《传感器课件》PPT课件

热电阻是利用导体材料的电阻随温度变化而变化的特性来实现对温度的测量的。,6.2 热电阻,热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。,应用于-200600范围内的温度测量,热电阻电阻体绝缘套管接线盒,热电阻的材料要求：电阻温度系数要大；电阻率尽可能大，热容量要小，在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。,6.2.1 热电阻的类型,1. 装配式热电阻,2. 铠装热电阻,3. 端面热电阻,4. 隔爆型热电阻,6.2.2 常用的几种热电阻,1. 铂热电阻,铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示：,在0630.74范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为：,在-50180范围内，金属铜的电阻值与温度的关系为：,0时的电阻值,t时的电阻值,铂容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定。铂电阻的输出 输入特性接近线性，且测量精度高，所以它能用作工业测温元件和作为温度标准。,按国际温标IPTS-68规定，在-259.34630.73温域内，以铂电阻温度计作基准器。,在-50150范围内，铜电阻化学、物理性能稳定，输出 输入特性接近线性，价格低廉。,2. 铜热电阻,铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为：,铜电阻的缺点是电阻率低，体积大，热惯性大，在100以上时易氧化。, 铟电阻 铟电阻用99.999%高纯度的铟丝绕成电阻，适宜在-269258温度范围内使用。实验证明，在4.2K15K范围内，铟电阻灵敏度比铂电阻高10倍。 铟电阻的缺点是材料软，复制性差。,3. 其他热电阻, 锰电阻 锰电阻适宜在-271210温度范围内使用。其优点是在2K 63K温度范围内电阻随温度变化大，灵敏度高。锰电阻的缺点是材料脆，难拉成丝。, 碳电阻 碳电阻适宜在-273268.5温度范围内使用。其优点是热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便。但是碳电阻的热稳定性较差。,Rt为热电阻, r1 、r2、 r3为引线电阻, R1 、 R2为两桥臂电阻, R1=R2 ,R3为调整电 桥的精密电阻。M表内阻很大，故电流近似为零。当UA=UB时电桥平衡。若使r1=r3 ,则R3=Rt,就可消除引线电阻的影响。,1. 三线式电桥连接法,6.2.3 热电阻测量线路,图6-19 三线接法,2. 四线式电阻测量电路,图6-20 四线式测量线路,因IVIM,IV0, 又EM=E+IV（ r2+r3 ）,由上式知引线电阻r1 r4将不引起测量误差。电压表的值EM可认为是热电阻Rt上的压降，据此可计算出微小温度变化。,WZB型铂电阻分度表 R0=100 规定分度号BA-2 分度系数 A=3.39648710-2/； B=-5.84710-7/2； C=-4.2210-12/4,WZB型铂电阻分度表 R0=46 规定分度号BA-1 分度系数 A=3.39648710-2/； B=-5.84710-7/2； C=-4.2210-12/4,6.3 热敏电阻,热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测温的。半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，特别适于在-100300之间测温。,热敏电阻的缺点是互换性较差，另外其热电特性是非线性的。,6.3.1 热敏电阻的结构,热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（Co）、锰（Mn）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高温烧结而成。其形状有珠状、片状、杆状、垫圈状等。,图6-21 热敏电阻的结构类型,6.3.2 热敏电阻的基本参数,1. 标称电阻RH,标称电阻值是热敏电阻在250.2、零功率时的阻值，也叫冷电阻。,2. 材料常数BN,材料常数是表征负温度系数(NTC)热敏电阻器材料的物理特性常数。BN值决定于材料的激活能E，它们之间满足下面的函数关系式,3. 电阻温度系数,热敏电阻的温度每变化1时电阻值的变化率叫做热敏电阻的电阻温度系数。 即：,4. 耗散系数H,热敏电阻器温度每变化1所耗散的功率变化量。,5. 时间常数,热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的63.2所需的时间称为热敏电阻的时间常数,6. 