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1、普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传 感 器（第5版）,哈尔滨工业大学 唐文彦 主编,第一节 热电偶传感器 第二节 热电阻传感器 第三节 热敏电阻传感器 第四节 集成温度传感器,第八章 热电式传感器,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,返回主目录,第一节 热电偶传感器,一、热电偶的工作原理 1、热电效应 将两根不同材料的导体或半导体（A和B）联接起来构成一个回路，如果两个接合点处的温度不同（T0T1），则在两导体向产生热电势，并在回路中有一定大小的电流，这种现象称为热电效应。,第八章 热电式传感器,图8-1 热电效应,由热电效应制成的测温传感器就是热电偶。测温时： 结点2置于被测温度场中
2、，称为测量端（工作端、热端）； 结点1处于某一恒定温度（或已知温度），称为参考端（自由端或冷端）。,1,2,第一节 热电偶传感器,接触电动势 由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势，其大小可表示为：,式中：K波尔兹曼常数，K1.3810-23 e 电
3、子电荷量 e = 1.610-19C NA(NB)为A(B)材料的自由电子密度。,第一节 热电偶传感器,(2) 温差电势 同一导体中的，如果两端温度不同，在两端间会产生电动势，即产生单一导体的温差电动势，这是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散的结果。高温端因失去电子而带正电，低温端由于获得电子而带负电，在高低温端之间形成一个电位差。温差电动势的大小与导体的性质和两端的温差有关，表示为：,A A材料的汤姆逊系数。 （表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势 ）,第一节 热电偶传感器,对于图8-2中导体A、B组成的热电偶回路，当温度 时，回路总的热电势可表示为 式中
4、导体A在结点温度为 和 时的电子密度； 导体B在结点温度为 和 时的电子密度； 导体A和B的汤姆逊系数。,图8-2 闭合回路温差电动势,第一节 热电偶传感器,由此可得出有关热电偶回路的几点结论： 1）如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体即 ， ，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电动势为零。因此，热电偶必须采用两种不同的材料作为热电极。 2）如果热电偶两结点温度相等，即 ，则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路内的总电动势亦为零。 3）热电偶AB的热电动势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。,第一节 热电偶传感器,2、热电偶的基本定律 （1）中间导体定律 在热电偶回路
5、中接入第三种材料的导线，只要其两端的温度相等，第三导线的引入不会影响热电偶的热电动势。,第一节 热电偶传感器,（2）参考电极定律图 由于纯铂丝的物理化学性能稳定，熔点较高，易提纯，所以目前常用纯铂丝作参考电极。如果已求出各种热电极对铂极的热电特性，可大大简化热电偶的选配工作。,图8-4 参考电极定律示意图,第一节 热电偶传感器,（3）中间温度定律 当热电偶的两个节点温度为T，T1时,热电势为EAB（T,T1）；当热电偶的两个节点温度为T1，T0时, 热电势为EAB（T1,T0）；当热电偶的两个节点温度为T，T0时, 热电势为,第一节 热电偶传感器,二、常用的热电偶,第一节 热电偶传感器,三、热
6、电偶的温度补偿,在实际使用时，由于热电偶的热端（测量端）与冷端离的很近，冷端又暴露于空间，容易受到环境温 度的影响，因而冷端温度很难保持恒定。为此需要进行温度补偿。,由热电偶测温原理可知，只有当热电偶的冷端温度保持不变，热电势才是被测温度的单值函数。,工程技术上使用的热电偶分度表和根据分度表刻划 的测温显示仪表的刻度都是根据冷端温度为0而制作的。,第一节 热电偶传感器,电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度不在0时引起的热电势变化值，在热电偶与测温仪表之间串接一个直流不平衡电桥，电桥中的R1、 R2、 R3、由电阻温度系数很小的锰铜丝制作，另一桥臂的RT由温度系数较大的铜线
7、绕制。 电桥的4个电阻均和热电偶冷端处在同一环境温度，但由于RT的阻值随环境温度变化而变化，使电桥产生的不平衡电压的大小和极性随着环境温度的变化而变化，从而达到自动补偿的目的。,第一节 热电偶传感器,电桥补偿法补偿原理,图8-6 电位补偿法原理,第一节 热电偶传感器,第二节 热电阻传感器,一、概述 热电阻传感器是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和温度有关的参数进行检测的装置。 主要优点： 测量精度高； 有较大的测量范围，尤其在低温方面； 易于使用在自动测量和远距离测量中； 与热电偶相比，它没有参比端误差问题。,第八章 热电式传感器,第二节 热电阻传感器,二、热电阻材料和常用热电阻 作为测
