《传感器第一章》PPT课件.ppt

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1、第一章第一章温度传感器Temperature Sensors 定义：温度传感器是一种将定义：温度传感器是一种将温度变化温度变化转换为转换为电学量电学量变化的装置。变化的装置。 用于检测温度和热量，也叫做用于检测温度和热量，也叫做热电式传感热电式传感器器。 温度是与生活、科研、生产温度是与生活、科研、生产密切相关密切相关的物的物理量。理量。如如冰箱、空调、实验和生产环境等冰箱、空调、实验和生产环境等 是应用是应用最广泛最广泛的一种传感器。的一种传感器。简介第一章第一章 温度传感器温度传感器 n将将温度温度T变化转换为变化转换为电阻电阻变化的元件，主要变化的元件，主要有有金属热电阻、半导体陶瓷热敏

2、电阻金属热电阻、半导体陶瓷热敏电阻(NTC、PTC、CTR) 、半导体热电阻和高分子热敏、半导体热电阻和高分子热敏电阻电阻； n将将温度温度变化变化 -电势电势的传感器，主要有的传感器，主要有热热电偶电偶和和PN结式传感器结式传感器；n将将温度温度变化变化 -电流电流的传感器，的传感器，集成温度集成温度传感器。传感器。n将将热辐射热辐射-电学量电学量的器件，有的器件，有热释电探热释电探测器、红外探测器；测器、红外探测器；n新型的有光纤温度传感器、液晶温度传感器、新型的有光纤温度传感器、液晶温度传感器、智能温度传感器等等智能温度传感器等等简介分类分类classification v1.1 1.1

3、 电阻型温度传感器电阻型温度传感器v1.1.2 2 热电偶热电偶( (thermocouple)v1.3 1.3 半导体半导体PNPN结型温度传感器结型温度传感器 ( (Semiconductor PN Junction) )v1.4 1.4 其它温度传感器其它温度传感器 第一章第一章 温度传感器温度传感器 1.1 1.1 电阻型温度传感器电阻型温度传感器 v1.1.1 热电阻热电阻(Thermal Resistance) v1.1.2 热敏电阻热敏电阻 （high sensitive T. R.）v1.1.3 半导体热电阻温度传感器半导体热电阻温度传感器 （Semiconductor T.

4、R.） v1.1.4 电阻式温度传感器的应用电阻式温度传感器的应用 （Application of the T. R. sensors） R Rt t表示任意绝对温度时金属的电阻值表示任意绝对温度时金属的电阻值; ; R R0 0表示基准状表示基准状态t t0 0时的的电阻阻值; ; a a是是热电阻的温度系数（阻的温度系数（1/1/）, ,在一定的温度范在一定的温度范围内，可内，可近似地看成一个常数近似地看成一个常数 用感温材料把温度转化为电阻变化，主要有用感温材料把温度转化为电阻变化，主要有金属金属热电阻、半导体热电阻热电阻、半导体热电阻和和半导体陶瓷电阻，半导体陶瓷电阻，将变化将变化小的

5、称小的称热电阻热电阻，将变化大的称，将变化大的称热敏电阻热敏电阻。一、金属一、金属热电阻的特性阻的特性characteristic 大多数金属大多数金属导体的体的电阻随温度阻随温度变化的特性化的特性, ,其方程其方程: :1.1.1 1.1.1 热热 电电 阻阻 选作感温电阻的材料的要求选作感温电阻的材料的要求: : 电阻温度系数要高电阻温度系数要高; ;high high R R 在测温范围内在测温范围内, ,化学、物理性能稳定化学、物理性能稳定; ; 具有良好的输出特性具有良好的输出特性; ; 具有比较高的电阻率具有比较高的电阻率; ;higher higher 具有良好的可加工性具有良好

6、的可加工性, ,且价格便宜且价格便宜。Easy Easy machining, cheaper 1.1.铂热电阻铂热电阻( (platinum T. R.) 物理、化学性能稳定，是热电阻最佳材料，铂丝的物理、化学性能稳定，是热电阻最佳材料，铂丝的电阻值与温度之间的关系：在电阻值与温度之间的关系：在-190-19000范围内为范围内为: : 在在0 0630.755630.755范范围内内为: :Rt、R0分别是温度为分别是温度为t和和t0 时时的电阻值，的电阻值，A，B，C是常数。是常数。 铂电阻铂电阻重现性最好、重现性最好、稳定性最好作为稳定性最好作为标准电阻温度计标准电阻温度计 用于高精度

7、工业测量、温度的基准。用于高精度工业测量、温度的基准。 一般测量精度较小时采用铜电阻。一般测量精度较小时采用铜电阻。 铜丝在铜丝在-50-50150150内性能很稳定，且电阻与温内性能很稳定，且电阻与温度的关系接近线性。表示为：度的关系接近线性。表示为：但在但在-50-505050内为线性变化，可表示：内为线性变化，可表示：2 2. 铜热电阻铜热电阻3. 3. 其它热电阻其它热电阻 铁和镍电阻铁和镍电阻较铂和铜高，较铂和铜高， 也较大，做成体积也较大，做成体积小、灵敏度高的电阻温度计。小、灵敏度高的电阻温度计。 铟电阻铟电阻适宜在适宜在-269-258用，测量精度高，灵敏用，测量精度高，灵敏度

8、很高度很高 ，是铂电阻的，是铂电阻的10倍，但重现性差倍，但重现性差 ； 锰电阻锰电阻适宜在适宜在-271-210用，灵敏度高，但脆性用，灵敏度高，但脆性高高 ，易损坏；，易损坏； 碳电阻碳电阻适宜在适宜在-273-268.5 内使用，热容量小内使用，热容量小 ，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但热稳定性较差。，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但热稳定性较差。1 1、结构：结构：将电阻丝将电阻丝双线绕双线绕在云母、石英、陶瓷、塑料在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘架上，固定后外面再加上保护套管。等绝缘架上，固定后外面再加上保护套管。 2、测量电路：测量电路：用精度较高的电桥电路。用精度较高的电桥电路。

9、 为消除连接导线电阻随环境温度变化为消除连接导线电阻随环境温度变化 而造成的测量而造成的测量误差，常采用三线和四线连接法。误差，常采用三线和四线连接法。二、二、热电阻的结构及测量电路热电阻的结构及测量电路 三线连接法三线连接法 三线三线和和四线式接法四线式接法中要求：连接相邻桥臂的中要求：连接相邻桥臂的r r1 1和和r r2 2长长度和温度系数度和温度系数相等相等；三线中；三线中Ra的触点会导致电桥零点的触点会导致电桥零点的不稳定的不稳定四线中触点的不稳定不会破坏四线中触点的不稳定不会破坏电桥的平衡电桥的平衡。R R1 1、R R2 2、R R3 3固定电阻，固定电阻，R Ra a调零电阻，

10、调零电阻，r r1 1 、r r2 2 、r r3 3 、r r4 4为导线补偿电阻为导线补偿电阻。 热电阻式温度计热电阻式温度计: 优点：性能稳定，测量范围宽、精度高。优点：性能稳定，测量范围宽、精度高。 缺点：需辅助电源，热容量大，限制用于动态测量。缺点：需辅助电源，热容量大，限制用于动态测量。 措施：为避免电阻流过电流的加热，尽量使流过热电措施：为避免电阻流过电流的加热，尽量使流过热电阻的电流降低，不影响测量精度，一般应小于阻的电流降低，不影响测量精度，一般应小于10mA。 正温度正温度系数热敏系数热敏电阻电阻PTCPositive Temperature Coefficient 负温度

