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1、第六章第六章 温度传感器温度传感器 第一节第一节 概概 论论 第二节第二节 热电偶温度传感器热电偶温度传感器 第三节第三节 热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器 第四节第四节 ICIC温度传感器温度传感器 第五节第五节 其他温度传感器其他温度传感器通过本章的学习了解温度传感器的作用、地位、分类和发展趋势；掌握热电偶三定律及相关计算；掌握热敏电阻不同类型的特点及应用场合；掌握集成温度传感器使用方法；了解其他温度传感器工作原理。第一节第一节 概概 论论 温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最最广广泛泛、发展最最快快的传感器之一。l温度是与人类生活息息相关
2、的物理量。l在2000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度。l人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。l工业生产自动化流程,温度测量点要占全部测量点的一半左右。温度是反映物体冷热状态的物理参数。温度是反映物体冷热状态的物理参数。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。 一、温度的基本概念一、温度的基本概念热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量。表示温度大小
3、的尺度是温度的标尺，简称温标。u热力学温标热力学温标u国际实用温标国际实用温标u摄氏温标摄氏温标u华氏温标华氏温标如果在式中再规定一个条件,就可以通过卡诺循环中的传热量来完全地确定温标。1954年，国际计量会议选定水的三相点为273.16，并以它的1/273.16定为一度，这样热力学温标就完全确定了，即T=273.16(Q1/Q2)。1848年威廉汤姆首先提出以热力学第二定律为基础，建立温度仅与热量有关，而与物质无关的热力学温标。因是开尔文总结出来的，故又称开尔文温标，用符号K表示。它是国际基本单位制之一。根根据据热热力力学学中中的的卡卡诺诺定定理理，如如果果在在温温度度T1的的热热源源与与温
4、温度度为为T2的冷源之间实现了卡诺循环，则存在下列关系式的冷源之间实现了卡诺循环，则存在下列关系式1 1热力学温标热力学温标Q1热源给予热机的传热量Q2热机传给冷源的传热量为解决国际上温度标准的同意及实用问题，国际上协商决定，建立一种既能体现热力学温度（即能保证一定的准确度），又使用方便、容易实现的温标，即国际实用温标InternationalPracticalTemperatureScaleof1968(简称IPTS-68)，又称国际温标。2 2国际实用温标国际实用温标注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔1K=1。T0是在标准大气压下冰的融化温度，T0=273.15K。水的
5、三相点温度比冰点高出0.01K。1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用t表示，其单位是开尔文，符号为K。1K定义为水三相点热力学温度的1/273.16，水的三相点是指纯水在固态、液水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为273.16K，这是建立温标的惟一基准点。氢氧三相点沸点54.36190.188-218.798-182.962水三相点沸点273.16373.150.01100.0锌凝固点692.73419.58银凝固点1235.08961.93金凝固点1337.581064.43物质三相点平衡状态温度T68/KT6
6、8/13.817.04220.827.102-259.31-256.108-252.87-246.048沸点25/76atm沸点沸点国际实用温标（IPTS-68）的固定点四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器低温铂电阻温度计（13.81K273.15K）；铂电阻温度计（273.15K903.89K）；铂铑-铂热电偶温度计（903.89K1337.58K）；光测温度计（1337.58K以上）。国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号T68和t68来区别（一般简写为T与t）。3 3摄氏温标摄氏温标是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划
7、分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，)，一般用小写字母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：4华氏温标目前已用得较少，它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用，它和摄氏温度的关系如下：T=t+273.15 Kt=T-273.15 m=1.8n+32n=5/9(m-32) 二、温度传感器的特点与分类u随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；u蒸气压的温度变化；蒸气压的温度变化；u电极的温度变化电极的温度变化u热电偶产生的电动势；热电偶产
8、生的电动势；u光电效应光电效应u热电效应热电效应u介电常数、导磁率的温度变化；介电常数、导磁率的温度变化；u物质的变色、融解；物质的变色、融解；u强性振动温度变化；强性振动温度变化；u热放射；热放射；u热噪声。热噪声。1 温度传感器的物理原理(11)l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；l除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；l特性随时间变化要小；l重复性好，没有滞后和老化；l灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小；l机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；l能大批量生产，价格便宜；l无危险性，无公害等。2.2.温度传感器应满足的条件温度传感器应满足的条
9、件3. 3. 温度传感器的种类及特点温度传感器的种类及特点l接触式温度传感器l 非接触式温度传感器接触式温度传感器的特点：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，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测测量精度较低量精度较低。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。非接触式温度传感器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。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。物物理理现现象象体积热膨胀体积热膨胀电阻变化电阻变
10、化温差电现象温差电现象导磁率变化导磁率变化电容变化电容变化压电效应压电效应超声波传播速度变化超声波传播速度变化物质物质颜色颜色PN结电动势结电动势晶体管特性变化晶体管特性变化可控硅动作特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射热、光辐射种种类类铂测温电阻、热敏电阻铂测温电阻、热敏电阻热电偶热电偶BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶体振动器石英晶体振动器超声波温度计超声波温度计示温涂料示温涂料液晶液晶半导体二极管半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅可控硅辐射温度传感器辐射温度传感器光学高温计光学高温计1.气体温度计气体温度计2.玻璃制水银温度计玻璃制水银温度计3.玻
11、璃制有机液体温度计玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计双金属温度计5.液体压力温度计液体压力温度计6.气体压力温度计气体压力温度计1热铁氧体热铁氧体2Fe-Ni-Cu合金合金热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅分类特征传感器名称超高温用传感器1500以上光学高温计、辐射传感器高温用传感器10001500光学高温计、辐射传感器、热电偶中高温用传感器5001000光学高温计、辐射传感器、热电偶中温用中温用传感器传感器0500低温用传感器-2500极低温用传感器-270-250Ba
12、SrTiO3陶瓷晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计见表下内容见表下内容测温范围温度传感器分类(1)分类特征传感器名称测温范围宽、输出小测温电阻器、晶体管、热电偶半导体集成电路传感器、可控硅、石英晶体振动器、压力式温度计、玻璃制温度计线性型测温范围窄、输出大热敏电阻指数型函数开关型特性特定温度、输出大感温铁氧体、双金属温度计测温特性温度传感器分类(2)分类特征传感器名称测定精度0.10.5铂测温电阻、石英晶体振动器、玻璃制温度计、气体温度计、光学高温计温度标准用测定精度0.55热电偶、测温电阻器、热敏电阻、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器
13、、可控硅绝对值测定用管理温度测定用相对值15测定精度温度传感器分类(3) 此外，还有微波测温温度传感器、微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器度传感器等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。公元1600年，伽里略研制出气体温度计。一百年后，研制成酒精温度计和水银温度计。随着现代工业技术发展的需要，相继研制出金属
14、丝电阻、温差电动式元件、双金属式温度传感器。1950年以后，相继研制成半导体热敏电阻器。最近，随着原材料、加工技术的飞速发展、又陆续研制出各种类型的温度传感器。三、温度传感器的发展概况接触式温度传感器接触式温度传感器非接触式温度传感器非接触式温度传感器1常用热电阻范围：-260850；精度：0.001。改进后可连续工作2000h，失效率小于1，使用期为10年。2管缆热电阻测温范围为-20500，最高上限为1000，精度为0.5级。（）接触式温度传感器（）接触式温度传感器3陶瓷热电阻测量范围为200+500，精度为0.3、0.15级。4超低温热电阻两种碳电阻，可分别测量268.8253-272.
