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1、a第三章第三章温度传感器温度传感器一、概况：一、概况：常用温标：常用温标：热力学温标热力学温标：1/273.16为为1度（开尔文）度（开尔文）（三相点：一般指的是，各种化学性质稳定的纯物质三相点：一般指的是，各种化学性质稳定的纯物质于固、液、气三个相于固、液、气三个相(态态)，在平衡共存时的，在平衡共存时的三条平衡线的交点。三相共存时具有固定的三条平衡线的交点。三相共存时具有固定的温度和压强。如温度和压强。如水的三相点为水的三相点为0.01（273.16K），），4.58mmHg。）。）摄氏温标：摄氏温标：水沸点水沸点(100度度)水冰点水冰点(0度度)/100(摄氏摄氏1度度)华氏温标华氏温
2、标:水沸点水沸点(212度度)冰融点冰融点(32度度)/180(华氏华氏1度度)阿温标温标华氏温标华氏温标是德国人华伦海特是德国人华伦海特(D.G.Fahrenheit)大约在大约在1710年提出的，规定水的冰点为年提出的，规定水的冰点为32度，水的沸点为度，水的沸点为212度。华氏温度至今还在英、美度。华氏温度至今还在英、美等国民间流行。等国民间流行。列氏温标列氏温标由列奥缪尔由列奥缪尔(R.A.F.Reaumur)于于1730年提出，规定水的冰点为零度，水的沸点为年提出，规定水的冰点为零度，水的沸点为80度。列氏温标在德国曾一度流行。度。列氏温标在德国曾一度流行。兰氏温标兰氏温标由英国人兰
3、金由英国人兰金(Rankine)提出，其定义为提出，其定义为tRtF459.67实际上兰氏温度是以绝对零度为计算起点的华氏温度，以实际上兰氏温度是以绝对零度为计算起点的华氏温度，以0R表示之。现在科技界已很少采用。表示之。现在科技界已很少采用。摄氏温标摄氏温标是瑞典天文学家摄尔萨斯是瑞典天文学家摄尔萨斯(A.Celsius)在在1742年提出的。他原来的方案是以水的沸点为零度，水的冰点为年提出的。他原来的方案是以水的沸点为零度，水的冰点为100度。次年法国人克里斯度。次年法国人克里斯丁丁(Christian)把两个标度倒过来，就成了现在通用的标度。把两个标度倒过来，就成了现在通用的标度。气体温
4、标气体温标以气体温度计标定温度所构成的以气体温度计标定温度所构成的气体温标气体温标最接近热力学温标。由于气体温度计的复现性较差，国际间又协议定出国际实用温标，最接近热力学温标。由于气体温度计的复现性较差，国际间又协议定出国际实用温标，以统一国际间的温度量值，国际实用温标几经变革，以统一国际间的温度量值，国际实用温标几经变革，为此定出的温度尽可能接近热力学温度。为此定出的温度尽可能接近热力学温度。早在早在1887年，国际计量委员会就曾决定采用定容氢气体温度计作为国际实用温标的基础。年，国际计量委员会就曾决定采用定容氢气体温度计作为国际实用温标的基础。1927年第七届国际计量大会决议年第七届国际计
5、量大会决议采用铂电阻温度计等作为温标的内插仪器，并规定在氧的凝固点采用铂电阻温度计等作为温标的内插仪器，并规定在氧的凝固点(-182.97摄氏度摄氏度)到金凝固点到金凝固点(1063摄氏度摄氏度)之间确定一系列可重复的温度或固定点。之间确定一系列可重复的温度或固定点。1948年第十一届国际计量大会年第十一届国际计量大会对国际实用温标作了若干重要修订。例如，以金融点代替金凝固点；以普朗克黑体辐射定律代替维恩定律；对国际实用温标作了若干重要修订。例如，以金融点代替金凝固点；以普朗克黑体辐射定律代替维恩定律；引用更精确的常数值；计算公式更为精确；光测高温计的测量限值扩大等等。引用更精确的常数值；计算