11、负温度系数热敏系数热敏电阻电阻NTC临界温度临界温度系数热敏系数热敏电阻电阻CTR1.1.2 1.1.2 热敏敏电阻阻 材料：某金属氧化物为基体、一些添加剂。用陶瓷工材料：某金属氧化物为基体、一些添加剂。用陶瓷工艺制成，称半导体陶瓷艺制成，称半导体陶瓷 其电阻对温度变化明显，温度系数比金属的大很多。其电阻对温度变化明显，温度系数比金属的大很多。 热敏电阻热敏电阻Negative Temperature Coefficient Critical Temperature Resistor 一、一、热敏敏电阻特性参数阻特性参数 1. 1. 标称电阻值（标称电阻值（R R2525）：环境温度环境温度2

12、525时的时的零功率零功率状态状态的阻值。其大小取决于电阻的材料和几何尺寸。若在的阻值。其大小取决于电阻的材料和几何尺寸。若在25252727则：则： 2. 电阻温度系数电阻温度系数(T) ：指在规定的温度下单位温度变指在规定的温度下单位温度变化使阻值变化的相对值。化使阻值变化的相对值。 T T决定了热敏电阻全部工作范围内对温度的灵敏度，决定了热敏电阻全部工作范围内对温度的灵敏度，%/%/。 电阻型温度传感器3. 3. 时间常数常数( ()：表征表征电阻的阻的热惯性，性，其其值等于在零等于在零功率功率测量状量状态下，当下，当环境温度突境温度突变时阻阻值从起始从起始值变化到最化到最终变化量的化量

13、的63%63%时所需的所需的时间4.4.额定功率（额定功率（P PE E）：在标准压力在标准压力750750mmHgmmHg和规定的最高和规定的最高温度下，电阻长期连续工作所允许的最大耗散功率。温度下，电阻长期连续工作所允许的最大耗散功率。5.5. 实际中所消耗的功率不得超过实际中所消耗的功率不得超过PE 二、二、PTCPTC热敏敏电阻阻 - -正温度系数热敏电阻，阻值随温度的升高而增大。正温度系数热敏电阻，阻值随温度的升高而增大。 基体材料是基体材料是BaTiOBaTiO3 3，辅以稀土元素为添加剂，经陶辅以稀土元素为添加剂，经陶瓷工艺烧结制成。瓷工艺烧结制成。 1.1.电阻温度特性电阻温度

14、特性 曲线曲线中阻值随温度变化中阻值随温度变化很陡，称为很陡，称为突变型（开关型）突变型（开关型） 阻值随温度变化缓慢，阻值随温度变化缓慢，称为称为缓变缓变PTCPTC热敏电阻。热敏电阻。n2. 2. 突变型突变型PTCPTC的的R R与与T T关系关系：nR R0 0 为标称温度下的阻值，为标称温度下的阻值，A A为材料常数。为材料常数。n3 3、缓变型、缓变型PTCPTC热敏电阻热敏电阻nR RT T与温度的关系近似为线性，即：与温度的关系近似为线性，即：n缓变型缓变型PTCPTC的的T T随温度而变化，适于温度补偿。随温度而变化，适于温度补偿。4 4、PTCPTC的静态伏安特性曲线的静态

15、伏安特性曲线电电流流I(A)电压电压U(V) 静静态态伏伏安安特特性性是是指指在在一一定定温温度度下下，于于静静止止的的空空气气中中PTCPTC两两端端的的电电压压降降与与电电阻阻稳稳态态电流之间的关系，电流之间的关系，曲曲线线可可分分为为ABAB、BCBC、CDCD三段。三段。 三、三、NTCNTC热敏敏电阻阻1.1.NTCNTC电阻的温度特性电阻的温度特性由图知：由图知：阻值近似为：阻值近似为： B为材料常数, R0为T时的阻值 两边取对数有：两边取对数有： 为直线，且为直线，且B B为直线的斜率：为直线的斜率： 电阻温度系数为电阻温度系数为： 并非常数，随并非常数，随T升高而迅速减小升高

16、而迅速减小 2.NTC2.NTC静态伏安特性曲线静态伏安特性曲线 T T0 0时给时给NTCNTC上通电流上通电流I I，则电，则电阻两端的电压阻两端的电压U UT T为：为：oa段电压随电流而线性增大段电压随电流而线性增大ab段段,电压偏离线性但还随增加电压偏离线性但还随增加;bd段段,电压越过电压越过b点很快下降点很快下降de段段,电阻下降缓慢，电压也下电阻下降缓慢，电压也下降变降变可用于温度检测、温度补偿、控温等各种电路可用于温度检测、温度补偿、控温等各种电路 负温临界热敏电阻负温临界热敏电阻是指在是指在某一温度某一温度附近阻值发生突附近阻值发生突变，几度的狭小温区内变，几度的狭小温区内

17、T T增加降低增加降低3 34 4个数量级的元件。个数量级的元件。阻值的突变点为阻值的突变点为临界温度点临界温度点。 四、四、CTRCTR热敏电阻热敏电阻 对应的宏观对应的宏观开关温度（开关温度（Tc）定义为：电阻值下降定义为：电阻值下降到到某一规定值某一规定值（标称电阻的（标称电阻的80）时所对应的温度。）时所对应的温度。 该规定值称该规定值称开关电阻（开关电阻（RcRc），），可按曲线求出切线在高可按曲线求出切线在高阻端的交点阻端的交点R Rh h和切线在低阻端的交点和切线在低阻端的交点R Rl l，算出，算出RcRc为：为： 降值比降值比描述下降的快慢，即标称电阻描述下降的快慢，即标称电

18、阻R R2525与最小与最小电阻比值电阻比值R Rminmin的对数，即的对数，即 降值比越大，开关特性越好。降值比越大，开关特性越好。 由于由于CTRCTR电阻具有很大的负温度系数，可用作控温、电阻具有很大的负温度系数，可用作控温、报警、无触点开关等场合。报警、无触点开关等场合。 五、热敏电阻的结构及其特点五、热敏电阻的结构及其特点珠状珠状 热敏电阻热敏电阻圆片型圆片型 方片型方片型 棒状棒状 厚薄厚薄膜型膜型 它们各自适用于不同的应用场合。它们各自适用于不同的应用场合。 1.1.3 1.1.3 半导体热电阻温度传感器半导体热电阻温度传感器 Semiconductor T. R. 利用利用电

19、阻率电阻率随随温度变化温度变化的特性制成温度传感器。的特性制成温度传感器。 一、工作原理一、工作原理 对于对于P P型半导体材料：型半导体材料： 对于对于N N型半导体型半导体材料材料： 其其主要决定于主要决定于载流子载流子( (电子或空穴电子或空穴)浓度和迁移率。浓度和迁移率。二者二者都都与温度密切相关与温度密切相关, , 分别分析：分别分析： 半导体材料的电阻率：半导体材料的电阻率：1.1.迁移率与温度的关系迁移率与温度的关系 载流子迁移率与载流子在电场作用下的散射机理有关。载流子迁移率与载流子在电场作用下的散射机理有关。声学波散射迁移率声学波散射迁移率s s 和和电离杂质散射迁移率电离杂

