传感器第五章热电式传感器

1、第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器第第5章章 热电式传感器热电式传感器第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 1714年荷兰人年荷兰人华伦海特华伦海特 (Fahrenheit)以水银为测以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计。它规定温介质，制成玻璃水银温度计。它规定在标准大气压在标准大气压下把冰、水、氯化铵和氯化钠的混合物的熔点定为零下把冰、水、氯化铵和氯化钠的混合物的熔点定为零度，以度，以0F表示，冰的融点为表示，冰的融点为32华氏度，水的沸点为华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为华氏度，中间等分为180份，份，每一每一等份称为等份称为华氏

2、一度华氏一度，符号用，符号用 。华氏温度华氏温度=（1.8*摄氏温度摄氏温度+32） 第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 1740年瑞典人年瑞典人摄耳修斯摄耳修斯 (Celsius)提出，提出，在标准大气压下将把水的冰点在标准大气压下将把水的冰点规定为规定为0度，水的沸点规定为度，水的沸点规定为100度。度。均分均分100等份，等份，每一等份称为每一等份称为摄氏一摄氏一度度()，与华氏温度计使用的是同一，与华氏温度计使用的是同一种测温介质，利用相同的测温特性，种测温介质，利用相同的测温特性，但由于规定的标准点和分度单位不同，但由于规定的标准点和分度单位不同，就造成了两种不同的温标，产生了

3、两就造成了两种不同的温标，产生了两个不同的温度的数值，是工程上最通个不同的温度的数值，是工程上最通用的温度标尺。用的温度标尺。 摄氏温度摄氏温度=5/9 *（华氏温度（华氏温度-32） 摄氏温标摄氏温标第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 1848年英国物理学家年英国物理学家威廉威廉汤姆逊汤姆逊开尔文开尔文Ketvin根根据热力学第二定理和卡诺热循环理论提出的。据热力学第二定理和卡诺热循环理论提出的。绝对零绝对零度是指度是指-273.15度，度，在这个温度下的物体不包含热量，在这个温度下的物体不包含热量，气体的体积将减小到零。气体的体积将减小到零。这种温标的最大特点是与选这种温标的最大特点

4、是与选用的测温介质性质无关，克服了经验温标随测温介质用的测温介质性质无关，克服了经验温标随测温介质而变的缺陷，而变的缺陷，故称它为科学的温标或绝对热力学温标故称它为科学的温标或绝对热力学温标,由此而得的温度称为由此而得的温度称为热力学温度热力学温度。 开氏温度开氏温度=（273.15+摄氏温度）摄氏温度）K注意：注意：摄氏温度的分度值与摄氏温度摄氏温度的分度值与摄氏温度分度值相同，即温度间隔分度值相同，即温度间隔1K=1。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器u 第一节第一节 热电偶传感器热电偶传感器& 第二节第二节 热电阻传感器热电阻传感器& 第三节第三节 PNPN结及集成

5、温度传感器结及集成温度传感器内容提要内容提要学习目标学习目标 掌握热电效应定义、热电偶基本定律及各掌握热电效应定义、热电偶基本定律及各种测量电路、热电偶补偿方式；熟悉金属热电种测量电路、热电偶补偿方式；熟悉金属热电阻的结构及测量线路；掌握热敏电阻的种类及阻的结构及测量线路；掌握热敏电阻的种类及特性；理解温敏二极管、三极管、集成温度传特性；理解温敏二极管、三极管、集成温度传感器原理；了解各种热电传感器的应用。感器原理；了解各种热电传感器的应用。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器第一节第一节 热电偶传感器热电偶传感器 一、热电效应一、热电效应二、热电偶基本定律二、热电偶基本定律三、热电偶的常

6、用材料与结构三、热电偶的常用材料与结构四、常用测量电路四、常用测量电路五、热电偶冷端补偿方式五、热电偶冷端补偿方式六、热电偶传感器应用六、热电偶传感器应用第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端自由端（参考端、（参考端、冷端冷端） 左端称为：左端称为：测量端测量端（工作端、（工作端、热端热端） 热电极热电极B B热电势热电势AB第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 定义：定义：两种不同的导体或半导体两种不同的

7、导体或半导体A A和和B B组合成闭合回组合成闭合回路，连接点处于不同的温度场中（设路，连接点处于不同的温度场中（设T TT T0 0），则在此），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，这种现象叫做热电效应。存在，这种现象叫做热电效应。18211821年首先由西拜克年首先由西拜克（SeebeckSeebeck）发现）发现, ,所以又称所以又称西拜克效应。西拜克效应。 一、工作原理一、工作原理 回路中所产生的电动回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势，叫热电势。热电势由两部分组成，即势由两部分组成，即接触电势接触电势和和温差电势温

