《《傳感器課件》PPT課件》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《傳感器課件》PPT課件（70頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、熱電阻是利用導(dǎo)體材料的電阻隨溫度變化而變化的特性來實現(xiàn)對溫度的測量的。,6.2 熱電阻,熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。,應(yīng)用于-200600范圍內(nèi)的溫度測量,熱電阻電阻體絕緣套管接線盒,熱電阻的材料要求：電阻溫度系數(shù)要大；電阻率盡可能大，熱容量要小，在測量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學性能；電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性；應(yīng)有良好的可加工性，且價格便宜。,6.2.1 熱電阻的類型,1. 裝配式熱電阻,2. 鎧裝熱電阻,3. 端面熱電阻,4. 隔爆型熱電阻,6.2.

2、2 常用的幾種熱電阻,1. 鉑熱電阻,鉑電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可以近似用下式表示：,在0630.74范圍內(nèi)，金屬鉑的電阻值與溫度的關(guān)系為：,在-50180范圍內(nèi)，金屬銅的電阻值與溫度的關(guān)系為：,0時的電阻值,t時的電阻值,鉑容易提純，其物理、化學性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定。鉑電阻的輸出 輸入特性接近線性，且測量精度高，所以它能用作工業(yè)測溫元件和作為溫度標準。,按國際溫標IPTS-68規(guī)定，在-259.34630.73溫域內(nèi)，以鉑電阻溫度計作基準器。,在-50150范圍內(nèi)，銅電阻化學、物理性能穩(wěn)定，輸出 輸入特性接近線性，價格低廉。,2. 銅熱電阻,銅電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可近似

3、表示為：,,銅電阻的缺點是電阻率低，體積大，熱慣性大，在100以上時易氧化。, 銦電阻 銦電阻用99.999%高純度的銦絲繞成電阻，適宜在-269258溫度范圍內(nèi)使用。實驗證明，在4.2K15K范圍內(nèi)，銦電阻靈敏度比鉑電阻高10倍。 銦電阻的缺點是材料軟，復(fù)制性差。,3. 其他熱電阻, 錳電阻 錳電阻適宜在-271210溫度范圍內(nèi)使用。其優(yōu)點是在2K 63K溫度范圍內(nèi)電阻隨溫度變化大，靈敏度高。錳電阻的缺點是材料脆，難拉成絲。, 碳電阻 碳電阻適宜在-273268.5溫度范圍內(nèi)使用。其優(yōu)點是熱容量小，靈敏度高，價格低廉，操作簡便。但是碳電阻的熱穩(wěn)定性較差。,Rt為熱電阻, r1 、r2、 r3

4、為引線電阻, R1 、 R2為兩橋臂電阻, R1=R2 ,R3為調(diào)整電 橋的精密電阻。M表內(nèi)阻很大，故電流近似為零。當UA=UB時電橋平衡。若使r1=r3 ,則R3=Rt,就可消除引線電阻的影響。,1. 三線式電橋連接法,6.2.3 熱電阻測量線路,圖6-19 三線接法,2. 四線式電阻測量電路,圖6-20 四線式測量線路,因IVIM,IV0, 又EM=E+IV（ r2+r3 ）,由上式知引線電阻r1 r4將不引起測量誤差。電壓表的值EM可認為是熱電阻Rt上的壓降，據(jù)此可計算出微小溫度變化。,WZB型鉑電阻分度表 R0=100 規(guī)定分度號BA-2 分度系數(shù) A=3.39648710-2/； B

5、=-5.84710-7/2； C=-4.2210-12/4,WZB型鉑電阻分度表 R0=46 規(guī)定分度號BA-1 分度系數(shù) A=3.39648710-2/； B=-5.84710-7/2； C=-4.2210-12/4,6.3 熱敏電阻,熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實現(xiàn)測溫的。半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動態(tài)特性好，特別適于在-100300之間測溫。,熱敏電阻的缺點是互換性較差，另外其熱電特性是非線性的。,6.3.1 熱敏電阻的結(jié)構(gòu),熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷（Co）、錳（Mn）、鎳（Ni）等的氧化物采用

