第一章溫度傳感器

1、五邑大學(xué)五邑大學(xué)第一章第一章 溫度傳感器溫度傳感器主講教師：張京玲主講教師：張京玲信息工程學(xué)院信息工程學(xué)院 vv定義：定義： 溫度傳感器是一種將溫度傳感器是一種將溫度變化溫度變化轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電電學(xué)量學(xué)量變化的裝置。變化的裝置。 vv用途：用途： 用于檢測(cè)溫度和熱量，也稱為用于檢測(cè)溫度和熱量，也稱為熱電式傳感器熱電式傳感器。 vv重要性：重要性： 與生活、科研、生產(chǎn)與生活、科研、生產(chǎn)密切相關(guān)密切相關(guān)。 應(yīng)用應(yīng)用最廣泛。最廣泛。第一章第一章 溫度傳感器溫度傳感器 五邑大學(xué)五邑大學(xué)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用思考思考溫度傳感器可以將溫度變化溫度傳感器可以將溫度變化轉(zhuǎn)換為哪些電學(xué)量呢？轉(zhuǎn)換為哪些電

2、學(xué)量呢？第一章第一章 溫度傳感器溫度傳感器 vv將溫度將溫度T變化變化 - 電阻變化電阻變化的元件，主要有的元件，主要有金金屬熱電阻屬熱電阻、半導(dǎo)體熱電阻半導(dǎo)體熱電阻、陶瓷熱敏電阻、陶瓷熱敏電阻(NTC、PTC、CTR) 和高分子熱敏電阻；和高分子熱敏電阻； v將溫度變化將溫度變化 -電勢(shì)電勢(shì)的傳感器，主要有的傳感器，主要有熱電偶熱電偶和和PN結(jié)式傳感器結(jié)式傳感器；v將熱輻射將熱輻射-電學(xué)量電學(xué)量的器件，有的器件，有熱釋電探測(cè)器熱釋電探測(cè)器、紅外探測(cè)器；、紅外探測(cè)器；vv集成集成溫度傳感器、光纖溫度傳感器、液晶溫度溫度傳感器、光纖溫度傳感器、液晶溫度傳感器、傳感器、智能智能溫度傳感器等溫度傳感

3、器等溫度傳感器分類溫度傳感器分類第一章第一章 溫度傳感器溫度傳感器 五邑大學(xué)五邑大學(xué)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用第一章第一章 溫度傳感器溫度傳感器1.1 1.1 電阻型溫度傳感器電阻型溫度傳感器 1.1 電阻型溫度傳感器電阻型溫度傳感器金屬熱電阻金屬熱電阻 簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱熱電阻熱電阻半導(dǎo)體熱電阻半導(dǎo)體熱電阻 簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱熱敏電阻熱敏電阻溫度溫度感溫材料感溫材料電阻電阻五邑大學(xué)五邑大學(xué)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用1.1 1.1 電阻型溫度傳感器電阻型溫度傳感器 R Rt t ：任意絕對(duì)溫度：任意絕對(duì)溫度t t 時(shí)的電阻值時(shí)的電阻值 R R0 0 ：基準(zhǔn)狀態(tài)基準(zhǔn)狀態(tài)溫度溫度t t0 0時(shí)的電阻值時(shí)的

4、電阻值 ：溫度系數(shù)（溫度系數(shù)（1/1/）一、熱電阻的特性一、熱電阻的特性 1.1.1 1.1.1 熱電阻熱電阻 )(1 00ttRRt五邑大學(xué)五邑大學(xué)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用思考思考制作熱電阻的制作熱電阻的感溫材料感溫材料有什有什么要求？么要求？1.1.1 1.1.1 熱電阻熱電阻 1.1.1 熱電阻 感溫材料的要求感溫材料的要求: 電阻溫度系數(shù)：電阻溫度系數(shù)：純金屬純金屬 性能穩(wěn)定：測(cè)溫性能穩(wěn)定：測(cè)溫準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 良好的輸出特性：良好的輸出特性：線性線性 高的電阻率高的電阻率 良好的加工性、良好的加工性、價(jià)格便宜價(jià)格便宜 )100(1 320ttCBtAtRRt)1(20BtAtRR

5、t0 0630.755:630.755:1.鉑熱電阻鉑熱電阻1.1.1 1.1.1 熱電阻熱電阻 v穩(wěn)定性好、重復(fù)性好穩(wěn)定性好、重復(fù)性好v熱電阻熱電阻最佳最佳材料，但是材料，但是貴貴。v用于用于高精度高精度工業(yè)測(cè)量工業(yè)測(cè)量: : 標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)、溫度基準(zhǔn)。溫度基準(zhǔn)。 -190-1900:0: 用于一般測(cè)量精度和測(cè)量用于一般測(cè)量精度和測(cè)量范圍較小范圍較小時(shí)，時(shí)，易于得到高純度材料、易于得到高純度材料、價(jià)格低廉，易氧化價(jià)格低廉，易氧化。001()tRRa tt2. 銅熱電阻銅熱電阻1.1.1 1.1.1 熱電阻熱電阻 -50-501 15050：一般只用于一般只用于150度以下度以

6、下，無(wú)水分和無(wú)侵蝕性，無(wú)水分和無(wú)侵蝕性的低溫環(huán)境中。的低溫環(huán)境中。3.53.02.52.01.51.00.50-2000200400600電阻比Rt/R0鎳(Ni)銅(Cu)鉑(Pt)溫度(0C)1.1.1 1.1.1 熱電阻熱電阻 3. 其它熱電阻其它熱電阻 鐵和鎳電阻：應(yīng)用較少鐵和鎳電阻：應(yīng)用較少 靈敏度靈敏度高高， 電阻率較大。電阻率較大。 易氧化易氧化，不易提純不易提純，非線性非線性。 1.1.1 1.1.1 熱電阻熱電阻 銦電阻銦電阻錳電阻錳電阻碳電阻碳電阻低溫測(cè)量低溫測(cè)量-273-268.5，熱容量小，熱容量小 ，靈敏度，靈敏度高高 熱穩(wěn)定性較差熱穩(wěn)定性較差。-269-258，測(cè)量

7、精度高，靈敏度高，測(cè)量精度高，靈敏度高 重現(xiàn)性差重現(xiàn)性差 。 -271-210用，靈敏度高用，靈敏度高 脆性高脆性高 ，易損壞；，易損壞； 1、結(jié)構(gòu)：、結(jié)構(gòu)： 組成組成：感溫元件、內(nèi)引線、絕緣套管、保護(hù)套：感溫元件、內(nèi)引線、絕緣套管、保護(hù)套管和接線盒。管和接線盒。 將電阻絲無(wú)感雙線繞在云母、石英、陶瓷、塑將電阻絲無(wú)感雙線繞在云母、石英、陶瓷、塑料等絕緣架上，固定后外面再加上保護(hù)套管。料等絕緣架上，固定后外面再加上保護(hù)套管。 1.1.1 1.1.1 熱電阻熱電阻 2、測(cè)量電路測(cè)量電路： 用精度較高的用精度較高的電橋電路電橋電路。 兩線制連接方式存在的問(wèn)題：引線電阻兩線制連接方式存在的問(wèn)題：引線電