最高工作温度Tmax,热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度。,热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数型(PTC)、负温度系数型(NTC)、和临界温度系数型(CTR)。,可见CTR临界热敏电阻有一突变温度，此特性可用于自动控温和报警电路中。,6.3.3 热敏电阻的主要特性,NTC负温度系数型热敏电阻的阻值-温度关系为：,1. NTC热敏电阻的电阻 温度特性,BN 为热敏电阻的材料常数，一般BN 为2000600K，高温下BN 将增大。 exp()函数的作用是：计算 e（自然对数的底，其数值大约等于2.7183）的指数。,或表示为：,图6-23 NTC热敏电阻器的电阻-温度曲线,图中直线的斜率就是热敏电阻的材料常数BN。,不同材料的BN不同，右图为不同BN的RT /R25T特性曲线 exp()函数的作用是：计算 e（自然对数的底，其数值大约等于2.7183）的指数。,为了使用方便，常取环境温度为25作为参考温度（即T0=25），则NTC热敏电阻器的电阻 温度关系式可写成：,负温度系数型热敏电阻的材料常数,2. PTC热敏电阻的电阻 温度特性,PTC的电阻 温度特性是利用正温度系数热敏材料在居里点附近结构发生相变引起导电率突变获得的，如图6-25所示。,图6-25 PTC的电阻温度曲线,由实验得到：在工作温度范围内，PTC的电阻 温度特性可近似用下面的公式表示：,对上式取对数得：,图6-26 lnRT -T特性曲线,图线的斜率即为BP：,正温度系数型热敏电阻的材料常数,对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串或并联构成电阻网络(常称为线性化网络)代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系。,6.3.4 热敏电阻输出特性的线性化处理,图中热敏电阻Rt与补偿电阻Rx 串联,串联后的等效电阻R= Rt +Rx ，只要Rx 的阻值选择适当，可使温度在某一范围内与电阻的倒数成线性关系，所以电流I与温度T成线性关系。,串联补偿电路,并联补偿电路,图中热敏电阻Rt与补偿电阻Rx并联，其等效电阻R= Rt / Rx 。由图可知，R与温度的关系曲线便显得比较平坦。因此可以在某一温度范围内得到线性的输出特性。,常用热敏电阻,热敏电阻体温表原理 点击此处播放,6.4 PN结温度传感器,利用PN结的结电压随温度成近似线性变化这一特性实现对温度的检测、控制和补偿等功能。可直接用半导体二极管或将半导体三极管接成二极管做成PN结温度传感器。这种传感器的测温范围为-50至150，与其他的温度传感器相比有较好的线性度，且尺寸小、响应快、灵敏度高、热时间常数小，因此用途较广。,6.4.1 温敏二极管、三极管,1. 温敏二极管的工作原理,理想二极管的伏安 特性可近似表示为：,只要满足正向电压UF大于几个kT/q，其正向电流IF与UF及温度T之间的关系可表示为：,二极管正向电流,二极管反向饱和电流,K为波尔兹曼常数,二极管的反向饱和 电压表示为：,两边除以Is ，取对数得：,所以,温敏二极管正向外加电压：,材料的禁带宽度,与温度无关的包含结面积A的常数,与迁移率有关的常数,上式表明：在一定电流下，二极管正向电压随温度的升高而降低，呈负温度系数。 （只要它们工作在PN结空间电荷区中的复合电流和表面漏电流可以忽略） 经研究表明，对于锗和硅二极管，在相当宽的一个温度范国内其正向电压与温度之间的关系与上式吻合。,与温度无关的包含结面积A的常数,与迁移率有关的常数,绝对温度0度时的电压,温敏二极管正向外加电压,对于不同的工作电流，温敏二极管的UF-T关系是不同的；但是UF-T之间总是线性关系。例如2DWMl型硅温敏二极管，在恒流下， UF-T在-50+150范围内呈很好的线性关系。,另外：上式只对扩散电流成立，但实际二极管的正向电流还包括空间电荷区中的复合电流和表面复合电流。故实际二极管的电压 温度特性是偏离理想情况的。,2. 温敏三极管的工作原理,利用三极管发射结正向电压Ube随温度上升而下降的原理。由于在发射结正向偏置下，虽然发射结电流也包括扩散电流、空间电荷的复合电流和表面复合电流三种成分，但只有其中的扩散电流能够到达集电极形成集电极电流Ic，而另两种电流则作为基极电流漏掉。因此，晶体管的IcUbe关系比二极管的IFUF关系更符合理想情况，所以表现出更好的电压 温度线性关系。,NPN晶体管的基极发射极电压与温度T和Ic的函数关系为：,若Ic恒定，则Ube仅随温度T成单调单值函数变化。,与迁移率有关的常数,与温度无关的包含结面积A的常数,绝对温度0度时的电压,2.