电量型传感器

Vcc R RA
差动放 大器
Vo
Rt
RB
热电阻式传感器
温度控制
Vcc R3 R R1 R4 VR Rt R2 R5 VT1(9013) J VD LED VT2(9012)
VR设定动作温度。要控温度比 实际温度高时，VT1的be间电 压大于导通电压，VT1导通， 相继VT2导通，继电器J吸合， 电热丝加热。当实际温度达到 要控温度时，Rt阻值降低， VT1的be间电压过低，VT1截 止，相继VT2截止，继电器断 开，电热丝停止加热。
热电偶基本定律 中间导体定律
C T0 A T T0 B
பைடு நூலகம்
EABC (T , T 0) EAB (T ) EBC (T 0) ECA (T 0)
当T=T0 E AB (T 0) EBC (T 0) ECA (T 0) 0
EBC (T 0) ECA (T 0) EAB (T 0)
热敏电阻在其本身温度变化 1C 时，电阻值的相对变化量 称为热敏电阻的电阻温度系数 1 dRT B 2 RT dT T
热电阻式传感器
热敏电阻的伏安特性
在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端的电压U之 间的关系称为热敏电阻的伏安特性。 100 当热敏电阻的电流很小时，不足以使之加热， 电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线， 0C 10 U(V) 25C 遵循欧姆定律，主要用来测温。 当电流增达到一定值，电流使热敏电阻温度 1 60C 升高，出现负阻特性。热敏电阻的温升与周 0.1 3 4 107 10 6 105 10 10 围介质的温度及散热有关，电阻值取决于介 I(mA) 质的流速、密度等散热条件，主要测量流体 速度和介质密度。
同一金属材料的两端温度不同时，电子从高温端向低温端扩散的 数量多，最后达到平衡。此时两端形成的电位差即温差电势。
e(T, T0) dT
T0
T
—汤姆逊系数，表示温度为1摄
氏度时所产生的电动势值。
热电偶传感器
温差电动势与接触电动势相比可以忽略不计，热电偶的总电动势
EAB (T , T 0) EAB (T ) EAB (T 0)
保证温度测量正确的措施：
正确的选择测量点 尽量改进测量手段和提高仪器水平
常用温标
摄氏温标：以水银为测量物质，制成玻璃水银温度计进行温度测量。 规定标准大气压下，水的冰点为0摄氏度，沸点为100摄氏度，将水 银柱在这两点之间的长度分为100等份，每份为1摄氏度。
华氏温标：以水银为测量物质，制成玻璃水银温度计进行温度测量。 规定标准大气压下，水的冰点为32华氏度，沸点为212华氏度，将 水银柱在这两点之间的长度分为180等份，每份为1华氏度。 热力学温标：又叫绝对温标或开尔文温标，将温度数值与理想热机 的效率相联系，根据热力学第二定律来定义温度的数值。定义水的 三相点（固、液、气三相并存）的热力学温度标指数值为273.16。 水的冰点是273.15K，沸点是373.15K。 热力学温度=摄氏度+273.15
选用在一定范围内与热电偶相同热电性能的廉 价导线作为补偿导线。
热电偶本身是由廉价金属制成的，可用本身材 料作为补偿导线。
热电偶传感器
冷端温度校正法 热电偶的温度—热电动势关系曲线是在冷端温度保持0摄氏度测得 的，所以冷端温度不为0时要对测量值进行修正。 已知冷端温度T0，可查表得E(T0,0)，测得值为E(T,T0)，用下式计 算得一电动势，反查表可得要测温度。
3）结构简单，机械性能好，可以根据不同要求，制成各种形状。
热电阻式传感器
缺点 线性度较差，只在某一较窄温度范围内有较好的线 性度。
热敏电阻随温度变化的特性不同分为：正温度系数（PTC）， 负温度系数（NTC），临界温度系数（CTR）。
PTC热敏电阻当温度超过某一值时，其电阻值朝正的方向 快速变化。主要用于彩电消磁、各种电器设备的过热保护 和发热源的定温控制，也可以作为限流元件使用。
热电偶传感器：结构简单，制造方便，测温范围 宽，-50~1600摄氏度，重复性和稳定性好，测温 精度较高。 两根不同性质的金属或合金A和B，组成闭合电路， 称之为热电偶。当结点1、2处于不同温度时，电 路中产生热电动势及电流。1为测量端，T的温度 较高，2为参比端，T0通常是环境温度。2通常不 连接，接入测量仪表。
