《半導(dǎo)體溫度傳感器》PPT課件.ppt

1、第8章 半導(dǎo)體傳感器,8.1 半導(dǎo)體溫度傳感器 8.2 半導(dǎo)體濕度傳感器 8.3 半導(dǎo)體氣體傳感器 8.4 半導(dǎo)體磁敏傳感器,溫度傳感器的種類,溫度傳感器按照用途可分為基準(zhǔn)溫度計和工業(yè)溫度計；按照測量方法又可分為接觸式和非接觸式；按工作原理又可分為膨脹式、電阻式、熱電式、輻射式等等；按輸出方式分，有自發(fā)電型、非電測型等,1常用熱電阻 范圍：-260850；精度：0.001。改進(jìn)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,接觸式溫度傳感器,3陶瓷熱電阻 測量范圍為200+500，精度為0.3、0.15級。 4超

2、低溫?zé)犭娮鑳煞N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(jīng)濟(jì)性好、價格便宜,接觸式溫度傳感器的特點：傳感器直接與被測物體接觸進(jìn)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,l輻射高溫計 用來測量 1000以上高溫。分四種：光學(xué)高溫計、比色高溫計、輻射高溫計和光電高溫計。 2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),

3、保證有足夠準(zhǔn)確的精度進(jìn)行自動測量,非接觸式溫度傳感器,3超聲波溫度傳感器 特點是響應(yīng)快(約為10ms左右)，方向性強(qiáng)。目前國外有可測到5000 的產(chǎn)品。 4激光溫度傳感器 適用于遠(yuǎn)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(xué)院研制的一種激光溫度計，最高溫度可達(dá)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,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(jìn)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

4、場；連續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等,8.1 半導(dǎo)體溫度傳感器,8.1.1 接觸型半導(dǎo)體傳感器,熱電阻傳感器有兩大類： 、金屬熱電阻俗稱熱電阻（熱電阻傳感器）； 、半導(dǎo)體熱電阻俗稱熱敏電阻（熱敏電阻傳感器） 基于熱電阻效應(yīng)：電阻率隨溫度變化發(fā)生改變的現(xiàn)象,電阻與溫度的關(guān)系 大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度而變化的關(guān)系可由下式表示 Rt=R01+（t-t0,1.熱電阻傳感器,對熱電阻材料的要求,電阻溫度系數(shù)要盡可能大，且穩(wěn)定； 電阻率要高； 比熱小，亦即熱慣性?。?電阻值隨溫度變化關(guān)系最好是線性關(guān)系； 在較寬的測量范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)； 良好的工藝性，即特性的復(fù)現(xiàn)性好，便于批量生產(chǎn),熱電阻傳感器

5、由熱電阻絲、絕緣骨架、引出線組成。其中電阻絲是熱電阻的主體。目前最廣泛使用的熱電阻材料是銅熱電阻和鉑熱電阻,1、鉑熱電阻：型號為WZB， 分度號為BA1 R046和BA2 R0100,2、銅熱電阻：型號為WZG，分度號為G ，R033 RtR01AtBt2Ct3 其優(yōu)點： 輸出輸入特性近似線性； 工藝性好，價格便宜。 其缺點：電阻率小，僅為鉑的16，故體積大，熱慣性大。 當(dāng)溫度高于1000C時，易氧化、測量范圍小，不適于在 腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作,3、鎳熱電阻 在-502000C范圍內(nèi)，鎳的電阻與溫度的關(guān)系一般可寫成RtR01AtBt2,4、其他熱電阻 銦熱電阻錳熱電阻 碳熱電阻 鐵熱電阻、鎳

6、熱電阻,常用熱電阻,習(xí)題1,Pt100和Cu50各代表什么傳感器？ 分別代表鉑電阻熱電式傳感器（0度時電阻值為100），銅電阻熱電式傳感器(0攝氏度時電阻值為50,2.半導(dǎo)體熱敏電阻,熱敏電阻是利用某種半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的。工作原理一般用量子躍遷觀點進(jìn)行分析。由于熱運(yùn)動（譬如溫度升高）,越來越多載流子克服禁帶寬度（或電離能）引起導(dǎo)電,這種熱躍遷使半導(dǎo)體載流子濃度和遷移率發(fā)生變化,根據(jù)電阻率公式可知元件電阻值發(fā)生變化。 在溫度傳感器中應(yīng)用最多的有熱電偶、熱電阻（如鉑、銅電阻溫度計等）和熱敏電阻。熱敏電阻發(fā)展最為迅速，由于其性能得到不斷改進(jìn)，穩(wěn)定性已大為提高，在許多場合下