8、阻 為消除為消除連接導(dǎo)線電阻連接導(dǎo)線電阻隨環(huán)境溫度變化隨環(huán)境溫度變化 而造成的而造成的測(cè)量誤差，常采用測(cè)量誤差，常采用三線和四線連接三線和四線連接法。法。1.1.1 1.1.1 熱電阻熱電阻 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定，測(cè)量范圍寬、精度高、低溫測(cè)量。性能穩(wěn)定，測(cè)量范圍寬、精度高、低溫測(cè)量。不足：不足：需輔助電源，熱容量大，需輔助電源，熱容量大，限制用于動(dòng)態(tài)測(cè)量限制用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。 措施：措施：為避免電熱效應(yīng)，為避免電熱效應(yīng)，電流一般應(yīng)小于電流一般應(yīng)小于10mA。 1.1.1 1.1.1 熱電阻熱電阻 正溫度正溫度系數(shù)熱敏系數(shù)熱敏電阻電阻PTC 負(fù)溫度負(fù)溫度系數(shù)熱敏系數(shù)熱敏電阻電阻NTC臨界溫度臨界溫度

9、系數(shù)熱敏系數(shù)熱敏電阻電阻CTR1.1.2 1.1.2 熱敏電阻熱敏電阻 材料：材料： 金屬氧化物金屬氧化物(Mn3O4、CuO、NiO、Co3O4)為為基體、添加劑、陶瓷工藝制成?；w、添加劑、陶瓷工藝制成。 半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 靈敏度高靈敏度高、重復(fù)性好、成本低、體積小、使用、重復(fù)性好、成本低、體積小、使用方便。方便。 熱敏電阻熱敏電阻五邑大學(xué)五邑大學(xué)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用思考思考什么是什么是PTCPTC、NTCNTC、CTRCTR ？1.1.2 1.1.2 熱敏電阻熱敏電阻 五邑大學(xué) 熱敏電阻主要有三種類型，即正溫度系數(shù)型熱敏電阻主要有三種類型，即正溫度系數(shù)型(P

10、TC)(PTC)、負(fù)、負(fù)溫度系數(shù)型溫度系數(shù)型(NTC)(NTC)、和臨界溫度系數(shù)型、和臨界溫度系數(shù)型(CTR)(CTR)。CTRCTR臨界熱敏電阻有一突變臨界熱敏電阻有一突變溫度，此特性可用于自動(dòng)控溫度，此特性可用于自動(dòng)控溫和報(bào)警電路中。溫和報(bào)警電路中。1.1.2 1.1.2 熱敏電阻熱敏電阻 五邑大學(xué)五邑大學(xué)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用思考思考熱敏電阻的特性參數(shù)有熱敏電阻的特性參數(shù)有哪些哪些 ？1.1.2 1.1.2 熱敏電阻熱敏電阻 一、熱敏電阻特性參數(shù) 標(biāo)稱電阻值（標(biāo)稱電阻值（R25）：）： 25、零功率狀態(tài)的阻值。、零功率狀態(tài)的阻值。 大小取決于電阻的大小取決于電阻的材料材料和和幾

11、何尺寸幾何尺寸。 2527： 2. 電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)(T) ： 規(guī)定溫度下，單位溫度變化使阻值變化的相規(guī)定溫度下，單位溫度變化使阻值變化的相對(duì)值。對(duì)值。 25251(25)tRRt1100%TTTdRRdTT 決定了熱敏電阻全部工作范圍內(nèi)對(duì)溫度的決定了熱敏電阻全部工作范圍內(nèi)對(duì)溫度的靈敏度靈敏度。 1.1.2 1.1.2 熱敏電阻熱敏電阻 時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)()： 表征電阻的熱慣性表征電阻的熱慣性. 在零功率測(cè)量狀態(tài)下在零功率測(cè)量狀態(tài)下,當(dāng)環(huán)境溫度突變時(shí)當(dāng)環(huán)境溫度突變時(shí),阻值阻值從起始值變化到最終變化量的從起始值變化到最終變化量的63%時(shí)所需的時(shí)間時(shí)所需的時(shí)間。額定功率（額定功率（PE）：

12、）： 在標(biāo)準(zhǔn)壓力在標(biāo)準(zhǔn)壓力750mmHg和規(guī)定的最高溫度下，電和規(guī)定的最高溫度下，電阻期連續(xù)工作所允許的阻期連續(xù)工作所允許的最大耗散功率最大耗散功率。 實(shí)際中所消耗的功率不得超過(guò)實(shí)際中所消耗的功率不得超過(guò)PE 。1.1.2 1.1.2 熱敏電阻熱敏電阻 1.1.電阻溫度特性電阻溫度特性突變型（開關(guān)型）：突變型（開關(guān)型）： 曲線曲線中中阻值隨溫度變化很陡阻值隨溫度變化很陡Tb為為開關(guān)溫度開關(guān)溫度溫度變化與電阻變化為溫度變化與電阻變化為指數(shù)關(guān)系指數(shù)關(guān)系溫度系數(shù)與溫度無(wú)關(guān)溫度系數(shù)與溫度無(wú)關(guān) 1.1.2 1.1.2 熱敏電阻熱敏電阻 )exp(0ATRRT%1001AdTdRRTTT二、二、PTCPT

13、C熱敏電阻熱敏電阻BTART%100BTABT1.1.2 1.1.2 熱敏電阻熱敏電阻 緩變型：緩變型： 曲線曲線阻值隨溫度變化緩慢阻值隨溫度變化緩慢溫度變化與電阻變化為溫度變化與電阻變化為線性關(guān)系線性關(guān)系溫度系數(shù)隨溫度變化溫度系數(shù)隨溫度變化 適用于適用于溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償靜態(tài)伏安特性：靜態(tài)伏安特性： 一定溫度下，靜止一定溫度下，靜止的空氣中，的空氣中，PTCPTC電阻兩電阻兩端的電壓降與電阻穩(wěn)端的電壓降與電阻穩(wěn)態(tài)電流之間的關(guān)系。態(tài)電流之間的關(guān)系。曲線可分為曲線可分為ABAB、BCBC、CDCD三段。三段。2 2、PTCPTC的靜態(tài)伏安特性曲線的靜態(tài)伏安特性曲線電流電流I(A)電壓電壓U(V)1

14、.1.2 1.1.2 熱敏電阻熱敏電阻 五邑大學(xué)如圖所示是一種如圖所示是一種熱敏電阻（熱敏電阻（PTCPTC元件）元件）的電阻的電阻R R隨溫度隨溫度t t變化的變化的關(guān)系圖線，這種元件具有發(fā)熱、控溫雙重功能常見(jiàn)的關(guān)系圖線，這種元件具有發(fā)熱、控溫雙重功能常見(jiàn)的電熱滅電熱滅蚊器蚊器中就使用這種元件來(lái)中就使用這種元件來(lái)加溫并控制溫度加溫并控制溫度如果將該元件接到如果將該元件接到220V220V電壓下，則電壓下，則A A通電后，其電功率先增大后減小通電后，其電功率先增大后減小B B通電后，其電功率先減小后增大通電后，其電功率先減小后增大C C當(dāng)其發(fā)熱功率等于散熱功率時(shí)，溫度保持在當(dāng)其發(fā)熱功率等于散熱

15、功率時(shí)，溫度保持在t1t1不變不變D D當(dāng)其發(fā)熱功率等于散熱功率時(shí)，溫度保持在當(dāng)其發(fā)熱功率等于散熱功率時(shí)，溫度保持在t1 t1 到到t2t2之間之間的某一值不變的某一值不變t/Rt2t1AD1.1.2 1.1.2 熱敏電阻熱敏電阻 三、三、NTCNTC熱敏電阻熱敏電阻1 10 07 71 10 06 61 10 05 51 10 04 41 10 03 31 10 02 21 10 01 10 01 10 00 0比比電電阻阻P P( (c cm m) )溫溫 度度 ( ( ) ) 2 20 00 0P PT TC CN NT TC CC CT TR R1.NTC電阻的溫度特性電阻的溫度特性T

