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1、1本章主旨9.1 热电阻传感器9.2 热电偶传感器9.4 热电式传感器的应用第九章 热电式传感器9.3 晶体管和集成温度传感器概述概述温度单位：温度单位：热力学温度是国际上公认的最基本温度热力学温度是国际上公认的最基本温度. . 我国目前实行的是我国目前实行的是19901990年国际温标年国际温标(ITS(ITS9090）定义国际开尔文温度（定义国际开尔文温度（T90T90）国际摄氏温度（国际摄氏温度（t90t90）；）；T90 T90 ：单位（：单位（K K）开尔文）开尔文t90 t90 ：单位（：单位（）摄氏）摄氏两者关系为：两者关系为：t90/t90/ = T90/ K = T90/ K
2、 273.15 273.15 或或 t/t/ = T/ K = T/ K 273.15 273.152概述概述 温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现 代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如家用代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如家用 电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电 器中都少不了温度传感器。器中都少不了温度传感器。3概述概述 常见温度计：常见温度计：煤油温度计、酒精温煤油温度计、酒精温 度计、水银温度计、度计、水银温度计、 气体温度计、电阻温气体温度计、电阻温 度计、温差温度计
3、、度计、温差温度计、 辐射温度计、光测温辐射温度计、光测温 度计等等。度计等等。4概述概述 温度传感器应满足的条件温度传感器应满足的条件: :l l特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理， 且随温度呈线性变化；且随温度呈线性变化； l l除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低； l l特性随时间变化要小；特性随时间变化要小； l l重复性好，没有滞后和老化；重复性好，没有滞后和老化； l l灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要 小；小； l l
4、机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好； l l能大批量生产，价格便宜；能大批量生产，价格便宜； l l无危险性，无公害等。无危险性，无公害等。5温度传感器温度传感器的种类及特点的种类及特点: : l l 接触式温度传感器接触式温度传感器 l l 非接触式温度传感器非接触式温度传感器 接触式温度传感器的特点：接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触传感器直接与被测物体接触 进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降 低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测低了被测物体温度，特别是被测物体热容量
5、较小时，测 量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度 的前提条件是被测物体的热容量要足够大。的前提条件是被测物体的热容量要足够大。非接触式温度传感器非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出主要是利用被测物体热辐射而发出 红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成 本较高，测量精度却较低。本较高，测量精度却较低。优点是：优点是：不从被测物体上吸不从被测物体上吸 收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产 生消耗；反应快等。生消
6、耗；反应快等。68热电式传感器是利用转换器的电磁参数(电阻、电 势、磁导)随温度变化的特性来完成测量温度目的。 其中将温度转换为电阻变化的称为热电阻和热敏电 阻传感器；将温度转换成电势变化的称为热电偶传 感器。这两种传感器目前已在工业和科研领域中得 到广泛应用，并有与其相配套的显示和记录及控制 仪表可选用。第九章 热电式传感器9温度变化第九章 热电式传感器热电式传感器电量变化电阻电势热 电 阻热 电 偶晶 体 管10携带式表面热电偶 NR-30型号：Nr-81530 分度号：K、E、J 导线长度：1800 手柄材质：塑料 使用温度范围：- 50+700 应用：液体、熔体 ；铠装、SUS3161
7、19.1 热电阻传感器热阻效应：大部分材料的电阻或电阻率随温度变化而变化。尺寸变量都是随温度变化的，但假定只有电阻率随温度的变 化是最显著的。纯金属电阻随温度的升高而升高，称“正温度系数”半导体的电阻随温度的升高而减小，称“负温度系数”。测温范 围为200500；随着科学技术的进步，热电阻的测温范围已 扩展到15K的超低温领域，同时，在10001200温度范围内 也有足够好的特性。12热敏电阻的物理过程：吸收辐射，产生升温，从而引起材料 电阻的变化，其机理很复杂。半导体材料制成的热敏电阻可以定性的解释为，吸收辐射后 ，材料中电子的动能和晶格的振动能都有增加。因此，其中 部分电子能够从价带跃迁到
8、导带成为自由电子，从而使电阻 减小。金属材料制成的热电阻，因其内部有大量的自由电子，在能 带结构上无禁带，吸收辐射产生升温后，自由电子浓度的增 加是微不足道的，相反，因晶格振动的加剧，妨碍了电子的 自由运动，从而电阻系数是正的，且其绝对值小于半导体。13热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。 应用于-200600范围内 的温度测量 14一、金属热电阻：2、热电阻的材料特点：A、温度系数高（/C0），电阻率高；B、化学、物理性质稳定，以确保测量准确性；C、线性输出特性：R与T
