第一章 温度传感器

1、五邑大学五邑大学第一章第一章 温度传感器温度传感器主讲教师：张京玲主讲教师：张京玲信息工程学院信息工程学院 vv定义：定义： 温度传感器是一种将温度传感器是一种将温度变化温度变化转换为转换为电电学量学量变化的装置。变化的装置。 vv用途：用途： 用于检测温度和热量，也称为用于检测温度和热量，也称为热电式传感器热电式传感器。 vv重要性：重要性： 与生活、科研、生产与生活、科研、生产密切相关密切相关。 应用应用最广泛。最广泛。第一章第一章 温度传感器温度传感器 五邑大学五邑大学传感器原理及应用传感器原理及应用思考思考温度传感器可以将温度变化温度传感器可以将温度变化转换为哪些电学量呢？转换为哪些电

2、学量呢？第一章第一章 温度传感器温度传感器 vv将温度将温度T变化变化 - 电阻变化电阻变化的元件，主要有的元件，主要有金金属热电阻属热电阻、半导体热电阻半导体热电阻、陶瓷热敏电阻、陶瓷热敏电阻(NTC、PTC、CTR) 和高分子热敏电阻；和高分子热敏电阻； v将温度变化将温度变化 -电势电势的传感器，主要有的传感器，主要有热电偶热电偶和和PN结式传感器结式传感器；v将热辐射将热辐射-电学量电学量的器件，有的器件，有热释电探测器热释电探测器、红外探测器；、红外探测器；vv集成集成温度传感器、光纤温度传感器、液晶温度温度传感器、光纤温度传感器、液晶温度传感器、传感器、智能智能温度传感器等温度传感

3、器等温度传感器分类温度传感器分类第一章第一章 温度传感器温度传感器 五邑大学五邑大学传感器原理及应用传感器原理及应用第一章第一章 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 1.1 电阻型温度传感器电阻型温度传感器金属热电阻金属热电阻 简称简称热电阻热电阻半导体热电阻半导体热电阻 简称简称热敏电阻热敏电阻温度温度感温材料感温材料电阻电阻五邑大学五邑大学传感器原理及应用传感器原理及应用1.1 1.1 电阻型温度传感器电阻型温度传感器 R Rt t ：任意绝对温度：任意绝对温度t t 时的电阻值时的电阻值 R R0 0 ：基准状态基准状态温度温度t t0 0时的电阻值时的

4、电阻值 ：温度系数（温度系数（1/1/）一、热电阻的特性一、热电阻的特性 1.1.1 1.1.1 热电阻热电阻 )(1 00ttRRt五邑大学五邑大学传感器原理及应用传感器原理及应用思考思考制作热电阻的制作热电阻的感温材料感温材料有什有什么要求？么要求？1.1.1 1.1.1 热电阻热电阻 1.1.1 热电阻 感温材料的要求感温材料的要求: 电阻温度系数：电阻温度系数：纯金属纯金属 性能稳定：测温性能稳定：测温准确性准确性 良好的输出特性：良好的输出特性：线性线性 高的电阻率高的电阻率 良好的加工性、良好的加工性、价格便宜价格便宜 )100(1 320ttCBtAtRRt)1(20BtAtRR

5、t0 0630.755:630.755:1.铂热电阻铂热电阻1.1.1 1.1.1 热电阻热电阻 v稳定性好、重复性好稳定性好、重复性好v热电阻热电阻最佳最佳材料，但是材料，但是贵贵。v用于用于高精度高精度工业测量工业测量: : 标准电阻温度计、标准电阻温度计、温度基准。温度基准。 -190-1900:0: 用于一般测量精度和测量用于一般测量精度和测量范围较小范围较小时，时，易于得到高纯度材料、易于得到高纯度材料、价格低廉，易氧化价格低廉，易氧化。001()tRRa tt2. 铜热电阻铜热电阻1.1.1 1.1.1 热电阻热电阻 -50-501 15050：一般只用于一般只用于150度以下度以

6、下，无水分和无侵蚀性，无水分和无侵蚀性的低温环境中。的低温环境中。3.53.02.52.01.51.00.50-2000200400600电阻比Rt/R0镍(Ni)铜(Cu)铂(Pt)温度(0C)1.1.1 1.1.1 热电阻热电阻 3. 其它热电阻其它热电阻 铁和镍电阻：应用较少铁和镍电阻：应用较少 灵敏度灵敏度高高， 电阻率较大。电阻率较大。 易氧化易氧化，不易提纯不易提纯，非线性非线性。 1.1.1 1.1.1 热电阻热电阻 铟电阻铟电阻锰电阻锰电阻碳电阻碳电阻低温测量低温测量-273-268.5，热容量小，热容量小 ，灵敏度，灵敏度高高 热稳定性较差热稳定性较差。-269-258，测量

7、精度高，灵敏度高，测量精度高，灵敏度高 重现性差重现性差 。 -271-210用，灵敏度高用，灵敏度高 脆性高脆性高 ，易损坏；，易损坏； 1、结构：、结构： 组成组成：感温元件、内引线、绝缘套管、保护套：感温元件、内引线、绝缘套管、保护套管和接线盒。管和接线盒。 将电阻丝无感双线绕在云母、石英、陶瓷、塑将电阻丝无感双线绕在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘架上，固定后外面再加上保护套管。料等绝缘架上，固定后外面再加上保护套管。 1.1.1 1.1.1 热电阻热电阻 2、测量电路测量电路： 用精度较高的用精度较高的电桥电路电桥电路。 两线制连接方式存在的问题：引线电阻两线制连接方式存在的问题：引线电

