傳感器第6章熱電式傳感器課件

1、第6章 熱電式傳感器溫度是表示物體冷熱程度的物理量，是一個(gè)十分重要的物理參數(shù)，無論在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國防和人們?nèi)粘Ｉ畹雀黝I(lǐng)域，溫度的測(cè)量和控制是極為重要的課題。所以在種類繁多的傳感器中，在產(chǎn)品和應(yīng)用方面，溫度傳感器都處前列。熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。它利用傳感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化的特性來達(dá)到測(cè)量的目的。例如將溫度轉(zhuǎn)化為電阻、磁導(dǎo)或電勢(shì)等的變化，通過適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路，就可由這些電參數(shù)的變化來表達(dá)所測(cè)溫度的變化。在各種熱電式傳感器中，以把溫度量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)和電阻的方法最為普遍。其中將溫度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)大小的熱電式傳感器叫做熱電偶，將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值大小的熱電式傳感器叫做

2、熱電阻。這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛的應(yīng)用。第1頁，共82頁。另外利用半導(dǎo)體PN結(jié)與溫度的關(guān)系，所研制的PN結(jié)型溫度傳感器在窄溫場(chǎng)中，也得到了十分廣泛的應(yīng)用。對(duì)溫度傳感器的要求是：靈明度高、線性好、穩(wěn)定性好、重復(fù)性好、工作范圍寬、互換性好、響應(yīng)快、尺寸小、成本低、使用方便等指標(biāo)來衡量。溫度不能直接測(cè)量，但物體的許多屬性都隨溫度變化，因此，通過其他物理量間接測(cè)量溫度。原則上，物體的屬性，只要隨溫度變化而發(fā)生單調(diào)的、顯著的、可重復(fù)的變化，都可以用于溫度測(cè)量。溫敏器件最常用的物理量包括體積、壓力、電阻、磁化率和熱電動(dòng)勢(shì)等，分別被用來制成氣體溫度計(jì)、液體溫度計(jì)、鉑電阻溫度計(jì)、熱電偶溫度

3、計(jì)和半導(dǎo)體溫度計(jì)等。第2頁，共82頁。6.1熱電偶溫度傳感器6.1.1熱電偶測(cè)溫原理熱電偶傳感器是一種能將溫度轉(zhuǎn)換成電勢(shì)的裝置。目前在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中已得到廣泛的應(yīng)用，并且已經(jīng)可以選用標(biāo)準(zhǔn)的顯示儀表和記錄儀表來進(jìn)行顯示和記錄。將兩種不同材料的導(dǎo)體，組成一個(gè)閉合回路，如圖6.1所示。如果兩端點(diǎn)的溫度不同，則在兩者間產(chǎn)生一電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電勢(shì)的大小和方向與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)和兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度差有關(guān)，這一溫度現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，有時(shí)也稱溫差電效應(yīng)。由兩種導(dǎo)體組成的回路叫熱電偶，組成熱電偶的A、B兩種導(dǎo)體叫熱電級(jí)，兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，一個(gè)稱為工作端或熱端（t），另一個(gè)叫自由端或冷端（t0）。熱電偶產(chǎn)生的電勢(shì)Eab稱為熱電

4、勢(shì)或溫差電勢(shì)。如果圖中，A為正極， 第3頁，共82頁。B為負(fù)極，且t，則產(chǎn)生的熱電勢(shì)為 (6.1) 式中：t熱端溫度（）；冷端溫度（）由此可知，用熱電偶測(cè)溫，有兩個(gè)重要的問題要解決，即補(bǔ)償導(dǎo)線和冷端溫度補(bǔ)償。第4頁，共82頁。圖6-1熱電效應(yīng)第5頁，共82頁。6.1.2熱電勢(shì)的測(cè)量上述的熱電偶是指兩個(gè)電極組成的閉合電路。當(dāng)要測(cè)量此熱電勢(shì)時(shí)，實(shí)際最簡(jiǎn)單的測(cè)量線路如圖6-2所示。這時(shí)回路中除熱電極A、B外，還有測(cè)量?jī)x器M和諒解導(dǎo)線C、D。那么，此時(shí)M所測(cè)到的電勢(shì)是否與式（6-1）所表示的 相同呢？這時(shí)有條件的。如果兩連接線C、D材料相同，并且兩倒顯得接入點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)相同，即 ，且與熱電極相接的一端溫