9、成正比；D、好加工，成本低。1、原理：电阻率的温度系数定义对于线性区的金属，用二次展开式可以很好的描述电阻率0时的标准电阻率电阻率线性温度系数，典型值510-3/K153、铂、铜热电阻的特性（应用最广）：铂电阻与温度关系：0-630.755：Rt=R0(1+At+Bt2)-190-0：Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3铂电阻的材料特性：R100，R0100，0时的铂电阻值；W（100）越高表示铂电阻纯度越高。 W（100）=1.391时 A-常数（3.9684710-3/ ）B-常数（-5.84710-7/2 ）C-常数（-4.2210-12/4 ） 国内统一设计的工业国内统一设
10、计的工业 用标准铂电阻，用标准铂电阻，WW（ 100100） 1.3911.391。分度号分度号: :Pt10 Pt10 表示表示0 0时电阻为时电阻为1010欧姆欧姆Pt100Pt100表示表示0 0时电阻为时电阻为100100欧姆欧姆16用于高精度的工业测量，但铂贵，一般用铜，铜在-50 到150稳 定可靠。铜电阻与温度关系：Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)其中：A= 4.28899 10-3 / B= -2.133 10-7 / 2C=1.233 10-9 / 3温度高于100 易氧化，故用于低温测量。3、其他热电阻：近年发展了一些超低温测量电阻。铟电阻：-269 -258 此段灵
11、敏度比铂高10倍；材料软，复制性差锰电阻：-271 -210 灵敏度高，但易脆，难拉丝；碳电阻：-273 -268.5 灵敏度高，热容小，低廉，操作方便，但热稳定性差。4、测量电路：常用电桥电路。电阻温度计的测量电路最常用的是电桥电路，精 度要求高为了消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测 量误差，常采用三线和四线制连接方法。 171818191920二、半导体热敏电阻各种金属氧化物、硫化物、硒化物或硅、锗。半导 体热敏电阻的精度和稳定性比金属热敏电阻差一些 ，但它们大规模生产成本较低，并且能够提供集成 的接口电路，以便与其他元件一起集成。Thermistor-半导体热敏电阻。 Ther
12、moresistor-金属热敏电阻。211、热敏电阻的特点：A、负温度系数热敏电阻（NTC）B、正温度系数热敏电阻（PTC）C、临界温度系数热敏电阻（CTR）与热电阻相比：电阻温度系数大，灵敏度高；结构简单，体积小，可测点温度；电阻率高，热惯性小，适宜动态测量 ；易于维护和进行远距离控制；制造简单，使用寿命长；不足之处互换性差，非线性严重。22负温度导电机理：温度低时，大部分电子落在势阱中， 不能导电。温度越高时，跳出势阱的电子就越多，即电 阻就越低，故表现出负的温度系数。PTC和CTR主要用于温度开 关装置，如过热保护、发热 源的定温控制，也可作为限 流元件。NTC主要是由Mn、C0 、Ni
13、 、Fe等过渡金属氧化物组成 的复合烧结体，根据其成分 可调节电阻值和温度特性。23热敏电阻的结构热敏电阻的结构热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（Co）、锰（Mn）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高温烧结而成。其形状有珠状、片状、杆状、垫圈状等。（b b）片状）片状（c c）杆状）杆状（d d）垫圈状）垫圈状热敏电阻的结构类型热敏电阻的结构类型（a a）珠状）珠状玻璃壳玻璃壳热敏电阻热敏电阻引线引线24热敏电阻外形 MF12型 NTC热敏电 阻聚脂塑料封装 热敏电阻25其他形式的热敏电阻 玻璃封装 NTC热敏电阻MF58 型热敏电阻大功率PTC热敏电阻262728292、负温度系数热敏
14、电阻的特性。 （1）温度特性：参考温度为25度。是材料常数。半导体热敏电阻的电阻系数为：30电阻随温度的变化较大，因此可以将半导体热敏电阻 和基本的运算放大器一起使用，而不必与精密的电桥 使用。例如，只需使用一个带有标准电阻R的分压器 和一个电压放大器如741运算放大器来缓冲信号就足 够了。RR温度传感器741VCCVOUT031（2）伏安特性由图热敏电阻的伏安特性曲线知，电流通过热敏电 阻电流较小时，呈直线关系，服从欧姆定律；当电流 增加时，热敏电阻自身温度明显增加。由于负温度系 数关系，阻值下降。于是电压上升减慢，当电流再增 加，电压下降。由此可见，热敏电阻非线性严重。 v 当电流增大到一
15、定值时，流过热敏电阻 的电流使之加热，本身温度升高，出现 负阻特性，因电阻减小，即使电流增大 ，端电压反而下降，其所能升高的温度 与环境条件(周围介质温度及散热条件) 有关。当电流和周围介质温度一定时， 热敏电阻的阻值取决于介质的流速、流 量、密度等散热条件。根据这一原理， 可用它来测量流体流速和介质密度等。32（ 3）安时特性流过热敏电阻的电流与时间的关 系，称为安时特性，如图所示。所谓安时特性，是表示热敏电阻 在不同外加电压下，电流达到稳 定最大值所需要的时间。热敏电阻通电以后，一方面使自身温度升高；另一方面向周围 介质散热，只有在单位时间内从电流得到的能量与向周围介质 散发的热量相等而达
16、到热平衡时，才有相应的平衡温度输出、 即有确定的电阻值。完成一个热平衡过程所需要的时间，就是 达到稳定最大电流值的时间。可通过采用选择热敏电阻的结构 及应用相应的电路来调整这个时间。对于一般结构的热敏电阻 ，其值在0.51s之间。I01020304012345333、近代热敏电阻的特性： 玻璃封装热敏电阻：125 上升到300 响应时间由30秒加快到6秒，稳定性为 +/-（3-1） 氧化物热敏电阻的灵敏度都比较高，但只能低于300 时工作，近期用硼卤化物与氢还原研究成硼热敏电阻，在700 高温时仍然满足灵敏度，可用于测量液体流速、压力、 成分等。 近期研制的CaO,Sb2O3, WO3和CaO,Sn
