第2章 热电传感器

1、第2章 热电传感器1第2章 热电传感器22.12.12.22.2热电势式测温传感器热电阻式温度传感器 2.32.32.42.4PN结型测温传感器集成电路温度传感器2.52.5 热释电式传感器2.62.6 热电传感器的应用实例第2章 热电传感器3本章讨论：热电偶、金属热电阻、半导体热敏电阻、PN结型温度传感器、集成温度传感器热释电红外温度传感器第2章 热电传感器4温度传感器可分为两大类：1.接触式2.非接触式接触式热电偶、金属热电阻、半导体热敏电阻、PN结型温度传感器、集成温度传感器等。非接触式热释电红外温度传感器等。第2章 热电传感器5两种两种不同的导体不同的导体两端相互两端相互紧密地连紧密地

2、连接在一起接在一起，组成一个闭合回路组成一个闭合回路，如，如图图2.12.1所示，当两所示，当两接点温度不等接点温度不等(T(TT T0 0) )时，回路中就会时，回路中就会产生电动势产生电动势，从，从而形成而形成热电流热电流。这一现象称为。这一现象称为。回路中产生的电动势称为热。回路中产生的电动势称为热电势。电势。2.12.1热电势式测温传感器2.1.12.1.1工作原理工作原理图图2.1热电偶的结构示意图热电偶的结构示意图第2章 热电传感器62.12.1热电势式测温传感器2.1.12.1.1工作原理工作原理先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 0：当两个结点温度不相

3、同时，回路中将产生电动势。：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 自由端自由端（冷端）（冷端） 工作端工作端（热端）（热端） 热电极热电极热电势热电势AB热电极热电极TT0第2章 热电传感器7T:T:工作端或热端工作端或热端，测量时将它置，测量时将它置于被测温度场中；于被测温度场中；T T0 0: :自由端或冷端自由端或冷端, ,一般要求恒定一般要求恒定在某一温度。在某一温度。热电偶回路中，产生的热电偶回路中，产生的热电势热电势E EABAB(T,T(T,T0 0) )由两部分组成：由两部分组成：接触电接触电势势和温差电势。和温差电势。2.12.1热电势式测温传感器2.1.12.1.1

4、工作原理工作原理通常把上述通常把上述两种不同导体两种不同导体的组合的组合称为称为热电偶热电偶，称，称A A、B B两导体两导体为为热电极热电极。第2章 热电传感器8接触电势接触电势：由于两种不同导：由于两种不同导体的体的自由电子密度不同自由电子密度不同而在而在接触处形成的接触处形成的电动势电动势。接触电势2.12.1热电势式测温传感器2.1.12.1.1工作原理工作原理第2章 热电传感器9接触电势的大小与两种接触电势的大小与两种金属的材料、接点温度金属的材料、接点温度有关，有关，与导体直径、长度及几何形状无关。与导体直径、长度及几何形状无关。接触电势2.12.1热电势式测温传感器2.1.12.

5、1.1工作原理工作原理用符号用符号eAB(T)和和eAB(T0)表示导体表示导体A和导体和导体B的两处接的两处接触点在温度触点在温度T和和T0时形成的电位差。时形成的电位差。第2章 热电传感器10接触电势2.12.1热电势式测温传感器2.1.12.1.1工作原理工作原理对于对于温度为温度为T T的接点，有下列接触电势公式：的接点，有下列接触电势公式：BTAT0BTATABNNlneTkUU)T(e=-同理，对于同理，对于温度为温度为T T0 0的接点，有下列接触电势公式：的接点，有下列接触电势公式：0000BTAT00BTAT0ABNNlneTkUU)T(e=-第2章 热电传感器11温差电势温