5、度與熱電偶冷端溫度相同，即 ，則根據(jù)熱電偶的基本定律可知，導(dǎo)線C、D和儀表M的接入不影響原熱電偶的熱電勢(shì)，M所測(cè)得的電勢(shì)即為原熱電偶的熱電勢(shì) ；如果C、D材料不同，情況比較復(fù)雜，除接入點(diǎn)溫度滿足上述要求外，導(dǎo)線C、D材料在要求的溫度范圍內(nèi) 第6頁，共82頁。，還必須滿足“熱電性能一致性”的要求，即 （6.2） 顯然，熱電偶的連接導(dǎo)線是不能任意取的，不同的熱電偶，所需配用的連接導(dǎo)線夜不同，這種線稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。隨便用連接線，將產(chǎn)生附加的測(cè)量誤差。第7頁，共82頁。6-2熱電偶工作原理圖第8頁，共82頁。6.1.3 熱電偶的基本定律中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫

6、度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變。 如圖6-3，在熱電偶回路中接人第三種導(dǎo)體C。設(shè)導(dǎo)體A與B接點(diǎn)處的溫度為t，A與C、B與C兩接點(diǎn)處的溫度為t0，則回路中的總電動(dòng)勢(shì)為 (6-3) 第9頁，共82頁。圖6-3 熱電偶中接入第三種導(dǎo)體第10頁，共82頁。如果回路中三接點(diǎn)的溫度相同，即tt0，則回路總電動(dòng)勢(shì)必為零，即或者 (6-4)將式(5-7)代人式(5-6)，可得 (6-5)可以用同樣的方法證明，斷開熱電偶的任何一個(gè)極，用第三種導(dǎo)體引入測(cè)量?jī)x表，其總電動(dòng)勢(shì)也是不變的。 第11頁，共82頁。熱電偶的這種性質(zhì)在實(shí)用上有著重要的意義，它使我們可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器，也可以

7、將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表面進(jìn)行溫度測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)電極定律：如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成熱電偶，并且熱電動(dòng)勢(shì)已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也就已知。如圖6-4，導(dǎo)體A、B分別與標(biāo)準(zhǔn)電極C組成熱電偶，若它們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為已知，即 第12頁，共82頁。那么，導(dǎo)體A與B組成的熱電偶，其熱電動(dòng)勢(shì)可由下式求得 (6-6)圖6-4 三種導(dǎo)體分別組成熱電偶第13頁，共82頁。標(biāo)準(zhǔn)電極定律是一個(gè)極為實(shí)用的定律?？梢韵胂螅兘饘俚姆N類很多，而合金類型更多。因此，要得出這些金屬之間組合而成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，其工作量是極大的。由于鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)高，易

8、提純，所以，我們通常選用高純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極，只要測(cè)得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)可根據(jù)式(6-6)直接計(jì)算出來。例如：熱端為100，冷端為0時(shí)，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為-4.0mV，則鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV第14頁，共82頁。中間溫度定律：熱電偶在兩接點(diǎn)溫度t、t0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為t、tn和tn、t0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。中間溫度定律可以用下式表示 (6-7)中間溫度定律為補(bǔ)償導(dǎo)線的使

9、用提供了理論依據(jù)。它表明：若熱電偶的熱電極被導(dǎo)體延長(zhǎng)，只要接入的導(dǎo)體組成熱電偶的熱電特性與被延長(zhǎng)的熱電偶的熱電特性相同，且它們之間連接的兩點(diǎn)溫度相同，則總回路的熱電動(dòng)勢(shì)與連接點(diǎn)溫度無關(guān)，只與延長(zhǎng)以后的熱電偶兩端的溫度有關(guān)。第15頁，共82頁。中間溫度定律為補(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。它表明：若熱電偶的熱電極被導(dǎo)體延長(zhǎng)，只要接入的導(dǎo)體組成熱電偶的熱電特性與被延長(zhǎng)的熱電偶的熱電特性相同，且它們之間連接的兩點(diǎn)溫度相同，則總回路的熱電動(dòng)勢(shì)與連接點(diǎn)溫度無關(guān)，只與延長(zhǎng)以后的熱電偶兩端的溫度有關(guān)。 第16頁，共82頁。6.1.4熱電偶冷端溫度誤差及其補(bǔ)償由式（6-1）表明，熱電勢(shì) 是兩個(gè)接點(diǎn)溫度的函數(shù)。但

10、是，通常要求測(cè)量的是一個(gè)熱源的溫度，或者兩個(gè)熱源的溫度差，為此，必須固定其中一個(gè)接點(diǎn)的溫度。對(duì)于任何一種實(shí)際的熱電偶并不是由精確的關(guān)系式表示其特性，而是用特性分度表。為了便于統(tǒng)一，一般手冊(cè)上所提供的熱電偶特性分度表是在保持熱電偶冷端溫度0的條件下，給出熱電勢(shì)與熱端溫度的數(shù)值對(duì)照。因此，當(dāng)使用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，如果冷端溫度保持0 ，則只要正確地測(cè)得電勢(shì)，通過對(duì)應(yīng)分度表，即可查的所測(cè)得溫度。但在實(shí)際測(cè)量中，熱電偶冷端溫度將受環(huán)境溫度或熱源溫度的影響，并不為0 ，為了使用特性分度表，對(duì)熱電偶進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的準(zhǔn)確測(cè)量。對(duì)熱電偶冷端溫度變化所引起的冷端溫度誤差，長(zhǎng)采用下述補(bǔ)償方法。第17頁，共82