8、阻 为消除为消除连接导线电阻连接导线电阻随环境温度变化随环境温度变化 而造成的而造成的测量误差，常采用测量误差，常采用三线和四线连接三线和四线连接法。法。1.1.1 1.1.1 热电阻热电阻 优点：优点：性能稳定，测量范围宽、精度高、低温测量。性能稳定，测量范围宽、精度高、低温测量。不足：不足：需辅助电源，热容量大，需辅助电源，热容量大，限制用于动态测量限制用于动态测量。 措施：措施：为避免电热效应，为避免电热效应，电流一般应小于电流一般应小于10mA。 1.1.1 1.1.1 热电阻热电阻 正温度正温度系数热敏系数热敏电阻电阻PTC 负温度负温度系数热敏系数热敏电阻电阻NTC临界温度临界温度

9、系数热敏系数热敏电阻电阻CTR1.1.2 1.1.2 热敏电阻热敏电阻 材料：材料： 金属氧化物金属氧化物(Mn3O4、CuO、NiO、Co3O4)为为基体、添加剂、陶瓷工艺制成。基体、添加剂、陶瓷工艺制成。 半导体陶瓷半导体陶瓷。特点：特点： 灵敏度高灵敏度高、重复性好、成本低、体积小、使用、重复性好、成本低、体积小、使用方便。方便。 热敏电阻热敏电阻五邑大学五邑大学传感器原理及应用传感器原理及应用思考思考什么是什么是PTCPTC、NTCNTC、CTRCTR ？1.1.2 1.1.2 热敏电阻热敏电阻 五邑大学 热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数型热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数型(P

10、TC)(PTC)、负、负温度系数型温度系数型(NTC)(NTC)、和临界温度系数型、和临界温度系数型(CTR)(CTR)。CTRCTR临界热敏电阻有一突变临界热敏电阻有一突变温度，此特性可用于自动控温度，此特性可用于自动控温和报警电路中。温和报警电路中。1.1.2 1.1.2 热敏电阻热敏电阻 五邑大学五邑大学传感器原理及应用传感器原理及应用思考思考热敏电阻的特性参数有热敏电阻的特性参数有哪些哪些 ？1.1.2 1.1.2 热敏电阻热敏电阻 一、热敏电阻特性参数 标称电阻值（标称电阻值（R25）：）： 25、零功率状态的阻值。、零功率状态的阻值。 大小取决于电阻的大小取决于电阻的材料材料和和几

11、何尺寸几何尺寸。 2527： 2. 电阻温度系数电阻温度系数(T) ： 规定温度下，单位温度变化使阻值变化的相规定温度下，单位温度变化使阻值变化的相对值。对值。 25251(25)tRRt1100%TTTdRRdTT 决定了热敏电阻全部工作范围内对温度的决定了热敏电阻全部工作范围内对温度的灵敏度灵敏度。 1.1.2 1.1.2 热敏电阻热敏电阻 时间常数时间常数()： 表征电阻的热惯性表征电阻的热惯性. 在零功率测量状态下在零功率测量状态下,当环境温度突变时当环境温度突变时,阻值阻值从起始值变化到最终变化量的从起始值变化到最终变化量的63%时所需的时间时所需的时间。额定功率（额定功率（PE）：

12、）： 在标准压力在标准压力750mmHg和规定的最高温度下，电和规定的最高温度下，电阻期连续工作所允许的阻期连续工作所允许的最大耗散功率最大耗散功率。 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 。1.1.2 1.1.2 热敏电阻热敏电阻 1.1.电阻温度特性电阻温度特性突变型（开关型）：突变型（开关型）： 曲线曲线中中阻值随温度变化很陡阻值随温度变化很陡Tb为为开关温度开关温度温度变化与电阻变化为温度变化与电阻变化为指数关系指数关系温度系数与温度无关温度系数与温度无关 1.1.2 1.1.2 热敏电阻热敏电阻 )exp(0ATRRT%1001AdTdRRTTT二、二、PTCPT

13、C热敏电阻热敏电阻BTART%100BTABT1.1.2 1.1.2 热敏电阻热敏电阻 缓变型：缓变型： 曲线曲线阻值随温度变化缓慢阻值随温度变化缓慢温度变化与电阻变化为温度变化与电阻变化为线性关系线性关系温度系数随温度变化温度系数随温度变化 适用于适用于温度补偿温度补偿静态伏安特性：静态伏安特性： 一定温度下，静止一定温度下，静止的空气中，的空气中，PTCPTC电阻两电阻两端的电压降与电阻稳端的电压降与电阻稳态电流之间的关系。态电流之间的关系。曲线可分为曲线可分为ABAB、BCBC、CDCD三段。三段。2 2、PTCPTC的静态伏安特性曲线的静态伏安特性曲线电流电流I(A)电压电压U(V)1

14、.1.2 1.1.2 热敏电阻热敏电阻 五邑大学如图所示是一种如图所示是一种热敏电阻（热敏电阻（PTCPTC元件）元件）的电阻的电阻R R随温度随温度t t变化的变化的关系图线，这种元件具有发热、控温双重功能常见的关系图线，这种元件具有发热、控温双重功能常见的电热灭电热灭蚊器蚊器中就使用这种元件来中就使用这种元件来加温并控制温度加温并控制温度如果将该元件接到如果将该元件接到220V220V电压下，则电压下，则A A通电后，其电功率先增大后减小通电后，其电功率先增大后减小B B通电后，其电功率先减小后增大通电后，其电功率先减小后增大C C当其发热功率等于散热功率时，温度保持在当其发热功率等于散热

