GOpapershit.pot_PowerPoint演示文稿_chenwp 3500096

1、2007 第四講第四講 溫度傳感器溫度傳感器200720072007200720072007200720079090273.15tT2007200720072007 溫度是一個(gè)狀態(tài)量。從超低溫到超高溫測(cè)量范圍極寬，測(cè)量對(duì)象溫度是一個(gè)狀態(tài)量。從超低溫到超高溫測(cè)量范圍極寬，測(cè)量對(duì)象涉及許多方面。理論上溫度被抽象地定義為熱力學(xué)上的溫度標(biāo)。在實(shí)涉及許多方面。理論上溫度被抽象地定義為熱力學(xué)上的溫度標(biāo)。在實(shí)用上則采用用上則采用19681968年所制定的國(guó)際實(shí)用溫度標(biāo)（年所制定的國(guó)際實(shí)用溫度標(biāo)（International Practical International Practical Temperatu

2、re Scale of 1968Temperature Scale of 1968，縮寫(xiě)為，縮寫(xiě)為IPTS-68)IPTS-68)。如圖所示，在。如圖所示，在IPTS-68IPTS-68中定義了中定義了各種定點(diǎn)在這些定點(diǎn)之間還加進(jìn)三種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，使之成為各種定點(diǎn)在這些定點(diǎn)之間還加進(jìn)三種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，使之成為個(gè)完整個(gè)完整的體系。在圖中還有一些以電量為輸出的工業(yè)溫度計(jì)的使用范圍及精度的體系。在圖中還有一些以電量為輸出的工業(yè)溫度計(jì)的使用范圍及精度的概略說(shuō)明。的概略說(shuō)明。 20072007第一節(jié)第一節(jié) 熱電阻傳感器熱電阻傳感器熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類(lèi)，前者簡(jiǎn)稱(chēng)熱電阻，后者簡(jiǎn)稱(chēng)

3、熱敏電阻。一一.熱電阻熱電阻1.熱電阻材料的特點(diǎn)熱電阻材料的特點(diǎn)熱電阻材料必須具有以下特點(diǎn)：熱電阻材料必須具有以下特點(diǎn)：(1).高溫度系數(shù)、高電阻率。這樣在同樣條件下可加快反應(yīng)速度，高溫度系數(shù)、高電阻率。這樣在同樣條件下可加快反應(yīng)速度，提高靈敏度，減小體積和重量。提高靈敏度，減小體積和重量。(2).化學(xué)、物理性能穩(wěn)定。以保證在使用溫度范圍內(nèi)熱電阻的測(cè)量化學(xué)、物理性能穩(wěn)定。以保證在使用溫度范圍內(nèi)熱電阻的測(cè)量準(zhǔn)確性。準(zhǔn)確性。(3).良好的輸出特性。即必須有線(xiàn)性的或者接近線(xiàn)性的輸出。良好的輸出特性。即必須有線(xiàn)性的或者接近線(xiàn)性的輸出。(4).良好的工藝性，以便于批量生產(chǎn)、降低成本。良好的工藝性，以便于

4、批量生產(chǎn)、降低成本。適宜制作熱電阻的材料有鉑、銅、鎳、鐵等。適宜制作熱電阻的材料有鉑、銅、鎳、鐵等。200720072.鉑、銅熱電阻的特性鉑、銅熱電阻的特性鉑、銅為應(yīng)用最廣的熱電阻材料。雖然鐵、鎳的溫度系數(shù)和電阻率鉑、銅為應(yīng)用最廣的熱電阻材料。雖然鐵、鎳的溫度系數(shù)和電阻率均比鉑、銅要高，但由于存在著不易提純和非線(xiàn)性嚴(yán)重的缺點(diǎn)，因均比鉑、銅要高，但由于存在著不易提純和非線(xiàn)性嚴(yán)重的缺點(diǎn)，因而用得不多。而用得不多。鉑容易提純，在高溫和氧化性介質(zhì)中化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，制成的鉑容易提純，在高溫和氧化性介質(zhì)中化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，制成的鉑電阻輸出輸入特性接近線(xiàn)性，測(cè)量精度高。鉑電阻輸出輸入特性接近線(xiàn)性，測(cè)量

5、精度高。鉑電阻制成的溫度計(jì)，除作溫度標(biāo)準(zhǔn)外，還廣泛應(yīng)用于高精度的工鉑電阻制成的溫度計(jì)，除作溫度標(biāo)準(zhǔn)外，還廣泛應(yīng)用于高精度的工業(yè)測(cè)量。由于鉑為貴金屬，一般在測(cè)量精度要求不高和測(cè)溫范圍較業(yè)測(cè)量。由于鉑為貴金屬，一般在測(cè)量精度要求不高和測(cè)溫范圍較小時(shí)，均采用銅電阻。小時(shí)，均采用銅電阻。 銅在銅在-50150范圍內(nèi)銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸出輸范圍內(nèi)銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸出輸入特性接近線(xiàn)性，價(jià)格低廉。入特性接近線(xiàn)性，價(jià)格低廉。3.其他熱電阻其他熱電阻.銦電阻適宜在銦電阻適宜在-269-258溫度范圍內(nèi)使用，測(cè)溫精度高，靈敏溫度范圍內(nèi)使用，測(cè)溫精度高，靈敏度是鉑電阻的度是鉑電阻的10倍，但是復(fù)現(xiàn)