15、9272.99的温度。5热敏电阻器适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。l l辐辐射射高高温温计计用来测量1000以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2 2光光谱谱高高温温计计前苏联研制的YCII型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为4006000,它是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。（二）非接触式温度传感器3 3超超声声波波温温度度传传感感器器特点是响应快(约为10ms左右)，方向性强。目前国外有可测到5000的产品。4 4激激光光温温度度传传感感器器适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做
16、光反射计可测很高的温度，精度为1。美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达8000，专门用于核聚变研究。瑞士BrowaBorer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)的高温。1超高温与超低温传感器，如+3000以上和250以下的温度传感器。2提高温度传感器的精度和可靠性。3研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器。4发展新型产品，扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻；发展薄膜热电偶；研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热电阻；研制系列晶体管测温元件、快速高灵敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器。5发展适应特殊测温要求的温度传感器。6发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。（三
17、）温度传感器的主要发展方向（三）温度传感器的主要发展方向温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。第二节第二节 热电偶温度传感器热电偶温度传感器热电偶的工作原理热电偶的工作原理热电偶回路的性质热电偶回路的性质热电偶的常用材料与结构热电偶的常用材料与结构冷端处理及补偿冷端处理及补偿热电偶的选择、安装使用和校验热电偶的选择、安装使用和校验两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若
18、导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热热电电效效应应。这种现象早在1821年首先由西拜克（See-back）发现,所以又称西拜克效应。热电偶原理图TT0AB 一、热电偶的工作原理一、热电偶的工作原理回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温温差差电电势势和和接触电势接触电势。热端冷端1. 1. 接触电势接触电势接触电势原理图+ABTeAB(T)-eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势；e单位电荷，e=1.610-19C； k波尔兹曼常数，k=1.3810-23J/K；NA、NB 导体A、B在
19、温度为T 时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。AeA(T,To)ToTeA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度；A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，例如在0时，铜的=2V/。2.温差电势温差电势温差电势原理图由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路总电势回路总电势NAT、NAT0导体A在结点温度为T
20、和T0时的电子密度；NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；A、B导体A和B的汤姆逊系数。根据电磁场理论得结论(4点)：EAB(T,T0)=EAB(T )-EAB(T0 )=f(T )-C=g(T )由于NA、NB是温度的单值函数在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T)-EAB(0)-EAB(T0)-EAB(0)=EAB(T，0)-EAB(T0，0)热电偶的热电势，等于两端温度分别为热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和和零度以及零度以及T0和零度的热电势之差。和零度的热
21、电势之差。导导体体材材料料确确定定后后，热热电电势势的的大大小小只只与与热热电电偶偶两两端端的的温温度度有有关关。如如果果使使E EABAB( (T T0 0)=)=常常数数，则则回回路路热热电电势势E EABAB( (T T，T T0 0) )就就只只与与温温度度T T有有关关，而而且且是是T T的的单单值值函数，这就是利用热电偶测温的原理。函数，这就是利用热电偶测温的原理。只有当热电偶两端温度不同只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。料不同时才能有热电势产生。热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。只有用不
22、同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为T1、T2、Tn，冷端温度为零度的热电势。其热电势为E=EAB（T1）+EBC（T2）+ENA（Tn）由由一一种种均均质质导导体体组组成成的的闭闭合合回回路路，不不论论其其导导体体是是否否存存在在温温度度梯梯度度，回回路路中中没没有有电电流流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。 二、热电偶回路的性质二、热电偶回路的性质1.
23、1. 均质导体定律均质导体定律E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三种不同导体组成的热电偶回路TABCTT2. 2. 中间导体定律中间导体定律一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。点产生的热电势的代数和为零。如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则两点结论：l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即同理，图b中C、A接点2与
24、C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：T2T1AaBC23EABaAT023ABEABT1T2 CT0EAB（T1,T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三种材料接入热电偶回路图ET0T0TET0T1T1T电位计接入热电偶回路根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB
25、2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：3. 3. 中间温度定律中间温度定律 如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1,T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2,T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1,T3)，则BBA T2 T1 T3 AABEAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）=EAB（T1,0）-EAB（T3,0）=EAB（T1）-EA
26、B（T3）ABT1T2T2ABT0T0热电偶补偿导线接线图E为对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0时，则：只要T1、T0不变，接入AB后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EAB=EAB(T1)EAB(T0)说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A、B(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA(T2)=EBB(T2)，则回路总电动势为热电偶材料应满足：l物理性能稳定，热电特性不随时间改变；l化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；l热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；l便于制造；l复现性好，便
27、于成批生产。三、热电偶的常用材料与结构 1铂铂铑热电偶(S型) 分度号LB3工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(重量比)冶炼而成。负极：铂丝。测量温度：长期：1300、短期：1600。特点：n材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。n测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。n在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵蚀，需要用保护套管。n材料属贵金属，成本较高。n热电势较弱。（一）热电偶常用材料（一）热电偶常用材料 2镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型) 分度号EU2工业用热电偶丝：1.22.
