第2章 熱電傳感器

第2章熱電傳感器2.1熱電勢(shì)式測(cè)溫傳感器2.2熱電阻式溫度傳感器

2.3PN結(jié)型測(cè)溫傳感器

2.4集成電路溫度傳感器2.5熱釋電式傳感器2.6熱電傳感器應(yīng)用實(shí)例

思考題與習(xí)題

2.1熱電勢(shì)式測(cè)溫傳感器 2.1.1工作原理 兩種不同的導(dǎo)體兩端相互緊密地連接在一起,組成一個(gè)閉合回路,如圖2.1所示。當(dāng)兩接點(diǎn)溫度不等（T＞T0）時(shí),回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),從而形成熱電流。這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)?；芈分挟a(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。圖2.1熱電偶的結(jié)構(gòu)示意圖 通常,把上述兩種不同導(dǎo)體的組合稱為熱電偶,稱A、B兩導(dǎo)體為熱電極。兩個(gè)接點(diǎn),一個(gè)為工作端或熱端（T），測(cè)量時(shí)將它置于被測(cè)溫度場(chǎng)中；另一個(gè)叫自由端或冷端（T0）,一般要求恒定在某一溫度。 在圖2.1所示的熱電偶回路中,所產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩部分組成：接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)。 接觸電勢(shì)的成因,是研究熱電偶的一個(gè)重點(diǎn)。 現(xiàn)在分析接觸電勢(shì)產(chǎn)生的原因。我們知道,不同導(dǎo)體的自由電子密度是不同的。當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A、B緊密連接在一起時(shí),在A、B的接觸處就會(huì)產(chǎn)生電子的擴(kuò)散。設(shè)導(dǎo)體A的自由電子密度大于導(dǎo)體B的自由電子密度（NA＞NB）,那么,在單位時(shí)間內(nèi),由導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)要比導(dǎo)體B擴(kuò)散到導(dǎo)體A的電子數(shù)多。這時(shí),導(dǎo)體A因失去電子而帶正電,導(dǎo)體B因得到電子而帶負(fù)電。于是,在接觸表面上便形成了一個(gè)電場(chǎng),在A、B之間形成一個(gè)電位差,即電動(dòng)勢(shì)（見圖2.2）。圖2.2兩不同導(dǎo)體接觸處電子的擴(kuò)散與靜電場(chǎng)的形成 這個(gè)電動(dòng)勢(shì)將阻礙電子由導(dǎo)體A向?qū)wB的進(jìn)一步擴(kuò)散。當(dāng)電子的擴(kuò)散作用與阻礙擴(kuò)散的作用相等時(shí),接觸處的自由電子的擴(kuò)散便達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這種由于兩種導(dǎo)體自由電子密度不同,而在其接觸處形成的電動(dòng)勢(shì),稱為接觸電勢(shì)。用符號(hào)eAB(T)和eAB(T0)表示導(dǎo)體A和導(dǎo)體B的兩處接觸點(diǎn)在溫度T和T0時(shí)形成的電位差。根據(jù)物理學(xué)上的推導(dǎo),有(2.1)(2.2) 式中：k0——波茲曼常數(shù),k0=1.38×10-23J／K=8.62×10-5eV／K;

T,T0——接觸處的絕對(duì)溫度（K）；

NA,NB——材料A、B的自由電子密度；

e——電子電荷量,e=1.602×10-19C。

熱電偶熱電勢(shì)的另一個(gè)組成部分是溫差電勢(shì)。溫差電勢(shì)是在同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢(shì)。 實(shí)驗(yàn)與理論均已證明,熱電偶回路總電勢(shì)主要是由接觸電勢(shì)引起的。 在圖2.1中,若A為正極,B為負(fù)極,則所產(chǎn)生的總電勢(shì)為

EAB（T,T0）=eAB(T)-eAB(T0)

(2.3)

通過熱電偶理論可以得到如下幾點(diǎn)結(jié)論： ①若熱電偶兩電極材料相同,則無(wú)論兩接點(diǎn)溫度如何,總熱電勢(shì)為零。 ②若熱電偶兩接點(diǎn)溫度相同,盡管A、B材料不同,回路中總電勢(shì)等于零。 ③熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)只與材料和接點(diǎn)溫度有關(guān),與熱電極的尺寸、形狀等無(wú)關(guān)。同樣材料的熱電極,其溫度和電勢(shì)的關(guān)系是一樣的。因此,熱電極材料相同的熱電偶可以互換。 ④熱電偶A、B在接點(diǎn)溫度為T1、T3時(shí)的熱電勢(shì),等于此熱電偶在接點(diǎn)溫度為T1、T2與T2、T3兩個(gè)不同狀態(tài)下的熱電勢(shì)之和,即

EAB（T1,T3）=EAB(T1,T2)+EAB(T2,T3) =eAB（T1）-eAB（T2）+eAB（T2）-eAB（T3） =

eAB（T1）-

eAB（T3）（2.4）

⑤當(dāng)熱電極A、B選定后,熱電勢(shì)EAB（T,T0）是兩接點(diǎn)溫度T和T0的函數(shù)差,即

EAB（T,T0）=f(T)-f(T0)(2.5)

如果使冷端溫度T0保持不變,則f(T0)=C(常數(shù))。此時(shí),EAB（T,T0）就成為T的單值函數(shù),即

EAB（T,T0）=f(T)-C=φ(T)（2.6） 2.1.2熱電偶中引入第三導(dǎo)體 在A、B材料組成的熱電偶回路中接入第三導(dǎo)體C,只要引入的第三導(dǎo)體兩端溫度相同,則此導(dǎo)體的引入不會(huì)改變總電勢(shì)EAB（T,T0）的大小。在實(shí)際應(yīng)用中,熱電偶回路中需接入測(cè)量?jī)x表,相當(dāng)于在熱電偶回路中接入第三導(dǎo)體,如圖2.3所示。 在圖2.3(a)中,2、3兩點(diǎn)溫度相同,回路中總電勢(shì)

EABC（T,T0）=eAB（T）+eBC（T0）+eCA（T0）(2.7)

當(dāng)回路中各接點(diǎn)溫度相同時(shí),總電勢(shì)為零,即

EABC（T,T0）=eAB（T0）+eBC（T0）+eCA（T0）=0 eBC（T0）+eCA（T0）=-eAB（T0）（2.8） 將式（2.8）代入式（2.7）得

EABC(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=EAB(T,T0)

(2.9)

同理可證圖2.3(b)的情況。圖2.3熱電偶回路中引入第三導(dǎo)體 2.1.3標(biāo)準(zhǔn)熱電極 如果兩種導(dǎo)體（A和B）分別與第三種導(dǎo)體（C）組成熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)已知,則由這兩個(gè)導(dǎo)體（A,B）組成的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)可由下式算得：

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）-EBC（T,T0）（2.10）

如圖2.4所示,AC、BC、AB為三個(gè)熱電偶,工作端溫度為T,冷端溫度為T0,則

EAC（T,T0）=eAC（T）-eAC（T0）

EBC（T,T0）=eBC（T）-eBC（T0）圖2.4通過標(biāo)準(zhǔn)熱電極C求組合熱電偶的熱電勢(shì) 將上二式相減得： 由式（2.8）有(2.11)(2.12)