6、性差。倍，但是復(fù)現(xiàn)性差。.錳電阻適宜在錳電阻適宜在-271-210溫度范圍內(nèi)使用，靈敏度高，但是質(zhì)溫度范圍內(nèi)使用，靈敏度高，但是質(zhì)脆易損壞。脆易損壞。.碳電阻適宜在碳電阻適宜在-273-268.5溫度范圍內(nèi)使用，熱容量小，靈溫度范圍內(nèi)使用，熱容量小，靈敏度高，價(jià)格低廉，操作簡(jiǎn)便，但是熱穩(wěn)定性較差。敏度高，價(jià)格低廉，操作簡(jiǎn)便，但是熱穩(wěn)定性較差。20072007二二.熱敏電阻熱敏電阻1.熱敏電阻的特點(diǎn)熱敏電阻的特點(diǎn)熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的熱敏器件。按物理特性，可分為三類(lèi)：(1).負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)；(2).正溫度系數(shù)熱敏電組(PTC)；(3).臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)。下面以負(fù)

7、溫度系數(shù)的熱敏電阻為例作一下介紹。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是一種氧化物的復(fù)合燒結(jié)體，通常用它測(cè)量-100+300范圍內(nèi)的溫度，與熱電阻相比，其特點(diǎn)是：(1).電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，約為熱電阻的10倍。(2).結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量點(diǎn)溫度。(3).電阻率高，熱慣性小，適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量。(4).易于維護(hù)和進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。(5).制造簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是互換性差，非線(xiàn)性嚴(yán)重。2007200720072.負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的特性負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的特性當(dāng)流過(guò)熱敏電阻的電流較小時(shí)，曲線(xiàn)呈直線(xiàn)狀，服從歐姆定律。當(dāng)流過(guò)熱敏電阻的電流較小時(shí)，曲線(xiàn)呈直線(xiàn)狀，服從歐姆定律。當(dāng)電流增加時(shí)，熱敏電阻自身溫度明顯增加

8、，由于負(fù)溫度系數(shù)的當(dāng)電流增加時(shí)，熱敏電阻自身溫度明顯增加，由于負(fù)溫度系數(shù)的關(guān)系，阻值下降，于是電壓上升速度減慢，出現(xiàn)了非線(xiàn)性。當(dāng)電關(guān)系，阻值下降，于是電壓上升速度減慢，出現(xiàn)了非線(xiàn)性。當(dāng)電流繼續(xù)增加時(shí)，熱敏電阻自身溫度上升更快，阻值大幅度下降，其流繼續(xù)增加時(shí)，熱敏電阻自身溫度上升更快，阻值大幅度下降，其減小速度超過(guò)電流增加速度，于是出現(xiàn)電壓隨電流增加而降低的現(xiàn)減小速度超過(guò)電流增加速度，于是出現(xiàn)電壓隨電流增加而降低的現(xiàn)象。象。由于熱敏電阻特性的嚴(yán)重非線(xiàn)性，擴(kuò)大測(cè)溫范圍和提高精度必須進(jìn)由于熱敏電阻特性的嚴(yán)重非線(xiàn)性，擴(kuò)大測(cè)溫范圍和提高精度必須進(jìn)行補(bǔ)償校正。行補(bǔ)償校正。解決辦法：串聯(lián)或并聯(lián)溫度系數(shù)很小的

9、金屬電阻，使熱敏電阻阻值解決辦法：串聯(lián)或并聯(lián)溫度系數(shù)很小的金屬電阻，使熱敏電阻阻值在一定范圍內(nèi)呈線(xiàn)性關(guān)系。在一定范圍內(nèi)呈線(xiàn)性關(guān)系。3 近代熱敏電阻的特性近代熱敏電阻的特性(1).近年來(lái)研制的玻璃封裝熱敏電阻具有較好的耐熱性、可靠性、頻近年來(lái)研制的玻璃封裝熱敏電阻具有較好的耐熱性、可靠性、頻響特性。響特性。(2).氧化物熱敏電阻的靈敏度都比較高，但只能在低于氧化物熱敏電阻的靈敏度都比較高，但只能在低于300時(shí)工作。時(shí)工作。(3).負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的特性曲線(xiàn)非線(xiàn)性嚴(yán)重。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的特性曲線(xiàn)非線(xiàn)性嚴(yán)重。(4).近年來(lái)發(fā)現(xiàn)四氰醌二甲烷新型有機(jī)半導(dǎo)體材料，具有電阻率隨溫近年來(lái)發(fā)現(xiàn)四氰醌二甲烷新

10、型有機(jī)半導(dǎo)體材料，具有電阻率隨溫度迅速變化的特性。度迅速變化的特性。2007熱敏電阻測(cè)溫的電路熱敏電阻測(cè)溫的電路R1C1CRTR2R3RPU1E(5 V) 為了在較寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)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所示電路中的RT位置上,則電路輸出電壓為 3112TREURRR3121243214655435lnlnln1exp()26xTTTTsssofTTRURUUUEUUUUUURRI RI RI RkTUUUURUUmVUq 聯(lián)立以上各式及（改寫(xiě)為聯(lián)立以上各式及（改寫(xiě)為 0011(exp ()TTRRBTT63501240lnlnxofsTTTTTsRUUR IRE