28、5mm，实验室用可细些。正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴冶炼而成)。测量温度：长期1000，短期1300。特点：u价格比较便宜，在工业上广泛应用。u高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，H2S等气体中易被侵蚀。u复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。3镍铬考铜热电偶(E型) 分度号为EA2工业用热电偶丝:1.22mm，实验室用可更细些。正极：镍铬合金负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。测量温度：长期600，短期800。特点：l价格比较便宜，工业上广泛应用。l在
29、常用热电偶中它产生的热电势最大。l气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。4铂铑30铂铑6热电偶(B型) 分度号为LL2正极：铂铑合金（用70铂，30铑冶炼而成）。负极：铂铑合金（用94铂，6铑冶炼而成）。测量温度：长期可到1600，短期可达1800。特点：l材料性能稳定，测量精度高。l还原性气体中易被侵蚀。l低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。l成本高。几种持殊用途的热电偶（1 1）铱铱和和铱铱合合金金热热电电偶偶如铱50铑铱10钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达2100的高温。（2 2）钨钨铼铼热热电电偶偶是60年代发展起来的，是目前一种较好的高
30、温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围3002000分度精度为1。（3 3）金金铁铁镍镍铬铬热热电电偶偶 主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为10V。（4 4）钯钯铂铂铱铱1515热热电电偶偶是一种高输出性能的热电偶，在1398时的热电势为47.255mV，比铂铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。（6 6）铜）铜康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号MKMK热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43V/。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧
31、化，广泛用于20K473K的低温实验室测量中。（5 5）铁）铁康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号TKTK 灵敏度高，约为53V/，线性度好，价格便宜，可在800以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。 （二）常用热电偶的结构类型1工业用热电偶下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。工业热电偶结构示意图1接线盒；2保险套管3绝缘套管4热电偶丝1234(a)(b)(c)(d)132 2铠装式热电偶（又称套管式热电偶）优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热
32、惯性小，使用方便。测温范围在1100以下的有：镍铬镍硅、镍铬考铜铠装式热电偶。断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。图3.2-12铠装式热电偶断面结构示意图1金属套管;2绝缘材料;3热电极(a)碰底型;(b)不碰底型;(c)露头型;(d)帽型3快速反应薄膜热电偶用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.010.lm)4123快速反应薄膜热电偶1热电极;2热接点;3绝缘基板;4引出线因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试制
33、的有铁镍、铁康铜和铜康铜三种,尺寸为6060.2mm;绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300以下；反应时间仅为几ms。 4快速消耗微型热电偶下图为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为0.050.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可达土57。14235678 91110快速消耗微型1刚帽；2石英；3纸环；4绝热泥；5冷端；6棉花；7绝缘纸管；8补偿导线；9套管；10塑料插座；11簧片与引出线方法u冰点槽法u计算修正法u补正系数法u零点迁
34、移法u冷端补偿器法u软件处理法四、冷端处理及补偿原因l热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；l热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。1. 冰点槽法把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液四、冷端处理及补偿T02. 计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算例用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比
35、端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计 测 出 TH=21,查 此 种 热 电 偶 的 分 度 表 可 知 ，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68。注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49，也不能把49加上21，认为T=70。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)3. 补正系数法把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T
36、。用公式表达即 式中：T为未知的被测温度；T为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度；TH室温；k为补正系数，其它参数见下表。例用铂铑10铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35，这时热电动势为11.348mV查S型热电偶的分度表，得出与此相应的温度T=1150。再从下表中查出，对应于1150的补正系数k=0.53。于是，被测温度T=1150+0.5335=1168.3（）用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但误差不大于0.14。T T k T H温度T/补正系数k铂铑10-铂(S)镍铬-镍硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000
37、.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.5313000.5214000.5215000.5316000.53热电偶补正系数例用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是0而是TH。而热电偶的冷端温度已是TH,则只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。4.
38、零点迁移法应用领域：如果冷端不是0，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。5. 冷端补偿器法利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。冷端补偿器的作用注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。 mVEAB(T,T0)T0T0
39、TAB+-abUUabRCuR1R2R3RT0Ua Uab EAB(T,T0)供电4V直流，在040或-2020的范围起补偿作用。注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一样，互换时必须重新调整。6. 软件处理法对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的通道数太
40、多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速度也很有利。1. 1. 热电偶的选择、安装使用热电偶的选择、安装使用热电偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。其安装地点要有代表性，安装方法要正确，图3.2-17是安装在管道上常用的两种方法。在工业生产中，热电偶常与毫伏计连用（XCZ型动圈式仪表）或与电子电位差计联用，后者精度较高，且能自动记录。另外也可图3.2-17热电偶安装图通过与温度变送器经放大后再接指示仪表，或作为控制用的信号。五、热电偶的选择、安装使用和校验
