傳感器第一章

傳感器第一章第1頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日

定義：溫度傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變化的裝置。用于檢測溫度和熱量，也叫做熱電式傳感器。溫度是與生活、科研、生產(chǎn)密切相關(guān)的物理量。如冰箱、空調(diào)、實驗和生產(chǎn)環(huán)境等…

是應(yīng)用最廣泛的一種傳感器。簡介第一章溫度傳感器

第2頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日將溫度T變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的元件，主要有金屬熱電阻、半導(dǎo)體陶瓷熱敏電阻(NTC、PTC、CTR)、半導(dǎo)體熱電阻和高分子熱敏電阻；將溫度變化-------電勢的傳感器，主要有熱電偶和PN結(jié)式傳感器；將溫度變化-------電流的傳感器，集成溫度傳感器。將熱輻射-------電學(xué)量的器件，有熱釋電探測器、紅外探測器；新型的有光纖溫度傳感器、液晶溫度傳感器、智能溫度傳感器等等簡介分類classification

第3頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日1.1電阻型溫度傳感器1.2熱電偶(thermocouple)1.3半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器

(SemiconductorPNJunction)1.4其它溫度傳感器第一章溫度傳感器

第4頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日§1.1電阻型溫度傳感器

1.1.1熱電阻(ThermalResistance)

1.1.2熱敏電阻（highsensitiveT.R.）1.1.3半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器（SemiconductorT.R.）1.1.4電阻式溫度傳感器的應(yīng)用

（ApplicationoftheT.R.sensors）

第5頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日Rt表示任意絕對溫度時金屬的電阻值;R0表示基準(zhǔn)狀態(tài)t0時的電阻值;

a是熱電阻的溫度系數(shù)（1/℃）,在一定的溫度范圍內(nèi)，可近似地看成一個常數(shù)

用感溫材料把溫度轉(zhuǎn)化為電阻變化，主要有金屬熱電阻、半導(dǎo)體熱電阻和半導(dǎo)體陶瓷電阻，將變化小的稱熱電阻，將變化大的稱熱敏電阻。一、金屬熱電阻的特性characteristic

大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性,其方程:1.1.1熱電阻

第6頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日選作感溫電阻的材料的要求:

電阻溫度系數(shù)要高;highαR在測溫范圍內(nèi),化學(xué)、物理性能穩(wěn)定;

具有良好的輸出特性;

具有比較高的電阻率;higherρ具有良好的可加工性,且價格便宜。Easymachining,cheaper

第7頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日1.鉑熱電阻(platinumT.R.)

物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，是熱電阻最佳材料，鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系：在-190～0℃范圍內(nèi)為:

在0～630.755℃范圍內(nèi)為:Rt、R0分別是溫度為t℃和t0℃時的電阻值，A，B，C是常數(shù)。第8頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日鉑電阻重現(xiàn)性最好、穩(wěn)定性最好作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計用于高精度工業(yè)測量、溫度的基準(zhǔn)。一般測量精度較小時采用銅電阻。銅絲在-50～150℃內(nèi)性能很穩(wěn)定，且電阻與溫度的關(guān)系接近線性。表示為：但在-50～50℃內(nèi)為線性變化，可表示：2.銅熱電阻第9頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日3.其它熱電阻

鐵和鎳電阻α較鉑和銅高，ρ也較大，做成體積小、靈敏度高的電阻溫度計。

銦電阻適宜在-269～-258℃用，測量精度高，靈敏度很高，是鉑電阻的10倍，但重現(xiàn)性差；

錳電阻適宜在-271～-210℃用，靈敏度高，但脆性高，易損壞；

碳電阻適宜在-273～-268.5℃內(nèi)使用，熱容量小，靈敏度高，價格低廉，操作簡便，但熱穩(wěn)定性較差。第10頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日1、結(jié)構(gòu)：將電阻絲雙線繞在云母、石英、陶瓷、塑料等絕緣架上，固定后外面再加上保護套管。

2、測量電路：用精度較高的電橋電路。為消除連接導(dǎo)線電阻隨環(huán)境溫度變化

而造成的測量誤差，常采用三線和四線連接法。二、熱電阻的結(jié)構(gòu)及測量電路

第11頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日三線連接法

三線和四線式接法中要求：連接相鄰橋臂的r1和r2長度和溫度系數(shù)相等；三線中Ra的觸點會導(dǎo)致電橋零點的不穩(wěn)定四線中觸點的不穩(wěn)定不會破壞電橋的平衡。第12頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日R1、R2、R3固定電阻，Ra調(diào)零電阻，r1、r2、r3、r4為導(dǎo)線補償電阻。

熱電阻式溫度計:

優(yōu)點：性能穩(wěn)定，測量范圍寬、精度高。缺點：需輔助電源，熱容量大，限制用于動態(tài)測量。措施：為避免電阻流過電流的加熱，盡量使流過熱電阻的電流降低，不影響測量精度，一般應(yīng)小于10mA。第13頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日正溫度系數(shù)熱敏電阻PTCPositiveTemperatureCoefficient

負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC臨界溫度系數(shù)熱敏電阻CTR1.1.2熱敏電阻

材料：某金屬氧化物為基體、一些添加劑。用陶瓷工藝制成，稱半導(dǎo)體陶瓷其電阻對溫度變化明顯，溫度系數(shù)比金屬的大很多。

熱敏電阻NegativeTemperatureCoefficient

CriticalTemperatureResistor

第14頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日一、熱敏電阻特性參數(shù)

1.標(biāo)稱電阻值（R25）：環(huán)境溫度25℃時的零功率狀態(tài)的阻值。其大小取決于電阻的材料和幾何尺寸。若在25℃～27℃則：

2.電阻溫度系數(shù)(αT)

：指在規(guī)定的溫度下單位溫度變化使阻值變化的相對值。

αT決定了熱敏電阻全部工作范圍內(nèi)對溫度的靈敏度，%/℃。

第15頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日電阻型溫度傳感器3.時間常數(shù)(τ)：τ表征電阻的熱慣性，其值等于在零功率測量狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時阻值從起始值變化到最終變化量的63%時所需的時間額定功率（PE）：在標(biāo)準(zhǔn)壓力750mmHg和規(guī)定的最高溫度下，電阻長期連續(xù)工作所允許的最大耗散功率。實際中所消耗的功率不得超過PE

第16頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日二、PTC熱敏電阻

--正溫度系數(shù)熱敏電阻，阻值隨溫度的升高而增大。基體材料是BaTiO3，輔以稀土元素為添加劑，經(jīng)陶瓷工藝燒結(jié)制成。

1.電阻溫度特性曲線Ⅰ中阻值隨溫度變化很陡，稱為突變型（開關(guān)型）

Ⅱ阻值隨溫度變化緩慢，稱為緩變PTC熱敏電阻。第17頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日2.突變型PTC的R與T關(guān)系：R0

為標(biāo)稱溫度下的阻值，A為材料常數(shù)。3、緩變型PTC熱敏電阻RT與溫度的關(guān)系近似為線性，即：緩變型PTC的αT隨溫度而變化，適于溫度補償。第18頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日4、PTC的靜態(tài)伏安特性曲線電流I(A)電壓U(V)

靜態(tài)伏安特性是指在一定溫度下，于靜止的空氣中PTC兩端的電壓降與電阻穩(wěn)態(tài)電流之間的關(guān)系，曲線可分為AB、BC、CD三段。

第19頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日三、NTC熱敏電阻1.NTC電阻的溫度特性由圖知：阻值近似為：

B為材料常數(shù),R0為T→∞時的阻值兩邊取對數(shù)有：為直線，且B為直線的斜率：

第20頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日電阻溫度系數(shù)為：

并非常數(shù)，隨T升高而迅速減小2.NTC靜態(tài)伏安特性曲線T0時給NTC上通電流I，則電阻兩端的電壓UT為：oa段電壓隨電流而線性增大ab段,電壓偏離線性但還隨增加;bd段,電壓越過b點很快下降de段,電阻下降緩慢，電壓也下降變可用于溫度檢測、溫度補償、控溫等各種電路第21頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日

負溫臨界熱敏電阻是指在某一溫度附近阻值發(fā)生突變，幾度的狹小溫區(qū)內(nèi)T增加降低3～4個數(shù)量級的元件。阻值的突變點為臨界溫度點。四、CTR熱敏電阻對應(yīng)的宏觀開關(guān)溫度（Tc）定義為：電阻值下降到某一規(guī)定值（標(biāo)稱電阻的80％）時所對應(yīng)的溫度。

該規(guī)定值稱開關(guān)電阻（Rc），可按曲線求出切線在高阻端的交點Rh和切線在低阻端的交點Rl，算出Rc為：第22頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日

第23頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日

降值比ψ描述下降的快慢，即標(biāo)稱電阻R25與最小電阻比值Rmin的對數(shù)，即

降值比越大，開關(guān)特性越好。

由于CTR電阻具有很大的負溫度系數(shù)，可用作控溫、報警、無觸點開關(guān)等場合。第24頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日五、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)及其特點珠狀

熱敏電阻圓片型

方片型

棒狀

厚薄膜型它們各自適用于不同的應(yīng)用場合。第25頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日1.1.3半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器