7、（-40350）熱敏電阻已逐漸取代傳統(tǒng)的溫度傳感器,1)靈敏度高,有正、負(fù)溫度系數(shù)和在某一特定溫度區(qū)域內(nèi)阻值突變的三種熱敏電阻元件。其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10100倍以上,能檢測出10-6溫度變化。 (2)小型,材料加工容易、性能好，最小的珠狀熱敏電阻可做到直徑為0.2mm,能夠測出一般溫度計無法測量的空隙、腔體、內(nèi)孔、生物體血管等處的溫度。 (3)使用方便,電阻值可在0.1100k之間任意選擇。使用時，一般可不必考慮線路引線電阻的影響；由于其功耗小、故不需采取冷端溫度補(bǔ)償，所以適合于遠(yuǎn)距離測溫和控溫使用,一）半導(dǎo)體熱敏電阻主要特點,4)穩(wěn)定性好。商品化產(chǎn)品已有30多年歷史，加之近年在材料與

8、工藝上不斷得到改進(jìn)。據(jù)報道，在0.01的小溫度范圍內(nèi)，其穩(wěn)定性可達(dá)0.0002的精度。相比之下，優(yōu)于其它各種溫度傳感器。 (5)原料資源豐富，價格低廉。燒結(jié)表面均已經(jīng)玻璃封裝。故可用于較惡劣環(huán)境條件；另外由于熱敏電阻材料的遷移率很小，故其性能受磁場影響很小，這是十分可貴的特點,熱敏電阻的種類很多，分類方法也不相同。按熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系這一重要特性可分為： 1正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC） 電阻值隨溫度升高而增大的電阻器，簡稱PTC熱敏阻器。它的主要材料是是由在BaTiO3和SrTiO3為主的成分中加入少量Y2O3和Mn2O3構(gòu)成的燒結(jié)體。其特性曲線是隨溫度升高而阻值增大,其色標(biāo)標(biāo)記為紅色

9、。開關(guān)型正溫度系數(shù)熱敏電阻在居里點附近阻值發(fā)生突變,有斜率最大的區(qū)段,通過成分配比和添加劑的改變,可使其斜率最大的區(qū)段處在不同的溫度范圍里,例如加入適量鉛其居里溫度升高;若將鉛換成鍶,其居里溫度下降,二）熱敏電阻的分類,圖8.1 半導(dǎo)體熱敏電阻的溫度特性,2負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC） 電阻值隨溫度升高而下降的熱敏電阻器，簡稱NTC熱敏電阻器。它的材料主要由Mn、Co、Ni、Fe等金屬的氧化物燒結(jié)而成,通過不同材質(zhì)組合,能得到不同的電阻值R0及不同的溫度特性。 負(fù)溫度系數(shù)（NTC）型半導(dǎo)體熱敏電阻研究最早,生產(chǎn)最成熟,是應(yīng)用最廣泛的熱敏電阻之一, 特別適合于-100300C之間的溫度測量,其

10、色標(biāo)標(biāo)記為綠色,圖8.1 半導(dǎo)體熱敏電阻的溫度特性,3突變型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（CTR） 如果用V、Ge、W、P等的氧化物在弱還原氣氛中形成半玻璃狀燒結(jié)體,還可以制成臨界型（CTR）熱敏電阻,它是負(fù)溫度系數(shù)型,在某特定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而急劇下降，最高可降低34個數(shù)量級，即具有很大負(fù)溫度系數(shù)。即在某個溫度范圍里阻值,曲線斜率在此區(qū)段特別陡峭,靈敏度極高,其色標(biāo)標(biāo)記為白色。此特性可用于自動控溫和報警電路中,圖8.1 半導(dǎo)體熱敏電阻的溫度特性,熱敏電阻材料的分類,熱敏電阻材料的分類（2,標(biāo)稱阻值RH 在環(huán)境溫度為(250.2)時測得的阻值,也稱冷電阻,單位為。 電阻溫度系數(shù)t 熱敏電阻的溫度每

