《温敏传感器》课件

温敏传感器温度监测和控制的关键元件课程目标理解温敏传感器基本原学习应用技术理能够选择合适传感器并进行系掌握各类温敏传感器的工作机统设计制了解发展趋势温度测量的重要性提高工艺控制效率精确控温确保产品质量保障安全生产避免过热引发事故节约能源消耗优化温度管理降低能耗温敏传感器的定义基本概念工作原理能将温度变化转换为电信号的器利用材料热效应产生电学参数变件化主要功能实现温度精确测量与控制温敏传感器的发展历史世纪118塞贝克发现热电效应世纪219铂电阻温度计的发明世纪中期320半导体热敏电阻出现世纪421智能化集成温度传感器兴起温敏传感器的分类热电阻类热电偶类2利用金属电阻温度系数利用塞贝克效应1热敏电阻类3利用半导体材料特性光纤温度传感器5集成温度传感器利用光学特性变化4基于半导体工艺制造热电偶传感器两种不同金属温差产生电势工业常用两种金属导体焊接形成工作端与参比端产生热高温应用首选传感器闭合回路电动势热电偶工作原理形成热结温差形成产生热电势电压测量两种不同金属连接形成结点工作端与参比端产生温差塞贝克效应产生电动势测量电动势确定温度值热电偶的结构测量端两种金属丝焊接形成的热结补偿导线连接热电偶与测量仪表保护套管金属或陶瓷材料保护内部元件接线盒连接补偿导线与外部电路常见热电偶类型类型组成材料测量范围特点型镍铬镍硅℃通用型K--200~1300型铁康铜℃低温应用J--40~750型镍铬康铜℃灵敏度高E--200~900型铂铑铂℃高温高精度S-0~1600热电偶的优缺点优点缺点•测量范围广℃•精度较低±±℃-270~

18000.5~2•结构简单坚固•需要冷端补偿•响应速度快•输出信号小•成本较低•存在合金老化问题热电偶应用领域热电阻传感器电阻温度效应利用金属电阻随温度变化的特性高精度测量精度可达±℃

0.1中温范围适用于℃温度测量-200~850热电阻工作原理温度变化原子振动环境温度发生改变温度影响金属原子振动幅度电阻测量电阻变化通过测量电阻值确定温度原子振动影响电子流动产生电阻变化热电阻的材料选择铂电阻温度传感器材料优势铂具有化学稳定性和线性度标准规格表示℃时电阻为Pt1000100Ω精度等级分为级±℃和级±℃A

0.15B

0.3测量范围标准型℃，薄膜型℃-200~650-50~500铂电阻的特性曲线热电阻的优缺点优点缺点•精度高，稳定性好•测量范围小于热电偶•线性度好•响应速度较慢•互换性好•需激励电流•无需冷端补偿•自热效应影响测量热电阻应用实例工业过程控制1精确控制反应釜温度实验室设备恒温水浴、培养箱温控食品加工巴氏灭菌等精确温度监控暖通空调楼宇温度控制系统热敏电阻传感器半导体材料金属氧化物半导体材料制成非线性特性温度电阻呈指数关系-高灵敏度温度系数远大于金属热电阻广泛应用用于温度测量、补偿与控制热敏电阻的类型和NTC PTC负温度系数正温度系数NTCPTC温度升高，电阻减小温度升高，电阻增大•氧化物半导体材料•掺杂半导体材料•测温灵敏度高•存在突跃温度点•温度测量应用广泛•常用于保护电路热敏电阻工作原理NTC温度升高环境温度上升载流子增加热激发产生更多自由电子电导率提高载流子增多导致电导率增加电阻降低电导率提高使电阻值降低热敏电阻工作原理PTC常温区域1类似，温度升高电阻略微减小NTC临界温度2达到居里温度点约℃120转变区域3晶格变形引起能带结构改变高阻状态4电阻急剧增大数千倍热敏电阻的特性曲线热敏电阻的应用领域温度测量过流保护启动控制医用体温计、家用温度计作为可复位保险丝电动机启动电路限流PTC集成温度传感器℃℃±

0.5-55高精度最低测量温度典型精度优于热电偶覆盖大多数应用场景℃150最高测量温度满足电子设备测温需求集成温度传感器的结构信号处理电路放大、滤波和转换电路敏感元件硅基半导体温度敏感元件封装外壳保护内部元件并便于安装常见集成温度传感器型号型号输出方式测量范围精度模拟电压℃±℃LM35-55~