6、公式更为精确；光测高温计的测量限值扩大等等。1960年又增加了一条重要修订年又增加了一条重要修订，即把水的三相点作为唯一的定义点，规定其绝对温度值为，即把水的三相点作为唯一的定义点，规定其绝对温度值为273.16(精确精确)，以代替原来水冰点温度为，以代替原来水冰点温度为0.00摄摄氏度氏度(精确精确)之规定。而水的冰点根据实测，应为之规定。而水的冰点根据实测，应为273.15000.0001K。采用水的三相点作为唯一的定义点是温度计量的一大进步，因为这可。采用水的三相点作为唯一的定义点是温度计量的一大进步，因为这可以避免世界各地因冰点变动而出现温度计量的差异。以避免世界各地因冰点变动而出现温
7、度计量的差异。1968年对国际实用温标又作了一次修订年对国际实用温标又作了一次修订，代号为，代号为IPTS-68。其特点是采用了有关热力学的最新成就，使国际实用温标更接近热力学温标。其特点是采用了有关热力学的最新成就，使国际实用温标更接近热力学温标。这一次还规定以符号这一次还规定以符号K表示绝对温度，取消原来的符号表示绝对温度，取消原来的符号(K)，并规定摄氏温度与热力学温标的绝对温度单位精确相等，摄氏温度，并规定摄氏温度与热力学温标的绝对温度单位精确相等，摄氏温度t绝对温度绝对温度T273.15(精确精确)。1975年和年和1976年分别对年分别对IPTS-68作了修订和补充作了修订和补充，
8、把温度范围的下限由，把温度范围的下限由13.8K扩大到扩大到0.5K。但还是出现不足之处，主要是在实验中不断发但还是出现不足之处，主要是在实验中不断发现现IPTS-68在某些温区与国际单位制定义的热力学温度偏差甚大。在某些温区与国际单位制定义的热力学温度偏差甚大。1988年国际度量衡委员会推荐，第十八届国际计量大会及第年国际度量衡委员会推荐，第十八届国际计量大会及第77届国际计量委员会作出决议，从届国际计量委员会作出决议，从1990年年1月月1日起开始在全世界范围内采用日起开始在全世界范围内采用重重新修订的国际温标，这一次取名为新修订的国际温标，这一次取名为1990年国际温标，代号为年国际温标
9、，代号为ITS-90，取消了，取消了“实用实用”二字，因为随着科学技术水平的提高，这一温标已经相二字，因为随着科学技术水平的提高，这一温标已经相当接近于热力学温标。和当接近于热力学温标。和IPTS-68相比较，相比较，100摄氏度时偏低摄氏度时偏低0.026摄氏度，即标准状态下水的沸点已不再是摄氏度，即标准状态下水的沸点已不再是100摄氏度，而是摄氏度，而是99.974摄氏度。摄氏度。显然，显然，ITS-90的实施会给精密温度计量带来好处，是科学技术发展的又一标志。的实施会给精密温度计量带来好处，是科学技术发展的又一标志。温度传感器概况：温度传感器概况：材料：材料：导体：热电隅（铂铂铑）导体：
10、热电隅（铂铂铑）半导体：半导体：电介质（金属氧化物烧结成陶瓷）电介质（金属氧化物烧结成陶瓷）:磁性介质磁性介质:有机高分子有机高分子:以材料分类以材料分类 金属、半导体金属、半导体以工作方式分类以工作方式分类 接触式、非接触式接触式、非接触式以工作原理分类以工作原理分类 正温度系数、负温度系数正温度系数、负温度系数以创作工艺分类以创作工艺分类 烧结、镀膜、平面工艺、集成工艺烧结、镀膜、平面工艺、集成工艺以形状结构分类以形状结构分类 长型、圆型、片型长型、圆型、片型分类分类应用应用广泛应用于工业、农业、医疗广泛应用于工业、农业、医疗a二、热电偶温度传感器二、热电偶温度传感器1、热电效应、热电效应
