第7章热电式传感器.ppt

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1、 第七章第七章 热电式传感器热电式传感器 温温度度变变化化 转变为转变为传感元件传感元件电、磁参电、磁参数的变化数的变化 电阻电阻 磁导磁导电动势电动势 测量电路测量电路可可测测的的电电参参数数 一、热电式传感器定义、热电式传感器定义二、热电式传感器分类：二、热电式传感器分类：在各种热电式传感器中，以把温度量转换为电势和在各种热电式传感器中，以把温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍电阻的方法最为普遍,分类如下分类如下:1、热电偶、热电偶 将温度转变为电动势。将温度转变为电动势。2、热电阻、热电阻 将温度转变为金属电阻值的变化。将温度转变为金属电阻值的变化。3、PN结型温度传感器结型温度传感器利

2、用半导体利用半导体PNPN节与温度的关系。节与温度的关系。4、热敏电阻、热敏电阻 将温度转变为半导体电阻值的变化。将温度转变为半导体电阻值的变化。一、热电效应原理一、热电效应原理 把两种不同的金属把两种不同的金属A和和B连接成如图连接成如图1(a)所示的闭所示的闭合回路。如果将它们的两个接点中的一个进行加热，合回路。如果将它们的两个接点中的一个进行加热，使其温度为使其温度为 T 而另一点置于室温而另一点置于室温T0中、则在回路中中、则在回路中就有电流产生。如果在回路中接入电流计就有电流产生。如果在回路中接入电流计M。如图如图1(b)所示就可以看到电流计的指针偏转，这一现象称为所示就可以看到电流

3、计的指针偏转，这一现象称为热电效应。热电效应。通常把两种不同的金属通常把两种不同的金属的这种组合称为的这种组合称为热电偶热电偶 A和和B称为称为热电极热电极温度高的接点称为温度高的接点称为热端热端(或称为工作端或称为工作端)而温度而温度低的接点称为低的接点称为冷端冷端(或称或称为自由端为自由端)有理论分析知道，热电效应产生的热电势是由有理论分析知道，热电效应产生的热电势是由接触接触电势电势和和温差电势温差电势两部分组成。两部分组成。为什么会产生接触电势和温差电势呢为什么会产生接触电势和温差电势呢图图7-1热电效应原理图热电效应原理图？（一）、接触电势产生的原因（一）、接触电势产生的原因 由于所

4、有金属都具有自由电子，而且在不同的由于所有金属都具有自由电子，而且在不同的金属中自由电子的浓度不同，因此当两种不同金属金属中自由电子的浓度不同，因此当两种不同金属A和和B接触时，在接触处便发生电子的扩散。接触时，在接触处便发生电子的扩散。B金属金属 A金属金属e扩散扩散+-e扩散扩散反扩散反扩散反扩散反扩散 在这种动态平衡状态下，在这种动态平衡状态下，A和和B两金属之间便产两金属之间便产生一定的接触电势生一定的接触电势图7-2 它的数值取决于两种金属的性质和接触点的温度、它的数值取决于两种金属的性质和接触点的温度、而与金属的形状及尺寸无关。而与金属的形状及尺寸无关。由物理学可知，该电势为由物理

5、学可知，该电势为0()lnAABBk TneTen波尔兹曼常数（波尔兹曼常数（）0k绝对温度绝对温度T,ABnn材料材料A、B的自由电子密度的自由电子密度231.38 10/J Ke电子电荷电量电子电荷电量()191.6 10C（二）、温差电势产生的原因（二）、温差电势产生的原因 对于任何一个金属，当其两端温度不同时，两端对于任何一个金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同。温度高的一端浓度大具的自由电子浓度也不同。温度高的一端浓度大具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此，高温端的自由电子要向低温端扩散最后同因此，高温端的自由电

6、子要向低温端扩散最后同样要达到动态平衡，高温端失去电子而带正电，而样要达到动态平衡，高温端失去电子而带正电，而低温端得到电子带负电。从而在曲端形成低温端得到电子带负电。从而在曲端形成温差电势温差电势，又称为汤姆森电势。又称为汤姆森电势。在由两种不同金属组成的闭合回路中当两端点的在由两种不同金属组成的闭合回路中当两端点的温度不同时，回路中产生的热电势等于上述电位差温度不同时，回路中产生的热电势等于上述电位差的代数和。的代数和。（三）、回路中的总热电势（三）、回路中的总热电势(1)金属金属A和金属和金属B的一个接点在温度为的一个接点在温度为T时，产生的接触电势。时，产生的接触电势。(2)金属金属A

7、和金属和金属B的另一接点在温度为的另一接点在温度为T0时，产生的接触电势时，产生的接触电势。(3)金属金属A两端温度为两端温度为T,T0时，形成的温时，形成的温差电势。差电势。(4)金属金属B两端温度为两端温度为T,T0时形成的温时形成的温差电势。差电势。因此，整个闭合回路内、总的热电势因此，整个闭合回路内、总的热电势 为为:()ABeT0()ABeT0(,)Ae T T0(,)Be T T0000(,)()()(,)(,)ABABABBAET TeTeTe T Te T T0(,)ABET T 应该指出的是，在金属中自由电子数目很多、以应该指出的是，在金属中自由电子数目很多、以致于温度不能显