11、BBRUURUURR R ITT 可見(jiàn)，溫度與輸出電壓之間是非線(xiàn)性的，可用對(duì)數(shù)電路和除法器串聯(lián)電路實(shí)可見(jiàn)，溫度與輸出電壓之間是非線(xiàn)性的，可用對(duì)數(shù)電路和除法器串聯(lián)電路實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性化輸出，如圖所示。圖中各點(diǎn)電壓之間的關(guān)系：現(xiàn)線(xiàn)性化輸出，如圖所示。圖中各點(diǎn)電壓之間的關(guān)系：解得解得 2007A3A4A5A6A7U1U2U3U4U5UoUxERcRaRbR4R6R5R0R0R0R0Rf 在設(shè)計(jì)電路參數(shù)時(shí)在設(shè)計(jì)電路參數(shù)時(shí), ,若選擇若選擇301240exp()TsR R EBRR R IT可使上式分母中前三項(xiàng)的代數(shù)和等于零可使上式分母中前三項(xiàng)的代數(shù)和等于零, ,則有則有 65fsxoTR R I UUTRU

12、B即得到了輸出電壓即得到了輸出電壓U Uo o與被測(cè)溫度與被測(cè)溫度T T成線(xiàn)性的關(guān)系式。成線(xiàn)性的關(guān)系式。2007第二節(jié)第二節(jié) 熱電偶傳感器熱電偶傳感器(Thermoelectric couple Senors）熱電偶傳感器在溫度測(cè)量中應(yīng)用極為廣泛，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱電偶傳感器在溫度測(cè)量中應(yīng)用極為廣泛，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號(hào)便于制造方便、測(cè)溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳。遠(yuǎn)傳。一一.熱電效應(yīng)及其工作定律熱電效應(yīng)及其工作定律1.熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)將兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體將兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體A、B組成閉合回路。若節(jié)點(diǎn)組成閉合回路。若節(jié)點(diǎn)(1)、(

13、2)處于處于不同的溫度不同的溫度(TT0)時(shí)，兩者之間將產(chǎn)生一熱電勢(shì)，在回路中形成時(shí)，兩者之間將產(chǎn)生一熱電勢(shì)，在回路中形成一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。其電勢(shì)由接觸電勢(shì)一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。其電勢(shì)由接觸電勢(shì)(珀?duì)柼妱?shì)珀?duì)柼妱?shì))和溫差電勢(shì)和溫差電勢(shì)(湯姆遜電勢(shì)湯姆遜電勢(shì))兩部分組成。兩部分組成。接觸電勢(shì)接觸電勢(shì) 當(dāng)兩種金屬接觸在一起時(shí)，由于不同導(dǎo)體的自由電子密度不同，當(dāng)兩種金屬接觸在一起時(shí)，由于不同導(dǎo)體的自由電子密度不同，在結(jié)點(diǎn)處就會(huì)發(fā)生電子遷移擴(kuò)散。失去自由電子的金屬呈正電在結(jié)點(diǎn)處就會(huì)發(fā)生電子遷移擴(kuò)散。失去自由電子的金屬呈正電位，得到自由電子的金屬呈負(fù)電位。當(dāng)擴(kuò)散達(dá)

14、到平衡時(shí)，在兩位，得到自由電子的金屬呈負(fù)電位。當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到平衡時(shí)，在兩種金屬的接觸處形成電勢(shì)，稱(chēng)為接觸電勢(shì)。其大小除與兩種金種金屬的接觸處形成電勢(shì)，稱(chēng)為接觸電勢(shì)。其大小除與兩種金屬的性質(zhì)有關(guān)外，還與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。屬的性質(zhì)有關(guān)外，還與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。 200720072007溫差電勢(shì)對(duì)于單一金屬，如果兩端的溫度不同，則溫度高端的自由電子向低端遷移，使單一金屬兩端產(chǎn)生不同的電位，形成電勢(shì)，稱(chēng)為溫差電勢(shì)。其大小與金屬材料的性質(zhì)和兩端的溫差有關(guān) 。得出結(jié)論：(1) 如果熱電偶兩電極的材料相同，即NA=NB，AB，雖然兩端溫度不同，但閉合回路的總熱電勢(shì)仍為零。因此，熱電偶必須用兩種不同材料作熱電極。(2)

15、如果熱電偶兩電極材料不同，而熱電偶兩端的溫度相同，即TT0，閉合回路中也不產(chǎn)生熱電勢(shì)。2.工作定律工作定律(1)中間導(dǎo)體定律：導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，當(dāng)引入第三導(dǎo)體時(shí)，只要保持其兩端溫度相同，則對(duì)回路總熱電勢(shì)無(wú)影響，這就是中間導(dǎo)體定律。利用這個(gè)定律可以將第三導(dǎo)體換成毫伏表，只要保證兩個(gè)接點(diǎn)溫度一致，就可以完成熱電勢(shì)的測(cè)量而不影響熱電偶的輸出。 20072007(2)連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律 連接導(dǎo)體定律：回路的總電勢(shì)等于熱電偶電勢(shì)EAB(T,Tn) 與連接導(dǎo)線(xiàn)電勢(shì)EAB（Tn,T0）的代數(shù)和。連接導(dǎo)體定律是工業(yè)上運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)。中間溫度定律：回路的總熱電勢(shì)等于EAB（T，