2.1.4熱電偶冷端溫度誤差及其補(bǔ)償 通常用熱電偶測(cè)量的是一個(gè)熱源的溫度,或兩個(gè)熱源的溫度差。為此,必須把冷端的溫度保持恒定或采用一些方法處理。熱電偶的輸出電壓與溫度成非線性關(guān)系。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T0=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)得熱電勢(shì),通過對(duì)應(yīng)分度表,即可查得所測(cè)的溫度。 但在實(shí)際測(cè)量中,熱電偶的冷端溫度將受環(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)冷端溫度變化所引起的溫度誤差,常采用下述補(bǔ)償措施。

1.0℃恒溫法 將熱電偶的冷端保持在0℃器皿中,如圖2.5所示。此法適用于實(shí)驗(yàn)室,它能使冷端溫度誤差得到完全的克服。

Δ=EAB（T,T0）-EAB（T,0）=-EAB（T0,0）

由該式可見,它雖不為零,但為一個(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D2.5冷端0℃恒溫 3.冷端補(bǔ)償器法 工業(yè)上,常采用冷端補(bǔ)償器法。冷端補(bǔ)償器是一個(gè)四臂電橋,其中三個(gè)橋臂電阻的溫度系數(shù)為零,另一橋臂采用銅電阻RCu（其值隨溫度變化）,放置于熱電偶的冷接點(diǎn)處,如圖2.6所示。通常,取T0=20℃時(shí)電橋平衡（R1=R2=R3=RCu=20℃）。此時(shí),若不考慮Rs和四臂電橋的負(fù)載影響,則圖2.6冷端補(bǔ)償器法原理 當(dāng)T0上升（如T0=Tn）時(shí),RCu上升,ΔUab=

,ΔUab上升。由于

U=ΔUab+eAB(T)-

eAB(20)-

eAB(Tn-20)

而補(bǔ)償器選擇的RCu產(chǎn)生的ΔUab=eAB(Tn-20),故U維持公式：

U=

eAB(T)-

eAB(20)

冷端補(bǔ)償器所產(chǎn)生的不平衡電壓正好補(bǔ)償了由于冷端溫度變化引起的熱電勢(shì)變化值,儀表便可指示出正確的溫度測(cè)量值。 使用冷端補(bǔ)償器應(yīng)注意：①

由于電橋是在20℃平衡,所以此時(shí)應(yīng)把溫度表示的機(jī)械零位調(diào)整到20℃處。②

不同型號(hào)規(guī)格的冷端補(bǔ)償器應(yīng)與一定的熱電偶配套。

4.補(bǔ)償導(dǎo)線法 當(dāng)熱電偶冷端的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。此時(shí),應(yīng)先采用補(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)移至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? 目前已經(jīng)知道,鎳鈷-鎳鋁熱電偶在300℃以下,鎳鐵-鎳銅熱電偶在50℃以下,鉑銠30-鉑銠6熱電偶在50℃以下的熱電勢(shì)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。 6.補(bǔ)正系數(shù)修正法 工程上經(jīng)常采用補(bǔ)正系數(shù)法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。設(shè)冷端溫度為tn,工作端測(cè)得溫度場(chǎng)的溫度為t1,其實(shí)際溫度應(yīng)為

t=t1+ktn

式中k為補(bǔ)正系數(shù),可從表2.1所示的補(bǔ)正系數(shù)表中查得。表2.1熱電偶補(bǔ)正系數(shù) 例如,用鎳鉻-考銅熱電偶測(cè)得某溫度場(chǎng)溫度為600℃,此時(shí),冷端溫度為30℃,則通過表2.1可查得k值為0.78,則溫度場(chǎng)的實(shí)際溫度為

t=600℃+0.78×30℃=623.4℃

在使用熱電偶作溫度傳感器、系統(tǒng)采用單片機(jī)的智能式溫度測(cè)試系統(tǒng)中,這一修正過程可以自動(dòng)完成。 2.1.5常用熱電偶的特性 雖說許多金屬相互結(jié)合都會(huì)產(chǎn)生熱電效應(yīng),但是能做成適于測(cè)溫的實(shí)用熱電偶者為數(shù)不多。目前常用的熱電偶及其特性見表2.2。 由于熱電偶能直接進(jìn)行溫度-電勢(shì)轉(zhuǎn)換,而且體積小、測(cè)溫范圍廣,因此,獲得了廣泛的應(yīng)用。熱電偶的結(jié)構(gòu)除普通型外,還有具有保護(hù)外套的所謂鎧裝(也有叫纜式)熱電偶、薄膜熱電偶等。薄膜熱電偶是用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極金屬蒸鍍到絕緣基板上,兩者牢固地結(jié)合在一起,形成薄膜狀熱接點(diǎn)。在輻射檢測(cè)器中,常采用多個(gè)熱電偶組成熱電堆,構(gòu)成熱量型檢測(cè)器,實(shí)現(xiàn)將輻射熱轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。表2.2略 2.1.6熱電偶的測(cè)量電路 熱電偶的輸出電壓很小,通常每度只有數(shù)十微伏(μV),要求測(cè)量用的運(yùn)算放大器的漂移必須很小,有關(guān)元件也需認(rèn)真選擇。圖2.7所示為日本K型熱電偶的測(cè)量電路和元件表。實(shí)際中應(yīng)注意濾波器的電容C1,若其漏電大,則會(huì)產(chǎn)生很大的偏移電壓。例如,C1的漏電流若為0.1μA,電阻R3為1kΩ,就會(huì)產(chǎn)生0.1μA×1kΩ=100μV的偏移電壓。圖2.7K型熱電偶測(cè)量電路 表2.3示出了K、J、E、T型熱電偶產(chǎn)生的相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)冷端（0℃）的溫差電勢(shì)。由該表中可知,K型熱電偶在0℃時(shí)輸出為0mV,600℃時(shí)輸出為24.902mV。如果放大器的增益由電位器Rw1調(diào)整為240.94倍,則0℃時(shí)輸出為0V,600℃時(shí)輸出為6.000V。表2.3K、J、E、T型熱電偶產(chǎn)生的相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)冷端（0℃）的溫差電勢(shì)

以600℃的輸出作為滿刻度,繪出其非線性誤差曲線,如圖2.8所示。從圖中可見,其最大有1%的誤差 。K型熱電偶還是上述熱電偶中線性最好的。由此看來(lái),要提高測(cè)量精度,一般都要進(jìn)行線性校正。 線性校正電路有多種實(shí)現(xiàn)方法,這里介紹一下高次多項(xiàng)式線性校正電路的實(shí)現(xiàn)。 熱電偶的溫差電勢(shì)可近似表示為

EAB(T1,0)=a0+a1T+a2T2+…+aNTN

其中T為溫度,a0、…、aN為系數(shù)。因此高次冪運(yùn)算電路就能作為線性校正電路。電路運(yùn)算次數(shù)越高,線性精度也越高,但價(jià)格、響應(yīng)時(shí)間等將隨之提高。一般只考慮到2次,此時(shí),已能將線性校正到很高的精度。圖2.8K型熱電偶的非線性誤差 對(duì)于溫差電勢(shì)的近似表達(dá)式,可由切比雪夫（Chebyshev）展開式求得。只要自編或從程序庫(kù)（有關(guān)程序資料）中找到該程序,上機(jī)運(yùn)行,輸入U(xiǎn)j（熱電偶的溫差電勢(shì)）、Yi（溫度）（i=1,2,…,N；j=1,2,…,N）,如輸入K型熱電偶溫度Y1=0,Y2=100,…,再輸入對(duì)應(yīng)的U1=0mV,U2=4.095mV,…,得結(jié)果為