20、质散射迁移率i i与温度与温度的关系表示为：的关系表示为： 两种散射的关系：两种散射的关系：说明了迁移率随温度的变化说明了迁移率随温度的变化与掺杂浓度与掺杂浓度N Ni i有关有关 。2.2.电阻率与温度的关系电阻率与温度的关系 本征本征半导体的半导体的主要由本征载流子主要由本征载流子浓度浓度n ni i 决定。决定。 ni 随温度上升而急剧增加。随温度上升而急剧增加。随温随温度增加而度增加而单调地下降单调地下降，区别于金属，区别于金属的一个重要特征。的一个重要特征。 杂质半导体杂质半导体，n、p受受杂质电离杂质电离Ni和本征激发和本征激发影响，有电离杂影响，有电离杂质散射和晶格散射两种散射机

21、质散射和晶格散射两种散射机构，因而构，因而随温度的变化关系随温度的变化关系更复杂。更复杂。 二、硅热电阻的结构和工艺二、硅热电阻的结构和工艺 有两种结构形式有两种结构形式一是一是棒状棒状 R（图（图a a、b b），二是），二是扩散电阻型扩散电阻型 R（图（图c c）。）。 结构结构:工艺流程工艺流程:电阻型温度传感器1.1. 电阻一温度特性电阻一温度特性 当硅电阻温度传感器处于当硅电阻温度传感器处于正向偏置正向偏置时，在时，在5555175175内，内，电阻值电阻值随随温度温度的升高而增大，的升高而增大，具有较好的线性度。具有较好的线性度。 如果硅热电阻处于如果硅热电阻处于反向偏置反向偏置，

22、 当温度上升到当温度上升到120120以上时，开以上时，开始本征激发，产生大量的电子始本征激发，产生大量的电子-空穴对，使电阻值突然下降空穴对，使电阻值突然下降 。三、硅热电阻的特性三、硅热电阻的特性电阻型温度传感器2.2. 电阻温度系数电阻温度系数硅硅电阻温度系数电阻温度系数T T： 3、硅电阻与电流的关系、硅电阻与电流的关系 不同的温度下不同的温度下，当电流当电流超过超过1mA1mA时，时，电阻就会电阻就会增大增大，是因，是因电流的自身电流的自身热效应热效应使电阻增大。因使电阻增大。因此，工作电流应此，工作电流应小于小于1mA1mA为宜为宜。 一、温度检测及指示一、温度检测及指示 1 1、

23、简单的测量温度原理图、简单的测量温度原理图 具体测量时，具体测量时，给电路加上调给电路加上调零电阻零电阻, ,用用四线四线接法接法将将R Rt t拉到拉到被测现场。被测现场。 2、流量测量的原理图、流量测量的原理图 当流速当流速V Vl l=0=0时，用时，用R Ra a调零，使检流计调零，使检流计为为0 0。当。当V Vl l00时，时，NTCNTC电阻电阻R Rt1t1与与R Rt2t2的的阻值变化不同，使阻值变化不同，使流过电流表的电流流过电流表的电流发生变化。发生变化。 二、温度补偿电路二、温度补偿电路 1.1.热敏电阻热敏电阻NTC NTC 对晶体管对晶体管V Vbebe的补偿电路图

24、的补偿电路图 温度升高时温度升高时, ,晶体管的晶体管的V Vbebe下下降，而降，而NTCNTC的的R Rt t下降，即下降，即R Rt t/R/Rb b减小，使减小，使R Ra a上压降上压降下降，补偿了下降，补偿了V Vbebe的下降。的下降。2. PTC2. PTC对晶体管对晶体管I Ie e的补偿电路图的补偿电路图 温度补偿元件为温度补偿元件为缓变缓变型型PTCPTC电阻，电阻，T T升高升高R Rt t增大，补偿了因增大，补偿了因V Vbebe下下降而使降而使I Ie e的增加。的增加。 三、过热保护三、过热保护 1.PTC1.PTC电阻对马电阻对马达保护电路图达保护电路图按下按下

25、K K时时PTCPTC R RT T较小，其上较小，其上电流大，吸合，电流大，吸合，M M转动，转动，又自动打开，电源通过又自动打开，电源通过给给M M、 RT供电供电, ,M M转动温转动温度升高度升高, R, RT T值增大使其上值增大使其上分流下降分流下降, ,当当M M温度过高温度过高T TRTRT时时, ,断开断开, ,保护了保护了M M过热过热状态。状态。 2. 变压器保护电路图变压器保护电路图接上电源接上电源, ,起始起始R RT T较小较小,TR,TR上电流大上电流大, ,功耗也功耗也大大,T,T上升；上升；R RT T随之增随之增加加, ,电流又减小电流又减小, ,TRTR功

26、功耗减小耗减小, ,自动防止了自动防止了TRTR过热。过热。四、四、 延时延时 给给PTCPTC加电压，功耗使阻值增加需时间，可用作延迟。加电压，功耗使阻值增加需时间，可用作延迟。1.自动延时电路原理图自动延时电路原理图接电时接电时R RT T较小分流大，较小分流大，J J因电因电流小不动，灯没亮；流小不动，灯没亮；一定时间一定时间后后R RT T因功耗而增大分流减小，因功耗而增大分流减小，J J上电流增大到可动值动。上电流增大到可动值动。即即J J动作延迟，灯延迟开，延动作延迟，灯延迟开，延迟时间可由迟时间可由R R0 0调节。调节。 2.马达启动原理图马达启动原理图 M M启启动需动需较大

27、较大启动功率，正常启动功率，正常运转所需运转所需功率大大功率大大减小。减小。 常给单相电机装上常给单相电机装上附加启附加启动绕组动绕组L L2 2，L L2 2只在启动时工作，只在启动时工作，而当运转正常后自动断开。而当运转正常后自动断开。 PTCPTC充当自动通断的无触点开关。充当自动通断的无触点开关。原理原理是把是把PTCPTC与与L L2 2串联，串联， RT冷态电阻冷态电阻远小于远小于L L2 2阻抗阻抗R RL2L2，对启动电流没影响。，对启动电流没影响。随着随着R RT T被加热被加热电阻值升高，电阻值升高，当电阻当电阻值升高到远大于值升高到远大于R RL2L2时，启动绕组视同切断

28、时，启动绕组视同切断。 五、控温电路五、控温电路 1.NTC1.NTC的控温电路原理图的控温电路原理图 当当T T降到降到 T0时时，电桥输出使线，电桥输出使线圈电流大到足以使圈电流大到足以使J动作时动作时J触点断开，停止加热。触点断开，停止加热。2. 2. 恒温箱温度控制原理图恒温箱温度控制原理图W723单片集成稳压器：单片集成稳压器：V VZ Z和和V V- -给给测温电桥测温电桥供电，供电，V+V+和和V-V-给给J J供电供电。当当TTT T T0 0 T后后V VO O使得使得T T导通，导通，J J动作停止加热；自然降温动作停止加热；自然降温;T;TTTTT0 0），则微安表上会有