8、差电势。热电偶原理图热电偶原理图TT0AB工作端（热端）工作端（热端）自由端（冷端）自由端（冷端）1 1、 热电效应热电效应第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器BNNA自由电子密度、BANNCeKJk1923106 . 1/1038. 1 BAABNNekTTelnT0TeAB(T)eAB(T0)ABBAABNNekTTeln00AB2 2、产生原因、产生原因（1 1）接触电势）接触电势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。 两种导体在温度两种导体在温度T T中接触，中接触，由于自由电子浓度不同在接触由于自由电子浓度不同在接触点产生

9、的电动势称接触电势。点产生的电动势称接触电势。 接触电势接触电势第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器AToTdTTTeTTAA0),(0（2 2）温差电势）温差电势A0TT、T0TeB(T,T0)eA(T,T0)ABdTTTeTTBB0),(0温差电势的大小与材料性质及两端温度有关。温差电势的大小与材料性质及两端温度有关。由同一金属导体两端处于不同由同一金属导体两端处于不同的温度场中，由于自由电子密的温度场中，由于自由电子密度不同产生的电势。度不同产生的电势。温差电势温差电势第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3 3、

10、 回路总电势回路总电势TT0、 NA NB回路总电势回路总电势 dTNNekTNNekTTTeTTeTeTeTTETTBTATBTATABABABAB 00000000lnln,第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 BAABABABNNTTekTeTeTTEln,000接触电动势起主要作用接触电动势起主要作用在标定热电偶时，一般使在标定热电偶时，一般使T0为常数，则为常数，则 CTfTeTeT ,TEABABAB00第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器dTNNTTekTTETTABBAAB 000ln)(,讨论讨论(热电效应热电效应)第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器第第5 5章

11、章 热电式传感器热电式传感器 热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两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。端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。 只有用不同性质的导体只有用不同性质的导体( (或半导体或半导体) )才能组合成才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A A、B B两种两种导体是同一种材料时，导体是同一种材料时，ln(Nln(NA A/N/NB B)=0)=0，也即，也即EAB(T，T0)=0。4 4、热电偶基本性质、热电偶基本性质 只有当热电偶只有当热电偶两端温度不同两端温度不同, ,热电偶的

12、热电偶的两导体两导体材料不同材料不同时才能有热电势产生。时才能有热电势产生。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使端的温度有关。如果使E EABAB(T(T0 0)=)=常数，则回路热电势常数，则回路热电势E EABAB(T(T，T T0 0) )就只与温度就只与温度T T有关，而且是有关，而且是T T的单值函数，的单值函数，这就是利用这就是利用热电偶测温的原理热电偶测温的原理。 对于由几种不同材料串联组成的闭合回路，对于由几种不同材料串联组成的闭合回路，若各接点温度分别为若各接点温度分别为

13、T T1 1、T T2 2TTN N ，闭合回路总的热，闭合回路总的热电动势为：电动势为： NNABC1ABNABTeTeTeE 2第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 二、热电偶基本定律二、热电偶基本定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流是否存在温度梯度，回路中没有电流( (即不产生电动即不产生电动势势) )； 反之，反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均如果有电流流动，此材料则一定是非均质的质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。1. 1. 均质导体定律均质导体

14、定律该定律可作为检验材质均匀性的原则：该定律可作为检验材质均匀性的原则：。AATT00),(0TTEA第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器2 2、中间导体定律、中间导体定律ABCT0T0T 在热电偶回路中接入第三种导体在热电偶回路中接入第三种导体C C，只要第三种，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。 0CA0BCAB0ABCTeTeTeTT，E0ABTT，E第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器ET0T0TT1CT0T1TBA1CA1TeTACe 00ABAB0BA0ABCTeTeTeTTTTTEeEABAB，()(

15、 )( )( )( )1CA1AC0BAAB0ABCTeTeTeTeTTE+=，第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器),()()(),(),(0000TTETeTeTTETTEABABABBCAC 3 3、标准电极定律、标准电极定律 如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知。所产生的热电动势也就可知。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器()( )( )0ACAC0ACTeTeTTE，=()( )( )0BCBC0BCTeTeTT