11、1）帕尔帖效应）帕尔帖效应-接触电动势接触电动势两种不同材料接触时，由于不同材料自由电子浓度不两种不同材料接触时，由于不同材料自由电子浓度不同而产生扩散，在接触处形成电位差，这种现象叫做帕尔帖效同而产生扩散，在接触处形成电位差，这种现象叫做帕尔帖效应。应。接触电动势为：接触电动势为：电子电荷，电子电荷，k波尔兹曼常数波尔兹曼常数导体材料导体材料A、B在接触处温度在接触处温度T时的电子浓度时的电子浓度a2）汤姆逊效应）汤姆逊效应温差电动势温差电动势单一导体由于其两端温度不同，使得高温端电子单一导体由于其两端温度不同，使得高温端电子能量高于低温端电子能量而向低温端扩散，形成温差电势。能量高于低温端
12、电子能量而向低温端扩散，形成温差电势。这种现象称为汤姆逊效应。这种现象称为汤姆逊效应。温差电动势为：温差电动势为：为导体材料的汤姆逊系数为导体材料的汤姆逊系数a回路总热电势为：回路总热电势为：（1）材料相同，接触电势为零）材料相同，接触电势为零 （2）两端温度相同，温差电势为零）两端温度相同，温差电势为零 （3）材料确定，只与温度有关）材料确定，只与温度有关 （4）与材料形状无关）与材料形状无关 a2、热电偶测量的问题、热电偶测量的问题实际测量：实际测量：温温 度度0 0101020203030404050506060707080809090热热电电动动势势mVmV0 00.0000.0000
13、.0550.0550.1130.1130.1730.1730.2350.2350.2990.2990.3650.3650.4320.4320.5020.5020.5730.5731001000.6450.6450.7190.7190.7950.7950.8720.8720.9500.9501.0291.0291.1091.1091.1901.1901.2731.2731.3561.3562002001.4401.4401.5251.5251.6111.6111.6981.6981.7851.7851.8731.8731.9621.9622.0512.0512.1412.1412.2322.23
14、21400140014.36814.36814.61014.61014.61014.61014.73114.73114.85214.85214.97314.97315.09415.09415.21515.21515.33615.33615.45615.4561500150015.57615.57615.69715.69715.81715.81715.93715.93716.05716.05716.17616.17616.29616.29616.41516.41516.53416.53416.65316.6531600160016.77116.77116.89016.89017.00817.00
15、817.12517.12517.24317.24317.36017.36017.47717.47717.59417.59417.71117.71117.82617.8261700170017.94217.94218.05618.05618.17018.17018.28218.28218.39418.39418.50418.50418.61218.612工业热电偶分度表工业热电偶分度表铂铑10-1铂热电偶分度表（分度号：B）(参考端温度为0)问题：如果参考问题：如果参考 点不是零度点不是零度 怎么考虑？怎么考虑？ a？a3、热电偶基本定律、热电偶基本定律1）中间导体定律）中间导体定律AC如图：如
16、图：B材料材料A、B、C各不相同，各不相同，如果：如果：可知温差电势为可知温差电势为0总接触电势为接触电势：总接触电势为接触电势：a如果：如果：总热电势：总热电势：与只有与只有A、B时的热电偶相同，即：时的热电偶相同，即：第三种材料接入总电势第三种材料接入总电势不变不变。同样可以证明第二种接法也不影响只有同样可以证明第二种接法也不影响只有A、B时的热电偶。时的热电偶。a2）中间温度定律）中间温度定律AAABBB热电偶热电偶AB的热电势只取决于热电偶的材料和两节的热电势只取决于热电偶的材料和两节点的温度，而与温度沿热电极的分布无关点的温度，而与温度沿热电极的分布无关三、三、 热敏电阻温度传感器热