29、一定读数。），则微安表上会有一定读数。 若将若将T T0 0触点分开，则端口产生触点分开，则端口产生与与T T、T T0 0及导体材料及导体材料A A、B B有关的有关的电势电势E EABAB(T, T(T, T0 0) )，即即塞贝克电势塞贝克电势。 热电偶回路的总电势为回路的总电势为: 式中式中TABTAB为热电势率或塞贝克系数，其值与为热电势率或塞贝克系数，其值与感感热材料热材料和两接点的温度有关。和两接点的温度有关。 热电效应热电效应帕尔贴效应帕尔贴效应汤姆逊效应汤姆逊效应Thermal electric effect式中式中k k0 0为波尔兹曼常数；为波尔兹曼常数；q q为电子电量

30、；为电子电量；n nA A、n nB B分别为分别为A A和和B B的的T T时时自由电自由电子密度。子密度。 1.1.珀尔帖电势珀尔帖电势将两种金属将两种金属在在同温度接触同温度接触，设设A A中中自由电子的密度自由电子的密度比比B B的大，在界面的大，在界面处自由电子将从处自由电子将从A A扩散到扩散到B B，则，则A A失失去电子去电子带正电带正电，B B得到电子得到电子带负电带负电，在接触处形成自建电场，使电子在接触处形成自建电场，使电子由由B B向向A A漂移，当漂移，当扩散与漂移达到扩散与漂移达到平衡时，平衡时，在接触面附近产生在接触面附近产生一个稳定的电动势称为一个稳定的电动势称

31、为珀尔帖电势珀尔帖电势，又称，又称接触电势，接触电势，其大小其大小可表示为：可表示为：式中式中A A称为称为汤姆逊系数汤姆逊系数，它表示温差，它表示温差11时所产生的电势差。时所产生的电势差。 2.2.汤姆逊汤姆逊电势电势一一热热电电效效应应 设一均质导体棒设一均质导体棒两端两端的温度不同，则高、低温端的温度不同，则高、低温端有有温度梯度温度梯度，高温端（，高温端（T T）的自由电子具有较高的动能）的自由电子具有较高的动能而向低温端（而向低温端（T T0 0）扩散）扩散快快，T T端失去电子带正电，端失去电子带正电，T T0 0端端得到电子带负电，形成得到电子带负电，形成内建电场内建电场，电场

32、使电子由低温，电场使电子由低温端向高温端漂移，当扩散与漂移达到平衡时，端向高温端漂移，当扩散与漂移达到平衡时，T T与与T T0 0端端产生一稳定的电势差称为产生一稳定的电势差称为汤姆逊电势汤姆逊电势或或温差电势温差电势。此。此温差电势表示为：温差电势表示为： 热电极热电极A A、B B组成的热电偶回路，当温度组成的热电偶回路，当温度TTTT0 0时，时，式中式中E EABAB(T)(T)为热端的热电势为热端的热电势, E, EABAB(T(T0 0) )为冷端的热电势。为冷端的热电势。 3 3、回路的总热电势回路的总热电势E EABAB讨论讨论： 两点温度相同时两点温度相同时珀尔帖电势珀尔帖

33、电势大小相等方向相反，汤姆逊电势为大小相等方向相反，汤姆逊电势为零，零，E EABAB(T(T0 0, T, T0 0)=0)=0； 当两相同金属组成热电偶时，接点温度不同，但接点处珀尔帖电势当两相同金属组成热电偶时，接点温度不同，但接点处珀尔帖电势皆为零，两个汤姆逊电势大小相等方向相反，故回路总电势仍为零；皆为零，两个汤姆逊电势大小相等方向相反，故回路总电势仍为零； 只有两不同材料组成热电偶只有两不同材料组成热电偶、且、且T,TT,T0 0不同，不同，才才有有热电势热电势E EABAB(T,T(T,T0 0)= )= E(T)-E(TE(T)-E(T0 0) )；当当T T0 0保持不变保持

34、不变E(TE(T0 0) )为常数，为常数，E EABAB(T,T(T,T0 0) )仅为热端温度仅为热端温度T T的函数，的函数，即即E EABAB(T,T(T,T0 0)=E(T)-C)=E(T)-C；两端点的温差越大，回路的总电势也越大，；两端点的温差越大，回路的总电势也越大，且且E EABAB(T,T(T,T0 0) )与与T T有单值对应关系，这就是有单值对应关系，这就是热电偶的测温公式。热电偶的测温公式。 二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律 1.1.均质导体定律：均质导体定律：两均质金属（两均质金属（均匀均匀）组成热电偶）组成热电偶的的电势大小与电势大小与热电极的直径、长度及

35、沿电极长度方向上热电极的直径、长度及沿电极长度方向上的温度分布的温度分布无关无关，只与热电极材料和温度有关。，只与热电极材料和温度有关。2.2.标准电极定律标准电极定律：若三个热电偶工作端温度都为若三个热电偶工作端温度都为T，参，参考端温度都为考端温度都为T0，两种金属组成热电偶的热电势可用，两种金属组成热电偶的热电势可用它们它们分别与第三种金属分别与第三种金属组成热电偶的热电势之差来表示。组成热电偶的热电势之差来表示。 3.3.中间导体定律中间导体定律 4.4.中间温度定律中间温度定律 若在热电偶的参考端接入若在热电偶的参考端接入第三种均质金属第三种均质金属, , 被被插入金属两端温度相同（

36、插入金属两端温度相同（T T0 0），则），则回路总热电回路总热电势势为三个接触电势与温差电势的代数和，为：为三个接触电势与温差电势的代数和，为： 可见，只要所插入的导体两端温度与参考点相同，不会影响原可见，只要所插入的导体两端温度与参考点相同，不会影响原来热电势的大小来热电势的大小, ,即中间导体定律。即中间导体定律。 热电偶的接点温度为热电偶的接点温度为T T、T T0 0时，其热电势时，其热电势等于该热电偶在接点温度为等于该热电偶在接点温度为T T、T Tn n和和T Tn n、T T0 0时相时相应的热电势的代数和应的热电势的代数和, ,即：即：1.1.2 2 热电偶热电偶 v1.2.

37、1 热电偶的基本原理 v1.2.2 热电偶的种类和结构 v1.2.3 热电偶的实用测量电路 热电偶一、热电极材料一、热电极材料 一般的热电极材料必须具有以下一般的热电极材料必须具有以下特性特性： 1. 1. 在测量范围内，热电势与在测量范围内，热电势与T T的对应关系的对应关系不随时间而变不随时间而变化化，且有足够的物理、化学稳定性。，且有足够的物理、化学稳定性。 2. 2. 热电势要热电势要足够大足够大，易于测量，易于测量、误差小，且热电势与误差小，且热电势与T T为为单值关系，线性关系或简单的函数关系。单值关系，线性关系或简单的函数关系。 3. 3. 电阻温度系数小电阻温度系数小 ，电导率

38、高，否则，电导率高，否则其其电阻将随电阻将随T T而有较大变化，影响测量结果的准确性。而有较大变化，影响测量结果的准确性。 4. 4. 材料的机械强度高，易制成标准分度，工艺简单，价材料的机械强度高，易制成标准分度，工艺简单，价格便宜。格便宜。 热电偶二、热电偶的种类二、热电偶的种类 按按标准化和非标准化标准化和非标准化简单介绍几种常用热电偶：简单介绍几种常用热电偶：铂铑铂热电偶（铂铑铂热电偶（WRLBWRLB） 铂铑铂铑热电偶（铂铑铂铑热电偶（WRLLWRLL） 镍铬镍硅镍铬镍硅 镍铬镍铝（镍铬镍铝（WREUWREU） 镍铬考铜（镍铬考铜（WREAWREA） 标准化热电偶标准化热电偶 非标准

