传感器原理-PN结、热电偶[1]1

由运放和温敏三极管组成，C防止寄生振荡。T为反馈元件跨接在运放 运放和温敏三极管组成， 防止寄生振荡。 组成 的反相输入端和输出端，基极接地。 的反相输入端和输出端，基极接地。 与温度无关， T的集电极Ic仅取决于Rc和电压E, Ic=E/Rc，与温度无关，保证了恒流 源工作条件。 近似线性下降。 源工作条件。电压Vbe随T近似线性下降。
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)
I/O
1 2 3 4
5 6
VDD NC NC NC
DS 18B20
1 2 3
GND NC NC
DS1820
7 8
GND I/O VDD (a) PR—35封装 (b) SOIC封装
DS18B20的管脚排列
DS1820温度与数字量对应关系表 温度与数字量对应关系表 温度/℃ +125 +25 +1/2 0 -1/2 -25 -55 输出的二进制码 0000000011111010 0000000000110010 0000000000000001 0000000000000000 1111111111111111 1111111111001110 1111111110010010 对应的十六进制码 00FAH 0032H 0001H 0000H FFFFH FFCEH FF92H
活动3.了解热电偶原理和特征 活动3.了解热电偶原理和特征 3.
将两种不同材料的导体A 将两种不同材料的导体A、B的端点焊接起来 ，构成一个 闭合回路。当导体A 两个接点温度T 之间存在差异时， 闭合回路。当导体A、B两个接点温度T和T0 之间存在差异时， 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。 热电偶两个电极的一端焊接在一起作为检测端（ 热电偶两个电极的一端焊接在一起作为检测端（也叫工作 热端）；将另一端开路，用导线与仪表连接， ）；将另一端开路 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）。
Ut
硅管结电压常温下约0.7v 并且大小随温度升高而减小，
℃
ut
PN结温度传感器的优缺点 PN
T/℃
优点：灵敏度高、线性好、价格低廉 缺点：一致性差
二、晶体管温度传感器
测温范围 -50℃～+150℃
在晶体管集电极电流恒定下， 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。
热处理温控系统
任务一、 任务一、认识热电偶
活动1 活动1：了解热电偶的基本特性
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，ф0.4mm、长约250mm的 mm、长约250mm的 250mm 漆包铜线和康铜丝各一根。 漆包铜线和康铜丝各一根。
活动1：了解热电偶基本特性（2） 活动1 了解热电偶基本特性（
工作 端 温度 ℃ －0 0 100 200 0 10 20 30 热电动势（mV） -0.000 0.000 4.095 8.137 -0.392 0.397 4.508 8.537 -0.777 0.798 4.919 8.938 -1.156 1.203 5.327 9.341 -1.527 1.611 5.733 9.745 -1.889 2.022 6.137 10.151 40 50
典型电流式集成温度传感器有： AD590 AD592 TMP17
典型电压式集成温度传感器有： LM334 LM35 TMP37
数字输出型IC温度传感器
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。
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， 而热电偶的内阻与其长短，粗细，形状有关
2、热电偶回路的主要性质 （1）中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体， 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， 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。
DS1820的特性 １、 DS1820的特性 单线接口：仅需一根口线与MCU连接； 无需外围元件； 由总线提供电源； 测温范围为-55℃～125℃，精度为0.5℃； 九位温度读数； A/D变换时间为200ms； 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。
DS18B20引脚及功能 2、 DS18B20引脚及功能
热电偶的工作原理
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。
热电偶两端的热电动势可以用下式表示： 热电偶两端的热电动势可以用下式表示： Et = EAB(t) – EAB(t0) 式中： 热电偶的热电动势； 式中：Et ——热电偶的热电动势； 热电偶的热电动势 温度为t EAB(t) ——温度为t时工作端的热电动势； 温度为 时工作端的热电动势； 温度为t EAB(t0) ——温度为t0时自由端的热电动势。 温度为 时自由端的热电动势。
（2）标准电极定律 ） 当工作端和自由端温度为T T0时 用导体A 当工作端和自由端温度为T和T0时，用导体A、B 组成热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB AC热电偶和CB热电偶的 组成热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的 热电动势的代数和。 热电动势的代数和。
E AB (t , t0 ) = E AC (t , t0 ) + ECB (t , t0 )
2. 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 热电极B 热电极B