17、敏电阻温度传感器1 1）热敏电阻特性机理）热敏电阻特性机理材料：氧化物半导体材料：氧化物半导体陶瓷陶瓷工作方式：接触式工作方式：接触式工作特性：正温度系数，负温度系数工作特性：正温度系数，负温度系数陶瓷：两种以上成分烧结成形，导电机理陶瓷：两种以上成分烧结成形，导电机理类似半导体；类似半导体；负温度系数材料负温度系数材料 NTC（Negative Temperature Coefficient）；）；氧化镍氧化镍 NiO；氧化锌氧化锌 IO；氧化钛氧化钛 TiO；机理：机理：低温时低温时高温时高温时跃出势垒电子数随温度而变化跃出势垒电子数随温度而变化正温度系数材料正温度系数材料PTCPTC机理
18、机理:低温时低温时高温时高温时晶粒间晶粒间电子势垒随温度变化电子势垒随温度变化2 2）NTCNTC热敏电阻特性热敏电阻特性（1）电阻率与温度关系）电阻率与温度关系 (T) :T为无穷大时的电阻值为无穷大时的电阻值 :温度为温度为T时的电阻值时的电阻值当当T 时时,都趋于一点都趋于一点 T : 激活能：玻尔兹曼常数1.3806210焦耳 开（s/k）ev-23(2)材料常数材料常数B(R)由由 ，指数，指数 中中 与材料有关，与材料有关，材料一定，材料一定， 确定确定因此，称为材料常数或材料系数。因此，称为材料常数或材料系数。定义：定义：显然，显然，B越大，越大，R变化越明显（指数变化）变化越明
19、显（指数变化）一般一般B10005000例，硅：例，硅： 1.17， 锗：锗： 0.74 4289（硅）；（硅）； = 6782（锗）（锗）（3）标准电阻值）标准电阻值其中：其中： 为为标准温度电阻标准温度电阻一般一般(4)电阻温度曲线电阻温度曲线以以 画出画出R-T曲线曲线 可见：材料不同，可见：材料不同， 曲线不同曲线不同(5)伏安特性曲线伏安特性曲线电压电压v电流电流mA可见：电流引起的发热带来测量误差可见：电流引起的发热带来测量误差 使用中需要考虑避免超过允许功耗使用中需要考虑避免超过允许功耗(6)热敏电阻温度系数热敏电阻温度系数 定义：定义：四、四、PNPN结型热敏器件结型热敏器件
20、PN结正向电流结正向电流ID 由由PN结理论：结理论： 其中：其中： A: PN结面积结面积 q: 电子电量电子电量 ni: 本征载流子浓度本征载流子浓度 Ln: 载流子扩散长度载流子扩散长度 Np,n: 受主，施主杂质浓度受主，施主杂质浓度 T: 绝对温度绝对温度 K: 玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数 UD: 结上正向压降结上正向压降1）晶体二极管热敏器件）晶体二极管热敏器件可以写为：可以写为：Is称作反向饱和电流称作反向饱和电流B,T:与器件结构，工艺与器件结构，工艺有关的常数有关的常数考察考察ID： 当正向压降当正向压降UD固定时，固定时，ID随温度随温度T变化变化 当当ID保持不变时，保持不变时， UD随温度随温度T变化，变化， 利用这一特性可对温度测量。利用这一特性可对温度测量。温度灵敏度温度灵敏度对对ID表达式两边取对数，求出表达式两边取对数，求出UD再对温度求导即可得：再对温度求导即可得：对于硅材料来说，可求出大约对于硅材料来说，可求出大约 的值。的值。五、三极管温度传感器五、三极管温度传感器利用发射结的结电压利用发射结的结电压降降UBE与温度的关系进与温度的关系进行测量。行测量。发射结正向电流发射结正向电流
