第八章 热电式传感器

1、第8章 热电式传感器l 热电式传感器是将温度变化转变为电量变化的装置；l 用热电偶可以将温度变化转变为电势的变化；l 用热电阻可以将温度变化转变为电阻的变化。8.1 热电偶8.1.1 热电偶的特点l 热电偶可以将温度变化转变为电势的变化；l 热电偶可测1001300度的温度范围，特殊的热电偶还可测更低和更高的温度；l 热电偶可用于测量局部温度；l 热电偶的信号可以远距离传输，便于集中处理和自动记录；l 热电偶具有结构简单，使用方便，精度高，热惯性小等优点。8.1.2 热电效应l 1823年塞贝克发现了热电效应：由两种不同的金属组成的闭合回路中，当两种金属两个接触点温度不同时，回路中就要产生热电

2、势，这个称为塞贝克电势。 B A l 热电偶就是由两种不同的金属组成的闭合回路；l 塞贝克电势： 称为热电势率或塞贝克系数 和与AB两种材料有关8.1.3 珀尔帖热电效应原理l 珀尔帖电势（接触电势）的产生：A B 电子浓度大 电子浓度小 扩散 漂移 电子浓度大使电子产生从A到B的扩散运动； 扩散运动产生电势，并逐渐增长； 电势使电子产生从B到A的漂移运动，逐渐增长，漂移运动也就逐渐增强； 漂移运动逐渐增强到抵消扩散运动，最终达到动态平衡，使电势不变。l 扩散运动产生于电子热运动，温度越高电子热运动越强，扩散运动强，抵消扩散运动的漂移运动也要求越大，从而珀尔帖电势也就可以增长得越大，l 珀尔帖

3、电势：接触点绝对温度；：波尔兹曼常数；：电子电量；：材料的自由电子密度。8.1.4 汤姆逊热电效应原理l 汤姆逊电势（温差电势）的产生： 扩散 漂移 导体A两端温度差使电子产生从到的扩散运动； 扩散运动产生电势，并逐渐增长； 电势使电子产生从到的漂移运动，逐渐增长，漂移运动也就逐渐增强； 漂移运动逐渐增强到抵消扩散运动，最终达到动态平衡，使电势不变。l 扩散运动产生于电子热运动，导体A两端温度差越高电子热运动越强，扩散运动强，抵消扩散运动的漂移运动也要求越大，从而汤姆逊电势也就可以增长得越大。l 导体的汤姆逊电势：， 方向与温度下降方向相同 称为汤姆逊系数。 与导体A的材料性质和两端的平均温度

4、有关； 与导体的几何形状无关。 与导体的温度分布无关。8.1.5 热电偶的电势l 热电偶的电势： B A l 热电偶两电极材料相同，两接点温度即使不同，热电偶的电势也为零l 热电偶的电势只与两接点的温度的函数，两接点温度相同时，热电偶的电势为零 l 固定热电偶一接点的温度，热电偶的电势是热电偶另一接点温度的单值函数。l 热电偶的测量电压。 B A C 8.1.6 热电偶的基本定律l 匀质导体定律：两种匀质导体组成的热电偶，其电势大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电材料和两端温度有关，当导体不均匀时，热电极上温度的不同将产生附加热电势，加热电势是造成热电偶测量的误差，因

5、此导体均匀是热电偶质量的重要指标之一。l 中间导体定律：在热电偶中插入第三、第四等等导体时，只要插入导体均匀且两端温度，无论插入导体上的温度分布如何，热电偶的电势不变，这为测量电路提供了方便。l 中间温度定律：设热电偶两端温度分别为、和，其热电势分别为、和，则有8.1.7 热电偶冷端温度补偿l 热电偶的分度表或分度曲线：热电偶在冷端温度为标准温度条件下的电势可以得到热电偶的分度表或分度曲线是 l 热电势修正法：冷端温度不是恒定的标准温度，而是恒定的温度时，采用冷端热电势修正得实际温度。 l 温度修正法：冷端温度不是恒定的标准温度，而是恒定的温度时，采用冷端热电偶修正系数得实际温度。 补偿器 0

6、 电桥自动补偿法：l 补偿器等效电路 l pn结自动补偿法：温度升高时，pn结的电压将线性下降，在范围，温度系数为,它可以很好地用于温度补偿，采用二极管做冷端补偿，精度可达,采用三极管做冷端补偿，精度可达。 l 热引电极补偿法：AB与CD在温度范围热电性接近测量电路 冷端 冷端移动 B 8.2 热电阻8.2.1 热电阻l 热电阻有金属热电阻和半导体热电阻；l 热电阻的温度测量范围一般为-200，特别的可以低温达，高温达1000。8.2.2 金属热电阻l 金属热电阻的特性方程： ：特性方程 ：是热电阻在温度温度为时的电阻值； ：是热电阻的温度系数，是温度的函数； ：温度在附近变化时，近似为常数。