41、热电偶分度号校验温度/热电偶允许偏差/温度偏差温度偏差LB3600，800，1000，120006002.4600占所测热电势的0.4%EU2400，600，800，10004004400占所测热电势的0.75%EA2300，400，60003004300占所测热电势的1%2. 2. 热电偶的定期校验热电偶的定期校验校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉中进行对比，误差超过规定允许值为不合格。图为热电偶校验装置示意图，最佳校验方法可由查阅有关标准获得。工业热电偶的允许偏差，见下表。工业热电偶允许偏差工业热电偶允许偏差MAX667578564321稳压电源220V热电偶校验图1-调
42、压变压器；2-管式电炉；3标准热电偶；4-被校热电偶；5-冰瓶；6-切换开关；7-测试仪表；8-试管热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。在温度传感器中应用最多的有热热电电偶偶、热热电电阻阻（如铂、铜电阻温度计等）和热热敏敏电电阻阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。主要讲述热敏电阻的特点、分类，基本参数，主要特性和应用等。第三节第三节 热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器（一）热敏电阻的特点 1电阻温度系数的范围甚宽有有正正、负负温温度度系系数数和和在在某某一一特特定定温
43、温度度区区域域内内阻阻值值突突变变的的三三种种热热敏敏电电阻阻元元件件。电阻温度系数的绝对值比金属大10100倍左右。2材料加工容易、性能好可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够作到小型化。目前，最小的珠状热敏电阻其直径仅为0.2mm。 3阻值在110M之间可供自由选择使用时，一般可不必考虑线路引线电阻的影响；由于其功耗小、故不需采取冷端温度补偿，所以适合于远距离测温和控温使用。 一、热敏电阻的特点与分类 4稳定性好商品化产品已有30多年历史，加之近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在0.01的小温度范围内，其稳定性可达0.0002的精度。相比之下，优于其它各种温度传感器。 5原料资源丰
44、富，价格低廉烧结表面均已经玻璃封装。故可用于较恶劣环境条件；另外由于热敏电阻材料的迁移率很小，故其性能受磁场影响很小，这是十分可贵的特点。热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为： 1正温度系数热敏电阻器（PTC）电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏阻器。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。 2负温度系数热敏电阻器（NTC）电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。 3突变型负温度系数热敏电阻器（CTR该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低34个数量级，即具有很大
45、负负温温度度系系数数。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。 （二）热敏电阻的分类（二）热敏电阻的分类热敏电阻材料的分类热敏电阻材料的分类（1）大分类小分类代表例子NTC单晶金刚石、Ge、Si金刚石热敏电阻多晶迁移金属氧化物复合烧结体、无缺陷形金属氧化烧结体多结晶单体、固溶体形多结晶氧化物SiC系Mn、Co、Ni、Cu、Al氧化物烧结体、ZrY氧化物烧结体、还原性TiO3、Ge、SiBa、Co、Ni氧化物溅射SiC薄膜玻璃Ge、Fe、V等氧化物硫硒碲化合物玻璃V、P、Ba氧化物、Fe、Ba、Cu氧化物、Ge、Na、K氧化 物 、 （ As2Se3） 0.8、（Sb2SeI）0.2有机物芳香族
46、化合物聚酰亚釉表面活性添加剂液体电解质溶液熔融硫硒碲化合物水玻璃As、Se、Ge系热敏电阻材料的分类（热敏电阻材料的分类（2）PTC无机物BaTiO3系Zn、Ti、Ni氧化物系Si系、硫硒碲化合物（Ba、Sr、Pb）TiO3烧结体有机物石墨系有机物石墨、塑料石腊、聚乙烯、石墨液体三乙烯醇混合物三乙烯醇、水、NaClCTRV、Ti氧化物系、Ag2S、（AgCu）、（ZnCdHg）BaTiO3单晶V、P、（BaSr）氧化物Ag2SCuS大分类小分类代表例子1. 标称电阻R25（冷阻）标称电阻值是热敏电阻在250.2时的阻值。 二、热敏电阻的基本参数2. 材料常数BN是表征负温度系数(NTC)热敏电
47、阻器材料的物理特性常数。BN值决定于材料的激活能E,具有BN=E2k的函数关系，式中k为波尔兹曼常数。一般BN值越大，则电阻值越大，绝对灵敏度越高。在工作温度范围内，BN值并不是一个常数，而是随温度的升高略有增加的。3. 电阻温度系数（%/）热敏电阻的温度变化1时电阻值的变化率。4. 耗散系数H热敏电阻器温度变化1所耗散的功率变化量。在工作范围内，当环境温度变化时,H值随之变化,其大小与热敏电阻的结构、形状和所处介质的种类及状态有关。6. 最高工作温度Tmax热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度：T0环境温度；PE环境温度为T0时的额定功率；H耗散系数7. 最低工作温度Tm
48、in热敏电阻器在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。8. 转变点温度Tc热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐点温度，主要指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。5. 时间常数热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的63.2所需的时间。它与热容量C和耗散系数H之间的关系9. 额定功率PE热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗功率。在此功率下,它自身温度不应超过Tmax。10. 测量功率P0热敏电阻器在规定的环境温度下,受到测量电流加热而引起的电阻值变化不超过0.1时所消耗的功率11. 工作点电阻RG在规定的温度和正常气候条件下，
49、施加一定的功率后使电阻器自热而达到某一给定的电阻值。12. 工作点耗散功率PG电阻值达到RG时所消耗的功率。UG电阻器达到热平衡时的端电压。13. 功率灵敏度KG热敏电阻器在工作点附近消耗功率lmW时所引起电阻的变化，即：在工作范围内，KG随环境温度的变化略有改变。14. 稳定性热敏电阻在各种气候、机械、电气等使用环境中，保持原有特性的能力。它可用热敏电阻器的主要参数变化率来表示。最常用的是以电阻值的年变化率或对应的温度变化率来表示。KGR/P15. 热电阻值RH指旁热式热敏电阻器在加热器上通过给定的工作电流时,电阻器达到热平衡状态时的电阻值。16. 加热器电阻值Rr指旁热式热敏电阻器的加热器
50、，在规定环境温度条件下的电阻值。18. 标称工作电流 I指在环境温度25时，旁热式热敏电阻器的电阻值被稳定在某一规定值时加热器内的电流。19. 标称电压它是稳压热敏电阻器在规定温度下标称工作电流所对应的电压值。20. 元件尺寸指热敏电阻器的截面积A、电极间距离L和直径d。17. 最大加热电流Imax指旁热式热敏电阻器上允许通过的最大电流。（一）热敏电阻器的电阻温度特性（RTT）1234铂丝4060120 1600100101102103104105106RT/温度T/C热敏电阻的电阻-温度特性曲线1-NTC；2-CTR；3-4PTC三、热敏电阻器主要特性TT与RTT特性曲线一致。RT、RT0温
51、度为T、T0时热敏电阻器的电阻值；BNNTC热敏电阻的材料常数。由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的NTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于450），都能利用该式，它仅是一个经验公式。1 负电阻温度系数(NTC)热敏电阻器的温度特性NTC的电阻温度关系的一般数学表达式为：如果以lnRT、1/T分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率为BN，通过点(1/T，lnRT)的一条直线,如图。1051041031020 -101030507085100120T/C电阻/NTC热敏电阻器的电阻-温度曲线材料的不同或配方的比例和方法不同，则BN也不同。用lnRT1/T表示负电阻温度系
52、数热敏电阻温度特性，在实际应用中比较方便。为了使用方便，常取环境温度为25作为参考温度（即T0=25），则NTC热敏电阻器的电阻温度关系式：RT/R25BN关系如下表。02550751001250.511.522.533.5(25C,1)RT / RT0-T特性曲线RT/R25TRTR25BN系数表系数表RTR25BNR50R2522002600280030003200340036003800400050000.5650.5000.4830.4580.4350.4130.3920.3720.3540.2733.1754.7205.3195.9936.7517.6098.65719.66010.