(僅取2次) 在600℃時(shí),溫差電勢(shì)Ui=E=24.902mV,代入上式得輸出為600mV。要得到6V=6000mV,上式應(yīng)增大10倍,于是

Uout=-7.76+249.952Ui-0.347334U2i(mV)

由上式不難驗(yàn)證,300℃時(shí),E=12.207mV,

Uout=2991.6mV（相當(dāng)299.2℃）；600℃時(shí),E=24.902mV,Uout=6001.2mV（相當(dāng)600.1℃）?？梢?輸出被校正了。 現(xiàn)使用AD538構(gòu)成校正電路。這種集成電路有三個(gè)輸入U(xiǎn)X、UY、UZ,且滿足如下函數(shù)關(guān)系式：

Uout=UY(UZ／UX)m

用AD538作為平方電路既簡(jiǎn)單又方便。AD538的特性參數(shù)如表2.4表示。表2.4AD538的特性參數(shù)(Us=+15V,Ta=25℃)

AD538的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.9所示。圖2.9AD538的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 圖2.10所示為由AD538構(gòu)成的線性校正電路,由R1～R4確定一次系數(shù)和二次系數(shù)的增益。AD538的4腳輸出10V基準(zhǔn)電壓。如圖連接時(shí),函數(shù)關(guān)系式中的m=1,UY=UZ=Ua，UX=10V。圖2.10

K型熱電偶線性校正電路

Uout=-7.76+249.952

Ui-5.56×10-6(249.952Ui)2

=-7.76+Ua-5.56×10-6U2a(mV)

式中Ua=249.952Ui,一次系數(shù)為1,二次系數(shù)為5.56×10-6。

AD538的Uo=U2a／10000mV,故

Uout=-7.76+Ua-0.0556Uo(mV)

圖2.11

K型熱電偶校正前后溫度誤差特性比較 二次系數(shù)是R4／R2=0.0556,取R4=15kΩ,R2=270kΩ；一次系數(shù)為［（1+R4／R2）R3］／（R1+R3）=1,取R1=15kΩ,R3=270kΩ；UR6=7.7mV,選R6=100Ω，R5=130kΩ。

校正與不校正,結(jié)果大不一樣,如圖2.11所示。在沒有線性校正電路時(shí),有近1%的非線性誤差,而有校正電路后則只有約0.1%～0.2%的非線性誤差。2.2熱電阻式溫度傳感器 2.2.1金屬測(cè)溫電阻器 1.電阻與溫度的關(guān)系 大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度而變化的關(guān)系可由下式表示：

Rt=R0［1+α(t-t0)］(2.13)

式中：Rt,R0——分別為熱電阻在t℃和t0℃時(shí)的電阻值；

α——熱電阻的電阻溫度系數(shù)（1／℃）；

t——被測(cè)溫度（℃）。 從式（2.13）可見,只要α保持不變（常數(shù)）,則金屬電阻Rt將隨溫度線性地增加,其靈敏度S為

由此可見,α越大,S就越大。純金屬的電阻溫度系數(shù)α為（0.3～0.6）%／℃。但是,絕大多數(shù)金屬導(dǎo)體的α并不是常數(shù),它也隨溫度的變化而變化,只能在一定的溫度范圍內(nèi),把它近似地看作為一個(gè)常數(shù)。不同的金屬導(dǎo)體,α保持常數(shù)所對(duì)應(yīng)的溫度不相同,而且這個(gè)范圍均小于該導(dǎo)體能夠工作的溫度范圍。 通常采用的金屬感溫（或稱測(cè)溫）電阻有鉑、銅和鎳。由于鉑具有很好的穩(wěn)定性和測(cè)量精度,故人們主要把它用于高精度的溫度測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫裝置。 感溫電阻通常由電阻體、保護(hù)套管和接線盒等部件組成,熱電阻絲是繞在骨架上的,骨架采用石英、云母、陶瓷、塑料等材料制成。另外還有箔型、薄膜型等結(jié)構(gòu)形式。 由式（2.13）可見,要確定電阻Rt與溫度t的關(guān)系,首先要確定R0的數(shù)值。R0不同時(shí),Rt與t的關(guān)系也不同。在工業(yè)上,將不同R0的Rt～t關(guān)系制成不同分度號(hào)的分度表,可供直接查用。對(duì)于鉑電阻,我國(guó)工業(yè)用的分度號(hào)主要有BA1（Pt50）、BA2（Pt100）、BA3（Pt300）， 其電阻器在100℃和0℃下的電阻比值采用 ；銅電阻的分度號(hào)有G、Cu50和Cu100,。例如,對(duì)于BA1,R100=63.99Ω,R0=46Ω, ；對(duì)于BA2,。又如,對(duì)于G，R100=75.52Ω,R0=53Ω,

。

主要金屬感溫電阻器的性能列于表2.5。表2.5主要金屬感溫電阻器的性能 分度號(hào)為BA1、BA2、G的分度特性表見表2.6、表2.7及表2.8。 關(guān)于WZB型鉑熱電阻分度特性表的說明如下。 鉑電阻與溫度的關(guān)系在0～630.74℃以內(nèi)為

Rt=R0(1+At+Bt2)-190～0℃以內(nèi)為

Rt=R0［1+At+Bt2+C(t-100)t2］

式中：Rt——溫度為t℃時(shí)的電阻值；

R0——溫度為0℃時(shí)的電阻值；

t——任意溫度值；

A,B,C——分度系數(shù)。表2.6wzb型鉑熱電阻分度特性表表2.7wzb型鉑熱電阻分度特性表表2.8WZG型銅熱電阻分度特性表 2.使用時(shí)的注意事項(xiàng) 工業(yè)上廣泛應(yīng)用金屬感溫電阻器作為-200～+600℃范圍的溫度測(cè)量。它的特點(diǎn)是精度高,適于測(cè)低溫。但使用中需要注意以下兩點(diǎn)。 1）自熱誤差 在用感溫電阻器測(cè)量時(shí),電阻總要消耗一定的電功率,它同樣會(huì)造成電阻值的變化,但這種變化是不希望的。使用中應(yīng)盡量減小由于電阻器通電產(chǎn)生的自熱而引起的誤差。一般是限制電流,規(guī)定其值應(yīng)不超過6mA。 2）引線電阻的影響 用于測(cè)量的感溫電阻器,總得有連接導(dǎo)線,但由于金屬電阻器本身的電阻值很小,所以引線的電阻值及其變化就不能忽略。比如對(duì)于50Ω的測(cè)溫電阻,1Ω的導(dǎo)線電阻將產(chǎn)生約5℃的誤差,這是不能允許的。為此,測(cè)量電阻的引線通常采用三線式或四線式接法。 圖2.12中,Rt為熱電阻,r1、r2、r3為引線電阻。在三線式連接法中,一根引線接到電源對(duì)角線上,另兩根分別接到電橋相鄰的兩個(gè)臂。這樣，引線電阻值及其變化對(duì)儀表讀數(shù)的影響可以互相抵消一部分。而圖2.13的二線式接法中,兩根引線完全加到一個(gè)橋臂上,引線電阻值及其變化將引起電橋輸出變化,造成測(cè)溫誤差。圖2.12三線式接法圖2.13二線式接法圖2.14三種類型熱敏電阻的典型特性 2.2.2半導(dǎo)體熱敏電阻器 1.分類及特性 半導(dǎo)體熱敏電阻按半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的典型特性分為三種類型,即負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和在某一特性溫度下電阻值會(huì)發(fā)生突變的臨界溫度電阻（CTR）。它們的特性曲線如圖2.14所示。 由圖2.14可見,使用CTR組成熱控制開關(guān)是十分理想的。但在溫度測(cè)量中,則主要采用NTC,其溫度特性如下式所示：