16、Tn）與EAB（Tn，T0）的代數(shù)和。Tn稱(chēng)為中間溫度。中間溫度定律為制訂分度表奠定了理論基礎(chǔ) 。(3)參考電極定律 表明參考電極C與各種電極配對(duì)時(shí)的總熱電勢(shì)為兩電極A、B配對(duì)后的電勢(shì)之差。利用該定律可大大簡(jiǎn)化熱電偶選配工作，只要已知有關(guān)電極與標(biāo)準(zhǔn)電極配對(duì)的熱電勢(shì)，即可求出任何 兩種熱電極配對(duì)的熱電勢(shì)而不需要測(cè)定。2007二二.熱電偶熱電偶 1.熱電偶材料熱電偶材料(1) 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 指已經(jīng)國(guó)家定型批生產(chǎn)的熱電偶。(2) 非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 指特殊用途試生產(chǎn)的熱電偶。 2.熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶的結(jié)構(gòu)普通熱電偶鎧裝熱電偶 片狀薄膜熱電偶3.熱電偶的溫度補(bǔ)償熱電偶的溫度補(bǔ)償熱電偶輸出的電熱是兩結(jié)點(diǎn)溫度

17、差的函數(shù)。為了使輸出的電勢(shì)是被熱電偶輸出的電熱是兩結(jié)點(diǎn)溫度差的函數(shù)。為了使輸出的電勢(shì)是被測(cè)溫度的單一函數(shù)，一般將測(cè)溫度的單一函數(shù)，一般將T作為被測(cè)溫度端，作為被測(cè)溫度端，T0作為固定冷端作為固定冷端(參參考溫度端考溫度端)。通常要求。通常要求T0保持為保持為0，但是在實(shí)際使用中要做到這一，但是在實(shí)際使用中要做到這一點(diǎn)比較困難，因而產(chǎn)生了熱電偶冷端溫度補(bǔ)償問(wèn)題。點(diǎn)比較困難，因而產(chǎn)生了熱電偶冷端溫度補(bǔ)償問(wèn)題。(1)0恒溫法：即在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，將清潔的水和冰屑混合后放在保溫容器內(nèi)，可使T0保持0。近年來(lái)已研制出一種能使溫度恒定在0的半導(dǎo)體致冷器件。20072007(2)補(bǔ)正系數(shù)修正法：利用中間溫度定

18、律可以求出T00時(shí)的電勢(shì)。該法較精確，但繁瑣。因此，工程上常用補(bǔ)正系數(shù)修正法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。 (3)延伸熱電極法(即補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)法) ：熱電偶長(zhǎng)度一般只有一米左右，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，需要將熱電偶輸出的電勢(shì)傳輸?shù)綌?shù)十米以外的顯示儀表或控制儀表，根據(jù)連接導(dǎo)體定律即可實(shí)現(xiàn)上述要求。一般選用直徑粗、導(dǎo)電系數(shù)大的材料制作延伸導(dǎo)線(xiàn)，以減小熱電偶回路的電阻，節(jié)省電極材料。 (4)補(bǔ)償電橋法：該法利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓來(lái)補(bǔ)償熱電偶參考端溫度變化引起的電勢(shì)變化。 4.熱電偶的使用誤差熱電偶的使用誤差 分度誤差 儀表誤差 延伸導(dǎo)線(xiàn)誤差 動(dòng)態(tài)誤差 漏電誤差 2007200720072007 第三節(jié)第三節(jié) 半導(dǎo)體溫度傳感器半導(dǎo)體

19、溫度傳感器二端、三端、四端器件，二端、三端、四端器件，PN結(jié)壓降、集成溫度傳感器結(jié)壓降、集成溫度傳感器一一、溫敏二極管（二端器件）和溫敏晶體管、溫敏二極管（二端器件）和溫敏晶體管 原理：基于半導(dǎo)體的原理：基于半導(dǎo)體的PN的結(jié)壓降的結(jié)壓降UF與溫度與溫度T的關(guān)系。的關(guān)系。 利用半導(dǎo)體二極管、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(diǎn)。此外,線(xiàn)性較好且價(jià)格低廉,在不少儀表里用來(lái)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。特別適合對(duì)電子儀器或家用電器的過(guò)熱保護(hù),也常用于簡(jiǎn)單的溫度顯示和控制。不過(guò)由于PN結(jié)受耐熱性能和特性范圍的限制,只能用來(lái)測(cè)量150C以下的溫度。 PN結(jié)溫度傳

20、感器的種類(lèi) 種類(lèi)： 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(diǎn)，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。 PN PN結(jié)型熱敏器件結(jié)型熱敏器件原理：恒流條件下，二極管電壓與溫度呈線(xiàn)性關(guān)系 根據(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0gqUkTsIB TeDqUkTDsII e晶體二極管晶體二極管PNPN結(jié)熱敏器件結(jié)熱敏器件式中式中,q,q為電子電荷量為電子電荷量,k,k為玻耳茲曼常數(shù)為玻耳茲曼常數(shù),T,T為絕對(duì)溫度為絕對(duì)溫度, ,I Is

