传感器第一章PPT讲稿.ppt
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1、传感器第一章第1页,共99页,编辑于2022年,星期三 定义:温度传感器是一种将定义:温度传感器是一种将温度变化温度变化转换为转换为电学量电学量变化的装置。变化的装置。用于检测温度和热量,也叫做用于检测温度和热量,也叫做热电式传感器热电式传感器。温度是与生活、科研、生产温度是与生活、科研、生产密切相关密切相关的物理的物理量。量。如如冰箱、空调、实验和生产环境等冰箱、空调、实验和生产环境等 是应用是应用最广泛最广泛的一种传感器。的一种传感器。简介第一章第一章 温度传感器温度传感器 第2页,共99页,编辑于2022年,星期三n将将温度温度T变化转换为变化转换为电阻电阻变化的元件,主要有变化的元件,
2、主要有金金属热电阻、半导体陶瓷热敏电阻属热电阻、半导体陶瓷热敏电阻(NTC、PTC、CTR)、半导体热电阻和高分子热敏电阻、半导体热电阻和高分子热敏电阻;n将将温度温度变化变化-电势电势的传感器,主要有的传感器,主要有热电偶热电偶和和PN结式传感器结式传感器;n将将温度温度变化变化-电流电流的传感器,的传感器,集成温度传感集成温度传感器。器。n将将热辐射热辐射-电学量电学量的器件,有的器件,有热释电探测器、热释电探测器、红外探测器;红外探测器;n新型的有光纤温度传感器、液晶温度传感器、新型的有光纤温度传感器、液晶温度传感器、智能温度传感器等等智能温度传感器等等简介分类分类classificat
3、ion 第3页,共99页,编辑于2022年,星期三v1.1 1.1 电阻型温度传感器电阻型温度传感器v1.1.2 2 热电偶热电偶(thermocouple)v1.3 1.3 半导体半导体PNPN结型温度传感器结型温度传感器 (Semiconductor PN Junction)v1.4 1.4 其它温度传感器其它温度传感器 第一章第一章 温度传感器温度传感器 第4页,共99页,编辑于2022年,星期三1.1 1.1 电阻型温度传感器电阻型温度传感器 v1.1.1 热电阻热电阻(Thermal Resistance)v1.1.2 热敏电阻热敏电阻(high sensitive T.R.)v1.
4、1.3 半导体热电阻温度传感器半导体热电阻温度传感器 (Semiconductor T.R.)v1.1.4 电阻式温度传感器的应用电阻式温度传感器的应用 (Application of the T.R.sensors)第5页,共99页,编辑于2022年,星期三R Rt t表示任意绝对温度时金属的电阻值表示任意绝对温度时金属的电阻值;R R0 0表示基准状表示基准状态态t t0 0时时的的电电阻阻值值;a a是是热电热电阻的温度系数(阻的温度系数(1/1/),在一定的温度范在一定的温度范围围内,可近似地看内,可近似地看成一个常数成一个常数 用感温材料把温度转化为电阻变化,主要有用感温材料把温度转
5、化为电阻变化,主要有金属热电金属热电阻、半导体热电阻阻、半导体热电阻和和半导体陶瓷电阻,半导体陶瓷电阻,将变化小的称将变化小的称热电热电阻阻,将变化大的称,将变化大的称热敏电阻热敏电阻。一、金属一、金属热电热电阻的特性阻的特性characteristic 大多数金属大多数金属导导体的体的电电阻随温度阻随温度变变化的特性化的特性,其方程其方程:1.1.1 1.1.1 热热 电电 阻阻 第6页,共99页,编辑于2022年,星期三选作感温电阻的材料的要求选作感温电阻的材料的要求:电阻温度系数要高电阻温度系数要高;high high R R 在测温范围内在测温范围内,化学、物理性能稳定化学、物理性能稳