53、8819.771.9632.2212.3622.5122.6712.8403.0203.2113.4144.6420.3470.2880.2590.2360.2140.1940.1760.1600.1460.0920.2270.1730.1490.1320.1150.1010.0880.0770.0670.0340.1130.0760.0620.0510.0420.0340.0280.0230.0190.007R0R25R75R25R-20R25R150R25R100R252.正电阻温度系数（PTC）热敏电阻器的电阻温度特性其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取
54、得的，典型特性曲线如图10000100010010050100150200250R20=120R20=36.5R20=12.2PTC热敏电阻器的电阻温度曲线T/C电阻/Tp1Tp2Tc=175CPTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻温度曲线上有两个拐点：Tp1和Tp2。当温度低于Tp1时，温度灵敏度低；当温度升高到Tp1后，电阻值随温度值剧烈增高（按指数规律迅速增大）；当温度升到Tp2时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范围内存在温度Tc，对应有较大的温度系数tp。经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻温度特性可近似用下面的实验公式表示：式中RT、RT0温度分别为
55、T、T0时的电阻值；BP正温度系数热敏电阻器的材料常数。若对上式取对数，则得：以lnRT、T分别作为纵坐标和横坐标，便得到下图。）可见：正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数tp，正好等于它的材料常数BP的值。lnRr1lnRr2BPmRBP=tg=mR/mrT1T2lnRr0mrlnRTT 表示的PTC热敏电阻器电阻温度曲线lnRrT若对上式微分，可得PTC热敏电阻的电阻温度系数tp abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC热敏电阻的静态伏安特性（二）热敏电阻器的伏安特性（UI）热敏电阻器伏安特性表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻器和周围介质热平衡（即加在元件上的电功率和耗散功率相
56、等）时的互相关系。1.负温度系数（NTC）热敏电阻器的伏安特性该曲线是在环境温度为T0时的静态介质中测出的静态UI曲线。热敏电阻的端电压UT和通过它的电流I有如下关系：T0环境温度；T热敏电阻的温升。曲线见下图，它与NTC热敏电阻器一样，曲线的起始段为直线，其斜率与热敏电阻器在环境温度下的电阻值相等。这是因为流过电阻器电流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故。当热敏电阻器温度超过环境温度时，引起电阻值增大，曲线开始弯曲。104103102101105Um10110210310010-1ImPTC热敏电阻器的静态伏安特性2正温度系数（PTC）热敏电阻器的伏安特性当电压增至Um时，存在一个
57、电流最大值Im；如电压继续增加，由如电压继续增加，由于温升引起电阻值增加于温升引起电阻值增加速度超过电压增加的速速度超过电压增加的速度度，电流反而减小，即曲线斜率由正变负。（三）功率-温度特性（PTT）描述热敏电阻器的电阻体与外加功率之间的关系，与电阻器所处的环境温度、介质种类和状态等相关。（四）热敏电阻器的动态特性热热敏敏电电阻阻器器的的电电阻阻值值的的变变化化完完全全是是由由热热现现象象引引起起的的。因因此此，它它的的变变化化必必然然有有时时间间上上的的滞滞后后现现象象。这种电阻值随时间变化的特性，叫做热敏电阻器的动态特性。动态特性种类：u周围温度变化所引起的加热特性；u周围温度变化所引起
58、的冷却特性；u热敏电阻器通电加热所引起的自热特性。当热敏电阻器由温度T0增加到TU时，其电阻值RTr随时间t 的变化规律为：式中RTt时间为t时，热敏电阻的阻值； T0环境温度；Tu介质温度(TuT0); RTa温度Ta时,热敏电阻器的电阻值； t时间。当热敏电阻由温度Tu冷却T0时，其电阻值RTt与时间的关系为：伏安特性的位置在仪器仪表中的应用U m的左边温度计、温度差计、温度补偿、微小温度检测、温度报警、温度继电器、湿度计、分子量测定、水分计、热计、红外探测器、热传导测定、比热测定U m的附近液位测定、液位检测U m的右边流速计、流量计、气体分析仪、真空计、热导分析旁热型热敏电阻器风速计、
59、液面计、真空计（一）检测和电路用的热敏电阻器 （U m峰值电压）检测用的热敏电阻在仪表中的应用 四、热敏电阻器的应用电路元件热敏电阻器在仪表中应用分类在仪器仪表中的应用U m的左边偏置线图的温度补偿、仪表温度补偿、热电偶温度补偿、晶体管温度补偿U m的附近恒压电路、延迟电路、保护电路U m的右边自动增益控制电路、RC振荡器、振幅稳定电路测温用的热敏电阻器，其工作点的选取，由热敏电阻的伏安特性决定。伏安特性的位置(a) (b) (c) (d)(e)(f) (g) (h)(i)6543 2 112D0.20.5A型B型(j)温度检测用的各种热敏电阻器探头1热敏电阻；2铂丝；3银焊；4钍镁丝；5绝缘
60、柱；6玻璃（二） 测温用的热敏电阻器1、 各种热敏电阻传感器结构2、测表面电阻用的热敏电阻器安装方法图为测表面温度用的热敏电阻器的各种安装方式。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)油测量物体表面温度时热敏电阻器的安装方式123412345Ir/mAU/VUR=IT0RUR=IT1RUR=IT2RUR=IT0R0UR=IT1R1UR=IT2R2IT0IT1IT2自热电桥测量温线路3、 热敏电阻测温电桥mAIrRURERrUT自热电桥及其等效电路RTR5R6R3(R1)En+U2UTRITEURRr(a)(b)(c)R1EnAR1R2R4R3U+ （三）热敏电阻作温度补偿用由热敏电阻器
61、RT和与温度无关的线性电阻器R1和R2串并联组成，补偿温度范围为T1T2。对于晶体管低频放大器和功率放大器电路的温度补偿，可用下列公式确定热敏电阻器的型号：R(T)R1R2Rr温度补偿网络T025时的温度tn=-BN/T2设计原理：利用半导体PN结的电流电压与温度有关的特性。优点：输出线性好、测量精度高,传感驱动电路、信号处理电路等都与温度传感部分集成在一起,因而封装后的组件体积非常小,使用方便,价格便宜,故在测温技术中越来越得到广泛应用。本节简要介绍IC温度传感器的类型、基本原理、主要特性及其应用等有关问题。第四节第四节 ICIC温度传感器温度传感器一、IC温度传感器的分类电压型IC温度传感
62、器；电流型IC温度传感器，数字输出型IC温度传感器。电流型IC温度传感器是把线性集成电路和与之相容的薄膜工艺元件集成在一块芯片上,再通过激光修版微加工技术,制造出性能优良的测温传感器。这种传感器的输出电流正比于热力学温度，即1A/K；其次，因电流型输出恒流，所以传感器具有高输出阻抗。其值可达10M。这为远距离传输深井测温提供了一种新型器件。电压型IC温度传感器是将温度传感器基准电压、缓冲放大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大器；故输出电压高、线性输出为10mV；另外,由于其具有输出阻抗低的特性；抗干扰能力强，故不适合长线传输。这类IC温度传感器特别适合于工业现场测量。电流型IC温
63、度传感器的测温原理，是基于晶体管的PN结随温度变化而产生漂移现象研制的。众所周知，晶体管PN结的这种温漂，会给电路的调整带来极大的麻烦。但是，利用PN结的温漂特性来测量温度，可研制成半导体温度传感元件。IC温度传感器就是依据半导体的温漂特性，经过精心设计而制造出来的集成化线性较好的温度传感器件。利用电流I与Tk的正比关系，通过电流的变化来测量温度的大小。二、IC温度传感器的测温原理（一）电压输出型集成温度传感器AN6701S是日本松下公司生产的电压输出型集成温度传感器，它有四个引脚，三种连线方式：(a)正电源供电，(b)负电源供电，(c)输出极性颠倒。电阻RC用来调整25下的输出电压，使其等于