11、變化1時,阻值的相對變化率,單位為%/。如不作特別說明,是指20時的溫度系數(shù),8.1,式中,R為溫度為T(K)時的阻值,三）熱敏電阻的主要參數(shù),材料常數(shù)B 是表征負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器材料的物理特性常數(shù)。B值決定于材料的激活能E，具有B=E2k的函數(shù)關(guān)系，式中k為波爾茲曼常數(shù)。一般B值越大，則電阻值越大，絕對靈敏度越高。在工作溫度范圍內(nèi)，B值并不是一個常數(shù)，而是隨溫度的升高略有增加的。 如果被測溫度比較低,而且不需要很高的精度時,一般把B看成一個常數(shù),求出溫度或熱敏電阻的阻值,圖8.2 B常數(shù)的溫度特性,T/C,散熱系數(shù)H 它是指熱敏電阻自身發(fā)熱使其溫度比環(huán)境溫度高出1所需的功率,單位

12、為W/或mW/。在工作范圍內(nèi)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，H值隨之變化，它取決于熱敏電阻的形狀、封裝形式以及周圍介質(zhì)的種類,時間常數(shù) 它是指熱敏電阻從溫度為T0的介質(zhì)中突然移入溫度為T的介質(zhì)中（環(huán)境溫度階躍變化）,熱敏電阻的溫度升高T=0.63(T-T0)所需的時間,單位為s。它表征熱敏電阻加熱或冷卻的速度。一般在1-50秒之間.它與熱容量C和耗散系數(shù)H之間的關(guān)系 最高工作溫度Tm 它是指熱敏電阻長期連續(xù)工作所允許的最高溫度,在該溫度下,熱敏電阻性能參數(shù)的變化應(yīng)符合技術(shù)條件的規(guī)定,T0環(huán)境溫度；PE環(huán)境溫度為T0時的額定功率；H散熱系數(shù),四）熱敏電阻器主要特性,1.熱敏電阻器的電阻溫度特性（RTT,1,

13、2,3,4,鉑絲,40,60,120,160,0,100,101,102,103,104,105,RT,溫度T/C,TT與RTT特性曲線一致,熱敏電阻的電阻-溫度特性曲線 1-NTC；2-CTR； 3-4 PTC,RT、RT0溫度為T、T0時熱敏電阻器的電阻值 B NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。 對上式微分后,再除以RT,可得NTC的溫度系數(shù),負(fù)電阻溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器的溫度特性,NTC的電阻溫度關(guān)系的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為,可見,溫度系數(shù)是溫度的非線性函數(shù)。隨溫度減小而增大,所以低溫時熱敏電阻溫度系數(shù)大,所以靈敏度高,故熱敏電阻常用于低溫（-100300C）測量。由測試結(jié)果表明，不管是由氧化物

14、材料，還是由單晶體材料制成的NTC熱敏電阻器，在不太寬的溫度范圍（小于450），都能利用該式，它僅是一個經(jīng)驗公式,材料的不同或配方的比例和方法不同，則B也不同。用lnRT1/T表示負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻溫度特性，在實際應(yīng)用中比較方便,105,104,103,102,0,10,10,30,50,70,85,100,120,T/C(1/T,電阻/ (lnRT,NTC熱敏電阻器的電阻-溫度曲線,如果以lnRT、1/T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，則上式是一條斜率為B，通過點(1/T，lnRT0)的一條直線，如圖,2.正電阻溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻器的電阻溫度特性,其特性是利用正溫度熱敏材料，在居里點附近

15、結(jié)構(gòu)發(fā)生相變引起導(dǎo)電率突變來取得的，典型特性曲線如圖,10000,1000,100,10,0,50,100,150,200,250,R20=120,R20=36.5,R20=12.2,PTC熱敏電阻器的電阻溫度曲線,T/C,電阻,Tp1,Tp2,Tc=175 C,PTC熱敏電阻的工作溫度范圍較窄，在工作區(qū)兩端，電阻溫度曲線上有兩個拐點：Tp1和Tp2。當(dāng)溫度低于Tp1時，溫度靈敏度低；當(dāng)溫度升高到Tp1后，電阻值隨溫度值劇烈增高（按指數(shù)規(guī)律迅速增大）；當(dāng)溫度升到Tp2時，正溫度系數(shù)熱敏電阻器在工作溫度范圍內(nèi)存在溫度Tc，對應(yīng)有較大的溫度系數(shù)tp,經(jīng)實驗證實：在工作溫度范圍內(nèi)，正溫度系數(shù)熱敏電阻