式中：Rt、R0——分別為TK和T0K時(shí)的熱敏電阻值；

B——熱敏電阻的材料常數(shù),其值主要取決于熱敏電阻的材料。一般情況下,B=2000～6000K,在高溫下使用時(shí),B值將增大；

T——被測(cè)溫度（K）。

若定義

為熱敏電阻的溫度系數(shù)α,則由式（2.14）有(2.15) 可見,α隨溫度降低而迅速增大。如B值為4000K,當(dāng)T=293.15K(20℃)時(shí),用上式可求得α=4.7%/℃,約為鉑電阻的12倍,因此,這種測(cè)溫電阻靈敏度高。R0的常用范圍是幾百歐到一百千歐,所以,這種測(cè)溫電阻的引線電阻影響小,可以忽略。體積小也是半導(dǎo)體熱敏電阻的又一個(gè)特點(diǎn)。由于有這些特點(diǎn),使它非常適合于測(cè)量微弱的溫度變化、溫差以及溫度場(chǎng)的分布。 2.使用時(shí)的注意事項(xiàng) 在使用熱敏電阻時(shí),也要注意到自熱效應(yīng)問題,但是,必須特別注意的有如下兩點(diǎn)。 1）熱敏電阻溫度特性的非線性 由式（2.14）可知,熱敏電阻隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律,也就是說,其非線性是十分嚴(yán)重的。當(dāng)需要進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換時(shí),就應(yīng)考慮其線性化處理。常用的線性化方法如下。 （1）線性化網(wǎng)絡(luò)。利用包含有熱敏電阻的電阻網(wǎng)絡(luò)（常稱線性化網(wǎng)絡(luò)）來(lái)代替單個(gè)的熱敏電阻,其一般形式如圖2.15所示。圖2.15熱敏電阻的線性化網(wǎng)絡(luò) 根據(jù)Rt的實(shí)際特性和要求的網(wǎng)絡(luò)特性RT（t）,通過計(jì)算或圖解方法確定網(wǎng)絡(luò)中的電阻R1、R2、R3。目前這種方法用得較多。為了提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度,可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行。 （2）利用電子裝置中其它部件的特性進(jìn)行綜合修正。圖2.16是一個(gè)溫度-頻率轉(zhuǎn)換電路。它實(shí)際是一個(gè)三角波-方波變換器,電容C的充電特性是非線性特性。適當(dāng)?shù)剡x取線路中的電阻r和R,加上Rt,可以在一定的溫度范圍內(nèi),得到近似于線性的溫度-頻率轉(zhuǎn)換特性。該電路圖2.16溫度-頻率轉(zhuǎn)換電路 （3）計(jì)算修正法。在帶有微處理機(jī)（或微型計(jì)算機(jī)）的測(cè)量系統(tǒng)中,當(dāng)已知熱敏電阻的實(shí)際特性和要求的理想特性時(shí),可采用線性插值法將特性分段,并把各分段點(diǎn)的值存放在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器內(nèi)。計(jì)算機(jī)將根據(jù)熱敏電阻器的實(shí)際輸出值進(jìn)行校正計(jì)算后,給出要求的輸出值。 2）熱敏電阻器特性的穩(wěn)定性和老化問題 早期熱敏電阻器的應(yīng)用曾因其特性的不穩(wěn)定、分散性、缺乏互換性和老化問題而受到限制。近十幾年來(lái),隨著半導(dǎo)體工藝水平的提高,產(chǎn)品性能已得到很大的改善。現(xiàn)在已研制出精度優(yōu)于熱電偶,并具有互換性的熱敏電阻,而且還能制造出300℃以下可忽略老化影響的產(chǎn)品。但不同廠家產(chǎn)品質(zhì)量差異還比較大,使用時(shí)仍應(yīng)認(rèn)真選擇。 一般地說,正溫度系數(shù)熱敏電阻器和臨界溫度熱敏電阻器特性的均勻性要差于負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。 在輻射熱檢測(cè)器中,人們采用薄膜式金屬電阻和熱敏電阻薄膜,構(gòu)成熱量型檢測(cè)器,將輻射熱轉(zhuǎn)換成電阻的變化。 3.應(yīng)用舉例 電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)裝置組成電路原理如圖2.17所示。圖2.17電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)裝置組成電路原理 把三只特性相同的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（如RRC6型）（經(jīng)過測(cè)試，阻值在20℃時(shí)為10kΩ；100℃時(shí)為1kΩ;110℃時(shí)為0.6kΩ）放置在電動(dòng)機(jī)內(nèi)繞組旁,緊靠繞組,每相各放置一只,用萬(wàn)能膠固定。當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),溫度較低,熱敏電阻阻值較高,三極管V1截止,繼電器K不動(dòng)作。當(dāng)電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷,或斷相,或一相通地時(shí),電動(dòng)機(jī)溫度急劇上升,熱敏電阻阻值急劇減小,小到一定值,使三極管V完全導(dǎo)通,繼電器K動(dòng)作,使S閉合,紅燈亮,起到報(bào)警保護(hù)作用。 熱敏電阻的型號(hào)很多,表2.9列出了幾種常用型號(hào),供讀者參閱。表2.9常用熱敏電阻2.3PN結(jié)型測(cè)溫傳感器

2.3.1溫敏二極管及其應(yīng)用 1.工作原理 由PN結(jié)理論可知,對(duì)于理想二極管,只要UF大于幾個(gè)K0T／q,其正向電流IF與正向電壓UF和溫度T之間的關(guān)系可表示為

式中：IS=ABTrexp(Eg0K0T)——飽和電流；

B′=AB——與溫度無(wú)關(guān)并包含結(jié)面積A的常數(shù)；

B——包括了所有與溫度無(wú)關(guān)的因子的常數(shù)；

r——與遷移率有關(guān)的常數(shù)（,而λ可通過（求得,Dn是電子擴(kuò)散系數(shù),τn是非平衡電子壽命）；

T——絕對(duì)溫度,單位為K；

Eg0——0K溫度時(shí)材料的禁帶寬度,單位為eV；

k0——波茲曼常數(shù)；

q——電子電荷,q=1.6×10-19C。 對(duì)式（2.16）兩端取對(duì)數(shù),可得作為溫度和電流函數(shù)的正向電壓 式中Ug0=Eg0／q。