64、5V，RC的阻值在330k范围内。这时灵敏度可达109110mV/，在-1080范围内基本误差不1。输出AN6701(a)1243RC515VAN6701输出(c)10kRC3124515V-+100k10k100kAN6701(b)213输出4515VRC三、IC温度传感器的主要特性输出电压/V02468101220020406080RC=100kRC=10kRC=1k温度/CAN6701S的输入特性在-1080范围内，RC的值与输出特性的关系如下图。AN6701S有很好的线性，非线性误差不超过0.5%。若在25时借助RC将输出电压调整到5V，则RC的值约在330k间，相应的灵敏度为1091
65、10mV/。校准后，在-1080范围内，基本误差不超过1。这种集成传感器在静止空气中的时间常数为24s，在流动空气中为11s。电源电压在515V间变化，所引起的测温误差一般不超过2。整个集成电路的电流值一般为0.4mA，最大不超过0.8mA（RL=时）。（二）电流型温度传感器1伏安特性工作电压：4V30V，I 为一恒流值输出，ITk，即KT标定因子，AD590的标定因子为1A/ I =KTTK4V30V0I/AU/VAD590伏安特性曲线-55+25+150218298423550150273.2AI/ATC /CAD590温度特性曲线2温度特性其温度特性曲线函数是以Tk为变量的n阶多项式之和
66、，省略非线性项后则有:Tc摄氏温度；I 的单位为A。可见，当温度为0时，输出电流为273.2A。在常温25时，标定输出电流为298.2A。I=KTTc273.23AD590的非线性15055T/C0.30.30在实际应用中，T 通过硬件或软件进行补偿校正，使测温精度达0.1。其次，AD590恒流输出，具有较好的抗干扰抑制比和高输出阻抗。当电源电压由5V向10V变化时，其电流变化仅为0.2A/V。长时间漂移最大为0.1，反向基极漏电流小于10pA。55100，T递增，100150则是递降。T最大可达3，最小T0.3，按档级分等。T/CAD590非 线性误差曲线美国DALLAS公司生产的单总线数字
67、温度传感器DS1820，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列号，所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根口线（单总线接口）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。DS1820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。（三）数字输出型IC温度传感器 、 DS1820DS1820的特性的特性u单线接口：仅需一根口线与MCU连接；u无需外围元件；u由总线提供电源；u测温范围为-55125，精度为0.5；u九位温度读数
68、；uA/D变换时间为200ms；u用户可以任意设置温度上、下限报警值，且能够识别具体报警传感器。DS1820123GNDI/O VDD(a)PR35封装DS1820的管脚排列DS182012345678I/OGND(b)SOIC封装NCNCNCNCVDDNC2 2、 DS1820DS1820引脚及功能引脚及功能GND：地；VDD：电源电压I/O：数据输入输出脚(单线接口，可作寄生供电) 3 3 、DS1820DS1820的工作原理的工作原理图为DS1820的内部框图，它主要包括寄生电源寄生电源、温温度传感器度传感器、64位激光位激光ROM单线接口单线接口、存放中间数据的高存放中间数据的高速暂存
69、器速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。存储器控制逻辑64bitROM和单线接口电源检测温度传感器高温触发器低温触发器8位CRC触发器存储器DS1820内部结构图寄生电源由两个二极管和寄生电容组成。电源检测电路用于判定供电方式。寄生电源供电时,电源端接地，器件从总线上获取电源。在I/O线呈低电平时，改由寄生电容上的电压继续向器件供电。寄生电源两个优点：n检测远程温度时无需本地电源；n缺少正常电源时也能读ROM。若采用外部电源,则通过二极管向器件供电。(1 ) (1 ) 寄生电源寄生电源DS182
70、0内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，DS1820对f0计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9位（符号点1位），但因符号位扩展成高8位，故以16位补码形式读出，表3.4-1给出了DS1820温度和数字量的对应关系。温度/输出的二进制码对应的十六进制码+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+1/200000000000000010001H00000000000
71、0000000000H-1/21111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-551111111110010010FF92HDS1820温度与数字量对应关系表温度与数字量对应关系表温度测量电路斜率累加器计数器1计数器2低温度系数晶振高温度系数晶振=0=0预置温度寄存器预置比较停止置位/清零加1(2) (2) 温度测量原理温度测量原理DS1820测量温度时使用特有的温度测量技术，如图。64位ROM的结构如下：开始8位是产品类型的编号（DS1820为10H），接着是每个器件的唯一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS1820
72、可以采用一线进行通信的原因。主机操作ROM的命令有五种，如表所列指令说明读ROM（33H）读DS1820的序列号匹配ROM（55H）继读完64位序列号的一个命令，用于多个DS1820时定位跳过ROM（CCH）此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有DS1820搜ROM（F0H）识别总线上各器件的编码，为操作各器件作好准备报警搜索（ECH）仅温度越限的器件对此命令作出响应(3) 64(3) 64位激光位激光ROMROM由便笺式RAM和非易失性电擦写EERAM组成，后者用于存储TH、TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给EERAM。便笺式RAM占9个字节，包括温度信息（第1、2字节）、TH和TL
73、值（3、4字节）、计数寄存器（7、8字节）、CRC（第9字节）等，第5、6字节不用。暂存器的命令共6条，见表3.4-3所列。在正常测温情况下，DS1820的测温分辨力为0.5，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：首先用DS1820提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分Tz，然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25、0.75为进位界限的关系，实际温度Ts可用下式计算：Ts=（Tz-0.25）+(CD-Cs)/CD(4) (4) 高
74、速暂存器高速暂存器DS1820存贮控制命令存贮控制命令指令说明温度转换（44H）启动在线DS1820做温度A/D转换读数据（BEH）从高速暂存器读9bits温度值和CRC值写数据（4EH）将数据写入高速暂存器的第0和第1字节中复制（48H）将 高 速 暂 存 器 中 第 2和 第 3字 节 复 制 到EERAM读EERAM（B8H）将EERAM内容写入高速暂存器中第2和第3字节读电源供电方式（B4H）了解DS1820的供电方式DS1820单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。因此系统对DS1820的各种操作必须按协议进行。DS1820工作工程中的协议：初始化、ROM操作命令、存储器操作
