傳感器熱電式傳感器

（優(yōu)選）傳感器第章熱電式傳感器目前一頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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中，也得到了十分廣泛的應(yīng)用。對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、磁化率和熱電動勢等，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)、熱電偶溫度計(jì)和半導(dǎo)體溫度計(jì)等。目前二頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)6.1熱電偶溫度傳感器6.1.1熱電偶測溫原理熱電偶傳感器是一種能將溫度轉(zhuǎn)換成電勢的裝置。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)生一電動勢，這個(gè)電勢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，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Eab稱為熱電勢或溫差電勢。如果圖中，A為正極，

目前三頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)B為負(fù)極，且t>，則產(chǎn)生的熱電勢為

(6.1)

式中：t—熱端溫度（℃）；—冷端溫度（℃）由此可知，用熱電偶測溫，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。目前四頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)圖6-1熱電效應(yīng)目前五頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)6.1.2熱電勢的測量上述的熱電偶是指兩個(gè)電極組成的閉合電路。當(dāng)要測量此熱電勢時(shí)，實(shí)際最簡單的測量線路如圖6-2所示。這時(shí)回路中除熱電極A、B外，還有測量儀器M和諒解導(dǎo)線C、D。那么，此時(shí)M所測到的電勢是否與式（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)溫度對應(yīng)相同，即，且與熱電極相接的一端溫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，M所測得的電勢即為原熱電偶的熱電勢；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)目前六頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)，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)生附加的測量誤差。目前七頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)6-2熱電偶工作原理圖目前八頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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)溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。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，則回路中的總電動勢為

(6-3)目前九頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)圖6-3熱電偶中接入第三種導(dǎo)體目前十頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)如果回路中三接點(diǎn)的溫度相同，即t＝t0，則回路總電動勢必為零，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)體引入測量儀表，其總電動勢也是不變的。

目前十一頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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，并且熱電動勢已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就已知。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)生的熱電動勢為已知，即

目前十二頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)那么，導(dǎo)體A與B組成的熱電偶，其熱電動勢可由下式求得(6-6)圖6-4三種導(dǎo)體分別組成熱電偶目前十三頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)電極定律是一個(gè)極為實(shí)用的定律?？梢韵胂?，純金屬的種類很多，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勢，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，只要測得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動勢可根據(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勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為-4.0mV，則鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢應(yīng)為2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV目前十四頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)中間溫度定律：熱電偶在兩接點(diǎn)溫度t、t0時(shí)的熱電動勢等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為t、tn和tn、t0時(shí)的相應(yīng)熱電動勢的代數(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，只要接入的導(dǎo)體組成熱電偶的熱電特性與被延長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，則總回路的熱電動勢與連接點(diǎn)溫度無關(guān)，只與延長以后的熱電偶兩端的溫度有關(guān)。目前十五頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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，只要接入的導(dǎo)體組成熱電偶的熱電特性與被延長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，則總回路的熱電動勢與連接點(diǎn)溫度無關(guān)，只與延長以后的熱電偶兩端的溫度有關(guān)。目前十六頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)6.1.4熱電偶冷端溫度誤差及其補(bǔ)償由式（6-1）表明，熱電勢是兩個(gè)接點(diǎn)溫度的函數(shù)。但是，通常要求測量的是一個(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，給出熱電勢與熱端溫度的數(shù)值對照。因此，當(dāng)使用熱電偶測量溫度時(shí)，如果冷端溫度保持0℃，則只要正確地測得電勢，通過對應(yīng)分度表，即可查的所測得溫度。但在實(shí)際測量中，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，對熱電偶進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)對溫度的準(zhǔn)確測量。對熱電偶冷端溫度變化所引起的冷端溫度誤差，長采用下述補(bǔ)償方法。目前十七頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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?/p>

目前十八頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)圖6-3冰點(diǎn)冷端恒溫法目前十九頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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。電橋的輸出△V與熱電勢串聯(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。目前二十頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)圖6-4冷端補(bǔ)償器的應(yīng)用目前二十一頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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（對于廉價(jià)熱電偶，可以采用延長熱電極的方法），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℃以下的熱電勢均非常小。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。目前二十二頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)6.1.5常用熱電偶的特點(diǎn)雖說許多金屬相互接合會產(chǎn)生熱電效應(yīng)，但是能做成適于測量的實(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。目前二十三頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)表6-1常用熱電偶種類及性質(zhì)目前二十四頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)由于熱電偶能直接進(jìn)行溫度-電勢轉(zhuǎn)換，體積小、測量范圍寬、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)，至今仍在測溫領(lǐng)域里得到廣泛應(yīng)用。（1）結(jié)構(gòu)簡單，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妮敵鲂盘枮殡妱觿?，因此測量時(shí)，可不要外加電源。輸出靈敏度在室溫下為毫伏數(shù)量級。（3）測量范圍廣，可從269—1800OC。（4）測量精度高，熱電偶與被測對象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響。（5）便于遠(yuǎn)距離測量、自動記錄及多點(diǎn)測量。目前二十五頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)6.1.6常用熱電偶的應(yīng)用舉例(一)熱電偶測金屬表面溫度表面溫度測量是溫度測量的一大領(lǐng)域。金屬表面溫度的測量對于機(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量。測溫范圍從幾百攝氏度到一千多攝氏度。而測量方法通常利用直接接觸測溫法。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，工藝比較簡單。在溫度較高且測量精度高和時(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。目前二十六頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)如圖6-5熱電偶測量系統(tǒng)目前二十七頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)(二)測控應(yīng)用如圖6-5中所示為常用爐溫測量采用的熱電偶測量系統(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。

目前二十八頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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、玻璃和塑料制成。由于熱敏電阻器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、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。目前二十九頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)圖6-6三種熱敏電阻的熱電特性曲線目前三十頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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)量級為2~4，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2~4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。目前三十一頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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)求得，通常B=2000~5000K。和是在一定溫度下，采用引起阻值變化不超過

的測量功率所測出的電阻值，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)測得的電阻值，作為熱敏電阻的標(biāo)稱電阻值。目前三十二頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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）的阻值相對變化量，即=由式（6-6）可求得=(6.7)式中的負(fù)號表示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。目前三十三頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)2.伏安特性：v=f(I)將NTC接上電流源，并測出它兩端的電壓，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，使v=f(I)線性范圍變寬。顯然，當(dāng)NTC作測溫元件使用時(shí)，應(yīng)使它在v-I線性范圍內(nèi)工作。目前三十四頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)圖6-7NTC的伏安特性曲線目前三十五頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)3.熱響應(yīng)特性熱敏電阻測溫的過程都是將被測對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，長期連接工作所允許的最高溫度，對應(yīng)所耗散的功率稱為熱敏電阻的額定功率。目前三十六頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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)。目前三十七頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)6.2.2半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器的組成用于測溫的半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器主要是由NTC元件及測量電路組成。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、表面溫度及快速測溫。但目前它的高溫性能不好，一般用來測量℃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。目前三十八頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)圖6-8熱敏電阻元件的結(jié)構(gòu)目前三十九頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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量。圖6-9所示是用于半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器的一種測量橋路。圖6-9半導(dǎo)體熱敏電阻測量橋路目前四十頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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?！?”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)，這樣可以簡化電路，提高測量精度。目前四十一頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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.目前四十二頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)（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）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。目前四十三頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)圖6-10NTC的幾種組合電路及其熱電特性目前四十四頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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)目前四十五頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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：目前四十六頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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。目前四十七頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)表6-2組合電路的阻值和線性誤差目前四十八頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)圖6-11NTC其組合電路的特性曲線目前四十九頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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。目前五十頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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：一類是作為檢測元件；另一類是作為電路元件。由元件的伏-安特性看，熱敏電阻器在技術(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)用有溫度測量、各種電路元件的補(bǔ)償，空氣溫度、熱電偶冷端溫差電動勢的溫度補(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。目前五十一頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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。利用這一特點(diǎn)，可使熱敏電阻作低頻振蕩、起動電阻、時(shí)間繼電器和超高頻功率測量電路。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，可以得到比直熱式熱敏電阻更高的靈敏度。

目前五十二頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)圖6-12熱敏電阻器伏-安特性曲線與工作區(qū)域劃分目前五十三頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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)（125~150℃）還能產(chǎn)生自熱。因此，電橋平衡與環(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。目前五十四頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)圖6-13用熱敏電阻器測量液體或氣體流速的電路目前五十五頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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：

由此式表明，正比于絕對溫度?；谏鲜鲈碇瞥闪苏冉^對溫度的傳感器PTAT（Proportionaltoabsolutetempcrature）。下述的集成溫度傳感器就是以PTAT為感溫元件的。目前五十六頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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溫度?；驹黼娐啡鐖D6-16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、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(6.15)目前五十七頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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作溫敏器件，因而補(bǔ)償了許多不利因素，但輸出信號電平較低。目前五十八頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)圖6-14電流型集成目前五十九頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)圖6-15電壓型集成溫度傳感器的電路目前六十頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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溫度的集成溫度傳感器，基本原理電路如圖6-15所示。其中是溫敏晶體管對，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)目前六十一頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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，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量時(shí)，需要從輸出電壓中減去這個(gè)恒定值。目前六十二頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)三、具有內(nèi)部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。例如，在300K溫度下，用PTAT溫度傳感器檢測0.1K的溫度變化，要求分辨率為3000：1。若輸出信號使用攝氏或華氏溫標(biāo)計(jì)量溫度，要求分辨率僅為270：1。比例表明如果測量溫度范圍較小，溫度傳感器最好在測量溫度附近標(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)，成本高目前六十三頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)圖6-16℃，F(xiàn)或其他溫標(biāo)的輸出信號的溫度測量系統(tǒng)目前六十四頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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。目前六十五頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)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)整信號可以得到標(biāo)定的輸出特性。目前六十六頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)圖6-17具有內(nèi)部參考電壓溫度傳感器的電路目前六十七頁\總數(shù)七十八頁\編于十一點(diǎn)圖6-18輸出電壓與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系目前六十八頁\總數(shù)七十八