39、化热电偶非标准化热电偶 铁康铜热电偶铁康铜热电偶 钨钼热电偶钨钼热电偶 钨铼系热电偶钨铼系热电偶 热解石墨热电偶热解石墨热电偶 三、热电偶的结构三、热电偶的结构 珠形绝缘子热电偶珠形绝缘子热电偶 双孔绝缘热电偶双孔绝缘热电偶 石棉绝缘管热电偶石棉绝缘管热电偶 两个热电极，且一个端点紧密焊接在一起。热两个热电极，且一个端点紧密焊接在一起。热电极间通常电极间通常用耐高温绝缘材料用耐高温绝缘材料绝缘，不同测温范绝缘，不同测温范围，可选不同的绝缘材料。围，可选不同的绝缘材料。 四、热电偶的冷端温度补偿四、热电偶的冷端温度补偿 1.1.恒温法恒温法 将热电偶的冷端置于恒温器中，若恒温器温度调到将热电偶的

40、冷端置于恒温器中，若恒温器温度调到00，电压表读数对应的温度为实际温度，即冷端温度误差得，电压表读数对应的温度为实际温度，即冷端温度误差得到解决。若恒温器温度为到解决。若恒温器温度为T T0 0，则冷端误差为：，则冷端误差为： 冷端恒温示意图冷端恒温示意图 可见，可见，T T0 0恒定时，冷端误恒定时，冷端误差为常数，只要在回路中差为常数，只要在回路中加入相应的修正电压，或加入相应的修正电压，或调整指示装置调整指示装置的起始值就的起始值就能实现完全补偿。能实现完全补偿。2.2.冷端自动补偿法冷端自动补偿法原理图原理图 是在是在热电偶热电偶和和测量仪表测量仪表间间接一个接一个电桥补偿器电桥补偿器

41、，其中，其中R R1 1,R,R2 2,R,R3 3固定，固定，R RT T随随T T变化。变化。当热电偶当热电偶冷端冷端T T升高升高时，时，回路中回路中总电势降低总电势降低，同时，同时补偿器中补偿器中R RT T变化使变化使abab间产间产生一个电位差生一个电位差，设计时让，设计时让其值正好补偿热电偶降低其值正好补偿热电偶降低的量，达到自动补偿的量，达到自动补偿 1.1.2 2 热电偶热电偶 v1.2.1 热电偶的基本原理 v1.2.2 热电偶的种类和结构 v1.2.3 热电偶的实用测量电路 1.2.3 1.2.3 热电偶的实用测量电路热电偶的实用测量电路一、单点温度测量电路一、单点温度测

42、量电路二、两点间温差的测量电路二、两点间温差的测量电路 两同型号热电偶，且补偿两同型号热电偶，且补偿导线相同，使各自产生的热电导线相同，使各自产生的热电势相互抵消，仪表读数即为势相互抵消，仪表读数即为T T1 1和和T T2 2的温度差。的温度差。 总电势为总电势为E EABAB(T,T(T,T0 0) )，流过测温，流过测温毫伏计的电流与毫伏计的电流与T T一一对应，即一一对应，即在表上可标出在表上可标出T T的刻度。的刻度。 三、平均温度测量电路三、平均温度测量电路 将同型号的热电偶并联。R1,R2, R3阻值很大，以免T1,T2,T3不等时每个热电偶上的电流会因其热电偶电阻变化而变化。缺

43、点：若一个热电偶被烧断，仪表反映不出 回路中总的热电势为：回路中总的热电势为：四、若干点温度之和的测量电路四、若干点温度之和的测量电路 1.3 1.3 半导体半导体PNPN结型温度传感器结型温度传感器 v1.1.3.1 3.1 PNPN结型温度传感器结型温度传感器 v1.1.3.2 3.2 集成温度传感器集成温度传感器v1.1.3.3 3.3 温敏闸流晶体管温敏闸流晶体管v1.3.4 1.3.4 半导体结型温度传感器的应用半导体结型温度传感器的应用一、二极管温度传感器一、二极管温度传感器 由由PNPN结理论可知，其正向电流结理论可知，其正向电流I If f与与V Vf f的关的关系：系： I

44、I0 0为反向为反向，B B、与材料和工艺有关与材料和工艺有关常数，常数，qVqVg0g0为禁带宽度为禁带宽度耗尽区复合电流和表面耗尽区复合电流和表面复合电流使偏离线性复合电流使偏离线性 当当I If f不变时，不变时，PNPN结结V Vf f随随T T的上升而下降，近似线性关系。的上升而下降，近似线性关系。对于硅对于硅V Vf f=0.65V, =0.65V, T=300K,=3.5时，计算知，时，计算知，T为为-2mV/K。说明每升高说明每升高1，Vf就就下降约下降约2mV。 二、晶体管温度传感器二、晶体管温度传感器 1. 1. 基本原理基本原理 式中式中V Vg0g0=E=Eg0g0/q

45、/q，A A为发射结面积、为发射结面积、n n与材料和工艺有关的常数与材料和工艺有关的常数 当当Ic一定且一定且T不太高时不太高时，Vbe基本与基本与T线性关系线性关系； 当温度较高时，产生一定的非线性偏移。当温度较高时，产生一定的非线性偏移。2. 2. 晶体管温度传感器的结构晶体管温度传感器的结构 由晶体管原理知，由晶体管原理知，NPNNPN的的V Vbebe与与T T的关系为的关系为: : 检测温度时检测温度时除温敏三极管外除温敏三极管外附加外围电路实现附加外围电路实现I Ic c恒定。恒定。 通常外围电路通常外围电路包括包括参考电压源参考电压源运放运放线性电路等部分。线性电路等部分。 3

46、、晶体管温度传感器基本电路、晶体管温度传感器基本电路由由运运放放和和温敏三极管温敏三极管组成组成,C,C防止寄生振荡。防止寄生振荡。T T为反馈元件跨接在运放的反为反馈元件跨接在运放的反相输入端和输出端，基极接地。相输入端和输出端，基极接地。T T的集电极的集电极I Ic c仅取决于仅取决于R Rc c和电压和电压E, E, I Ic c=E/=E/R Rc c，与温度无关，保证了恒流源工，与温度无关，保证了恒流源工作条件。作条件。电压电压V Vbebe随随T T近似线性下降近似线性下降。 1.3.2 1.3.2 集成温度传感器集成温度传感器 电阻电阻R R1 1的压降的压降V Vbebe为：

47、为： BGBG1 1和和BGBG2 2晶体管的杂质分布种类晶体管的杂质分布种类完全相同，且都处于正向工作状完全相同，且都处于正向工作状态，态，J J0 0相同相同。一、一、基本原理基本原理 I Ieses为发射结反向饱和电流，若为发射结反向饱和电流，若A Aeses为为发射结面发射结面积积，且且A Ae2e2/ / A Ae1e1= =与温度无关的常数，保证与温度无关的常数，保证I I1 1/ /I I2 2常数，常数，V Vbebe是是T T的理想的线性函数的理想的线性函数。（Proportional To Absolute Temperature） 二、电压型集成温度传感器二、电压型集成温