6、不同比例配方，高溫燒結(jié)而成。其形狀有珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等。,圖6-21 熱敏電阻的結(jié)構(gòu)類型,6.3.2 熱敏電阻的基本參數(shù),1. 標稱電阻RH,標稱電阻值是熱敏電阻在250.2、零功率時的阻值，也叫冷電阻。,2. 材料常數(shù)BN,材料常數(shù)是表征負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器材料的物理特性常數(shù)。BN值決定于材料的激活能E，它們之間滿足下面的函數(shù)關(guān)系式,,3. 電阻溫度系數(shù),熱敏電阻的溫度每變化1時電阻值的變化率叫做熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)。 即：,4. 耗散系數(shù)H,熱敏電阻器溫度每變化1所耗散的功率變化量。,5. 時間常數(shù),熱敏電阻器在零功率測量狀態(tài)下，當環(huán)境溫度突變時電阻器的溫度變化量從開始

7、到最終變量的63.2所需的時間稱為熱敏電阻的時間常數(shù),6. 最高工作溫度Tmax,熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下長期連續(xù)工作所允許的最高溫度。,熱敏電阻主要有三種類型，即正溫度系數(shù)型(PTC)、負溫度系數(shù)型(NTC)、和臨界溫度系數(shù)型(CTR)。,可見CTR臨界熱敏電阻有一突變溫度，此特性可用于自動控溫和報警電路中。,6.3.3 熱敏電阻的主要特性,NTC負溫度系數(shù)型熱敏電阻的阻值-溫度關(guān)系為：,1. NTC熱敏電阻的電阻 溫度特性,BN 為熱敏電阻的材料常數(shù)，一般BN 為2000600K，高溫下BN 將增大。 exp()函數(shù)的作用是：計算 e（自然對數(shù)的底，其數(shù)值大約等于2.7183）的指數(shù)。

8、,或表示為：,圖6-23 NTC熱敏電阻器的電阻--溫度曲線,圖中直線的斜率就是熱敏電阻的材料常數(shù)BN。,不同材料的BN不同，右圖為不同BN的RT /R25T特性曲線 exp()函數(shù)的作用是：計算 e（自然對數(shù)的底，其數(shù)值大約等于2.7183）的指數(shù)。,為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25作為參考溫度（即T0=25），則NTC熱敏電阻器的電阻 溫度關(guān)系式可寫成：,,負溫度系數(shù)型熱敏電阻的材料常數(shù),2. PTC熱敏電阻的電阻 溫度特性,PTC的電阻 溫度特性是利用正溫度系數(shù)熱敏材料在居里點附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相變引起導(dǎo)電率突變獲得的，如圖6-25所示。,圖6-25 PTC的電阻溫度曲線,由實驗得到：在工作溫

9、度范圍內(nèi)，PTC的電阻 溫度特性可近似用下面的公式表示：,,對上式取對數(shù)得：,,圖6-26 lnRT --T特性曲線,圖線的斜率即為BP：,,正溫度系數(shù)型熱敏電阻的材料常數(shù),對熱敏電阻進行線性化處理的最簡單方法是用溫度系數(shù)很小的精密電阻與熱敏電阻串或并聯(lián)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)(常稱為線性化網(wǎng)絡(luò))代替單個熱敏電阻，其等效電阻與溫度呈一定的線性關(guān)系。,6.3.4 熱敏電阻輸出特性的線性化處理,圖中熱敏電阻Rt與補償電阻Rx 串聯(lián),串聯(lián)后的等效電阻R= Rt +Rx ，只要Rx 的阻值選擇適當，可使溫度在某一范圍內(nèi)與電阻的倒數(shù)成線性關(guān)系，所以電流I與溫度T成線性關(guān)系。,串聯(lián)補償電路,并聯(lián)補償電路,圖中熱敏電阻

