定要根据所使用的热电偶种类和所使用的场合进行正确选择。例如,k型偶应

35、该选择k型偶的补偿导线,根据使用场合,选择工作温度范围。（2）补偿导线接点的连接 与热电偶接线端2个接点尽可能近一点,尽量保持2个接点温度一致。与仪表接线端连接处尽可能温度一致,仪表柜有风扇的地方,接点处要保护不要使得风扇直吹到接点。（3）补偿导线的使用长度 因为热电偶的信号很低,为微伏级,如果使用的距离过长,信号的衰减和环境中强电的干扰偶合,足可以使热电偶的信号失真,造成测量和控制温度不准确,在控制中严重时会产生温度波动。通常使用热电偶补偿导线的长度控制在15米内比较好,如果超过15米,建议使用温度变送器进行传送信号。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用2.采用温度变送器测量

36、 温度变送器分为分体式和一体化式。分体式适合对普装配式热电偶配合使用，可分为嵌入式和标准导轨式；一体化式的把变送器和热电偶传感器做成一体结构。总之都是安装在热电偶的近旁，不用使用补偿导线，而是采用现场的变送器中的补偿电路进行温度补偿。热电偶温度变送器一般由基准源、冷端补偿、放大单元、线性化处理、V/I转换、断偶处理、反接保护、限流保护等电路单元组成。它是将热电偶产生的热电势经冷端补偿放大后，再由线性电路消除热电势与温度的非线性误差，最后放大转换为420mA电流输出信号。为防止热电偶测量中由于电偶断丝而使控温失效造成事故，变送器中还设有断电保护电路。当热电偶断丝或接解不良时，变送器会输出最大值（

37、28mA）以使仪表切断电源。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 变送器热电偶参比端的测量现场的温度补偿电路是用来自动补偿热电偶测量值因参比端温度变化而变化的一种装置。温度变送器安装在现场，冷端的温度随环境的变化而变化。冷端不进行补偿时，变送器的输出将随实际温度变化而改变，会给运行人员带来错误的判断，所以要进行冷端补偿。它实质上就是能产生一个随参比端温度的变化而变化的直流信号毫伏发生器，把它串接在热电偶测量线路中测温时，就可以在一定温度范围内使参考端温度得到自动补偿。目前温度变送器种类很多，有的变送器还可以直接显示温度值；有的还可以进行温度控制的设定并完成控制输出。图2-3-9

38、为当前市场上的一体化变送器的实物图片。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用图2-3-9 一体化变送器的实物图片第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用五、热电偶传感器的安装 热电偶传感器一般用于测量流体温度，一般安装在管道内或电加热箱内。对热电偶的安装，应注意考虑测温准确、抗干扰、固定牢固、安全、维修方便和不影响设备运行与操作等因素。1.安装部位 为了是热电偶的测量端与被测介质之间有充分的热交换，应合理选择测量地点，尽量 避免在阀门、弯头及管道和设备死角附近装设热电偶。同时应尽可能的避开强磁场和强电场环境。2.插入深度 一般热电偶测量端都有带保护管的插入部分，为了减

39、少测量误差，热电偶必须有足够的插入深度。对于测量管道中流体的热电偶，一般都应当将其测量端插到管道的中心处，可分为垂直安装与倾斜安装。图2-3-10为热电偶不同安装方式示意图。如果是铠装式热电偶，其总的弯曲后插入的探头长度一般控制在探头直径的810倍。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 图2-3-10 热电偶不同安装方式示意图 对于高温、高压介质，比如高压水蒸气，为了减少热电偶保护管对气流的阻力，防止保护管在气流的作用下发生断裂，可以适当浅插，一般不小于75mm。对于超大直径的管道，比如烟道，最大插入长度一般不超过1m。3.如果被测介质为流动时，热电偶应尽量采取与介质流动方向逆

40、向的方式安装，以便热电偶充分与介质接触。4.如果采用分体式温度变送器，热电偶输出的毫伏信号线应该使用屏蔽电缆传输。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用实训2 认知一体化热电偶传感器及其显示仪表并接线实验实训目的1.掌握一体化热电偶传感器、变送器、显示仪表的安装与接线。2.能够构成一个热电偶传感器的测温系统实训内容 完成一个由一体化热K型电偶传感器/变送器和显示仪表的组成的测温系统的安装，并在组装好的测温系统上进行测温实验。实训设备与工具1.装配式热电偶传感器，K型，一只；2.MIK-ST500（或其他型号）嵌入式热电偶温度变送器一只；SY LED2型数显表一只；3.直流24V稳

41、压电源一台；4.两芯屏蔽电缆适量；5.1000红外手持式非接触测温仪一台；6.BVR1.5平方导线适量，要求颜色区别；7.远红外电加热炉一台，功率2KW；8.电工工具一套及紧固标准件和电工辅料适量。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 元件说明：（1）热电偶选择普通装配式热电偶传感器，K型。也可以选择其它测量、变送一体的K型热电偶传感器总成。如图2-3-11所示。图2-3-11 装配式热电偶传感器图片第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用（2）MIK-ST500为嵌入式带微处理器的通用型温度变送器，输出为4-20mA标准信号。也可以选择其它类似功能的变送器。如图2

42、-3-12所示。基本性能参数：MIK-ST500作为新一代的温度变送枢纽，具有很好的兼容性和精度，通过V6编程线连接电脑USB端口，可由电脑监控数据并调整对接的传感器类型和量程上下限，其所提供的全面单点测量解决方案，包括了PT100，CU50及各类热电偶。MIK-ST500具有0.1级的精度和精巧的做工，内部的电子器件全部灌装而成；输出调节由芯片而非电位器控制，在稳定性上非常出色。是一种顶部安装式智能温度变送器，用于热电阻（RTD)、热电偶（TC)、电阻（)、电压（mV)信号输入，二线制4-20MA模拟输出，安装于传感器接线盒内部。基本指标如下：用于将各种输入信号转换为4-20MA输出信号，可

