傳感器應用技術(溫敏傳感器)

1、傳感器技術傳感器技術Sensor TechnologySensor Technology梁長垠梁長垠 教授教授Professor LiangProfessor Liang溫敏傳感器及應用技術溫敏傳感器及應用技術教學目的：1、了解溫敏傳感器的作用、分類和發(fā)展趨勢；2、了解集成溫度傳感器使用方法；3、熟悉常用溫敏傳感器的特點及應用范圍；4、掌握常用溫敏傳感器的工作原理及使用方法；5、學會正確選用溫敏傳感器的方法。第二章 溫敏傳感器及應用技術 第一節(jié) 溫敏傳感器的定義、分類與特點 溫度與溫標 定義、分類與特點第二節(jié) 常用溫敏傳感器工作原理 電阻式溫敏傳感器 熱電阻 熱敏電阻 熱電偶傳感器第三節(jié) 溫敏

2、傳感器應用電路分析與訓練 0100 0100 溫度測量電路設計溫度測量電路設計 電腦機箱溫度控制電路設計電腦機箱溫度控制電路設計 集成溫度傳感器應用電路分析一、溫度與溫標一、溫度與溫標1）溫度 溫度（temperature）是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度。兩個不同溫度相接觸的物體將會產生熱交換。2）溫標 用來量度物體溫度數(shù)值的標尺叫溫標。它規(guī)定了溫度讀數(shù)起點（零點）和測量溫度的基本單位。 目前國際上用得較多的溫標有： 華氏溫標(F)、攝氏溫標（C）、熱力學溫標(K)、國際實用溫標第一節(jié) 溫敏傳感器的定義、分類與特點（1）攝氏溫標 把在標準大氣壓下冰的熔點定為零

3、度（C），把水的沸點定為100 度，兩個溫度點劃分100份，每份為1攝氏度。符號為t，單位為C 。（2）華氏溫標 把在標準大氣壓下冰的熔點定為32F，水的沸點定為212F，兩溫度點劃分180份，每份為1華氏度。符號為。它與華氏度的關系為 32/8 . 1/CtF（3）熱力學溫標 在國際單位制中,以熱力學溫標為基本溫標，它定義的溫度為熱力學溫度T，單位為開爾文，符號為K。 熱力學溫標以水的三相點平衡共存時的溫度為基本定點，并規(guī)定其溫度為273.15K。 攝氏溫標與熱力學溫標溫度之間的關系如下： 例如，100C時的熱力學溫度 T=（100+273.15）K 三相點三相點是指在熱力學里，可使一種物質

4、三相（氣相，液相，固相）共存的一個溫度和壓力的數(shù)值。舉例來說，水的三相點在0.01（273.15K）及611.73Pa 出現(xiàn) t=T-273.15 （4）國際實用溫標 為解決國際上溫度標準的統(tǒng)一及實用問題，國際上協(xié)商決定，建立一種既能體現(xiàn)熱力學溫度（即能保證一定的準確度），又使用方便、容易實現(xiàn)的溫標，即國際實用溫標International Practical Temperature Scale of 1968(簡稱IPTS-68)，又稱國際溫標。 1968年國際實用溫標規(guī)定熱力學溫度是基本溫度，用t表示，其單位是開爾文，符號為K。1K定義為水三相點熱力學溫度的1/273.16，水的三相點是指

5、純水在固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)三項平衡時的溫度，熱力學溫標規(guī)定三相點溫度為273.16 K，這是建立溫標的惟一基準點。注意：攝氏溫度的分度值與開氏溫度分度值相同，即溫度間隔1K=1。T0是在標準大氣壓下冰的融化溫度， T0 = 273.15 K。水的三相點溫度比冰點高出0.01 K。1.定義2.溫敏傳感器的物理原理 二、溫敏傳感器定義、分類與特點二、溫敏傳感器定義、分類與特點u 隨物體的熱膨脹相對變化而引起的體積變化；隨物體的熱膨脹相對變化而引起的體積變化；u 蒸氣壓的溫度變化；蒸氣壓的溫度變化；u 電極的溫度變化電極的溫度變化u 熱電偶產生的電動勢；熱電偶產生的電動勢；u 光電效應光電效應u 熱電效