75、命令、处理数据。 温度检测系统原理温度检测系统原理由于单线数字温度传感器DS1820具有在一条总线上可同时挂接多片的显著特点，可同时测量多点的温度，而且DS1820的连接线可以很长，抗干扰能力强，便于远距离测量，因而得到了广泛应用。采用寄生电容供电的温度检测系统89C51DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2TxRx+5VGNDVDDP1.1作输出口用，相当于TxP1.2作输入口用，相当于Rx温度检测系统原理图如图所示，采用寄生电源供电方式。为保证在有效的DS1820时钟周期内，提供足够的电流，我们用一个MOSFET管和89C51的一个I/O口（P1.0）来完成对DS18
76、20总线的上拉。当DS1820处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10s。采用寄生电源供电方式时VDD必须接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的，为了操作方便我们用89C51的P1.1口作发送口Tx，P1.2口作接收口Rx。通过试验我们发现此种方法可挂接DS1820数十片，距离可达到米，而用一个口时仅能挂接10片DS1820，距离仅为20米。同时，由于读写在操作上是分开的，故不存在信号竞争问题。DS1820采用了一种单线总线系统，即可用一根线连接主从器件，DS1820作为从属器件，主控器件一般为微处理器。单线总线仅由一根线组成，与总线
77、相连的器件应具有漏极开路或三态输出，以保证有足够负载能力驱动该总线。DS1820的I/O端是开漏输出的，单线总线要求加一只5k左右的上拉电阻。应特别注意：当总线上DS1820挂接得比较多时，就要减小上拉电阻的阻值，否则总线拉不成高电平，读出的数据全是0。在测试时，上拉电阻可以换成一个电位器，通过调整电位器可以使读出的数据正确，当总线上有8片DS1820时，电位器调到阻值为1.25k时就能读出正确数据，在实际应用时可根据具体的传感器数量来选择合适的上拉电阻。四、IC温度传感器的应用l串联、并联使用：串联测最低温度；并联测平均温度l冷端补偿：可代替冰池，环境温度1535l温度控制：l温度检测：AD
78、590应用（一）深井长传输线的摄氏温度测量在实际中，可使用AD590进行深井长线传输侧温，并能对测温曲线的非线性误差进行校正。用AD590为测温传感器，传输电缆可达1000m以上，主要是因AD590本身具有恒流、高阻抗输出特性，输出阻抗达10M。1000m的铜质电缆。其直流阻值约为150。所以电缆的影响是微乎其微的。实验证明，接入1000m电缆后的测量值与不接入电缆的侧量值。相差值小于0.1。这一变化值是在规定的测温精度范围内的。长线传输摄氏温度测量的典型电路如图。由图可得设RT=1k，KT为标定因子(1A/K)，则U1=1mV/KTk因BG1为1.25V稳压管，经R2,WT分压,取U2=27
79、3.2mV放大倍数A=10；于是有:+U0ABG1R1R2U2WrRrI1+E9VU1当t=55时，U0=550mV；当t=150时，U0=1500mV。此电路只要BG1的运放漂移小，性能稳定，RT取0.l精密电阻，加上对AD590的自身非线性补偿后，测温精度在测温范围内可达0.1。对于标定因子KT的离散性，可通过调节WT来调整，WT为多圈线精密电位器。U0=(U1-U2)A=1mVTcA=10mV/Tc摄氏TCV转换公式（二）测温曲线的非线性误差校正.在实际测温曲线中,若没有通过校正,曲线如图，0100温域曲线是上升的，原因是AD590本身的非线性所致，在55100时T是递增的；在100+1
80、50的T是递降的，即U0/T=F(1)。式中的F为测温电路的标定因子。要使整个测温曲线有良好线性关系，就要使F=1，采取80C100CTC标准值T测量值0测量误差曲线的办法是利用双积分A/D转换线性特性，对曲线分段校正，线性双积分A/D转换的基本公式为：N1为固定值，V标是反向积分时所加的标准电压,实际上N1/V标为一常数，故该公式为N2-V输入间的线性关系式。如果由AD590的非线性产生的V输入值偏高，要使N2保持不变，只要减小V标的值，即可使曲线得到提升；反之，增加V标值，曲线就下降。在实际电路中，是改变双积分转换器的参考电压UREF的值来使测温读数值得到修正的。这种办法补偿了AD590的
81、非线性误差，提高了测量精度。一、铂电阻温度传感器利用纯铂丝电阻随温度的变换而变化的原理设计研制成的。可测量和控制200650范围内的温度，也可作对其他变量(如：流量、导电率、pH值等)测量电路中的温度补偿。有时用它来测量介质的温差和平均温度。它具有比其他元件良好的稳定性和互换性。目前，铂电阻上限温度达850。第五节第五节 其他温度传感器其他温度传感器123451云母片骨架；2铂丝；3银丝引出线；4保护用云母；5绑扎用银带在0850范围内，铂电阻的电阻值与温度的关系为在2000范围内为： 式中R0、Rt温度为0及t时的铂电阻的电阻值；A、B、C常数值，其中：A=3.9684710-3-1或3.9
82、485110-3-1B=5.84710-7-2或5.85110-7-2C=4.2210-12-4或4.0410-12-4Rt=R0（1+At+Bt2）Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3铂电阻的纯度以R100/R0表示，R100表示在标准大气压下水沸点时的铂的电阻值。国际温标规定，作为基准器的铂电阻，其R100/R0不得小于1.3925。我国工业用铂电阻分度号为BA1、BA2，其R100/R0=1.391。用途：钢铁,地质,石油,化工等生产工艺流程,各种食品加工,空调设备及冷冻库,恒温槽等的温度检测与控制中。型号R0测温范围测量对象时间常数s精度备注CW-1-4-1400.2-50
83、150表面温度0.050时0.5其它不大于1%+1保证100kg/cm3以下的气密性（0以上）CW-1-4-2350.2-50400表面温度0.050时0.5其它不大于1%+1CW-1-4-460.2-50150表面温度0.050时0.5其它不大于1%+1CW1-8460.2-30200表面温度10.5CW2-16-1700.2-50+50表面温度油中0.06水中0.3(0.3+610-3|t|)CW2-16-2460.2-50200表面温度油中0.06水中0.3(0.3+610-3|t|)CW2-16-3460.05-50100表面温度油中0.06水中0.3(0.3+4.510-3|t|)C
84、W2-18400.2-40300表面温度油中0.06水中0.3(0.3+4.510-3|t|)CW2-19400.05-50150空气温度0.06(0.3+4.510-3|t|)CW2-20460.2-40200空气温度0(0.3+4.510-3|t|)CW2-22-11000.1-2000空气温度0.30.5CW2-22-25001-2530空气温度0.30.5CW2-261000.1-40400-40650管道内介质介质温度0.50.1(0.3+4.510-3|t|)(0.3+610-3|t|)小型铂电阻1000.1-2530介质温度0.1(0.3+4.510-3|t|)高温铂电阻1000
85、15001-40650-40650介质温度介质温度0.30.3(0.3+4.510-3|t|)(0.3+4.510-3|t|)铂电阻温度传感器的主要技术参数详见下表二、水晶温度传感器水晶振子具有优良的频率稳定性。利用这种特性制成的高精度晶振，已广泛应用于通信、检测、控制仪器及微机等领域。水晶振子根据需要可切割成各种水晶板。主要切割形式有：AT、AC、RS、LC、Y等，其中，AT切割都使用在相对温度频率误差小的切割中。水晶振子的固有振动频率，可用下式表示：式中f固有频率；n谐波次数；t振子厚度 水晶的密度；Cii弹性常数。式中的t、Cii均是温度的函数。水晶温度传感器就是利用水晶振子的振动频率随
86、温度变化的特性制成的（一）水晶温度传感器的特性在各种切割中，相对温度频率误差大的切割有Y、LC、RS、AC等。温度和水晶振子频率的关系一般用：fTT时的频率；fT0T0时的频率；T测量温度；T0基准温度（任意）；A、B、C方程式的1次、2次、3次项的温度系数。如果方程的2次、3次项的温度系数近似为0，就可以得到线性水晶温度传感器。由于切割形式不同，温度系数也不同。LC切割传感器的特性如下表。水晶温度传感器的特性项目A/10-6B/10-9C/10-12灵敏度约1000Hz/时的频率，MHz谐波次数nY92.7561.7428.8310.61RS42.501.25-39.7523.53LC38.