21、 s為反為反向飽和電流。它可寫(xiě)為向飽和電流。它可寫(xiě)為 qUqUg0g0為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度;B;B和和為兩個(gè)常數(shù)為兩個(gè)常數(shù), ,其數(shù)值與器件其數(shù)值與器件的結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)。的結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)。 將將1 1式取對(duì)數(shù)并考慮到式取對(duì)數(shù)并考慮到2 2式式, ,得得0lnlnlnDDgkTkTkTUIUBTqqq 對(duì)上式兩邊取導(dǎo)數(shù),得到PN結(jié)正向壓降對(duì)溫度的變化率為lnlnlnDDdUkkkkIBTdTqqqq從以上二式得到溫度靈敏度為從以上二式得到溫度靈敏度為 0gDDUUdUkdTTq 2/DdUmV KdT k=8.63k=8.631010-5-5eV/KeV/K，當(dāng)半導(dǎo)體材料

22、選定為硅，則，當(dāng)半導(dǎo)體材料選定為硅，則U Ugogo=1.172V=1.172V，設(shè)設(shè)U UD D=0.65V=0.65V，T=300KT=300K，=3.5=3.5，則得，則得0lnlnlnDDgkTkTkTUIUBTqqq即此條件下，溫度每升高即此條件下，溫度每升高11，PNPN結(jié)正向電壓下降結(jié)正向電壓下降2mV2mV 硅二極管正向電壓的溫度特性如圖所示。顯而易見(jiàn), 在40300K之間有良好的線(xiàn)性。當(dāng)正向電流一定時(shí),二極管的種類(lèi)不同,其溫度特性也不同,正向電流變化時(shí),溫度特性也隨之變化。02060100140180220260300FJT1000(100 A)FD300(100 A)FD2

23、00(100 A)FD200(10 A)溫度 / K正方向電壓 / V 硅二極管正向電壓的溫度特性硅二極管正向電壓的溫度特性 溫度特性溫度特性 如圖所示。利用二極管如圖所示。利用二極管V VD D、R R1 1、R R2 2、R R3 3和和R RW W組成一電橋電路組成一電橋電路, ,再用運(yùn)算放大器把電橋輸出電信號(hào)放大并起到阻抗變換作用再用運(yùn)算放大器把電橋輸出電信號(hào)放大并起到阻抗變換作用, ,可提可提高信號(hào)的質(zhì)量。高信號(hào)的質(zhì)量。R1R2R3R4R5R6RfVRWVD 二極管測(cè)溫電路二極管測(cè)溫電路 二極管測(cè)溫電路二極管測(cè)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

24、發(fā)射結(jié)電壓能很好地符合下面關(guān)系(1)BEqUkTEseIIe式中式中,I,IE E為發(fā)射極電流為發(fā)射極電流,U,UBEBE為發(fā)射結(jié)壓降為發(fā)射結(jié)壓降,I,Isese為發(fā)射結(jié)的反向飽和電流。為發(fā)射結(jié)的反向飽和電流。 因?yàn)樵谑覝貢r(shí)因?yàn)樵谑覝貢r(shí),kT/q=36mV,kT/q=36mV左右左右, ,因此因此, ,在一般發(fā)射結(jié)正向偏置的在一般發(fā)射結(jié)正向偏置的條件下條件下, ,都能滿(mǎn)足都能滿(mǎn)足U UBEBEkT/qkT/q的條件的條件, ,這時(shí)上式可以近似為這時(shí)上式可以近似為BEqUkTEseII e 晶體三極管溫度傳感器晶體三極管溫度傳感器 對(duì)上式取對(duì)數(shù),得 lnEBEsekTIUqIlnEseIkaqI

25、令常數(shù)，則BEUaT 由上式可知由上式可知, ,溫度溫度T T與發(fā)射結(jié)壓降與發(fā)射結(jié)壓降U UBEBE有對(duì)應(yīng)關(guān)系有對(duì)應(yīng)關(guān)系, ,我們可根據(jù)這一關(guān)系我們可根據(jù)這一關(guān)系通過(guò)測(cè)量通過(guò)測(cè)量U UBEBE來(lái)測(cè)量溫度來(lái)測(cè)量溫度T T值值, ,且在溫度不太高的情況下且在溫度不太高的情況下, ,兩者近似成線(xiàn)性關(guān)兩者近似成線(xiàn)性關(guān)系系, ,其靈敏度為其靈敏度為 lnBEEsedUIkadTqI常數(shù) 圖為硅半導(dǎo)體晶體管的基極圖為硅半導(dǎo)體晶體管的基極發(fā)射極間電壓發(fā)射極間電壓U UBEBE和集電極電流和集電極電流I IC C關(guān)系關(guān)系的溫度特性。的溫度特性。U UBEBE具有大約具有大約-2.3mV/ -2.3mV/ 的溫