6、應熱電效應u 介電常數(shù)、導磁率的溫度變化；介電常數(shù)、導磁率的溫度變化；u 物質的變色、融解；物質的變色、融解；u 強性振動溫度變化；強性振動溫度變化；u 熱放射；熱放射；u 熱噪聲。熱噪聲。3）溫度傳感器應滿足的條件l特性與溫度之間的關系要適中，并容易檢 測和處理， 且隨溫度呈線性變化；l除溫度以外，特性對其它物理量的靈敏度要低；l特性隨時間變化要??；l重復性好，沒有滯后和老化；l靈敏度高，堅固耐用，體積小，對檢測對象的影響 要小；l機械性能好，耐化學腐蝕，耐熱性能好；l能大批量生產，價格便宜；l無危險性，無公害等。4)溫度傳感器的種類及特點l 接觸式溫度傳感器l 非接觸式溫度傳感器接觸式溫度

7、傳感器的特點：傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。非接觸式溫度傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點是：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會產生消耗；反應快等。物物理理現(xiàn)現(xiàn)象象 體積熱膨脹體積熱膨脹 電阻變化電阻變化溫差電現(xiàn)象溫差電現(xiàn)象導磁率變化導磁率變化電容變化電容變化壓電效應壓電效應超聲波傳播速度變化超聲波傳播速度變化物質物

8、質 顏色顏色PN結電動勢結電動勢晶體管特性變化晶體管特性變化可控硅動作特性變化可控硅動作特性變化熱、光輻射熱、光輻射種種類類鉑測溫電阻、熱敏電阻鉑測溫電阻、熱敏電阻熱電偶熱電偶BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶體振動器石英晶體振動器超聲波溫度計超聲波溫度計示溫涂料示溫涂料 液晶液晶半導體二極管半導體二極管晶體管半導體集成電路溫度傳感器晶體管半導體集成電路溫度傳感器可控硅可控硅輻射溫度傳感器輻射溫度傳感器 光學高溫計光學高溫計1.氣體溫度計氣體溫度計 2. 玻璃制水銀溫度計玻璃制水銀溫度計3.玻璃制有機液體溫度計玻璃制有機液體溫度計 4.雙金屬溫度計雙金屬溫度計5.液體壓力溫度計液體壓力溫度計 6.

9、 氣體壓力溫度計氣體壓力溫度計1 熱鐵氧體熱鐵氧體 2 Fe-Ni-Cu合金合金2.4溫度傳感器的特點(1)熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、感溫鐵氧體、石英晶體振動器、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導體集成電路傳感器、可控硅分 類特 征傳 感 器 名 稱超高溫用傳感器1500以上光學高溫計、輻射傳感器高溫用傳感器10001500光學高溫計、輻射傳感器、熱電偶中高溫用傳感器5001000光學高溫計、輻射傳感器、熱電偶中溫用傳感器0500低溫用傳感器-2500極低溫用傳感器-270-250BaSrTiO3陶瓷晶體管、熱敏電阻、壓力式玻璃溫度計見表下內容 測

10、溫 范 圍溫度傳感器分類(2)分 類特 征傳 感 器 名 稱測溫范圍寬、輸出小測溫電阻器、晶體管、熱電偶半導體集成電路傳感器、可控硅、石英晶體振動器、壓力式溫度計、玻璃制溫度計線性型測溫范圍窄、輸出大熱敏電阻指數(shù)型函數(shù)開關型特性特定溫度、輸出大感溫鐵氧體、雙金屬溫度計 測 溫 特 性溫度傳感器特性(3)分 類特 征傳 感 器 名 稱測定精度0.10.5鉑測溫電阻、石英晶體振動器、玻璃制溫度計、氣體溫度計、光學高溫計溫度標準用測定精度0.55熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導體集成電路傳感器、可控硅絕對值測定用管理溫度測定用相

11、對值15 測 定 精 度（）接觸式溫度傳感器1常用熱電阻 范圍：-260850；精度：0.001。改進后可連續(xù)工作2000h，失效率小于1，使用期為10年。2管纜熱電阻 測溫范圍為-20500，最高上限為1000，精度為0.5級。3陶瓷熱電阻 測量范圍為200+500，精度為0.3、0.15級。4超低溫熱電阻 兩種碳電阻，可分別測量268.8253-272.9272.99的溫度。5熱敏電阻器 適于在高靈敏度的微小溫度測量場合使用。經濟性好、價格便宜。（二）非接觸式溫度傳感器l l輻射高溫計輻射高溫計 用來測量 1000以上高溫。分四種：光學高溫計、比色高溫計、輻射高溫計和光電高溫計。2 2光譜

