第9章 热电式传感器

1、第9章 热电式传感器 9.1 热电偶热电偶 9.2 电阻型温度传感器电阻型温度传感器 9.3 半导体半导体PN结型温度传感器结型温度传感器 9.4 其他温度传感器其他温度传感器 用于测量温度。是使用最多的传感器。 9.1 热电偶一类将温度直接转换成电压的传感器。9.1.1 热电偶的工作原理热电效应（塞贝克Seebeck电势）： 两种不同金属组成闭合回路两个接触点不等温回路中产生电势。设TT0，则称T为热端，工作端；T0端为冷端，参考端。A、B导体为热电极。 实际热电效应珀尔帖效应汤姆逊效应.珀尔帖效应（接触电势）同温、不同种金属接触电子扩散内建电场接触电势。两接点的接触电势eAB(T)和eAB

2、(T0) 可表示为：001)(1)(00BTATABBTATABNNneKTTeNNneKTTe(15-2)(15-3) 式中： K波尔兹曼常数； e单位电荷电量； NAT、NBT和NAT0、NBT0温度分别为T和T0时，A、B两种材料的电子密度。 . 汤姆逊效应（温差电势） 单一导体两端不等温电子扩散（高温低温）内建电场温差电势。 dtTTedtTTeTTBBTTAA00),(),(00(15-4)(15-5)为汤姆逊系数，与材料有关。 热电偶回路总电势为： eAB(T, T0)=eAB(T)+eB(T,T0)-eAB(T0)-eA(T,T0) (15-6) 在总热电势中，温差电势比接触电势

3、小很多，可忽略不计， 则热电偶的热电势可表示为：eAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0) （15-7） 讨论：1）A、B材料相同，TT0 ：NA=NB，eAB（T，T0）02）A、B材料不同，TT0 ：eAB（T）eAB（T0）， eAB（T，T0）03）A、B材料不同， TT0 ：eAB（T，T0）0不同金属组成热电偶热电势与温度的关系：EA：镍铬镍铜EU：镍铬镍硅LB：铂铑铂热电分度表： B型型(铂铑铂铑30铂铑铂铑6)热电偶分度表热电偶分度表 热电分度表：K型型(镍铬镍铬镍硅镍硅)热电偶分度表热电偶分度表9.1.2热电偶的基本定律 .均质导体定律 热电势大小与电极直径、长度、沿长

4、度温度分布无关，只与材料、两端温度有关。 意义：制造热电偶时只需考虑电极的材料和均匀性；使用时不需要考虑环境的温度分布。2. 标准电极定律 两种金属组成热电偶的热电势可用它们分别与第三种金属组成热电偶的热电势之差来表示。例： eAB(T,T0)=eAC(T,T0)-eBC(T,T0) 工程上一般用铂、铜作标准电极。意义：要知道与组成热电偶的效果，不需要直接制造这个热电偶，只要知道它们分别与C组成热电偶的效果即可。.中间导体定律 插入均质导体，只要其两端温度相同，不影响原热电势大小。意义：工程应用的重要条件。利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表。图15-9 具有三种导体的热电偶回路

5、 tABt0t0CCBt1t1AACCtt0(a)(b).中间温度定律 设Tc为T与T0之间的一个温度，则： eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0) (15-12) 意义： Tc 常为环境温度，测得eAB(t,tc) ，查表得eAB(tc,t0) 即可求得eAB(t,t0)，再求出温度T。 利用热电偶这一性质, 可对参考端温度不为0的热电势进行修正。例：铸件退火炉工作情况。9.1.3 热电偶的种类和结构 .对热电极材料的要求：理化性能稳定热电势大电阻温度系数小，电导率高。复制性好，机械强度高。 2.热电偶的种类（1）标准化热电偶国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐8种标

6、准化热电偶。用于较精密的测量，稳定性好。 所谓标准化热电偶，就是它已列入工业标准化文件中，具有统一的分度表。表表15-2 标准化热电偶的主要性能和特点标准化热电偶的主要性能和特点 表表15-2 标准化热电偶的主要性能和特点标准化热电偶的主要性能和特点 （2）非标准化热电偶用于一般测量环境。3. 热电偶的结构 （1）普通型热电偶由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。图15-11 普通型热电偶结构 接线盒热电极热端绝缘管保护管（2） 铠装型热电偶由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体。图15-12 铠装型热电偶 （3） 薄膜热电偶两种热电极材料用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀

7、到绝缘基板上而制成。热接点可以做得很小（可薄到0.010.1m），具有热容量小、反应速度快等特点， 热响应时间达到微秒级，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。图15-13 薄膜热电偶 12347561测量端；2绝缘基板；3、4热电极；5、6引出线；7接头夹具4. 热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法 (1) 热电偶补偿导线 实际测温时，把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样, 冷端温度t0比较稳定。 热电偶一般做得较短， 一般为3502000mm，需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。 工程中采用一种补偿导线，它通常由两种不同性质的廉价金

8、属导线制成，而且在0100温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。表表15-7 常用补偿导线常用补偿导线 (2) 冷端温度修正法 采用补偿导线可使热电偶的冷端延伸到温度比较稳定的地方，但只要冷端温度t0不等于0，需要对热电偶回路的测量电势值eAB（t，t0）加以修正。 利用中间温度定律。（例：课后自习）(3) 冷端0恒温法 在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0，这种方法又称冰浴法。 (4) 冷端温度自动补偿法（补偿电桥法）利用不平衡电桥产生的不平衡电压Uab作为补偿信号，来自动补偿热电偶测量过程中因冷端温度不为0或变化而引起热

9、电势的变化值。图15-14 补偿电桥 4 VabRsexr1r2r3rcu补偿原理：当环境温度为0度时，电桥平衡，电表指示值为ex ；当环境温度不为0度时，电桥产生不平衡电压，电表指示值为ex +Uab。9.1.4 热电偶的实用测量电路 热电偶测温时，它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、 数字表等）配套使用，也可与温度变送器配套，转换成标准电流信号。图15-15 热电偶典型测温线路(a) 普通测温线路； (b) 带有补偿器的测温线路；(c) 具有温度变送器的测温线路； (d) 具有一体化温度变送器的测温线路补偿器温度变送器温度变送器显示仪表显示仪表显示仪表显示仪表tAB补偿导线(a)tAB补

10、偿导线(c)tAB补偿导线(b)tAB铜导线(d)图15-16 多点测温线路 7t0485t1t2t31823t461主热电偶；2辅助热电偶；3恒温箱；4接线端子排；5切换开关；6显示仪表；7补偿导线；8铜导线图15-17 热电偶串、 并联线路(a) 正向串联； (b) 反向串联； (c) 并联 测量温度和测量温度差测量平均温度显示仪表 t0t0t0t0t0E1E2E3En显示仪表显示仪表 (a)(b)(c)9.2 电阻型温度传感器 利用材料的（T）特性。测温范围：1K1600K （不同传感器适用于某一温度范围）两类：金属导体（热电阻）、半导体（热敏电阻）。 1. 原理大多数金属导体的电阻温度

11、特性方程为：Rt = R0 1 + ( t - t0 )为热电阻的电阻系数，一般( t )特定金属在特定的范围为常数，则Rt为线性关系。大灵敏度高，纯金属合金金属。9.2.1 热电阻 2. 材料对材料的基本要求：大物化性能稳定良好的线性度较大的电阻率可加工性好 3. 常见热电阻（1）铂热电阻优点：精度高，线性好，理化性能稳定，易复制。缺点：价格高。特性：按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围为-200850。在-2000的温度范围内 ：Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) (15-15) 在0850的温度范围内 ： Rt = R0(1+At+Bt2) (15-16) 式中：Rt和R0

12、铂热电阻分别在t和0时的电阻值； A、B和C常数。 在ITS90 中，这些常数规定为： A=3.908310-13/ B=-5.77510-7/2 C=-4.18310-12/4 目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和R0=100两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其中以Pt100为常用。表表 15-8 铂电阻分度表铂电阻分度表 铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比W（100）表示，即 0100)100(RRW式中： R100铂热电阻在100时的电阻值； R0铂热电阻在0时的电阻值。 电阻比W（100）越大，其纯度越高。按IEC标准，工业使用的铂热电阻的W1001.3850。目前技术水平可