16、器的電阻溫度特性可近似用下面的實驗公式表示： 式中 RT、RT0溫度分別為T、T0時的電阻值； BP正溫度系數(shù)熱敏電阻器的材料常數(shù)。 若對上式取對數(shù)，則得,可見正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻溫度系數(shù)tp ，正好等于它的材料常數(shù)BP的值,lnRr1,lnRr2,BP,mR,BP=tg=mR/mr,T1,T2,lnRr0,mr,lnRT-T 表示的PTC熱敏電阻器電阻溫度曲線,lnRr,T,若對上式微分，可得PTC熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)tp,以lnRT、T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，便得到下圖,二）熱敏電阻器的伏安特性（UI） 熱敏電阻器伏安特性表示加在其兩端的電壓和通過的電流，在熱敏電阻器和周圍介質(zhì)熱平

17、衡（即加在元件上的電功率和耗散功率相等）時的互相關(guān)系。 1.負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻器的伏安特性,該曲線是在環(huán)境溫度為T0時的靜態(tài)介質(zhì)中測出的靜態(tài)UI曲線,熱敏電阻的端電壓UT和通過它的電流I有如下關(guān)系,oa段：為線性段，表示在低電流下,熱敏電阻呈線性電阻性質(zhì)，電壓降和電流成正比。這一區(qū)域適合溫度測量，a點是沒有自熱時的最大電流值。 ab段：隨電流增加,電壓上升變緩,曲線呈非線性,這一工作區(qū)是非線性正阻區(qū)。 bc段：當(dāng)電流超過一定值以后,曲線向下彎曲出現(xiàn)負(fù)阻特性,稱為負(fù)阻區(qū)。 表示有較大自熱時，電流引起熱敏電阻自身發(fā)熱升溫，阻值減小，電阻的壓降隨電流的增加而減小。尤其是阻值大的熱敏電阻。b

18、點處自熱增量為零，自熱溫度等于環(huán)境溫度。 d點：是空氣中最大安全電流工作點。電流過大，超過電阻的允許功率,曲線見下圖，它與NTC熱敏電阻器一樣，曲線的起始段為直線，其斜率與熱敏電阻器在環(huán)境溫度下的電阻值相等。這是因為流過電阻器電流很小時，耗散功率引起的溫升可以忽略不計的緣故。當(dāng)熱敏電阻器溫度超過環(huán)境溫度時，引起電阻值增大，曲線開始彎曲,PTC熱敏電阻器的靜態(tài)伏安特性,2正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻器的伏安特性,當(dāng)電壓增至Um時，存在一個電流最大值Im；如電壓繼續(xù)增加，由于溫升引起電阻值增加速度超過電壓增加的速度，電流反而減小，即曲線斜率由正變負(fù),三）熱敏電阻器的安時特性（UI） 流過熱敏電阻的

19、電流與時間的關(guān)系,稱為安時特性,如圖8.4所示。它表示熱敏電阻在不同電壓下,電流達(dá)到穩(wěn)定最大值所需要的時間。對于一般結(jié)構(gòu)的熱敏電阻,其值均在0.5-1s之間,圖8.4 熱敏電阻的安時特性,目前半導(dǎo)體熱敏電阻還存在一定缺陷,主要是互換性和穩(wěn)定性還不夠理想,雖然近幾年有明顯改善,但仍比不上金屬熱電阻,其次是它的非線性嚴(yán)重,且不能在高溫下使用,因而限制了其應(yīng)用領(lǐng)域,四）熱敏電阻器主要缺點,熱敏電阻測溫的基本電路 為了取得熱敏電阻的阻值和溫度成比例的電信號,需要考慮它的直線性和自身加熱問題。圖8.5表示熱敏電阻的基本聯(lián)接電路。對于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(NTC型)當(dāng)溫度上升時,熱敏電阻的阻值變小,輸出電