6、定;具有良好的输出特性具有良好的输出特性;具有比较高的电阻率具有比较高的电阻率;higher higher 具有良好的可加工性具有良好的可加工性,且价格便宜且价格便宜。Easy Easy machining,cheaper 第7页,共99页,编辑于2022年,星期三1.1.铂热电阻铂热电阻(platinum T.R.)物理、化学性能稳定,是热电阻最佳材料,铂丝的电阻值与物理、化学性能稳定,是热电阻最佳材料,铂丝的电阻值与温度之间的关系:在温度之间的关系:在-190-19000范围内为范围内为:在在0 0630.755630.755范范围围内内为为:Rt、R0分别是温度为分别是温度为t和和t0
7、时的电时的电阻值,阻值,A,B,C是常数。是常数。第8页,共99页,编辑于2022年,星期三 铂电阻铂电阻重现性最好、重现性最好、稳定性最好作为稳定性最好作为标准电阻温度计标准电阻温度计 用于高精度工业测量、温度的基准。用于高精度工业测量、温度的基准。一般测量精度较小时采用铜电阻。一般测量精度较小时采用铜电阻。铜丝在铜丝在-50-50150150内性能很稳定,且电阻与温度内性能很稳定,且电阻与温度的关系接近线性。表示为:的关系接近线性。表示为:但在但在-50-505050内为线性变化,可表示:内为线性变化,可表示:2 2.铜热电阻铜热电阻第9页,共99页,编辑于2022年,星期三3.3.其它热
8、电阻其它热电阻 铁和镍电阻铁和镍电阻较铂和铜高,较铂和铜高,也较大,做成体积小、灵也较大,做成体积小、灵敏度高的电阻温度计。敏度高的电阻温度计。铟电阻铟电阻适宜在适宜在-269-258用,测量精度高,灵敏度很用,测量精度高,灵敏度很高高,是铂电阻的,是铂电阻的10倍,但重现性差倍,但重现性差;锰电阻锰电阻适宜在适宜在-271-210用,灵敏度高,但脆性高用,灵敏度高,但脆性高,易损坏;,易损坏;碳电阻碳电阻适宜在适宜在-273-268.5 内使用,热容量小内使用,热容量小,灵,灵敏度高,价格低廉,操作简便,但热稳定性较差。敏度高,价格低廉,操作简便,但热稳定性较差。第10页,共99页,编辑于2
9、022年,星期三1 1、结构:结构:将电阻丝将电阻丝双线绕双线绕在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘架上,固定后外面再加上保护套管。架上,固定后外面再加上保护套管。2、测量电路:测量电路:用精度较高的电桥电路。用精度较高的电桥电路。为消除连接导线电阻随环境温度变化为消除连接导线电阻随环境温度变化 而造成的测量误差,而造成的测量误差,常采用三线和四线连接法。常采用三线和四线连接法。二、二、热电阻的结构及测量电路热电阻的结构及测量电路 第11页,共99页,编辑于2022年,星期三三线连接法三线连接法 三线三线和和四线式接法四线式接法中要求:连接相邻桥臂的中要求:连接相邻桥臂
10、的r r1 1和和r r2 2长度和长度和温度系数温度系数相等相等;三线中;三线中Ra的触点会导致电桥零点的不稳的触点会导致电桥零点的不稳定定四线中触点的不稳定不会破坏四线中触点的不稳定不会破坏电桥的平衡电桥的平衡。第12页,共99页,编辑于2022年,星期三R R1 1、R R2 2、R R3 3固定电阻,固定电阻,R Ra a调零电阻,调零电阻,r r1 1、r r2 2、r r3 3、r r4 4为导线补偿电阻为导线补偿电阻。热电阻式温度计热电阻式温度计:优点:性能稳定,测量范围宽、精度高。优点:性能稳定,测量范围宽、精度高。缺点:需辅助电源,热容量大,限制用于动态测量。缺点:需辅助电源