16、BRRTexp021TBdTdRRTTTT 隨隨T升高而迅速減升高而迅速減小小，可用于溫度檢測(cè)，可用于溫度檢測(cè)、溫度補(bǔ)償、控溫等、溫度補(bǔ)償、控溫等各種電路。各種電路。1.1.2 1.1.2 熱敏電阻熱敏電阻 2.NTC2.NTC靜態(tài)伏安特性曲線靜態(tài)伏安特性曲線 TTBIRIRUTT00expoa段段 ：電壓隨電流增大線性：電壓隨電流增大線性增大。增大。ab段：電壓偏離線性，隨電流段：電壓偏離線性，隨電流增加。增加。bd段：電壓隨電流增加下降很段：電壓隨電流增加下降很快?？?。de段：電壓下降緩慢。段：電壓下降緩慢。1.1.2 熱敏電阻 指在某一溫度附近電阻值發(fā)生突變，于幾度指在某一溫度附近電阻值

17、發(fā)生突變，于幾度的狹小溫區(qū)內(nèi)，隨溫度的增加阻值的狹小溫區(qū)內(nèi)，隨溫度的增加阻值降低降低34個(gè)數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)量級(jí)的元件。的元件。 阻值的突變點(diǎn)為臨界溫度點(diǎn)。阻值的突變點(diǎn)為臨界溫度點(diǎn)。 四、四、CTR熱敏電阻熱敏電阻宏觀宏觀開關(guān)溫度開關(guān)溫度： 電阻值下降到某一規(guī)定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的電阻值下降到某一規(guī)定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。該規(guī)定值稱為溫度。該規(guī)定值稱為開關(guān)電阻開關(guān)電阻Rc。1.1.2 1.1.2 熱敏電阻熱敏電阻 五邑大學(xué)五邑大學(xué)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用思考思考如何確定如何確定開關(guān)電阻值開關(guān)電阻值？1.1.2 1.1.2 熱敏電阻熱敏電阻 2/1)(lhcRRR 0 01 10 00 02 20 00 0

18、3 30 00 01 10 00 01 10 01 11 10 02 21 10 03 31 10 04 41 10 05 5V V5 59 9P P2 24 4B Ba a 1 17 7R Rh h l lg gR Rh h- -l lg gR Rl l0 0. .5 5R Rl l( (R Rc c, ,T Tc c) ) R Rc c= =( (R Rh hR Rl l) )溫溫度度T T( () )電電阻阻R R( () )1.1.2 1.1.2 熱敏電阻熱敏電阻 開關(guān)電阻：開關(guān)電阻： 按曲線求出切線在按曲線求出切線在高阻端的交點(diǎn)高阻端的交點(diǎn)Rh和切和切線在低阻端的交點(diǎn)線在低阻端的交點(diǎn)

19、Rl，算出，算出Rc。 降值比降值比： 描述描述阻值下降的快慢阻值下降的快慢，即標(biāo)稱電阻，即標(biāo)稱電阻R25與最與最小電阻比值小電阻比值Rmin的對(duì)數(shù)，即的對(duì)數(shù)，即 min25lgRR 降值比越大降值比越大，開關(guān)特性越好開關(guān)特性越好。 由于由于CTRCTR電阻具有很大的負(fù)溫度系數(shù)，可電阻具有很大的負(fù)溫度系數(shù)，可用作用作控控 溫、報(bào)警、無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)溫、報(bào)警、無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)等場(chǎng)合。等場(chǎng)合。 1.1.2 1.1.2 熱敏電阻熱敏電阻 五邑大學(xué)熱敏電阻是由一些熱敏電阻是由一些金屬氧化物金屬氧化物，如鈷（，如鈷（Co）、錳）、錳（Mn）、鎳（）、鎳（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，）等的氧化物采用不同比例配方

20、，高高溫?zé)Y(jié)溫?zé)Y(jié)而成。其形狀有而成。其形狀有珠狀、片狀、棒狀、圓片狀珠狀、片狀、棒狀、圓片狀等。等。1.1.2 1.1.2 熱敏電阻熱敏電阻 v 與金屬電阻相比，熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)與金屬電阻相比，熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)（1 1）溫度電阻系數(shù)比金屬熱電阻要大）溫度電阻系數(shù)比金屬熱電阻要大10-10010-100倍，因此倍，因此靈敏靈敏度很高度很高。（2 2）電阻率很大電阻率很大可以制成體積小而阻礙值大的電阻體，連可以制成體積小而阻礙值大的電阻體，連接導(dǎo)線的電阻變化可以忽略不計(jì)。接導(dǎo)線的電阻變化可以忽略不計(jì)。（3 3）時(shí)間常數(shù)小時(shí)間常數(shù)小，響應(yīng)速度快。，響應(yīng)速度快。（4 4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜價(jià)

21、格便宜。v 熱敏電阻的缺點(diǎn)熱敏電阻的缺點(diǎn)（1 1）復(fù)現(xiàn)性差，特性分散性很大，）復(fù)現(xiàn)性差，特性分散性很大，非線性嚴(yán)重非線性嚴(yán)重（2 2）電阻與溫度的關(guān)系不穩(wěn)定，隨時(shí)間而變化，使測(cè)溫）電阻與溫度的關(guān)系不穩(wěn)定，隨時(shí)間而變化，使測(cè)溫誤誤差較大差較大（3 3）測(cè)溫范圍較窄測(cè)溫范圍較窄，目前只能達(dá)到，目前只能達(dá)到-50-50300300。1.1.2 1.1.2 熱敏電阻熱敏電阻 五邑大學(xué)例：分析如圖示的熱敏電阻設(shè)計(jì)一個(gè)例：分析如圖示的熱敏電阻設(shè)計(jì)一個(gè)高溫報(bào)警器高溫報(bào)警器工作原理。高溫工作原理。高溫報(bào)警器正常情況綠燈亮，有險(xiǎn)情時(shí)電鈴報(bào)警?？晒┻x擇的器材如報(bào)警器正常情況綠燈亮，有險(xiǎn)情時(shí)電鈴報(bào)警。可供選擇的器材

22、如下：熱敏電阻、綠燈泡、小電鈴、學(xué)生用電源、繼電器、滑動(dòng)變下：熱敏電阻、綠燈泡、小電鈴、學(xué)生用電源、繼電器、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線。阻器、開關(guān)、導(dǎo)線。解解：aedcb 正常時(shí)正常時(shí)熱敏電阻值大熱敏電阻值大，ab間電流小，磁性弱，間電流小，磁性弱，ce處于閉合，綠燈亮。處于閉合，綠燈亮。 有險(xiǎn)情時(shí)，有險(xiǎn)情時(shí)，熱敏電阻熱敏電阻值小值小， ab間電流大，磁間電流大，磁性強(qiáng)，吸住銜鐵，性強(qiáng)，吸住銜鐵，cd閉合閉合，ce斷開，綠燈滅，電鈴斷開，綠燈滅，電鈴響。響。1.1.2 1.1.2 熱敏電阻熱敏電阻 五邑大學(xué)五邑大學(xué)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用思考思考為什么半導(dǎo)體的電阻值為什么半導(dǎo)體的電阻值會(huì)隨

23、著溫度變化呢？會(huì)隨著溫度變化呢？1.1.3 1.1.3 半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器1.1.3 1.1.3 半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器 利用利用電阻率隨溫度變化電阻率隨溫度變化的特性制成溫度傳感器。的特性制成溫度傳感器。 一、工作原理一、工作原理pnpqnq1半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力：載流子的遷移半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力：載流子的遷移載流子：電子和空穴載流子：電子和空穴半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的電阻率電阻率： n為材料的電子濃度為材料的電子濃度 為電子遷移率為電子遷移率 p 為材料的空穴濃度為材料的空穴濃度 為空穴遷移率為空穴遷移率 q 為電子電量為電子電量np1.1.3 半導(dǎo)

24、體熱電阻溫度傳感器本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體： 純凈的半導(dǎo)體，共價(jià)鍵結(jié)合能力很強(qiáng)，導(dǎo)電純凈的半導(dǎo)體，共價(jià)鍵結(jié)合能力很強(qiáng)，導(dǎo)電能力弱，在熱力學(xué)溫度零度時(shí)，不導(dǎo)電。電子和能力弱，在熱力學(xué)溫度零度時(shí)，不導(dǎo)電。電子和空穴濃度相等?？昭舛认嗟?。 電阻率電阻率主要決定于主要決定于載流子載流子(電子或空穴電子或空穴)的的濃度和遷移率濃度和遷移率，二者都與溫度密切相關(guān)。，二者都與溫度密切相關(guān)。本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體1.1.3 半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器P型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體： 在在4 4價(jià)元素價(jià)元素( (硅、鍺硅、鍺) )的晶體中摻入少量的的晶體中摻入少量的3 3

25、價(jià)雜價(jià)雜質(zhì)元素質(zhì)元素( (硼、鎵、銦硼、鎵、銦) )，組成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)電，組成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)電子，形成空穴，子，形成空穴，主要依靠空穴導(dǎo)電主要依靠空穴導(dǎo)電 。N型半導(dǎo)體材料：型半導(dǎo)體材料： 在在4 4價(jià)元素價(jià)元素( (硅、鍺硅、鍺) )的晶體中摻入少量的的晶體中摻入少量的5 5價(jià)雜質(zhì)價(jià)雜質(zhì)元素元素( (磷、銻磷、銻titi、砷、砷) )，組成共價(jià)鍵時(shí)，多余一個(gè)電，組成共價(jià)鍵時(shí)，多余一個(gè)電子，形成自由電子，子，形成自由電子，主要依靠電子導(dǎo)電主要依靠電子導(dǎo)電。 ppq1nnq11.遷移率與溫度的關(guān)系遷移率與溫度的關(guān)系 2/32/3TBNATmqiq 為電子電量為電子電量M 為載流子的有效

26、質(zhì)量為載流子的有效質(zhì)量A、B 為常數(shù)為常數(shù)Ni 為摻雜濃度為摻雜濃度1.1.3 半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器100T20010104N升高2.電阻率與溫度的關(guān)系電阻率與溫度的關(guān)系 本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體： 電阻率電阻率主要由本征載流子濃度決主要由本征載流子濃度決定，由于濃度隨溫度上升急劇增加，定，由于濃度隨溫度上升急劇增加，因而因而電阻率電阻率隨溫度增加下降隨溫度增加下降。 雜質(zhì)半導(dǎo)體：雜質(zhì)半導(dǎo)體： 受雜質(zhì)電離和本征激發(fā)影受雜質(zhì)電離和本征激發(fā)影響，響，電阻率電阻率隨溫度的變化關(guān)隨溫度的變化關(guān)系復(fù)雜。系復(fù)雜。 1.1.3 1.1.3 半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器pnpqnq1二、硅熱電

27、阻的結(jié)構(gòu)和工藝 棒狀棒狀 、擴(kuò)散電阻型兩種結(jié)構(gòu)、擴(kuò)散電阻型兩種結(jié)構(gòu) 1.1.3 1.1.3 半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器1. 電阻一溫度特性電阻一溫度特性 正向偏置時(shí)正向偏置時(shí): 55175，電阻值隨，電阻值隨溫度的升高而增大，具溫度的升高而增大，具有較好的線性度。有較好的線性度。 反向偏置時(shí)：反向偏置時(shí)： 120以上時(shí)，電阻值以上時(shí)，電阻值突然下降突然下降 。三、硅熱電阻的特性三、硅熱電阻的特性-5005010015020050010001500200025003000反向特性0電阻值（）溫度（）1.1.3 1.1.3 半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器2.2. 電

28、阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)T T )%(%1002525TRRnTT1.1.3 1.1.3 半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器隨著溫度升高，隨著溫度升高，T 減小。減小。3、硅電阻與電流的關(guān)系、硅電阻與電流的關(guān)系 v 不同的溫度下，不同的溫度下，當(dāng)電流超過(guò)當(dāng)電流超過(guò)1mA1mA時(shí)，時(shí)，電電阻就會(huì)增大阻就會(huì)增大。v 電流的自身熱效電流的自身熱效應(yīng)應(yīng)使電阻增大。使電阻增大。v 工作電流應(yīng)工作電流應(yīng)小于小于1mA1mA。 1.1.3 1.1.3 半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器電阻式溫度傳感器的應(yīng)用電阻式溫度傳感器的應(yīng)用: （1）溫度測(cè)量）溫度測(cè)量 （2）溫度補(bǔ)償）溫度補(bǔ)償電阻式溫

29、度傳感器的應(yīng)用電阻式溫度傳感器的應(yīng)用b1RcRb2RTeRCCU1I2IBICIBEuCEu(b)直流通路EIBU（3 3）溫度控制）溫度控制：用熱敏電阻與一個(gè)電阻相串聯(lián)，并加上：用熱敏電阻與一個(gè)電阻相串聯(lián)，并加上恒定的電壓，當(dāng)周圍介質(zhì)溫度升到某一數(shù)值時(shí)，電路恒定的電壓，當(dāng)周圍介質(zhì)溫度升到某一數(shù)值時(shí)，電路中的電流可以由十分之幾毫安突變?yōu)閹资涟病Ｒ虼酥械碾娏骺梢杂墒种畮缀涟餐蛔優(yōu)閹资涟?。因此可以用繼電器的繞阻代替不隨溫度變化的電阻。當(dāng)溫可以用繼電器的繞阻代替不隨溫度變化的電阻。當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，繼電器動(dòng)作，繼電器的動(dòng)作反應(yīng)度升高到一定值時(shí)，繼電器動(dòng)作，繼電器的動(dòng)作反應(yīng)溫度的大小，所以熱

30、敏電阻可用作溫度控制。溫度的大小，所以熱敏電阻可用作溫度控制。 （4 4）過(guò)熱保護(hù)）過(guò)熱保護(hù)電阻式溫度傳感器的應(yīng)用電阻式溫度傳感器的應(yīng)用1 1、熱電偶的特點(diǎn)、熱電偶的特點(diǎn) 測(cè)量范圍寬、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠、信號(hào)可以遠(yuǎn)傳和測(cè)量范圍寬、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠、信號(hào)可以遠(yuǎn)傳和記錄。記錄。2 2、熱電偶的分類、熱電偶的分類 （1 1）熱電偶材料分：貴金屬、廉價(jià)金屬、難熔金屬和非）熱電偶材料分：貴金屬、廉價(jià)金屬、難熔金屬和非金屬。金屬。 （2 2）按用途和結(jié)構(gòu)分：普通工業(yè)用（直形、角形和錐形）按用途和結(jié)構(gòu)分：普通工業(yè)用（直形、角形和錐形）和專用（鋼水消耗、多點(diǎn)式和表面測(cè)溫）。）和專用（鋼水消耗、多點(diǎn)式和表面測(cè)

31、溫）。 1.2 熱電偶1.2 熱電偶熱電偶：熱電偶： 利用利用兩種不同的金屬兩種不同的金屬連接在一起，當(dāng)結(jié)點(diǎn)處溫連接在一起，當(dāng)結(jié)點(diǎn)處溫度變化時(shí)，另兩端產(chǎn)生度變化時(shí)，另兩端產(chǎn)生電勢(shì)變化電勢(shì)變化的原理制成的的原理制成的傳感器。傳感器。通常我們稱這種現(xiàn)象為熱電勢(shì)，這種通常我們稱這種現(xiàn)象為熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象就是現(xiàn)象就是熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 。 T0T0EAB(T,T0)T五邑大學(xué)常溫下兩觸點(diǎn)分離。溫度升高，兩種金屬膨脹常溫下兩觸點(diǎn)分離。溫度升高，兩種金屬膨脹性能不同，雙金屬片形狀發(fā)生變化，使觸點(diǎn)接觸。性能不同，雙金屬片形狀發(fā)生變化，使觸點(diǎn)接觸。雙金屬片溫度傳感器雙金屬片溫度傳感器：五邑大學(xué)銅的膨脹系數(shù)大于鐵

32、銅的膨脹系數(shù)大于鐵雙金屬片溫度傳感器雙金屬片溫度傳感器1.2 熱電偶熱電偶：熱電偶： 利用利用兩種不同的金屬兩種不同的金屬連接在一起，當(dāng)結(jié)點(diǎn)處溫連接在一起，當(dāng)結(jié)點(diǎn)處溫度變化時(shí)，另兩端產(chǎn)生度變化時(shí)，另兩端產(chǎn)生電勢(shì)變化電勢(shì)變化的原理制成的的原理制成的傳感器。傳感器。通常我們稱這種現(xiàn)象為熱電勢(shì)，這種通常我們稱這種現(xiàn)象為熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象就是現(xiàn)象就是熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 。 T0T0EAB(T,T0)T1.2.1 熱電偶的基本原理一、一、熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)(塞貝克效應(yīng)塞貝克效應(yīng)): 用兩種不同的金屬組成閉合回路，且使其用兩種不同的金屬組成閉合回路，且使其兩接觸點(diǎn)處溫度不同，回路中就會(huì)產(chǎn)生兩接觸點(diǎn)處溫度不同，回

33、路中就會(huì)產(chǎn)生電流電流。塞貝克電勢(shì)塞貝克電勢(shì) EAB(T, T0) uAT0ABT A AT0T0EAB(T,T0)T)()(),(000TETEdTaTTEABABTTABABT熱電勢(shì)率熱電勢(shì)率(塞貝克系數(shù)塞貝克系數(shù))TAB熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)珀?duì)栙N效應(yīng)珀?duì)栙N效應(yīng)湯姆遜效應(yīng)湯姆遜效應(yīng)1.2.1 熱電偶的基本原理1.珀?duì)柼?yīng)珀?duì)柼?yīng)A AB BE E珀?duì)柼妱?shì)珀?duì)柼妱?shì)(接觸電勢(shì)接觸電勢(shì))同溫度、同溫度、兩種金屬兩種金屬、自由電子密度不同、擴(kuò)自由電子密度不同、擴(kuò)散散）（）（TnTnqTkTEBAABln)(0K0 為波爾茲曼常數(shù)為波爾茲曼常數(shù)q 電子電量電子電量nA、nB 為金屬為金屬A、B在溫

34、度在溫度T的自由的自由電子密度電子密度 1.2.1 熱電偶的基本原理TTAAdTTTE0),(0 A稱為湯姆遜系數(shù)稱為湯姆遜系數(shù) 表示溫差表示溫差1時(shí)產(chǎn)生的電勢(shì)差時(shí)產(chǎn)生的電勢(shì)差 2.湯姆遜電勢(shì)湯姆遜電勢(shì)(溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)) 均質(zhì)導(dǎo)體棒、兩端均質(zhì)導(dǎo)體棒、兩端溫度不同溫度不同、 高、低溫端的自由電子動(dòng)能不同、擴(kuò)散高、低溫端的自由電子動(dòng)能不同、擴(kuò)散1.2.1 1.2.1 熱電偶的基本原理熱電偶的基本原理TTABBABAABdTTnTnqTkTnTnqTkTTE0)()()(ln)()(ln),(000000)()(0TETEABAB熱電偶回路的總熱電勢(shì)熱電偶回路的總熱電勢(shì)EAB1.2.1 1.2.1

35、 熱電偶的基本原理熱電偶的基本原理五邑大學(xué)五邑大學(xué)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用思考思考兩相同材料組成熱電偶時(shí)，回路電勢(shì)為兩相同材料組成熱電偶時(shí)，回路電勢(shì)為多少？多少？1.2.1 1.2.1 熱電偶的基本原理熱電偶的基本原理T0T0EAB(T,T0)T回路總電勢(shì)為回路總電勢(shì)為零零五邑大學(xué)五邑大學(xué)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用思考思考兩結(jié)點(diǎn)溫度相同時(shí)，回路電勢(shì)為多少？?jī)山Y(jié)點(diǎn)溫度相同時(shí)，回路電勢(shì)為多少？1.2.1 1.2.1 熱電偶的基本原理熱電偶的基本原理T0T0EAB(T,T0)T回路總電勢(shì)為回路總電勢(shì)為零零v由此可得有關(guān)熱電偶的幾個(gè)結(jié)論由此可得有關(guān)熱電偶的幾個(gè)結(jié)論 (1)(1)熱電偶必須

36、采用兩種不同材料作為電極，否熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極，否則無(wú)論熱則無(wú)論熱 電偶兩端溫度如何，熱電偶回路總電偶兩端溫度如何，熱電偶回路總熱電勢(shì)為零。熱電勢(shì)為零。 (2)(2)盡管采用兩種不同的金屬，若熱電偶兩接點(diǎn)盡管采用兩種不同的金屬，若熱電偶兩接點(diǎn)溫度相等，溫度相等， 即即T=TT=T0 0，回路總電勢(shì)為零。，回路總電勢(shì)為零。 (3)(3)只有只有兩不同材料兩不同材料組成熱電偶、且組成熱電偶、且T,T0T,T0不同不同，才有熱電勢(shì)出現(xiàn)；才有熱電勢(shì)出現(xiàn)；溫差越大溫差越大，回路的，回路的總電勢(shì)總電勢(shì)也也越大。越大。 （4 4）熱電勢(shì)只與）熱電勢(shì)只與結(jié)點(diǎn)溫度結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，與中間各處溫有關(guān)，

37、與中間各處溫度無(wú)關(guān)。度無(wú)關(guān)。1.2.1 1.2.1 熱電偶的基本原理熱電偶的基本原理v當(dāng)熱電偶材料一定時(shí)，熱電偶的總電勢(shì)成為溫度當(dāng)熱電偶材料一定時(shí)，熱電偶的總電勢(shì)成為溫度T T和和T T0 0的函數(shù)差。即的函數(shù)差。即v如果使冷端溫度如果使冷端溫度T T0 0固定固定, ,則對(duì)一定材料的熱電偶，則對(duì)一定材料的熱電偶，其總電其總電 勢(shì)就只與溫度勢(shì)就只與溫度T T成單值函數(shù)關(guān)系，即成單值函數(shù)關(guān)系，即 )()(),(00TfTfTTEAB)()(),(0TCTfTTEAB1.2.1 1.2.1 熱電偶的基本原理熱電偶的基本原理二、熱電偶的基本定律二、熱電偶的基本定律 1.均質(zhì)導(dǎo)體定律：均質(zhì)導(dǎo)體定律：

38、兩均質(zhì)金屬的熱電勢(shì)兩均質(zhì)金屬的熱電勢(shì)大小大小與熱電極的直徑、與熱電極的直徑、長(zhǎng)度及沿電極長(zhǎng)度方向上的溫度分布無(wú)關(guān)，只長(zhǎng)度及沿電極長(zhǎng)度方向上的溫度分布無(wú)關(guān)，只與熱電極與熱電極材料和溫度有關(guān)材料和溫度有關(guān)。2.標(biāo)準(zhǔn)電極定律：標(biāo)準(zhǔn)電極定律： 兩種金屬的熱電勢(shì)可用它們分別與第三種金屬兩種金屬的熱電勢(shì)可用它們分別與第三種金屬的熱電勢(shì)之差來(lái)表示。的熱電勢(shì)之差來(lái)表示。 1.2.1 1.2.1 熱電偶的基本原理熱電偶的基本原理),(),(),(0C0A0BTTETTETTEBCA1.2.1 1.2.1 熱電偶的基本原理熱電偶的基本原理（2）標(biāo)準(zhǔn)電極定律）標(biāo)準(zhǔn)電極定律 當(dāng)溫度為當(dāng)溫度為T、T0時(shí)，用導(dǎo)體時(shí)，用導(dǎo)

39、體A、B組成的熱電偶組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)等于的熱電動(dòng)勢(shì)等于AC熱電偶和熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)之熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)之代數(shù)和，即代數(shù)和，即 導(dǎo)體導(dǎo)體C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極，故把這一定律稱為標(biāo)準(zhǔn)稱為標(biāo)準(zhǔn)電極，故把這一定律稱為標(biāo)準(zhǔn)電極定律。電極定律。3.3.中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 在熱電偶的參考端接入第三種均質(zhì)金屬在熱電偶的參考端接入第三種均質(zhì)金屬, 被插入金屬兩端溫度相同（被插入金屬兩端溫度相同（T0），只要所插），只要所插入的導(dǎo)體兩端溫度與參考點(diǎn)相同，不會(huì)影響入的導(dǎo)體兩端溫度與參考點(diǎn)相同，不會(huì)影響原來(lái)熱電勢(shì)的大小原來(lái)熱電勢(shì)的大小,即中間導(dǎo)體定律。即中間導(dǎo)體定律。),()()()(),(0000TT

40、EdTTETETTEABTTABBABAABC ABTCT0T0圖 1-2-6 具有 第三 種導(dǎo) 體的熱 電偶 回 路mVC CC C1.2.1 1.2.1 熱電偶的基本原理熱電偶的基本原理4.4.中間溫度定律中間溫度定律 T0T0TnTAABB),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB 熱電偶的接點(diǎn)溫度為熱電偶的接點(diǎn)溫度為T T、T T0 0時(shí)，其熱電勢(shì)等時(shí)，其熱電勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為T T、T Tn n和和T Tn n、T T0 0時(shí)相應(yīng)的時(shí)相應(yīng)的熱電勢(shì)的代數(shù)和。熱電勢(shì)的代數(shù)和。1.2.1 1.2.1 熱電偶的基本原理熱電偶的基本原理五邑大學(xué)五邑大

41、學(xué)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用思考思考制作熱電偶的制作熱電偶的材料材料有什么要有什么要求？求？1.2.2 1.2.2 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的種類和結(jié)構(gòu) 一、熱電極材料特性 1. 熱電性質(zhì)穩(wěn)定，足夠的物理、化學(xué)穩(wěn)定性，不易熱電性質(zhì)穩(wěn)定，足夠的物理、化學(xué)穩(wěn)定性，不易氧化和腐蝕。氧化和腐蝕。 2. 2. 熱電勢(shì)要熱電勢(shì)要足夠大足夠大，易于測(cè)量、單值關(guān)系、誤差小。，易于測(cè)量、單值關(guān)系、誤差小。 3. 3. 電阻溫度系數(shù)小，電阻溫度系數(shù)小，電導(dǎo)率電導(dǎo)率高。高。 4. 4. 材料復(fù)制性好、機(jī)械強(qiáng)度高、工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便材料復(fù)制性好、機(jī)械強(qiáng)度高、工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。宜。 1.2.2 1.2.2 熱電偶

42、的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)1.2.2 1.2.2 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶熱電偶 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶1 1、標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶、標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 鉑銠鉑熱電偶鉑銠鉑熱電偶鉑銠鉑銠熱電偶鉑銠鉑銠熱電偶鎳鉻鎳硅熱電偶鎳鉻鎳硅熱電偶鎳鉻鎳鋁熱電偶鎳鉻鎳鋁熱電偶鎳鉻考銅熱電偶鎳鉻考銅熱電偶銅康銅熱電偶銅康銅熱電偶v 鉑銠鉑熱電偶鉑銠鉑熱電偶 用于較高溫度、較精密的測(cè)量、熱電勢(shì)較小。用于較高溫度、較精密的測(cè)量、熱電勢(shì)較小。不能用于金屬蒸氣和還原性氣氛中。不能用于金屬蒸氣和還原性氣氛中。v 鉑銠鉑銠熱電偶鉑銠鉑銠熱電偶 可長(zhǎng)期測(cè)量可長(zhǎng)期測(cè)量160oC高溫，性能

43、穩(wěn)定、精度高，高溫，性能穩(wěn)定、精度高，適于在氧化性或中性介質(zhì)中測(cè)量，室溫下熱電勢(shì)較適于在氧化性或中性介質(zhì)中測(cè)量，室溫下熱電勢(shì)較小，不需要參考端補(bǔ)償和修正。小，不需要參考端補(bǔ)償和修正。v 銅康銅熱電偶銅康銅熱電偶v 鎳鉻鎳硅熱電偶鎳鉻鎳硅熱電偶v 鎳鉻鎳鋁熱電偶鎳鉻鎳鋁熱電偶v 鎳鉻考銅熱電偶鎳鉻考銅熱電偶熱電勢(shì)較大，測(cè)溫范圍小。熱電勢(shì)較大，測(cè)溫范圍小。1.2.2 1.2.2 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)2 2、非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶、非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 鐵康銅熱電偶鐵康銅熱電偶 測(cè)溫上限測(cè)溫上限6006000 0C C，易生銹，線性好，靈敏度高。，易生銹，線性好，靈敏度高。鎢鉬熱電偶鎢鉬熱電偶 測(cè)

44、溫上限測(cè)溫上限210021000 0C C，易氧化，加石墨保護(hù)管。，易氧化，加石墨保護(hù)管。鎢錸系熱電偶鎢錸系熱電偶 測(cè)溫上限測(cè)溫上限210021000 0C C。1.2.2 1.2.2 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)v 金屬非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶金屬非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 熱解石墨熱電偶熱解石墨熱電偶二硅化鎢二硅化鉬熱電偶二硅化鎢二硅化鉬熱電偶 1.2.2 1.2.2 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)v 非金屬非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶非金屬非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 復(fù)制性差，沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，應(yīng)用受到很大限制。復(fù)制性差，沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，應(yīng)用受到很大限制。v熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶的結(jié)構(gòu) 1 1、普通型熱電偶、普通型熱電偶:

45、 :通常都是由熱電極、絕緣材通常都是由熱電極、絕緣材料、保護(hù)套管和接線盒等主要部分組成。料、保護(hù)套管和接線盒等主要部分組成。 2 2、鎧裝熱電偶、鎧裝熱電偶: :鎧裝熱電偶是由熱電極、絕緣鎧裝熱電偶是由熱電極、絕緣材料和金屬套管經(jīng)拉伸加工而成的組合體，其結(jié)材料和金屬套管經(jīng)拉伸加工而成的組合體，其結(jié)構(gòu)分單芯和雙芯兩種。構(gòu)分單芯和雙芯兩種。 1.2.2 1.2.2 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)三、熱電偶的結(jié)構(gòu) 珠形絕緣子熱電偶珠形絕緣子熱電偶 雙孔絕緣熱電偶雙孔絕緣熱電偶 石棉絕緣管熱電偶石棉絕緣管熱電偶 有兩個(gè)熱電極，兩個(gè)電極的一個(gè)端點(diǎn)緊密焊有兩個(gè)熱電極，兩個(gè)電極的一個(gè)端點(diǎn)緊密焊接在一起

46、。熱電極間通常用耐高溫絕緣材料絕緣接在一起。熱電極間通常用耐高溫絕緣材料絕緣。 1.2.2 1.2.2 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)四、熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償 1.2.2 1.2.2 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)為什么要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償？為什么要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償？ 由熱電偶的作用原理可知，熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)的大小，不僅由熱電偶的作用原理可知，熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)的大小，不僅與測(cè)量端的溫度有關(guān)，而且與與測(cè)量端的溫度有關(guān)，而且與冷端的溫度冷端的溫度有關(guān)，是測(cè)量端有關(guān)，是測(cè)量端溫度溫度t和和冷端溫度冷端溫度t 0的函數(shù)差。的函數(shù)差。 四、熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償 1.1.恒溫法恒溫法 將熱電偶的冷端

47、置于恒將熱電偶的冷端置于恒溫器中，若溫器中，若恒溫器溫度調(diào)到恒溫器溫度調(diào)到00，電壓表讀數(shù)對(duì)應(yīng)的溫，電壓表讀數(shù)對(duì)應(yīng)的溫度為實(shí)際溫度，即冷端溫度度為實(shí)際溫度，即冷端溫度誤差得到解決。誤差得到解決。1.2.2 1.2.2 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)冷端恒溫示意圖冷端恒溫示意圖 A AB BT T恒恒溫溫器器T T0 0這種辦法最為妥善，然而不夠這種辦法最為妥善，然而不夠方便，所以僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中方便，所以僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用。應(yīng)用。 若恒溫器溫度為若恒溫器溫度為T T0 0，則冷端誤差為：，則冷端誤差為： )0,()0,(),(00TETETTEeABABAB T T0 0恒定時(shí)，恒定時(shí)

48、，冷端誤差為常數(shù)冷端誤差為常數(shù)，只要在回，只要在回路中路中加入相應(yīng)的加入相應(yīng)的修正電壓修正電壓，或調(diào)整指示裝置，或調(diào)整指示裝置的的起始值起始值就能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償就能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。1.2.2 1.2.2 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的種類和結(jié)構(gòu) 在熱電偶和測(cè)量?jī)x在熱電偶和測(cè)量?jī)x表之間接入一個(gè)電橋表之間接入一個(gè)電橋補(bǔ)償器。當(dāng)熱電偶冷補(bǔ)償器。當(dāng)熱電偶冷端溫度端溫度T升高時(shí)，回升高時(shí)，回路中總電勢(shì)降低，同路中總電勢(shì)降低，同時(shí)補(bǔ)償器中時(shí)補(bǔ)償器中RT變化，變化，使使ab間產(chǎn)生一個(gè)電位間產(chǎn)生一個(gè)電位差，設(shè)計(jì)使該電位差差，設(shè)計(jì)使該電位差正好補(bǔ)償熱電偶降低正好補(bǔ)償熱電偶降低的量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)牧?，?shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償。 2.

49、2.冷端自動(dòng)補(bǔ)償法冷端自動(dòng)補(bǔ)償法冷端自動(dòng)補(bǔ)償原理圖冷端自動(dòng)補(bǔ)償原理圖 R1R2R3RTabTm mV V1.2.2 1.2.2 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶常用測(cè)溫線路熱電偶常用測(cè)溫線路 1 1、測(cè)量某點(diǎn)溫度的基本電路、測(cè)量某點(diǎn)溫度的基本電路 2 2、測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間溫度差的測(cè)溫電路、測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間溫度差的測(cè)溫電路 熱電偶的應(yīng)用熱電偶的應(yīng)用3 3、測(cè)量多點(diǎn)的測(cè)溫線路、測(cè)量多點(diǎn)的測(cè)溫線路 多個(gè)被測(cè)溫度用多支熱電偶分別測(cè)量，但多個(gè)被測(cè)溫度用多支熱電偶分別測(cè)量，但多個(gè)熱電偶共用一臺(tái)顯示儀表，它們是通過(guò)專多個(gè)熱電偶共用一臺(tái)顯示儀表，它們是通過(guò)專用的切換開關(guān)來(lái)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量的。用的切換開關(guān)來(lái)進(jìn)行多

50、點(diǎn)測(cè)量的。 熱電偶的應(yīng)用熱電偶的應(yīng)用4 4、測(cè)量平均溫度的測(cè)溫線路、測(cè)量平均溫度的測(cè)溫線路: :其缺點(diǎn)是當(dāng)某一熱其缺點(diǎn)是當(dāng)某一熱電偶燒斷時(shí)，不能很快地覺(jué)察出來(lái)。電偶燒斷時(shí)，不能很快地覺(jué)察出來(lái)。 5 5、測(cè)量幾點(diǎn)溫度之和的測(cè)溫線路、測(cè)量幾點(diǎn)溫度之和的測(cè)溫線路: :優(yōu)點(diǎn)是熱電偶優(yōu)點(diǎn)是熱電偶燒壞時(shí)可立即知道，還可獲得較大的熱電動(dòng)勢(shì)燒壞時(shí)可立即知道，還可獲得較大的熱電動(dòng)勢(shì)。熱電偶的應(yīng)用熱電偶的應(yīng)用1.3 半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器 1.3.1 PN結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器 一、二極管溫度傳感器一、二極管溫度傳感器 是利用是利用PNPN結(jié)正向電壓與溫度關(guān)系的特性制作的。結(jié)正向電壓與溫度關(guān)系的特性制作的

51、。 由由PNPN結(jié)理論可知，結(jié)理論可知，0lnIIqkTVff)/exp(B00KTqVTIgfgfITqkTVVlnlnBln0I I0 0為反向飽和電流，為反向飽和電流，B B、與材料和工藝有關(guān)常數(shù)與材料和工藝有關(guān)常數(shù)，qVqVg0 g0 為禁帶寬度。為禁帶寬度。 當(dāng)當(dāng)I If f 不變時(shí)，不變時(shí)，PNPN結(jié)結(jié)V Vf f 隨隨T T的上升而下降，的上升而下降，近似線性關(guān)系。近似線性關(guān)系。1.3 1.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體PNPN結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器 二、晶體管溫度傳感器 在晶體管集電極電流恒定下，發(fā)射結(jié)的正向電在晶體管集電極電流恒定下，發(fā)射結(jié)的正向電壓隨溫度上升而下降。壓隨溫度上升而下