6、差电势温差电势是在是在同一导体同一导体的两端因其的两端因其温度不同温度不同而产生的而产生的一种热电势。一种热电势。实验与理论均已证明，热电偶回路的实验与理论均已证明，热电偶回路的总电势总电势主要是由主要是由接触电势接触电势引起的。引起的。2.12.1热电势式测温传感器2.1.12.1.1工作原理工作原理第2章 热电传感器12图中，若图中，若A为正极，为正极，B为负极，则所产生的为负极，则所产生的总电势总电势为为EAB(T，T0)=eAB(T)eAB(T0) 2.12.1热电势式测温传感器2.1.12.1.1工作原理工作原理00BTAT00BTAT0NNlneTkNNlneTk-=总电势第2章

7、热电传感器132.12.1热电势式测温传感器2.1.12.1.1工作原理工作原理结论：结论： 若热电偶两电极材料相同，则无论两接点温度如何若热电偶两电极材料相同，则无论两接点温度如何, ,总热电势为零。总热电势为零。 若热电偶两接点温度相同，则尽管若热电偶两接点温度相同，则尽管A A、B B材料不同，材料不同，回路中的总电势等于零。回路中的总电势等于零。 热电偶产生的热电势只与材料和接点温度有关，与热电偶产生的热电势只与材料和接点温度有关，与热电极的尺寸、形状等无关。热电极的尺寸、形状等无关。第2章 热电传感器142.12.1热电势式测温传感器2.1.12.1.1工作原理工作原理结论：结论：

8、热电偶热电偶A A、B B在接点温度为在接点温度为T1T1、T3T3时的热电势，等于时的热电势，等于此热电偶在接点温度为此热电偶在接点温度为T1T1、T2T2与与T2T2、T3T3两个不同状两个不同状态下的热电势之和。态下的热电势之和。 导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路总电动势常数，则回路总电动势EAB(T，T0)就只与温度就只与温度T 有关，而且是有关，而且是T 的单值函的单值函数这就是利用热电偶测温的基本原理。数这就是利用热电偶测温的基本原理。第2章 热电传感器15 在热电偶

9、回路中接入第三导体在热电偶回路中接入第三导体C C，只要只要第三导体两端温度相同第三导体两端温度相同，则回，则回路中的总电势路中的总电势EAB(T，T0)不变不变。2.1.22.1.2热电偶中引入第三导体热电偶中引入第三导体)T ,T(E)T ,T(E0ABC0AB=2.12.1热电势式测温传感器即：即：第2章 热电传感器162.1.32.1.3标准热电极标准热电极2.12.1热电势式测温传感器图图2.4通过标准热电极通过标准热电极C求求组合热电偶的热电势组合热电偶的热电势EAC(T，T0)EBC(T，T0)=EAB(T，T0)若任意几个热电极与一标准热电极组若任意几个热电极与一标准热电极组成

10、热电偶产生的热电势已知，则可很成热电偶产生的热电势已知，则可很方便地求出这些热电极彼此任意组合方便地求出这些热电极彼此任意组合时的热电势。通常用纯铂时的热电势。通常用纯铂(Pt)作为标作为标准热电极。准热电极。第2章 热电传感器172.1.42.1.4热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶冷端温度误差及其补偿2.12.1热电势式测温传感器 不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将来确定，并将不同温度下不同温度下测得的结果列成表测得的结果列成表格，编制出格，编制出热电势与温度的对

11、照表热电势与温度的对照表，即，即分度分度表表。第2章 热电传感器182.1.42.1.4热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶冷端温度误差及其补偿2.12.1热电势式测温传感器为什么要进行冷端为什么要进行冷端温度补偿？温度补偿？第2章 热电传感器192.1.42.1.4热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶冷端温度误差及其补偿2.12.1热电势式测温传感器1.1.在测温时，冷端温度在测温时，冷端温度T T0 0随着环随着环境温度变化，因而产生测量误差境温度变化，因而产生测量误差，故应采取补偿措施。，故应采取补偿措施。2.2.分度表是在分度表是在T T0 000时测得的，时测得的，使用时，只有满足使用时，只