7、l 金属热电阻的温度系数一般为正温度系数；l 金属热电阻的材料： 常用材料有：铂、铜、铁、镍； 在测温范围内，它们的物理和化学性质稳定； 在测温范围内，它们的温度系数较大，纯金属的温度系数大于合金，一般采用纯金属； 在测温范围内，它们的温度系数为常数，便于应用； 在测温范围内，它们有较大的电阻率，可减小电阻体积和热惯性； 它们的特性复现性好，便于复制。8.2.3 半导体热敏电阻l 半导体热敏电阻温度系数一般大于金属热电阻；l 半导体热敏电阻温度系数有正温度系数(PTC)，临界温度系数(CTR)和负温度系数(NTC)三类；l 正温度系数(PTC) 热敏电阻，其温度系数随温度上升而曾大，主要用于彩

8、电消磁、各种电器设备的过热保护、发热源的定温控制、电路或设备的限流等；l 临界温度系数(CTR) 热敏电阻，其温度系数在某个温度点上发生剧烈变化，主要用于温度开关；l 负温度系数(NTC) 热敏电阻，其温度系数很大，主要用点温、表面温度、温差、温场等的测量，特别适用于，之间的测温，还广泛用于自动控制和电路的热补偿中；8.2.4 半导体热敏电阻温度特性（负温度系数半导体）l 指数温度特性： ：指数特性方程； ：绝对温度； ：由材料的几何形状、工作方式和特性决定的常数 可以由两个温度下的电阻值决定； , ,一般取,l 线性温度特性 ：线性特性方程 ：参考温度，一般取； ：额定电阻，一般取； ：热敏

9、电阻常数； ：热敏电阻的温度系数。8.2.5 半导体热敏电阻伏安特性（负温度系数半导体）l 在一定的环境温度下，热敏电阻的端电压与电流的特性曲线叫热敏电阻的伏安特性。l 在一定的环境温度下，通过热敏电阻的电流为小电流时，热敏电阻的温度基本等于环境温度不变，此时，热敏电阻的伏安特性为直线。l 在一定的环境温度下，通过热敏电阻的电流为大电流时，热敏电阻的温度不等于环境温度，其温度与环境温度、电流、热敏电阻周围介质散热有关，也就是与环境温度、电流、热敏电阻周围介质散热有关，即电压与环境温度、电流、热敏电阻周围介质散热有关，热敏电阻的伏安特性为曲线。l 热敏电阻通过大电流，热敏电阻发热，热敏电阻周围介

10、质散热，发热等于散热达到动态平衡，这个过程的时间为。l 在一定的环境温度，一定电流下，热敏电阻的电压就只与热敏电阻周围介质散热有关，介质散热的快慢与介质的流速有关，所以，热敏电阻的电压与介质的流速有关，可利用它来测介质的流速。8.2.6 半导体热敏电阻的主要参数和特点l 标称电阻（冷电阻）：的电阻；l 电阻温度系数：的温度系数，单位：;l 耗散系数：单位时间、单位温差（电阻温度与环境温度的差），电阻耗散流失的热量，单位;l 热容量：单位温度变化（电阻温度变化），电阻吸收或释放的热量，单位;l 能量灵敏度：电阻值变化，电阻所耗散的功率，单位,有关系式：l 时间常数：l 热敏电阻温度系数大、灵敏度

11、高、热容量小、响应速度快、分辨率高（可达;l 热敏电阻互换性差、热电特性非线性大、其非线性可以用温度系数小的电阻与热电阻串联或并联进行改善。8.2.7 电桥测量电路l 热电阻测温电桥的三线连接法1： 温度变化不影响电桥状态 温度变化不影响电桥状态 测温热电阻 零点调节 探头 触点电阻将影响电桥状态 电桥平衡条件： 零点电阻： 零点平衡调节： 测温平衡调节： 温度变化不影响电桥状态 温度变化不影响电桥状态 测温热电阻 零点调节 探头 触点电阻将影响电桥状态 l 热电阻测温电桥的三线连接法2：l 热电阻测温电桥的四线连接法： 温度变化不影响电桥状态 测温热电阻 零点调节 探头 触点电阻将不影响电桥状态 l 热电阻测温性能稳定，测量范围广，精度高，特别适合低温测量；l 热电阻测温的电流不能太大，避免电流对热电阻的加热效应，流过热电阻的电流一般小于；l 热电阻热容量大，限制了它在温度快速变化的动态测温中的应用；8.3 晶体管和集成温度传感器8.3.1 工作原理l 晶体管pn结的伏安特性与温度有关：pn结正向电流，：pn结正向电压：pn结反向饱和电流，：电子电荷：绝对温度，：波尔