20、壓Uout上升。在0100C溫度范圍內(nèi)有如下關(guān)系,8.7,五）熱敏電阻溫度傳感器,圖8.5熱敏電阻的基本連接法,從公式(8.3)可知,溫度和熱敏電阻的阻 值之間有非線性特性,為了在較寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)線性化,可采用模擬電路參數(shù)設(shè)定法:把熱敏電阻傳感器接入圖8.8所示電路中的RT位置上,則電路輸出電壓為,將（8.3）式代入上式得,圖8.8 測量電路原理圖,聯(lián)立以上各式及（8.3）式(（改寫為,可見，溫度與輸出電壓之間是非線性的，可用對數(shù)電路和除法器串聯(lián)電路實現(xiàn)線性化輸出，如圖8.9所示。圖中各點電壓之間的關(guān)系,解得,圖8.9 線性化電路,在設(shè)計電路參數(shù)時,若選擇,可使上式分母中前三項的代數(shù)和等于零,

21、則有,即得到了輸出電壓Uo與被測溫度T成線性的關(guān)系式,圖8.9 線性化電路,利用兩個熱敏電阻,求出其溫度差的電路 在溫度測量中,測量溫度的絕對值一般能測量到0.1C左右的精度,要測到0.01C的高精度是很困難的。但是,如果在具有兩個熱敏電阻的橋式電路中,在同一溫度下,調(diào)整電橋平衡,當(dāng)兩個熱敏電阻所處環(huán)境溫度不同,測量溫度差時,精度可以大大提高。 圖8.10示出這種求溫度差的電路圖。圖（a）電路的測溫范圍較小,而且兩個熱敏電阻的B常數(shù)應(yīng)該一致,但靈敏度高;圖（b）電路的測溫范圍較大,而且對B常數(shù)一致性的要求也不嚴(yán)格,因為它們可以用Rs來適當(dāng)調(diào)整,圖8.10 求溫度差的橋式電路,利用半導(dǎo)體二極管、

22、晶體管、可控硅等的伏安特性與溫度的關(guān)系可做出溫敏器件。它與熱敏電阻一樣具有體積小、反應(yīng)快的優(yōu)點。此外,線性較好且價格低廉,在不少儀表里用來進(jìn)行溫度補(bǔ)償。特別適合對電子儀器或家用電器的過熱保護(hù),也常用于簡單的溫度顯示和控制。不過由于PN結(jié)受耐熱性能和特性范圍的限制,只能用來測量150C以下的溫度。 PN結(jié)溫度傳感器的種類 種類： 溫敏二極管；溫敏三極管 溫控晶閘管。 分立元件型PN結(jié)溫度傳感器也存在互換性和穩(wěn)定性不夠理想的缺點，集成化PN結(jié)溫度傳感器則把感溫部分、放大部分和補(bǔ)償部分封裝在同一管殼里，性能比較一致而且使用方便,2. PN結(jié)型熱敏器件,原理：恒流條件下，二極管電壓與溫度呈線性關(guān)系 根

23、據(jù)半導(dǎo)體器件原理,流經(jīng)晶體二極管PN結(jié)的正向電流ID與PN結(jié)上的正向壓降UD有如下關(guān)系,8.10,1)晶體二極管PN結(jié)熱敏器件,式中,q為電子電荷量,k為玻耳茲曼常數(shù),T為絕對溫度,Is為反向飽和電流。它可寫為,8.11,qUg0為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度;B和為兩個常數(shù),其數(shù)值與器件的結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)。 將(8.10)式取對數(shù)并考慮到(8.11)式,得,對上式兩邊取導(dǎo)數(shù),得到PN結(jié)正向壓降對溫度的變化率為,從以上二式得到溫度靈敏度為,8.12,k=8.6310-5eV/K，當(dāng)半導(dǎo)體材料選定為硅，則Ugo=1.172V， 設(shè)UD=0.65V，T=300K，=3.5，則得,即此條件下，溫度每升高1，P