10、Rt與補償電阻Rx并聯(lián)，其等效電阻R= Rt // Rx 。由圖可知，R與溫度的關(guān)系曲線便顯得比較平坦。因此可以在某一溫度范圍內(nèi)得到線性的輸出特性。,常用熱敏電阻,熱敏電阻體溫表原理 點擊此處播放,6.4 PN結(jié)溫度傳感器,利用PN結(jié)的結(jié)電壓隨溫度成近似線性變化這一特性實現(xiàn)對溫度的檢測、控制和補償?shù)裙δ??？芍苯佑冒雽?dǎo)體二極管或?qū)雽?dǎo)體三極管接成二極管做成PN結(jié)溫度傳感器。這種傳感器的測溫范圍為-50至150，與其他的溫度傳感器相比有較好的線性度，且尺寸小、響應(yīng)快、靈敏度高、熱時間常數(shù)小，因此用途較廣。,6.4.1 溫敏二極管、三極管,1. 溫敏二極管的工作原理,理想二極管的伏安 特性可近似表示

11、為：,,只要滿足正向電壓UF大于幾個kT/q，其正向電流IF與UF及溫度T之間的關(guān)系可表示為：,,二極管正向電流,二極管反向飽和電流,K為波爾茲曼常數(shù),二極管的反向飽和 電壓表示為：,,兩邊除以Is ，取對數(shù)得：,所以,溫敏二極管正向外加電壓：,材料的禁帶寬度,與溫度無關(guān)的包含結(jié)面積A的常數(shù),與遷移率有關(guān)的常數(shù),上式表明：在一定電流下，二極管正向電壓隨溫度的升高而降低，呈負溫度系數(shù)。 （只要它們工作在PN結(jié)空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流和表面漏電流可以忽略） 經(jīng)研究表明，對于鍺和硅二極管，在相當寬的一個溫度范國內(nèi)其正向電壓與溫度之間的關(guān)系與上式吻合。,與溫度無關(guān)的包含結(jié)面積A的常數(shù),與遷移率有關(guān)的常數(shù)

12、,絕對溫度0度時的電壓,溫敏二極管正向外加電壓,對于不同的工作電流，溫敏二極管的UF-T關(guān)系是不同的；但是UF-T之間總是線性關(guān)系。例如2DWMl型硅溫敏二極管，在恒流下， UF-T在-50+150范圍內(nèi)呈很好的線性關(guān)系。,另外：上式只對擴散電流成立，但實際二極管的正向電流還包括空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流和表面復(fù)合電流。故實際二極管的電壓 溫度特性是偏離理想情況的。,2. 溫敏三極管的工作原理,利用三極管發(fā)射結(jié)正向電壓Ube隨溫度上升而下降的原理。由于在發(fā)射結(jié)正向偏置下，雖然發(fā)射結(jié)電流也包括擴散電流、空間電荷的復(fù)合電流和表面復(fù)合電流三種成分，但只有其中的擴散電流能夠到達集電極形成集電極電流Ic，而

13、另兩種電流則作為基極電流漏掉。因此，晶體管的IcUbe關(guān)系比二極管的IFUF關(guān)系更符合理想情況，所以表現(xiàn)出更好的電壓 溫度線性關(guān)系。,NPN晶體管的基極發(fā)射極電壓與溫度T和Ic的函數(shù)關(guān)系為：,若Ic恒定，則Ube僅隨溫度T成單調(diào)單值函數(shù)變化。,與遷移率有關(guān)的常數(shù),與溫度無關(guān)的包含結(jié)面積A的常數(shù),絕對溫度0度時的電壓,2.基本測溫電路 溫敏晶體管作為負反饋元件跨接在運算放大器的反相輸入端和輸出端，基極接地。如此連接的目的是使發(fā)射結(jié)為正偏。而集電結(jié)幾乎為零偏。,圖6-28 溫敏晶體管測溫電路,零偏的集電結(jié)使得集電結(jié)電流中不需要的空間電荷的復(fù)合電流和表面復(fù)合電流為零，而發(fā)射結(jié)電流中的發(fā)射結(jié)空間電荷復(fù)