SemiconductorT.R.利用電阻率隨溫度變化的特性制成溫度傳感器。一、工作原理對于P型半導(dǎo)體材料：

對于N型半導(dǎo)體材料：

其ρ主要決定于載流子(電子或空穴)濃度和遷移率。二者都與溫度密切相關(guān),分別分析：半導(dǎo)體材料的電阻率：第26頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日1.遷移率與溫度的關(guān)系

載流子遷移率與載流子在電場作用下的散射機理有關(guān)。聲學(xué)波散射遷移率μs和電離雜質(zhì)散射遷移率μi與溫度的關(guān)系表示為：兩種散射的關(guān)系：說明了遷移率隨溫度的變化與摻雜濃度Ni有關(guān)。第27頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日2.電阻率與溫度的關(guān)系

本征半導(dǎo)體的ρ主要由本征載流子濃度ni

決定。

ni隨溫度上升而急劇增加。ρ隨溫度增加而單調(diào)地下降，區(qū)別于金屬的一個重要特征。雜質(zhì)半導(dǎo)體，n、p受雜質(zhì)電離Ni和本征激發(fā)影響，有電離雜質(zhì)散射和晶格散射兩種散射機構(gòu)，因而ρ隨溫度的變化關(guān)系更復(fù)雜。第28頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日二、硅熱電阻的結(jié)構(gòu)和工藝有兩種結(jié)構(gòu)形式一是棒狀

R（圖a、b），二是擴散電阻型

R（圖c）。結(jié)構(gòu):第29頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日工藝流程:電阻型溫度傳感器第30頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日1.

電阻一溫度特性

當(dāng)硅電阻溫度傳感器處于正向偏置時，在55～175℃內(nèi)，電阻值隨溫度的升高而增大，具有較好的線性度。如果硅熱電阻處于反向偏置，當(dāng)溫度上升到120℃以上時，開始本征激發(fā)，產(chǎn)生大量的電子---空穴對，使電阻值突然下降。三、硅熱電阻的特性第31頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日電阻型溫度傳感器2.

電阻溫度系數(shù)硅電阻溫度系數(shù)αT：第32頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日3、硅電阻與電流的關(guān)系

不同的溫度下，當(dāng)電流超過1mA時，電阻就會增大，是因電流的自身熱效應(yīng)使電阻增大。因此，工作電流應(yīng)小于1mA為宜。第33頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日一、溫度檢測及指示

1、簡單的測量溫度原理圖具體測量時，給電路加上調(diào)零電阻,用四線接法將Rt拉到被測現(xiàn)場。第34頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日2、流量測量的原理圖

當(dāng)流速Vl=0時，用Ra調(diào)零，使檢流計為0。當(dāng)Vl>0時，NTC電阻Rt1與Rt2的阻值變化不同，使流過電流表的電流發(fā)生變化。第35頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日二、溫度補償電路

1.熱敏電阻NTC對晶體管Vbe的補償電路圖

溫度升高時,晶體管的Vbe下降，而NTC的Rt下降，即Rt//Rb′減小，使Ra’上壓降下降，補償了Vbe的下降。第36頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日2.PTC對晶體管Ie的補償電路圖

溫度補償元件為緩變型PTC電阻，T升高Rt增大，補償了因Vbe下降而使Ie的增加。第37頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日三、過熱保護

1.PTC電阻對馬達保護電路圖按下K時PTC

RT較小，其上電流大，Ｊ吸合，M轉(zhuǎn)動，Ｋ又自動打開，電源通過Ｊ給M、RT供電,M轉(zhuǎn)動溫度升高,RT值增大使其上分流下降,當(dāng)M溫度過高TRT時,Ｊ斷開,保護了M過熱狀態(tài)。第38頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日2.變壓器保護電路圖接上電源,起始RT較小,TR上電流大,功耗也大,T上升；RT隨之增加,電流又減小,TR功耗減小,自動防止了TR過熱。第39頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日四、延時給PTC加電壓，功耗使阻值增加需時間，可用作延遲。1.自動延時電路原理圖接電時RT較小分流大，J因電流小不動，燈沒亮；一定時間后RT因功耗而增大分流減小，J上電流增大到可動值動。即J動作延遲，燈延遲開，延遲時間可由R0調(diào)節(jié)。第40頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日2.馬達啟動原理圖

M啟動需較大啟動功率，正常運轉(zhuǎn)所需功率大大減小。常給單相電機裝上附加啟動繞組L2，L2只在啟動時工作，而當(dāng)運轉(zhuǎn)正常后自動斷開。

PTC充當(dāng)自動通斷的無觸點開關(guān)。原理是把PTC與L2串聯(lián)，RT冷態(tài)電阻遠小于L2阻抗RL2，對啟動電流沒影響。隨著RT被加熱電阻值升高，當(dāng)電阻值升高到遠大于RL2時，啟動繞組視同切斷。第41頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日五、控溫電路

1.NTC的控溫電路原理圖

當(dāng)T降到<

T0時，電橋輸出電流不能維持J動作時觸點閉合，又開始加熱。這樣將T控制在T0附近。起初T較低，RT較大，調(diào)電橋平衡，加熱器加熱.當(dāng)T升高，J上開始有電流，當(dāng)T>T0時，電橋輸出使線圈電流大到足以使J動作時J觸點斷開，停止加熱。第42頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日2.恒溫箱溫度控制原理圖W723單片集成穩(wěn)壓器：VZ和V-給測溫電橋供電，V+和V-給J供電。當(dāng)T<T0時，加熱，RT增加，AB電位差變化通過In經(jīng)W723穩(wěn)壓放大由Vo輸出，經(jīng)R4和D1為T提供偏壓，但T止，J停止動作，加熱T>T0⊿T后VO使得T導(dǎo)通，J動作停止加熱；自然降溫;T<T0時，VO降低使T止，加熱。如此反復(fù)，保持溫度恒定。第43頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日六、降溫報警器

使用前調(diào)R3使T1、T2基極電位相等，T3止，電橋無輸出。當(dāng)T高，R4減，R1電位升高，IB1增，IE1增，則VC1升，T3通，A點、T4基極電位升，電壓隨T升高到T4導(dǎo)通時，T5止，即不報警；當(dāng)T降低時，VBE1下降使VC1下降，T3止，VA低，T4止，T5通，音頻振蕩器振蕩使喇叭發(fā)聲報警。其中R1和R3的阻值可根據(jù)溫度適當(dāng)選擇。三部分：T1、T2、T3及電阻R1、R2、R3、R5、R6、R10和NTCR4組成測溫電橋，T4為放大管。T5與TR、電容組成音頻振蕩器。第44頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日第一章溫度傳感器

1.1電阻型溫度傳感器1.2熱電偶(thermocouple)1.3半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器

(SemiconductorPNJunction)1.4其它溫度傳感器第45頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日§1.2熱電偶thermocouple1.2.1熱電偶的基本原理

1.2.2熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)

1.2.3熱電偶的實用測量電路

第46頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日1.2.1熱電偶的基本原理一、熱電效應(yīng):用兩種不同的金屬組成閉合回路，且使其兩接觸點處溫度不同，回路中就會產(chǎn)生電流，把這個物理現(xiàn)象亦稱為塞貝克效應(yīng)。原理圖:將導(dǎo)體A和B兩端連接在一起組成回路，一端為T0，一端為T（若T>T0），則微安表上會有一定讀數(shù)。

若將T0觸點分開，則端口產(chǎn)生與T、T0及導(dǎo)體材料A、B有關(guān)的電勢EAB(T,T0)，即塞貝克電勢。第47頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日熱電偶回路的總電勢為:

式中αTAB為熱電勢率或塞貝克系數(shù)，其值與感熱材料和兩接點的溫度有關(guān)。熱電效應(yīng)帕爾貼效應(yīng)湯姆遜效應(yīng)Thermalelectriceffect第48頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日式中k0為波爾茲曼常數(shù)；q為電子電量；nA、nB分別為A和B的T時自由電子密度。1.珀爾帖電勢將兩種金屬在同溫度接觸，設(shè)A中自由電子的密度比B的大，在界面處自由電子將從A擴散到B，則A失去電子帶正電，B得到電子帶負電，在接觸處形成自建電場，使電子由B向A漂移，當(dāng)擴散與漂移達到平衡時，在接觸面附近產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電動勢稱為珀爾帖電勢，又稱接觸電勢，其大小可表示為：第49頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日式中бA稱為湯姆遜系數(shù)，它表示溫差1℃時所產(chǎn)生的電勢差。2.湯姆遜電勢一熱電效應(yīng)

設(shè)一均質(zhì)導(dǎo)體棒兩端的溫度不同，則高、低溫端有溫度梯度，高溫端（T）的自由電子具有較高的動能而向低溫端（T0）擴散快，T端失去電子帶正電，T0端得到電子帶負電，形成內(nèi)建電場，電場使電子由低溫端向高溫端漂移，當(dāng)擴散與漂移達到平衡時，T與T0端產(chǎn)生一穩(wěn)定的電勢差稱為湯姆遜電勢或溫差電勢。此溫差電勢表示為：第50頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日熱電極A、B組成的熱電偶回路，當(dāng)溫度T>T0時，式中EAB(T)為熱端的熱電勢,EAB(T0)為冷端的熱電勢。3、回路的總熱電勢EAB討論：①兩點溫度相同時珀爾帖電勢大小相等方向相反，湯姆遜電勢為零，EAB(T0,T0)=0；②當(dāng)兩相同金屬組成熱電偶時，接點溫度不同，但接點處珀爾帖電勢皆為零，兩個湯姆遜電勢大小相等方向相反，故回路總電勢仍為零；③只有兩不同材料組成熱電偶、且T,T0不同，才有熱電勢EAB(T,T0)=E(T)-E(T0)；當(dāng)T0保持不變E(T0)為常數(shù)，EAB(T,T0)僅為熱端溫度T的函數(shù)，即EAB(T,T0)=E(T)-C；兩端點的溫差越大，回路的總電勢也越大，且EAB(T,T0)與T有單值對應(yīng)關(guān)系，這就是熱電偶的測溫公式。

第51頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日二、熱電偶的基本定律

1.均質(zhì)導(dǎo)體定律：兩均質(zhì)金屬（ρ均勻）組成熱電偶的電勢大小與熱電極的直徑、長度及沿電極長度方向上的溫度分布無關(guān)，只與熱電極材料和溫度有關(guān)。2.標(biāo)準(zhǔn)電極定律：若三個熱電偶工作端溫度都為T，參考端溫度都為T0，兩種金屬組成熱電偶的熱電勢可用它們分別與第三種金屬組成熱電偶的熱電勢之差來表示。

第52頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日3.中間導(dǎo)體定律

4.中間溫度定律

若在熱電偶的參考端接入第三種均質(zhì)金屬,被插入金屬兩端溫度相同（T0），則回路總熱電勢為三個接觸電勢與溫差電勢的代數(shù)和，為：可見，只要所插入的導(dǎo)體兩端溫度與參考點相同，不會影響原來熱電勢的大小,即中間導(dǎo)體定律。熱電偶的接點溫度為T、T0時，其熱電勢等于該熱電偶在接點溫度為T、Tn和Tn、T0時相應(yīng)的熱電勢的代數(shù)和,即：第53頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日§1.2熱電偶

1.2.1

熱電偶的基本原理

1.2.2熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)

1.2.3熱電偶的實用測量電路

第54頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日熱電偶一、熱電極材料

一般的熱電極材料必須具有以下特性：1.在測量范圍內(nèi)，熱電勢與T的對應(yīng)關(guān)系不隨時間而變化，且有足夠的物理、化學(xué)穩(wěn)定性。2.熱電勢要足夠大，易于測量、誤差小，且熱電勢與T為單值關(guān)系，線性關(guān)系或簡單的函數(shù)關(guān)系。3.電阻溫度系數(shù)小，電導(dǎo)率高，否則其電阻將隨T而有較大變化，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。4.材料的機械強度高，易制成標(biāo)準(zhǔn)分度，工藝簡單，價格便宜。第55頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日熱電偶二、熱電偶的種類

按標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化簡單介紹幾種常用熱電偶：鉑銠－鉑熱電偶（WRLB）鉑銠－鉑銠熱電偶（WRLL）鎳鉻－鎳硅鎳鉻－鎳鋁（WREU）鎳鉻－考銅（WREA）標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶鐵－康銅熱電偶鎢－鉬熱電偶鎢－錸系熱電偶熱解石墨熱電偶第56頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日三、熱電偶的結(jié)構(gòu)

珠形絕緣子熱電偶雙孔絕緣熱電偶石棉絕緣管熱電偶兩個熱電極，且一個端點緊密焊接在一起。熱電極間通常用耐高溫絕緣材料絕緣，不同測溫范圍，可選不同的絕緣材料。第57頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日四、熱電偶的冷端溫度補償

1.恒溫法將熱電偶的冷端置于恒溫器中，若恒溫器溫度調(diào)到0℃，電壓表讀數(shù)對應(yīng)的溫度為實際溫度，即冷端溫度誤差得到解決。若恒溫器溫度為T0℃，則冷端誤差為：冷端恒溫示意圖

可見，T0恒定時，冷端誤差為常數(shù)，只要在回路中加入相應(yīng)的修正電壓，或調(diào)整指示裝置的起始值就能實現(xiàn)完全補償。第58頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日2.冷端自動補償法原理圖是在熱電偶和測量儀表間接一個電橋補償器，其中R1,R2,R3固定，RT隨T變化。當(dāng)熱電偶冷端T升高時，回路中總電勢降低，同時補償器中RT變化使ab間產(chǎn)生一個電位差，設(shè)計時讓其值正好補償熱電偶降低的量，達到自動補償?shù)?9頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日§1.2熱電偶

1.2.1

熱電偶的基本原理

1.2.2熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)

1.2.3熱電偶的實用測量電路

第60頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日1.2.3熱電偶的實用測量電路一、單點溫度測量電路二、兩點間溫差的測量電路兩同型號熱電偶，且補償導(dǎo)線相同，使各自產(chǎn)生的熱電勢相互抵消，儀表讀數(shù)即為T1和T2的溫度差?？傠妱轂镋AB(T,T0)，流過測溫毫伏計的電流與T一一對應(yīng)，即在表上可標(biāo)出T的刻度。第61頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日三、平均溫度測量電路將同型號的熱電偶并聯(lián)。R1,R2,R3阻值很大，以免T1,T2,T3不等時每個熱電偶上的電流會因其熱電偶電阻變化而變化。缺點：若一個熱電偶被燒斷，儀表反映不出回路中總的熱電勢為：四、若干點溫度之和的測量電路第62頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日§1.3半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器

1.3.1PN結(jié)型溫度傳感器

1.3.2集成溫度傳感器1.3.3溫敏閘流晶體管1.3.4半導(dǎo)體結(jié)型溫度傳感器的應(yīng)用第63頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日一、二極管溫度傳感器

由PN結(jié)理論可知，其正向電流If與Vf的關(guān)系：I0為反向…，B、η與材料和工藝有關(guān)常數(shù)，qVg0為禁帶寬度耗盡區(qū)復(fù)合電流和表面復(fù)合電流使偏離線性當(dāng)If不變時，PN結(jié)Vf隨T的上升而下降，近似線性關(guān)系。對于硅Vf=0.65V,T=300K,η=3.5時，計算知，αT為-2mV/K。說明每升高1℃，Vf就下降約2mV。

第64頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日二、晶體管溫度傳感器

1.基本原理式中Vg0=Eg0/q，A為發(fā)射結(jié)面積、n與材料和工藝有關(guān)的常數(shù)

當(dāng)Ic一定且T不太高時，Vbe基本與T線性關(guān)系；當(dāng)溫度較高時，產(chǎn)生一定的非線性偏移。2.晶體管溫度傳感器的結(jié)構(gòu)由晶體管原理知，NPN的Vbe與T的關(guān)系為:檢測溫度時除溫敏三極管外附加外圍電路實現(xiàn)Ic恒定。通常外圍電路包括參考電壓源﹑運放﹑線性電路等部分。第65頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日3、晶體管溫度傳感器基本電路由運放和溫敏三極管組成,C防止寄生振蕩。T為反饋元件跨接在運放的反相輸入端和輸出端，基極接地。T的集電極Ic僅取決于Rc和電壓E,Ic=E/Rc，與溫度無關(guān)，保證了恒流源工作條件。電壓Vbe隨T近似線性下降。第66頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日1.3.2集成溫度傳感器

電阻R1的壓降⊿Vbe為：

BG1和BG2晶體管的雜質(zhì)分布種類完全相同，且都處于正向工作狀態(tài)，J0相同。一、基本原理Ies為發(fā)射結(jié)反向飽和電流，若Aes為發(fā)射結(jié)面積，且Ae2/Ae1=γ與溫度無關(guān)的常數(shù)，保證I1/I2常數(shù)，⊿Vbe是T的理想的線性函數(shù)。（ProportionalToAbsoluteTemperature）第67頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日二、電壓型集成溫度傳感器

1.基本原理故則電路的溫度系數(shù)為:R1上⊿Vbe為：---指輸出電壓與T成正比的溫度傳感器只要電阻比為常數(shù),正比于T。而輸出電壓的溫度靈敏度即αT可由R2/R1和BG1,BG2射極面積比來調(diào)整。BG3、BG4、BG5PNP的結(jié)構(gòu)和性能完全相同，BG3與BG4組成恒流源，且兩者射極電流相同(稱為電流鏡)第68頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日2．電路結(jié)構(gòu)及應(yīng)用由基準(zhǔn)電壓、溫度傳感器和運放三部分組成。PTAT是核心電路，原理是輸出電壓與T成正比，常用結(jié)構(gòu)為四端電壓輸出外形結(jié)構(gòu)，如圖若輸入與輸出短接，運放起緩沖作用，輸出為10mV/K·T

若給輸入端加上偏置，傳感器的零輸出由0K移到偏置電壓對應(yīng)的溫度T0

第69頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日第70頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日三、電流型集成溫度傳感器AD590

1.AD590的基本原理T3和T4為電流鏡型恒流源，使T1、T2的電流相等。則電路總電流IT為：欲使IT隨T線性變化，R須用具有零溫度系數(shù)的薄膜電阻。則電流溫度系數(shù)為：若γ取8,R為358Ω，則CT可調(diào)整為1μA/K。第71頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日2、AD590實際電路

T1、T2、T3、T4恒流負載，為T9、T11提供相等恒定電流，T9和T11發(fā)射結(jié)面積比為γ。T7、T8差分對管的負反饋作用使T9和T11的VC相等，T10為T7和T8恒流負載,I10=I11,

R5的電流為R6的2倍，則有：第72頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日AD590等效于一個高阻抗的恒流源。在工作電壓為+4～+30V、-55～+150℃，I（μA）與T（K）嚴(yán)格成正比。T每變化1K，輸出增加1μA。在298.2K時輸出電流298.2μA。微安數(shù)表標(biāo)出溫度。封裝形式

T0-52封裝

陶瓷封裝

T0-92封裝

2．AD590的結(jié)構(gòu)及性能AD590的外形及符號：用于不同溫度范圍第73頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日§1.3半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器

1.3.1PN結(jié)型溫度傳感器

1.3.2集成溫度傳感器1.3.3溫敏閘流晶體管1.3.4半導(dǎo)體結(jié)型溫度傳感器的應(yīng)用

第74頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日1.3.3溫敏閘流晶體管

常簡稱為閘流管或晶閘管thyristor，是一個四層pnpn結(jié)構(gòu)的三端半導(dǎo)體器件。包括三個pn結(jié)J1、J2、J3，陽極A和陰極K，作柵極G1和G2。結(jié)構(gòu)可看成由一個pnp和npn組合。pnp的集電極總是和npn的基區(qū)連接在一起。結(jié)構(gòu)圖第75頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日一、工作原理operationprinciple

正向工作時，A和K間加正向電壓，J1和J3均為正偏，J2處于反偏，它流過很小的電流IA，晶閘管處于高阻態(tài)，稱為正向阻斷狀態(tài)——斷態(tài)。可見，在正偏下，通過控制柵極電流，可由斷態(tài)變?yōu)橥☉B(tài)?？勺鳛橐环N理想的開關(guān)器件。反向工作時，J1和J3處于反偏。因J3兩側(cè)是重摻雜區(qū)，則J1幾乎承受所有的反向電壓，流過很小的反向電流，此時稱為反向阻斷狀態(tài)。第76頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日等效結(jié)構(gòu)等效電路第77頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日基本電流-電壓特性正偏條件下（0）～（1）是正向阻斷區(qū)，即關(guān)態(tài)；（1）～（3）為通態(tài)，處于通態(tài)的晶閘管即使去掉柵極偏置，只要電流電壓大于保持點（2）的保持電流Ih

和Vh，仍保持導(dǎo)通狀態(tài)。只有電流低于Ih時，才會由通態(tài)轉(zhuǎn)換為斷態(tài)。第78頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日二、晶閘管的溫度特性

電流-電壓特性隨溫度的變化而改變。當(dāng)溫度升高時正向翻轉(zhuǎn)電壓下降，而反向電壓則提高。當(dāng)晶閘管處于正偏且無柵電流時，其陽極電流為：

T升高時,J2結(jié)反向漏電流指數(shù)增加,相當(dāng)于在柵極注入電流，因pnp管和npn管的正反饋過程,便得到放大的陽極電流。T越高，反向漏電流越大，陽極電流越大，電流增益α隨T升高而增加，當(dāng)T升高到使（α1+α2≈1）時，溫度的微小變化可引起IA的巨大變化，即由斷態(tài)進入通態(tài)。此時對應(yīng)的溫度稱為開關(guān)溫度，或稱導(dǎo)通溫度?？梢娫瓉硖幱谡蜃钄鄥^(qū)的晶閘管可在溫度觸發(fā)下實現(xiàn)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)溫度開關(guān)作用。第79頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日三、溫敏晶閘管的開關(guān)溫度控制

一般晶閘管的開關(guān)溫度on-off都很高，以提高其熱穩(wěn)定性。溫敏晶閘管的開關(guān)溫度能在一個寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通常從兩方面降低開關(guān)溫度。1．增大反向漏電流和直流增益反向漏電流由空間電荷區(qū)產(chǎn)生，設(shè)法增加J2結(jié)區(qū)的有效的產(chǎn)生-復(fù)合中心密度以降低載流子的壽命，增加J2區(qū)的載流子產(chǎn)生過程。其方法采用氬離子注入技術(shù)，在J2結(jié)區(qū)引入晶格缺陷，形成有效的產(chǎn)生-復(fù)合中心。根據(jù)晶體管原理，要增大直流增益，就要在結(jié)構(gòu)設(shè)計上減小p型和n型基區(qū)的寬度。第80頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日2．利用柵極分路電阻（a）分路電阻的接法（一）（b）圖（a）的等效電路（c）分路電阻的接法（二）由于柵極分路電阻并聯(lián)在發(fā)射結(jié)上，RGA電阻的分流作用減小了發(fā)射極注入效率，減小了晶體管的電流增益a1,RGK的分流作用減小了a2，導(dǎo)致開關(guān)溫度的升高,且電阻越小分流作用越強，開關(guān)溫度將越高。圖（c）接法接入分路電阻，則可以增加a1+a2,降低開關(guān)溫度。第81頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日§1.3半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器

1.3.1PN結(jié)型溫度傳感器

1.3.2集成溫度傳感器1.3.3溫敏閘流晶體管1.3.4半導(dǎo)體結(jié)型溫度傳感器的應(yīng)用

第82頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日1.3.4結(jié)型溫度傳感器的應(yīng)用一、晶體管溫度控制器初始溫度較低，Vbe較高，V＋＞V-，VO為VOH,J吸合加熱。溫度升高，Vbe下降V＋下降，升高到THL后V＋＜V－，運放輸出低電平，J停止加熱。恒溫器散熱溫度下降，Vbe上升V＋升高，T降到TLH時，V＋又＞V－，VO又為VOH，J再次吸合加熱。周而復(fù)始，具有滯回特性，溫度控制在T0

處（THL-TLH）內(nèi)。調(diào)節(jié)RW，改變了設(shè)定溫度。感溫元件用NPN的be結(jié)。運放接成滯回電壓比較器。R1、R2和RW上、晶體管、R4和RW下組成測溫電橋。第83頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日二、AD590溫度控制器調(diào)節(jié)R2設(shè)定T0參考電壓。當(dāng)T比T0低時，AD590上流過的電流小，V-較小，比較器輸出V0為高，T1、T2導(dǎo)通，加熱器加熱。當(dāng)T比T0高時，V-大于V+

，則V0變?yōu)榈碗娖剑筎1、T2截止，停止加熱。如此反復(fù)就實現(xiàn)了溫度控制。由AD590、RD、R+R1+R2上和R3+R2下組成測溫電橋，工作原理第84頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日三、攝氏溫度計當(dāng)t為0℃，V+與地間電位為2.73V，調(diào)節(jié)39k和5K電位器使V0為0V，即2.7K電阻上壓降為2.73V，當(dāng)溫度為t℃時，VO為：VO=V+-2.73V=10mV/℃·t(℃)其工作溫度范圍為-55～+150℃，靈敏度為10mV/k。原理第85頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日四、測量溫差的方法

將AD590I、Ⅱ置于兩個不同溫度環(huán)境中。設(shè)測試電流分別為I1、I2，則溫差電流⊿I＝(I2—I1)與(T2—T1)成正比。⊿I加至運放μA741(國F007)的反相輸入端，輸出電壓U0為：

(1-3-17)

即可讀出0～100℃的溫差。電源電壓選8V以上時，運放才能正常工作。

若對準(zhǔn)確度要求不高，亦可采用右圖電路。微安表反映兩點的溫差值。

第86頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日作業(yè)：1、2、3、4、6、第87頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日

A和K間接交流電。當(dāng)T超過設(shè)定時溫控管導(dǎo)通，被整流的半波電流流過負載。當(dāng)T繼續(xù)上升溫控管導(dǎo)通態(tài)不變。T下降到比開關(guān)溫度T0低時，在電源電壓周期內(nèi)，當(dāng)電壓到達零交叉點時就斷開。五、溫度開關(guān)

(1-3-17)

六、火災(zāi)報警電路當(dāng)某一路中的環(huán)境火災(zāi)時T升高達到開啟T0時，這路晶閘管導(dǎo)通，發(fā)光二極管發(fā)光，蜂鳴器也鳴起到溫度報警作用。第88頁，共99頁，2023年，2月20日，星期日一、熱輻射溫度傳感器理論上絕對黑體接收被測對象發(fā)出的所有波長的全部輻射能量Eb。

Eb=σ0T4絕對黑體：一定面積、表面粗糙并涂黑的鉑片。鉑片接收熱量T升高鉑片是全部輻射能-熱量-溫度的轉(zhuǎn)換器測出鉑片T就可測出對象T’。鉑片T也可用熱電偶堆感受電位差計讀出。中央接合處是熱接點，外圍部分的接點為冷接點。4紅外線吸收體熱電偶Si3N4SiO2Si3NSi輻射溫度計的結(jié)