16、E，=两式相减得：两式相减得： TeTeTeTeTeTeTeTeTTETTEBC0ACBCACBCBC0ACACBC0AC000，第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 若一个热电偶由若一个热电偶由A A、B B、C C三种导体组成，且三种导体组成，且回路中三个接点的温度都相同，则回路总电动势回路中三个接点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即：必为零，即： ( )( )( )( )( )( )0 TeTeTeTeTeTe0BACB0ACBACBAC=+0=+0或或( )( )( )( )( )( ) TeTeTeTeTeTe0ABBC0ACABBCAC=0第第5 5章章 热电式传感器热电式

17、传感器即导体即导体A A与与B B组成的热电偶的热电动势也可知。组成的热电偶的热电动势也可知。整理得：整理得： 0000TTETeTe TeTeTeTeTTETTEABABABBC0ACBCACBC0AC，第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器4. 4. 连接导体定律连接导体定律ABAB T Tn T0 Tn BA T Tn BA Tn T0 +)()()()(),(00TeTeTeTeTTTEABnBAnBAABnABAB),(),(0TTETTEnBAnAB由此可知，回路总热电势等于热电偶电势由此可知，回路总热电势等于热电偶电势E EABAB(T,T(T,Tn n) )与连与连接导线热电

18、势接导线热电势E EABAB(T(Tn n,T,T0 0) )的代数和，的代数和，连接导体定律是工连接导体定律是工业上应用补偿导线进行温度测量理论的基础业上应用补偿导线进行温度测量理论的基础。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 5 5、中间温度定律、中间温度定律 热电偶在两接点温度分别为热电偶在两接点温度分别为T T、T T0 0时的热电动势等时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为于该热电偶在接点温度分别为T T、T Tn n和接点温度分别和接点温度分别为为T Tn n、T T0 0时的相应热电动势的代数和。时的相应热电动势的代数和。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器证明：证明：

19、 0000TTETeTeTeTeTeTeTTETTEABABABABnABnABABnABnAB，即：即：()()()00+=TTETTETTEnABnABAB， 为冷端温度不是零度时热电偶如何查分度表的问题提为冷端温度不是零度时热电偶如何查分度表的问题提供了依据。供了依据。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器当当Tn=0时，则：时，则：()()()()()00=0+0=000，TETETETETTEABABABABAB上式说明：上式说明：只要只要A、B组成的热电偶在冷端温度为零时组成的热电偶在冷端温度为零时的的“热电动势热电动势 温度温度”关系已知，则它在冷端温度关系已知，则它在冷端温度

20、不为零时的热电动势即可知。不为零时的热电动势即可知。定律定律4 4中导体中导体A A与与AA，B B与与BB材料相同时材料相同时),(),(),(00TTETTETTTEnABnABnAB第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 中间温度定律表明：中间温度定律表明： 当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B相同热电特性的材料相同热电特性的材料C、D即引入所谓补偿导线时，即引入所谓补偿导线时，只要它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电只要它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与两连接点温度无关，只与热电偶两端的温度有动势与两连接点温度无关，只

21、与热电偶两端的温度有关。关。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器由于由于A与与C、B与与D的热电特性相同，由热电偶的基本性的热电特性相同，由热电偶的基本性质可知：质可知：eAC（Tn）= eBD（Tn）=0，则回路总电动势为，则回路总电动势为: 0000TTETeTeTeTeTeTeTeTeEABBAABDCABnCADCnBDAB，第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器三、热电偶的常用材料与结构三、热电偶的常用材料与结构热电偶的常用材料热电偶的常用材料P81表表5-11. 普通工业用装配式热电偶普通工业用装配式热电偶第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器v热电偶丝（热电极）：热电偶丝

22、（热电极）：直径一般在直径一般在0.5-3.2mm，长，长度由使用情况、安装条件、特别是工作端插入被度由使用情况、安装条件、特别是工作端插入被测介质深度决定，一般为测介质深度决定，一般为300-2000mm。v绝缘管：绝缘管：防止两热电极短路防止两热电极短路的绝缘保护零件，形的绝缘保护零件，形状一般为圆形或椭圆型，偶丝穿孔而过，一般为状一般为圆形或椭圆型，偶丝穿孔而过，一般为氧化铝或耐火陶瓷。氧化铝或耐火陶瓷。v保护套管：保护套管：保护感温元件免受介质化学腐蚀和机保护感温元件免受介质化学腐蚀和机械损伤的装置，具有械损伤的装置，具有耐耐高温高温、耐腐蚀性能、耐腐蚀性能，材料，材料有金属、非金属等

