第8章 熱電式傳感器

1、第第8 8章章 熱電式傳感器熱電式傳感器熱電式傳感器熱電式傳感器是利用某些材料或元件的物理特是利用某些材料或元件的物理特性與溫度有關(guān)這一性質(zhì)，將性與溫度有關(guān)這一性質(zhì)，將溫度的變化溫度的變化轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為電量的變化電量的變化。溫度變化溫度變化轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電阻變化電阻變化的稱為的稱為熱電阻傳感器熱電阻傳感器；將將溫度變化溫度變化轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為熱電勢變化熱電勢變化的稱為的稱為熱電偶傳熱電偶傳感器感器。第一節(jié)第一節(jié) 熱敏電阻式傳感器熱敏電阻式傳感器幾乎所有物質(zhì)的電阻率都隨其本身的溫度而變幾乎所有物質(zhì)的電阻率都隨其本身的溫度而變化，這一物理現(xiàn)象稱為化，這一物理現(xiàn)象稱為熱電阻效應熱電阻效應。利用這一原理制成的

2、利用這一原理制成的溫度敏感元件溫度敏感元件稱為熱敏電稱為熱敏電阻阻(thermistor)，一般采用，一般采用導體導體和和半導體半導體材料。材料。式中：式中：R0 元件在元件在T0 時的電阻；時的電阻； a T0 時的電阻溫度系數(shù)；時的電阻溫度系數(shù)； RT 溫度為溫度為T 時元件的電阻值時元件的電阻值。 大多數(shù)金屬導體的電阻，都具有隨溫度變化的特性。大多數(shù)金屬導體的電阻，都具有隨溫度變化的特性。 溫度系數(shù)溫度系數(shù)a表征電阻的阻值表征電阻的阻值隨溫度變化的程度隨溫度變化的程度。 金屬的溫度系數(shù)為金屬的溫度系數(shù)為正正，即阻值隨溫度的，即阻值隨溫度的升高而增加升高而增加。 單晶半導體的單晶半導體的a

3、也是也是正正的，但隨摻雜的的，但隨摻雜的增加而減小增加而減小。 陶瓷半導體（熱敏電阻）的陶瓷半導體（熱敏電阻）的a為為負負，且，且非線性較大非線性較大。一、金屬熱電阻一、金屬熱電阻 對用于制造熱電阻材料的要求：對用于制造熱電阻材料的要求： 具有盡可能大和穩(wěn)定的具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率電阻溫度系數(shù)和電阻率 R-t關(guān)系關(guān)系最好成線性最好成線性 物理化學性能物理化學性能穩(wěn)定穩(wěn)定 容易加工、價格盡量容易加工、價格盡量便宜便宜等。等。 目前最常用的熱電阻有目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻鉑熱電阻和和銅熱電阻銅熱電阻。 純金屬純金屬是熱電阻的主要材料，是利用金屬的電阻值隨是熱電阻的主要材料，是

4、利用金屬的電阻值隨溫溫度變化而變化度變化而變化的原理進行測溫的。的原理進行測溫的。(一一)金屬熱電阻工作原理金屬熱電阻工作原理鉑電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可以近似用下式表示：鉑電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可以近似用下式表示： 在在0660溫度范圍內(nèi)溫度范圍內(nèi) 在在-2000溫度范圍內(nèi)溫度范圍內(nèi) 式中式中 R0、Rt分別為分別為0和和t的電阻值；的電阻值； A常數(shù)常數(shù)(3.96310-3/)； B常數(shù)常數(shù)(-5.8610-7/2)； C常數(shù)常數(shù)(-4.2210-12/4)。 20(1)tRRAtBt2301(100)tRRAtBtC tt 銅在銅在-50150范圍內(nèi)銅電阻范圍內(nèi)銅電阻化學、物理

5、性能穩(wěn)定化學、物理性能穩(wěn)定，輸出輸入特性輸出輸入特性接近線性接近線性，價格低廉價格低廉。 銅電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可近似表示為：銅電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可近似表示為： 式中式中 A常量常量(4.28910-3/)； B常量常量(-2.13310-7/2)； C常量常量(1.23310-9/3)。 當溫度高于當溫度高于100時時易被氧化易被氧化，因此適用于，因此適用于溫度較低溫度較低和和沒有浸蝕性沒有浸蝕性的介質(zhì)中工作。的介質(zhì)中工作。230(1)tRRAtBtCt熱電阻的作用原理熱電阻的作用原理1.感溫元件感溫元件 2.鉑絲鉑絲 3.骨架骨架 4.引出線引出線 5.顯示儀表顯示儀表

6、熱電阻實物圖熱電阻實物圖 熱電阻的結(jié)構(gòu)比較簡單，一般將電阻絲繞在云母、石英、陶熱電阻的結(jié)構(gòu)比較簡單，一般將電阻絲繞在云母、石英、陶瓷、塑料等瓷、塑料等絕緣骨架絕緣骨架上，經(jīng)過固定，外面再加上上，經(jīng)過固定，外面再加上保護套管保護套管。熱電阻的作用原理，感溫元件熱電阻的作用原理，感溫元件1是以直徑為是以直徑為0.030.07mm的純鉑的純鉑絲絲2繞在有鋸齒的云母骨架繞在有鋸齒的云母骨架3上，再用兩根直徑約為上，再用兩根直徑約為0.51.4mm的的銀導線作為引出線銀導線作為引出線4引出，與顯示儀表引出，與顯示儀表5連接。連接。當感溫元件上鉑絲的溫度變化時，感溫元件的電阻值隨溫度而變當感溫元件上鉑絲的