上式給出了二極管的正向電壓UF與溫度T之間的關(guān)系。在一定的電流下,隨著溫度的升高,正向電壓將下降,表現(xiàn)出負(fù)的溫度系數(shù)。 溫度傳感器總是從某一溫度起開始工作。如果在某已知的溫度（如室溫）T1下,工作電流為IF1,那么,相應(yīng)的正向電壓UF1應(yīng)滿足式（2.17）：(2.17)

(2.18)

由式（2.17）減式（2.18）,整理得(2.19) 式（2.19）是理想二極管的正向電壓與溫度之間關(guān)系的另一種表達(dá)方式。由半導(dǎo)體理論可知,對(duì)于實(shí)際的二極管來(lái)說,只要它們工作在PN結(jié)空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流和表面漏電流可以忽略、而又未發(fā)生大注入效應(yīng)的電壓和溫度的范圍內(nèi),它們的特性就與理想模型相符。因此,式（2.16）、式（2.17）、式（2.19）就可用來(lái)描寫它們的電流-電壓及溫度特性。研究表明,對(duì)于鍺和硅二極管,在相當(dāng)寬的一個(gè)溫度范圍內(nèi),其正向電壓與溫度之間的關(guān)系符合式（2.18）和式（2.19）。所以,根據(jù)它們,就可以制造溫敏二極管,通過對(duì)其正向電壓的測(cè)量,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)。 2.基本特性 1）

UF-T關(guān)系 對(duì)于不同的工作電流,溫敏二極管的UF-T關(guān)系也將不同。圖2.18給出了國(guó)產(chǎn)2DWM1型（遼寧寬甸晶體管廠生產(chǎn)）硅溫敏二極管恒流下的UF-T特性?？梢钥闯?在-50～+150℃范圍內(nèi),其UF-T之間具有良好的線性關(guān)系。圖2.182DWM1型硅溫敏二極管的UF-T特性 2）靈敏度特性 溫敏二極管的靈敏度定義為正向電壓對(duì)溫度的變化率。將式（2.19）對(duì)T求偏導(dǎo),可得靈敏度表達(dá)式： 由式（2.20）可知,溫敏二極管的靈敏度為負(fù)值,且與常數(shù)r、溫度T及電流IF有關(guān)。 當(dāng)IF=IF1時(shí),靈敏度表達(dá)式為(2.20)(2.21)從式（2.21）中不難看出,當(dāng)IF恒定不變時(shí),隨溫度增加而緩慢遞增。 當(dāng)T=T1時(shí),式(2.21)變?yōu)?2.22) 由式（2.22）可知,對(duì)于給定的溫敏二極管,只要工作在恒定電流下,在某已知溫度T1下的靈敏度S1就僅取決于電流IF1（或正向電壓UF1）的大小。 3）自熱特性 溫敏二極管工作時(shí)總要通過一定的電流,因此自熱是不可避免的,致使其結(jié)溫TJ高于環(huán)境溫度TA。研究表明,在穩(wěn)定狀態(tài)下,自熱溫升由下式給出：

ΔT=TJ-TA=RthP=RthIFUF(2.23)

式中P為消耗的電功率。自熱溫升正比于功耗,其比例系數(shù)為熱阻Rth。 將式（2.19）代入式（2.23）,得 由此可知,對(duì)于一定的熱阻Rth,自熱溫升取決于IF和T。顯然,在一定的溫度范圍內(nèi),對(duì)于不同的工作電流,自熱溫升是不同的。

(2.24) 當(dāng)T=T1,IF=IF1時(shí),由式（2.24）,自熱溫升為 可見,隨著IF1的增加,自熱溫升將迅速增加；隨著T1的降低,自熱溫升將增加。對(duì)于低溫測(cè)量,恒定工作電流一般取10～50μA。在室溫下,對(duì)于硅和砷化鎵溫敏二極管,當(dāng)工作電流大約超過300μA

時(shí),就應(yīng)考慮自熱溫升。然而,對(duì)于某些溫度測(cè)量,往往有意加大工作電流,使溫敏二極管工作在自熱狀態(tài)下,利用環(huán)境條件的變化對(duì)溫敏二極管溫度的影響,實(shí)現(xiàn)對(duì)某些非溫度量如流體流速和液面位置等的檢測(cè)。

(2.25) 3.典型應(yīng)用 利用溫敏二極管的UF-T關(guān)系及其自熱特性,已制成了各種溫度傳感器、換能器以及溫度補(bǔ)償器等。圖2.19給出了一個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例。這是一種簡(jiǎn)易溫度調(diào)節(jié)器,用于液氮?dú)饬魇胶銣仄髦?7～300K范圍的溫度調(diào)節(jié)控制。VT是溫度檢測(cè)元件,采有鍺溫敏二極管。調(diào)節(jié)Rw1,可使流過VT的電流保持在50μA左右。比較器采用集成運(yùn)算放大器μA741,其輸入電壓為Ur和Ux。Ur為參考電壓,由Rw2調(diào)整給定。所要設(shè)定的溫度也由Ur給定。Ux隨溫敏二極管的溫度變化而變化,而比較器的輸出按差分電壓的變化而變化,并驅(qū)動(dòng)由晶體管構(gòu)成的電流控制器,控制加熱器加熱。該溫度調(diào)節(jié)器在30min內(nèi),控溫精度約±0.1℃。圖2.19簡(jiǎn)易溫度調(diào)節(jié)器電路

2.3.2溫敏晶體管及其應(yīng)用 1.簡(jiǎn)單原理和基本電路 二極管作為溫敏器件是利用PN結(jié)在恒定電流條件下其正向電壓與溫度之間的近似線性關(guān)系,這種關(guān)系對(duì)擴(kuò)散電流成立。但是,對(duì)于實(shí)際的二極管,其正向電流除擴(kuò)散電流成分外,還包括空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流成分和表面復(fù)合電流成分。后兩個(gè)電流成分與溫度的關(guān)系不同于擴(kuò)散電流成分與溫度的關(guān)系,因此,實(shí)際二極管的電壓-溫度特性將偏離理想情況。采用晶體管代替二極管作為溫敏器件可以很容易解決這個(gè)問題。在發(fā)射結(jié)正向偏置條件下,雖然發(fā)射極電流包括上述三種成分,但只有其中的擴(kuò)散電流成分能夠到達(dá)集電極形成集電極電流,而另兩個(gè)電流成分則作為基極電流漏掉,并不到達(dá)集電極。正是由于這個(gè)原因,晶體管的Ic-Ube關(guān)系比二極管的IF-UF關(guān)系更符合理想情況,并因此表現(xiàn)出更好的電壓-溫度特性。 根據(jù)晶體管的有關(guān)理論可以證明,NPN型晶體管的基極-發(fā)射極電壓與變量T和Ic的函數(shù)關(guān)系為

Ube=Ug0-（k0T／q）

(2.26)