8、著地改变它的自内电子浓度。所以在致于温度不能显著地改变它的自内电子浓度。所以在同一种金属内的温差电势极小，可以忽略。因此，在同一种金属内的温差电势极小，可以忽略。因此，在一个热电偶回路中起决定作用的是两个接点处产生的一个热电偶回路中起决定作用的是两个接点处产生的与材料性质和该点所处温度有关的接触电势，故上式与材料性质和该点所处温度有关的接触电势，故上式可改写为：可改写为：在实际使用中为了方便，在标定热电偶时，使在实际使用中为了方便，在标定热电偶时，使T0为常数、即为常数、即则上式变为：则上式变为：000(,)()()()lnAABABABBnKET TeTeTTTen00()()ABeTf T

9、C00(,)()()()()ABABABET TeTeTf TCT 若固定若固定T0则热电势可仅看作是则热电势可仅看作是T的函数的函数()T10305070热电势(mV)t()0C16008001200400镍铬-考铜铁-考铜镍铬-镍硅铂铑-铂图7-3各种热电偶的热电势与温度关系曲线To=0)对于各种不同金属组成的热电偶，温度与热电势之间对于各种不同金属组成的热电偶，温度与热电势之间有着不同的函数关系。一般是用实验的方法来求取这个有着不同的函数关系。一般是用实验的方法来求取这个函数关系。如图函数关系。如图7 73 3所示的曲线所示的曲线,或列成表格或列成表格(称为热电称为热电偶分度表偶分度表)

10、，供使用时查阅。，供使用时查阅。Sensor 近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；个阶段；(1)传统的分立式温度传感器传统的分立式温度传感器(含敏感元件含敏感元件)；(2)模拟集成温度传感器控制器；模拟集成温度传感器控制器；(3)智能温度传感器。智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。由集成化向智能化、网络化的方向发展。1、模拟集成温度传感器模拟集成温度传感器 集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，集成传感器是采用硅半导体集成工艺而

11、制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在温度传感器是在20世纪世纪80年代问世的，它是将温度年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一点是功能单一(仅测量温度仅测量温度)、测温误差小、价格低、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，适合响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校定，外围电远

12、距离测温、控温，不需要进行非线性校定，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。等。2 2、智能温度传感器、智能温度传感器 数字温度传感器数字温度传感器是是在在2020世纪世纪9090年代中期问世的。它年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术是微电子技术、计算机技术和自动测试技术ATEATE的结晶。的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、智

13、能温度传感器内部都包含温度传感器、A/DA/D转换器、转换器、信号处理器、存储器信号处理器、存储器(或寄存器或寄存器)和接口电路。有的产和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器品还带多路选择器、中央控制器(cpucpu)、随机存取存储随机存取存储器器(RAM)RAM)和只读存储器和只读存储器(ROM)ROM)。其特点是能输出温度数其特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)MCU)；并并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。其智能化程度也

14、取决于软件的开发水平。二、热电偶基本定律二、热电偶基本定律00(,)()()()()ABABABET TeTeTf TCT 从式从式 中可以得出热电偶的一些基本定律即：中可以得出热电偶的一些基本定律即：1、只有由化学成分不同的两种导体材料组成的热电只有由化学成分不同的两种导体材料组成的热电偶，其两端点间的温度不同时，才能产生热电势。热偶，其两端点间的温度不同时，才能产生热电势。热电势的大小与材料的性质及其两端点的温度有关，而电势的大小与材料的性质及其两端点的温度有关，而与形状、大小无关。与形状、大小无关。2、化学成分相同的材料组成的热电偶，即使两个接化学成分相同的材料组成的热电偶，即使两个接点

15、的温度不同，回路的总热电势也等于零，应用这一点的温度不同，回路的总热电势也等于零，应用这一定律可以判断两种金属是否相同。定律可以判断两种金属是否相同。3、化学成分不相同的两种材料组成的热电偶，若两化学成分不相同的两种材料组成的热电偶，若两个接点的温度相同，回路中的总热电势也等于个接点的温度相同，回路中的总热电势也等于0。4、在热电偶中插入第三种材料，只要插入材料两端在热电偶中插入第三种材料，只要插入材料两端的温度相同对热电偶的总热电势没有影响。的温度相同对热电偶的总热电势没有影响。为什么为什么？如图如图7 74 4所示。图所示。图7 74(4(a)a)是将热电偶的一个接点分是将热电偶的一个接点

16、分开，接入第三种材料开，接入第三种材料,设接点设接点2 2和接点和接点3 3的温度相同的温度相同(T0)T0)，则这时热电偶回路中的总电势为则这时热电偶回路中的总电势为:00()()()ABBCCAEeTeTeT图7-4热电偶中加入第三种材料（a）（b）因为我们知道，如果热电回路各接点温度相同其总因为我们知道，如果热电回路各接点温度相同其总的热电势为的热电势为0。于是假设当接点于是假设当接点1、2和和3的温度都为的温度都为T0时其回路总的热电势必为时其回路总的热电势必为0，即，即000()()()0ABBCCAEeTeTeT则有：则有：000()()()BCCAABeTeTeT 把上式代入到把上式代入到 得到：得到：与没有插入第三种材料前一样，总热电势没变！与没有插入第三种材料前一样，总热电势没变！00()()()ABBCCAEeTeTeT0()()ABABEeTeT5、如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电势已知，则此两种导体组成热电偶的热电势生的热电势已知，则此两种导体组成热电偶的热电势就已知。就已知。即：如图所示，已知材料