8、量温度用的热电阻材料必须具有以下特点： 高且稳定的温度系数和大的电阻率，以便提高灵敏度和保证测量精度； 良好的输出特性，即电阻温度的变化接近于线性关系； 在使用范围内，其化学、物理性能应保持稳定； 良好的工艺性，以便于批量生产，降低成本。 1.铂热电阻 铂是一种贵金属，其主要优点是物理化学性能极为稳定，并且有良好的工艺性，易于提纯，可以制成极细的铂丝（直径可达到0.02mm或更细）或极薄的铂箔。它的缺点是电阻温度系数较小。,第二节 热电阻传感器,铂电阻阻值与温度变化之间的关系可近似用下式表示： 在-2000范围内 在0850范围内 式中 R0、RT分别为0和t时的电阻值； 对于常用的工业铂电阻
9、，A=3.9080210-3-1，B=-5.80210-7-2，C=-4.2735010-12-4。,第二节 热电阻传感器,2.铜热电阻 铜热电阻以金属铜为感温元件。它的特点是：电阻温度系数较大、价格便宜、互换性好、固有电阻小、体积大。使用温度范围是-50150，在此温度范围内铜热电阻阻值与温度的关系可以用下式表示： 式中 R0、RT分别为0和t时的电阻值； 对于常用的工业铜热电阻，A=4.2889910-3-1，B=-2.13310-7-2，C=1.23310-9-3。,一、热敏电阻的工作原理 半导体热敏电阻（以下简称热敏电阻）是利用半导体的电阻值随温度变化这一特性制成的一种热敏元件。 优点
10、： 灵敏度高，体积小，响应快，功耗低，价格低廉； 缺点： 电阻值随温度呈非线性变化，元件的稳定性及互换性差。,第三节 热敏电阻传感器,第八章 热电式传感器,热敏电阻是由某些金属氧化物按不同的配方比例烧结制成的。不同的热敏电阻材料，具有不同的电阻温度特性，按温度系数的正负，将其分为正温度系数热敏电阻，负温度系数热敏电阻和临界温度系数热敏电阻。各热电阻的温度特性曲线如图8-7所示。,第三节 热敏电阻传感器,图8-7 各种热敏电阻特性曲线,（1）负温度系数热敏电阻（NTC） 其电阻随温度升高而降低，具有负的温度系数，通常将NTC称为热敏电阻，负温度系数热敏电阻器的电阻温度特性，可用如下经验公式描述：
11、 式中，RT 绝对温度为T时热敏电阻的阻值； 绝对温度为T0时热敏电阻的阻值； BN负温度系数热敏电阻器的热敏指数。,第三节 热敏电阻传感器,（2）正温度系数的热敏电阻器（PTC） 其电阻随温度增加而增加，它的电阻与温度的关系可近似表示为： 式中， RT 绝对温度为T时热敏电阻的阻值； 绝对温度为T0时热敏电阻的阻值； BN负温度系数热敏电阻器的热敏指数。 （3）临界温度系数热敏电阻（CTR） 其特点是在某一温度时，电阻急剧降低，因此可作为温度开关。,第三节 热敏电阻传感器,二、热敏电阻的结构 通常，热敏电阻主要由热敏探头1、引线2、壳体3构成，如图8-8所示。热敏电阻一般做成二端器件，但也有
12、构成三端或四端的。二端和三端器件为直热式，即直接由电路中获得功率。四端器件则是旁热式的。根据不同的要求，可以把热电阻做成不同的形状结构，其典型结构如图8-9所示。,第三节 热敏电阻传感器,图8-8 热敏电阻的结构及符号 图8-9 热敏电阻的结构形式 a）结构 b）符号 a） 圆片型 b） 薄膜型 c）柱型 d）管型 e）平板型 f）珠型 g）扁型 h）垫圈型 I）杆型,三、热敏电阻的应用,第三节 热敏电阻传感器,一、概述 集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。 集成温度传感器同热电偶、热电阻等传统传感器相比，其主要特点有：灵敏度高，电压型集成温度传感器通常为
13、10/。而热电偶则为微伏级，灵敏度较低。线性较好，集成温度传感器具有较好的线性，一般不必再进行非线性补偿。重复性好，通常集成温度传感器的重复性好于热电偶及热电阻。温度范围较窄，通常为-50150之间，而热电偶范围为-2001600，热电阻范围为-200500左右。准确度较低，一般来说，低于热电阻和贵金属热电偶，与廉价金属热电偶相当或略低。,第四节 集成温度传感器,第八章 热电式传感器,二、集成温度传感器的应用 AD590是单片集成温度传感器，测温范围为-55+150。半导体三极管的基极与发射极之间的电压大约具有-2.2/的温度系数，该集成温度传感器就是利用这一特性实现温度检测的。 主要特点：测
14、温不需要参考点；工作电压在430时都能获得稳定的输出信号，其线性电流输出为1mA/K；以热力学温标零点作为零输出点，在25时的输出电流为298.2mA；因为对芯片进行了激光微调修正，其具有良好的互换性，且校准准确度可达0.5；使用时接口简单；输出阻抗高达10M以上，适用于远距离温度测量和计算机远距离控制。,第四节 集成温度传感器,图8-10是利用UBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。其中T1,T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3，T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为UBE。因此 ,电流I1为 ： 式中 k波耳兹曼常数； q电子电量。,第四节 集成温度传感器,图8-10 感温部分的核心电路,