11、頁。1.0恒溫法將熱電偶的冷端保持在0容器內(nèi)，如圖6-3所示，此法僅適合于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，但它能使冷端溫度誤差得到完全的解決。2.冷端恒溫法將熱電偶冷端置于一恒溫器內(nèi)，如恒定溫度為，則冷端誤差為= （6.3）由式可見，它雖不為零，但是一個(gè)定值。只要在回路中加入相應(yīng)的修正電壓，或調(diào)整指示裝置的起始位置，即可達(dá)到完全補(bǔ)償?shù)哪康摹?第18頁，共82頁。圖6-3冰點(diǎn)冷端恒溫法第19頁，共82頁。3.冷端補(bǔ)償器法工業(yè)上常采用冷端補(bǔ)償。冷端補(bǔ)償器是一個(gè)四臂電橋，如圖6-4所示，其中三個(gè)橋臂電阻 的溫度系數(shù)為零，另一個(gè)橋臂采用銅電阻 ，放置于熱電偶的冷端處。當(dāng) 時(shí)，電橋平衡；當(dāng) 時(shí)，電橋?qū)a(chǎn)生相應(yīng)的不平衡電壓。電

12、橋的輸出V與熱電勢(shì)串聯(lián)，只要滿足V= (6.4)則熱電偶的冷端誤差變暖成了定值 。因此，只要再采用定值誤差的修正（恒溫法），即可獲得冷端溫度誤差的完全補(bǔ)償。 第20頁，共82頁。圖6-4冷端補(bǔ)償器的應(yīng)用第21頁，共82頁。4.采用補(bǔ)償導(dǎo)線當(dāng)然電偶冷端溫度由于受熱端溫度的影響，在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，則直接采用冷端溫度補(bǔ)償法將很困難。因此，應(yīng)先采用前述的補(bǔ)償導(dǎo)線（對(duì)于廉價(jià)熱電偶，可以采用延長(zhǎng)熱電極的方法），將冷端遠(yuǎn)移到溫度變化比較平緩的環(huán)境中，再采用上述的補(bǔ)償方法進(jìn)行補(bǔ)償。5.采用不需要冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕寄壳耙阎溃烘団?鎳鋁熱電偶在300以下，鎳鐵-鎳銅在50以下，鉑-鉑在50 以下的熱電勢(shì)均非常小

13、。只要實(shí)際的冷端溫度在其范圍內(nèi)，使用這些熱電偶可以不考慮冷端誤差。 第22頁，共82頁。6.1.5常用熱電偶的特點(diǎn)雖說許多金屬相互接合會(huì)產(chǎn)生熱電效應(yīng)，但是能做成適于測(cè)量的實(shí)用熱電偶為數(shù)還不多，目前常用的熱電偶及其特性見表6.1。第23頁，共82頁。表6-1常用熱電偶種類及性質(zhì)第24頁，共82頁。由于熱電偶能直接進(jìn)行溫度-電勢(shì)轉(zhuǎn)換，體積小、測(cè)量范圍寬、耐用，因此，獲得了十分廣泛的應(yīng)用。熱電偶雖然是一種古老的傳感器，但因有如下特點(diǎn)，至今仍在測(cè)溫領(lǐng)域里得到廣泛應(yīng)用。（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，使用方便，熱電偶的電極不受大小和形狀的限制，可按照需要進(jìn)行配制。（2）因?yàn)樗妮敵鲂盘?hào)為電動(dòng)勢(shì)，因此測(cè)量時(shí)，可

14、不要外加電源。輸出靈敏度在室溫下為 毫伏數(shù)量級(jí)。 （3）測(cè)量范圍廣，可從2691800OC。（4）測(cè)量精度高，熱電偶與被測(cè)對(duì)象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響。（5）便于遠(yuǎn)距離測(cè)量、自動(dòng)記錄及多點(diǎn)測(cè)量。第25頁，共82頁。6.1.6常用熱電偶的應(yīng)用舉例(一) 熱電偶測(cè)金屬表面溫度表面溫度測(cè)量是溫度測(cè)量的一大領(lǐng)域。金屬表面溫度的測(cè)量對(duì)于機(jī)械、冶金、能源、國防等部門來說是非常普通的問題。例如，熱處理的鍛件、鑄件、氣體水蒸汽管道、爐壁面等表面溫度的測(cè)量。測(cè)溫范圍從幾百攝氏度到一千多攝氏度。而測(cè)量方法通常利用直接接觸測(cè)溫法。一般在200-300以下溫度時(shí)，可采用粘接劑將熱電偶的結(jié)點(diǎn)粘附于金屬壁面，工藝比較