15、功率时，温度保持在t1t1不变不变D D当其发热功率等于散热功率时，温度保持在当其发热功率等于散热功率时，温度保持在t1 t1 到到t2t2之间之间的某一值不变的某一值不变t/Rt2t1AD1.1.2 1.1.2 热敏电阻热敏电阻 三、三、NTCNTC热敏电阻热敏电阻1 10 07 71 10 06 61 10 05 51 10 04 41 10 03 31 10 02 21 10 01 10 01 10 00 0比比电电阻阻P P( (c cm m) )温温 度度 ( ( ) ) 2 20 00 0P PT TC CN NT TC CC CT TR R1.NTC电阻的温度特性电阻的温度特性T

16、BRRTexp021TBdTdRRTTTT 随随T升高而迅速减升高而迅速减小小，可用于温度检测，可用于温度检测、温度补偿、控温等、温度补偿、控温等各种电路。各种电路。1.1.2 1.1.2 热敏电阻热敏电阻 2.NTC2.NTC静态伏安特性曲线静态伏安特性曲线 TTBIRIRUTT00expoa段段 ：电压随电流增大线性：电压随电流增大线性增大。增大。ab段：电压偏离线性，随电流段：电压偏离线性，随电流增加。增加。bd段：电压随电流增加下降很段：电压随电流增加下降很快。快。de段：电压下降缓慢。段：电压下降缓慢。1.1.2 热敏电阻 指在某一温度附近电阻值发生突变，于几度指在某一温度附近电阻值

17、发生突变，于几度的狭小温区内，随温度的增加阻值的狭小温区内，随温度的增加阻值降低降低34个数个数量级量级的元件。的元件。 阻值的突变点为临界温度点。阻值的突变点为临界温度点。 四、四、CTR热敏电阻热敏电阻宏观宏观开关温度开关温度： 电阻值下降到某一规定值时所对应的电阻值下降到某一规定值时所对应的温度。该规定值称为温度。该规定值称为开关电阻开关电阻Rc。1.1.2 1.1.2 热敏电阻热敏电阻 五邑大学五邑大学传感器原理及应用传感器原理及应用思考思考如何确定如何确定开关电阻值开关电阻值？1.1.2 1.1.2 热敏电阻热敏电阻 2/1)(lhcRRR 0 01 10 00 02 20 00 0

18、3 30 00 01 10 00 01 10 01 11 10 02 21 10 03 31 10 04 41 10 05 5V V5 59 9P P2 24 4B Ba a 1 17 7R Rh h l lg gR Rh h- -l lg gR Rl l0 0. .5 5R Rl l( (R Rc c, ,T Tc c) ) R Rc c= =( (R Rh hR Rl l) )温温度度T T( () )电电阻阻R R( () )1.1.2 1.1.2 热敏电阻热敏电阻 开关电阻：开关电阻： 按曲线求出切线在按曲线求出切线在高阻端的交点高阻端的交点Rh和切和切线在低阻端的交点线在低阻端的交点

19、Rl，算出，算出Rc。 降值比降值比： 描述描述阻值下降的快慢阻值下降的快慢，即标称电阻，即标称电阻R25与最与最小电阻比值小电阻比值Rmin的对数，即的对数，即 min25lgRR 降值比越大降值比越大，开关特性越好开关特性越好。 由于由于CTRCTR电阻具有很大的负温度系数，可电阻具有很大的负温度系数，可用作用作控控 温、报警、无触点开关温、报警、无触点开关等场合。等场合。 1.1.2 1.1.2 热敏电阻热敏电阻 五邑大学热敏电阻是由一些热敏电阻是由一些金属氧化物金属氧化物，如钴（，如钴（Co）、锰）、锰（Mn）、镍（）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，）等的氧化物采用不同比例配方

20、，高高温烧结温烧结而成。其形状有而成。其形状有珠状、片状、棒状、圆片状珠状、片状、棒状、圆片状等。等。1.1.2 1.1.2 热敏电阻热敏电阻 v 与金属电阻相比，热敏电阻的优点与金属电阻相比，热敏电阻的优点（1 1）温度电阻系数比金属热电阻要大）温度电阻系数比金属热电阻要大10-10010-100倍，因此倍，因此灵敏灵敏度很高度很高。（2 2）电阻率很大电阻率很大可以制成体积小而阻碍值大的电阻体，连可以制成体积小而阻碍值大的电阻体，连接导线的电阻变化可以忽略不计。接导线的电阻变化可以忽略不计。（3 3）时间常数小时间常数小，响应速度快。，响应速度快。（4 4）结构简单，）结构简单，价格便宜价

21、格便宜。v 热敏电阻的缺点热敏电阻的缺点（1 1）复现性差，特性分散性很大，）复现性差，特性分散性很大，非线性严重非线性严重（2 2）电阻与温度的关系不稳定，随时间而变化，使测温）电阻与温度的关系不稳定，随时间而变化，使测温误误差较大差较大（3 3）测温范围较窄测温范围较窄，目前只能达到，目前只能达到-50-50300300。1.1.2 1.1.2 热敏电阻热敏电阻 五邑大学例：分析如图示的热敏电阻设计一个例：分析如图示的热敏电阻设计一个高温报警器高温报警器工作原理。高温工作原理。高温报警器正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警。可供选择的器材如报警器正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警。可供选择的器材