26、度系數(shù)，利用這一現(xiàn)象可以的溫度系數(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(cè)溫范圍為制成高精度、超小型的溫度傳感器，測(cè)溫范圍為-50-200 -50-200 左右。左右。 00.20.40.60.81.01.210610410210102383 K355.8300.5255.2223.3176.8124.777.5UBE / VIC / A U UBEBE與與I IC C的溫度特性的溫度特性溫度特性溫度特性200720072007mV/K2 dTdUF對(duì)于硅半導(dǎo)體，在室溫（對(duì)于硅半導(dǎo)體，在室溫（T=300K）下：下： 即在室溫下，溫度每升高即在室溫下，溫度每升高1度，正度，正向結(jié)壓降

27、就下降向結(jié)壓降就下降2mV。利用半導(dǎo)體二。利用半導(dǎo)體二極 管 的 這 一 特 性 可 以 用 來(lái) 測(cè) 溫 。極 管 的 這 一 特 性 可 以 用 來(lái) 測(cè) 溫 。2DWM1型測(cè)溫專(zhuān)用二極管的特性曲線(xiàn)型測(cè)溫專(zhuān)用二極管的特性曲線(xiàn)（恒流源供電）。（恒流源供電）。 溫敏二極管的測(cè)溫靈敏度較高，但溫敏二極管的測(cè)溫靈敏度較高，但測(cè)溫范圍不大，線(xiàn)性也不太好（測(cè)溫測(cè)溫范圍不大，線(xiàn)性也不太好（測(cè)溫專(zhuān)用二極管要好些）。所以盡管價(jià)格專(zhuān)用二極管要好些）。所以盡管價(jià)格低廉，但應(yīng)用并不特別廣泛低廉，但應(yīng)用并不特別廣泛。20072007二、集成溫度傳感器二、集成溫度傳感器 1電流輸出型集成溫度傳感器電流輸出型集成溫度傳感器

28、 代表性器件：代表性器件：AD590的主要參數(shù)（二端器件）的主要參數(shù)（二端器件） 靜態(tài)輸出：靜態(tài)輸出：+25 5C (298.2K) 298.2A（+25C and VS = +5 V） 測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍：55 +150 C 動(dòng)態(tài)輸出：動(dòng)態(tài)輸出：1A/K（+25C and VS = +5 V） 工作電壓：工作電壓： + 4 V to +30 V. 特點(diǎn)：特別適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫！特點(diǎn)：特別適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫！AD590的封裝、符號(hào)及典型應(yīng)用的封裝、符號(hào)及典型應(yīng)用 集成電路（IC）溫度傳感器是近期開(kāi)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。這種傳

29、感器輸出特性的線(xiàn)性關(guān)系好，測(cè)量精度也比較高，使用起來(lái)方便，越來(lái)越受到人們的重視。它的缺點(diǎn)是靈敏度較低。 IC溫度傳感器的設(shè)計(jì)原理是,對(duì)于集電極電流比一定的兩個(gè)晶體管,其UBE之差UBE與溫度有關(guān)。.集成（集成（IC）溫度傳感器）溫度傳感器（如如AD590AD590，美國(guó)模擬器件公司，美國(guó)模擬器件公司 ） IC傳感器的基本特性如下：（1）可測(cè)得線(xiàn)性輸出電流（1A/C）。（2）檢測(cè)溫度范圍廣(-55150C)。（3）測(cè)量精度為1C。（4）無(wú)調(diào)整時(shí)也可使用。（5）直線(xiàn)性很好,滿(mǎn)量程非線(xiàn)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

30、關(guān),兩個(gè)晶體管的發(fā)射結(jié)正向壓降分別為111222lnlnEBEseEBEsekTIUqIkTIUqI則兩個(gè)晶體管發(fā)射結(jié)壓降差則兩個(gè)晶體管發(fā)射結(jié)壓降差121221lnEseBEBEBEEsekTI IUUUqIIlnEBEsekTIUqI 原理：原理： 表明UBE與絕對(duì)溫度T成正比。選擇特性相同的兩個(gè)晶體管,則Ise1=Ise2,兩個(gè)晶體管的電流放大系數(shù)也應(yīng)相同,當(dāng)兩個(gè)晶體管的集電極電流分別為IC1、IC2時(shí),12lnCBECkTIUqI UUBEBE經(jīng)后級(jí)放大器放大后經(jīng)后級(jí)放大器放大后, ,可使傳感器的輸出隨溫度產(chǎn)生可使傳感器的輸出隨溫度產(chǎn)生10mV/10mV/的變化量。的變化量。 ICIC溫

31、度傳感器的設(shè)計(jì)原理是溫度傳感器的設(shè)計(jì)原理是, ,對(duì)于集電極電流比對(duì)于集電極電流比一定的兩個(gè)晶體管一定的兩個(gè)晶體管, ,其其U UBEBE之差之差UUBEBE與溫度有關(guān)。與溫度有關(guān)。 電壓輸出型電壓輸出型ICIC溫度傳感器原理圖溫度傳感器原理圖 V1V2R1R2I2I1GNDVUscR3 ICIC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。圖為電壓輸出型為電壓輸出型ICIC溫度傳感器原理圖。圖中溫度傳感器原理圖。圖中V V1 1、V2V2為集電極電流分別為集電極電流分別為為I I1 1、I I2 2的兩個(gè)性能相同的晶體管。的兩個(gè)性能相同的