14、合電流和表面漏電流作為基極電流流入地。因此，集電極電流完全由擴散電流成分組成。集電極電流Ic只取決于集電極電阻RC和電源E，保證了溫敏晶體管的Ic恒定。電容C的作用是防止寄生振蕩。,將溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一芯片的集成化溫度傳感器。 其最大優(yōu)點是直接給出正比于絕對溫度的理想的線性輸出，另外，體積小、成本低廉。因此，它是現(xiàn)代半導(dǎo)體溫度傳感器的主要發(fā)展方向之一。目前，已經(jīng)廣泛用于-50+150溫度范圍內(nèi)的溫度監(jiān)測、控制和補償?shù)脑S多場合。,6.4.2 集成溫度傳感器,晶體管的Ube在Ic恒定條件下，認為與溫度呈線性關(guān)系；但實際上關(guān)系式中仍然存在非線性項，另外這種關(guān)系也不直接與任何溫標(絕對、

15、攝氏、華氏等)相對應(yīng)。此外溫敏晶體管Ube值在同一生產(chǎn)批量中，可能有100mv的離散性。,1. 基本原理,因此集成溫度傳感器中均采用一對非常匹配的差分對管作為溫度敏感元件，采用下圖的電路形式，使其直接給出正比于絕對溫度的嚴格的線性輸出。,電路中1、2是結(jié)構(gòu)和性能完全相同的晶體管，它們分別在不同的集電極電流I1和I2下工作。由圖可見，R的電壓應(yīng)為1和2的基極發(fā)射極電壓差。,圖6-29 差分對管電路,由于兩管集電極面積相等，因此，集電極電流比應(yīng)等于集電極電流密度比，即：,故只要保持兩管的集電極電流密度之比不變，R上的電壓Ube將正比于絕對溫度T。,與遷移率有關(guān)的常數(shù),與溫度無關(guān)的包含結(jié)面積A的常數(shù)

16、,絕對溫度0度時的電壓,若兩管增益很高，則基極電流可以忽略不計，那么集電極電流等于發(fā)射極電流，則,即Ic2T。 因此R2上的電壓也正比于絕對溫度T。 又因為Ic/Ic2保持不變，則IcT，于是電路總電流I=（ Ic+Ic2c2）T。,集電極電流密度比,集成溫度傳感器按輸出信號可分為電壓型和電流型兩種。 電壓型的溫度系數(shù)約為10mV/； 電流型的溫度系數(shù)約為1A/。 這就很容易從它們輸出信號的大小換算成絕對溫度，而且其輸出電壓或電流與絕對溫度成線性關(guān)系。,2. 集成溫度傳感器的信號輸出方式,右圖所示電路常被稱為 電流鏡PTAT核心電路。,該電路是在差分對管電路的基 礎(chǔ)上，用兩只PNP管分別與T1

17、 和T2串聯(lián)組成所謂的電流鏡， 兩PNP管具有完全相同的結(jié)構(gòu)和性能，且發(fā)射極偏壓相同，故流過T1和T2的集電極電流在任何溫度下始終相等。,(1) 電流型集成溫度傳感器,圖6-30 電流輸出型電路,若PTAT核心電路中兩管增益無窮大，則可忽略Ic隨集電極電壓Ube變化和基極電流的影響。為使T1和T2工作在不同的Jc下，兩管必須采用不同的發(fā)射極面積。設(shè)T1和T2集電極面積之比，則兩管的電流密度比為其面積的反比。只要在電路的兩端施加高于2Ube的電壓，R1上得到的電壓為：,,集電極電流密度比,集電極電流密度比,故流過該電路的總電流為：,,若電阻R1的溫度系數(shù)為零，則電路的總電流正比于絕對溫度。若取R