15、簡(jiǎn)單。在溫度較高且測(cè)量精度高和時(shí)間常數(shù)小的情況下，常采用焊接的方法，將熱電偶頭部焊于金屬壁面。第26頁，共82頁。如圖6-5熱電偶測(cè)量系統(tǒng)第27頁，共82頁。(二)測(cè)控應(yīng)用如圖6-5中所示為常用爐溫測(cè)量采用的熱電偶測(cè)量系統(tǒng)圖。圖中由毫伏定值器給出設(shè)定溫度的相應(yīng)毫伏值，如熱電偶的熱電勢(shì)與定值器的輸出（毫伏）值有偏差，則說明爐溫偏離給定值，此偏差經(jīng)放大器送入調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過晶閘管觸發(fā)器去推動(dòng)晶閘管執(zhí)行器從而調(diào)整爐絲的加熱功率，消除偏差，達(dá)到溫控的目的。 第28頁，共82頁。6.2熱敏電阻溫度傳感器熱敏電阻是材料的電阻隨溫度顯著變化的器件。它大多是由金屬氧化物半導(dǎo)體材料制成，也有由單晶半導(dǎo)體、玻璃和塑

16、料制成。由于熱敏電阻器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛地用于溫度測(cè)量和溫度控制中。6.2.1熱敏電阻的基本類型熱敏電阻按其阻值隨溫度變化的特性，可分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC、正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC、臨界溫度電阻CTR三種類型，它們的熱電特性如圖6-6所示。第29頁，共82頁。圖6-6三種熱敏電阻的熱電特性曲線第30頁，共82頁。由圖可知，PTC是當(dāng)溫度越過某一數(shù)值后，電阻率隨溫度增高而迅速地增大，用于窄溫區(qū)范圍內(nèi)的溫度檢測(cè)和溫度控制，如電子驅(qū)蚊器的加熱芯片，電熱毯的控溫元件等，PTC作溫度補(bǔ)償元件夜獲得應(yīng)用。CTR在臨界溫度附近（約68）電阻率產(chǎn)生突變，突變數(shù)量級(jí)為

17、24，可作溫度開關(guān)用。NTC的電阻率 隨溫度增加比較均勻地減小，這種較均勻的感溫特性，適用于作較寬范圍的溫度檢測(cè)傳感器，是構(gòu)成熱敏傳感器的主要元件。目前實(shí)用化的NTC材料通常是 等24種成分的氧化物燒結(jié)體，有時(shí)為了調(diào)整電阻率及溫度系數(shù)也滲入了Ti、Al的氧化物。第31頁，共82頁。6.2.2NTC的基本特性 1.熱電特性：R=f(t)圖6-5中的NTC的R=f(t)曲線是一條指數(shù)曲線，可用下式表示：Rt= 式中：Rt絕對(duì)溫度T時(shí)的實(shí)際電阻值A(chǔ),B由材料和工藝所決定的常數(shù)，它們分別具有與電阻和溫度相同的量綱。當(dāng)已知溫度T0的電阻為 時(shí)，可將式（6-5）改寫成材料常數(shù)B又稱為熱靈敏指標(biāo)，可通過實(shí)驗(yàn)

18、求得，通常B=20005000K。 和 是在一定溫度下，采用引起阻值變化不超過 的測(cè)量功率所測(cè)出的電阻值，這樣可忽略自身發(fā)熱變化所產(chǎn)生的誤差。一般將在環(huán)境溫度25時(shí)測(cè)得的電阻值，作為熱敏電阻的標(biāo)稱電阻值 。第32頁，共82頁。表示熱敏電阻熱電特性的另一個(gè)重要物理參數(shù)是電阻溫度系數(shù) ，它表示溫度變化1（或1K）的阻值相對(duì)變化量，即 =由式（6-6）可求得 = (6.7)式中的負(fù)號(hào)表示NTC的阻值隨溫度的增加而減小。 與熱力學(xué)溫度T的平方成反比，說明在低溫下 的數(shù)值很大，NTC有很高的溫度靈敏度。若設(shè)B=4000K，T=323.15K，則 = ，約為鉑電阻的10倍。第33頁，共82頁。2.伏安特性

19、：v=f(I)將NTC接上電流源，并測(cè)出它兩端的電壓，即可得到如圖6-7所示的伏安曲線。由圖可見，在加熱電流I比較小時(shí)，v=f(I)是一條直線，電阻值完全由外界被測(cè)溫度 所決定。隨著加熱電流的增大，NTC自身溫度上升，阻值下降，兩端電壓不再按比例隨電流增大而增加。但在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)，電流的增大與電阻的減小相互補(bǔ)償，使電壓基本保持不變。電流繼續(xù)增大，使電阻值下降幅度超過電流增大幅度，電壓降隨電流的增大而下降。由圖可知，隨著外界被測(cè)溫度 的提高，伏安曲線沿恒定功率直線（圖中P=10mW）向右下方移動(dòng)，使v=f(I)線性范圍變寬。顯然，當(dāng)NTC作測(cè)溫元件使用時(shí)，應(yīng)使它在v-I線性范圍內(nèi)工作。第34頁，