12、有满足T T0 000的条件的条件才能使用分度表。才能使用分度表。第2章 热电传感器20将热电偶的冷端保持在将热电偶的冷端保持在00器皿中，如图器皿中，如图2.52.5所示。此所示。此法适用于实验室，它能使冷端温度误差得到完全的克法适用于实验室，它能使冷端温度误差得到完全的克服。服。2.1.42.1.4热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶冷端温度误差及其补偿2.12.1热电势式测温传感器1. 0恒温法图图2.5冷端冷端0恒温恒温第2章 热电传感器212.1.42.1.4热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶冷端温度误差及其补偿2.12.1热电势式测温传感器1. 0恒温法冷端冷端0恒温恒温第2章 热电传感

13、器222.1.42.1.4热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶冷端温度误差及其补偿2.12.1热电势式测温传感器2. 冷端恒温法将热电偶的冷端置于一恒温器内，如恒定温度为将热电偶的冷端置于一恒温器内，如恒定温度为T0，则冷端误差，则冷端误差为为 =EAB(T，T0)EAB(T，0)=EAB(T0，0)由上式可见，它虽不为零，但为一个定值。只要由上式可见，它虽不为零，但为一个定值。只要在回路中加入相应的修正电压，或调整指示装置在回路中加入相应的修正电压，或调整指示装置的起始位置，即可达到完全补偿的目的。的起始位置，即可达到完全补偿的目的。第2章 热电传感器232.1.42.1.4热电偶冷端温度误差及

14、其补偿热电偶冷端温度误差及其补偿2.12.1热电势式测温传感器3. 冷端补偿法原理：原理：冷端补偿器（冷端补偿器（不平衡电桥不平衡电桥）所产生的不平衡）所产生的不平衡电压正好补偿了由于电压正好补偿了由于冷端温度变化引起的热电势变冷端温度变化引起的热电势变化值化值，仪表便可指示出正确的温度测量值。，仪表便可指示出正确的温度测量值。第2章 热电传感器242.1.42.1.4热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶冷端温度误差及其补偿2.12.1热电势式测温传感器图图2.6冷端补偿器法的原理冷端补偿器法的原理通常，取通常，取T0=20时时电桥平衡电桥平衡第2章 热电传感器252.1.42.1.4热电偶冷端温

15、度误差及其补偿热电偶冷端温度误差及其补偿2.12.1热电势式测温传感器4. 补偿导线法采用补偿导线法将热电偶采用补偿导线法将热电偶冷端延伸到冷端延伸到温度变化比较温度变化比较平缓的环境中平缓的环境中。图补偿导线法图补偿导线法根据第三导体定律，只要热电偶的两个热电极分别与两根据第三导体定律，只要热电偶的两个热电极分别与两补偿导线的接点温度一致，就不会影响热电动势的输出补偿导线的接点温度一致，就不会影响热电动势的输出。第2章 热电传感器262.1.42.1.4热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶冷端温度误差及其补偿2.12.1热电势式测温传感器5. 采用不需要冷端补偿的热电偶冷端温度在冷端温度在300

16、以下的镍钴以下的镍钴镍铝热电偶，镍铝热电偶，50以以下的镍铁下的镍铁镍铜热电偶及铂铑镍铜热电偶及铂铑30铂铑铂铑6热电偶其热电热电偶其热电势均非常小。只要实际的冷端温度在其范围内，使用势均非常小。只要实际的冷端温度在其范围内，使用这些热电偶就可以不考虑冷端误差。这些热电偶就可以不考虑冷端误差。第2章 热电传感器272.1.42.1.4热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶冷端温度误差及其补偿2.12.1热电势式测温传感器6. 补正系数修正法工程上经常采用补正系数法来实现补偿。设冷端温工程上经常采用补正系数法来实现补偿。设冷端温度为度为tn，工作端测得温度场的温度为，工作端测得温度场的温度为t1，其实

17、际温度，其实际温度应为应为 t=t1+ktn式中：式中：k为补正系数，可从表为补正系数，可从表2.1所示的补正系数表所示的补正系数表中查得。中查得。第2章 热电传感器282.1.52.1.5常用热电偶的特性常用热电偶的特性2.12.1热电势式测温传感器配制成的热电偶应具有较大的热电势，并希望配制成的热电偶应具有较大的热电势，并希望热电势与温度之间成线性关系或近似线性关系。热电势与温度之间成线性关系或近似线性关系。能在较宽的温度范围内使用并且在长期工作能在较宽的温度范围内使用并且在长期工作后物理化学性能与热电性能都比较稳定。后物理化学性能与热电性能都比较稳定。电导率要求高，电阻温度系数要小。电导