7、溫度變化時，感溫元件的電阻值隨溫度而變化，并呈一定的函數(shù)關(guān)系。化，并呈一定的函數(shù)關(guān)系。 當外界條件改變時，傳感器的阻值當外界條件改變時，傳感器的阻值RT會有相應的變化，這時電會有相應的變化，這時電橋平衡破壞，橋路兩端的電壓橋平衡破壞，橋路兩端的電壓Vs也隨之而變，由于也隨之而變，由于Vs能反映出能反映出橋臂電阻的微小變化，因此通過測量橋臂電阻的微小變化，因此通過測量輸出電壓輸出電壓即可以檢測即可以檢測外界外界條件的變化條件的變化。(二二)金屬熱電阻測量與接口電路金屬熱電阻測量與接口電路 當溫度處于測量下當溫度處于測量下限時，限時， RtRtmin，調(diào)，調(diào)節(jié)節(jié)e2使電橋平衡，使電橋平衡，U0，即

8、，即0434121min21min ERRRERrrRrrRUttERRRERrrRrrRtt 434121min21minERrrRRRERrrRrrRERrrRRrrRRERRRERrrRrrRUttttttt 2121min1121min21min121min21min43412121)(當溫度上升，當溫度上升，RtRtminRt ，橋路失去平衡，有，橋路失去平衡，有12TRRrr 因為因為r1、r2相等又接在相等又接在相鄰橋臂上，導線的電相鄰橋臂上，導線的電阻變化不影響電橋平衡。阻變化不影響電橋平衡。 半導體熱敏電阻是用半導體熱敏電阻是用半導體材料半導體材料制成的溫度傳感器。按制成的溫

9、度傳感器。按物理特性物理特性，可分為三類：可分為三類：(1) 負溫度系數(shù)負溫度系數(shù) (NTC)l具有很高的具有很高的負電阻溫度系數(shù)負電阻溫度系數(shù)，特別適用于，特別適用于-100300之間測溫。之間測溫。在點溫、表面溫度、溫差、溫場等測量中得到日益廣泛的應用，在點溫、表面溫度、溫差、溫場等測量中得到日益廣泛的應用，同時也廣泛地應用在自動控制及電子線路的熱補償線路中。同時也廣泛地應用在自動控制及電子線路的熱補償線路中。 (2) 正溫度系數(shù)正溫度系數(shù) (PTC)；l主要采用主要采用BaTiO3系列的材料，當溫度超過某一數(shù)值時，其電阻值系列的材料，當溫度超過某一數(shù)值時，其電阻值朝朝正的方向快速變化正的

10、方向快速變化。其用途主要是彩電消磁，各種電器設備的。其用途主要是彩電消磁，各種電器設備的過熱保護，發(fā)熱源的定溫控制也可以作為限流元件使用。過熱保護，發(fā)熱源的定溫控制也可以作為限流元件使用。(3) 臨界溫度系數(shù)臨界溫度系數(shù) (CTR)。l該類電阻器的電阻值在某個溫度值上該類電阻器的電阻值在某個溫度值上電阻值急劇變化電阻值急劇變化，其用途主，其用途主要用作溫度開關(guān)。其主要材料是要用作溫度開關(guān)。其主要材料是VO2并添加一些金屬氧化物。并添加一些金屬氧化物。 二、半導體熱敏電阻二、半導體熱敏電阻(一一)NTC型半導體熱敏電阻的主要特性型半導體熱敏電阻的主要特性NTC型熱敏電阻，在一定的溫度范圍內(nèi)（在低

11、于型熱敏電阻，在一定的溫度范圍內(nèi)（在低于450）時，）時，有經(jīng)驗公式：有經(jīng)驗公式：eRRTTBT）（0110式中式中15.273 tT1.電阻電阻-溫度特性溫度特性RT、RT0溫度為溫度為T、T0（絕對（絕對溫度）時熱敏電阻器的電阻值。溫度）時熱敏電阻器的電阻值。B熱敏電阻的材料系數(shù)。熱敏電阻的材料系數(shù)。若已知TRRTT，和，00則可計算 ：）（）（）（）（tRRRRtTTBTT000027312731lnln11lnNTC電阻溫度系數(shù) TRRBdTdaTT21負電阻溫度系數(shù)當流過熱敏電阻的電流很小時，不足以使之加熱。電阻值只決定于環(huán)境溫當流過熱敏電阻的電流很小時，不足以使之加熱。電阻值只決定

12、于環(huán)境溫度，伏安特性是度，伏安特性是直線直線，遵循歐姆定律，主要用來，遵循歐姆定律，主要用來測溫測溫。在大電流時，由于耗散功率的增加，使熱敏電阻溫度在大電流時，由于耗散功率的增加，使熱敏電阻溫度高于環(huán)境溫度高于環(huán)境溫度。同時。同時由于其溫度系數(shù)為負值，故其由于其溫度系數(shù)為負值，故其增量電阻減小增量電阻減小。最后，當電流足夠大時，增量電阻最后，當電流足夠大時，增量電阻下降到零下降到零（翻轉(zhuǎn)點），然后變?yōu)樨?。（翻轉(zhuǎn)點），然后變?yōu)樨摗?.伏安特性伏安特性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

13、化物采用不同比例配方，高高溫燒結(jié)溫燒結(jié)而成。其形狀有而成。其形狀有珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等。等。(三三)半導體熱敏電阻的線性化與測量電路半導體熱敏電阻的線性化與測量電路1.半導體熱敏電阻的線性化半導體熱敏電阻的線性化熱敏電阻熱敏電阻靈敏度高靈敏度高，適合測量微弱溫度變動；但是，其，適合測量微弱溫度變動；但是，其電阻值隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律，其電阻值隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律，其非線性嚴重非線性嚴重，當所需，當所需的溫度量程較大時，電阻一溫度特性的的溫度量程較大時，電阻一溫度特性的固有非線性固有非線性是比是比較麻煩的。所以，實際使用時要對其進行較麻煩的。所以，實際使用時要對其進

14、行線性化線性化處理。處理。具體的方法是采用具體的方法是采用溫度系數(shù)很小溫度系數(shù)很小的電阻與熱敏電阻的電阻與熱敏電阻串聯(lián)或并串聯(lián)或并聯(lián)聯(lián)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡（常稱為線性化網(wǎng)絡）代替單個熱敏電阻，構(gòu)成電阻網(wǎng)絡（常稱為線性化網(wǎng)絡）代替單個熱敏電阻，使等效電阻與溫度的關(guān)系在一定的溫度范圍內(nèi)是線性的。使等效電阻與溫度的關(guān)系在一定的溫度范圍內(nèi)是線性的。 熱敏電阻的電壓為溫度指示熱敏電阻的電壓為溫度指示熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡的線形化處理熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡的線形化處理 經(jīng)線性化后在測溫范圍的中間溫度點處并聯(lián)和串聯(lián)的溫經(jīng)線性化后在測溫范圍的中間溫度點處并聯(lián)和串聯(lián)的溫度系數(shù)分別為度系數(shù)分別為pTiipRRTBdTdRR 1112

15、 TisisRRTBdTdGG 1112 其溫度系數(shù)的其溫度系數(shù)的絕對值有所下降絕對值有所下降，因此，線性化后的不利后果，因此，線性化后的不利后果是是溫度系數(shù)減少溫度系數(shù)減少。一、熱電效應（溫差電現(xiàn)象）一、熱電效應（溫差電現(xiàn)象）第二節(jié)第二節(jié) 熱電偶式傳感器熱電偶式傳感器兩種不同導體兩種不同導體A和和B組成閉合回路，如果兩結(jié)點的溫度不組成閉合回路，如果兩結(jié)點的溫度不同，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，有電流流過。這種現(xiàn)象稱同，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，有電流流過。這種現(xiàn)象稱為為熱電效應熱電效應或或塞貝克效應塞貝克效應。這兩種導體的組合稱為。這兩種導體的組合稱為熱電偶熱電偶，如圖所示。如圖所示。T與與T0的

16、溫差越大，熱電偶的的溫差越大，熱電偶的輸出電動勢就越大輸出電動勢就越大，因此，因此，可用熱電動勢衡量溫度的大小。可用熱電動勢衡量溫度的大小。熱電偶原理圖TT0AB回路中所產(chǎn)生的電動勢，回路中所產(chǎn)生的電動勢，叫熱電勢。熱電勢由兩部叫熱電勢。熱電勢由兩部分組成，即分組成，即溫差電勢和接溫差電勢和接觸電勢。觸電勢。1. 1. 接觸電勢接觸電勢BAABNNekTTeln)(eAB(T)導體A、B結(jié)點在溫度T 時形成的接觸電動勢；e單位電荷， e =1.610-19C； k波爾茲曼常數(shù)， k =1.3810-23 J/K ；NA、NB 導體A、B在溫度為T 時的電子密度。接觸電勢的大小與溫度高低及導體中

17、的電子密度有關(guān)。接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關(guān)。BAABNNekTTeln)(00 是由于不同金屬的是由于不同金屬的自由電子自由電子密度不同密度不同，接觸時結(jié)點處發(fā)，接觸時結(jié)點處發(fā)生生電子擴散電子擴散造成的，當觸點造成的，當觸點處電子擴散達到動態(tài)平衡時，處電子擴散達到動態(tài)平衡時，產(chǎn)生一個穩(wěn)定的接觸電勢產(chǎn)生一個穩(wěn)定的接觸電勢。 AeA(T，T0)導體A兩端溫度為T、T0時形成的溫差電動勢；T，T0高低端的絕對溫度； A湯姆遜系數(shù)，表示導體A兩端的溫度差為1時所產(chǎn)生的溫差電動勢，例如在0時，銅的 =2V/。2. 2. 溫差電勢溫差電勢dTTTeTTAA0),(0對于單一金屬對于單一