23、。有金属、非金属等。v接线盒：接线盒：用来用来固定接线座和连接补偿导线的装置固定接线座和连接补偿导线的装置。多用铝合金制成。多用铝合金制成。热电耦结构热电耦结构第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器普通装配型普通装配型热电偶的外形热电偶的外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器2 2铠装式热电偶（又称套管式热电偶）铠装式热电偶（又称套管式热电偶）优点：小型化、测温端热容量小、热惯性小，动态响应快；弯优点：小型化、测温端热容量小、热惯性小，动态响应快；弯曲性好、机械强度高、耐震动、耐冲击、可安装在结构复杂的曲性好、机械强度高、耐震动、耐冲击、可安装在结构复杂

24、的装置上；寿命长、使用方便。装置上；寿命长、使用方便。 测温范围在测温范围在11001100以下的有：以下的有：镍铬镍铬镍硅、镍铬镍硅、镍铬考铜铠装式热电偶。考铜铠装式热电偶。 由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。热端形状不同，可分为两种形式。合而成一体。热端形状不同，可分为两种形式。1 1金属套管金属套管; 2; 2绝缘材料绝缘材料; 3; 3热电极热电极 第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器铠装式热电偶的结构铠装式热电偶的结构第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器铠装型热电偶外形铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米

25、薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管（铠体）（铠体） BA绝缘绝缘 材料材料法兰法兰第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 3 3薄膜热电偶薄膜热电偶 用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而成。热接点极薄上而成。热接点极薄(0.01(0.010.lm)0.lm) 适用于对壁面温度的快速测适用于对壁面温度的快速测量。安装时量。安装时, ,用粘结剂将它粘结用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁制的有铁镍、铁镍、铁康铜和铜康铜和铜康铜三种康铜三种, ,尺寸为尺寸为 60606 60.2mm;0.2mm;绝

26、缘基板用云母、陶瓷片、玻璃绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在及酚醛塑料纸等；测温范围在300300以下；反应时间仅为几以下；反应时间仅为几msms。 第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器其他热电偶外形小型小型K K型热电偶型热电偶第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器分度分度号号 名称名称 测量温度范围测量温度范围 10001000 C C热电势热电势/ / mVmVS铂铑10铂-501768 C9.587K镍铬镍硅-2701370 C41.276E镍铬铜镍 (康 铜)270800 C?B铂铑30铂铑6501820 C4.834R铂铑13铂-501768 C10.50

27、6几种常用热电偶的测温范围及热电势几种常用热电偶的测温范围及热电势 第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器四、实用测量电路四、实用测量电路1. 1.测量单点温度电路测量单点温度电路LMCZBALMCZABRRRRNNeTTkRRRRTTEIln00，MczRRR、T0TnTnTABCD0TMLR第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器2. 2.测量温差的基本电路测量温差的基本电路回路内的总电动势为回路内的总电动势为: : 002001TeTeTeTeTeTeECAACBADBBDABT00000000TeTeTeTeCAACDBBD因为因为 2121TeTeTeTeEABABBAABT故故T

28、E第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器AABB1T2TTE0T0TAB0T 3T1E2E3E仪表仪表3R2R1R3 3、热电偶并联线路、热电偶并联线路 （测量平均温度）（测量平均温度）),(),(),(313030201321TTETTETTEEEEEABABABT 第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器4. 4. 热电偶串联线路热电偶串联线路( )( )( )( )( )( )030201+=TeTeTeTeTeTeEDCABDCABDCABT000-TeTeTeABBADC因为因为 030201030201TTE TTETTETeTeTe TeTeTeEABABABABABABABA

29、BABT，所以所以TE第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器五、热电偶冷端补偿方式五、热电偶冷端补偿方式1 1、冰点槽法、冰点槽法2 2、计算修正法、计算修正法3 3、补正系数法、补正系数法4 4、零点迁移法、零点迁移法5 5、冷端补偿器法、冷端补偿器法第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器热电偶的分度表热电偶的分度表 热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法 我国从我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标年国际温标”（简称（简称ITS-90）的新标准。按此）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并

30、且有相应的线性化集标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。成电路与之对应。 直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为自由端（冷端）温度必须为0 0 C C。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器S型型(铂铑铂铑10-铂铂)热电偶分度表热电偶分度表 第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 1 1、冰点槽法、冰点槽法 把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使使T T0 0=0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免。这种办法仅限于科学实

31、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。两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 2 2、计算修正法、计算修正法 室温下计算出参比端实际温度室温下计算出参比端实际温度T TH H: :例例 用铜用铜-康铜热电偶测某一温度康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境，参比端在室温环境TH中，测得热电动势中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温，又用室温计测出计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知，查此种热电偶的分度表