13、达到W（100）=1.3930， 其对应铂的纯度为99.9995%。 用途：在200850范围内作为温度基准，标准传递。铂热电阻 (2) 铜热电阻优点：灵敏度高，线性好，复制性好，价格低。缺点：高温时易氧化。特性： 在50150范围内： Rt=R0（1+t） （15-18）为铜热电阻的电阻温度系数，=4.2810-3/。铜热电阻有两种分度号，分别为：Cu50(R0=50)和Cu100（R100=100）铜热电阻4. 热电阻的结构 图15-19 热电阻结构 5. 测量电路 通常工作电流小于10mA。用电桥电路，通常用三线法或四线法以消除长引线电阻随环境温度变化造成的误差。二线法存在长引线电阻随环

14、境温度变化造成的误差。 直接接入电桥的一个臂中三线法可以消除长引线电阻随环境温度变化造成的误差。基本思想基本思想：将引线电阻接入电桥的相邻两个臂中：将引线电阻接入电桥的相邻两个臂中。四线法可以消除长引线电阻随环境温度变化造成的误差。基本思想基本思想：将引线电阻接入电桥的相邻两个臂中：将引线电阻接入电桥的相邻两个臂中。9.2.2 热敏电阻 原理：金属氧化物为基体原料，加入添加剂，经烧结工艺制成。特点：电阻温度系数很大，一般为非线性。类别：正温度系数（PTC）负温度系数（NTC）临界温度系数（CTR）1. PTC热敏电阻主要为BaTiO3（钛酸钡）掺杂稀土簇元素烧结而成。 (1)电阻温度特性阻值随

15、温度升高而升高（正温度系数）。有突变型（开关型）和缓变型两种。 (2)用途温度检测、保护（开关作用）、控温（开关作用）等 。PTC传感器PTC发热元件应用2. NTC热敏电阻 掺杂Mn、Co、Ni、Fe等元素。有低温、中温、高温型。 (1)电阻温度特性在对数表达式中ln(RT)与1/T为线性关系。 NTC各种封装 (2)用途温度检测、温度补偿等。3. CTR热敏电阻 V2O2为基料，掺杂Ge、Ni、W、Mn等元素。 (1)电阻温度特性临界温度点发生半导体向金属相变的温度值，此后电阻值迅速降低。宏观开关温度（Tc）：电阻值下降到某一规定值时的温度，此时的电阻值（Rc）称为开关电阻。 (2)用途控

16、温（开关）、报警、无触点开关。9.2.3 半导体热电阻温度传感器 半导体热电阻的电阻温度系数比普通金属的大得多。具有非线性特性。9.3 半导体PN结型温度传感器 PN结具有温度敏感特性。 9.3.1 PN结型温度传感器1. 二极管温度传感器硅二极管的Vf T温度特性 ：常温下(300K左右) 当If一定时，Vf与T的关系近似为线性。实用公式：Vf = V0 + ST V0为0时的正向压降，S为灵敏度(-1.82.2mV/)。2. 晶体管温度传感器 在集电极电流一定时Vbe与T的关系比二极管具有更好的线性度。 9.3.2 集成温度传感器 将温敏晶体管及其辅助电路集成在一块芯片上。以绝对温度定标，

17、线性特性理想。1.集成温度传感器原理（比例绝对温度电路）：1221221121111esesesesbebebeIIIInqKTIInqKTIInqKTUUU式中Ies1与Ies2分别为两管的发射极反向饱和电流。在掺杂等条件相同时，它们的比值等于两管发射极面积之比。即 Ies / Ies1 Ae2/Ae1，是与温度无关的常数。即： 211IInqKTUbe2. 集成温度传感器的信号输出方式利用上述电压与温度的关系，可构成电压型、电流型、频率型、数字型温度传感器。 (1) 电压输出型211IInqKTUbe nqRKTI111因为I1I2I3，所以：nqKTRRRRURIUbeo1122123若取R1=940，R2=30 k，=37，则电路输出的温度系数为 KmVnqKRRdTdUCoT/10112（2） 电流输出型将Vbe变换为电流 。电流输出型原理电路图 V1I1V2I2V3V4ITRA1 A/KRLEUonqRKTRUIIbeT12221若取R为358，=8，则电路输出的温度系数为： KAnqRKdTdICTT/1123. AD590集成温度传感器应用实例AD590是美国AD公司生产的应用广泛的一种集成温度传感器。AD590的电源电压为430 V， 可测温度范围为-50150。以绝