87、090028.23切割3.12max8.0以下0.23.750.500.30.070.31.10.20.3max10min0.5以下4.7以下QTY-451QTY-452QTL-451QTY-3816.5以下目前，日本制造出的水晶温度传感器有Y切 割 的 QTY-452、QTY-451、 QTY-381LC切割的QTL-451，如图。水晶温度传感器外形图（二）水晶温度探测器水晶探测器是由传感器和振荡电路组装在一起制成的，适用于检测液体、固体或气体的温度。（三）水晶温度传感器的应用水晶温度传感器可广泛用于空调、电子工业、食品加工等领域。由于可用数字显示，所以，可作为高稳定性和高分辨率的温度计使用
88、。三、 分布温度传感器温度越限往往造成火灾、爆炸或机毁人亡等恶性事故。对于在空间延伸的设备和装置，进行温度越限的检测和控制尤为重要。避免温度越限不可能通过温度的点测来实现，如电力电缆表层某一点温度的检测和控制。因此,这种传感器在温度检测与控制中，具有独特重要作用。（一）一次触发式分布温度传感器仅能触发一次，然后必须重新设定测量位置。最普通的是利用易熔塑料分割两根导线制成。当温度越限使塑料融化时，分割的两根导线产生短路电流，短路电流可利用电缆终端的装置测出。其主要缺点是：l仅能触发一次，不适于连续检测；l不能进行非破坏性试验，每次都必须接到传感器电缆的一个新部位上；l一般仅适用于火焰检测。（二）
89、重复使用式分布温度传感器重复使用式温度传感器适用于温度连续监测，主要有：1 热敏电阻材料包裹导线式传感器是利用负温度系数的热敏电阻材料，以同轴方式包裹中心电缆，并用金属外套封装这个同轴电缆。当在延伸电缆长度方向上的任一点的温度低于触发温度时，传感器处于正常工作状态，此时中心导线与外套间的电阻为高值；但当温度升高到某一数值时，电阻就下降的相应值。报警点的温度与对应的最小阻值相对应。由于这种传感器是一种空间积累式温度传感器，一段长的热段和一段短的热段所测的电阻值相同，因此，沿传感器长度延伸方向出现温度越限的位置，不能由测量电阻值来确定。2热敏材料填充式传感器这是一种将热敏材料填充在中心导线与圆柱形
90、金属套之间构成的同轴电缆，所用的热敏材料是易溶盐化合物。在正常工作状态下，盐化合物为固态，导线与金属套间阻值最大。当温度升高，盐化合物熔化时，填充层的阻值显著下降。椐此可测出电缆是否过热。3气压输送管这种传感器实际上是一个充满惰性气体的气压输送管，当温度升高时，连接在电触膜盒上所受的压力增加，椐此来测定越限温度。但这种传感器也不能以任何方式测定出故障的确切位置，也只能检测出是否过热。4导电聚合物式传感器这种传感器为同轴电容器式结构，中心导线用电介质被覆，导线塑料压涂在已被覆电介质的导线上。导电塑料应选用在预定的出发点附近，且为正电阻温度系数较大的材料。最外层是防护塑料套，其结构如图。金属导体电
91、介质导体塑料保护塑料套按要求选定具有某一触发温度值的传感器电缆，并使其与监控设备之间保持良好热接触。如果在传感器电缆长度方向上的任何一部分超过预定的触发温度，则该部分的导电塑料中的阻值将大大增加。由于不能通过高电阻对电缆充放电，所以电容值减小。根据越限温度时的电容值和正常温度电容值之比,可测出温度触发点的位置。目前，一种长180m以上的这种传感器，在国外已投入使用，其触发温度为1255，测位精度达5m。除上述集中分度温度传感器外，还有两种新型的分布温度传感器。第一种传感器长250m，全长用金属封装，它可测出过热部分温度。该传感器测温范围0500。它可用于监测反应堆的温度。另一种传感器可在长10
92、00m或更长的距离内测出温度上下限，其触发温度范围为0150。这种传感器适用于化工或其他具危险工艺过程中的温度监测。总之，分布温度传感器可有效地解决各种空间延伸设备的温度监测等问题，它的广泛应用大大推动了温度检测技术的发展。四、 双金属温度传感器目前，双金属式温度传感器已被广泛应用于各种测温领域。这种温度传感器实际上是双金属式温度保护器。（一） 工作原理将热膨胀系数不同的两种或两种以上金属(线、板、棒)压制成一体，当温度变化时，双金属产生变形，利用这种机械运动实现控温目的。提高电器、热源和应用仪器等的安全可靠性能，一般通过附加电压、靠过热、过电流等保护元件来实现。但这样使用时很不方便，出现事故
93、后要更新保护元件。当应用双金属式传感器做保护元件时，如果马达、变压器等电器设备工作出现异常，不仅温度上升，而且工作电流也随之增加，此时双金属式温度传感器可通过本身的发热变形特性进行对工作电路的开、闭控制，这与恒温箱的工作原理基本相同。0123456770 80 90 100 110 120130 140工作温度/C电流/A电流负荷特性（玻璃型）图3.5-4电流负荷特性示意图（二）特性1电流负荷特性电流负荷特性如图3.5-4所示。由于负载与传感器串联使用的，故应根据负载电流值来合理选用温度传感器。过电流的工作时间特性如图3.5-5所示。当温度升高或过电流时，电路自动断开。断开时间因过电流值大小不
94、同而不同，要根据两者之间的关系选择所需要的产品。12468201040608010010 1112131415T70T80T90T100T110T120T140T130电流/A电流应动时间/s图3.5-5过电流工作时间特性示意图2 过电流的工作时间特性3恢复温度恢复温度是指电路断开后能够使仪器的过热温度自动下降，并能使之重新开始工作的温度。工作温度与恢复温度的差通常为15以上，一般按25设计。4工作温度和恢复温度的往返精度工作温度和恢复温度的精度开始为1%，在额定负荷工作5000次后，精度为5%。（三） 应用双金属式温度传感器用途很广。一般串联在保护电路中，可用于防止因过电流而造成事故。如，电路的过热、过电流保护；小马达、小型变压器等电气设备的保护。UcdR3R2R4R1Eabcd电阻的电桥测量线路