18、1=358，代入上式可求得電路的輸出靈敏度為1A/K。,美國AD公司生產(chǎn)的AD590、我國產(chǎn)的SG590都是典型的電流輸出型溫度傳感器。它們的基本電路與圖6-30一樣，只是還增加了一些附加電路以提高其性能。,集電極電流密度比,AD590和AD592是電流輸出，二端子IC溫度傳感器，測溫范圍為-55+150， 靈敏度為1A/K，Vcc為+4v+30v。 AD590是利用溫度系數(shù)很小的電阻把PTAT電壓變換成PTAT電流。利用晶體管的阻抗變換特性使集電極獲取高阻抗電流輸出，從而可串接阻抗很大的負載把信號放大，使電路的總電流與溫度系數(shù)很小的電阻中的電流成固定比例關(guān)系，而與其制造工藝無關(guān)。,附：單片雙

19、端集成溫度傳感器AD590,T1，T2， T3，T4的發(fā)射極連在一起接到R1上，T6的發(fā)射極則接到R2上。 R1 = R2 /4，這使流過T1T4的總電流與流過T6的電流之比更好地符合4：1，克服了因T6集電極電位與其它NPN管集電極電位不同而引起的誤差。,在T7的集電極回路中增加了一個二極管接法的PNP管T5，它的作用除了與T6對稱以平衡T7和T8的集電極電壓，以減小T7和T8基區(qū)調(diào)制效應(yīng)引起的誤差之外，還對器件提供了很好的保護作用。如果沒有T5 ，在萬一電源極性接反，就會有大電流流過把器件燒壞。,T12是一個結(jié)型場效應(yīng)管，實際上是一個高值電阻。它的作用是保證電路在接上電源時能可靠地啟動。流

20、過T12的電流最后也流過T10，因此不會產(chǎn)生附加的誤差電流。 電容C和電阻R3、R4是為了防止寄生振蕩。 T8，T11是產(chǎn)生基-射電壓正比于絕對溫度的晶體管， R5、R6將電壓轉(zhuǎn)換電流。T10的集電極電流跟蹤T9和T11集電極電流，它提供所有的偏置及電路其余部分基底漏電流，從而迫使總電流正比于絕對溫度。,電路中電流I1決定于T9和T11的發(fā)射極面積比和電阻R5 、R6的值。,T9的發(fā)射區(qū)面積是T10或T11的8倍。 T10或T11的集電極電流與T9的相同，故R5的電流為2I1。,R5，R6溫度系數(shù)極小，在片子上用激光研修。在+25校準器件。,右圖為其伏-安特性。U為作用于AD590兩端的電壓，

21、I為其中電流，由圖：在430v時，該器件為一個溫控電流源，且其電流值與Tk成正比，即IkTTk,kT為標度因子，在器件制造時已作標定，是每度lA，其標定精度因器件的檔次而異(常分為I，J，K，L，M五檔)。 因此，AD590在電 路中以理想恒流源 的電路符號出現(xiàn)。,,下圖為其溫度特性，它在-55+150溫域中有較好線性度，其非線性誤差因檔次而異。若略去非線性項，則有 IkTTc+273.2(A),下圖為非線性曲線。AD590的I檔T 3，M檔T0.3，其余檔次在二者之間。從圖中可見，在-55+100范圍內(nèi)， T遞增，容易補償，在+100+I 50為遞減，可進行分段補償。,AD590的主要特征是