基本测温电路 温敏晶体管作为负反馈元件跨接在运算放大器的反相输入端和输出端，基极接地。如此连接的目的是使发射结为正偏。而集电结几乎为零偏。,图6-28 温敏晶体管测温电路,零偏的集电结使得集电结电流中不需要的空间电荷的复合电流和表面复合电流为零，而发射结电流中的发射结空间电荷复合电流和表面漏电流作为基极电流流入地。因此，集电极电流完全由扩散电流成分组成。集电极电流Ic只取决于集电极电阻RC和电源E，保证了温敏晶体管的Ic恒定。电容C的作用是防止寄生振荡。,将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。 其最大优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出，另外，体积小、成本低廉。因此，它是现代半导体温度传感器的主要发展方向之一。目前，已经广泛用于-50+150温度范围内的温度监测、控制和补偿的许多场合。,6.4.2 集成温度传感器,晶体管的Ube在Ic恒定条件下，认为与温度呈线性关系；但实际上关系式中仍然存在非线性项，另外这种关系也不直接与任何温标(绝对、摄氏、华氏等)相对应。此外温敏晶体管Ube值在同一生产批量中，可能有100mv的离散性。,1. 基本原理,因此集成温度传感器中均采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件，采用下图的电路形式，使其直接给出正比于绝对温度的严格的线性输出。,电路中1、2是结构和性能完全相同的晶体管，它们分别在不同的集电极电流I1和I2下工作。由图可见，R的电压应为1和2的基极发射极电压差。,图6-29 差分对管电路,由于两管集电极面积相等，因此，集电极电流比应等于集电极电流密度比，即：,故只要保持两管的集电极电流密度之比不变，R上的电压Ube将正比于绝对温度T。,与迁移率有关的常数,与温度无关的包含结面积A的常数,绝对温度0度时的电压,若两管增益很高，则基极电流可以忽略不计，那么集电极电流等于发射极电流，则,即Ic2T。 因此R2上的电压也正比于绝对温度T。 又因为Ic/Ic2保持不变，则IcT，于是电路总电流I=（ Ic+Ic2c2）T。,集电极电流密度比,集成温度传感器按输出信号可分为电压型和电流型两种。 电压型的温度系数约为10mV/； 电流型的温度系数约为1A/。 这就很容易从它们输出信号的大小换算成绝对温度，而且其输出电压或电流与绝对温度成线性关系。,2. 集成温度传感器的信号输出方式,右图所示电路常被称为 电流镜PTAT核心电路。,该电路是在差分对管电路的基 础上，用两只PNP管分别与T1 和T2串联组成所谓的电流镜， 两PNP管具有完全相同的结构和性能，且发射极偏压相同，故流过T1和T2的集电极电流在任何温度下始终相等。,(1) 电流型集成温度传感器,图6-30 电流输出型电路,若PTAT核心电路中两管增益无穷大，则可忽略Ic随集电极电压Ube变化和基极电流的影响。为使T1和T2工作在不同的Jc下，两管必须采用不同的发射极面积。设T1和T2集电极面积之比，则两管的电流密度比为其面积的反比。只要在电路的两端施加高于2Ube的电压，R1上得到的电压为：,集电极电流密度比,集电极电流密度比,故流过该电路的总电流为：,若电阻R1的温度系数为零，则电路的总电流正比于绝对温度。若取R1=358，代入上式可求得电路的输出灵敏度为1A/K。,美国AD公司生产的AD590、我国产的SG590都是典型的电流输出型温度传感器。它们的基本电路与图6-30一样，只是还增加了一些附加电路以提高其性能。,集电极电流密度比,AD590和AD592是电流输出，二端子IC温度传感器，测温范围为-55+150， 灵敏度为1A/K，Vcc为+4v+30v。 AD590是利用温度系数很小的电阻把PTAT电压变换成PTAT电流。利用晶体管的阻抗变换特性使集电极获取高阻抗电流输出，从而可串接阻抗很大的负载把信号放大，使电路的总电流与温度系数很小的电阻中的电流成固定比例关系，而与其制造工艺无关。,附：单片双端集成温度传感器AD590,T1，T2， T3，T4的发射极连在一起接到R1上，T6的发射极则接到R2上。 R1 = R2 /4，这使流过T1T4的总电流与流过T6的电流之比更好地符合4：1，克服了因T6集电极电位与其它NPN管集电极电位不同而引起的误差。,在T7的集电极回路中增加了一个二极管接法的PNP管T5，它的作用除了与T6对称以平衡T7和T8的集电极电压，以减小T7和T8基区调制效应引起的误差之外，还对器件提供了很好的保护作用。如果没有T5 ，在万一电源极性接反，就会有大电流流过把器件烧坏。,T12是一个结型场效应管，实际上是一个高值电阻。它的作用是保证电路在接上电源时能可靠地启动。