32、可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度对应的热端温度T=68。注意注意: :既不能只按既不能只按1.999mV1.999mV查表，认为查表，认为T T=49=49，也，也不能把不能把4949加上加上2121，认为，认为T T=70=70。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 3 3、补正系数法、补正系数法 参比端实际温度参比端实际温度TH H乘上系数乘上系数k

33、，加到由，加到由EABAB(T，TH H)查分度表所得的温度上，成为被测温度查分度表所得的温度上，成为被测温度T。 T：被测温度；被测温度； T：参比端在室温下热电偶电势与分度参比端在室温下热电偶电势与分度 表上对应的某个温度；表上对应的某个温度； TH：室温（参比端实际温度）；室温（参比端实际温度）； k：补正系数。补正系数。T T k TH第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器例题例题 用铂铑用铂铑1010铂热电偶测温，已知冷端温度铂热电偶测温，已知冷端温度T TH H=35=35，这时热电动势为，这时热电动势为11.348mV11.348mV查查S S型热电偶型热电偶的分度表，得出与此

34、相应的温度的分度表，得出与此相应的温度T T=1150=1150。再从。再从下表中查出，对应于下表中查出，对应于11501150的补正系数的补正系数k k=0.53=0.53。被测温度：被测温度： T T=1150+0.53=1150+0.5335=1168.335=1168.3（） 特点：特点： 计算简单；计算简单； 误差大一点，但误差不大于误差大一点，但误差不大于0.140.14。 第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器温度温度T /补正系数补正系数k铂铑铂铑10-铂铂(S)镍铬镍铬-镍硅（镍硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.98

35、5000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.5313000.5214000.5215000.5316000.53热热电电偶偶补补正正系系数数 第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器4 4、零点迁移法、零点迁移法 当热电偶通过补偿导线连接当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端温显示仪表时，如果热电偶冷端温度不是度不是00，但十分稳定（如恒，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所），可预温车间或有空调的场所），可预先将有零位调整器的显示仪表的先将有零位调整器的显

36、示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值。示值即为被测量的实际温度值。数字式温度表数字式温度表温度温度设定值设定值温度值温度值设定键设定键第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 例例 用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机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械零点调到室温TH的刻度上的刻度上,在热电动势为零时，指在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是针指示的温度值并不是0而是而是TH。而热电偶的冷端而热电偶的冷端温度已是温度已是TH,则只有当热端温度则只有当热端

37、温度T=TH时，才能使时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一这样，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温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。不变，指示值就永远正确。 第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 5 5、冷端补偿器法（电桥补偿）、冷端补偿器法（电桥补偿） 不平衡电桥由不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制锰铜丝绕制)、RCu(铜丝铜丝绕制绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在0下使电下使电桥平衡桥平衡(R1=R2=R3=R

38、Cu)，此时，此时Uab=0 ，电桥对仪表读数，电桥对仪表读数无影响。无影响。 注意：桥臂注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。端靠近，使处于同一温度之下。 mVEAB(T,T0)T0T0TAB+- -abUUabRCuR1R2R3RT0 Ua Uab EAB(T,T0)供电供电4V直流，在直流，在040或或- -2020范围起补偿作用。范围起补偿作用。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器金属热电阻（铂热电阻、铜热电阻等）金属热电阻（铂热电阻、铜热电阻等）半导体热敏电阻（半导体热敏电阻（PTCPTC、NTCNTC、CTRCTR）第二节第二节 热电阻传感

39、器热电阻传感器 主要特点是测量精度高，性能稳定。其中主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻铂热电阻的的测量精确度最高，广泛应用于工业测温，而且被制成测量精确度最高，广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。标准的基准仪。应用于应用于-200600-200600范围内的温度测量。范围内的温度测量。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器第二节第二节 热电阻传感器热电阻传感器一、金属热电阻一、金属热电阻 1 1、热电阻的材料要求、热电阻的材料要求 2 2、常用热电阻、常用热电阻 3 3、热电阻结构、热电阻结构 4 4、热电阻测量线路、热电阻测量线路二、热敏电阻器二、热敏电阻器 1 1、热敏

40、电阻的结构、热敏电阻的结构 2 2、热敏电阻的种类、热敏电阻的种类 3 3、热敏电阻的基本特性、热敏电阻的基本特性 4 4、热敏电阻实物图片、热敏电阻实物图片 5 5、热敏电阻应用、热敏电阻应用第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器电阻电阻温度系数温度系数大且稳定，电阻值与温度之间具大且稳定，电阻值与温度之间具有良好的有良好的线性线性关系关系电阻率高、热容量小，热惯性小，反应速度快电阻率高、热容量小，热惯性小，反应速度快在测温范围内，材料的物理、化学性能在测温范围内，材料的物理、化学性能稳定稳定工艺性好，易复制、价格低工艺性好，易复制、价格低一、金属热电阻一、金属热电阻1 1、热电阻的材料要