48、度传感器 1. 1. 基本原理基本原理 故故则电路的温度系数为则电路的温度系数为: : R R1 1上上V Vbebe为：为：-指输出电压与指输出电压与T T成正比的温度传感器成正比的温度传感器只要电阻比为常数只要电阻比为常数, ,正比于正比于T T。而输出电压而输出电压的温度灵敏度即的温度灵敏度即T T可由可由R R2 2/R/R1 1和和BGBG1 1,BG,BG2 2射射极面积比来调整。极面积比来调整。 BG3 BG3、BG4BG4、BG5 PNPBG5 PNP的的结结构和性能完全相同，构和性能完全相同，BG3BG3与与BG4BG4组成恒流源，且两者射极组成恒流源，且两者射极电流相同电流

49、相同( (称为电流镜称为电流镜) )2 2电路结构及电路结构及应用应用 由由基准电压基准电压、温度传感器温度传感器和和运放运放三部分组成。三部分组成。 PTAT是核心电路，原理是是核心电路，原理是输出电压与输出电压与T T成正比，成正比，常用结构为常用结构为四端电压输出外形结构，如图四端电压输出外形结构，如图 若若输入与输出输入与输出短接，运放起缓冲作用，输出为短接，运放起缓冲作用，输出为10mV/K10mV/KT T 若给输入端加上偏置，传感器的零输出由若给输入端加上偏置，传感器的零输出由0K0K移到偏置电压对应的温度移到偏置电压对应的温度T T0 0 三三、电流型集成温度传感器、电流型集成

50、温度传感器AD590AD590 1. AD5901. AD590的基本原理的基本原理T T3 3和和T T4 4为为电流镜型电流镜型恒流源，使恒流源，使T T1 1、T T2 2的电的电流相等。则电路总电流流相等。则电路总电流I IT T为：为： 欲欲使使I IT T随随T T线性变化，线性变化，R R须用具有零温度系须用具有零温度系数的薄膜电阻。则电流温度系数为：数的薄膜电阻。则电流温度系数为： 若若取取8,R8,R为为358358，则，则C CT T可调整为可调整为1A/K1A/K。 2 2、AD590AD590实际电路实际电路 T T1 1、T T2 2、T T3 3、T T4 4恒流负

51、载，为恒流负载，为T T9 9、T T1111提供提供相等恒定电流，相等恒定电流，T T9 9和和T T1111发射结面积比为发射结面积比为。T T7 7、T T8 8差分对管的负反馈作用使差分对管的负反馈作用使T T9 9和和T T1111的的V VC C相等，相等，T T1010为为T T7 7和和T T8 8恒流负载恒流负载, , I I1010=I=I1111, , R R5 5的电流为的电流为R R6 6的的2 2倍，则有：倍，则有：AD590AD590等效于一个高阻抗的等效于一个高阻抗的恒流源恒流源。在工作电压为。在工作电压为+4+4+30V+30V、-55-55+150+150，

52、I I（AA）与）与T T（K K）严格成正）严格成正比。比。T T每变化每变化1K1K，输出增加，输出增加1A1A。在。在298.2K298.2K时输出电流时输出电流298.2A298.2A。微安数表。微安数表标出温标出温度度。 封装形式封装形式 T0-52T0-52封装封装 陶瓷封装陶瓷封装 T0-92T0-92封装封装 2 2AD590AD590的结构及性能的结构及性能 AD590AD590的外形及符号的外形及符号 ：用于不同温度范围用于不同温度范围1.3 1.3 半导体半导体PNPN结型温度传感器结型温度传感器 v1.1.3.1 3.1 PNPN结型温度传感器结型温度传感器 v1.1.

53、3.2 3.2 集成温度传感器集成温度传感器v1.1.3.3 3.3 温敏闸流晶体管温敏闸流晶体管v1.3.4 1.3.4 半导体结型温度传感器的应用半导体结型温度传感器的应用 1.3.3 1.3.3 温敏闸流晶体管温敏闸流晶体管 常简称为常简称为闸流管闸流管或或晶闸管晶闸管thyristorthyristor，是一个四层是一个四层pnpnpnpn结构的结构的三端三端半导体器件。包半导体器件。包括三个括三个pnpn结结J J1 1、J J2 2、J J3 3，阳极，阳极A A和阴极和阴极K K，作栅极，作栅极G G1 1和和G G2 2。 结构可看成由一个结构可看成由一个pnppnp和和npn

54、npn组合。组合。pnppnp的集电极总是的集电极总是和和npnnpn的基区连接在一起。的基区连接在一起。 结构图结构图一、工作原理一、工作原理operation principle 正向工作正向工作时，时，A A和和K K间加正向电压，间加正向电压，J J1 1和和J J3 3均为正偏，均为正偏，J J2 2处于反偏，处于反偏，它流过很小的电流它流过很小的电流I IA A，晶闸管处于高阻态，称为，晶闸管处于高阻态，称为正向阻断状态正向阻断状态断态断态。可见，在正偏下，。可见，在正偏下，通过控制栅极电流通过控制栅极电流，可由，可由断态变为通态断态变为通态。可作为一种理想的开关器件。可作为一种理

55、想的开关器件。 反向工作反向工作时，时，J J1 1和和J J3 3处于反偏。因处于反偏。因J J3 3两侧是重掺杂区，则两侧是重掺杂区，则J J1 1几乎承受几乎承受所有的反向电压，流过很小的反向电流，此时称为所有的反向电压，流过很小的反向电流，此时称为反向阻断状态反向阻断状态。 等效结构等效结构等效电路等效电路基本电流基本电流- -电压特性电压特性 正偏条件下（正偏条件下（0 0）（1 1）是正向阻断区，即）是正向阻断区，即关态关态；（1 1）（）（3 3）为）为通态通态，处于，处于通态的晶闸管通态的晶闸管即使即使去掉栅极去掉栅极偏置，只要电流电压大于偏置，只要电流电压大于保保持点（持点（

56、2 2）的保持电流的保持电流I Ih h 和和V Vh h，仍保持导通状态仍保持导通状态。只有电。只有电流低于流低于I Ih h时，才会由通态转换时，才会由通态转换为断态。为断态。 二、晶闸管的温度特性二、晶闸管的温度特性 电流电流- -电压特性随电压特性随温度温度的变化而改变。当温度升的变化而改变。当温度升高时正向翻转电压下降，而反向电压则提高。高时正向翻转电压下降，而反向电压则提高。当晶闸管处于正偏且无栅电流时，其阳极电流为：当晶闸管处于正偏且无栅电流时，其阳极电流为： T T升高时升高时,J,J2 2结反向漏电流结反向漏电流指数增加指数增加, ,相当相当于在栅极注入电流，因于在栅极注入电

57、流，因pnppnp管和管和npnnpn管的管的正反馈正反馈过程过程,便得到放大的阳极电流。便得到放大的阳极电流。T T越高越高，反向漏电流越大，阳极电流越大，电流增益，反向漏电流越大，阳极电流越大，电流增益随随T T升高而增加，升高而增加，当当T T升高到使（升高到使（1 1+2 211）时，）时，温度的微小温度的微小变化可引起变化可引起I IA A的巨大的巨大变化，变化，即由即由断态进入通态。断态进入通态。此时对应的温度称为此时对应的温度称为开关温度开关温度，或称，或称导通温度导通温度。可。可见见原来处于正向阻断区的晶闸管可在温度触发下实现状态翻原来处于正向阻断区的晶闸管可在温度触发下实现状