12、高溫計光譜高溫計 前蘇聯(lián)研制的YCII型自動測溫通用光譜高溫計,其測量范圍為4006000,它是采用電子化自動跟蹤系統(tǒng),保證有足夠準確的精度進行自動測量。 3 3超聲波溫度傳感器超聲波溫度傳感器 特點是響應快(約為10ms左右)，方向性強。目前國外有可測到5000的產品。4 4激光溫度傳感器激光溫度傳感器 適用于遠程和特殊環(huán)境下的溫度測量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射計可測很高的溫度，精度為1。美國麻省理工學院正在研制一種激光溫度計，最高溫度可達8000，專門用于核聚變研究。瑞士Browa Borer研究中心用激光溫度傳感器可測幾千開(K)的高溫。 此外，還有微波測溫溫度傳感器、噪聲

13、測溫溫度傳感器、溫度圖測溫溫度傳感器、熱流計、射流測溫計、核磁共振測溫計、穆斯保爾效應測溫計、約瑟夫遜效應測溫計、低溫超導轉換測溫計、光纖溫度傳感器等。這些溫度傳感器有的已獲得應用，有的尚在研制中。4、溫度傳感器的發(fā)展概況公元1600年，伽里略研制出氣體溫度計。一百年后，研制成酒精溫度計和水銀溫度計。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術發(fā)展的需要，相繼研制出金屬絲電阻、溫差電動式元件、雙金屬式溫度傳感器。1950年以后，相繼研制成半導體熱敏電阻器。最近，隨著原材料、加工技術的飛速發(fā)展、又陸續(xù)研制出各種類型的溫度傳感器。接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器電阻式溫度傳感器電阻式溫度傳感器 1. 1. 定義定義 利用導

14、體或半導體的電阻隨溫度變化而變化的利用導體或半導體的電阻隨溫度變化而變化的性質而工作的，用儀表測量出熱電阻的阻值變化，性質而工作的，用儀表測量出熱電阻的阻值變化，從而得到與電阻值對應的溫度值。從而得到與電阻值對應的溫度值。2. 2. 分類分類 金屬熱電阻傳感器金屬熱電阻傳感器稱熱電阻稱熱電阻半導體熱電阻傳感半導體熱電阻傳感稱熱敏電阻稱熱敏電阻第二節(jié)第二節(jié) 常用溫敏傳感器工作原理常用溫敏傳感器工作原理二二. . 電阻式溫度傳感器工作原理電阻式溫度傳感器工作原理 ( (一一) ) 熱電阻熱電阻 1. 1. 熱電阻測溫原理熱電阻測溫原理 熱電阻主要熱電阻主要是利用電阻隨溫度升高而增大的特性來測量是利

15、用電阻隨溫度升高而增大的特性來測量溫度的。溫度升高，金屬內部原子晶格的振動加劇，從而使溫度的。溫度升高，金屬內部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內部的自由電子通過金屬導體時的阻力增大，宏觀上表金屬內部的自由電子通過金屬導體時的阻力增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，總電阻值增加。現(xiàn)出電阻率變大，總電阻值增加。熱電阻的阻值與溫度的關系為：熱電阻的阻值與溫度的關系為： R Rt=R=Ro(1+At+Bt(1+At+Bt2 2+Ct+Ct3 3+Dt+Dt4 4) )式中：R0為熱電阻在0時的電阻值A、B、C、D為為溫度系數(shù) 作為測溫熱電阻的金屬材料應具有如下作為測溫熱電阻的金屬材料應具有如下特性特性：電阻