41、求、热电阻的材料要求第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器)1 (20BtAtRRt)100(1 320ttCBtAtRRt铂电阻的阻值与温度之间关系接近于线性铂电阻的阻值与温度之间关系接近于线性2 2、常用热电阻、常用热电阻 铂电阻铂电阻第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器可以看出，它们的可以看出，它们的高次项高次项很小。铂电阻在很小。铂电阻在01000100时的最大非线性偏差小于时的最大非线性偏差小于0.50.5；R R0 0不同，不同，R Rt t与与t t 的关系也不同。的关系也不同。 我国规定工业用铂热电阻有我国规定工业用铂热电阻有Pt50Pt50和和Pt100Pt100（P8

42、8-89P88-89表表5-35-3、5-45-4），），其中以其中以Pt100Pt100为常用。为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表。)1 (20BtAtRRt)100(1 320ttCBtAtRRt第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器)1 (320CtBtAtRRt-50 150 铜电阻铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为 tRRt10第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 特点特点第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器(3) (3) 其它热电阻其它热电阻 低温、超低温低温、超低温第第5 5章章

43、热电式传感器热电式传感器3 3、热电阻结构、热电阻结构热电阻电阻体绝缘套管接线盒热电阻电阻体绝缘套管接线盒第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 实物图片薄膜型铂热电阻薄膜型铂热电阻普通型铂热电阻普通型铂热电阻汽车用水温传感器汽车用水温传感器汽车用水温传感器汽车用水温传感器防爆型铂热电阻防爆型铂热电阻第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器热电阻测温电桥三线连接法热电阻测温电桥三线连接法 4 4、热电阻测量线路、热电阻测量线路Rt为热电阻为热电阻, r1 、r2、r3为引线电阻为引线电阻, R1 、R2为两桥臂电阻为两桥臂电阻,R1=R2 ,R3为调整电为调整电桥的精密电阻。桥的精密电阻。M

44、表内阻很大，故电流近似为零。表内阻很大，故电流近似为零。当当UA=UB时电桥平衡。调节时电桥平衡。调节R3，使，使r2 +R3=r1+Rt,就可就可消除引线电阻的影响。消除引线电阻的影响。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器r1r2r3r4RtIVIMEM电压表电压表恒流源恒流源 由上式知引线电阻由上式知引线电阻r1 r4将不引起测量误差。电将不引起测量误差。电压表的值压表的值EM可认为是热电阻可认为是热电阻Rt上的压降，据此可计上的压降，据此可计算出微小温度变化。算出微小温度变化。MMVMVMtIEII)rr(IEIER32第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器二、热敏电阻器二、热敏电

45、阻器1 1、热敏电阻的结构、热敏电阻的结构 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，如钴（钴（CoCo）、）、锰（锰（MnMn）、镍（）、镍（NiNi）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，高温烧结而成。高温烧结而成。 电阻温度系数高，灵敏度比热电阻高得多；体积可做电阻温度系数高，灵敏度比热电阻高得多；体积可做很小，动态特性好，适于在很小，动态特性好，适于在-100-100300300之间测温。之间测温。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器|正温度系数热敏电阻器正温度系数热敏电阻器PTCPTC2 2、热敏电阻的种类、热敏电阻的种类 电阻值随温度升高而增大

46、的电阻器，电阻值随温度升高而增大的电阻器，PTC(Positive Temperature Coefficient)。主要采用钛酸钡（。主要采用钛酸钡（BaTiO3）系列材料，当温度超过某一数值时，其阻值朝正的方系列材料，当温度超过某一数值时，其阻值朝正的方向快速变化；向快速变化；PTC热敏电阻主要热敏电阻主要用于电器设备的过热用于电器设备的过热保护，发热源的定温控制，或作限流元件使用。保护，发热源的定温控制，或作限流元件使用。 |临界温度系数热敏电阻器临界温度系数热敏电阻器CTRCTR （Critical Temperature Resistor）热敏电阻在某特定）热敏电阻在某特定温度范围内