58、态翻转，从而实现温度开关作用。转，从而实现温度开关作用。三、温敏晶闸管的开关温度控制三、温敏晶闸管的开关温度控制 一般晶闸管的一般晶闸管的开关温度开关温度on-offon-off都很高，以提高其热稳定性。都很高，以提高其热稳定性。温敏晶闸管的开关温度温敏晶闸管的开关温度能在一个宽范围内调节。通常从两能在一个宽范围内调节。通常从两方面降低开关温度。方面降低开关温度。 1 1增大反向漏电流和直流增益增大反向漏电流和直流增益 反向漏电流由空间电荷区产生，设法增加反向漏电流由空间电荷区产生，设法增加J J2 2结区的有效的产生结区的有效的产生- -复合中心密度以降低载流子的寿命，增加复合中心密度以降低

59、载流子的寿命，增加J J2 2区的载流子产生过程。区的载流子产生过程。其方法采用氩离子注入技术，在其方法采用氩离子注入技术，在J J2 2结区引入晶格缺陷，形成有效的结区引入晶格缺陷，形成有效的产生产生- -复合中心。根据晶体管原理，要增大直流增益，就要在结构复合中心。根据晶体管原理，要增大直流增益，就要在结构设计上减小设计上减小p p型和型和n n型基区的宽度。型基区的宽度。 2 2利用栅极分路电阻利用栅极分路电阻 （a a）分路电阻的接法（一）分路电阻的接法（一） （b b）图（）图（a a）的等效电路）的等效电路 （c c）分路电阻的接法（二）分路电阻的接法（二） 由于栅极分路电阻并联在

60、发射结上，由于栅极分路电阻并联在发射结上， R RGAGA电阻的电阻的分流作用分流作用减小了发射极注入减小了发射极注入效率，减小了晶体管的电流增益效率，减小了晶体管的电流增益a a1 1, R, RGKGK的分流作用减小了的分流作用减小了a a2 2，导致开关温度导致开关温度的升高的升高, ,且电阻越小分流作用越强，开关温度将越高。且电阻越小分流作用越强，开关温度将越高。 图（图（c c）接法接入分路电阻，则可以增加）接法接入分路电阻，则可以增加a1+a2,a1+a2,降低开关温度。降低开关温度。1.3 1.3 半导体半导体PNPN结型温度传感器结型温度传感器 v1.1.3.1 3.1 PNP

61、N结型温度传感器结型温度传感器 v1.1.3.2 3.2 集成温度传感器集成温度传感器v1.1.3.3 3.3 温敏闸流晶体管温敏闸流晶体管v1.3.4 1.3.4 半导体结型温度传感器的应用半导体结型温度传感器的应用 1.3.4 1.3.4 结型温度传感器的应用结型温度传感器的应用一、一、晶体管晶体管温度控制器温度控制器 初始温度较低初始温度较低，V Vbebe较高，较高，V VV V- -，V VO O为为V VOHOH,J,J吸合加热。吸合加热。温度升高温度升高，V Vbebe下降下降V V下降，升下降，升高到高到T THLHL后后V VV V，运放输出，运放输出低电平，低电平，J J停

62、止加热。停止加热。恒温器散热恒温器散热温度下降温度下降，V Vbebe上升上升V V升高，升高，T T降到降到T TLHLH时，时，V V又又 V V，V VO O又为又为V VOHOH，J J再次吸合再次吸合加加热热。周而复始，具有滞回特性，温周而复始，具有滞回特性，温度控制在度控制在T T0 0 处（处（T THLHL-T-TLHLH）内。）内。调节调节R RW W，改变了设定温度。，改变了设定温度。 感温元件用感温元件用NPN的的be结。运放接成滞回结。运放接成滞回电压比较器。电压比较器。R1、R2和和RW上、晶体管、上、晶体管、R4和和RW下组成测温电桥。下组成测温电桥。二、二、AD5

63、90AD590温度控制器温度控制器 调节调节R R2 2设定设定T T0 0参考电压。参考电压。当当T T比比T T0 0低低时，时，AD590AD590上流上流过的电流小，过的电流小，V V- -较小，比较小，比较器输出较器输出V V0 0为高，为高，T T1 1、T T2 2导通，加热器加热。导通，加热器加热。当当T T比比T T0 0高高时，时，V V- -大于大于V V+ + ，则，则V V0 0变为低电平，使变为低电平，使T T1 1、T T2 2截止，停止加热。如此截止，停止加热。如此反复就实现了温度控制。反复就实现了温度控制。 由由AD590AD590、R RD D、R+RR+R

64、1 1+R+R2 2上上和和R R3 3+R+R2 2下组成测温电桥，下组成测温电桥，工作原理工作原理三、三、摄氏温度计摄氏温度计 当当t t为为00，V V+ +与地间电位为与地间电位为2.73V2.73V，调节，调节39k39k和和5K5K电位器使电位器使V V0 0为为0V0V，即，即2.7K2.7K电阻上压降为电阻上压降为2.73V2.73V，当温度为，当温度为tt时，时，V VO O为：为：V VO O=V=V+ +-2.73V= 10mV/-2.73V= 10mV/t()t()其工作温度范围为其工作温度范围为-55-55+150+150，灵敏度为，灵敏度为10mV/k10mV/k。

65、 原理原理四、测量温差的方法四、测量温差的方法 将将AD590IAD590I、置于两个不同温度环境置于两个不同温度环境中。设测试电流分别为中。设测试电流分别为 I I1 1、I I2 2，则温差，则温差电流电流II(I(I2 2I I1 1) )与与(T(T2 2T T1 1) )成正比。成正比。II加至运放加至运放A741(A741(国国F007)F007)的反相输入的反相输入端，输出电压端，输出电压U U0 0为：为： (1-3-17) 即可读出即可读出0 0100100的温差。电源电压选的温差。电源电压选8V8V以上以上时，运放才能正常工作。时，运放才能正常工作。 若对准确度要求不高，亦

66、可采用右图电路。微若对准确度要求不高，亦可采用右图电路。微安表反映两点的温差值。安表反映两点的温差值。 n作业：n1、2、3、4、6、 A A和和K K间接交流电。间接交流电。当当T T超过设定超过设定时温控管导通，被整流的半时温控管导通，被整流的半波电流流过负载。当波电流流过负载。当T T继续上升继续上升温控管导温控管导通态不变。通态不变。T T下降下降到比开关温度到比开关温度T T0 0低时，低时，在电源电压周期内，当电压到达零交叉在电源电压周期内，当电压到达零交叉点时就断开。点时就断开。 五、温度开关五、温度开关 (1-3-17) 六、火灾报警电路六、火灾报警电路 当某一路中的环境火灾时

67、当某一路中的环境火灾时T T升高达到开升高达到开启启T T0 0时，这路晶闸管导通，发光二极管时，这路晶闸管导通，发光二极管发光，蜂鸣器也鸣起到温度报警作用。发光，蜂鸣器也鸣起到温度报警作用。 一、热辐射温度传感器一、热辐射温度传感器 理论上绝对黑体接收被测对象发出理论上绝对黑体接收被测对象发出的所有波长的全部辐射能量的所有波长的全部辐射能量E Eb b。 E Eb b= =0 0T T4 4绝对黑体：绝对黑体：一定面积一定面积、表面粗糙并表面粗糙并涂黑的铂片。铂片接收热量涂黑的铂片。铂片接收热量T T升高升高铂片是铂片是全部辐射能全部辐射能- -热量热量- -温度的转温度的转换器换器测出铂片

68、测出铂片T T就可测就可测出出对象对象T T。铂片铂片T T也可用也可用热电偶堆感受热电偶堆感受电位差计电位差计读出。读出。中央接合处是中央接合处是热接点热接点，外围部，外围部分的接点为分的接点为冷接点冷接点。4 4红外线吸收体红外线吸收体热电偶热电偶S Si i3 3N N4 4S Si iO O2 2S Si i3 3N NSiSi辐射温度计的结构图辐射温度计的结构图 1.1.全辐射高温计全辐射高温计v1.4 其它温度传感器其它温度传感器 当当一定时，亮度一定时，亮度只与只与T T有关有关-单波长测量原理单波长测量原理。将将T T刻度的刻度的钨丝发出的单色亮度钨丝发出的单色亮度和被测物体的

69、单色亮度一样时，和被测物体的单色亮度一样时，由由钨丝灯的钨丝灯的T T确定被测物体的温度确定被测物体的温度-光学高温计光学高温计 物体被加热时物体被加热时颜色颜色随随T T改变，改变，T T愈高物体愈亮，愈高物体愈亮， 理想黑体的理想黑体的光谱辐射亮度光谱辐射亮度用用普朗克公式普朗克公式表示：表示： C C1 1、C C2 2为普朗克常数，为普朗克常数，为波长，为波长，T T为绝对温度为绝对温度 2.2.光学高温计光学高温计 -用光电器件把用光电器件把物体的辐射能物体的辐射能转换成转换成与之成一定比例的电信号的与之成一定比例的电信号的器件。器件。如光电池的光电流与被测物体的亮度成正比，用光电流

70、的大如光电池的光电流与被测物体的亮度成正比，用光电流的大小来判断被测物体温度小来判断被测物体温度3.3.光电高温计光电高温计 -又称又称双色温度计双色温度计，用物体在波长，用物体在波长1 1和和2 2单色辐射强度单色辐射强度比值比值随随T T变化来测量。误差变化来测量。误差小小。 用于炼钢、轧钢过程中温度的准确测量。用于炼钢、轧钢过程中温度的准确测量。 4.4.比色温度计比色温度计 二、热敏电容二、热敏电容 陶瓷电容器的陶瓷电容器的静电容（介电常数）静电容（介电常数）随随T T变化。变化。（BaSrBaSr）TiOTiO3 3 某晶向某晶向石石英振子的共振频率英振子的共振频率随随T T直线变化

71、。石英在直线变化。石英在00时频率为时频率为28208MHz28208MHz，温度特性为，温度特性为1KHz/ ,1KHz/ ,可测量可测量1010-2-21010-3-3的的T T变化，测量变化，测量范围为范围为-80-80250250。三、石英温度计三、石英温度计 有有接触式接触式和和非接触式非接触式两种。是两种。是一种一种由表面波器件和电路组成的振荡器由表面波器件和电路组成的振荡器表面波温度传感器的频温特性如图表面波温度传感器的频温特性如图 四、表面波温度传感器四、表面波温度传感器 气体中声速气体中声速取决于取决于气体的种类、压力、密度及气体的种类、压力、密度及温度温度T T。石英振子发

72、出的石英振子发出的超声波超声波在被测气体中传播，其频率随在被测气体中传播，其频率随气体气体T T连连续地变化，经反射板反射后续地变化，经反射板反射后造成干涉造成干涉，测定干涉可求出，测定干涉可求出温度温度可用来测可用来测T T变化很快变化很快的活塞气缸内部的温度、的活塞气缸内部的温度、 机场跑道场地的平均温度机场跑道场地的平均温度五、超声波温度传感器五、超声波温度传感器 材料的弹性和密度材料的弹性和密度随随T T变变, , 其谐振器的其谐振器的谐振频率谐振频率是是T T函数函数, , T T变化变化时时f f改变。改变。石英晶体谐振器石英晶体谐振器f f的的T T高达高达75751010-6-

73、6/，分辨率为，分辨率为0.001 0.001 ，但仅用，但仅用于于500500以下。以下。铱和蓝宝石材料铱和蓝宝石材料谐振器谐振器在在19001900时仍能保证原有性能，可用于测量液时仍能保证原有性能，可用于测量液态金属的温度。态金属的温度。 六、谐振式温度计六、谐振式温度计 谐振式温度计T T0 0为任选的基准温度；为任选的基准温度；f f0 0(T(T0 0) )为为T T0 0时传感器的频率；时传感器的频率；、依次为一阶、依次为一阶、二阶、三阶温度系数，取决于水晶切型材料的杨氏模量。二阶、三阶温度系数，取决于水晶切型材料的杨氏模量。 有两种：有两种：扭曲振动的音叉温度传感器扭曲振动的音

74、叉温度传感器，测量范围较窄，且对工测量范围较窄，且对工艺要求苛刻。艺要求苛刻。弯曲振动模式，弯曲振动模式，灵敏度高灵敏度高( (可达可达85851010-6-6/)/)，同时满足宽，同时满足宽温区工作和低功耗的要求，其温区工作和低功耗的要求，其频率频率f(T)f(T)和和T T的关系的关系为为TaylorTaylor级数，忽略其高次级数，忽略其高次项，则：项，则： 七、音叉式水晶温度传感器七、音叉式水晶温度传感器 音叉式水晶温度计的纵剖面图、最通用的振荡电路。音叉式水晶温度计的纵剖面图、最通用的振荡电路。负载电容器负载电容器C C是固定电容器，是固定电容器，C Cd d是可变电容器。是可变电容

75、器。 八、光纤温度传感器八、光纤温度传感器 1.1.光纤辐射式温度传感器光纤辐射式温度传感器 被测目标被测目标透镜透镜硬包管硬包管软包管软包管光纤束光纤束探测器探测器输出输出属于被动式温度测量（无需光源），属于被动式温度测量（无需光源），其原理其原理是被测能量由探头中是被测能量由探头中物镜物镜会聚，经会聚，经滤波滤波限制在一波长范围，经光纤送至限制在一波长范围，经光纤送至探测器探测器，用黑体辐射定，用黑体辐射定律将光信号变为电信号放大输出。律将光信号变为电信号放大输出。 2. 2. 调制型调制型荧光荧光光纤温度传感器光纤温度传感器荧光光纤温度传感器的实验系统框图荧光光纤温度传感器的实验系统框图 原理原理: :有些有些荧光物质荧光物质受激发射的受激发射的某些谱线的强度某些谱线的强度随随T T变化，测量变化，测量前者前者确定荧光物质所处的确定荧光物质所处的T T变化变化。图中光源图中光源是是球形超高压汞灯，发出以紫外光为主的复色光，选用中球形超高压汞灯，发出以紫外光为主的复色光，选用中心波长为心波长为366.3nm366.3nm的干涉滤光片和对紫外光吸收较少的石英凸透镜，的干涉滤光片和对紫外光吸收较少的石英凸透镜，将紫外光激励将紫外光激励荧光物质发光荧光物质发光并耦合进光纤并耦合进光纤