热电阻式传感器
热敏电阻主要由热敏探头、引线、壳体等构成 热敏电阻的主要参数 1）标称电阻值RH 在环境温度为 25 0.2C 时测得的电阻值，大 小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。
2）耗散系数H 指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差 1C时热 敏电阻所耗散的功率。
3）热容量C 热敏电阻的温度变化 1C所需吸收或释放的热量。 4）能量灵敏度G 使热敏电阻的阻值变化1%所需耗散的功率。
热电阻式传感器
5）温度常数 温度为T0的热敏电阻突然置于温度为T的介质中， T 0.63(T T0 ) 热敏电阻的温度增量 时所需的时间。 6）额定功率PE 指热敏电阻在规定的技术条件下，长期连续使 用所允许的耗散功率。
热敏电阻的线性化 对应于测温下限 TL测温上限 TH 测温范围中点 TM的热敏电阻的电 阻值为 RL , RH , RM RM ( RL RH ) 2 RL RH R RL RH 2 RM
热电偶传感器
接触电动势 金属AB中存在大量自由电子，当两种金属接触时，接点处就会产生 自由电子扩散现象。金属AB的自由电子密度不同，密度大的金属失 去电子而带正电，密度小的金属得到电子带负电，扩散达到动态平 衡后形成稳定的接触电动势。
kT N A (T) 接点1在温度T的接触电动势 E AB (T) ln e N B (T )
E(T ,0) E(T , T 0) E(T 0,0)
在测量仪表上进行零位修改，此法适用于冷端温度恒定的场合。
热电偶传感器
冰浴法 将冷端放入盛有绝缘油的玻璃器皿中，再将玻璃器皿放入冰水混合 物中，保持冷端为0摄氏度。 此方法常用于实验室对热电偶的热电动势的校验。 电桥补偿法 利用不平衡电桥产生的电动势来补偿热电偶因冷端温度变化引起的 热电动势变化值。
电量型传感器
电量型传感器：输出的是电量，可以不需要外加激励电源而从被测 对象直接获取信息能量，从而输出电量信号。 电量型传感器： 热电式传感器 光电式传感器
压电式传感器
热电式传感器
温度的基本概念 温度反映了物体的冷热程度，与自然界中的各种物理和化学过程相 联系。当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生热交换，热交换 结束后两个物体处于热平衡状态，具有相同的温度。
3）热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；
热电阻式传感器
4）在整个测量温度范围内，应具有稳定的物理、化学特性； 5）电阻与温度的关系最好接近于线性； 6）拥有良好的可加工性，价格便宜。 目前使用最广泛的热电阻材料是铂和铜。 热电阻的结构 将电阻丝绕在云母、石英、陶瓷、塑料等 绝缘骨架上，经过固定，外面再加上保护套管。
测温方式
非接触测温，温度敏感元件不与被测对象接触，通过辐射能量进行 热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。 1）辐射式温度计 基于普朗克定理测温 2）光纤式温度计 利用光纤温度特性进行温度测量。 优点 不破坏原有的温度场，适用于被测体为运动体 缺点 精度不高
热电偶传感器
2 A 1 T T0 B
热电偶传感器
E ABC (T , T 0) E AB (T ) EBC (T 0) ECA (T 0) E AB (T ) E AB (T 0) E AB (T , T 0)
标准电极定律
E AB (T , T 0) E AB (T ) E AB (T 0) EBC (T , T 0) EBC (T ) EBC (T 0)
热电阻式传感器
半导体热敏电阻 半导体热敏电阻利用半导体的电阻值随温度显著变化的特 性而制成的热敏元件，由某些金属氧化物和其他化合物按 不同的配方比烧结制成的。 优点 1）热敏电阻的温度系数比金属大； 2）热敏电阻的电阻率大，可以制成极小的电阻元件，体积小， 热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度；