47、随温度升高而降低温度范围内随温度升高而降低34个数量级，具有很个数量级，具有很大负温度系数。其主要材料是大负温度系数。其主要材料是VO2并添加一些金属氧并添加一些金属氧化物。化物。CTR主要用作温控开关主要用作温控开关。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器|负温度系数热敏电阻器（负温度系数热敏电阻器（NTCNTC） NTC NTC（Negative Temperature CoefficientNegative Temperature Coefficient）热热敏电阻，它是由氧化铜、氧化铝、氧化镍等金属氧化敏电阻，它是由氧化铜、氧化铝、氧化镍等金属氧化物按一定比例混合研磨、成型、锻烧而成

48、，改变这些物按一定比例混合研磨、成型、锻烧而成，改变这些混合物的配比成分，就可以改变混合物的配比成分，就可以改变NTCNTC的温度范围、温的温度范围、温度系数及阻值。度系数及阻值。 NTC NTC热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于用于100100300300温度范围内使用，既温度范围内使用，既可作温度测量，可作温度测量，亦可作电子控制系统中温控器件。亦可作电子控制系统中温控器件。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器温度温度电阻电阻CTRNTCPTC第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器3 3、热敏电阻的基本特性、热敏电阻的基本特性NTC热

49、敏电阻的阻值与温度之间近似指数关系热敏电阻的阻值与温度之间近似指数关系0110TTBTeRR RT 、R0温度为温度为T、T0时的电阻值；时的电阻值； B 热敏电阻材料常数，热敏电阻材料常数，2000600K； T被测温度被测温度 T0参考温度参考温度第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器不同材料的不同材料的B B不同，右图为不同，右图为不同不同B B 的的R RT T /R /R2525T T特性曲特性曲线线 为了使用方便，常取环境温度为为了使用方便，常取环境温度为2525作为参考温作为参考温度（即度（即T T0 0=25=25），则），则NTCNTC热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻 温度

50、关温度关系式可写成：系式可写成：2981-1exp25TBRRT第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器（2 2）正电阻温度系数（）正电阻温度系数（PTCPTC）: : 电阻电阻温度特性温度特性10000100010010050100150200250R20=120R20=36.5R20=12.2T/C电 阻电 阻/Tp1Tp2Tc=175 C温度特性是利用正温度系数热敏材料温度特性是利用正温度系数热敏材料在居里点附近结在居里点附近结构发生相变引起导电率突变构发生相变引起导电率突变获得的获得的第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器00TTBexpRRPT00TPTRlnTTBRlnrRTTP

51、m mtanTTRlnRlnB1212lnRr1lnRr2BPmRBP=tg=m=mR R/m/mr rT1T2lnRr0mrlnRrT第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器4 4、热敏电阻实物图片、热敏电阻实物图片 1.耗散系数：耗散系数： 5mW/2.热时间常数热时间常数: 10S3.测温范围测温范围: -40 +110用于电饭锅等烹饪用具,耐高温，反应快而精确第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器ABSABS材质外壳，材质外壳，PVCPVC导线导线, ,用于电冰箱、冰柜。耐腐用于电冰箱、冰柜。耐腐防潮。防潮。1.耗散系数：耗散系数： 5mW/2.热时间常数热时间常数: 10S3.测温

52、范围测温范围: -40 +110第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器铜质外壳，铜质外壳，PVC导线，导线，用于空调、饮水机用于空调、饮水机 铜制、不锈钢外壳，铜制、不锈钢外壳，PVC导线，用于热水器导线，用于热水器 第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器MZ4系列加热用系列加热用PTC热敏电阻热敏电阻MZ5汽车测温用汽车测温用PTC热敏电阻热敏电阻第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器MZ41系列卷发器用系列卷发器用PTC热敏电阻热敏电阻MZ6系列电机保护用系列电机保护用PTC热检测器热检测器第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器CPUCPU的的温温度度测测量量 5 5、热敏电阻应用

53、、热敏电阻应用 还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器第三节第三节 PNPN结及集成温度传感器结及集成温度传感器 一、温敏二极管一、温敏二极管三、集成温度传感器三、集成温度传感器 1 1 基本工作原理基本工作原理 2 2 电流镜核心电路电流镜核心电路 3 3 电压型核心电路电压型核心电路 二、温敏三极管二、温敏三极管第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 PNPN结温度传感器原理：结温度传感器原理： 结电压随温度成近似线性变化特性；结电压随温度成近似线性变化特性； 应用：应用： 对温度的检测、控制和补偿等；对温度的检测