22、如下：热敏电阻、绿灯泡、小电铃、学生用电源、继电器、滑动变下：热敏电阻、绿灯泡、小电铃、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。阻器、开关、导线。解解：aedcb 正常时正常时热敏电阻值大热敏电阻值大，ab间电流小，磁性弱，间电流小，磁性弱，ce处于闭合，绿灯亮。处于闭合，绿灯亮。 有险情时，有险情时，热敏电阻热敏电阻值小值小， ab间电流大，磁间电流大，磁性强，吸住衔铁，性强，吸住衔铁，cd闭合闭合，ce断开，绿灯灭，电铃断开，绿灯灭，电铃响。响。1.1.2 1.1.2 热敏电阻热敏电阻 五邑大学五邑大学传感器原理及应用传感器原理及应用思考思考为什么半导体的电阻值为什么半导体的电阻值会随

23、着温度变化呢？会随着温度变化呢？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 利用利用电阻率随温度变化电阻率随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pnpqnq1半导体的导电能力：载流子的迁移半导体的导电能力：载流子的迁移载流子：电子和空穴载流子：电子和空穴半导体材料的半导体材料的电阻率电阻率： n为材料的电子浓度为材料的电子浓度 为电子迁移率为电子迁移率 p 为材料的空穴浓度为材料的空穴浓度 为空穴迁移率为空穴迁移率 q 为电子电量为电子电量np1.1.3 半导

24、体热电阻温度传感器本征半导体：本征半导体： 纯净的半导体，共价键结合能力很强，导电纯净的半导体，共价键结合能力很强，导电能力弱，在热力学温度零度时，不导电。电子和能力弱，在热力学温度零度时，不导电。电子和空穴浓度相等。空穴浓度相等。 电阻率电阻率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)的的浓度和迁移率浓度和迁移率，二者都与温度密切相关。，二者都与温度密切相关。本征半导体本征半导体P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体半导体半导体1.1.3 半导体热电阻温度传感器P型半导体：型半导体： 在在4 4价元素价元素( (硅、锗硅、锗) )的晶体中掺入少量的的晶体中掺入少量的3 3

25、价杂价杂质元素质元素( (硼、镓、铟硼、镓、铟) )，组成共价键时，缺少一个电，组成共价键时，缺少一个电子，形成空穴，子，形成空穴，主要依靠空穴导电主要依靠空穴导电 。N型半导体材料：型半导体材料： 在在4 4价元素价元素( (硅、锗硅、锗) )的晶体中掺入少量的的晶体中掺入少量的5 5价杂质价杂质元素元素( (磷、锑磷、锑titi、砷、砷) )，组成共价键时，多余一个电，组成共价键时，多余一个电子，形成自由电子，子，形成自由电子，主要依靠电子导电主要依靠电子导电。 ppq1nnq11.迁移率与温度的关系迁移率与温度的关系 2/32/3TBNATmqiq 为电子电量为电子电量M 为载流子的有效

26、质量为载流子的有效质量A、B 为常数为常数Ni 为掺杂浓度为掺杂浓度1.1.3 半导体热电阻温度传感器100T20010104N升高2.电阻率与温度的关系电阻率与温度的关系 本征半导体：本征半导体： 电阻率电阻率主要由本征载流子浓度决主要由本征载流子浓度决定，由于浓度随温度上升急剧增加，定，由于浓度随温度上升急剧增加，因而因而电阻率电阻率随温度增加下降随温度增加下降。 杂质半导体：杂质半导体： 受杂质电离和本征激发影受杂质电离和本征激发影响，响，电阻率电阻率随温度的变化关随温度的变化关系复杂。系复杂。 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pnpqnq1二、硅热电

27、阻的结构和工艺 棒状棒状 、扩散电阻型两种结构、扩散电阻型两种结构 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1. 电阻一温度特性电阻一温度特性 正向偏置时正向偏置时: 55175，电阻值随，电阻值随温度的升高而增大，具温度的升高而增大，具有较好的线性度。有较好的线性度。 反向偏置时：反向偏置时： 120以上时，电阻值以上时，电阻值突然下降突然下降 。三、硅热电阻的特性三、硅热电阻的特性-5005010015020050010001500200025003000反向特性0电阻值（）温度（）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2.2. 电

28、阻温度系数电阻温度系数T T )%(%1002525TRRnTT1.1.3 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随着温度升高，随着温度升高，T 减小。减小。3、硅电阻与电流的关系、硅电阻与电流的关系 v 不同的温度下，不同的温度下，当电流超过当电流超过1mA1mA时，时，电电阻就会增大阻就会增大。v 电流的自身热效电流的自身热效应应使电阻增大。使电阻增大。v 工作电流应工作电流应小于小于1mA1mA。 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电阻式温度传感器的应用电阻式温度传感器的应用: （1）温度测量）温度测量 （2）温度补偿）温度补偿电阻式温