R5为限流电阻，使LED流过的电流为5mA，LED为加热指示器。
热电阻式传感器
温度补偿 仪表中通常用的一些零件多数是金属丝制成，金属具有正 的温度系数，采用负温度系数的热敏电阻进行补偿，可以 抵消温度变化产生的误差。 流量测量 利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关系，可以测量 流量、流速、风速等。
热电偶测温线路
单点测温
测两点间温差
测平均温度
热电阻式传感器
利用导体或半导体材料的电阻率随温度变化的特性制成的 传感器叫热电阻式传感器。 金属热电阻 由电阻体、绝缘套管和接线盒组成。 电阻体的要求 1）电阻温度系数要大，以便提高热电阻的灵敏度；
2）电阻率尽可能的大，以便在相同灵敏度下减小电阻体的 尺寸；
NA(T)NB(T)—材料AB在温度为T时的自由电子密度； e—单位电荷=1.6*10-19C；k—波尔兹曼常数=1.38*10-23J/K
热电偶传感器
kT0 N A (T0) ln 接点2在温度T0的接触电动势 E AB (T0) e N B (T0)
NA(T0)NB(T0)—材料AB在温度为T0时的自由电子密度； 温差电动势
E AB (T 0) E AC (T 0) EBC (T 0) E AB (T ) E AC (T ) EBC (T )
EAC (T , T 0) EBC (T , T 0) EAB (T ) EAB (T 0) EAB (T , T 0)
热电偶传感器
热电偶当冷端温度保持不变时，热电动势才是被测热端温度的单值 函数，实际上冷端温度保持恒定很困难，必需采用补偿。 补偿导线法： 将热电偶做得很长，冷端可以远离热端。
测温方式
温度的测量方法有接触式和非接触式测温两大类。
常用的接触式测温仪器有
1）膨胀式温度计 利用液体和气体的热膨胀及物质的蒸汽压变化 来测量温度，或利用两种金属的热膨胀差来测量温度。 2）热电阻温度计 利用固体材料的电阻随温度而变化的原理测量 温度。 3）热电偶温度计 利用热电效应测量温度。
测温方式
热电偶传感器
- + U R3
E(T,T0)
-
+
ｂ
R1 R2
R5 ａ R4
R4为温度系数较大的铜导线绕成的 温度补偿电阻，与冷端同一温度； R1 R2 R3为锰铜丝绕制的1欧电阻， R5为限流电阻； 冷端温度为0度时，电桥平衡， Uab=0V；
U E (T , T 0) U ab
当冷端温度上升，E(T,T0)减小，R4阻值增加，Uab增加，使读数得 到补偿。
B C
A
B
A
C
E AC (T , T 0) E AC (T ) E AC (T 0)
E AC (T , T 0) EBC (T , T 0) E AC (T ) E AC (T 0) EBC (T ) EBC (T 0) E AC (T ) EBC (T ) ( E AC (T 0) EBC (T 0))
CTR热敏电阻在某个温度值上电阻值急剧变化，具有开关 特性，用作温度开关。
热电阻式传感器
NTC热敏电阻用于 100C ~ 300C 之间的测温，在点温、 表面温度、温差、温场的测量中得到日益广泛的应用，同 时也广泛的应用在自动控制及电子线路的热补偿线路中。 热敏电阻的温度特性 用于测量的NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻 和温度特性符合负指数规律。
直接式测温的优缺点 优点 直观、简单。
缺点
1）由于敏感元件必须与被测对象接触，可能破坏被测对象的温度 场分布，造成测量误差。 2）测温元件不能和被测物体充分接触，不能达到充分热平衡，使 测温元件和被测对象温度不一致引起误差。
3）接触过程中介质有强烈的腐蚀性，从而不能保证测温元件的可 靠性和工作寿命。
RT R0e
1 1 B( ) T T0
R0e
B(
1 1 ) 273t 273 t0
B为热敏电阻材料常数
热电阻式传感器
RT 1 1 B ln( ) /( ) R0 T T0
T 373K , T0 293K 一般用 20C和 100C 时的电阻值计算B， R20 B 1365 ln( ) R100