式中：

Ug0=。

如果電流Ic為常數(shù),則式（2.26）給出的Ube

僅隨溫度做單調(diào)和單值變化。

圖2.20(a)給出了一種最常用的溫敏晶體管基本電路。溫敏晶體管作為負(fù)反饋元件跨接在運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端,同時(shí)基極接地。電路的這種接法使得發(fā)射結(jié)為正偏,而集電結(jié)幾乎為零偏,因?yàn)榧姌O與“虛地”的反相輸入端相接。零偏的集電結(jié)使得集電極電流中不需要的成分——集電結(jié)空間電荷區(qū)中的生成電流、反向飽和電流及表面漏電流為零。而發(fā)射極電流中的發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電流和表面漏電流作為基極電流流入地內(nèi),因此,集電極電流完全由擴(kuò)散電流成分組成。集電極電流Ic的大小僅取決于集電極電阻Rc和電源電壓Ucc,而與溫度無(wú)關(guān),從而保證了溫敏晶體管處于恒流工作狀態(tài)。電容C1的作用在于防止寄生振蕩。圖2.20(b)給出了這個(gè)電路的輸出,即Ube與溫度T的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。三條曲線對(duì)應(yīng)著不同的集電極電流值,且小電流對(duì)應(yīng)著較大的電壓溫度系數(shù)。由圖還可以看出,溫度系數(shù)對(duì)電流的依賴性并不十分強(qiáng)烈,這是因?yàn)閁be是Ic的對(duì)數(shù)函。圖2.20溫敏晶體管的基本電路及其輸出特性 2.典型應(yīng)用 由于溫敏晶體管成本低、參數(shù)的一致性和器件的互換性好,使其應(yīng)用越來(lái)越廣。這方面應(yīng)用的例子很多,由于篇幅受限,這里給出一種應(yīng)用實(shí)例。它是由兩個(gè)溫敏晶體管組成的溫差傳感器,其電路如圖2.21所示。它的輸出反映兩個(gè)待測(cè)點(diǎn)的溫差,經(jīng)常用于過程監(jiān)視或控制場(chǎng)合。與數(shù)字電壓表相接,可構(gòu)成溫差計(jì)。與適當(dāng)?shù)目刂齐娐废嘟?可以完成恒溫或液面位置控制功能,也可用于報(bào)警器。圖2.21溫差測(cè)量電路 該電路使用性能相同的兩個(gè)溫敏晶體管MTS102做為測(cè)溫探頭,分別置于待測(cè)溫差的兩個(gè)位置。兩個(gè)反映各自溫度的Ube分別經(jīng)過運(yùn)算放大器A1和A2緩沖之后,加到運(yùn)算放大器A3的輸入端進(jìn)行差分放大。在兩個(gè)溫敏晶體管溫度相同的條件下,也就是說兩點(diǎn)溫差為零時(shí),調(diào)節(jié)100kΩ電位器,使A3的輸出Uo為零。這一單點(diǎn)定標(biāo)保證了傳感器的輸出Uo正比于兩點(diǎn)溫差。靈敏度由Rf

和R值決定,當(dāng)R取27kΩ和15kΩ時(shí),靈敏度分別為10mV／K(=10mV／℃)和10mＶ／。該傳感器適用于0～150℃范圍內(nèi)的溫差檢測(cè)和控制,其精度為±0.5℃。2.4集成電路溫度傳感器 2.4.1基本原理及PTAT核心電路 圖2.22給出了這種對(duì)管差分電路的原理圖。V1和V2是結(jié)構(gòu)和性能上完全相同的晶體管,它們分別在不同的集電極電流Ic1和Ic2下工作。由圖可見,Ube2+ΔUbe-Ube1=0,即電阻R1上得到的電壓為兩管基極-發(fā)射極電壓差：

ΔUbe=Ube1-Ube2

=Ug0-(k0T／q)ln(B′Tr／Ic1)-Ug0+(k0T／q)

ln(B′Tr／Ic2)=(k0T／q)

(2.27)

圖2.22對(duì)管差分電路原理圖 由于兩管集電極面積相等,因此集電極電流比等于集電極電流密度比,所以上式可改寫為 式中Jc1和Jc2分別是V1和V2管的集電極電流密度。由此可見,只要設(shè)法保持兩管的集電極電流密度之比不變,那么電阻R1上的電壓ΔUbe將正比于絕對(duì)溫度。ΔUbe是集成電路溫度傳感器的基本溫度信號(hào),在此基礎(chǔ)上可以得到所要求的與溫度呈線性關(guān)系的電壓或電流輸出。

設(shè)兩管增益極高,因此基極電流可以忽略,即集電極電流等于發(fā)射極電流,故有

ΔUbe=R1Ic2(2.29)(2.28) 由此可知,V2的集電極電流Ic2也正比于絕對(duì)溫度,并因此使R2上的電壓也正比于絕對(duì)溫度。為使兩管集電極電流（或電流密度）之比保持不變,電流源給出的流過V1的電流Ic1也必須正比于絕對(duì)溫度,于是電路總電流（Ic1+Ic2）正比于絕對(duì)溫度。由此可見,圖2.22所示原理性電路可以給出正比于絕對(duì)溫度的電壓,亦可給出正比于絕對(duì)溫度的電流。作為溫度傳感器的感溫部分,常稱該原理性電路為PTAT(ProportionalToAbsoluteTemperature)核心電路。 對(duì)于PTAT核心電路,關(guān)鍵在于保證兩管的集電極電流密度之比不隨溫度變化。因?yàn)橹挥袑?shí)現(xiàn)了這一點(diǎn),電路才會(huì)有正比于溫度的電壓或電流輸出。式（2.28）充分說明了這一點(diǎn)。為此,可采用圖2.23所示的電流鏡PTAT核心電路。該電路由兩對(duì)晶體管組成。 其中NPN晶體管V1和V2

是基本的溫敏差分對(duì)管,給出溫度信號(hào)。與它們分別串聯(lián)的PNP晶體管V3和V4

組成所謂的電流鏡。由于它們具有完全相同的結(jié)構(gòu)和特性,且發(fā)射結(jié)偏壓又相同,所以使得流過V1和V2的集電極電流在任何溫度下始終相等。實(shí)際上,在這里我們做了晶體管的輸出阻抗和電流增益均為無(wú)窮大的假設(shè),因此可以忽略集電極電流隨集電極電壓Uce的變化及基極電流的影響。為使V1和V2

工作在不同的集電極電流密度下,兩管采用不同的發(fā)射極面積。設(shè)其面積比為n,則兩管的電流密度比為面積的反比,因此,只要在電路的“+”和“-”端加上高于兩倍的Ube的電壓,在電阻R1上將得到兩管的基極-發(fā)射極電壓差：

由式（2.30）可見,在電流鏡PTAT核心電路中,ΔUbe的溫度系數(shù)僅取決于兩管的發(fā)射極面積比n,而n則與溫度無(wú)關(guān)。由式（2.30）可以算得流過這個(gè)電路的左、右兩支路的電流為 于是由“+”端到“-”端流過電路的總電流為