20、共82頁。圖6-7 NTC的伏安特性曲線第35頁，共82頁。3.熱響應(yīng)特性熱敏電阻測(cè)溫的過程都是將被測(cè)對(duì)象的熱能通過接觸傳熱或者輻射傳熱的方式傳遞給敏感元件，一起敏感元件自身的溫度變化，將自身溫度變化轉(zhuǎn)為自身電阻的變化，這個(gè)過程是需要時(shí)間的，所以要求測(cè)量器件要游良好的熱響應(yīng)特性。熱敏電阻的熱特性常用耗散常數(shù)H和時(shí)間常數(shù) 來表示。耗散常數(shù)表示熱敏電阻在電功率作用下，自身溫度變化1所耗散的功率變化量，即H=P/TH的大小與電阻體的結(jié)構(gòu)、形狀、所處介質(zhì)的種類和狀態(tài)有關(guān)。 每種熱敏電阻均有一個(gè)在規(guī)定的技術(shù)條件下，長(zhǎng)期連接工作所允許的最高溫度 ，對(duì)應(yīng) 所耗散的功率稱為熱敏電阻的額定功率 。第36頁，共8

21、2頁。由于熱敏電阻具有一定的熱容量C，因此它有一定的熱惰性，即隨溫度改變需要一定的時(shí)間，通常用時(shí)間常數(shù) 來表示熱惰性的大小。時(shí)間常數(shù)可定義為：熱敏電阻在無功率狀態(tài)下（即忽略加熱電流引起的溫升），當(dāng)外界溫度由一個(gè)特定值突然改變到另一測(cè)試特定值時(shí)，電阻體自身溫度變化量特定溫度之差的63.2所需時(shí)間。兩特定溫度通常選為85和25，或者100和0。熱敏內(nèi)電阻的時(shí)間常數(shù)與它的熱電容C和耗散常數(shù)H的大小有關(guān)，可表示為 =C/H (6.8)熱敏電阻用于測(cè)溫和控溫時(shí)，一般要求耗散常數(shù)大，時(shí)間常數(shù)小，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，尺寸和材料比熱等參數(shù)。第37頁，共82頁。6.2.2半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器的組成用于測(cè)溫

22、的半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器主要是由NTC元件及測(cè)量電路組成。如前所述，NTC的電阻系數(shù)溫度高，電阻率大，不僅有很高的溫度靈敏度和分辨率（可達(dá) ），還可以制成極小的尺寸，所以熱慣性小，響應(yīng)速度快，適用于點(diǎn)溫、表面溫度及快速測(cè)溫。但目前它的高溫性能不好，一般用來測(cè)量 的溫度。熱敏電阻元件可按使用要求制成棒狀、珠狀及片狀等形狀。組成溫度傳感器的熱敏元件，一般被封裝在玻璃管外殼內(nèi)，通過引出線與外電路想連接。如圖6-8所示。第38頁，共82頁。圖6-8熱敏電阻元件的結(jié)構(gòu)第39頁，共82頁。半導(dǎo)體熱敏電阻值的變化，一般是采用不平衡電橋電路才測(cè)量。圖6-9所示是用于半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器的一種測(cè)量橋路。圖6-9半

23、導(dǎo)體熱敏電阻測(cè)量橋路第40頁，共82頁。圖中 為工作選擇開關(guān)，當(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)到“0”位時(shí)，電源比斷開。“1”位為校正位置，根據(jù)儀表量程，調(diào)整量程選擇開關(guān) 的位置及電位器 ，使電流G指示滿刻度?！?”位為工作位置，此時(shí)熱敏電阻 被接入電橋。 的阻值被測(cè)量溫度而改變，使電流計(jì)G中的電流隨之改變，從而直接讀出被測(cè)溫度數(shù)值。由于熱敏電阻本身的電阻值大（ ），并且電阻溫度系數(shù)也大，所以測(cè)量電阻中連接導(dǎo)線電阻的影響可以忽略不計(jì)，這樣可以簡(jiǎn)化電路，提高測(cè)量精度。第41頁，共82頁。6.2.3提高傳感器互換性與線性的方法由于NTC是燒結(jié)半導(dǎo)體，所以它的特性參數(shù)有一定的離散型。在批量生產(chǎn)中，即使是同一批產(chǎn)品，其標(biāo)稱阻

