微傳感器技術(shù)-溫度傳感器課件

第三章溫度傳感器

第一節(jié)概論

第二節(jié)熱電偶溫度傳感器第三節(jié)熱敏電阻溫度傳感器第四節(jié)IC溫度傳感器第五節(jié)其他溫度傳感器通過本章的學(xué)習(xí)了解溫度傳感器的作用、地位、分類和發(fā)展趨勢；掌握熱電偶三定律及相關(guān)計(jì)算；掌握熱敏電阻不同類型的特點(diǎn)及應(yīng)用場合；掌握集成溫度傳感器使用方法；了解其他溫度傳感器工作原理。第三章溫度傳感器第一節(jié)概論通過1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。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(jì)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（-40～＋350℃）熱敏電阻已逐漸取代傳統(tǒng)的溫度傳感器。主要講述熱敏電阻的特點(diǎn)、分類，基本參數(shù)，主要特性和應(yīng)用等。

第三節(jié)熱敏電阻溫度傳感器熱敏電阻是利用某種半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化2（一）熱敏電阻的特點(diǎn)1．電阻溫度系數(shù)的范圍甚寬有正、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。電阻溫度系數(shù)的絕對值比金屬大10～100倍左右。

2．材料加工容易、性能好

可根據(jù)使用要求加工成各種形狀，特別是能夠作到小型化。目前，最小的珠狀熱敏電阻其直徑僅為0.2mm。3．阻值在1～10M之間可供自由選擇

使用時(shí)，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、熱敏電阻的特點(diǎn)與分類（一）熱敏電阻的特點(diǎn)一、熱敏電阻的特點(diǎn)與分類34．穩(wěn)定性好

商品化產(chǎn)品已有30多年歷史，加之近年在材料與工藝上不斷得到改進(jìn)。據(jù)報(bào)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(jià)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(diǎn)。4．穩(wěn)定性好4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。它的主要材料是摻雜的BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷。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。它的材料主要是一些過渡金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷。3．突變型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（CTR該類電阻器的電阻值在某特定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而降低3～4個(gè)數(shù)量級，即具有很大負(fù)溫度系數(shù)。其主要材料是VO2并添加一些金屬氧化物。

（二）熱敏電阻的分類

熱敏電阻的種類很多，分類方法也不相同。按熱敏電阻的阻5熱敏電阻材料的分類（1）大分類小分類代表例子NTC單晶金剛石、Ge、Si金剛石熱敏電阻多晶遷移金屬氧化物復(fù)合燒結(jié)體

、無缺陷形金屬氧化燒結(jié)體多結(jié)晶單體

、固溶體形多結(jié)晶氧化物SiC系Mn、Co、Ni、Cu、Al氧化物燒結(jié)體、ZrY氧化物燒結(jié)體、還原性TiO3、Ge、SiBa、Co、Ni氧化物濺射SiC薄膜玻璃Ge、Fe、V等氧化物硫硒碲化合物玻璃V、P、Ba氧化物、Fe、Ba、Cu氧化物、Ge、Na、K氧化物、（As2Se3）0.8、（Sb2SeI）0.2有機(jī)物芳香族化合物聚酰亞釉表面活性添加劑液體電解質(zhì)溶液熔融硫硒碲化合物水玻璃As、Se、Ge系熱敏電阻材料的分類（1）大分類小分類代表例子NTC單晶金剛石6熱敏電阻材料的分類（2）PTC無機(jī)物BaTiO3系Zn、Ti、Ni氧化物系Si系、硫硒碲化合物（Ba、Sr、Pb）TiO3燒結(jié)體有機(jī)物石墨系有機(jī)物石墨、塑料石臘、聚乙烯、石墨液體三乙烯醇混合物三乙烯醇、水、NaClCTR

V、Ti氧化物系、Ag2S、（AgCu）、（ZnCdHg）BaTiO3單晶V、P、（Ba·Sr）氧化物Ag2S–CuS大分類小分類代表例子熱敏電阻材料的分類（2）PTC無機(jī)物BaTiO3系（Ba、S71.標(biāo)稱電阻R25（冷阻）標(biāo)稱電阻值是熱敏電阻在25±0.2℃時(shí)的阻值。

二、熱敏電阻的基本參數(shù)2.材料常數(shù)BN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)。BN值決定于材料的激活能?E,具有BN=?E／2k的函數(shù)關(guān)系，式中k為波爾茲曼常數(shù)。一般BN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)，BN值并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨溫度的升高略有增加的。3.電阻溫度系數(shù)（%/℃）熱敏電阻的溫度變化1℃時(shí)電阻值的變化率。4.耗散系數(shù)H熱敏電阻器溫度變化1℃所耗散的功率變化量。在工作范圍內(nèi)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),H值隨之變化,其大小與熱敏電阻的結(jié)構(gòu)、形狀和所處介質(zhì)的種類及狀態(tài)有關(guān)。1.標(biāo)稱電阻R25（冷阻）二、熱敏電阻的基本參數(shù)2.86.最高工作溫度Tmax熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下長期連續(xù)工作所允許的最高溫度：T0—環(huán)境溫度；PE—環(huán)境溫度為T0時(shí)的額定功率；H—耗散系數(shù)7.最低工作溫度Tmin熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下能長期連續(xù)工作的最低溫度。8.轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度Tc熱敏電阻器的電阻一溫度特性曲線上的拐點(diǎn)溫度，主要指正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻和臨界溫度熱敏電阻。5.時(shí)間常數(shù)τ熱敏電阻器在零功率測量狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時(shí)電阻器的溫度變化量從開始到最終變量的63.2％所需的時(shí)間。它與熱容量C和耗散系數(shù)H之間的關(guān)系6.最高工作溫度Tmax5.時(shí)間常數(shù)τ99.額定功率PE熱敏電阻器在規(guī)定的條件下，長期連續(xù)負(fù)荷工作所允許的消耗功率。在此功率下,它自身溫度不應(yīng)超過Tmax。10.測量功率P0熱敏電阻器在規(guī)定的環(huán)境溫度下,受到測量電流加熱而引起的電阻值變化不超過0.1％時(shí)所消耗的功率11.工作點(diǎn)電阻RG在規(guī)定的溫度和正常氣候條件下，施加一定的功率后使電阻器自熱而達(dá)到某一給定的電阻值。12.工作點(diǎn)耗散功率PG電阻值達(dá)到RG時(shí)所消耗的功率。UG——電阻器達(dá)到熱平衡時(shí)的端電壓。9.額定功率PE12.工作點(diǎn)耗散功率PG1013.功率靈敏度KG熱敏電阻器在工作點(diǎn)附近消耗功率lmW時(shí)所引起電阻的變化，即：在工作范圍內(nèi)，KG隨環(huán)境溫度的變化略有改變。14.穩(wěn)定性熱敏電阻在各種氣候、機(jī)械、電氣等使用環(huán)境中，保持原有特性的能力。它可用熱敏電阻器的主要參數(shù)變化率來表示。最常用的是以電阻值的年變化率或?qū)?yīng)的溫度變化率來表示。KG＝R/P15.熱電阻值RH指旁熱式熱敏電阻器在加熱器上通過給定的工作電流時(shí),電阻器達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)的電阻值。16.加熱器電阻值Rr指旁熱式熱敏電阻器的加熱器，在規(guī)定環(huán)境溫度條件下的電阻值。13.功率靈敏度KGKG＝R/P15.熱電阻值RH11118.標(biāo)稱工作電流I指在環(huán)境溫度25℃時(shí)，旁熱式熱敏電阻器的電阻值被穩(wěn)定在某一規(guī)定值時(shí)加熱器內(nèi)的電流。19.標(biāo)稱電壓

它是穩(wěn)壓熱敏電阻器在規(guī)定溫度下標(biāo)稱工作電流所對應(yīng)的電壓值。20.元件尺寸指熱敏電阻器的截面積A、電極間距離L和直徑d。

17.最大加熱電流Imax指旁熱式熱敏電阻器上允許通過的最大電流。18.標(biāo)稱工作電流I17.最大加熱電流Imax12（一）熱敏電阻器的電阻——溫度特性（RT—T）

1234鉑絲40601201600100101102103104105106RT/Ω溫度T/oC熱敏電阻的電阻--溫度特性曲線1-NTC；2-CTR；3-4PTC三、熱敏電阻器主要特性ρT—T與RT—T特性曲線一致。（一）熱敏電阻器的電阻——溫度特性（RT—T）123413RT、RT0——溫度為T、T0時(shí)熱敏電阻器的電阻值；

BN——NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。由測試結(jié)果表明，不管是由氧化物材料，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(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。1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：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BN，通過點(diǎn)(1/T，lnRT)的一條直線,如圖。RT、RT0——溫度為T、T0時(shí)熱敏電阻器的電阻值；1負(fù)14105104103102

0-101030507085100120T/oC電阻/ΩNTC熱敏電阻器的電阻--溫度曲線材料的不同或配方的比例和方法不同，則BN也不同。用lnRT–1/T表示負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻—溫度特性，在實(shí)際應(yīng)用中比較方便。1051041031020-10115為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25℃作為參考溫度（即T0=25℃），則NTC熱敏電阻器的電阻—溫度關(guān)系式：RT/R25——BN關(guān)系如下表。02550751001250.511.522.533.5(25oC,1)RT/RT0--T特性曲線RT/R25T為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25℃作為參考溫度（即T0=2516RT／R25～BN系數(shù)表RT／R25BNR50／R2522002600280030003200340036003800400050000.5650.5000.4830.4580.4350.4130.3920.3720.3540.2733.1754.7205.3195.9936.7517.6098.65719.66010.8819.771.9632.2212.3622.5122.6712.8403.0203.2113.4144.6420.3470.2880.2590.2360.2140.1940.1760.1600.1460.0920.2270.1730.1490.1320.1150.1010.0880.0770.0670.0340.1130.0760.0620.0510.0420.0340.0280.0230.0190.007R0／R25R75／R25R-20／R25R150／R25R100／R25RT／R25～BN系數(shù)表RT／R25BNR50／R25220172.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(diǎn)附近結(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10000100010010050100150200250R20=120ΩR20=36.5ΩR20=12.2ΩPTC熱敏電阻器的電阻—溫度曲線T/oC電阻/ΩTp1Tp2Tc=175oC2.正電阻溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻器的電阻—溫度特性其特性18PTC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(gè)拐點(diǎn)：Tp1和Tp2。當(dāng)溫度低于Tp1時(shí)，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(shí)，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)αtp。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在工作溫度范圍內(nèi)，正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻—溫度特性可近似用下面的實(shí)驗(yàn)公式表示：式中RT、RT0——溫度分別為T、T0時(shí)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：以lnRT、T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，便得到下圖。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19

）可見：正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻溫度系數(shù)αtp，正好等于它的材料常數(shù)BP的值。lnRr1lnRr2BPβmRBP=tgβ=mR/mrT1T2lnRr0mrlnRT~T表示的PTC熱敏電阻器電阻—溫度曲線lnRrT若對上式微分，可得PTC熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)αtp可見：正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻20αβabcdUmU0I0ImU/VI/mANTC熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性（二）熱敏電阻器的伏安特性（U—I）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)熱平衡（即加在元件上的電功率和耗散功率相等）時(shí)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(shí)的靜態(tài)介質(zhì)中測出的靜態(tài)U—I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：T0——環(huán)境溫度；△T——熱敏電阻的溫升。αβabcdUmU0I0ImU/VI/mANTC熱敏電阻的21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?yàn)榱鬟^電阻器電流很小時(shí)，耗散功率引起的溫升可以忽略不計(jì)的緣故。當(dāng)熱敏電阻器溫度超過環(huán)境溫度時(shí)，引起電阻值增大，曲線開始彎曲。

104103102101105Um10110210310010-1ImPTC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(shí)，存在一個(gè)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)。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22（三）功率-溫度特性（PT—T）描述熱敏電阻器的電阻體與外加功率之間的關(guān)系，與電阻器所處的環(huán)境溫度、介質(zhì)種類和狀態(tài)等相關(guān)。（四）熱敏電阻器的動(dòng)態(tài)特性熱敏電阻器的電阻值的變化完全是由熱現(xiàn)象引起的。因此，它的變化必然有時(shí)間上的滯后現(xiàn)象。這種電阻值隨時(shí)間變化的特性，叫做熱敏電阻器的動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)特性種類：周圍溫度變化所引起的加熱特性；周圍溫度變化所引起的冷卻特性；熱敏電阻器通電加熱所引起的自熱特性。（三）功率-溫度特性（PT—T）周圍溫度變化所引起的加熱特性23當(dāng)熱敏電阻器由溫度T0增加到TU時(shí)，其電阻值RTr隨時(shí)間t的變化規(guī)律為：

式中RTt——時(shí)間為t時(shí)，熱敏電阻的阻值；T0——環(huán)境溫度；Tu——介質(zhì)溫度(Tu>T0);RTa——溫度Ta時(shí),熱敏電阻器的電阻值；t——時(shí)間。當(dāng)熱敏電阻由溫度Tu冷卻T0時(shí)，其電阻值RTt與時(shí)間的關(guān)系為：當(dāng)熱敏電阻器由溫度T0增加到TU時(shí)，其電阻值R24設(shè)計(jì)原理：利用半導(dǎo)體PN結(jié)的電流電壓與溫度有關(guān)的特性。優(yōu)點(diǎn)：輸出線性好、測量精度高,傳感驅(qū)動(dòng)電路、信號處理電路等都與溫度傳感部分集成在一起,因而封裝后的組件體積非常小,使用方便,價(jià)格便宜,故在測溫技術(shù)中越來越得到廣泛應(yīng)用。本節(jié)簡要介紹IC溫度傳感器的類型、基本原理、主要特性及其應(yīng)用等有關(guān)問題。第四節(jié)IC溫度傳感器

設(shè)計(jì)原理：利用半導(dǎo)體PN結(jié)的電流電壓與溫度有關(guān)的特性。第四節(jié)25一、IC溫度傳感器的分類電壓型IC溫度傳感器；電流型IC溫度傳感器，數(shù)字輸出型IC溫度傳感器。電流型IC溫度傳感器是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,再通過激光修版微加工技術(shù),制造出性能優(yōu)良的測溫傳感器。這種傳感器的輸出電流正比于熱力學(xué)溫度，即1μA/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)10MΩ。這為遠(yuǎn)距離傳輸深井測溫提供了一種新型器件。電壓型IC溫度傳感器是將溫度傳感器基準(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)，故不適合長線傳輸。這類IC溫度傳感器特別適合于工業(yè)現(xiàn)場測量。一、IC溫度傳感器的分類電壓型IC溫度傳感器；電流型IC溫度26電流型IC溫度傳感器的測溫原理，是基于晶體管的PN結(jié)隨溫度變化而產(chǎn)生漂移現(xiàn)象研制的。眾所周知，晶體管PN結(jié)的這種溫漂，會給電路的調(diào)整帶來極大的麻煩。但是，利用PN結(jié)的溫漂特性來測量溫度，可研制成半導(dǎo)體溫度傳感元件。IC溫度傳感器就是依據(jù)半導(dǎo)體的溫漂特性，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)而制造出來的集成化線性較好的溫度傳感器件。利用電流I與Tk的正比關(guān)系，通過電流的變化來測量溫度的大小。二、IC溫度傳感器的測溫原理電流型IC溫度傳感器的測溫原理，是基于晶體管272019201928201920192920192019302019201931（一）電壓輸出型集成溫度傳感器AN6701S是日本松下公司生產(chǎn)的電壓輸出型集成溫度傳感器，它有四個(gè)引腳，三種連線方式：(a)正電源供電，(b)負(fù)電源供電，(c)輸出極性顛倒。電阻RC用來調(diào)整25℃下的輸出電壓，使其等于5V，RC的阻值在3~30kΩ范圍內(nèi)。這時(shí)靈敏度可達(dá)109~110mV/℃，在-10~80℃范圍內(nèi)基本誤差不±1℃。輸出AN6701(a)1243RC5~15VAN6701輸出(c)10kΩRC31245~15V

-+∞+100kΩ10kΩ100kΩAN6701(b)213輸出4－5~－15VRC三、IC溫度傳感器的主要特性（一）電壓輸出型集成溫度傳感器輸出AN6701(a)12432輸出電壓/V024681012－20020406080RC=100kΩRC=10kΩRC=1kΩ溫度/oCAN6701S的輸入特性在-10~80℃范圍內(nèi)，RC的值與輸出特性的關(guān)系如下圖。AN6701S有很好的線性，非線性誤差不超過0.5%。若在25℃時(shí)借助RC將輸出電壓調(diào)整到5V，則RC的值約在3~30kΩ間，相應(yīng)的靈敏度為109~110mV/℃。校準(zhǔn)后，在-10~80℃范圍內(nèi)，基本誤差不超過±1℃。這種集成傳感器在靜止空氣中的時(shí)間常數(shù)為24s，在流動(dòng)空氣中為11s。電源電壓在5~15V間變化，所引起的測溫誤差一般不超過±2℃。整個(gè)集成電路的電流值一般為0.4mA，最大不超過0.8mA（RL=∞時(shí)）。輸出電壓/V024681012－20020406080RC=33（二）電流型溫度傳感器1．伏安特性工作電壓：4V～30V，I為一恒流值輸出，I∝Tk，即KT——標(biāo)定因子，AD590的標(biāo)定因子為1μA/℃I=KT·TK

4V30V0I/μAU/VAD590伏安特性曲線-55℃+25℃+150℃218298423（二）電流型溫度傳感器I=KT·TK4V30V034－550150273.2μAI/μATC/oCAD590溫度特性曲線2．溫度特性其溫度特性曲線函數(shù)是以Tk為變量的n階多項(xiàng)式之和，省略非線性項(xiàng)后則有:Tc——攝氏溫度；I的單位為μA。

可見，當(dāng)溫度為0℃時(shí)，輸出電流為273.2μA。在常溫25℃時(shí)，標(biāo)定輸出電流為298.2μA。I=KT·Tc＋273.2－550150273.2μAI/μATC/oC353．AD590的非線性150－55△T/oC0.3－0.30在實(shí)際應(yīng)用中，ΔT通過硬件或軟件進(jìn)行補(bǔ)償校正，使測溫精度達(dá)±0.1℃。其次，AD590恒流輸出，具有較好的抗干擾抑制比和高輸出阻抗。當(dāng)電源電壓由＋5V向＋10V變化時(shí)，其電流變化僅為0.2μA/V。長時(shí)間漂移最大為±0.1℃，反向基極漏電流小于10pA。–55℃～100℃，ΔT遞增，100℃～150℃則是遞降。ΔT最大可達(dá)±3℃，最小ΔT＜0.3℃，按檔級分等。T/oCAD590非線性誤差曲線3．AD590的非線性150－55△T/oC0.3－0.3036由圖可得設(shè)RT=1k，KT為標(biāo)定因子(1μA/K)，則U1=1mV/K·Tk因BG1為1.25V穩(wěn)壓管，經(jīng)R2,WT分壓,取U2=273.2mV放大倍數(shù)A=10；于是有:～－+U0ABG1R1R2U2WrRrI1+E9VU1當(dāng)t=–55℃時(shí)，U0=–550mV；當(dāng)t=＋150℃時(shí)，U0=＋1500mV。此電路只要BG1的運(yùn)放漂移小，性能穩(wěn)定，RT取0.l％精密電阻，加上對AD590的自身非線性補(bǔ)償后，測溫精度在測溫范圍內(nèi)可達(dá)0.1℃。對于標(biāo)定因子KT的離散性，可通過調(diào)節(jié)WT來調(diào)整，WT為多圈線精密電位器。U0=(U1-U2)A=1mV·Tc·A=10mV/℃·Tc攝氏TC－V轉(zhuǎn)換公式由圖可得～－+U0ABG1R1R2WrRrI1+E9VU1當(dāng)37（二）測溫曲線的非線性誤差校正.

在實(shí)際測溫曲線中,若沒有通過校正,曲線如圖，0℃～100℃溫域曲線是上升的，原因是AD590本身的非線性所致，在–55℃～＋100℃時(shí)ΔT是遞增的；在100℃～+150℃的ΔT是遞降的，即ΔU0/ΔT=F(≤1)。式中的F為測溫電路的標(biāo)定因子。要使整個(gè)測溫曲線有良好線性關(guān)系，就要使F=1，采取80oC100oCTC標(biāo)準(zhǔn)值T測量值0測量誤差曲線的辦法是利用雙積分A/D轉(zhuǎn)換線性特性，對曲線分段校正，線性雙積分A/D轉(zhuǎn)換的基本公式為：（二）測溫曲線的非線性誤差校正.80oC100oCTC標(biāo)準(zhǔn)38第三章溫度傳感器

第一節(jié)概論

第二節(jié)熱電偶溫度傳感器第三節(jié)熱敏電阻溫度傳感器第四節(jié)IC溫度傳感器第五節(jié)其他溫度傳感器通過本章的學(xué)習(xí)了解溫度傳感器的作用、地位、分類和發(fā)展趨勢；掌握熱電偶三定律及相關(guān)計(jì)算；掌握熱敏電阻不同類型的特點(diǎn)及應(yīng)用場合；掌握集成溫度傳感器使用方法；了解其他溫度傳感器工作原理。第三章溫度傳感器第一節(jié)概論通過39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。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(jì)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（-40～＋350℃）熱敏電阻已逐漸取代傳統(tǒng)的溫度傳感器。主要講述熱敏電阻的特點(diǎn)、分類，基本參數(shù)，主要特性和應(yīng)用等。

第三節(jié)熱敏電阻溫度傳感器熱敏電阻是利用某種半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化40（一）熱敏電阻的特點(diǎn)1．電阻溫度系數(shù)的范圍甚寬有正、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。電阻溫度系數(shù)的絕對值比金屬大10～100倍左右。

2．材料加工容易、性能好

可根據(jù)使用要求加工成各種形狀，特別是能夠作到小型化。目前，最小的珠狀熱敏電阻其直徑僅為0.2mm。3．阻值在1～10M之間可供自由選擇

使用時(shí)，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、熱敏電阻的特點(diǎn)與分類（一）熱敏電阻的特點(diǎn)一、熱敏電阻的特點(diǎn)與分類414．穩(wěn)定性好

商品化產(chǎn)品已有30多年歷史，加之近年在材料與工藝上不斷得到改進(jìn)。據(jù)報(bào)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(jià)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(diǎn)。4．穩(wěn)定性好42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。它的主要材料是摻雜的BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷。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。它的材料主要是一些過渡金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷。3．突變型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（CTR該類電阻器的電阻值在某特定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而降低3～4個(gè)數(shù)量級，即具有很大負(fù)溫度系數(shù)。其主要材料是VO2并添加一些金屬氧化物。

（二）熱敏電阻的分類

熱敏電阻的種類很多，分類方法也不相同。按熱敏電阻的阻43熱敏電阻材料的分類（1）大分類小分類代表例子NTC單晶金剛石、Ge、Si金剛石熱敏電阻多晶遷移金屬氧化物復(fù)合燒結(jié)體

、無缺陷形金屬氧化燒結(jié)體多結(jié)晶單體

、固溶體形多結(jié)晶氧化物SiC系Mn、Co、Ni、Cu、Al氧化物燒結(jié)體、ZrY氧化物燒結(jié)體、還原性TiO3、Ge、SiBa、Co、Ni氧化物濺射SiC薄膜玻璃Ge、Fe、V等氧化物硫硒碲化合物玻璃V、P、Ba氧化物、Fe、Ba、Cu氧化物、Ge、Na、K氧化物、（As2Se3）0.8、（Sb2SeI）0.2有機(jī)物芳香族化合物聚酰亞釉表面活性添加劑液體電解質(zhì)溶液熔融硫硒碲化合物水玻璃As、Se、Ge系熱敏電阻材料的分類（1）大分類小分類代表例子NTC單晶金剛石44熱敏電阻材料的分類（2）PTC無機(jī)物BaTiO3系Zn、Ti、Ni氧化物系Si系、硫硒碲化合物（Ba、Sr、Pb）TiO3燒結(jié)體有機(jī)物石墨系有機(jī)物石墨、塑料石臘、聚乙烯、石墨液體三乙烯醇混合物三乙烯醇、水、NaClCTR

V、Ti氧化物系、Ag2S、（AgCu）、（ZnCdHg）BaTiO3單晶V、P、（Ba·Sr）氧化物Ag2S–CuS大分類小分類代表例子熱敏電阻材料的分類（2）PTC無機(jī)物BaTiO3系（Ba、S451.標(biāo)稱電阻R25（冷阻）標(biāo)稱電阻值是熱敏電阻在25±0.2℃時(shí)的阻值。

二、熱敏電阻的基本參數(shù)2.材料常數(shù)BN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)。BN值決定于材料的激活能?E,具有BN=?E／2k的函數(shù)關(guān)系，式中k為波爾茲曼常數(shù)。一般BN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)，BN值并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨溫度的升高略有增加的。3.電阻溫度系數(shù)（%/℃）熱敏電阻的溫度變化1℃時(shí)電阻值的變化率。4.耗散系數(shù)H熱敏電阻器溫度變化1℃所耗散的功率變化量。在工作范圍內(nèi)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),H值隨之變化,其大小與熱敏電阻的結(jié)構(gòu)、形狀和所處介質(zhì)的種類及狀態(tài)有關(guān)。1.標(biāo)稱電阻R25（冷阻）二、熱敏電阻的基本參數(shù)2.466.最高工作溫度Tmax熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下長期連續(xù)工作所允許的最高溫度：T0—環(huán)境溫度；PE—環(huán)境溫度為T0時(shí)的額定功率；H—耗散系數(shù)7.最低工作溫度Tmin熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下能長期連續(xù)工作的最低溫度。8.轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度Tc熱敏電阻器的電阻一溫度特性曲線上的拐點(diǎn)溫度，主要指正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻和臨界溫度熱敏電阻。5.時(shí)間常數(shù)τ熱敏電阻器在零功率測量狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時(shí)電阻器的溫度變化量從開始到最終變量的63.2％所需的時(shí)間。它與熱容量C和耗散系數(shù)H之間的關(guān)系6.最高工作溫度Tmax5.時(shí)間常數(shù)τ479.額定功率PE熱敏電阻器在規(guī)定的條件下，長期連續(xù)負(fù)荷工作所允許的消耗功率。在此功率下,它自身溫度不應(yīng)超過Tmax。10.測量功率P0熱敏電阻器在規(guī)定的環(huán)境溫度下,受到測量電流加熱而引起的電阻值變化不超過0.1％時(shí)所消耗的功率11.工作點(diǎn)電阻RG在規(guī)定的溫度和正常氣候條件下，施加一定的功率后使電阻器自熱而達(dá)到某一給定的電阻值。12.工作點(diǎn)耗散功率PG電阻值達(dá)到RG時(shí)所消耗的功率。UG——電阻器達(dá)到熱平衡時(shí)的端電壓。9.額定功率PE12.工作點(diǎn)耗散功率PG4813.功率靈敏度KG熱敏電阻器在工作點(diǎn)附近消耗功率lmW時(shí)所引起電阻的變化，即：在工作范圍內(nèi)，KG隨環(huán)境溫度的變化略有改變。14.穩(wěn)定性熱敏電阻在各種氣候、機(jī)械、電氣等使用環(huán)境中，保持原有特性的能力。它可用熱敏電阻器的主要參數(shù)變化率來表示。最常用的是以電阻值的年變化率或?qū)?yīng)的溫度變化率來表示。KG＝R/P15.熱電阻值RH指旁熱式熱敏電阻器在加熱器上通過給定的工作電流時(shí),電阻器達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)的電阻值。16.加熱器電阻值Rr指旁熱式熱敏電阻器的加熱器，在規(guī)定環(huán)境溫度條件下的電阻值。13.功率靈敏度KGKG＝R/P15.熱電阻值RH14918.標(biāo)稱工作電流I指在環(huán)境溫度25℃時(shí)，旁熱式熱敏電阻器的電阻值被穩(wěn)定在某一規(guī)定值時(shí)加熱器內(nèi)的電流。19.標(biāo)稱電壓

它是穩(wěn)壓熱敏電阻器在規(guī)定溫度下標(biāo)稱工作電流所對應(yīng)的電壓值。20.元件尺寸指熱敏電阻器的截面積A、電極間距離L和直徑d。

17.最大加熱電流Imax指旁熱式熱敏電阻器上允許通過的最大電流。18.標(biāo)稱工作電流I17.最大加熱電流Imax50（一）熱敏電阻器的電阻——溫度特性（RT—T）

1234鉑絲40601201600100101102103104105106RT/Ω溫度T/oC熱敏電阻的電阻--溫度特性曲線1-NTC；2-CTR；3-4PTC三、熱敏電阻器主要特性ρT—T與RT—T特性曲線一致。（一）熱敏電阻器的電阻——溫度特性（RT—T）123451RT、RT0——溫度為T、T0時(shí)熱敏電阻器的電阻值；

BN——NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。由測試結(jié)果表明，不管是由氧化物材料，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(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。1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：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BN，通過點(diǎn)(1/T，lnRT)的一條直線,如圖。RT、RT0——溫度為T、T0時(shí)熱敏電阻器的電阻值；1負(fù)52105104103102

0-101030507085100120T/oC電阻/ΩNTC熱敏電阻器的電阻--溫度曲線材料的不同或配方的比例和方法不同，則BN也不同。用lnRT–1/T表示負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻—溫度特性，在實(shí)際應(yīng)用中比較方便。1051041031020-10153為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25℃作為參考溫度（即T0=25℃），則NTC熱敏電阻器的電阻—溫度關(guān)系式：RT/R25——BN關(guān)系如下表。02550751001250.511.522.533.5(25oC,1)RT/RT0--T特性曲線RT/R25T為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25℃作為參考溫度（即T0=2554RT／R25～BN系數(shù)表RT／R25BNR50／R2522002600280030003200340036003800400050000.5650.5000.4830.4580.4350.4130.3920.3720.3540.2733.1754.7205.3195.9936.7517.6098.65719.66010.8819.771.9632.2212.3622.5122.6712.8403.0203.2113.4144.6420.3470.2880.2590.2360.2140.1940.1760.1600.1460.0920.2270.1730.1490.1320.1150.1010.0880.0770.0670.0340.1130.0760.0620.0510.0420.0340.0280.0230.0190.007R0／R25R75／R25R-20／R25R150／R25R100／R25RT／R25～BN系數(shù)表RT／R25BNR50／R25220552.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(diǎn)附近結(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10000100010010050100150200250R20=120ΩR20=36.5ΩR20=12.2ΩPTC熱敏電阻器的電阻—溫度曲線T/oC電阻/ΩTp1Tp2Tc=175oC2.正電阻溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻器的電阻—溫度特性其特性56PTC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(gè)拐點(diǎn)：Tp1和Tp2。當(dāng)溫度低于Tp1時(shí)，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(shí)，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)αtp。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在工作溫度范圍內(nèi)，正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻—溫度特性可近似用下面的實(shí)驗(yàn)公式表示：式中RT、RT0——溫度分別為T、T0時(shí)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：以lnRT、T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，便得到下圖。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57

）可見：正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻溫度系數(shù)αtp，正好等于它的材料常數(shù)BP的值。lnRr1lnRr2BPβmRBP=tgβ=mR/mrT1T2lnRr0mrlnRT~T表示的PTC熱敏電阻器電阻—溫度曲線lnRrT若對上式微分，可得PTC熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)αtp可見：正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻58αβabcdUmU0I0ImU/VI/mANTC熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性（二）熱敏電阻器的伏安特性（U—I）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)熱平衡（即加在元件上的電功率和耗散功率相等）時(shí)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(shí)的靜態(tài)介質(zhì)中測出的靜態(tài)U—I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：T0——環(huán)境溫度；△T——熱敏電阻的溫升。αβabcdUmU0I0ImU/VI/mANTC熱敏電阻的59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?yàn)榱鬟^電阻器電流很小時(shí)，耗散功率引起的溫升可以忽略不計(jì)的緣故。當(dāng)熱敏電阻器溫度超過環(huán)境溫度時(shí)，引起電阻值增大，曲線開始彎曲。

104103102101105Um10110210310010-1ImPTC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(shí)，存在一個(gè)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)。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60（三）功率-溫度特性（PT—T）描述熱敏電阻器的電阻體與外加功率之間的關(guān)系，與電阻器所處的環(huán)境溫度、介質(zhì)種類和狀態(tài)等相關(guān)。（四）熱敏電阻器的動(dòng)態(tài)特性熱敏電阻器的電阻值的變化完全是由熱現(xiàn)象引起的。因此，它的變化必然有時(shí)間上的滯后現(xiàn)象。這種電阻值隨時(shí)間變化的特性，叫做熱敏電阻器的動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)特性種類：周圍溫度變化所引起的加熱特性；周圍溫度變化所引起的冷卻特性；熱敏電阻器通電加熱所引起的自熱特性。（三）功率-溫度特性（PT—T）周圍溫度變化所引起的加熱特性61當(dāng)熱敏電阻器由溫度T0增加到TU時(shí)，其電阻值RTr隨時(shí)間t的變化規(guī)律為：

式中RTt——時(shí)間為t時(shí)，熱敏電阻的阻值；T0——環(huán)境溫度；Tu——介質(zhì)溫度(Tu>T0);RTa——溫度Ta時(shí),熱敏電阻器的電阻值；t——時(shí)間。當(dāng)熱敏電阻由溫度Tu冷卻T0時(shí)，其電阻值RTt與時(shí)間的關(guān)系為：當(dāng)熱敏電阻器由溫度T0增加到TU時(shí)，其電阻值R62設(shè)計(jì)原理：利用半導(dǎo)體PN結(jié)的電流電壓與溫度有關(guān)的特性。優(yōu)點(diǎn)：輸出線性好、測量精度高,傳感驅(qū)動(dòng)電路、信號處理電路等都與溫度傳感部分集成在一起,因而封裝后的組件體積非常小,使用方便,價(jià)格便宜,故在測溫技術(shù)中越來越得到廣泛應(yīng)用。本節(jié)簡要介紹IC溫度傳感器的類型、基本原理、主要特性及其應(yīng)用等有關(guān)問題。第四節(jié)IC溫度傳感器

設(shè)計(jì)原理：利用半導(dǎo)體PN結(jié)的電流電壓與溫度有關(guān)的特性。第四節(jié)63一、IC溫度傳感器的分類電壓型IC溫度傳感器；電流型IC溫度傳感器，數(shù)字輸出型IC溫度傳感器。電流型IC溫度傳感器是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,再通過激光修版微加工技術(shù),制造出性能優(yōu)良的測溫傳感器。這種傳感器的輸出電流正比于熱力學(xué)溫度，即1μA/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)10MΩ。這為遠(yuǎn)距離傳輸深井測溫提供了一種新型器件。電壓型IC溫度傳感器是將溫度傳感器基準(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)，故不適合長線傳輸。這類IC溫度傳感器特別適合于工業(yè)現(xiàn)場測量。一、IC溫度傳感器的分類電壓型IC溫度傳感器；電流型IC溫度64電流型IC溫度傳感器的測溫原理，是基于晶體管的PN結(jié)隨溫度變化而產(chǎn)生漂移現(xiàn)象研制的。眾所周知，晶體管PN結(jié)的這種溫漂，會給電路的調(diào)整帶來極大的麻煩。但是，利用PN結(jié)的溫漂特性來測量溫度，可研制成半導(dǎo)體溫度傳感元件。IC溫度傳感器就是依據(jù)半導(dǎo)體的溫漂特性，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)而制造出來的集成化線性較好的溫度傳感器件。利用電流I與Tk的正比關(guān)系，通過電流的變化來測量溫度的大小。二、IC溫度傳感器的測溫原理電流型IC溫度傳感器的測溫原理，是基于晶體管652019201966201920196720192019682019201969（一）電壓輸出型集成溫度傳感器AN6701S是日本松下公司生產(chǎn)的電壓輸出型集成溫度傳感器，它有四個(gè)引腳，三種連線方式：(a)正電源供電，(b)負(fù)電源供電，(c)輸出極性顛倒。電阻RC用來調(diào)整25℃下的輸出電壓，使其等于5V，RC的阻值在3~30kΩ范圍內(nèi)。這時(shí)靈敏度可達(dá)109~110mV/℃，在-10~80℃范圍內(nèi)基本誤差不±1℃。輸出AN6701