流过T12的电流最后也流过T10，因此不会产生附加的误差电流。 电容C和电阻R3、R4是为了防止寄生振荡。 T8，T11是产生基-射电压正比于绝对温度的晶体管， R5、R6将电压转换电流。T10的集电极电流跟踪T9和T11集电极电流，它提供所有的偏置及电路其余部分基底漏电流，从而迫使总电流正比于绝对温度。,电路中电流I1决定于T9和T11的发射极面积比和电阻R5 、R6的值。,T9的发射区面积是T10或T11的8倍。 T10或T11的集电极电流与T9的相同，故R5的电流为2I1。,R5，R6温度系数极小，在片子上用激光研修。在+25校准器件。,右图为其伏-安特性。U为作用于AD590两端的电压，I为其中电流，由图：在430v时，该器件为一个温控电流源，且其电流值与Tk成正比，即IkTTk,kT为标度因子，在器件制造时已作标定，是每度lA，其标定精度因器件的档次而异(常分为I，J，K，L，M五档)。 因此，AD590在电 路中以理想恒流源 的电路符号出现。,下图为其温度特性，它在-55+150温域中有较好线性度，其非线性误差因档次而异。若略去非线性项，则有 IkTTc+273.2(A),下图为非线性曲线。AD590的I档T 3，M档T0.3，其余档次在二者之间。从图中可见，在-55+100范围内， T递增，容易补偿，在+100+I 50为递减，可进行分段补偿。,AD590的主要特征是： (1)线性电流输出：1AK，正比于绝对温度； (2)宽温度范围：-55+150； (3)精度高：激光校准精度到 0.5(AD590M) (4)线性好：满量程范围 0.3t(AD590M); (5)电源范围宽：+4+30V。,在电流镜(低电源电压且与绝对温度成正比 )PTAT电路上加一个和T3和T4相同性质的PNP管T5 （ T3、 T4、T5组成恒流源） 和一只电阻R2，就构 成了一种电压输出型 的集成温度传感器的 基本电路。,(2) 电压型集成温度传感器,图6-31 电压输出型电路,由于T5的发射极电压及面积与T3和T4相同，所以流过T5和R2支路的电流与另两支路电流相等，因此输出电压为：,由此可见，只要R1：R2为一常数，就可以得到正比于绝对温度的输出电压U0，输出电压的温度灵敏度可由R2： R1和来调整。,集电极电流密度比,6.5热电式传感器的应用,AD590电流型集成温度传感器（图7-23） 测温原理： 晶体管对T3T4使IT分为I1=I2 ，起恒流作用；T1, T2起感温 作用； T1由8只与T2相同的晶体 管并联而成，因此，T2中的电流 密度J2为T1中的电流密度J1的8 倍，即 J28J1,图7-23 输出电流正比于绝对温度的AD590温度敏感电路,6.5热电式传感器的应用,Ube1和Ube2反极性串接施加在电阻R上，则R上电压为：,通过R的电流 ，IT 2I1，若取R358，则 kTIT/T2179/3581(A/K) 所以 ITkTT,6.5热电式传感器的应用,AD590的特性： 1）伏安特性 当U=430V时，理想恒流源，电流只随温度T变化； 2）温度特性 55150，IT与T有较好的线性，输出电流灵敏度kI 1A/K；非线性误差为T(0.33)； 3）精度：可达0.5,图7-24 AD590基本特性曲线,6.5热电式传感器的应用,集成温度传感器的典型应用 1测量温度 AD590远程温度测量 如图7-25所示。,图7-25 AD590摄氏温度测量电路,6.5热电式传感器的应用,数字温度计 如图7-26所示。,图7-26 XSW-1型数字温度计,6.5热电式传感器的应用,2.测量温差 如图7-27所示。 I=IT1IT2kT( T1T2)； U0IR3kTR3(T1T2)f( T1T2 ),图7-27 AD590温差测量电路,6.5热电式传感器的应用,3测最低温度 AD590串连，如图7-28所示； 4测平均温度 AD590并连，如图7-28所示。,图728 AD590测最低温度、平均温度,6.5热电式传感器的应用,5.温度控制 AD590作为温度控制的感温元件，如图7-29所示,图7-29 AD590温度控制系统,IC型感温元件目前发展迅速。把温感元件和变送电路集成在一颗芯片中，可直接完成测温工作。,直接以数字通信方式输出测出温度数据的温感元件 LM75温度传感器包含一个模数转换器和一个数字过热检测器。计算机可通过 IC接口随时查询LM75，读取温度数据，该温度传感器测量温度范围是一55一十125. 当超出设置的温度门限时，漏极开路的过热输出(OS)吸收电流。OS输出具有2种工作模式：比较器模式或中断模式。 另外，主机还可读取LM75的内部寄存器。LM75的地址由三个引脚设置，允许多个器件工作在同一总线上。 3.0V至5.5V的电源电压范围、低电源电流以及IC接口使得LM75非常适合需要热管理和热保护的多种应用。,作 业,P143 习题： 5、8、10、12、15 共5题,