29、度传感器的应用电阻式温度传感器的应用b1RcRb2RTeRCCU1I2IBICIBEuCEu(b)直流通路EIBU（3 3）温度控制）温度控制：用热敏电阻与一个电阻相串联，并加上：用热敏电阻与一个电阻相串联，并加上恒定的电压，当周围介质温度升到某一数值时，电路恒定的电压，当周围介质温度升到某一数值时，电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫安。因此中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫安。因此可以用继电器的绕阻代替不随温度变化的电阻。当温可以用继电器的绕阻代替不随温度变化的电阻。当温度升高到一定值时，继电器动作，继电器的动作反应度升高到一定值时，继电器动作，继电器的动作反应温度的大小，所以热

30、敏电阻可用作温度控制。温度的大小，所以热敏电阻可用作温度控制。 （4 4）过热保护）过热保护电阻式温度传感器的应用电阻式温度传感器的应用1 1、热电偶的特点、热电偶的特点 测量范围宽、性能稳定、准确可靠、信号可以远传和测量范围宽、性能稳定、准确可靠、信号可以远传和记录。记录。2 2、热电偶的分类、热电偶的分类 （1 1）热电偶材料分：贵金属、廉价金属、难熔金属和非）热电偶材料分：贵金属、廉价金属、难熔金属和非金属。金属。 （2 2）按用途和结构分：普通工业用（直形、角形和锥形）按用途和结构分：普通工业用（直形、角形和锥形）和专用（钢水消耗、多点式和表面测温）。）和专用（钢水消耗、多点式和表面测

31、温）。 1.2 热电偶1.2 热电偶热电偶：热电偶： 利用利用两种不同的金属两种不同的金属连接在一起，当结点处温连接在一起，当结点处温度变化时，另两端产生度变化时，另两端产生电势变化电势变化的原理制成的的原理制成的传感器。传感器。通常我们称这种现象为热电势，这种通常我们称这种现象为热电势，这种现象就是现象就是热电效应热电效应 。 T0T0EAB(T,T0)T五邑大学常温下两触点分离。温度升高，两种金属膨胀常温下两触点分离。温度升高，两种金属膨胀性能不同，双金属片形状发生变化，使触点接触。性能不同，双金属片形状发生变化，使触点接触。双金属片温度传感器双金属片温度传感器：五邑大学铜的膨胀系数大于铁

32、铜的膨胀系数大于铁双金属片温度传感器双金属片温度传感器1.2 热电偶热电偶：热电偶： 利用利用两种不同的金属两种不同的金属连接在一起，当结点处温连接在一起，当结点处温度变化时，另两端产生度变化时，另两端产生电势变化电势变化的原理制成的的原理制成的传感器。传感器。通常我们称这种现象为热电势，这种通常我们称这种现象为热电势，这种现象就是现象就是热电效应热电效应 。 T0T0EAB(T,T0)T1.2.1 热电偶的基本原理一、一、热电效应热电效应(塞贝克效应塞贝克效应): 用两种不同的金属组成闭合回路，且使其用两种不同的金属组成闭合回路，且使其两接触点处温度不同，回路中就会产生两接触点处温度不同，回

33、路中就会产生电流电流。塞贝克电势塞贝克电势 EAB(T, T0) uAT0ABT A AT0T0EAB(T,T0)T)()(),(000TETEdTaTTEABABTTABABT热电势率热电势率(塞贝克系数塞贝克系数)TAB热电效应热电效应珀尔贴效应珀尔贴效应汤姆逊效应汤姆逊效应1.2.1 热电偶的基本原理1.珀尔帖效应珀尔帖效应A AB BE E珀尔帖电势珀尔帖电势(接触电势接触电势)同温度、同温度、两种金属两种金属、自由电子密度不同、扩自由电子密度不同、扩散散）（）（TnTnqTkTEBAABln)(0K0 为波尔兹曼常数为波尔兹曼常数q 电子电量电子电量nA、nB 为金属为金属A、B在温

34、度在温度T的自由的自由电子密度电子密度 1.2.1 热电偶的基本原理TTAAdTTTE0),(0 A称为汤姆逊系数称为汤姆逊系数 表示温差表示温差1时产生的电势差时产生的电势差 2.汤姆逊电势汤姆逊电势(温差电势温差电势) 均质导体棒、两端均质导体棒、两端温度不同温度不同、 高、低温端的自由电子动能不同、扩散高、低温端的自由电子动能不同、扩散1.2.1 1.2.1 热电偶的基本原理热电偶的基本原理TTABBABAABdTTnTnqTkTnTnqTkTTE0)()()(ln)()(ln),(000000)()(0TETEABAB热电偶回路的总热电势热电偶回路的总热电势EAB1.2.1 1.2.1

35、 热电偶的基本原理热电偶的基本原理五邑大学五邑大学传感器原理及应用传感器原理及应用思考思考两相同材料组成热电偶时，回路电势为两相同材料组成热电偶时，回路电势为多少？多少？1.2.1 1.2.1 热电偶的基本原理热电偶的基本原理T0T0EAB(T,T0)T回路总电势为回路总电势为零零五邑大学五邑大学传感器原理及应用传感器原理及应用思考思考两结点温度相同时，回路电势为多少？两结点温度相同时，回路电势为多少？1.2.1 1.2.1 热电偶的基本原理热电偶的基本原理T0T0EAB(T,T0)T回路总电势为回路总电势为零零v由此可得有关热电偶的几个结论由此可得有关热电偶的几个结论 (1)(1)热电偶必须