24、N結(jié)正向電壓下降2mV,硅二極管正向電壓的溫度特性如圖8.11所示。顯而易見, 在40300K之間有良好的線性。當(dāng)正向電流一定時,二極管的種類不同,其溫度特性也不同,正向電流變化時,溫度特性也隨之變化,圖8.11 硅二極管正向電壓的溫度特性,溫度特性,如圖8.12所示。利用二極管VD、R1、R2、R3和RW組成一電橋電路, 再用運(yùn)算放大器把電橋輸出電信號放大并起到阻抗變換作用,可提 高信號的質(zhì)量,圖8.12 二極管測溫電路,二極管測溫電路,原理：根據(jù)晶體管原理,處于正向工作狀態(tài)的晶體三極管,其發(fā)射極電流和發(fā)射結(jié)電壓能很好地符合下面關(guān)系,式中,IE為發(fā)射極電流,UBE為發(fā)射結(jié)壓降,Ise為發(fā)射結(jié)

25、的反向飽和電流。 因為在室溫時,kT/q=36mV左右,因此,在一般發(fā)射結(jié)正向偏置的條件下,都能滿足UBEkT/q的條件,這時上式可以近似為,8.13,2) 晶體三極管溫度傳感器,對上式取對數(shù),得,8.14,8.15,由上式可知,溫度T與發(fā)射結(jié)壓降UBE有對應(yīng)關(guān)系,我們可根據(jù)這一關(guān)系 通過測量UBE來測量溫度T值,且在溫度不太高的情況下,兩者近似成線性關(guān) 系,其靈敏度為,圖8.13為硅半導(dǎo)體晶體管的基極發(fā)射極間電壓UBE和集電極電流IC關(guān)系的溫度特性。UBE具有大約-2.3mV/ 的溫度系數(shù)，利用這一現(xiàn)象可以制成高精度、超小型的溫度傳感器，測溫范圍為-50-200 左右,圖8.13 UBE與I

26、C的溫度特性,溫度特性,圖8.14 晶體管體溫計原理圖及測溫輸出特性,圖8.14為晶體管溫度傳感器用作電子體溫計的原理圖及其輸出特性。在050C的范圍內(nèi),輸出電壓變化為0-1V,測溫精度不低于0.05C,實用舉例,結(jié)型熱敏器件另一種類型是利用可控硅元件的熱開關(guān)特性制成的可控硅熱敏開關(guān),是一種無觸點熱開關(guān)元件。當(dāng)元件處于關(guān)態(tài)時,流過陽極與陰極之間的電流ID為,式中,IG為流過陽極與柵極電阻的旁路選通電流;a1為空穴電流增長率，a2為電子電流增長率，IC0為集電極截止電流,3)可控硅熱敏開關(guān),當(dāng)截止電壓一定時,隨溫度的上升,熱激電子空穴對成指數(shù)增加,使IC0 增大,a1和a2也增大。當(dāng)溫度達(dá)到一定

27、值,使a1+a2=1時,元件即由截止?fàn)顟B(tài) 轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài),可控硅熱敏開關(guān)元件具有溫度傳感和開關(guān)兩種特性,開關(guān)溫度可通過調(diào)整柵極電阻上的外加電壓進(jìn)行控制,導(dǎo)通狀態(tài)具有自保持能力,并能通過較大電流,表8.1 可控硅熱敏開關(guān)的應(yīng)用范圍,客房火災(zāi)報警器,TT201溫控晶閘管安裝在每間客房內(nèi)，發(fā)光二極管LED和報警器放在總服務(wù)臺。一般情況下，TT201不導(dǎo)通，LED不發(fā)光，報警器無聲。當(dāng)某一客房發(fā)生火災(zāi)，室內(nèi)溫度升高，TT201導(dǎo)通，LED發(fā)光，報警器發(fā)聲報警。（如圖所示,集成電路（IC）溫度傳感器是近期開發(fā)的，把溫度傳感器與后續(xù)的放大器等用集成化技術(shù)制作在同一基片上而成的，集傳感與放大為一體的功能器件

28、。這種傳感器輸出特性的線性關(guān)系好，測量精度也比較高，使用起來方便，越來越受到人們的重視。它的缺點是靈敏度較低。 IC溫度傳感器的設(shè)計原理是,對于集電極電流比一定的兩個晶體管,其UBE之差UBE與溫度有關(guān),3.集成（IC）溫度傳感器（如AD590，美國模擬器件公司,IC傳感器的基本特性如下： （1）可測得線性輸出電流（1A/C）。 （2）檢測溫度范圍廣(-55150C)。 （3）測量精度為1C。 （4）無調(diào)整時也可使用。 （5）直線性很好,滿量程非線性偏離:0.5C。 （6）使用電源范圍廣（+4+30V,由上式知,發(fā)射結(jié)壓降與發(fā)射極電流IE及反向飽和電流Ise有關(guān),兩個晶體管的發(fā)射結(jié)正向壓降分別