32、晶體管。 電壓輸出型電壓輸出型ICIC溫度傳感器放大器的原理框圖溫度傳感器放大器的原理框圖 21傳感器3VV4輸入輸出50 k10 mV / K放大器放大器的原理框圖。放大器的原理框圖。 電流輸出型電流輸出型ICIC溫度傳感器原理圖溫度傳感器原理圖 V1V2V4V3RUTv電流輸出型電流輸出型ICIC溫度傳感器原理圖如圖所示。從圖中不難看出溫度傳感器原理圖如圖所示。從圖中不難看出: :U UBE1BE1= =U UBE2BE2; ; I IC3C3= =I IC4C4 IC設(shè)計(jì)時(shí),取V3發(fā)射極面積為V4發(fā)射極面積的8倍,于是得電阻R上的電壓輸出為ln80.1792/TkTUmV Kq 圖中集電

33、極電流由圖中集電極電流由U UT T/R/R決定決定, ,電路中流過(guò)的電流為流過(guò)電路中流過(guò)的電流為流過(guò)R R的電的電流的流的2 2倍。取倍。取R=358,R=358,則可獲得靈敏度為則可獲得靈敏度為1A/K1A/K的溫度傳感器。的溫度傳感器。2007200720072007芯片基底20072電壓輸出型集成溫度傳感器電壓輸出型集成溫度傳感器代表性器件：代表性器件：LM135的主要參數(shù)（三端器件）的主要參數(shù)（三端器件）靜態(tài)輸出：靜態(tài)輸出： 2.98V（+25 and IR =1mA）測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍：55 +150 （LM135） 動(dòng)態(tài)電阻：動(dòng)態(tài)電阻：0.6（+25 and IR =1mA）動(dòng)態(tài)

34、輸出：動(dòng)態(tài)輸出：10mV/ LM135、LM235、LM335的封裝外外形及引線(xiàn)的封裝外外形及引線(xiàn)基本應(yīng)用電路基本應(yīng)用電路恒流源供電電路恒流源供電電路靜態(tài)輸出調(diào)整電路靜態(tài)輸出調(diào)整電路串聯(lián)擴(kuò)展串聯(lián)擴(kuò)展靈敏度電路靈敏度電路2007可歸零電路（可歸零電路（t =0；V0 =0）調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)2K電位器，可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)溫度為電位器，可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)溫度為0時(shí)，電路輸出為零。時(shí)，電路輸出為零。2007LM135溫差測(cè)量電路溫差測(cè)量電路用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)溫度傳感器的溫度差用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)溫度傳感器的溫度差2007 3數(shù)字輸出型集成溫度傳感器數(shù)字輸出型集成溫度傳感器 （頻率、（頻率、I2C總線(xiàn)、一總線(xiàn)輸出型）總線(xiàn)、一總線(xiàn)輸出型） A

35、D7414 /I2C總線(xiàn)總線(xiàn)10位位數(shù)字溫度傳感數(shù)字溫度傳感器器 工作電壓：工作電壓：+2.7V to +5.5V. 封裝外形：封裝外形：SOT-23 測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍：- 40 to +85 測(cè)溫精度：測(cè)溫精度： 2（分辨率（分辨率0.25） DS1820型型8/16一總線(xiàn)一總線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器數(shù)字溫度傳感器 DS1820有關(guān)參數(shù)有關(guān)參數(shù) 工作電壓：工作電壓：+3V to +5.5V. 封裝外形：封裝外形：PR35 測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍：-55 to +125 測(cè)溫精度：測(cè)溫精度： 1（分辨率（分辨率0.2）2007 4可編程半導(dǎo)體集成溫控開(kāi)關(guān)電路可編程半導(dǎo)體集成溫控開(kāi)關(guān)電路 典型器件舉例典型

36、器件舉例AD22105 當(dāng)器件溫度超過(guò)編程設(shè)置點(diǎn)溫度（由編程電阻當(dāng)器件溫度超過(guò)編程設(shè)置點(diǎn)溫度（由編程電阻RSET決定）時(shí)，決定）時(shí)，2腳腳所連接的內(nèi)部三極管導(dǎo)通（所連接的內(nèi)部三極管導(dǎo)通（2腳為集電極），輸出低電平，吸入電流可腳為集電極），輸出低電平，吸入電流可達(dá)達(dá)10mA。2007200720072007200720072007200720072007200720072007 非接觸型半導(dǎo)體溫度傳感器 溫度為T(mén)的物體對(duì)外輻射的能量E與波長(zhǎng)的關(guān)系,可用普朗克定律描述,即5121()exp1TCETCTT T為物體在溫度為物體在溫度T T之下的發(fā)射率（也稱(chēng)為之下的發(fā)射率（也稱(chēng)為“黑度系數(shù)黑度系數(shù)”