18、金屬A，如果兩端溫度不同，則在兩端也會產(chǎn)生溫差電動，如果兩端溫度不同，則在兩端也會產(chǎn)生溫差電動勢。其形成原因是導體勢。其形成原因是導體高溫端的高溫端的自由電子具有自由電子具有較大動能較大動能，向低溫，向低溫端端擴散擴散。高溫端失去電子帶正電，低溫端獲得電子帶負電，其電。高溫端失去電子帶正電，低溫端獲得電子帶負電，其電位差為：位差為：dTTTeTTBB 0),(0 由導體材料由導體材料A、B組成的閉合回路，其接點溫度分別為組成的閉合回路，其接點溫度分別為T、T0,如果如果TT0，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，回路總電勢回路總電勢： BANNekTln

19、 BANNekTln0dTTTBA0)(T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3. 3. 回路總電勢回路總電勢),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABABNA、NB導體導體A和導體和導體B的電子密度；的電子密度；A 、 B導體導體A和和B的湯姆遜系數(shù)。的湯姆遜系數(shù)。溫差電現(xiàn)象由兩種相互獨立的效應組成。第一種效應溫差電現(xiàn)象由兩種相互獨立的效應組成。第一種效應是是珀耳帖珀耳帖發(fā)現(xiàn)的，它是由于兩種不同的金屬相接觸和發(fā)現(xiàn)的，它是由于兩種不同的金屬相接觸和接點溫度所產(chǎn)生的一種電動勢，稱為接點溫度所產(chǎn)生的一種電動勢，稱為接觸電勢接觸電勢。它與。

20、它與溫度和兩金屬的電子密度有關(guān)。凈的珀耳帖電動勢近溫度和兩金屬的電子密度有關(guān)。凈的珀耳帖電動勢近似地與兩接點的似地與兩接點的溫度差成正比溫度差成正比。第二種效應是沿著導體的溫度梯度所產(chǎn)生的，稱為第二種效應是沿著導體的溫度梯度所產(chǎn)生的，稱為湯湯姆遜效應姆遜效應。由此產(chǎn)生的電動勢。由此產(chǎn)生的電動勢(稱為湯姆遜電動勢稱為湯姆遜電動勢)與與導體兩端的溫度導體兩端的溫度T和和T0的的平方差成正比平方差成正比。）。）。為二次熱電偶常數(shù)（為二次熱電偶常數(shù)（）為一次熱電偶常數(shù)（為一次熱電偶常數(shù)（2/;/CVCV 導體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩導體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果

21、使端的溫度有關(guān)。如果使E EABAB( (T T0 0)=)=常數(shù)，則回路熱常數(shù)，則回路熱電勢電勢E EABAB( (T T，T T0 0) )就只與溫度就只與溫度T T有關(guān)，而且是有關(guān)，而且是T T的單的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的原理。值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的原理。只有當熱電偶兩端溫度不同只有當熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導體材熱電偶的兩導體材料不同時才能有熱電勢產(chǎn)生。料不同時才能有熱電勢產(chǎn)生。熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細無關(guān)。溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細無關(guān)。只有用不同性質(zhì)的導體只有用不同

22、性質(zhì)的導體(或半導體或半導體)才能組合成熱才能組合成熱電偶；相同材料不會產(chǎn)生熱電勢。電偶；相同材料不會產(chǎn)生熱電勢。 二、熱電偶的基本定則二、熱電偶的基本定則1. 1. 均質(zhì)回路定律均質(zhì)回路定律由由相同成分材料相同成分材料的熱電極組成回路，若只受到溫度的作用，的熱電極組成回路，若只受到溫度的作用，不論導體的截面、長度，以及各處的溫度分布如何，不論導體的截面、長度，以及各處的溫度分布如何，都不產(chǎn)都不產(chǎn)生熱電勢生熱電勢。1、如果熱電偶的兩根熱電極是由均質(zhì)導體組成，那么，熱電偶的熱電勢僅與兩端溫度有關(guān)，而與熱電極的溫度分布無關(guān)。2、用于檢驗兩根熱電極A，A材料成分是否相同。作用：作用：),(),(00

23、TTTTEEABABC 根據(jù)這個定律，可將第三種導根據(jù)這個定律，可將第三種導體換成測試儀或連接導線。只要體換成測試儀或連接導線。只要保持兩結(jié)點溫度相同，就可以對保持兩結(jié)點溫度相同，就可以對熱電勢進行測量。熱電勢進行測量。2、中間金屬定、中間金屬定則則 將將A、B構(gòu)成的熱電偶的構(gòu)成的熱電偶的T0端斷開，接入第三種導端斷開，接入第三種導體體C，只要保持第三導體兩端溫度相同，接入導體，只要保持第三導體兩端溫度相同，接入導體C后對回路總電動勢無影響。后對回路總電動勢無影響。ABCCT0T0作用：3、中間溫度定則、中間溫度定則),(),(),(00TTETTETTEaABaABAB 在熱電偶回路中，兩接

24、點溫度為在熱電偶回路中，兩接點溫度為T、T0時的熱電時的熱電動勢，等于該熱電偶在接點溫度為動勢，等于該熱電偶在接點溫度為T、Ta和和Ta、T0時熱時熱電動勢的代數(shù)和。電動勢的代數(shù)和。熱電偶補償導線法就是這個定律的實際應用。熱電偶補償導線法就是這個定律的實際應用。作用：證明：（中間溫度定則證明）dTNNekTNNekTTTeTTeTeTeTTETTBABAaBAaBaAaABABaABa )(lnln),(),()()(),( dTNNekTNNekTTTeTTeTeTeTTEaTTBABABAaaBaAABaABaAB 0)(lnln),(),()()(),(00000 ),()(lnln),

25、(),(0000TTEdTNNekTNNekTTTETTEABTTBABABAaABaAB 由三種不同材料的熱電極由三種不同材料的熱電極A A、B B、C C各自組成的三各自組成的三對熱電偶回路，如果熱電極對熱電偶回路，如果熱電極A A和和B B分別與分別與C C組成的熱電組成的熱電偶回路所產(chǎn)生的熱電勢已知，則熱電極偶回路所產(chǎn)生的熱電勢已知，則熱電極A A和和B B組成的熱組成的熱電偶回路的熱電勢為電偶回路的熱電勢為)T,T()T,T()T,T(0BC0AC0ABEEEA A T T T =BBCCT0T0T0 若已知各種金屬對標準電極的熱電勢，即可方便地求出各若已知各種金屬對標準電極的熱電勢

26、，即可方便地求出各種金屬搭配成熱電偶時的熱電勢。種金屬搭配成熱電偶時的熱電勢。作用：4、組成定則、組成定則證明：),()(lnln)()()lnln(lnln)(lnln()(lnln),(),(0000000000000TTEdTNNekTNNekTdTdTNNekTNNekTNNekTNNekTdTNNekTNNekTdTNNekTNNekTTTETTEABTTBABABATTCBTTCACBCACBCATTCBCBCBTTCACACABCAC （標準熱電極定律證明） 三、熱電偶的種類三、熱電偶的種類任意兩種導體（或半導體）都可以配制成熱電偶作為測溫任意兩種導體（或半導體）都可以配制成熱電

27、偶作為測溫的元件，但實用中總是希望配制成的熱電偶的的元件，但實用中總是希望配制成的熱電偶的熱電勢較大熱電勢較大、熱電勢與被測溫度之間盡量地呈熱電勢與被測溫度之間盡量地呈線性單值關(guān)系線性單值關(guān)系，且，且測溫的測溫的范圍較寬范圍較寬。熱電動勢大，測溫范圍寬，線性好。熱電動勢大，測溫范圍寬，線性好?；瘜W、物理性能穩(wěn)定，不易氧化、變形及腐蝕?；瘜W、物理性能穩(wěn)定，不易氧化、變形及腐蝕。電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)小，電阻率小，電阻率小。小。易加工，易復制，工藝性和互換性好。易加工，易復制，工藝性和互換性好。2 2、 熱電極材料類型熱電極材料類型（1）一般金屬一般金屬：鎳鉻鎳硅，銅康銅，鎳鉻鎳鋁等：鎳鉻鎳硅，

28、銅康銅，鎳鉻鎳鋁等；（2）貴金屬貴金屬：鉑銠鉑：鉑銠鉑1 1、對熱電偶材料的要求、對熱電偶材料的要求（3）結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式：普通熱電偶，鎧裝熱電偶等：普通熱電偶，鎧裝熱電偶等方法方法u 冰浴法冰浴法u 補償導線法補償導線法u 補正系數(shù)修正法補正系數(shù)修正法u 補償電橋法補償電橋法原因原因l熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數(shù)，必須使為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；冷端溫度保持恒定； 四、熱電偶的冷端補償四、熱電偶的冷端補償把熱電偶的參比端置于把熱電偶的參比端置于冰水混合物冰水混合

29、物容器里，使容器里，使T0=0。這種辦法僅限于。這種辦法僅限于科學實驗中科學實驗中使用。為了避使用。為了避免冰水導電引起兩個連接點短路，必須把連接點分免冰水導電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。絕緣。1、冰浴法、冰浴法2、 補償導線法補償導線法在實際測溫時在實際測溫時, 需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h離現(xiàn)場數(shù)十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表。離現(xiàn)場數(shù)十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表。熱電熱電偶一般做得較短偶一般做得較短，需要用導線將熱電偶的，需要用導線將熱電偶

30、的冷端延伸出來冷端延伸出來。工程中采用一種工程中采用一種補償導線補償導線, 它通常由它通常由兩種不同性質(zhì)兩種不同性質(zhì)的廉的廉價金屬導線制成價金屬導線制成, 而且在而且在0100溫度范圍內(nèi)溫度范圍內(nèi), 要求使用要求使用的的補償導線的冷端熱電特性和熱電偶冷端的熱電特性相補償導線的冷端熱電特性和熱電偶冷端的熱電特性相同同。),(),(0101TTETTECDAB 3、補正系數(shù)修正法：、補正系數(shù)修正法：實際使用時實際使用時：CT00 室室溫溫nkTTT 1則則指示值指示值 查表（修正系數(shù)）查表（修正系數(shù)）實際溫度實際溫度實際冷端溫度實際冷端溫度（室溫）（室溫）nT例：用鎳鉻例：用鎳鉻-康銅熱電偶測得未

31、修正的介質(zhì)溫度為康銅熱電偶測得未修正的介質(zhì)溫度為600 ，此時冷端溫度此時冷端溫度Tn=30，查表得，查表得k=0.78，則實際溫度為，則實際溫度為 CCCT 4 .6233078. 06004、補償電橋法：、補償電橋法：補償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的補償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓不平衡電壓來自動補來自動補償熱電偶因償熱電偶因冷端溫度變化冷端溫度變化而引起的熱電動勢變化值。而引起的熱電動勢變化值。熱電偶的冷端與電橋電阻熱電偶的冷端與電橋電阻R1、R2、R3、RT處于同一環(huán)境溫處于同一環(huán)境溫度中度中，RT是由是由溫度系數(shù)較大溫度系數(shù)較大的銅絲繞制而成的的銅絲繞制而成的。設電橋在設電

32、橋在0時處于平衡，時處于平衡，此時，橋路此時，橋路輸出電壓輸出電壓Ubd=0，電橋，電橋無補償作用無補償作用。假設環(huán)境溫度升高，熱電假設環(huán)境溫度升高，熱電偶的偶的冷端溫度也隨之升高冷端溫度也隨之升高，此時，熱電偶的熱電動勢此時，熱電偶的熱電動勢就有所就有所降低降低。由于。由于Rcu與冷與冷端處于同一環(huán)境溫度中，端處于同一環(huán)境溫度中，使使Ubd增大增大，對熱電勢的減，對熱電勢的減小起到小起到補償作用補償作用。bdbdYYY 5EURRR 并并并并并并123123()()cucuRRRRRRRRR 并并215231()cuRRERRRRRRR 并并并并1232135123123123()()()(

33、)() ()()cucucucucuRRRRR RR RER RRRRRRRRRRRR 2135123123()()()cucucuR RR RER RRRRRRRR 2205123123()()()cucucucuR RR RER RRRRRRRR 第三節(jié)第三節(jié) 晶體管與集成溫度傳感器晶體管與集成溫度傳感器利用利用PN結(jié)的結(jié)的伏安特性與溫度有關(guān)伏安特性與溫度有關(guān)這一特性實現(xiàn)對溫這一特性實現(xiàn)對溫度的檢測、控制和補償?shù)裙δ堋＝?jīng)典的度的檢測、控制和補償?shù)裙δ堋＝?jīng)典的PN結(jié)溫度傳結(jié)溫度傳感器有感器有二極管溫度傳感器二極管溫度傳感器、三極管溫度傳感器三極管溫度傳感器和和集成集成溫度傳感器溫度傳感器。這

34、種傳感器的測溫范圍為這種傳感器的測溫范圍為-50至至150，與其他的溫，與其他的溫度傳感器相比有較好的線性度，且尺寸小、響應快、度傳感器相比有較好的線性度，且尺寸小、響應快、靈敏度高、熱時間常數(shù)小，因此用途較廣。靈敏度高、熱時間常數(shù)小，因此用途較廣。一、晶體管溫度傳感器一、晶體管溫度傳感器由二極管的伏安特性曲線知，當流由二極管的伏安特性曲線知，當流過二極管的過二極管的電流電流IF恒定恒定時，隨著時，隨著溫溫度的升高度的升高，二極管兩端的，二極管兩端的電壓電壓近似近似線性地降低線性地降低。溫度。溫度 T 每升高每升高1，電，電壓壓VF 降低約降低約2mV。 工作于恒流源情況下的工作于恒流源情況下

35、的Ge、Si二極管溫度特性二極管溫度特性只要滿足正向電壓只要滿足正向電壓UF大于幾個大于幾個kT/q，其正，其正向電流向電流IF與與UF及溫度及溫度T之間的關(guān)系可表示為：之間的關(guān)系可表示為：）（）（）（）（FgogoFFgoFSSFFITqkTqEkTEqkTITqkTIkTETqkTIIqkTIIqkTV ln(lnexp(ln(lnln kTqVIIFSF ln 從上式可見只要通過從上式可見只要通過PN結(jié)上的結(jié)上的正向電流正向電流IF恒定恒定，則，則PN結(jié)結(jié)的正向壓降的正向壓降VF是溫度的緩變函數(shù)，是溫度的緩變函數(shù)，在一定電流下在一定電流下，二極，二極管正向電壓隨溫度的升高而降低，呈管正向

36、電壓隨溫度的升高而降低，呈負溫度系數(shù)負溫度系數(shù)。只要選擇合適的摻雜濃度，就可認為在不太寬的溫度范圍只要選擇合適的摻雜濃度，就可認為在不太寬的溫度范圍內(nèi)內(nèi)近似常數(shù)近似常數(shù)，因此，正向壓降，因此，正向壓降VF與溫度與溫度 T 成成線性關(guān)系線性關(guān)系。這就是這就是PN結(jié)溫度傳感器的基本原理。結(jié)溫度傳感器的基本原理。 0(lnlnln)gFFEkTVTIqq lnT是溫度的緩變函數(shù)，其變化對于是溫度的緩變函數(shù)，其變化對于T的變化來說可以忽略的變化來說可以忽略不計，可近似認為是一個常數(shù)。不計，可近似認為是一個常數(shù)。二極管作為溫度傳感器雖然工藝簡單，但線性差，為擴大二極管作為溫度傳感器雖然工藝簡單，但線性差

37、，為擴大VF與與T的線性關(guān)系范圍，可采用的線性關(guān)系范圍，可采用特性相同的差分對管特性相同的差分對管，如果，如果一個二極管的工作電流為一個二極管的工作電流為IF1，而另一個二極管的工作電流，而另一個二極管的工作電流為為IF2，則兩只二極管的電位差為：，則兩只二極管的電位差為： 式中式中與溫度無關(guān)的常數(shù)，但與結(jié)面積和基區(qū)寬度有關(guān)；與溫度無關(guān)的常數(shù)，但與結(jié)面積和基區(qū)寬度有關(guān)； 常數(shù)，取決于基區(qū)中少數(shù)載流子遷移率對溫度的依賴性，其值一般在常數(shù)，取決于基區(qū)中少數(shù)載流子遷移率對溫度的依賴性，其值一般在 35之間；之間； Eg0絕對溫度時硅的外推禁帶寬度，常取絕對溫度時硅的外推禁帶寬度，常取1.205eV。

38、式中，式中，Vg0=Eg0/q，如果，如果 Ic 為常數(shù)，則為常數(shù)，則 VBE 僅僅隨溫度單調(diào)和單值變化隨溫度單調(diào)和單值變化。在恒流工作狀態(tài)下，在恒流工作狀態(tài)下，VBE與與T的關(guān)系只是的關(guān)系只是近似線性近似線性；在寬溫度范圍和高精；在寬溫度范圍和高精度測溫時，必須進行度測溫時，必須進行線性化補償線性化補償，常用的方法如，常用的方法如差分對管法差分對管法。 溫敏晶體管作為負反饋元件跨接在運算放大器的反溫敏晶體管作為負反饋元件跨接在運算放大器的反相輸入端和輸出端，基極接地。如此連接的目的是相輸入端和輸出端，基極接地。如此連接的目的是使發(fā)射結(jié)為正偏。而集電結(jié)幾乎為零偏。使發(fā)射結(jié)為正偏。而集電結(jié)幾乎為

39、零偏。集電極電流集電極電流CCCCRVI 只要只要Vcc不變，則不變，則Ic恒恒定，從而保證三極管定，從而保證三極管工作在恒流狀態(tài)。工作在恒流狀態(tài)。式中式中 n Q1和和Q2三極管發(fā)射板的面積比；三極管發(fā)射板的面積比； k波爾茲曼常數(shù)；波爾茲曼常數(shù)； T被測溫度；被測溫度； q電子電荷。電子電荷。集成電路溫度傳感器的感溫元件采用集成電路溫度傳感器的感溫元件采用差分對晶體三極管差分對晶體三極管，它產(chǎn)生與，它產(chǎn)生與絕對溫絕對溫度成正比的電壓和電流度成正比的電壓和電流，這部分常稱為，這部分常稱為PTAT。 集成溫度傳感器按輸出類型可分為集成溫度傳感器按輸出類型可分為模擬輸出模擬輸出型、數(shù)字輸出型型、

40、數(shù)字輸出型和和開關(guān)輸出型開關(guān)輸出型。( (一一) ) 模擬輸出型溫度傳感器模擬輸出型溫度傳感器( (二二) ) 數(shù)字輸出型溫度傳感器數(shù)字輸出型溫度傳感器穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管D2鉗制了由電源提供的電流電壓鉗制了由電源提供的電流電壓，經(jīng)可調(diào)電阻，經(jīng)可調(diào)電阻R7調(diào)節(jié)后，保持調(diào)節(jié)后，保持VP=2.73V。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管D1的作用是使的作用是使AD590在在穩(wěn)定的工作電壓范圍下工作穩(wěn)定的工作電壓范圍下工作。調(diào)節(jié)可調(diào)。調(diào)節(jié)可調(diào)電阻電阻R3為為10 k，由穩(wěn)壓管，由穩(wěn)壓管D1穩(wěn)壓后，用以保證穩(wěn)壓后，用以保證A點電壓。點電壓。適當?shù)馗淖冞m當?shù)馗淖僐8以及以及R9的電阻值可以改的電阻值可以改變輸出變輸出電壓的放大倍數(shù)電壓

41、的放大倍數(shù)。根據(jù)根據(jù)AD590特性可知，流過器件特性可知，流過器件的電流與溫度關(guān)系為：的電流與溫度關(guān)系為：實驗中輸出電流是以絕對溫度零實驗中輸出電流是以絕對溫度零度度(- 273)為基準。因此，圖為基準。因此，圖2中中A點的電壓值為：點的電壓值為：VA=I0R=(273+T)uA10 k（T為被測溫度的攝氏表示值）為被測溫度的攝氏表示值）輸出電壓為：輸出電壓為：美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS1820，可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供微機處理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列號，所以在一條總線上可掛接任意多個DS1820芯片。從DS1820讀出的信息或?qū)懭隓S182

42、0的信息，僅需要一根口線（單總線接口）。DS1820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DS1820的特性的特性u 采用采用單總線專用技術(shù)單總線專用技術(shù)，既可通過串行口線，也，既可通過串行口線，也可通過其它可通過其它I/O 口線與微機接口，口線與微機接口，無須經(jīng)過其它變無須經(jīng)過其它變換電路換電路，直接輸出被測溫度值（，直接輸出被測溫度值（9 位二進制數(shù)，含位二進制數(shù)，含符號位）符號位）u 測溫范圍為測溫范圍為-55125，精度為，精度為0.5；u A/D變換時間為變換時間為200ms；u 用戶可以任意設置用戶可以任意設置溫度上、下限報警值溫度上、下限報警

43、值，且能，且能夠識別具體報警傳感器。夠識別具體報警傳感器。 溫度檢測系統(tǒng)原理溫度檢測系統(tǒng)原理 由于單線數(shù)字溫度傳感器DS1820具有在一條總線上可同時掛接多片的顯著特點，可同時測量多點的溫度，而且DS1820的連接線可以很長，抗干擾能力強，便于遠距離測量，因而得到了廣泛應用。 采用寄生電容供電的溫度檢測系統(tǒng) 89C51DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2TxRx+5VGNDVDDP1.1作輸出口用，相當于TxP1.2作輸入口用，相當于Rx一、石英晶體溫度傳感器及測溫技術(shù)一、石英晶體溫度傳感器及測溫技術(shù)工作原理 l 利用石英晶體的固有振蕩頻率隨溫度變化的特性，把溫度轉(zhuǎn)換成

44、頻率。 l諧振頻率的溫度特性方程： 第四節(jié)第四節(jié) 其他類型的溫度傳感器其他類型的溫度傳感器熱輻射測溫方法就是基于物體的熱輻射測溫方法就是基于物體的熱輻射能量熱輻射能量隨其溫度的隨其溫度的變化而變化變化而變化的特的特性來檢測其溫度的，是一種性來檢測其溫度的，是一種非接觸式非接觸式的測溫方法。的測溫方法。 自然界中的一切物體，只要它的溫度自然界中的一切物體，只要它的溫度高于絕對溫度高于絕對溫度(-273)就存在就存在分子和原子分子和原子無規(guī)則的運動無規(guī)則的運動，其表面就不斷地，其表面就不斷地發(fā)出紅外輻射能量發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布物體的紅外輻射能量的大小及其按波長

45、的分布與它的與它的表面溫表面溫度度有著十分密切的關(guān)系。有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對物體自身輻射的因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量紅外能量的測量，便能準確地，便能準確地測定測定它的表面溫度它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。二、熱釋電傳感器二、熱釋電傳感器 熱釋電效應熱釋電效應某些晶體在溫度變化時會發(fā)生電極某些晶體在溫度變化時會發(fā)生電極化。加熱和冷卻時產(chǎn)生的電荷變化相反。其電荷密度化。加熱和冷卻時產(chǎn)生的電荷變化相反。其電荷密度等于自發(fā)極化強度等于自發(fā)極化強度PS。 （1）熱釋電探測器）熱釋電探測器工作原理工作原理 靜態(tài)條件靜態(tài)條件下

46、，即熱幅射恒定，測不出下，即熱幅射恒定，測不出PS（產(chǎn)生的電荷產(chǎn)生的電荷被中和）被中和） 動態(tài)條件動態(tài)條件下，熱幅射按一定頻率變化，能測出下，熱幅射按一定頻率變化，能測出PS（產(chǎn)產(chǎn)生的電荷來不及被中和）生的電荷來不及被中和） 可見：熱釋電材料的輸出電信號只與材料的可見：熱釋電材料的輸出電信號只與材料的溫度變化率有溫度變化率有關(guān)關(guān)，與，與溫度本身無關(guān)溫度本身無關(guān)。就是說熱釋電探測器只能探測到就是說熱釋電探測器只能探測到運動目標運動目標或或溫度不斷變化溫度不斷變化的目標的目標，對靜物，則需要對入射輻射進行調(diào)制。，對靜物，則需要對入射輻射進行調(diào)制。溫度是人體最緊密的可以控制的變量之一。像所有的調(diào)整系統(tǒng)一樣，溫度是人體最緊密的可以控制的變量之一。像所有的調(diào)整系統(tǒng)一樣，熱控制也是依靠熱控制也是依靠負反饋負反饋機制。它必須包括一個機制。它必須包括一個參考量參考量(用來決定用來決定“起起始點始點”)，溫度傳感元件溫度傳感元件(皮膚上冷和熱的感受器件皮膚上冷和熱的感受器件)，激勵者激勵者(能夠產(chǎn)能夠產(chǎn)生或者散發(fā)熱量的組織：肌肉，皮膚，肺等等生或者散發(fā)熱量的組織：肌肉，皮膚，肺等等)，以及，以及中央控制模塊中央控制模塊(視丘下部視丘下部)。身體身體(近體內(nèi)近體內(nèi))體溫體溫測試是一種傳統(tǒng)，常規(guī)的診斷方法。測試是一種傳統(tǒng)，常規(guī)的診斷方法。發(fā)燒發(fā)燒是有毒是有毒物質(zhì)或者病毒和細菌引起的病影響視丘