22、： (1)線性電流輸出：1AK，正比于絕對溫度； (2)寬溫度范圍：-55+150； (3)精度高：激光校準精度到 0.5(AD590M) (4)線性好：滿量程范圍 0.3t(AD590M); (5)電源范圍寬：+4+30V。,在電流鏡(低電源電壓且與絕對溫度成正比 )PTAT電路上加一個和T3和T4相同性質(zhì)的PNP管T5 （ T3、 T4、T5組成恒流源） 和一只電阻R2，就構(gòu) 成了一種電壓輸出型 的集成溫度傳感器的 基本電路。,(2) 電壓型集成溫度傳感器,圖6-31 電壓輸出型電路,由于T5的發(fā)射極電壓及面積與T3和T4相同，所以流過T5和R2支路的電流與另兩支路電流相等，因此輸出電壓為

23、：,由此可見，只要R1：R2為一常數(shù)，就可以得到正比于絕對溫度的輸出電壓U0，輸出電壓的溫度靈敏度可由R2： R1和來調(diào)整。,集電極電流密度比,6.5熱電式傳感器的應(yīng)用,AD590電流型集成溫度傳感器（圖7-23） 測溫原理： 晶體管對T3T4使IT分為I1=I2 ，起恒流作用；T1, T2起感溫 作用； T1由8只與T2相同的晶體 管并聯(lián)而成，因此，T2中的電流 密度J2為T1中的電流密度J1的8 倍，即 J28J1,,,圖7-23 輸出電流正比于絕對溫度的AD590溫度敏感電路,6.5熱電式傳感器的應(yīng)用,Ube1和Ube2反極性串接施加在電阻R上，則R上電壓為：,通過R的電流

24、 ，IT 2I1，若取R358，則 kTIT/T2179/3581(A/K) 所以 ITkTT,6.5熱電式傳感器的應(yīng)用,AD590的特性： 1）伏安特性 當U=430V時，理想恒流源，電流只隨溫度T變化； 2）溫度特性 55150，IT與T有較好的線性，輸出電流靈敏度kI 1A/K；非線性誤差為T(0.33)； 3）精度：可達0.5,,圖7-24 AD590基本特性曲線,6.5熱電式傳感器的應(yīng)用,集成溫度傳感器的典型應(yīng)用 1測量溫度 AD590遠程溫度測量 如圖7-25所示。,,圖7-25 AD590攝氏溫度測量電路,6.5熱

25、電式傳感器的應(yīng)用,數(shù)字溫度計 如圖7-26所示。,,圖7-26 XSW-1型數(shù)字溫度計,6.5熱電式傳感器的應(yīng)用,2.測量溫差 如圖7-27所示。 I=IT1IT2kT( T1T2)； U0IR3kTR3(T1T2)f( T1T2 ),,圖7-27 AD590溫差測量電路,6.5熱電式傳感器的應(yīng)用,3測最低溫度 AD590串連，如圖7-28所示； 4測平均溫度 AD590并連，如圖7-28所示。,圖728 AD590測最低溫度、平均溫度,6.5熱電式傳感器的應(yīng)用,5.溫度控制 AD590作為溫度控制的感溫元件，如圖7-29所示,圖7-29 AD590溫度控制系統(tǒng),IC型感溫元件

26、目前發(fā)展迅速。把溫感元件和變送電路集成在一顆芯片中，可直接完成測溫工作。,直接以數(shù)字通信方式輸出測出溫度數(shù)據(jù)的溫感元件 LM75溫度傳感器包含一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個數(shù)字過熱檢測器。計算機可通過 IC接口隨時查詢LM75，讀取溫度數(shù)據(jù)，該溫度傳感器測量溫度范圍是一55一十125. 當超出設(shè)置的溫度門限時，漏極開路的過熱輸出(OS)吸收電流。OS輸出具有2種工作模式：比較器模式或中斷模式。 另外，主機還可讀取LM75的內(nèi)部寄存器。LM75的地址由三個引腳設(shè)置，允許多個器件工作在同一總線上。 3.0V至5.5V的電源電壓范圍、低電源電流以及IC接口使得LM75非常適合需要熱管理和熱保護的多種應(yīng)用。,作 業(yè),P143 習題： 5、8、10、12、15 共5題,