54、、控制和补偿等； 优点：优点： 有较好的线性度，且尺寸小、响应快、灵敏有较好的线性度，且尺寸小、响应快、灵敏度高、热时间常数小，测温范围为度高、热时间常数小，测温范围为-50-50至至150150。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器一、温敏二极管一、温敏二极管qCq19106 . 1TFISIkFU1 expkTqUF当kTqUIIFSFexpSFFIIqkTUln1- kTqUexpIIFSF第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器）kTETBIgoSexp(）（SFFIIqkTUlnqEUgogo）（）FgoITBqkTkTEqkTln(带宽度材料在绝对零度时的禁与迁移率有关常数与温

55、度无关的常数；: goEB）（FgoITBqkTUln二极管正向电二极管正向电压随温度的升压随温度的升高而降低高而降低第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器二、温敏三极管二、温敏三极管CgBEITBeTkUUln00 利用利用be结作为感温器件，利用三极管发射结结作为感温器件，利用三极管发射结正向电压正向电压Ube随温度上升而下降的原理。随温度上升而下降的原理。若若I Ic c恒定，则恒定，则U Ubebe仅随温度仅随温度T T 成单调单值函数变化。成单调单值函数变化。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器ERcRCBEU温敏晶体管温敏晶体管虚地虚地A 温敏晶体管作为负反馈元件跨接在运算放

56、大器的反相输入端和温敏晶体管作为负反馈元件跨接在运算放大器的反相输入端和输出端，基极接地。如此连接的目的是输出端，基极接地。如此连接的目的是使发射结为正偏，而集使发射结为正偏，而集电结几乎为零偏。电结几乎为零偏。零偏零偏的集电结使得集电结电流中不需要的的集电结使得集电结电流中不需要的空空间电荷的复合电流和表面复合电流为零间电荷的复合电流和表面复合电流为零，而发射结电流中的，而发射结电流中的发发射结空间电荷复合电流和表面漏电流作为基极电流流入地射结空间电荷复合电流和表面漏电流作为基极电流流入地。 因此，因此，集电极电流完集电极电流完全由扩散电流成分组成全由扩散电流成分组成。集电极电流集电极电流I

57、c只取决于集只取决于集电极电阻电极电阻RC和电源和电源E，保证了温敏晶体管的保证了温敏晶体管的Ic恒恒定。定。电容电容C的作用是防止的作用是防止寄生振荡。寄生振荡。 基本测温电路基本测温电路第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。集成化温度传感器。 优点：优点： 直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出；直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出；体积小、成本低廉；是现代半导体温度传感器的主体积小、成本低廉；是现代半导体温度传感器的主要发展方向之一。要发展方向之一。 应用：应用： 广泛用于广泛用于-5

58、0+150-50+150温度范围内的温度监测、温度范围内的温度监测、控制和补偿的许多场合。控制和补偿的许多场合。三、集成温度传感器三、集成温度传感器第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器1、2结构和性能完结构和性能完全相同的晶体管。全相同的晶体管。1 1、基本工作原理、基本工作原理 212121lnlnlnCCCgoCgobebebeIIqkTITBqkTUITBqkTUUUU第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器由于两管集电极面积相等，因此，集电极电流比由于两管集电极面积相等，因此，集电极电流比应应等于集电极电流密度比等于集电极电流密度比，即：，即： 只要只要保持两管的集电极电流密度之比

59、不变保持两管的集电极电流密度之比不变，R上的电压上的电压Ube将将正比正比于绝对温度于绝对温度T。2121lnlnCCCCbeJJqkTIIqkTU第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器 若两管增益很高，则基极电流若两管增益很高，则基极电流可以忽略不计，那么集电极电流等可以忽略不计，那么集电极电流等于发射极电流，则于发射极电流，则211122CCbeecJJlnqRkTRUII 即即 Ic2 T因此因此R2上的电压也正比于绝对温度上的电压也正比于绝对温度T。又因为又因为Ic/Ic2保持不变，则保持不变，则Ic T， 电路总电流电路总电流 I=（ Ic+Ic2） T第第5 5章章 热电式传感器

60、热电式传感器 集成温度传感器按输出信号可分为集成温度传感器按输出信号可分为电压型电压型和和电流型电流型两种。两种。 电压型的温度系数约为电压型的温度系数约为10mV/10mV/； 电流型的温度系数约为电流型的温度系数约为1 1A/A/。 这就很容易从它们输出信号的大小换算成绝这就很容易从它们输出信号的大小换算成绝对温度，而且其输出电压或电流与绝对温度成线对温度，而且其输出电压或电流与绝对温度成线性关系。性关系。第第5 5章章 热电式传感器热电式传感器（电流镜（电流镜PTATPTAT核心电路）核心电路）该电路是在该电路是在差分对管差分对管电路的电路的基础上，用两只基础上，用两只PNPPNP管分别管分别与与T1T