37、, ,當(dāng)當(dāng)T T=1=1時(shí)時(shí)物體為絕對(duì)黑體）物體為絕對(duì)黑體）; ;C C1 1為第一輻射常數(shù)（第一普朗克常數(shù)）為第一輻射常數(shù)（第一普朗克常數(shù)）,C,C1 1=3.7418=3.74181010-16-16 W Wm m2 2; ;C C2 2為第二輻射常數(shù)（第二普朗克常數(shù)）為第二輻射常數(shù)（第二普朗克常數(shù)）,C,C2 2=1.4388=1.43881010-2-2 m mK K。 根據(jù)斯特藩-玻耳茲曼定律,將上式在波長(zhǎng)自0到無(wú)窮大進(jìn)行積分,當(dāng)T=1時(shí)可得物體的輻射能40()bbET dTb b: :黑體的斯特藩黑體的斯特藩- -玻耳茲曼常數(shù)玻耳茲曼常數(shù),b b=5.7=5.71010-8-8W

38、Wm m-2-2K K-4-4; ;T Tb b是黑體的溫度。是黑體的溫度。 一般物體都不是一般物體都不是“黑體黑體”, ,其發(fā)射率其發(fā)射率T T不可能等于不可能等于1,1,而且普通物體而且普通物體的發(fā)射率不僅和溫度有關(guān)的發(fā)射率不僅和溫度有關(guān), ,且和波長(zhǎng)有關(guān)且和波長(zhǎng)有關(guān), ,即即T T=T T(T),T),其值很難求其值很難求得。雖然如此得。雖然如此, ,輻射測(cè)溫方法可避免與高溫被測(cè)體接觸輻射測(cè)溫方法可避免與高溫被測(cè)體接觸, ,測(cè)溫不破壞溫度測(cè)溫不破壞溫度場(chǎng)場(chǎng), ,測(cè)溫范圍寬測(cè)溫范圍寬, ,精度高精度高, ,反應(yīng)速度快反應(yīng)速度快, ,即可測(cè)近距離小目標(biāo)的溫度即可測(cè)近距離小目標(biāo)的溫度, ,又可

39、又可測(cè)遠(yuǎn)距離大面積目標(biāo)的溫度。測(cè)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(shí)驗(yàn)確定。輻射能與溫度的關(guān)系通常用實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)m隨溫度的升高向短波方向移動(dòng),用公式表達(dá)為2898mmT 利用以上各項(xiàng)特性構(gòu)成的傳感器利用以上各項(xiàng)特性構(gòu)成的傳感器, ,必須由透鏡或反射鏡必須由透鏡或反射鏡將物體的輻射能會(huì)聚起來(lái)將物體的輻射能會(huì)聚起來(lái), ,再由熱敏元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。再由熱敏元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。常常用的熱敏元件有用的熱敏元件有熱電堆、熱敏或光敏電阻、光電池或熱釋熱電堆、熱敏或光敏電阻、光電池或熱釋電元件。電元件。 透鏡對(duì)輻射光譜有一定的選擇

40、性透鏡對(duì)輻射光譜有一定的選擇性, ,例如光學(xué)玻璃只能透例如光學(xué)玻璃只能透過(guò)過(guò)0.30.32.7m2.7m的波長(zhǎng)的波長(zhǎng), ,石英玻璃只能透過(guò)石英玻璃只能透過(guò)0.30.34.5m4.5m的波的波長(zhǎng)。長(zhǎng)。熱敏元件熱敏元件, ,尤其是光敏元件也對(duì)光譜有選擇性尤其是光敏元件也對(duì)光譜有選擇性。這樣就。這樣就使得接收到的能量不可能是物體的全部輻射能使得接收到的能量不可能是物體的全部輻射能, ,而只是部分而只是部分輻射能。輻射能。真正的全輻射溫度傳感器是不存在的。真正的全輻射溫度傳感器是不存在的。 圖為熱輻射溫度計(jì)的原理框圖。由光學(xué)系統(tǒng)接收來(lái)的被測(cè)物體的輻射能,經(jīng)光調(diào)制盤(pán)進(jìn)行調(diào)制后進(jìn)入傳感器,然后經(jīng)同步整流取

41、出信號(hào),再經(jīng)放大后輸出。為了能夠正確測(cè)量,還應(yīng)對(duì)被測(cè)對(duì)象的發(fā)射率進(jìn)行修正。 用熱輻射傳感器制成的溫度計(jì)測(cè)溫范圍為(-50+3500),測(cè)量靈敏度為0.011K,精度為(0.52)%。A1A2線(xiàn) 性 化處 理輸 出濾 波 器同 步整 流被 測(cè)物 體光 圈物 鏡半 透 鏡電 機(jī)旋 轉(zhuǎn) 調(diào) 制 盤(pán)旋 轉(zhuǎn) 同 步 檢 測(cè)檢 測(cè) 器 (PbS等 )比 較 電 燈觀 察 透 鏡 熱輻射溫度計(jì)的原理框圖熱輻射溫度計(jì)的原理框圖 紅外熱輻射傳感器,從原理上又可分為熱電型和光量子型。 熱電型：指由于輻射熱引起元件溫度的微小變化,導(dǎo)致電阻一類(lèi)的物理量的變化,而達(dá)到測(cè)溫的目的。這類(lèi)傳感器一般與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。 熱電型紅外傳感器的優(yōu)點(diǎn)是使用方便，可直接在室溫下使用，光譜特性平坦，靈敏度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢，