第八章 熱電式傳感器

第8章熱電式傳感器8.1熱電阻傳感器及熱敏電阻傳感器8.2熱電偶傳感器8.3其它類型溫度傳感器1熱電傳感器熱能電能測(cè)量：溫度和與溫度有關(guān)的參量

溫度

電勢(shì)

電阻

——熱電偶

金屬

半導(dǎo)體

熱電阻

熱敏電阻

——

PN結(jié)型溫度傳感器28.1熱敏電阻式傳感器大多數(shù)金屬的電阻率都與溫度成正比：T0時(shí)的電阻T0時(shí)的電阻系數(shù)T0時(shí)的電阻系數(shù)T時(shí)的電阻金屬的溫度系數(shù)為正單晶半導(dǎo)體為正陶瓷半導(dǎo)體的為負(fù)熱電阻效應(yīng)：電阻率隨其本身溫度變化而變化的現(xiàn)象。38.1.1金屬熱電阻

熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。熱電阻廣泛用來(lái)測(cè)量－200～850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測(cè)量至1K，高溫達(dá)1000℃。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的精確度高，作為復(fù)現(xiàn)國(guó)際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。

41.常用金屬熱電阻對(duì)用于制造金屬熱電阻材料的要求：具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率

R-t關(guān)系最好成線性物理化學(xué)性能穩(wěn)定容易加工、價(jià)格盡量便宜等。

適宜制作熱電阻的材料有鉑、銅、鎳、鐵等。目前最常用的金屬熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。5易提純、復(fù)現(xiàn)性好的金屬材料才可用于制作熱電阻

6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性嚴(yán)重的缺點(diǎn)，因而用得不多。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，制成的鉑電阻輸出－輸入特性接近線性，測(cè)量精度高。7熱電阻的主要技術(shù)性能

8鉑熱敏電阻鉑電阻的阻值和溫度之間的關(guān)系接近線性：0~6300C-200~00C

A=3.983×10-3/℃

B=-5.86×10-7/℃2

C=-4.22×10-12/℃4

在ITS—90中，這些常數(shù)規(guī)定為Rt、R0分別非T0C和00C時(shí)的阻值9可見：熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與0℃時(shí)的電阻值R0有關(guān)。目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號(hào)亦有相應(yīng)分度表，即Rt-t的關(guān)系表，這樣在實(shí)際測(cè)量中，只要測(cè)得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。

鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。10鉑電阻分度表11（2）銅熱電阻其中，A、B、C為常數(shù)：A=4.28899×10-3/℃

B=-2.133×10-7/℃2C=1.233×10-9/℃3

-50℃~150℃

模型1：精確計(jì)算時(shí)模型2：簡(jiǎn)便計(jì)算，常用二項(xiàng)式計(jì)算其中，Rt、R0——溫度為t℃

和t0℃時(shí)的電阻；——溫度為t0℃

時(shí)的溫度系數(shù)。12我國(guó)工業(yè)用銅熱電阻有兩種初始電阻值，和，分度號(hào)分別為Ｃu50和Ｃu100。根據(jù)式2可制成銅熱電阻的標(biāo)準(zhǔn)化分度表，13銅熱電阻的分度表分度號(hào)：Cu5014銅熱電阻的特點(diǎn)銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100℃以上時(shí)容易氧化，因此只能用于低溫及沒(méi)有浸蝕性的介質(zhì)中。153、熱電阻的結(jié)構(gòu)和類型熱電阻＝電阻體＋絕緣套管＋接線盒（1）普通型熱電阻16(2)鎧裝熱電阻鎧裝熱電阻的結(jié)構(gòu)較為特殊。熱電阻體與保護(hù)套封裝成一個(gè)整體，具有良好的機(jī)械性能，耐振動(dòng)與沖擊，有良好的撓性，便于安裝，不受有害介質(zhì)侵蝕，外徑尺寸可以做得很小，反應(yīng)速度快，適用于安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備上進(jìn)行測(cè)溫，使用壽命較長(zhǎng)。17(3)薄膜熱電阻

薄膜熱電阻是用真空鍍膜法將鉑直接蒸鍍?cè)谔沾苫w上制成的熱電阻，薄膜熱電阻減少了熱慣性，提高了靈敏度和響應(yīng)速度，適用于平面物體的表面溫度和動(dòng)態(tài)溫度的測(cè)量。188.2.3熱電阻的測(cè)量電路利用熱電阻測(cè)量溫度實(shí)際是測(cè)量熱電阻工作狀態(tài)下的阻值，由電阻和溫度之間的關(guān)系，求出被測(cè)溫度，整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)主要由熱電阻傳感器、測(cè)量電橋、顯示儀表及連接導(dǎo)線組成。由于熱電阻的阻值較小(幾歐姆到幾十歐姆范圍)，熱電阻本體的引線電阻和連接導(dǎo)線的電阻會(huì)給溫度測(cè)量結(jié)果帶來(lái)很大的影響，為了解決這一問(wèn)題，熱電阻的連接線路從二線制發(fā)展到三線制和四線制.19內(nèi)部引線方式20兩線制這種引線方式簡(jiǎn)單、費(fèi)用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會(huì)帶來(lái)附加誤差。兩線制適于引線不長(zhǎng)、測(cè)溫精度要求較低的場(chǎng)合。21兩線制

控制室生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)指示儀表r

r

Rt

采用三線制或四線制測(cè)量電路，可以克服長(zhǎng)連接導(dǎo)線的電阻在環(huán)境溫度變化時(shí)造成測(cè)量誤差。

注意：為了避免熱電阻中流過(guò)電流時(shí)產(chǎn)生加熱效應(yīng)，在設(shè)計(jì)電橋時(shí)要使流過(guò)熱電阻的電流盡量小些,一般要求小于10mA。22（1）三線式電橋連接法uAr：電橋電源；2r：相鄰臂平衡：導(dǎo)線電阻r對(duì)測(cè)量無(wú)影響

用于工業(yè)測(cè)量，一般精度23r1r2r3r4RtIVIMEM電壓表恒流源（2）四線式電阻測(cè)量電路因IVIM,IV0,又EM=E+IV（r2+r3）電壓表的值EM可認(rèn)為是熱電阻Rt上的壓降，據(jù)此可計(jì)算出微小溫度變化。不受其它條件約束；恒流源I穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)室用，高精度測(cè)量24熱電阻的應(yīng)用258.2.2半導(dǎo)體熱敏電阻熱敏電阻是利用半導(dǎo)體（某些金屬氧化物如NiO,MnO2,CuO,TiO2)的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件，其特點(diǎn)是電阻率隨溫度而顯著變化。一般測(cè)溫范圍：－50~

＋300℃26278.3.1熱敏電阻的電阻－溫度特性負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻：NTC正溫度系數(shù)熱敏電阻：PTC臨界溫度系數(shù)熱敏電阻：CTR可見CTR臨界熱敏電阻有一突變溫度，此特性可用于自動(dòng)控溫和報(bào)警電路中。28NTC熱敏電阻具有很高的負(fù)電阻溫度系數(shù)，特別適用于：－100～＋300℃之間測(cè)溫。PTC熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，且有斜率最大的區(qū)域，當(dāng)溫度超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，其電阻值朝正的方向快速變化。其用途主要是彩電消磁、各種電器設(shè)備的過(guò)熱保護(hù)、限流等。CTR也具有負(fù)溫度系數(shù)，但在某個(gè)溫度范圍內(nèi)電阻值急劇下降，曲線斜率在此區(qū)段特別陡，靈敏度極高。主要用作溫度開關(guān)。各種熱敏電阻的阻值在常溫下很大，不必采用三線制或四線制接法，給使用帶來(lái)方便。29（一）NTC型熱敏電阻主要特性1.電阻-溫度特性30NTC型電阻溫度特性：電阻溫度系數(shù)：T

RB為熱敏電阻材料系數(shù)31NTC的伏安特性

I

U

電流較小：線性，歐姆定律

電流增加：阻值減小、非線性

電流較大：阻值減小超過(guò)電流增加

NTC的溫度系數(shù)

低溫段比高溫段靈敏

靈敏度比金屬熱電阻高（10倍）

32由圖8.31）當(dāng)流過(guò)熱敏電阻的電流很小時(shí)，不足以使之加熱，電阻值只取決于環(huán)境溫度，伏安特性遵循歐姆定律。主要用于測(cè)量溫度。2）當(dāng)電流達(dá)到一定值時(shí)，電流使之加熱，本身溫度升高，電阻減小，電流增大，電壓反而減小，所升高溫度與環(huán)境條件（周圍介質(zhì)溫度和散熱條件）有關(guān)。當(dāng)電流和周圍介質(zhì)溫度一定時(shí)，熱敏電阻的阻值取決于介質(zhì)的流速、流量、密度等散熱條件。根據(jù)這一原理，可用來(lái)測(cè)量流體流速和介質(zhì)密度等。2.伏安特性33（三）熱敏電阻的線性化與測(cè)量電路熱敏電阻主要缺點(diǎn)：熱電特性的非線性嚴(yán)重。解決方法（1）若用恒流源供電，以熱敏電阻兩端的電壓作為溫度指示，可用一個(gè)阻值適當(dāng)且溫度系數(shù)小的電阻Rp與熱敏電阻RT并聯(lián)進(jìn)行線性化。進(jìn)行線性化，曲線在拐點(diǎn)附近，曲線近似為線性。所以，把測(cè)溫范圍的溫度設(shè)置在拐點(diǎn)。并聯(lián)法T

R34在曲線的拐點(diǎn)附近，曲線近似為線性，因此把測(cè)量溫度范圍的中點(diǎn)Ti設(shè)在拐點(diǎn)處。根據(jù)拐點(diǎn)處熱敏電阻RT的值，選擇并聯(lián)電阻Rp，Rp計(jì)算公式推導(dǎo)：由于RT=R0eB/T,故

35對(duì)上式求兩階導(dǎo)數(shù)并使之等于零得到：即：式中RTi為熱敏電阻在中點(diǎn)溫度Ti的阻值36線性化將使溫度系數(shù)減小。并聯(lián)后的溫度系數(shù)為αP,通過(guò)對(duì)R式微分可得出：與并聯(lián)前比較，溫度系數(shù)αP減小了1/(1+RTi/RP)倍在高精度測(cè)溫中,用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行線性化。37解決方法（2）若用恒壓源供電，以通過(guò)熱敏電阻的電流作為溫度指示，可用一個(gè)阻值適當(dāng)且溫度系數(shù)小的電阻Rp與熱敏電阻RT串聯(lián)進(jìn)行線性化。串聯(lián)法AT

R38類似地,很容易求出所需串聯(lián)電阻的阻值Rs:其中GTi為熱敏電阻在中點(diǎn)溫度Ti的電導(dǎo)

39NTC熱敏電阻生產(chǎn)最早、最成熟、使用范圍也廣，它特別適用于—100℃～300℃之間的溫度測(cè)量，目前己廣泛應(yīng)用于點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、溫度場(chǎng)等測(cè)量中，同時(shí)也應(yīng)用在自動(dòng)控制及電子線路的熱補(bǔ)償電路中。405.熱敏電阻測(cè)溫電路Rt為熱敏電阻，Rs用于電導(dǎo)-溫度特性線性化W150mV電壓源調(diào)節(jié)W2溫度0℃時(shí)使輸出為零輸出電壓U0與Rs和Rt串聯(lián)的電導(dǎo)成正比

4142熱敏電阻在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中,如口腔型，表面型和注射針型探頭等以半導(dǎo)體熱敏電阻為溫度敏感元件。呼吸傳感器：用膠布固定在病人鼻孔出口處,進(jìn)行呼吸率的連續(xù)檢查

43

8.2熱電偶傳感器1.熱電偶測(cè)溫原理熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。（溫差現(xiàn)象or澤貝克效應(yīng)）熱端（測(cè)量端或工作端）、冷端（參考端或自由端）44先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)——熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

熱電極A右端：自由端參考端冷端一、熱電偶的工作原理

左端：測(cè)量端工作端熱端熱電極B熱電勢(shì)AB45從實(shí)驗(yàn)到理論：熱電效應(yīng)

1821年，德國(guó)物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個(gè)接觸點(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說(shuō)明什么？），如果用兩盞酒精燈對(duì)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減?。ㄓ终f(shuō)明什么？）

。顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說(shuō)明回路中有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生并有電流在回路中流動(dòng)，電流的強(qiáng)弱與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān)。

46兩種不同類型的金屬導(dǎo)體，導(dǎo)體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不等有溫差時(shí)，回路里會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。利用這種效應(yīng)，只要知道一端結(jié)點(diǎn)溫度，就可以測(cè)出另一端結(jié)點(diǎn)的溫度。熱電效應(yīng)47

熱電偶回路48兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點(diǎn)處會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生熱電勢(shì)。

自由電子＋ABeAB（

T）T1.接觸電勢(shì)49eAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；

k——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——導(dǎo)體A、B在溫度為T時(shí)的電子密度。接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。50接觸電動(dòng)勢(shì)(帕爾貼效應(yīng)）接觸電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的材料特性和接觸點(diǎn)的溫度。兩接點(diǎn)的接觸電動(dòng)勢(shì)eAB(T)和eAB（T0）可表示為含義：由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。51對(duì)于任何一種金屬，當(dāng)其兩端溫度不同時(shí)，兩端的自由電子濃度也不同，溫度高的一端濃度大，具有較大的動(dòng)能；溫度低的一端濃度小，動(dòng)能也小。因此高溫端的自由電子要向低溫端擴(kuò)散，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端得到電子而帶負(fù)電，形成溫差電動(dòng)勢(shì)，又稱湯姆森電動(dòng)勢(shì)。2.溫差電勢(shì)（湯姆遜效應(yīng)52AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì)；T，T0——高低端的絕對(duì)溫度；σA——湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，例如在0℃時(shí)，銅的σ=2μV/℃。溫差電勢(shì)原理圖53同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)。大小表示：

溫差電動(dòng)勢(shì)（湯姆遜效應(yīng)）54由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點(diǎn)溫度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì)，回路總電勢(shì)：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路總電勢(shì)55由于在金屬中自由電子數(shù)目很多，溫度對(duì)自由電子密度的影響很小，故溫差電動(dòng)勢(shì)可以忽略不計(jì)，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動(dòng)勢(shì)。則有在標(biāo)定熱電偶時(shí)，一般使T0為常數(shù)，則56影響因素取決于材料和接點(diǎn)溫度，與形狀、尺寸等無(wú)關(guān)兩熱電極相同時(shí)，總電動(dòng)勢(shì)為0兩接點(diǎn)溫度相同時(shí)，總電動(dòng)勢(shì)為0對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí)，eAB(T0)=c為常數(shù)，則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即可見：只要測(cè)出eAB（T,T0）的大小，就能得到被測(cè)溫度T，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。討論57熱電偶的分度表不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動(dòng)勢(shì)之間有不同的函數(shù)關(guān)系，一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定，并將不同溫度下測(cè)得的結(jié)果列成表格，編制出熱電勢(shì)與溫度的對(duì)照表，即分度表。供查閱使用，每10℃分檔。中間值按內(nèi)插法計(jì)算。58S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表59三、熱電偶基本定律

1、均質(zhì)導(dǎo)體定律

由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與兩材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無(wú)關(guān)。即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。根據(jù)這一定律，可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料的成分是否相同(稱為同名極檢驗(yàn)法)，也可以檢查熱電極材料的均勻性。602、中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體C，只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變。T0T0BTAC右圖回路中的總電動(dòng)勢(shì)為：意義：可用電器測(cè)量?jī)x表直接測(cè)量熱電勢(shì)61測(cè)量?jī)x表及引線作為第三種導(dǎo)體的熱電偶回路623、標(biāo)準(zhǔn)電極（組成）定律如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(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)也就可知。T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC63即導(dǎo)體A與B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)也可知。64標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體定律的意義通常選用高純鉑絲作標(biāo)準(zhǔn)電極只要測(cè)得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律計(jì)算出來(lái)。65解：由標(biāo)準(zhǔn)電極定律，鎳鉻和考銅熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)應(yīng)等于鎳鉻合金與純鉑熱電偶與考銅與純鉑熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的差，即例

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，求鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV66BBA

T2

T1

T3

AAB4、中間溫度定律熱電偶在兩接點(diǎn)溫度分別為T、T0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度分別為T、Tn和接點(diǎn)溫度分別為Tn、T0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。67意義：運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線法進(jìn)行溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)5、連接導(dǎo)體定律熱電偶導(dǎo)體A、B分別與連接導(dǎo)線C、D相接，總熱電勢(shì)為兩部分的代數(shù)和。68為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象的測(cè)溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有：普通型熱電偶特殊熱電偶－鎧裝型熱電偶－薄膜熱電偶等。

9.1.2熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類根據(jù)熱電偶所用材料，分K、E、J、T、B、R、S型。69普通型熱電偶結(jié)構(gòu)70

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上。鎧裝型熱電偶71薄膜熱電偶

特點(diǎn)：熱接點(diǎn)可以做得很?。é蘭），具有熱容量小、反應(yīng)速度快（μs）等特點(diǎn)，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。72熱電極材料的選取性能穩(wěn)定溫度測(cè)量范圍廣物理化學(xué)性能穩(wěn)定導(dǎo)電率要高，并且電阻溫度系數(shù)要小材料的機(jī)械強(qiáng)度要高，復(fù)制性好、復(fù)制工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜73工程用熱電偶材料應(yīng)滿足條件：熱電勢(shì)變化盡量大，熱電勢(shì)與溫度關(guān)系盡量接近線性關(guān)系，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，易加工，復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，有良好的互換性。熱電偶的種類國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）向世界各國(guó)推薦8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶（已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中，具有統(tǒng)一的分度表）。我國(guó)已采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶，并按標(biāo)準(zhǔn)分度表生產(chǎn)與之相配的顯示儀表。74標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn)758.1.3熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償當(dāng)熱端溫度為t時(shí)，分度表所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)eAB(t,0)與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢(shì)eAB(t,t0)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)由此可見，eAB(t0，0)是冷端溫度t0的函數(shù)，因此需要對(duì)熱電偶冷端溫度進(jìn)行處理。76在實(shí)驗(yàn)室及精密測(cè)量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0℃。這是一種理想的補(bǔ)償方法，但工業(yè)中使用極為不便。(1)冷端0℃恒溫法77熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm。在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)十米遠(yuǎn)的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣,冷端溫度t0比較穩(wěn)定。(2)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線解決辦法：工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線。在0～100℃溫度范圍內(nèi)，要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。78常用補(bǔ)償導(dǎo)線

79當(dāng)冷端溫度t0不等于0℃，需要對(duì)熱電偶回路的測(cè)量電勢(shì)值eAB（t，t0）加以修正。當(dāng)工作端溫度為t時(shí)，分度表可查eAB(t,0)與eAB(t0,0)。根據(jù)中間溫度定律得到：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)(3)冷端溫度修正法80

例子用鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30℃，測(cè)得熱電勢(shì)eAB（t，t0）為33.29mV,求加熱爐溫度。

解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得eAB（30，0）1.203mV。可得eAB（t，0）=eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得t=829.8℃。81(4)冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法（電橋補(bǔ)償法）828.1.4熱電偶測(cè)溫線路測(cè)量單點(diǎn)的溫度83特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是同一分度號(hào)的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下。如熱電偶正向串聯(lián)，可獲得較大的熱電勢(shì)輸出和提高靈敏度；在測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差時(shí)，可采用熱電偶反向串聯(lián)；利用熱電偶并聯(lián)可以測(cè)量平均溫度。84測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間溫度差（反向串聯(lián)）85測(cè)量平均溫度（并聯(lián)或正向串聯(lián)）

特點(diǎn)：當(dāng)有一只熱電偶燒斷時(shí)，難以覺(jué)察出來(lái)。當(dāng)然，它也不會(huì)中斷整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的工作。優(yōu)點(diǎn)：熱電動(dòng)勢(shì)大，儀表的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶并聯(lián)線路存在的缺點(diǎn)，可立即可以發(fā)現(xiàn)有斷路。缺點(diǎn)：只要有一支熱電偶斷路，整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)將停止工作。868.2.5熱電偶的基本放大電路熱電偶的輸出電壓極小，其值為幾十μV/℃。因此，要采用低失調(diào)運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓放大。合適的運(yùn)算放大器種類很多，而且價(jià)格便宜，較易選擇，主要是外圍元件的選用。圖9-6是K型熱電偶的放大電路。電路中，運(yùn)算放大器選用ADOP07，它與周圍電阻構(gòu)成放大電路，增益為240.9445；R1～R3是1/4W的金屬膜電阻，精度為20%；RP1和RP2是10圈線繞電位器；C1是濾波電容，采用精度為20%，

耐壓為50V的漏電小的電解電容，它與R3組成輸入濾波電路。因?yàn)闊犭娕嫉臒犭妱?shì)很小，

因此如果電容漏電大，

就會(huì)產(chǎn)生漂移電壓。

8788常用爐溫測(cè)量控制系統(tǒng)如圖所示。毫伏定值器給出給定溫度的相應(yīng)毫伏值，熱電偶的熱電勢(shì)與定值器的毫伏值相比較，若有偏差則表示爐溫偏離給定值，此偏差經(jīng)放大器送入調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過(guò)晶閘管觸發(fā)器推動(dòng)晶閘管執(zhí)行器來(lái)調(diào)整電爐絲的加熱功率，直到偏差被消除，從而實(shí)現(xiàn)控制溫度。898.3其它類型溫度傳感器908.3.1晶體管與集成溫度傳感器91

PN結(jié)型半導(dǎo)體溫度傳感器利用半導(dǎo)體PN結(jié)的溫度特性可制成PN結(jié)溫度傳感器。這類傳感器又可分為二極管、晶體管和集成電路三種型式。一、二極管溫度傳感器１.基本原理流過(guò)PN結(jié)的正向電流I與外加電壓V之間的關(guān)系，可近似表示為式中Is—飽和反向電流密度；

q—單位電荷；

k—波爾茲曼常數(shù)；

T—絕對(duì)溫度。在電平衡載流子注入的條件下，流過(guò)PN結(jié)的正向電流還可近似用下式描述：式中，

為與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)；為與遷移率有關(guān)的常數(shù)，Eg0為外推的絕對(duì)零度下的材料禁帶寬度

92利用上兩式可求得外加電壓與PN結(jié)正向電流之間的關(guān)系為一般情況下，lnT是溫度的緩變函數(shù)，特別是在-40～100C時(shí)，lnT為常數(shù)。式中K是與PN結(jié)中通過(guò)的電流有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)電流一定時(shí)，K為常數(shù)。由上式可知，PN結(jié)兩端的電壓與溫度成線性關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，VF與絕對(duì)溫度T成線性關(guān)系，為了擴(kuò)大線性范圍，采用特性相同的差分對(duì)管。IF1、IF2分別為兩只二極管的電流。93２.半導(dǎo)體二極管溫度傳感器的應(yīng)用Si單晶二極管用作溫度傳感器，有簡(jiǎn)單、價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)，但互換性差是其最大缺點(diǎn)。用二極管作為溫度傳感器制成的半導(dǎo)體溫度計(jì)，溫度在０～50℃之間變化時(shí)，輸出電壓的變化范圍為０～１V，因而有足夠的靈敏度。94二、晶體管溫度傳感器硅晶體管的基極和發(fā)射極之間的電壓Vbe約有-2mV／℃的溫度系數(shù)。利用這種現(xiàn)象制成高精度、超小型的溫度傳感器。測(cè)量范圍在-50~+250℃左右。由于這種傳感器適于批量生產(chǎn)，又可與放大電路一起制成集成化溫度傳感器，因此近年來(lái)發(fā)展很快。１.基本原理由晶體管原理可知，硅晶體管的基極—發(fā)射極電壓Vbe與絕對(duì)溫度T及集電極電流Ic

之間有如下關(guān)系：式中Eg—硅單晶的禁帶寬度；r—由基區(qū)少數(shù)載流子的溫度特性決定的常數(shù)；Q—單位電荷；k—波爾茲曼常數(shù)。

當(dāng)Ic一定時(shí)，溫度不太高的情況下，Vbe基本與溫度成線性關(guān)系。當(dāng)溫度較高時(shí)，產(chǎn)生一定的非線性偏移，如下圖所示。95２.晶體管溫度傳感器及其特性晶體管溫度傳感器具有優(yōu)良的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，經(jīng)1000小時(shí)的室溫125℃的溫度循環(huán)試驗(yàn)后，性能幾乎沒(méi)有變化。96三極管溫度傳感器基本電路溫敏三極管為負(fù)反饋元件,