18、率要求高，电阻温度系数要小。易于复制，工艺简单，价格便宜。易于复制，工艺简单，价格便宜。对热电偶的电极材料主要要求是：对热电偶的电极材料主要要求是：第2章 热电传感器292.1.52.1.5常用热电偶的特性常用热电偶的特性2.12.1热电势式测温传感器目前常用热电偶的种类及特性见表目前常用热电偶的种类及特性见表2.2，部分对，部分对应的分度表见表应的分度表见表2.3表表2.9。S:铂铑铂铑10铂铂 ；B:铂铑铂铑30铂铑铂铑6 ；K:镍铬镍铬镍镍硅硅 ； J:铁铁铜镍；铜镍； T:铜铜铜镍。铜镍。 ITS-90是根据第是根据第18届国际计量大会届国际计量大会(CGPM)及及第第77届国际计量委

19、员会届国际计量委员会(CIPM)的决议于的决议于1989年年通过，并于通过，并于1990年年1月月1日生效且在国际上正式日生效且在国际上正式采用的，从采用的，从1994年年1月月1日起，我国全面施行日起，我国全面施行ITS-90。 第2章 热电传感器302.1.52.1.5常用热电偶的特性常用热电偶的特性2.12.1热电势式测温传感器直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约约束条件束条件是：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 。 假设热电偶的冷端温度为假设热电偶的冷端温度为0 0 C C，请根据，请根据“工业中工

20、业中常用的镍铬常用的镍铬-镍硅（镍硅（K）热电偶的分度表）热电偶的分度表”，查，查出出0 0 C、60 C、100100 C 、150 C 时的热电势。时的热电势。如何利用热电偶的分度表如何利用热电偶的分度表 第2章 热电传感器312.1.52.1.5常用热电偶的特性常用热电偶的特性2.12.1热电势式测温传感器表表2.7镍铬镍铬-镍硅镍硅-热电偶热电偶(K型型)分度表分度表(ITS-90) 第2章 热电传感器322.12.1热电势式测温传感器热电偶的结构除普通型外，还有具有保护外套的铠热电偶的结构除普通型外，还有具有保护外套的铠装（也叫缆式）热电偶、薄膜热电偶等。装（也叫缆式）热电偶、薄膜热

21、电偶等。2.1.52.1.5常用热电偶的特性常用热电偶的特性铠装热电偶由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者铠装热电偶由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。拉细组合而成一体。薄膜热电偶是用真空蒸镀等方法使两种热电极金属薄膜热电偶是用真空蒸镀等方法使两种热电极金属蒸镀到绝缘基板上，两者牢固地结合在一起，形成蒸镀到绝缘基板上，两者牢固地结合在一起，形成薄膜状热接点。薄膜状热接点。第2章 热电传感器332.1.52.1.5常用热电偶的特性常用热电偶的特性2.12.1热电势式测温传感器图图2.7防爆热电偶防爆热电偶/阻阻图图2.8装配热电偶装配热电偶/阻阻图图2.9铠装热电偶铠装热电偶/阻阻

22、图图2.10无锡惠鑫热工仪表有无锡惠鑫热工仪表有限公司生产的小型热电偶限公司生产的小型热电偶第2章 热电传感器342.1.62.1.6热电偶的测量电路热电偶的测量电路2.12.1热电势式测温传感器热电偶的输出电压很小，通常每度只有数十微伏热电偶的输出电压很小，通常每度只有数十微伏(V)的输出。的输出。要求：要求： 测量用的运算放大器的测量用的运算放大器的漂移必须很小漂移必须很小，输入阻抗，输入阻抗高，放大倍数大；高，放大倍数大； 放大器前要加放大器前要加输入滤波器输入滤波器。第2章 热电传感器352.1.62.1.6热电偶的测量电路热电偶的测量电路2.12.1热电势式测温传感器图图2.11K型