11、,热容量大,限制用于动态测量。措施:为避免电阻流过电流的加热,尽量使流过热电阻的电措施:为避免电阻流过电流的加热,尽量使流过热电阻的电流降低,不影响测量精度,一般应小于流降低,不影响测量精度,一般应小于10mA。第13页,共99页,编辑于2022年,星期三正温度正温度系数热敏系数热敏电阻电阻PTCPositive Temperature Coefficient 负温度负温度系数热敏系数热敏电阻电阻NTC临界温度临界温度系数热敏系数热敏电阻电阻CTR1.1.2 1.1.2 热热敏敏电电阻阻 材料:某金属氧化物为基体、一些添加剂。用陶瓷工艺制材料:某金属氧化物为基体、一些添加剂。用陶瓷工艺制成,称
12、半导体陶瓷成,称半导体陶瓷 其电阻对温度变化明显,温度系数比金属的大很多。其电阻对温度变化明显,温度系数比金属的大很多。热敏电阻热敏电阻Negative Temperature Coefficient Critical Temperature Resistor 第14页,共99页,编辑于2022年,星期三一、一、热热敏敏电电阻特性参数阻特性参数 1.1.标称电阻值(标称电阻值(R R2525):环境温度环境温度2525时的时的零功率零功率状态的阻状态的阻值。其大小取决于电阻的材料和几何尺寸。若在值。其大小取决于电阻的材料和几何尺寸。若在25252727则:则:2.电阻温度系数电阻温度系数(T)
13、:指在规定的温度下单位温度变化使阻指在规定的温度下单位温度变化使阻值变化的相对值。值变化的相对值。T T决定了热敏电阻全部工作范围内对温度的灵敏度,决定了热敏电阻全部工作范围内对温度的灵敏度,%/%/。第15页,共99页,编辑于2022年,星期三电阻型温度传感器3.3.时间时间常数常数():表征表征电电阻的阻的热惯热惯性,性,其其值值等于在零功率等于在零功率测测量状量状态态下,当下,当环环境温度突境温度突变时变时阻阻值值从起始从起始值变值变化到最化到最终变终变化化量的量的63%63%时时所需的所需的时间时间4.4.额定功率(额定功率(P PE E):在标准压力在标准压力750750mmHgmm
14、Hg和规定的最高温度和规定的最高温度下,电阻长期连续工作所允许的最大耗散功率。下,电阻长期连续工作所允许的最大耗散功率。实际中所消耗的功率不得超过实际中所消耗的功率不得超过PE 第16页,共99页,编辑于2022年,星期三二、二、PTCPTC热热敏敏电电阻阻 -正温度系数热敏电阻,阻值随温度的升高而增大。正温度系数热敏电阻,阻值随温度的升高而增大。基体材料是基体材料是BaTiOBaTiO3 3,辅以稀土元素为添加剂,经陶瓷工艺辅以稀土元素为添加剂,经陶瓷工艺烧结制成。烧结制成。1.1.电阻温度特性电阻温度特性 曲线曲线中阻值随温度变化中阻值随温度变化很陡,称为很陡,称为突变型(开关型)突变型(
15、开关型)阻值随温度变化缓慢,称阻值随温度变化缓慢,称为为缓变缓变PTCPTC热敏电阻。热敏电阻。第17页,共99页,编辑于2022年,星期三n2.2.突变型突变型PTCPTC的的R R与与T T关系关系:nR R0 0 为标称温度下的阻值,为标称温度下的阻值,A A为材料常数。为材料常数。n3 3、缓变型、缓变型PTCPTC热敏电阻热敏电阻nR RT T与温度的关系近似为线性,即:与温度的关系近似为线性,即:n缓变型缓变型PTCPTC的的T T随温度而变化,适于温度补偿。随温度而变化,适于温度补偿。第18页,共99页,编辑于2022年,星期三4 4、PTCPTC的静态伏安特性曲线的静态伏安特性