24、值的離散率也達(dá)到 左右，因此這種傳感器的互換性較差。此外，熱電特性的非線性較大，影響了傳感器測(cè)量精度的提高。為了克服熱敏電阻傳感器的上述缺點(diǎn)，改善其性能，可通過在熱敏電阻上串并聯(lián)固定電阻，作成組合式元件來代替單個(gè)熱敏元件，使組合式元件電路特性參數(shù)保持一致并獲得一定程度的線性特性。圖6-10中給出了幾種組合元件及其熱電特性曲線。（a）為串聯(lián)電路，在低溫時(shí)，由于熱敏電阻 ，使電路總電阻近似等于 ，而在高溫時(shí)， ，電路的總電阻等于 ，其熱電特性曲線仍是非線性的，但比單個(gè)熱敏元件要平坦.第42頁，共82頁。（b）為并聯(lián)電路，它在低溫時(shí)的電阻為 ，高溫時(shí)的電阻為 ，其熱電特性更平坦，且有一個(gè)拐點(diǎn)。（c）

25、和（d）所示為混聯(lián)電路，讀者可自行分析，特性曲線均有一個(gè)拐點(diǎn)。對(duì)于有一個(gè)拐點(diǎn)的特性曲線，可用一根通過拐點(diǎn)的切線來近似的取代。 第43頁，共82頁。圖6-10NTC的幾種組合電路及其熱電特性第44頁，共82頁。組合電路的設(shè)計(jì)可按下述方法進(jìn)行：首先根據(jù)互換性與線性要求，給定一定溫度時(shí)組合電路的電阻值（可作為標(biāo)稱電阻值） 和溫度系數(shù) 。根據(jù)電路知識(shí)計(jì)算組合電路中的固定電阻值 和 ，則可得到組合電路的特性曲線和過該定點(diǎn)的切線方程?，F(xiàn)以圖6-10（c）的組合電路為例。有電路知識(shí)可得組合電路總電阻為 = + (6.9)當(dāng)溫度 時(shí),有 (6.10)由電阻溫度系數(shù)的定義可得 d (6.11)第45頁，共82頁

26、。式中： 組合電路的電阻溫度系數(shù)根據(jù)式（6-8），將式（6-11）等式左邊展開為 = 式中： 的電阻溫度系數(shù)將上式代入式（6-11）且溫度為 時(shí)，可得 (6.12)當(dāng)給出 時(shí)的 和 數(shù)值時(shí)，由式（6-10）和（6-12）可求出電路中的固定電阻 和 的數(shù)值。然后由式（6-9）可得 的特性曲線，并由式（6-11）可求出過給定點(diǎn)的切線方程：第46頁，共82頁。 時(shí)： = = (6.13)用求得的切線來代替特性曲線可實(shí)現(xiàn)線性化。例：給定的溫度=310K時(shí)的總電阻R=2K，溫度系數(shù) ，所采用的NTC的參數(shù)為：A=0.1,B=3100K。解：由式（6-10）和式（6-12）可得 ，由式（6-13）可得通過

27、點(diǎn)（ ， ）的切線方程為 。由上面的數(shù)據(jù)和方程可得到表6-2和圖6-11。 第47頁，共82頁。表6-2組合電路的阻值和線性誤差第48頁，共82頁。圖6-11NTC其組合電路的特性曲線第49頁，共82頁。由表和曲線可知，熱敏電阻特性線性化只有在相當(dāng)窄的溫度范圍內(nèi)才有意義，并且以降低靈敏度為代價(jià)的。用上述方法設(shè)計(jì)出的組合電路，可使用同一型號(hào)傳感器都具有同樣的標(biāo)稱電阻值和電阻溫度系統(tǒng)，從而使傳感器可以互換，使顯示儀表可以使用不變的標(biāo)準(zhǔn)量程和刻度。第50頁，共82頁。6.2.4熱敏電阻器的應(yīng)用從熱敏電阻器的用途來看，主要分成兩大類：一類是作為檢測(cè)元件；另一類是作為電路元件。由元件的伏-安特性看，熱敏

28、電阻器在技術(shù)方面的應(yīng)用可分成四類：第一類：熱敏電阻工作在伏-安特性曲線a區(qū)域，見圖（6-12）。流過熱敏電阻的電流很小，自然功率很小。當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)，盡管熱敏電阻的耗散系數(shù)也發(fā)生變化，但因自熱溫度不發(fā)生明顯變化，而接近環(huán)境溫度。屬于這類的應(yīng)用有溫度測(cè)量、各種電路元件的補(bǔ)償，空氣溫度、熱電偶冷端溫差電動(dòng)勢(shì)的溫度補(bǔ)償?shù)取５诙悾簾崦綦娮韫ぷ髟赽區(qū)域。在次區(qū)域，熱敏電阻伏-安特性曲線的峰值電壓 隨環(huán)境溫度和耗散系數(shù)的變化而變化，利用這個(gè)特性，可用熱敏電阻器來作各種開關(guān)元件。第51頁，共82頁。第三類：熱敏電阻工作在c區(qū)域。熱敏電阻由于自熱的體溫大大超過環(huán)境溫度，此區(qū)域的微分電阻出現(xiàn)負(fù)值。利用這