I0=2I=2（k0T／qR1）lnn

(2.32)(2.31) 可見,如果電阻R1不隨溫度變化,即其電阻溫度系數(shù)為零,則電路的總電流正比于絕對(duì)溫度。這樣,利用圖2.23所示電路,就得到了一種基本的電流輸出型溫度傳感器。 在圖2.23所示的PTAT核心電路基礎(chǔ)上附加一個(gè)由與V3、V4相同的PNP晶體管V5和電阻R2組成的支路,就構(gòu)成了電壓輸出型溫度傳感器基本電路,如圖2.24所示。V5的發(fā)射結(jié)電壓與V3和V4的相同,又具有相同的發(fā)射極面積,于是流過V5和R2支路的電流與另兩支路電流相等,所以輸出電壓(2.33)圖2.23電流鏡PTAT核心電路圖2.24電壓輸出型PTAT核心電路 2.4.2電壓輸出型 1.四端電壓輸出型 1）框圖 最早研制的電壓輸出型溫度傳感器是四端傳感器,其框圖如圖2.25所示。它由PTAT核心電路、參考電壓源和運(yùn)算放大器三部分組成,其四個(gè)端子分別為U+、U-、輸入和輸出。這類傳感器包括LX5600／5700、LM3911、μPC616A／C和μPC3911等型號(hào)。四端電壓輸出型傳感器的最大工作溫度范圍是-40～125℃,靈敏度是10mV／K,線性偏差為（0.5～2）%,長(zhǎng)期穩(wěn)定性和重復(fù)性為0.3%,精度為±4K。圖2.25四端電壓輸出型傳感器框圖 2）典型應(yīng)用 （1）基本應(yīng)用電路?；緫?yīng)用電路如圖2.26所示。圖2.26(a)和圖2.26(b)分別給出了使用正電源和負(fù)電源的接法。由于輸入端和輸出端短接,作為三端器件,傳感器在U+端和輸出端之間給出正比于絕對(duì)溫度的電壓輸出Uo,其溫度靈敏度是10mV／K。在內(nèi)部參考電壓的箝位作用下,U+和U-端之間的電壓保持為6.85V,傳感器實(shí)際上是一個(gè)電壓源,所以傳感器必須和一個(gè)電阻R1串聯(lián),而所加電壓Ucc要大于6.85V,常取±15V。傳感器電路電流通常選在1mA左右,因此R1值可由下式確定：圖2.26基本應(yīng)用電路 (2)攝氏溫度檢測(cè)電路。圖2.27給出了用輸出電壓直接表示攝氏溫度的檢測(cè)電路。圖2.27（a）和圖2.27(b)兩種電路都是把傳感器本身的參考電壓分壓,取出2.73V作為偏置電壓,使輸出電平移動(dòng)-2.73V,即使其在273K(0℃)時(shí),輸出為零,于是補(bǔ)償后的輸出Uo將直接指示攝氏溫度,而不再是絕對(duì)溫度。輸出電壓的靈敏度為10mV／℃,而且輸出是對(duì)地而言的。圖2.27(b)中的放大器可采用通用型運(yùn)算放大器,若要求精度高,可使用高精度運(yùn)算放大器。外部定標(biāo)可在任何已知溫度下進(jìn)行,例如0℃或25℃,只要調(diào)節(jié)電位器Rw,使輸出為0或250mV即可。圖2.27攝氏溫度檢測(cè)電路

2.三端電壓輸出型 1）性能特點(diǎn)

LM135／LM235／LM335系列是一種精密的、易于定標(biāo)的三端電壓輸出型集成電路溫度傳感器。當(dāng)它作為兩端器件工作時(shí),相當(dāng)于一個(gè)Zener二極管,其擊穿電壓正比于絕對(duì)溫度,靈敏度為10mV／K。作為一個(gè)電壓源,當(dāng)工作電流在0.4～5mA范圍內(nèi)變化時(shí),并不影響傳感器的性能,因?yàn)樗膭?dòng)態(tài)電阻低于1Ω。如果在25℃下定標(biāo),在100℃寬的溫度范圍內(nèi)誤差小于1℃,具有良好的輸出線性。

LM135、LM235和LM335的工作溫度范圍分別是-55～150℃、-40～125℃和-10～100℃。圖2.28給出了LM135系列封裝接線圖。這種傳感器內(nèi)部電路的基本部分是一個(gè)PTAT核心電路和一個(gè)運(yùn)算放大器。外部一個(gè)端子接U+,一個(gè)端子接U-,第三個(gè)端子為調(diào)整端,供傳感器作外部定標(biāo)時(shí)使用。 圖2.28LM135系列封裝接線圖（a）TO-46金屬殼；（b）TO-92塑料殼

2）典型應(yīng)用 （1）基本溫度檢測(cè)。把傳感器作為一個(gè)兩端器件與一個(gè)電阻串聯(lián),加上適當(dāng)?shù)碾妷?就可以得到靈敏度為10mV／K、直接正比于絕對(duì)溫度的電壓輸出Uo,如圖2.29所示。實(shí)際上,這時(shí)傳感器可以看做是溫度系數(shù)為10mV／K的電壓源。傳感器的工作電流由電阻R和電源電壓Ucc決定：

I=(Ucc-

Uo)／R

由上式可以看出,工作電流隨溫度變化,但是LM135系列作為電壓源其內(nèi)阻極小,所以電流變化并不影響輸出電壓。圖2.29基本測(cè)溫電路 （2）可定標(biāo)的傳感器。圖2.30給出了可以進(jìn)行外部定標(biāo)的傳感器電路。這時(shí)傳感器作為三端器件工作,通過對(duì)10kΩ電位器的調(diào)節(jié),完成定標(biāo),以減小工藝偏差產(chǎn)生的誤差。例如,在25℃下,調(diào)節(jié)電位器,使輸出電壓Uo=2.982V。經(jīng)過定標(biāo),傳感器的靈敏度達(dá)到設(shè)計(jì)值10mV／K,從而提高了傳感器的精度。圖2.30可定標(biāo)的傳感器測(cè)溫電路 （3）空氣流速檢測(cè)。如果使傳感器在自熱條件下工作,即通過較大電流,使其溫度高于環(huán)境溫度,那么在周圍空氣為靜止或流動(dòng)兩種情況下,傳感器有兩種輸出。因?yàn)榭諝饬鲃?dòng)會(huì)加速傳感器的散熱過程,因此傳感器的溫度將不相同,故輸出電壓也不相同?？諝饬魉僭酱?傳感器的散熱能力越強(qiáng),溫度越低,輸出電壓越低,這就是空氣流速檢測(cè)器的工作原理。 在圖2.31所示的電路中,采用兩個(gè)溫度傳感器LM335。上面的一個(gè)工作在自熱條件下,電流約為10mA；下面的一個(gè)在小電流下工作,其自熱溫升可以忽略,即工作在環(huán)境溫度條件下。零點(diǎn)定標(biāo)一般在靜止空氣中進(jìn)行,調(diào)10kΩ電位器使放大器輸出為零。注意,在定標(biāo)和測(cè)量時(shí),均應(yīng)保持兩個(gè)傳感器在相同的環(huán)境溫度下。圖2.31空氣流速檢測(cè)器電路