電流Ic=Vcc/Rc，Ic恒定,

VBE與T近似線性,改變導(dǎo)通電阻，得到輸出電壓97三、集成溫度傳感器

集成溫度傳感器使傳感器和集成電路融為一體，極大地提高了傳感器的性能。它與傳統(tǒng)的熱敏電阻、熱電阻、熱電偶、雙金屬片等溫度傳感器相比，具有測(cè)溫精度高、復(fù)現(xiàn)性好、線性優(yōu)良、體積小、熱容量小、穩(wěn)定性好、輸出電信號(hào)大等優(yōu)點(diǎn)。集成溫度傳感器按輸出形式可分為電壓輸出型和電流輸出型兩種。電壓輸出型一般以0℃為零點(diǎn)；

溫度系數(shù)為10mV/℃；電流輸出型一般以0K為零點(diǎn)，

溫度系數(shù)為1μA/K。電流輸出型溫度傳感器適合于遠(yuǎn)距離測(cè)量。

常用的集成溫度傳感器AD590、LM35和智能溫度控制器DS18B20等。98

１.基本原理IC溫度傳感器的設(shè)計(jì)原理是，利用集電極電流比為一定的兩個(gè)晶體管的Vbe之差與溫度的依賴關(guān)系，來(lái)制作溫度傳感器。顯而易見，選擇二個(gè)特性相同的晶體管，使它們工作在不同的電流下，利用它們的發(fā)射極電壓之差來(lái)測(cè)溫，有可能獲得性能優(yōu)良的溫度傳感器。２.電壓輸出型IC溫度傳感器IC溫度傳感器的電原理圖。經(jīng)后級(jí)放大器放大后，可使傳感器隨溫度變化的輸出，產(chǎn)生10mV/℃的變化量。99V=R2KTlnN/R1qN是Q1Q2發(fā)射極面積比；只要R2/R1為常數(shù)，V0與T成正比100

2.電流輸出型IC溫度傳感器電流輸出型IC溫度傳感器，如圖3-19所示。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，電阻R上的電壓輸出為101

1、電流輸出型溫度傳感器1）AD590集成溫度傳感器（1）AD590的工作原理。

如圖8-21所示，在AD590內(nèi)部原理框圖中，V1和V2構(gòu)成鏡像恒流源，I1=I2；V3由幾個(gè)與V4結(jié)構(gòu)相同的晶體管組成；V4的PN結(jié)檢測(cè)溫度，UBE3和UBE4的差值ΔUBE加在電阻R上，

則I1為

（9-8）

式中，K為波耳茲曼常數(shù)；T為溫度；n=A3/A4。由圖可見，I0=2I1，

與絕對(duì)溫度成正比。

102圖8-21AD590集成溫度傳感器(a)外形；(b)電路符號(hào)；(c)內(nèi)部原理框圖

103AD590三種封裝形式：T0-52封裝、陶瓷封裝（測(cè)溫范圍-50℃～+150℃）和T0-92封裝（測(cè)溫范圍0℃～+70℃）。T0-52封裝的AD590系列產(chǎn)品的外形和符號(hào)如圖所示，1腳為正極，2腳為負(fù)極，3腳接管殼（使用時(shí)將3腳接地，可起到屏蔽作用）。工作電壓4～30V,對(duì)應(yīng)于熱力學(xué)溫度T每變化1K，就輸出的1uA電流。132外形符號(hào)AD590104AD590測(cè)量電路uA-+++--mV9V9V105AD590的溫度測(cè)量范圍為-55～150℃，校準(zhǔn)時(shí)精度為±1.0℃,不校準(zhǔn)時(shí)精度為±1.7℃；測(cè)溫靈敏度為1μA/K，在1kΩ負(fù)載上可產(chǎn)生1mV/K電壓。電流輸出型與電源負(fù)載串聯(lián)，不受電源電壓和導(dǎo)線電阻的影響，

因此可以遠(yuǎn)距離傳送。

106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DS1820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。數(shù)字輸出型IC溫度傳感器107

１、DS1820的特性

獨(dú)特的單線接口方式：僅需一根口線與MCU連接；

無(wú)需外圍元件；

由總線提供電源；

測(cè)溫范圍為-55℃～125℃，精度為0.5℃；

九位溫度讀數(shù)；

A/D變換時(shí)間為200ms；

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。

108DS1820123GNDI/OVDD2、DS1820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)109溫度/℃輸出的二進(jìn)制碼對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制碼+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+1/200000000000000010001H000000000000000000000H-1/21111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-551111111110010010FF92HDS1820溫