43、带HART通讯输入：热电阻（RTD)、热电偶（TC)、电阻（)、电压（mv)热电阻输入2种热电偶输入8种内置冷端补偿第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用图2-3-12 MIK-ST500温度变送器安装示意图第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用（3）选择的显示仪表为SY LED2通用型，是一种低成本、小体积二线制无源智能回路4-20mA电流（LED）数显表，采用无源设计的输入串联方式接入变送器420mA回路中，可将通过回路中的420mA模拟量，按设定范围线性对应地以十进制数字量显示出来。SY LED2型数显表测量回路中通过的电信号既做为显示表的输入信号，也是该显示

44、表的工作电源，这种两线制无源型工作方式，无需其它辅助电源供电，所以使用时接线简单方便，体积小、精度高、成本低。如图2-3-13所示。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用图2-3-13 显示仪表示意图第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用实训步骤1.参考图2-3-12及其要求及说明，完成热电偶传感器、变送器、显示仪表的、激励电源的电路连接。2.检查无误后接通稳压电源。由于变送器自带调零电路，常温下对于高温热电偶，仪表基本没有输出，显示器显示为零。3.接通红外线电加热器，开始对热电偶的测量端进行加热。随着温度的升高，观察显示仪表的数字变化，仪表显示到500左右就可以停

45、止加热。4.一边加热，一边记录温度值，并用手持式温度测量仪对测量温度进行校验，正常情况下，两个仪表的显示温度应当基本一致。5.实验完成后，断电，冷却，拆除连接导线，准备下一次实验。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用24 热敏半导体传感器1掌握热敏半导体传感器的结构、原理、特点及分类。2能根据实际应用场合正确选用热敏半导体传感器。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用一、导体传感器的结构、原理、特点 热敏半导体传感器是利用PN结的结电阻的温度特性制做的热敏传感器。1.热敏半导体传感器的结构、原理 N型半导体即以电子导电为主的半导体；P型半导体则是以空穴导电为主的半

46、导体。紧密相连的P型半导体和N型半导体之间会形成一个空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性,二极管就是利用PN结的这个特性做成的。PN结的结电阻结电容等参数都是随温度变化的，利用这种变化制作的度传感器，即热敏半导体传感器。图2-4-1为硅二极管正向电压与温度、正向电流的关系曲线。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用图2-4-1 硅二极管正向电压与温度、正向电流的关系曲线第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 从图中可以看出，对一个PN结进行正向激励的时候，其被激励后导通的曲线，即PN结的正向曲线是非线性的。但当激励电流不变，将环境温度变化时，其PN结的电压与温度

47、成负相关，且有良好的线性度，温度系数约为-2mV/。2 热敏半导体传感器的特点 热电偶虽然测量范围宽，但其热电势较低；热敏电阻的灵敏度高，有利于检测微小温度的变化。由于它们的输出都是非线性的，给使用带来一定的困难。热敏半导体传感器和它们相比，最大优点是输出特性呈线性，且测温精度高。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用二、热敏半导体传感器的分类1.热敏二极管 最简单的热敏半导体传感器。图2-4-2为某型号热敏二极管的特性曲线。从图中可以看出，在恒流下，可以在-50+150环境温度范围内有很好的线性关系。其尺寸小，热时间常数小，约0.22S，灵敏的高，约-2mV/,测量范围为-50

48、+150。缺点是互换性差，通过PN结的电流不能过大，一般小于1mA。以为电流过大会引起PE结自身温度的上升而影响测量精度。比如，我们可以用开关二极管1N4148的PN结作为热敏二极管温度传感器。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 图2-4-2某型号温敏二极管的特性曲线 热敏二极管的结构简单，电路构成方便，可以在一定的温度范围内有很好的线性度。但其互换性较差，使用中需要筛选。第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 2.热敏三极管 热敏三极管的原理也是利用晶体管的PN结，只不过使用了三端原件构成，通过检测PN结的电压随温度变化的特性反应温度的变化。但晶体三极管比二极

49、管表现出更好的线性度和互换性。MTS102为较为典型的半导体热敏三极管，其封装为一般三极管的T0-90的封装形式，使用方便，使用时将其基极和集电极连接在一起作为温度传感器的一个引脚。图2-4-3为MTS102型热敏三极管传感器的封装形式和组成原理。图2-4-3 MTS102型热敏三极管传感器的封装形式和组成原理第二章 温度传感器传感器技术与应用 传感器技术与应用 MTS102型热敏三极管的工作范围在-40+150，在此范围内，其测量精度可以达到2，它的温度与电压之间的关系曲线如图2-3-4所示。其灵敏度约为-2.2 mV/。图2-4-4 MTS102温度与 电压之间的关系曲线第二章 温度传感器

50、传感器技术与应用 传感器技术与应用3.半导体集成温度传感器 半导体集成温度传感器是一种将测温驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，最大的优点是直接可以给出正比于绝对温度的理想线性输出。还具有实际尺寸小、使用方便、成本低廉等优点。集成温度传感器的检测原理同样也是PN结正向电压和温度的关系。按照输出信号的形式，集成温度传感器可分为电流、电压和数字三类。其中数字型的，可以分为逻辑输出型和数据通信输出型。电流型具有输出阻抗高的特点，可以进行数百米远的精密温度测量，同时也不必考虑信号的损失和噪声干扰问题；电压输出型直接输出电压信号且输出阻抗低，容易读识和连接后续控制电路。数字型的