36、采用两种不同材料作为电极，否热电偶必须采用两种不同材料作为电极，否则无论热则无论热 电偶两端温度如何，热电偶回路总电偶两端温度如何，热电偶回路总热电势为零。热电势为零。 (2)(2)尽管采用两种不同的金属，若热电偶两接点尽管采用两种不同的金属，若热电偶两接点温度相等，温度相等， 即即T=TT=T0 0，回路总电势为零。，回路总电势为零。 (3)(3)只有只有两不同材料两不同材料组成热电偶、且组成热电偶、且T,T0T,T0不同不同，才有热电势出现；才有热电势出现；温差越大温差越大，回路的，回路的总电势总电势也也越大。越大。 （4 4）热电势只与）热电势只与结点温度结点温度有关，与中间各处温有关，

37、与中间各处温度无关。度无关。1.2.1 1.2.1 热电偶的基本原理热电偶的基本原理v当热电偶材料一定时，热电偶的总电势成为温度当热电偶材料一定时，热电偶的总电势成为温度T T和和T T0 0的函数差。即的函数差。即v如果使冷端温度如果使冷端温度T T0 0固定固定, ,则对一定材料的热电偶，则对一定材料的热电偶，其总电其总电 势就只与温度势就只与温度T T成单值函数关系，即成单值函数关系，即 )()(),(00TfTfTTEAB)()(),(0TCTfTTEAB1.2.1 1.2.1 热电偶的基本原理热电偶的基本原理二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律 1.均质导体定律：均质导体定律：

38、两均质金属的热电势两均质金属的热电势大小大小与热电极的直径、与热电极的直径、长度及沿电极长度方向上的温度分布无关，只长度及沿电极长度方向上的温度分布无关，只与热电极与热电极材料和温度有关材料和温度有关。2.标准电极定律：标准电极定律： 两种金属的热电势可用它们分别与第三种金属两种金属的热电势可用它们分别与第三种金属的热电势之差来表示。的热电势之差来表示。 1.2.1 1.2.1 热电偶的基本原理热电偶的基本原理),(),(),(0C0A0BTTETTETTEBCA1.2.1 1.2.1 热电偶的基本原理热电偶的基本原理（2）标准电极定律）标准电极定律 当温度为当温度为T、T0时，用导体时，用导

39、体A、B组成的热电偶组成的热电偶的热电动势等于的热电动势等于AC热电偶和热电偶和CB热电偶的热电动势之热电偶的热电动势之代数和，即代数和，即 导体导体C称为标准电极，故把这一定律称为标准称为标准电极，故把这一定律称为标准电极定律。电极定律。3.3.中间导体定律中间导体定律 在热电偶的参考端接入第三种均质金属在热电偶的参考端接入第三种均质金属, 被插入金属两端温度相同（被插入金属两端温度相同（T0），只要所插），只要所插入的导体两端温度与参考点相同，不会影响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原来热电势的大小,即中间导体定律。即中间导体定律。),()()()(),(0000TT

40、EdTTETETTEABTTABBABAABC ABTCT0T0图 1-2-6 具有 第三 种导 体的热 电偶 回 路mVC CC C1.2.1 1.2.1 热电偶的基本原理热电偶的基本原理4.4.中间温度定律中间温度定律 T0T0TnTAABB),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB 热电偶的接点温度为热电偶的接点温度为T T、T T0 0时，其热电势等时，其热电势等于该热电偶在接点温度为于该热电偶在接点温度为T T、T Tn n和和T Tn n、T T0 0时相应的时相应的热电势的代数和。热电势的代数和。1.2.1 1.2.1 热电偶的基本原理热电偶的基本原理五邑大学五邑大

41、学传感器原理及应用传感器原理及应用思考思考制作热电偶的制作热电偶的材料材料有什么要有什么要求？求？1.2.2 1.2.2 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构 一、热电极材料特性 1. 热电性质稳定，足够的物理、化学稳定性，不易热电性质稳定，足够的物理、化学稳定性，不易氧化和腐蚀。氧化和腐蚀。 2. 2. 热电势要热电势要足够大足够大，易于测量、单值关系、误差小。，易于测量、单值关系、误差小。 3. 3. 电阻温度系数小，电阻温度系数小，电导率电导率高。高。 4. 4. 材料复制性好、机械强度高、工艺简单，价格便材料复制性好、机械强度高、工艺简单，价格便宜。宜。 1.2.2 1.2.2 热电偶

42、的种类和结构热电偶的种类和结构1.2.2 1.2.2 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构热电偶热电偶 标准化热电偶标准化热电偶非标准化热电偶非标准化热电偶1 1、标准化热电偶、标准化热电偶 铂铑铂热电偶铂铑铂热电偶铂铑铂铑热电偶铂铑铂铑热电偶镍铬镍硅热电偶镍铬镍硅热电偶镍铬镍铝热电偶镍铬镍铝热电偶镍铬考铜热电偶镍铬考铜热电偶铜康铜热电偶铜康铜热电偶v 铂铑铂热电偶铂铑铂热电偶 用于较高温度、较精密的测量、热电势较小。用于较高温度、较精密的测量、热电势较小。不能用于金属蒸气和还原性气氛中。不能用于金属蒸气和还原性气氛中。v 铂铑铂铑热电偶铂铑铂铑热电偶 可长期测量可长期测量160oC高温，性能