2.4.3電流輸出型 1.性能特點(diǎn) 電流輸出型集成電路溫度傳感器是繼電壓輸出型傳感器之后發(fā)展的一種新型傳感器,其典型代表是AD590。這種傳感器以電流作為輸出量指示溫度,其典型的電流溫度靈敏度是1μA／K。它是一種兩端器件,使用非常方便。作為一種高阻電流源,對(duì)于它,沒有電壓輸出型傳感器遙測(cè)或遙控應(yīng)用的長(zhǎng)饋線上的電壓信號(hào)損失和噪聲干擾問題,故特別適合遠(yuǎn)距離測(cè)量或控制。出于同樣理由,AD590也特別適用于多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng),而不必考慮選擇開關(guān)或CMOS多路轉(zhuǎn)換器所引入的附加電阻造成的誤差。由于電路結(jié)構(gòu)獨(dú)特,并利用薄膜電阻激光微調(diào)技術(shù)作最后定標(biāo),故電流輸出型比電壓輸出型精度更高。另外,電流輸出可通過一個(gè)外加電阻很容易地變?yōu)殡妷狠敵觥?/p>

AD590有如下特點(diǎn)： ①線性電流輸出：1μA／K。 ②工作溫度范圍：-55～155℃。 ③兩端器件：電壓輸入,電流輸出。 ④激光微調(diào)使定標(biāo)精度達(dá)±0.5℃(AD590M)。 ⑤整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)非線性誤差小于±0.5℃（AD590M）。 ⑥工作電壓范圍：4～30V。 ⑦器件本身與外殼絕緣。 2.典型應(yīng)用 1）基本溫度檢測(cè) 把AD590與一個(gè)1kΩ電阻串聯(lián),即得基本溫度檢測(cè)電路,如圖2.32所示。在1kΩ電阻上得到正比于絕對(duì)溫度的電壓輸出,其靈敏度為1mV／K?？梢?利用這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的電路,很容易把傳感器的電流輸出變換為方便的電壓輸出。由于AD590內(nèi)阻極高,所以適合遠(yuǎn)距離測(cè)量,而且饋線可采用一般雙絞合線。圖2.32基本溫度檢測(cè)電路 2）攝氏和華氏數(shù)字溫度計(jì)

ICL7106是一種集成電路,包括模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘發(fā)生器、參考電壓源、BCD-七段譯碼器及自饋和顯示驅(qū)動(dòng)器,把它和AD590連接,再加上液晶顯示器和幾個(gè)電阻,就可以組成一個(gè)數(shù)字溫度計(jì),如圖2.33所示。UREF對(duì)攝氏和華氏兩種溫標(biāo)均取500mV。攝氏溫度最大讀數(shù)理論上為199.9℃,實(shí)際受傳感器AD590的最高允許溫度限制。華氏溫度最大讀數(shù)為199.9(93.3℃),實(shí)際受顯示器數(shù)字位數(shù)的限制。對(duì)于攝氏和華氏輸出,各電阻取值如下：圖2.33攝氏和華氏數(shù)字溫度計(jì)電路2.5熱釋電式傳感器

2.5.1熱釋電效應(yīng)及其機(jī)理 當(dāng)一些晶體受熱時(shí),在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷,這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象,稱為熱釋電效應(yīng)。 通常,晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)自空氣中附集在晶體外表面的自由電子所中和,其自發(fā)極化電偶極矩不能顯示出來(lái)，晶體對(duì)外不顯電性。當(dāng)溫度變化時(shí),晶體結(jié)構(gòu)中的正、負(fù)電荷重心產(chǎn)生相對(duì)位移,電偶極矩會(huì)發(fā)生變化,晶體表面的束縛電荷發(fā)生變化能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱為熱釋電體,又稱為熱電元件。熱電元件常用的材料有單晶（如鈮酸鋰、鉭酸鋰（LiTaO3）等）、熱釋電陶瓷（如鈦酸鋇（BaTiO3）、鋯鈦酸鉛（PZT）等）及熱釋電塑料（如聚偏二氟乙烯（PVDF）等）。

2.5.2熱釋電紅外傳感器 這里所說的熱釋電紅外傳感器是指利用熱電元件的熱釋電效應(yīng)探測(cè)人體用的紅外傳感器。它適用于防盜報(bào)警、來(lái)客告知及非接觸開關(guān)等紅外領(lǐng)域。 熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路如圖2.34所示。圖2.34熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路 由圖2.34可見,傳感器主要由外殼、濾光片、PZT熱電元件、結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管、電阻、二極管等組成。其中濾光片設(shè)置在窗口處,組成紅外線通過的窗口。濾光片為6μm多層膜干涉濾光片,這種濾光片對(duì)于太陽(yáng)光和熒光燈光的短波長(zhǎng)（約5μm以下）,具有高的反射率,而對(duì)6μm以上的從人體發(fā)出來(lái)的紅外線熱源（10μm）,有高的穿透性,其光譜特性如圖2.35所示。阻抗變換用的結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管和電路元件放置在管底部分。熱電元件選用PZT壓電陶瓷,其居里點(diǎn)高,不會(huì)造成因環(huán)境溫度過高而影響其輸出性能。PZT材料也適合批量生產(chǎn),成本低,且可靠性高。熱釋電紅外傳感器的視野特性方向圖如圖2.36所示。圖2.35濾光片的光譜特性圖2.36視野特性方向圖 表2.10給出了幾種常見探測(cè)人體用的熱釋電紅外傳感器的主要技術(shù)指標(biāo),供讀者參考。

表2.10幾種常見探測(cè)人體用的熱釋電紅外傳感器的主要技術(shù)參數(shù) 2.5.3熱釋電探測(cè)模塊 熱釋電紅外探測(cè)模塊是一個(gè)將熱釋電紅外傳感器、放大器、信號(hào)處理電路、延時(shí)電路和高低電平輸出電路集成于一體的新器件。它具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、耐低溫（-30℃）及使用方便等特點(diǎn),主要用來(lái)探測(cè)人體發(fā)射出的紅外線能量,適用于人體移動(dòng)的探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。 圖2.37示出了一種常用的熱釋電紅外探測(cè)模塊HN911的外形。圖2.37HN911模塊的外形 圖2.38示出了HN911模塊的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)。平時(shí),1端輸出低電平,2端輸出高電平。當(dāng)有移動(dòng)發(fā)熱體進(jìn)入監(jiān)視范圍時(shí),熱釋電紅外傳感器接收到紅外能量,并輸出檢測(cè)信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大器放大,由比較器進(jìn)行比較判斷,再由信號(hào)處理電路處理后輸出控制信號(hào)。此時(shí),輸出端1變?yōu)楦唠娖?輸出端2變?yōu)榈碗娖?。在模塊的外部,可接增益調(diào)節(jié)電位器,以調(diào)節(jié)放大器的增益。放大器具有溫度補(bǔ)償功能,其主要作用是當(dāng)環(huán)境溫度增高或背景紅外輻射能量增加時(shí),可使放大器的增益隨著它們的增高而自動(dòng)提升,從而保證整個(gè)電路工作的穩(wěn)定性。

HN911模塊的主要技術(shù)參數(shù)如表2.11所示。圖2.38HN911模塊的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)表2.11HN911模塊的主要技術(shù)參數(shù) 菲涅耳透鏡是一種精密的光學(xué)系統(tǒng),專門用來(lái)和熱釋電紅外傳感器配套使用,它可以將周圍的紅外能量聚集到傳感器的窗口,以提高傳感器的接收靈敏度,擴(kuò)大監(jiān)視范圍。透鏡根據(jù)不同的使用要求,設(shè)計(jì)有不同的形狀和規(guī)格,它的主要技術(shù)