1500.5数字℃±℃DS18B201-Wire-55~

1250.5数字℃±℃TMP102I²C-40~

1250.5数字℃±℃MAX6675SPI0~10242集成温度传感器的优势集成化程度高校准简便接口丰富单芯片包含所有功能电出厂前已进行精确校准支持多种数字通信接口路体积小巧适合空间受限场合应用数字输出温度传感器通信接口类型主要优势单总线•抗干扰能力强•1-Wire•双线制•传输距离远I²C•四线制•可多点级联SPI串口•直接与微控制器连接•UART模拟输出温度传感器输出形式电压或电流信号比例输出经典型号℃，LM3510mV/AD5901μA/K特点简单易用，接线少，成本低应用限制抗干扰性差，传输距离短红外温度传感器原理接收物体辐射的红外能量特点非接触式测温优势响应速度快，适用高温、运动物体红外测温原理波长特性物体辐射辐射强度与温度相关斯特藩玻尔兹曼-一切物体产生红外辐射能量定律温度计算热电堆接收根据信号强度计算目标温度红外探测器接收能量转换为电信号红外温度传感器的应用光纤温度传感器抗电磁干扰分布式测量完全绝缘，无电气连接可沿光纤实现多点或连续测温光学测量高温环境利用光信号传递温度信息适用于高温、腐蚀性环境2314光纤光栅温度传感器原理光谱分析布拉格波长变化通过测量波长偏移量确定温度温度影响反射光波长随温度变化而偏移光纤光栅结构温度变化导致光栅周期和折射光纤中刻写周期性折射率变化率改变区域光纤温度传感器的特点本质安全无电气连接，防爆防火远距离测量信号传输可达数公里多点复用一根光纤可实现多点测量使用寿命长耐腐蚀，抗辐射温敏传感器的选择考虑因素成本考量1预算与性能平衡可靠性要求2环境适应性与寿命性能指标精度、响应时间和测量范围测量范围和精度要求测量范围选择精度需求•低温℃热电偶•高精度±℃铂电阻-270~

00.1•中温℃热电阻、热敏电阻•中等精度±℃集成传感器、热敏电阻0~

5000.5•高温℃热电偶、红外•一般精度±℃热电偶500~18001~2•超高温℃红外、光学测温•低精度±℃简易红外测温18002响应时间和灵敏度环境适应性和可靠性恶劣环境长期稳定性•高温热电偶、光纤•铂电阻极佳•腐蚀钛合金保护套•热电偶中等•振动无填充结构•热敏电阻较差•电磁干扰光纤、数字型•光纤优良可靠性提升•密封技术•材料选择•冗余设计定期校准•成本和维护因素温敏传感器的校准方法标准温度源恒温槽或黑体炉等标准温度环境多点校准测量范围内多个温度点校准曲线拟合建立测量值与实际温度关系误差补偿软件算法或硬件电路补偿定期验证定期检查校准有效性温敏传感器的误差来源热导误差热响应滞后热传导导致的温度梯度材料老化传感器热容量导致的滞后长期使用导致性能退化自热效应外部干扰测量电流产生的自热3电磁干扰、机械应力等2415温度测量电路设计传感器选择根据需求选择合适的传感器前端电路信号转换与放大电路信号调理滤波、线性化和校准电路模数转换将模拟信号转换为数字信号信号调理电路热电偶信号调理热电阻信号调理热敏电阻信号调理•冷端补偿电路•惠斯通电桥•分压电路•微伏级放大器恒流源激励•非线性补偿••线性化电路•三线或四线连接•自热效应补偿模数转换技术微控制器集成ADC1简单应用的首选专用芯片ADC2高精度、高分辨率应用型Δ-ΣADC3噪声抑制能力强温度补偿技术参考点温度测量补偿量计算测量需要补偿的温度值根据温度补偿关系计算-输出校正结果信号补偿3输出补偿后的准确温度对原始信号进行修正温敏传感器在工业控制中的应用工艺过程控制设备保护能源管理石化、冶金、玻璃等生电机、变压器等设备过锅炉、换热器等能效监产过程温控热保护控质量监控产品生产过程温度检测温敏传感器在医疗设备中的应用体温测量医疗设备恒温热疗治疗体温计、红外测温仪培养箱、血液保温高频电刀、微波治疗温敏传感器在汽车电子中的应用发动机温控电池管理冷却系统温度监测与控制电动车电池温度监控空调系统尾气处理车内温度感知与调节催化转化器温度监测温敏传感器在家电产品中的应用温敏传感器在环境监测中的应用气象监测气象站、自动气象站温度测量农业应用大棚温控、土壤温度监测水文监测水温监测、海洋温度剖面建筑监控建筑能耗管理、系统HVAC智能温度控制系统传感测量多点温度实时采集智能算法

2、模糊逻辑等控制算法PID执行控制驱动执行元件进行温度调节自学习优化机器学习优化控制参数多点温度测量技术分布式传感器多个传感器布置在不同位置数据采集多通道同步采集温度数据温度场分析建立空间温度分布模型异常检测识别温度异常点或热点无线温度传感网络无线通信低功耗设计网络拓扑、、电池供电可持续工作数星型、网状等网络结构ZigBee LoRaWiFi等无线传输年云端数据数据汇总分析与远程监控温敏传感器的发展趋势微型化与集成化更小尺寸、更高集成度无线与自供能无线通信、能量收集技术智能化与自诊断自校准、自诊断功能高精度与宽量程更高精度、更宽测量范围新型温敏材料研究纳米材料有机材料新特性•碳纳米管温敏材料聚合物温敏材料超高温度系数•••纳米晶体氧化物•有机半导体材料•极宽测量范围•纳米复合温敏材料•石墨烯温敏材料•优良的线性度温敏传感器与物联网的结合边缘计算传感器内置智能处理单元数据传输无线通信技术实现数据传输云平台分析大数据分析与人工智能处理智能决策自动控制决策与远程管理课程总结与展望510+传感器类型应用领域热电偶、热电阻、热敏电阻、集成、工业、医疗、汽车、家电、环境、物光纤联网3关键发展方向微型化、智能化、网络化。