16、曲线电电流流I(A)电压电压U(V)静静态态伏伏安安特特性性是是指指在在一一定定温温度度下下,于于静静止止的的空空气气中中PTCPTC两两端端的的电电压压降降与与电电阻阻稳稳态态电电流流之之间的关系,间的关系,曲曲线线可可分分为为ABAB、BCBC、CDCD三段。三段。第19页,共99页,编辑于2022年,星期三三、三、NTCNTC热热敏敏电电阻阻1.1.NTCNTC电阻的温度特性电阻的温度特性由图知:由图知:阻值近似为:阻值近似为:B为材料常数,R0为T时的阻值 两边取对数有:两边取对数有:为直线,且为直线,且B B为直线的斜率:为直线的斜率:第20页,共99页,编辑于2022年,星期三电阻
17、温度系数为电阻温度系数为:并非常数,随并非常数,随T升高而迅速减小升高而迅速减小 2.NTC2.NTC静态伏安特性曲线静态伏安特性曲线 T T0 0时给时给NTCNTC上通电流上通电流I I,则电阻两端,则电阻两端的电压的电压U UT T为:为:oa段电压随电流而线性增大段电压随电流而线性增大ab段段,电压偏离线性但还随增加电压偏离线性但还随增加;bd段段,电压越过电压越过b点很快下降点很快下降de段段,电阻下降缓慢,电压也下降变电阻下降缓慢,电压也下降变可用于温度检测、温度补偿、控温等各种电路可用于温度检测、温度补偿、控温等各种电路第21页,共99页,编辑于2022年,星期三 负温临界热敏电
18、阻负温临界热敏电阻是指在是指在某一温度某一温度附近阻值发生突变,附近阻值发生突变,几度的狭小温区内几度的狭小温区内T T增加降低增加降低3 34 4个数量级的元件。阻值的个数量级的元件。阻值的突变点为突变点为临界温度点临界温度点。四、四、CTRCTR热敏电阻热敏电阻 对应的宏观对应的宏观开关温度(开关温度(Tc)定义为:电阻值下降到定义为:电阻值下降到某某一规定值一规定值(标称电阻的(标称电阻的80)时所对应的温度。)时所对应的温度。该规定值称该规定值称开关电阻(开关电阻(RcRc),),可按曲线求出切线在高阻端可按曲线求出切线在高阻端的交点的交点R Rh h和切线在低阻端的交点和切线在低阻端
19、的交点R Rl l,算出,算出RcRc为:为:第22页,共99页,编辑于2022年,星期三 第23页,共99页,编辑于2022年,星期三 降值比降值比描述下降的快慢,即标称电阻描述下降的快慢,即标称电阻R R2525与最小电阻比值与最小电阻比值R Rminmin的对数,即的对数,即 降值比越大,开关特性越好。降值比越大,开关特性越好。由于由于CTRCTR电阻具有很大的负温度系数,可用作控温、电阻具有很大的负温度系数,可用作控温、报警、无触点开关等场合。报警、无触点开关等场合。第24页,共99页,编辑于2022年,星期三五、热敏电阻的结构及其特点五、热敏电阻的结构及其特点珠状珠状 热敏电阻热敏电
20、阻圆片型圆片型 方片型方片型 棒状棒状 厚薄厚薄膜型膜型 它们各自适用于不同的应用场合。它们各自适用于不同的应用场合。第25页,共99页,编辑于2022年,星期三1.1.3 1.1.3 半导体热电阻温度传感器半导体热电阻温度传感器 Semiconductor T.R.利用利用电阻率电阻率随随温度变化温度变化的特性制成温度传感器。的特性制成温度传感器。一、工作原理一、工作原理 对于对于P P型半导体材料:型半导体材料:对于对于N N型半导体型半导体材料材料:其其主要决定于主要决定于载流子载流子(电子或空穴电子或空穴)浓度和迁移率。二者浓度和迁移率。二者都都与温度密切相关与温度密切相关,分别分析:
21、分别分析:半导体材料的电阻率:半导体材料的电阻率:第26页,共99页,编辑于2022年,星期三1.1.迁移率与温度的关系迁移率与温度的关系 载流子迁移率与载流子在电场作用下的散射机理有关。载流子迁移率与载流子在电场作用下的散射机理有关。声声学波散射迁移率学波散射迁移率s s 和和电离杂质散射迁移率电离杂质散射迁移率i i与温度的关系与温度的关系表示为:表示为:两种散射的关系:两种散射的关系:说明了迁移率随温度的变化说明了迁移率随温度的变化与掺杂浓度与掺杂浓度N Ni i有关有关。第27页,共99页,编辑于2022年,星期三2.2.电阻率与温度的关系电阻率与温度的关系 本征本征半导体的半导体的主
22、要由本征载流子浓度主要由本征载流子浓度n ni i 决定。决定。ni 随温度上升而急剧增加。随温度上升而急剧增加。随温度随温度增加而增加而单调地下降单调地下降,区别于金属的一个,区别于金属的一个重要特征。重要特征。杂质半导体杂质半导体,n、p受受杂质电离杂质电离Ni和本征激发和本征激发影响,有电离杂质散射和影响,有电离杂质散射和晶格散射两种散射机构,因而晶格散射两种散射机构,因而随温随温度的变化关系更复杂。度的变化关系更复杂。第28页,共99页,编辑于2022年,星期三二、硅热电阻的结构和工艺二、硅热电阻的结构和工艺 有两种结构形式有两种结构形式一是一是棒状棒状 R(图(图a a、b b),二
23、是),二是扩散电阻型扩散电阻型 R(图(图c c)。)。结构结构:第29页,共99页,编辑于2022年,星期三工艺流程工艺流程:电阻型温度传感器第30页,共99页,编辑于2022年,星期三1.1.电阻一温度特性电阻一温度特性 当硅电阻温度传感器处于当硅电阻温度传感器处于正向正向偏置偏置时,在时,在5555175175内,内,电阻电阻值值随随温度温度的升高而增大,具有较的升高而增大,具有较好的线性度。好的线性度。如果硅热电阻处于如果硅热电阻处于反向偏置反向偏置,当当温度上升到温度上升到120120以上时,开始本征以上时,开始本征激发,产生大量的电子激发,产生大量的电子-空穴对,空穴对,使电阻值突
24、然下降使电阻值突然下降。三、硅热电阻的特性三、硅热电阻的特性第31页,共99页,编辑于2022年,星期三电阻型温度传感器2.2.电阻温度系数电阻温度系数硅硅电阻温度系数电阻温度系数T T:第32页,共99页,编辑于2022年,星期三3、硅电阻与电流的关系、硅电阻与电流的关系 不同的温度下不同的温度下,当电流超当电流超过过1mA1mA时,时,电阻就会增大电阻就会增大,是,是因因电流的自身热效应电流的自身热效应使电阻使电阻增大。因此,工作电流应增大。因此,工作电流应小于小于1mA1mA为宜为宜。第33页,共99页,编辑于2022年,星期三一、温度检测及指示一、温度检测及指示 1 1、简单的测量温度
25、原理图、简单的测量温度原理图 具体测量时,给具体测量时,给电路加上调零电电路加上调零电阻阻,用用四线接法四线接法将将R Rt t拉到被测现场。拉到被测现场。第34页,共99页,编辑于2022年,星期三2、流量测量的原理图、流量测量的原理图 当流速当流速V Vl l=0=0时,用时,用R Ra a调调零,使检流计为零,使检流计为0 0。当。当V Vl l00时,时,NTCNTC电阻电阻R Rt1t1与与R Rt2t2的阻值变化不同,的阻值变化不同,使流过电流表的电流发使流过电流表的电流发生变化。生变化。第35页,共99页,编辑于2022年,星期三二、温度补偿电路二、温度补偿电路 1.1.热敏电阻
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