43、稳定、精度高，高温，性能稳定、精度高，适于在氧化性或中性介质中测量，室温下热电势较适于在氧化性或中性介质中测量，室温下热电势较小，不需要参考端补偿和修正。小，不需要参考端补偿和修正。v 铜康铜热电偶铜康铜热电偶v 镍铬镍硅热电偶镍铬镍硅热电偶v 镍铬镍铝热电偶镍铬镍铝热电偶v 镍铬考铜热电偶镍铬考铜热电偶热电势较大，测温范围小。热电势较大，测温范围小。1.2.2 1.2.2 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构2 2、非标准化热电偶、非标准化热电偶 铁康铜热电偶铁康铜热电偶 测温上限测温上限6006000 0C C，易生锈，线性好，灵敏度高。，易生锈，线性好，灵敏度高。钨钼热电偶钨钼热电偶 测

44、温上限测温上限210021000 0C C，易氧化，加石墨保护管。，易氧化，加石墨保护管。钨铼系热电偶钨铼系热电偶 测温上限测温上限210021000 0C C。1.2.2 1.2.2 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构v 金属非标准化热电偶金属非标准化热电偶 热解石墨热电偶热解石墨热电偶二硅化钨二硅化钼热电偶二硅化钨二硅化钼热电偶 1.2.2 1.2.2 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构v 非金属非标准化热电偶非金属非标准化热电偶 复制性差，没有统一的分度表，应用受到很大限制。复制性差，没有统一的分度表，应用受到很大限制。v热电偶的结构热电偶的结构 1 1、普通型热电偶、普通型热电偶:

45、 :通常都是由热电极、绝缘材通常都是由热电极、绝缘材料、保护套管和接线盒等主要部分组成。料、保护套管和接线盒等主要部分组成。 2 2、铠装热电偶、铠装热电偶: :铠装热电偶是由热电极、绝缘铠装热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管经拉伸加工而成的组合体，其结材料和金属套管经拉伸加工而成的组合体，其结构分单芯和双芯两种。构分单芯和双芯两种。 1.2.2 1.2.2 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构三、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 有两个热电极，两个电极的一个端点紧密焊有两个热电极，两个电极的一个端点紧密焊接在一起

46、。热电极间通常用耐高温绝缘材料绝缘接在一起。热电极间通常用耐高温绝缘材料绝缘。 1.2.2 1.2.2 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构四、热电偶的冷端温度补偿 1.2.2 1.2.2 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构为什么要进行冷端温度补偿？为什么要进行冷端温度补偿？ 由热电偶的作用原理可知，热电偶热电动势的大小，不仅由热电偶的作用原理可知，热电偶热电动势的大小，不仅与测量端的温度有关，而且与与测量端的温度有关，而且与冷端的温度冷端的温度有关，是测量端有关，是测量端温度温度t和和冷端温度冷端温度t 0的函数差。的函数差。 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

47、置于恒将热电偶的冷端置于恒温器中，若温器中，若恒温器温度调到恒温器温度调到00，电压表读数对应的温，电压表读数对应的温度为实际温度，即冷端温度度为实际温度，即冷端温度误差得到解决。误差得到解决。1.2.2 1.2.2 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构冷端恒温示意图冷端恒温示意图 A AB BT T恒恒温温器器T T0 0这种办法最为妥善，然而不够这种办法最为妥善，然而不够方便，所以仅限于科学实验中方便，所以仅限于科学实验中应用。应用。 若恒温器温度为若恒温器温度为T T0 0，则冷端误差为：，则冷端误差为： )0,()0,(),(00TETETTEeABABAB T T0 0恒定时，恒定时

48、，冷端误差为常数冷端误差为常数，只要在回，只要在回路中路中加入相应的加入相应的修正电压修正电压，或调整指示装置，或调整指示装置的的起始值起始值就能实现完全补偿就能实现完全补偿。1.2.2 1.2.2 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构 在热电偶和测量仪在热电偶和测量仪表之间接入一个电桥表之间接入一个电桥补偿器。当热电偶冷补偿器。当热电偶冷端温度端温度T升高时，回升高时，回路中总电势降低，同路中总电势降低，同时补偿器中时补偿器中RT变化，变化，使使ab间产生一个电位间产生一个电位差，设计使该电位差差，设计使该电位差正好补偿热电偶降低正好补偿热电偶降低的量，实现自动补偿的量，实现自动补偿。 2.

49、2.冷端自动补偿法冷端自动补偿法冷端自动补偿原理图冷端自动补偿原理图 R1R2R3RTabTm mV V1.2.2 1.2.2 热电偶的种类和结构热电偶的种类和结构热电偶常用测温线路热电偶常用测温线路 1 1、测量某点温度的基本电路、测量某点温度的基本电路 2 2、测量两点之间温度差的测温电路、测量两点之间温度差的测温电路 热电偶的应用热电偶的应用3 3、测量多点的测温线路、测量多点的测温线路 多个被测温度用多支热电偶分别测量，但多个被测温度用多支热电偶分别测量，但多个热电偶共用一台显示仪表，它们是通过专多个热电偶共用一台显示仪表，它们是通过专用的切换开关来进行多点测量的。用的切换开关来进行多