29、為,則兩個晶體管發(fā)射結(jié)壓降差,8.16,原理,8.16）式表明UBE與絕對溫度T成正比。選擇特性相同的兩個晶體管,則Ise1=Ise2,兩個晶體管的電流放大系數(shù)也應(yīng)相同,當(dāng)兩個晶體管的集電極電流分別為IC1、IC2時,8.17,UBE經(jīng)后級放大器放大后,可使傳感器的輸出隨溫度產(chǎn)生10mV/的變化量,IC溫度傳感器的設(shè)計原理是,對于集電極電流比一定的兩個晶體管,其UBE之差UBE與溫度有關(guān),圖8.18 電壓輸出型IC溫度傳感器原理圖,IC溫度傳感器按輸出方式可分為電壓輸出型和電流輸出型。圖8.18為電壓輸出型IC溫度傳感器原理圖。圖中V1、V2為集電極電流分別為I1、I2的兩個性能相同的晶體管,

30、圖8.19 電壓輸出型IC溫度傳感器放大器的原理框圖,圖8.19為放大器的原理框圖,圖8.20 電流輸出型IC溫度傳感器原理圖,電流輸出型IC溫度傳感器原理圖如圖8.20所示。從圖中不難看出: UBE1=UBE2; IC3=IC4,IC設(shè)計時,取V3發(fā)射極面積為V4發(fā)射極面積的8倍,于是根據(jù)式(8.17)得電阻R上的電壓輸出為,圖中集電極電流由UT/R決定,電路中流過的電流為流過R的電流的2倍。取R=358,則可獲得靈敏度為1A/K的溫度傳感器,IC溫度傳感器的一大特點是應(yīng)用起來很方便。圖8.21表示最簡單的絕對溫度計（開耳芬溫度計）。如果把它的刻度換算成攝氏、華氏溫度刻度時就可以做成各種溫度

31、計了,圖8.21 開耳芬溫度計,圖8.22 低溫測量溫度計,圖8.22表示用串聯(lián)電路時測量低溫度的電路圖,圖8.23 測量平均溫度的電路圖,圖8.23表示用并聯(lián)電路時測量平均溫度值的電路圖,光纖的特征是對電、磁及其他輻射的抗干擾性好,而且細(xì)、輕、能量損失少。因此,利用光纖做的傳感器,在惡劣的環(huán)境下也能正常工作。 利用半導(dǎo)體材料的光吸收與溫度的關(guān)系,可以構(gòu)成透射式光纖溫度傳感器,4.半導(dǎo)體光纖溫度傳感器,圖8.24 各種半導(dǎo)體禁帶寬度的溫度特性,圖8.24表示各種半導(dǎo)體禁帶寬度的溫度特性,從圖中可看出,半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg隨溫度T增加近似線性地減小,半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度上升而減小，亦即其本征吸

32、收波長g隨溫度上升而增大。反映在半導(dǎo)體的透光特性上，即當(dāng)溫度升高時，其透射率曲線將向長波方向移動。若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的g(t)相匹配的發(fā)光二極管作為光源，如圖，則透射光強(qiáng)度將隨著溫度的升高而減小,LED發(fā)光光譜,半導(dǎo)體透射率,T1T2T3,T3,T1,T2,相對光強(qiáng),圖8.25 半導(dǎo)體材料的吸收特性,透射率,波長,圖8.26（a）為透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器測量原理圖。在輸入光纖和輸出光纖之間夾一片厚度約零點幾毫米的半導(dǎo)體材料,并用不銹鋼管加以固定,如圖8.26(b)所示。它體積小、靈敏度高、 工作可靠, 廣泛應(yīng)用于高壓電力裝置中的溫度測量等特殊場合,圖8.26 半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器