29、一特點(diǎn)，可使熱敏電阻作低頻振蕩、起動(dòng)電阻、時(shí)間繼電器和超高頻功率測(cè)量電路。第四類：作為旁熱型熱敏電阻的應(yīng)用。利用外界條件的變化，促使工作特性左右移動(dòng)，可以得到比直熱式熱敏電阻更高的靈敏度。 第52頁，共82頁。圖6-12熱敏電阻器伏-安特性曲線與工作區(qū)域劃分第53頁，共82頁。下面舉一個(gè)具體的例子：熱敏電阻的耗散系數(shù)隨周圍環(huán)境介質(zhì)的變化而變化，利用這種變化，可以將熱敏電阻器用來測(cè)量液體、氣體介質(zhì)的流量和流速。圖6-13是利用熱敏電阻來測(cè)量液體流速的電路圖。在該橋式線路中，把兩個(gè)匹配的熱敏電阻器 安裝在相鄰的兩臂中，在熱敏電阻器中消耗功率足以使它在高溫時(shí)（125150）還能產(chǎn)生自熱。因此，電橋平

30、衡與環(huán)境溫度關(guān)系不大，而與兩個(gè)熱敏電阻器的耗散常數(shù)之差密切相關(guān)。在工作時(shí)，講一個(gè)熱敏電阻器安裝在盛有靜態(tài)液體或氣體的容器中，而將另一支熱敏電阻安置在流體或氣體的通道中，如圖（6-12）所示。在流體或氣體的加速增加時(shí)，安置在流體和氣體通道中的熱敏電阻器的耗散系數(shù)即增加，使電橋失去平衡，指示出了速度。 第54頁，共82頁。圖6-13用熱敏電阻器測(cè)量液體或氣體流速的電路第55頁，共82頁。6.3集成溫度傳感器集成溫度傳感器把熱敏晶體管和放大器、偏置電源及線性電路制作在同一芯片上。它利用發(fā)射極電流密度在恒定比率下工作的晶體管對(duì)的基極-發(fā)射極電壓 之間的差與溫度呈線性關(guān)系，如式（6-14）所示： 由此式

31、表明， 正比于絕對(duì)溫度。基于上述原理制成了正比絕對(duì)溫度的傳感器PTAT（Proportional to absolute tempcrature）。下述的集成溫度傳感器就是以PTAT為感溫元件的。第56頁，共82頁。電流型PTAT集成溫度傳感器電流型PTAT集成溫度傳感器是恒流型器件，輸出電流正比于絕對(duì)溫度。基本原理電路如圖6-16所示。它由工藝兼容的npn晶體管組成，晶體 的基極交叉互連，晶體管對(duì) 、 具有不同的發(fā)射結(jié)面積，其發(fā)射結(jié)面積之比分別為 , 是發(fā)射極電阻。于是，可以得到 (6.14)式中各量的下標(biāo)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的器件。如果忽略基極電流和基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，根據(jù) 和式（6-36），則有 (6

32、.15)第57頁，共82頁。式中： ，其比值與溫度無關(guān)。若 ，可寫成 (6.16)式中 為輸出電流。上式表明：（1）假設(shè)R與溫度無關(guān)，則輸出電流 正比于絕對(duì)溫度T。（2）由于晶體管T1和T2 的基區(qū)交叉連接，所以輸出電流Io與偏置電流IRS無關(guān)。此類溫度傳感器與單個(gè)晶體管溫度傳感器相比，由于PTAT溫度傳感器采用匹配的晶體管對(duì)作溫敏器件，因而補(bǔ)償了許多不利因素，但輸出信號(hào)電平較低。 第58頁，共82頁。圖6-14電流型集成第59頁，共82頁。圖6-15電壓型集成溫度傳感器的電路第60頁，共82頁。二、電壓型PTAT集成溫度傳感器電壓型PTAT溫度傳感器是輸出電壓正比于絕對(duì)溫度的集成溫度傳感器，

33、基本原理電路如圖6-15所示。其中 是溫敏晶體管對(duì)，其發(fā)射極結(jié)面積比為 。晶體管 組成恒流電路，使三路電流保持相同，于是晶體管 的發(fā)射結(jié)壓降之差為 (6.17)第61頁，共82頁。此電壓差全部降落在電阻 上，所以流經(jīng) 上的電流為 (6.18)流經(jīng)電阻上的電流也等于，于是電路的輸出電壓為電壓型集成溫度傳感器線性度好，使用方便。由于其輸出電壓與絕對(duì)溫度成正比，即輸出電壓 V+1mV/，可以認(rèn)為 是一個(gè)恒定電壓加上一個(gè)較小的敏感信號(hào)，這樣就限定了器件的靈敏度，給器件帶來不便。一般習(xí)慣使用攝氏或華氏溫標(biāo)計(jì)量溫度，因此使用這種傳感器測(cè)量時(shí)，需要從輸出電壓中減去這個(gè)恒定值。第62頁，共82頁。三、具有內(nèi)部

34、參考電壓的溫度傳感器PTAT溫度傳感器與單個(gè)晶體管溫度傳感器一樣，在通常溫度下存在大的起始失調(diào)信號(hào)。例如，在300K溫度下，用PTAT溫度傳感器檢測(cè)0.1K的溫度變化，要求分辨率為3000：1。若輸出信號(hào)使用攝氏或華氏溫標(biāo)計(jì)量溫度，要求分辨率僅為270：1。比例表明如果測(cè)量溫度范圍較小，溫度傳感器最好在測(cè)量溫度附近標(biāo)定“零”點(diǎn)。圖6-34所示的電路包括PTAT溫度傳感器、參考電壓和差分放大器。這種結(jié)構(gòu)的集成溫度傳感器采用C和F或其他溫標(biāo)。具有內(nèi)部參考電壓的溫度傳感器，“失調(diào)電壓”小，標(biāo)定簡(jiǎn)單，使用方便，但是，電路中需要許多精密元件，電路需要校準(zhǔn)，成本高 第63頁，共82頁。圖6-16 ，F(xiàn)或其

35、他溫標(biāo)的輸出信號(hào)的溫度測(cè)量系統(tǒng)第64頁，共82頁。具有內(nèi)部參考電壓溫度傳感器的電路如圖6-35所示，電流源產(chǎn)生的電流為 ，其中 是正比于絕對(duì)溫度T的電壓, 為電源內(nèi)阻。利用pnp電流源提供晶體管 的偏置電流，高增益反饋放大器 使 的集電極電流等于電流鏡的輸出電流，輸出分路反饋降低了輸出阻抗，輸出電壓 為 (6.19) 等于輸出電壓 與溫度的關(guān)系，如圖6-18所示?；鶚O-發(fā)射極電壓隨溫度近似線性減小： ，C為曲線的斜率。第65頁，共82頁。如果輸出電壓在某一溫度下取零值時(shí)，則輸出電壓為 （6.20）可以通過微調(diào)電阻 使輸出電壓 在 時(shí)為“零”值。由式（6-43）和圖6-18表明，輸出電壓曲線與垂

36、直軸相交于電壓 ，此值與工藝參數(shù)無關(guān)。這個(gè)特性很重要，因?yàn)樵跇?biāo)定時(shí)（如微調(diào) ）， 曲線圍繞垂直軸上固定點(diǎn) 旋轉(zhuǎn)，通過調(diào)整信號(hào)可以得到標(biāo)定的輸出特性。第66頁，共82頁。圖6-17具有內(nèi)部參考電壓溫度傳感器的電路第67頁，共82頁。圖6-18輸出電壓 與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系第68頁，共82頁。實(shí)例：常用的具有內(nèi)部參考電壓溫度傳感器的實(shí)例如圖6-19所示， 。晶體管16構(gòu)成電流源，兩個(gè)30P結(jié)電容防止由于電路中的熱反饋而產(chǎn)生的寄生振蕩。二極管 穩(wěn)定電壓，使晶體管 的集電極-基極電壓基本與溫度無關(guān)，而且清除了基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，使電源電壓保持最小值，以降低耗散功率。晶體管 是電流放大器，可以降低輸出阻抗。晶體管 防止閘流效應(yīng)。 第69頁，共82頁。圖6-19集成溫度傳感器的電路圖第70頁，共82頁。此類集成溫度傳感器采用集成電路工藝制作在1100的芯片上，40下測(cè)量，其靈敏度為-4.62V/。器件的耗功率很低，自熱效應(yīng)很小。該器件的特性參數(shù)如表6-3所示。表6-3集成溫度傳感器性能參數(shù)第71頁，共82頁。具有內(nèi)部參考電壓的溫度傳感器是PTAT溫度傳感器和單個(gè)晶體管溫度傳感器的組合，因而它兼?zhèn)鋬烧叩膬?yōu)點(diǎn)，克服了缺點(diǎn)，是實(shí)用價(jià)值較高的一種溫度傳感器。單個(gè)晶體管溫度傳感器、PTAT溫度傳感器和具有內(nèi)部參考電壓的溫度傳感器都是基于pn結(jié)的正向電壓隨溫度