52、降。 晶體管比二極管有更好的線性和互換性。晶體管比二極管有更好的線性和互換性。1. 1. 基本原理基本原理 V Vg0g0=E=Eg0g0/q/q，A A為發(fā)射結(jié)面積、為發(fā)射結(jié)面積、n n與材料和工藝有關(guān)與材料和工藝有關(guān)的常數(shù)，的常數(shù)，當(dāng)當(dāng)Ic一定且一定且T不太高時(shí)不太高時(shí)，Vbe基本與基本與T線性關(guān)系線性關(guān)系；當(dāng)溫度較高時(shí)，產(chǎn)生一定的非線性偏移。；當(dāng)溫度較高時(shí)，產(chǎn)生一定的非線性偏移。2. 2. 晶體管溫度傳感器的結(jié)構(gòu)晶體管溫度傳感器的結(jié)構(gòu) 由晶體管原理知由晶體管原理知 檢測(cè)溫度時(shí)溫敏三極管必須附加外圍電路。檢測(cè)溫度時(shí)溫敏三極管必須附加外圍電路。 外圍電路包括參考電壓源外圍電路包括參考電壓源運(yùn)

53、放運(yùn)放線性電路等線性電路等部分。部分。 )/ln(n0cgbeIATqkTVV1.3 半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器 3、晶體管溫度傳感器基本電路、晶體管溫度傳感器基本電路 由運(yùn)放和溫敏三極管組成，由運(yùn)放和溫敏三極管組成，C防止寄生振蕩。防止寄生振蕩。T為反饋元為反饋元件跨接在運(yùn)放的反相輸入端和輸出端，基極接地。件跨接在運(yùn)放的反相輸入端和輸出端，基極接地。 T T的集電極的集電極I Ic c僅取決于僅取決于R Rc c和電壓和電壓E, IE, Ic c=E/R=E/Rc c，與溫度無(wú)關(guān)，與溫度無(wú)關(guān)，保證了恒流源工作條件。，保證了恒流源工作條件。電壓電壓V Vbebe隨隨T T近似線性下降近似線性下降

54、。 1.3 半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器 五邑大學(xué)集成IC溫度傳感器的分類u電壓型IC溫度傳感器PC616AC，LM135，AN670l等 u電流型IC溫度傳感器AD590，LM134u數(shù)字輸出型IC溫度傳感器DS1B820，ETC-800等1.3 半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器 五邑大學(xué)u電流型IC溫度傳感器把線性集成電路和與之相容的薄膜工藝元件集成在一塊芯片上,再通過(guò)激光修版微加工技術(shù),制造出性能優(yōu)良的測(cè)溫傳感器。這種傳感器的輸出電流正比于熱力學(xué)溫度，即1A/K；其次，因電流型輸出恒流，所以傳感器具有高輸出阻抗。其值可達(dá)10M。這為遠(yuǎn)距離傳輸深井測(cè)溫提供了一種新型器件。u電壓型IC溫度傳感器將溫度傳

55、感器基準(zhǔn)電壓、緩沖放大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大器；故輸出電壓高、線性輸出為10mV；另外,由于其具有輸出阻抗低的特性；抗干擾能力強(qiáng)，故不適合長(zhǎng)線傳輸。這類IC溫度傳感器特別適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。1.3 半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器 2.8 集成數(shù)字溫度傳感器集成數(shù)字溫度傳感器2.8.2電壓型集成溫度傳感器電壓型集成溫度傳感器PC616AC 四端電壓輸出型傳感器框圖四端電壓輸出型傳感器框圖: :它由它由PTATPTAT核心電路、參核心電路、參考電壓源和運(yùn)算放大器三部分組成，其四個(gè)端子分別考電壓源和運(yùn)算放大器三部分組成，其四個(gè)端子分別為為U+U+、U-U-、輸入和輸出。、輸入和輸

56、出。該類型傳感器的最大工作溫度范圍是該類型傳感器的最大工作溫度范圍是-40-40125125，靈敏度是靈敏度是10mV10mVK K，線性，線性偏差為偏差為0.5%0.5%2%2%，長(zhǎng)期，長(zhǎng)期穩(wěn)定性和重復(fù)性為穩(wěn)定性和重復(fù)性為0.3%0.3%，精度為精度為4 K4 K。6.85 VPTAT電路運(yùn)放10 mV/ K50 kUU輸出輸入1.3 半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器 v 基本應(yīng)用電路基本應(yīng)用電路輸 入輸 出 15 VR18.2 kUUUo(10 mV / K)(a) 正 電 源輸 入輸 出UUUo( 10 mV / K)(b) 負(fù) 電 源 15 V1.3 半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器 v 溫度檢測(cè)電路

57、溫度檢測(cè)電路輸 入輸 出 15 VR112 kUUUo(10 mV / )(a)CR327 kR439 kRw5 kR25.6 k 15 V輸 入輸 出UU(b) 15 VR220 kRw100 kR17.5 kR320 kUo(10 mV / ) 15 V1.3 半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器 電流型集成溫度傳感器電流型集成溫度傳感器AD590AD590 1 1、性能特點(diǎn)、性能特點(diǎn) 線性電流輸出：線性電流輸出： 1A1AK K。 工作溫度范圍：工作溫度范圍： -55-55155155。 兩端器件：兩端器件： 電壓輸入電壓輸入, ,電流輸出。電流輸出。 激光微調(diào)使定標(biāo)精度達(dá)激光微調(diào)使定標(biāo)精度達(dá)0.5

58、 0.5 。 整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)非線性誤差小于整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)非線性誤差小于0.50.5。 工作電壓范圍：工作電壓范圍： 4 V4 V30 V30 V。 器件本身與外殼絕緣。器件本身與外殼絕緣。1.3 半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器 2 2、簡(jiǎn)單應(yīng)用、簡(jiǎn)單應(yīng)用：溫度測(cè)量和溫差測(cè)量：溫度測(cè)量和溫差測(cè)量1.3 半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器 v多點(diǎn)溫度測(cè)量多點(diǎn)溫度測(cè)量1.3 半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器 五邑大學(xué)u美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS1820，可把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列號(hào)，所以在一條總線上可掛接任意多個(gè)DS1820芯片。從D

59、S1820讀出的信息或?qū)懭隓S1820的信息，僅需要一根口線（單總線接口）。讀寫及溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS1820供電，而無(wú)需額外電源。DS1820提供九位溫度讀數(shù)，構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)而無(wú)需任何外圍硬件。 （三）數(shù)字輸出型IC溫度傳感器1.3 半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器 五邑大學(xué) 、 DS1820DS1820的特性的特性u(píng) 單線接口：僅需一根口線與MCU連接；u 無(wú)需外圍元件；u 由總線提供電源；u 測(cè)溫范圍為-55125，精度為0.5；u 九位溫度讀數(shù)；u A/D變換時(shí)間為200ms；u 用戶可以任意設(shè)置溫度上、下限報(bào)警值，且能夠識(shí)別具體報(bào)警傳感器。 1.3

60、半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器 五邑大學(xué)DS 1820123GNDI/O VDD(a) PR35封裝 DS1820的管腳排列DS182012345678I/OGND(b) SOIC封裝NCNCNCNCVDDNC2 2、 DS1820DS1820引腳及功能引腳及功能 GND：地； VDD：電源電壓 I/O：數(shù)據(jù)輸入輸出腳(單線接口，可作寄生供電)1.3 半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器 五邑大學(xué) 3 3 、DS1820DS1820的工作原理的工作原理 圖為DS1820的內(nèi)部框圖，它主要包括寄生電源寄生電源、溫度傳感器溫度傳感器、64位位ROM單線接口單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)器存放中間數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)器（