16、溫度：電阻溫度系數(shù)大，電阻率要大，熱容量小，在整個測溫范圍內應具有系數(shù)大，電阻率要大，熱容量小，在整個測溫范圍內應具有穩(wěn)定的物理和化學性質，電阻與溫度的關系最好近似于線性穩(wěn)定的物理和化學性質，電阻與溫度的關系最好近似于線性 2.常用熱電阻種類(1)(1)鉑電阻鉑電阻(WZP(WZP型號）型號） 目前中國常用的鉑電阻有兩種，目前中國常用的鉑電阻有兩種，分度號分度號Ptl00Ptl00和和Ptl0Ptl0，最常用的是，最常用的是Ptl00Ptl00，R(0)=100.00R(0)=100.00，純度為純度為R R（100100）/R/R（00）=1.3851=1.3851 常用測溫范圍常用測溫范圍

17、-200-200850850鉑電阻結構如圖所示。鉑電阻結構如圖所示。銀引出線鉑絲云母骨架銀綁帶保護套管石英骨架常用熱電阻有常用熱電阻有 鉑電阻鉑電阻銅電阻銅電阻常用熱電阻（常用熱電阻（PT100PT100）分度表）分度表 （2）銅電阻（銅電阻（WZCWZC型號）型號） 目前我國工業(yè)上用的銅電阻分度號為目前我國工業(yè)上用的銅電阻分度號為Cu50Cu50和和Cul00Cul00. .純度為純度為R R（100100）/R/R（00）=1.428=1.4280.0020.002 。常用測溫范圍常用測溫范圍-50-50150150銅熱電阻絲線圈骨架補償組銅引出線3.3.熱電阻測溫原理分析熱電阻測溫原理分

18、析為了準確地測出電阻的大小以反映溫度的高低，為了準確地測出電阻的大小以反映溫度的高低，常采用電橋來測量常采用電橋來測量R Rt t阻值的變化，并轉化為電壓阻值的變化，并轉化為電壓輸出輸出U U。 當 600占所測熱電勢的0.4%EU2400，600，800，10004004400占所測熱電勢的0.75%EA2300，400，60003004300占所測熱電勢的1% 6、熱電偶測量應用電路分析 1)1)測量單點溫度的基本測溫線路測量單點溫度的基本測溫線路 熱電偶熱電偶顯示儀表顯示儀表連接導線連接導線2) 2) 測量兩點之間溫差的測溫線路測量兩點之間溫差的測溫線路 3)3)測量平均溫度的測溫線路測

19、量平均溫度的測溫線路 4) 4) 測量幾點溫度之和的測溫線路測量幾點溫度之和的測溫線路 5) 5) 若干只熱電偶共用一臺儀表的測量線路若干只熱電偶共用一臺儀表的測量線路 二、集成溫度傳感器二、集成溫度傳感器 定義定義：在一塊極小的半導體芯片上集成了包括：在一塊極小的半導體芯片上集成了包括溫度敏感溫度敏感器件器件、信號、信號放大電路放大電路、溫度補償電路溫度補償電路、基準電源電路等在內、基準電源電路等在內的各個單元，它使傳感器和集成電路融為一體。的各個單元，它使傳感器和集成電路融為一體。 分類分類：集成溫度傳感器按輸出信號的不同可分為：模：集成溫度傳感器按輸出信號的不同可分為：模擬式集成溫度傳感

20、器、數(shù)字式集成溫度傳感器。擬式集成溫度傳感器、數(shù)字式集成溫度傳感器。 模擬式集成溫度傳感器又分為電流型模擬式集成溫度傳感器又分為電流型 、 電壓型電壓型 特點：集成溫度傳感器與傳統(tǒng)的熱電阻、熱電偶溫度計相集成溫度傳感器與傳統(tǒng)的熱電阻、熱電偶溫度計相比最大的優(yōu)點是：比最大的優(yōu)點是：線性度好線性度好 、靈敏度高、靈敏度高 、輸出信號大，且、輸出信號大，且規(guī)范化標準化規(guī)范化標準化 二、集成溫度傳感器二、集成溫度傳感器1、電流型集成溫度傳感器AD590AD590系列系列 AD590AD590是電流型集成溫度傳感器，其輸出電流與是電流型集成溫度傳感器，其輸出電流與環(huán)境絕對溫度成正比，所以可以直接制成絕對