33、的測溫原理圖,選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體發(fā)光二極管LED,使其光譜范圍正好落在吸收邊的區(qū)域。半導(dǎo)體材料的光吸收,隨著吸收邊波長變短而急劇增加,直到光幾乎不能透過半導(dǎo)體。相反,波長比g長的光,半導(dǎo)體透過率就高。由此可見,半導(dǎo)體透射光強(qiáng)隨溫度的增加而減少。 用光電探測器檢測出透射光強(qiáng)的變化,并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號,便能測量出溫度。 這種光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低、便于推廣應(yīng)用, 可在-10-300的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測量, 響應(yīng)時間約為2 s,為了進(jìn)一步提高傳感器的穩(wěn)定性及抗干擾能力,并提高測量精度,可采用以下兩種方法。 1）雙光纖參考基準(zhǔn)通道法 其結(jié)構(gòu)框圖如圖8.27所示。光源采用GaAlAs-L

34、ED,半導(dǎo)體吸收材料CdTe或GaAs作為測量元件。探測器選用Si-PIN發(fā)光二極管。從圖中可看出,此方案與前一方案的區(qū)別在于增加了一條參考光纖及相應(yīng)的探測器。由于采用了參考光纖和除法器,消除了干擾,提高了測量精度。這種溫度計測溫范圍為-40120C,精度為1C,圖8.27 雙光纖參考基準(zhǔn)通道法原理框圖,2）雙光源參考基準(zhǔn)通道法 圖8.28為測溫示意圖。發(fā)光二極管LED（AlGaAs,1=0.88m;InGaAsP,2=1.27m）交替地發(fā)出光脈沖,經(jīng)耦合器送入光纖探頭,每個光脈沖的寬度為10ms。半導(dǎo)體GdTe(或GaAs)對一只LED發(fā)射波長為1的光的吸收與溫度有關(guān),而對另一只LED發(fā)出的

35、波長為2的光幾乎不吸收,這樣可以作為參考光,經(jīng)Ge-APD光電探測器送入采樣保持電路,得到正比于脈沖幅值的直流信號,最后采用除法器獲得溫度信號。該溫度計測溫范圍為-10300C,精度為1C,圖8.28 雙光源參考基準(zhǔn)通道法原理框圖,8.1.2 非接觸型半導(dǎo)體溫度傳感器 溫度為T的物體對外輻射的能量E與波長的關(guān)系,可用普朗克定律描述,即,8.18,T為物體在溫度T之下的發(fā)射率（也稱為“黑度系數(shù)”,當(dāng)T=1時物體為絕對黑體）; C1為第一輻射常數(shù)（第一普朗克常數(shù)）,C1=3.741810-16 Wm2; C2為第二輻射常數(shù)（第二普朗克常數(shù)）,C2=1.438810-2 mK,根據(jù)斯特藩-玻耳茲曼定

36、律,將上式在波長自0到無窮大進(jìn)行積分,當(dāng)T=1時可得物體的輻射能,8.19,b:黑體的斯特藩-玻耳茲曼常數(shù),b=5.710-8Wm-2K-4; Tb是黑體的溫度,一般物體都不是“黑體”,其發(fā)射率T不可能等于1,而且普通物體的發(fā)射率不僅和溫度有關(guān),且和波長有關(guān),即T=T(T),其值很難求得。雖然如此,輻射測溫方法可避免與高溫被測體接觸,測溫不破壞溫度場,測溫范圍寬,精度高,反應(yīng)速度快,即可測近距離小目標(biāo)的溫度,又可測遠(yuǎn)距離大面積目標(biāo)的溫度。輻射能與溫度的關(guān)系通常用實驗確定,黑體的輻射規(guī)律之中,還有維恩位移定律,即輻射能量的最大值所對應(yīng)的波長m隨溫度的升高向短波方向移動,用公式表達(dá)為,8.20,利用以上各項特性構(gòu)成的傳感器,必須由透鏡或反射鏡將物體的輻射能會聚起來,再由熱敏元件轉(zhuǎn)換成電信號。常用的熱敏元件有熱電堆、熱敏或光敏電阻、光電池或熱釋電元件。 透鏡對輻射光譜有一定的選擇性,例如光學(xué)玻璃只能透過0.32.7m的波長,石英玻璃只能透過0.34.5m的波長。熱敏元件,尤其是光敏元件也對光譜有選擇性。這樣就使得接收到的能量不可能是物體的全部輻射能,而只是部分輻射能。真正的全輻射溫度傳感器