50、点测量的。 热电偶的应用热电偶的应用4 4、测量平均温度的测温线路、测量平均温度的测温线路: :其缺点是当某一热其缺点是当某一热电偶烧断时，不能很快地觉察出来。电偶烧断时，不能很快地觉察出来。 5 5、测量几点温度之和的测温线路、测量几点温度之和的测温线路: :优点是热电偶优点是热电偶烧坏时可立即知道，还可获得较大的热电动势烧坏时可立即知道，还可获得较大的热电动势。热电偶的应用热电偶的应用1.3 半导体PN结型温度传感器 1.3.1 PN结型温度传感器结型温度传感器 一、二极管温度传感器一、二极管温度传感器 是利用是利用PNPN结正向电压与温度关系的特性制作的。结正向电压与温度关系的特性制作的

51、。 由由PNPN结理论可知，结理论可知，0lnIIqkTVff)/exp(B00KTqVTIgfgfITqkTVVlnlnBln0I I0 0为反向饱和电流，为反向饱和电流，B B、与材料和工艺有关常数与材料和工艺有关常数，qVqVg0 g0 为禁带宽度。为禁带宽度。 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，的上升而下降，近似线性关系。近似线性关系。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 二、晶体管温度传感器 在晶体管集电极电流恒定下，发射结的正向电在晶体管集电极电流恒定下，发射结的正向电压随温度上升而下降。压随温度上升而下

52、降。 晶体管比二极管有更好的线性和互换性。晶体管比二极管有更好的线性和互换性。1. 1. 基本原理基本原理 V Vg0g0=E=Eg0g0/q/q，A A为发射结面积、为发射结面积、n n与材料和工艺有关与材料和工艺有关的常数，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 检测温度时温敏三极管必须附加外围电路。检测温度时温敏三极管必须附加外围电路。 外围电路包括参考电压源外围电路包括参考电压源运

53、放运放线性电路等线性电路等部分。部分。 )/ln(n0cgbeIATqkTVV1.3 半导体PN结型温度传感器 3、晶体管温度传感器基本电路、晶体管温度传感器基本电路 由运放和温敏三极管组成，由运放和温敏三极管组成，C防止寄生振荡。防止寄生振荡。T为反馈元为反馈元件跨接在运放的反相输入端和输出端，基极接地。件跨接在运放的反相输入端和输出端，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, IE, Ic c=E/R=E/Rc c，与温度无关，与温度无关，保证了恒流源工作条件。，保证了恒流源工作条件。电压电压V Vbebe随随T T近似线性下降近似线性下降

54、。 1.3 半导体PN结型温度传感器 五邑大学集成IC温度传感器的分类u电压型IC温度传感器PC616AC，LM135，AN670l等 u电流型IC温度传感器AD590，LM134u数字输出型IC温度传感器DS1B820，ETC-800等1.3 半导体PN结型温度传感器 五邑大学u电流型IC温度传感器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。u电压型IC温度传感器将温度传

55、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。1.3 半导体PN结型温度传感器 2.8 集成数字温度传感器集成数字温度传感器2.8.2电压型集成温度传感器电压型集成温度传感器PC616AC 四端电压输出型传感器框图四端电压输出型传感器框图: :它由它由PTATPTAT核心电路、参核心电路、参考电压源和运算放大器三部分组成，其四个端子分别考电压源和运算放大器三部分组成，其四个端子分别为为U+U+、U-U-、输入和输出。、输入和输

56、出。该类型传感器的最大工作温度范围是该类型传感器的最大工作温度范围是-40-40125125，灵敏度是灵敏度是10mV10mVK K，线性，线性偏差为偏差为0.5%0.5%2%2%，长期，长期稳定性和重复性为稳定性和重复性为0.3%0.3%，精度为精度为4 K4 K。6.85 VPTAT电路运放10 mV/ K50 kUU输出输入1.3 半导体PN结型温度传感器 v 基本应用电路基本应用电路输 入输 出 15 VR18.2 kUUUo(10 mV / K)(a) 正 电 源输 入输 出UUUo( 10 mV / K)(b) 负 电 源 15 V1.3 半导体PN结型温度传感器 v 温度检测电路

57、温度检测电路输 入输 出 15 VR112 kUUUo(10 mV / )(a)CR327 kR439 kRw5 kR25.6 k 15 V输 入输 出UU(b) 15 VR220 kRw100 kR17.5 kR320 kUo(10 mV / ) 15 V1.3 半导体PN结型温度传感器 电流型集成温度传感器电流型集成温度传感器AD590AD590 1 1、性能特点、性能特点 线性电流输出：线性电流输出： 1A1AK K。 工作温度范围：工作温度范围： -55-55155155。 两端器件：两端器件： 电压输入电压输入, ,电流输出。电流输出。 激光微调使定标精度达激光微调使定标精度达0.5

58、 0.5 。 整个工作温度范围内非线性误差小于整个工作温度范围内非线性误差小于0.50.5。 工作电压范围：工作电压范围： 4 V4 V30 V30 V。 器件本身与外壳绝缘。器件本身与外壳绝缘。1.3 半导体PN结型温度传感器 2 2、简单应用、简单应用：温度测量和温差测量：温度测量和温差测量1.3 半导体PN结型温度传感器 v多点温度测量多点温度测量1.3 半导体PN结型温度传感器 五邑大学u美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器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D

59、S1820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1.3 半导体PN结型温度传感器 五邑大学 、 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；u A/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。 1.3

60、半导体PN结型温度传感器 五邑大学DS 1820123GNDI/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)1.3 半导体PN结型温度传感器 五邑大学 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、温度传感器温度传感器、64位位ROM单线接口单线接口、存放中间数据的高速存储器存放中间数据的高速存储器（