21、溫度環(huán)境絕對溫度成正比，所以可以直接制成絕對溫度儀。儀。AD590AD590有有I I、J J、K K、L L、M M等型號系列，采用金屬等型號系列，采用金屬管殼封裝。管殼封裝。 靈敏度靈敏度1 1A/A/ C C外形圖外形圖 二、集成溫度傳感器二、集成溫度傳感器2、電壓型集成溫度傳感器AN6701SAN6701S AN6701SAN6701S是電壓型集成溫度傳感器，其輸出電壓是電壓型集成溫度傳感器，其輸出電壓U U0 0和溫度成正比。它采用塑料封裝，外形如圖所示和溫度成正比。它采用塑料封裝，外形如圖所示。 三、集成溫度傳感器三、集成溫度傳感器3、電壓型集成溫度傳感器LM35LM35系列系列

22、LM35LM35是電壓型集成溫度傳感器，其輸出電壓與攝是電壓型集成溫度傳感器，其輸出電壓與攝氏溫度成正比，無需校準，可以直接制成攝氏溫度氏溫度成正比，無需校準，可以直接制成攝氏溫度測量儀。靈敏度為測量儀。靈敏度為10mV/10mV/ C C 。 第三節(jié)第三節(jié) 濕度傳感器濕度傳感器一、濕度的定義與分類一、濕度的定義與分類定義:大氣中水蒸氣的含量。它表征了大氣的干燥程度。分類:絕對濕度、相對濕度。絕對濕度：在一定溫度和壓力條件下，單位空間內混合氣體中所含水蒸氣的質量，用AH表示。VAHvm相對濕度：被測混合氣體中的水蒸氣壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣氣壓的百分比，用RH表示。%100WVPPRH

23、實際使用中多使用相對濕度來表示第三節(jié)第三節(jié) 濕度傳感器濕度傳感器二、濕度傳感器二、濕度傳感器定義:能感受外界濕度變化，并通過器件材料的物理或化學 變化，將濕度轉換成可用電信號的器件或裝置組成:濕度敏感元件、轉換電路。分類：濕度傳感器電阻式電容式其他電解質式陶瓷式高分子式陶瓷式高分子式光纖濕度傳感器界限電流式濕度傳感器二極管、SWAF式、熱導式等第三節(jié)第三節(jié) 濕度傳感器濕度傳感器二、濕度傳感器二、濕度傳感器第三節(jié)第三節(jié) 濕度傳感器濕度傳感器三、濕度傳感器應用三、濕度傳感器應用案例:汽車后窗玻璃制定去濕、房間濕度制定控制、 濕度測量儀等實例:應用AM1001電阻式濕度傳感器制作濕度測量儀第四節(jié)第四

24、節(jié) 溫度測量應用電路分析與訓練溫度測量應用電路分析與訓練一、一、0100 0100 溫度測量電路設計溫度測量電路設計 任務描述:通過PN結溫度傳感器設計制作數(shù)字式溫度表，加深了解PN二極管的溫度特性，掌握利用PN結二極管作為溫度傳感器制作溫度測量電路的方法。要求測溫范圍：0100C，測量精度為1。器件準備:開關二極管IN4148，運算放大器LM358，02.000V數(shù)字式電壓表（DVM），電阻若干，直流穩(wěn)壓電源一臺，水銀溫度計1只。電腦機箱溫度控制電路設計電腦機箱溫度控制電路設計第四節(jié)第四節(jié) 溫度測量應用電路分析與訓練溫度測量應用電路分析與訓練一、一、0100 0100 溫度測量電路設計溫度測量電路設計 設計制作:IN4148、信號調理電路、顯示模塊等組成。溫度傳感器選用IN4148，由R1，R2，D，W1組成測溫電橋，其輸出信號接差動放大器A1，A2接成電壓跟隨器，與W2配合可調節(jié)放大器A1的增益。經放大后的信號輸入02.000V數(shù)字式電壓表（DVM）MC14433顯示。第四節(jié)第四節(jié) 溫度測量應用電路分析與訓練溫度測量應用電路分析與訓練一、一、0100 0100 溫度測量電路設計溫度測量電路設計 電路調試:在萬能板上按照圖示電路進行元件排版、焊接，檢查無誤后接通電源。將PN結溫度傳感器PN4148放入到冰水混合（0C）的玻璃杯中，調節(jié)RP1使輸出顯示為0；加熱玻璃杯中的冰水混