右端称为： 右端称为：
热电极A 热电极A
A
EABC(t,t0)=EAB(t,t0) 两端接点温度相同） （C两端接点温度相同） 两端接点温度相同
t B t0
C
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， 连接导线等，也允许采用 任意的焊接方法来焊制热 电偶
b）可以采用开路热电 ） 偶对液态金属和金属壁 面进行温度测量
半导体PN PN结型温度传感器 1.3 半导体PN结型温度传感器
一、二极管温度传感器
是利用PN结正向电压与温度关系的特性制作的。 是利用PN结正向电压与温度关系的特性制作的。 PN结正向电压与温度关系的特性制作的 PN结理论可知 结理论可知， 由PN结理论可知，
Ut
不变时， 结 的上升而下降， 当If 不变时，PN结Ut 随T的上升而下降，近似线性关系 的上升而下降
A A A
t1
B
= t3 t1
B
t2
+
t2
B
t3
EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3) EAB(t,t0)=EAB(t,tn)+EAB(tn,t0)
热电偶的分度表
如果自由端温度恒定不变， 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， Et=f(t)。 有关，即Et=f(t)。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， 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0℃作为冷端基准温度， 0℃作为冷端基准温度 上以0℃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。
3.薄膜型热电偶
普通装配型热电偶的外形
接线盒 热电偶工作端（热端） 热电偶工作端（热端） 引出线套管
不锈钢保护管 不锈钢保护管
固定螺纹 普通铠装热电偶的结构
铠装型热电偶可 长达上百米
铠装型热电偶外形
小形K型热电偶 小形 型热电偶 其他热电偶外形
二、热电偶使用训练 1、补偿导线 、
补偿导线由两种不同性质的廉价金属材料制成， 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（0~100℃），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 度范围内（0~100℃），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。
或
E AB (t , t0 ) = E AC (t , t0 ) − EBC (t , t0 )
A A C源自文库B
t
t0
=
t
C
t0
+
t
B
t0
简化热电偶的选配
（3）中间温度定律 ） 热电偶AB在接点温度为 、 时的热电动 热电偶 在接点温度为T1、T3时的热电动 在接点温度为 等于热电偶在接点温度为T1、 和 、 势，等于热电偶在接点温度为 、T2和T2、T3 时的热电动势总和
1. 基本原理
由晶体管原理知
2. 晶体管温度传感器的结构
温敏三极管必须附加外围电路 检测温度时温敏三极管必须附加外围电路。 检测温度时温敏三极管必须附加外围电路。 外围电路包括参考电压源﹑运放﹑线性电路等部分。 外围电路包括参考电压源﹑运放﹑线性电路等部分。 包括参考电压源
3、晶体管温度传感器基本电路 、
任务二、 任务二、热电偶应用训练 一、热电偶的种类 8种国际通用热电偶
名称
分度号 B S N J
热电偶丝
1.铂铑30—铂铑6 3.铂铑10—铂 5镍铬硅—镍硅 7.铁—铜镍
2.铂铑13—铂 R 4.镍铬—镍硅 K 6.镍铬—铜镍（康铜）E 8.铜—铜镍 T
几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线
任务二、 任务二、热电偶应用训练 二、热电偶的结构 1.普通型热电偶 2.铠装型热电偶
1.5热电偶及其应用
项目目标：通过本项目的学习和训练， 项目目标：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， 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用方法。 通热电偶的基本使用方法和温度补偿的常用方法。
1.5热电偶传感器 热电偶传感器
集成温度传感器 1.4 集成温度传感器
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 U/f 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。
集成温度传感器的分类
电压型IC温度传感器 模拟输出型IC温度传感器 电流型IC温度传感器 数字输出型IC温度传感器。 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。 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 1µA/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。
左端称为： 左端称为：
热电势 A
测量端
（工作 端、热 端）
自由端
（参考 端、冷 端）
B
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。
活动2 活动2：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， 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。 以看出两种不同的金属材料构成热电偶的敏感元件。热电 偶芯（ 就是热电偶的核心部分。 偶芯（丝）就是热电偶的核心部分。