23、热电偶的测量电路和元件表型热电偶的测量电路和元件表第2章 热电传感器36本节要点总结本节要点总结1掌握热电势式测温传感器掌握热电势式测温传感器的基本工作原理。的基本工作原理。2掌握热电偶温度补偿方法及掌握热电偶温度补偿方法及引入第三导体定律。引入第三导体定律。掌握热电偶的测量电路。掌握热电偶的测量电路。3第2章 热电传感器372.22.2热电阻式温度传感器 热电阻式温度传感器是利用热电阻式温度传感器是利用基本材料基本材料（金属或非金（金属或非金属）的属）的电阻随温度变化而变化电阻随温度变化而变化的特性来实现温度测的特性来实现温度测量的。量的。 按材料的性质不同，热电阻式温度传感器可分为按材料的

24、性质不同，热电阻式温度传感器可分为金金属测温电阻器属测温电阻器和和半导体热敏电阻器半导体热敏电阻器。第2章 热电传感器38大多数金属导体的电阻随温度而变化的关系可由下式表示大多数金属导体的电阻随温度而变化的关系可由下式表示:Rt=R01+(tt0)式中：式中：Rt, R0分别为热电阻在分别为热电阻在t和和t0时的电阻值；时的电阻值；热电阻的电阻温度系数热电阻的电阻温度系数(1)；t被测温度被测温度()。1. 电阻与温度的关系2.22.2热电阻式温度传感器 2.2.12.2.1金属测温电阻器金属测温电阻器第2章 热电传感器39 不同的金属材料，上式要做相应的修正。不同的金属材料，上式要做相应的修

25、正。 通常用做金属测温电阻器的材料有：铂、铜、镍等。通常用做金属测温电阻器的材料有：铂、铜、镍等。 它们的输出与输入之间的关系比较线性。它们的输出与输入之间的关系比较线性。1. 电阻与温度的关系2.22.2热电阻式温度传感器 2.2.12.2.1金属测温电阻器金属测温电阻器第2章 热电传感器401. 电阻与温度的关系2.22.2热电阻式温度传感器 2.2.12.2.1金属测温电阻器金属测温电阻器图图2.16 铂电阻与温度的曲线铂电阻与温度的曲线第2章 热电传感器411) 自热误差自热误差在用感温电阻器测量时，电阻总要消耗一定的电在用感温电阻器测量时，电阻总要消耗一定的电功率，它同样会造成电阻值

26、的变化，但这种变化是不功率，它同样会造成电阻值的变化，但这种变化是不希望的。希望的。解决办法：是解决办法：是限制电流限制电流，减小自热误差，规定其值应，减小自热误差，规定其值应不超过不超过6 mA。2. 使用时注意事项2.22.2热电阻式温度传感器 2.2.12.2.1金属测温电阻器金属测温电阻器第2章 热电传感器422) 引线电阻的影响引线电阻的影响用于测量的感温电阻器总得有连接导线，但由于金属用于测量的感温电阻器总得有连接导线，但由于金属电阻器本身的电阻值很小，所以引线的电阻值及其变化就电阻器本身的电阻值很小，所以引线的电阻值及其变化就不能忽略。比如对于不能忽略。比如对于50 的测温电阻，

27、的测温电阻，1 的导线电阻将的导线电阻将产生约产生约5的误差，这是不允许的。的误差，这是不允许的。解决办法解决办法 ：采用三线式或四线式连接法。采用三线式或四线式连接法。2. 使用时注意事项2.22.2热电阻式温度传感器 2.2.12.2.1金属测温电阻器金属测温电阻器第2章 热电传感器432. 使用时注意事项2.22.2热电阻式温度传感器 2.2.12.2.1金属测温电阻器金属测温电阻器图图2.20三线式接法三线式接法图图2.21二线式接法二线式接法第2章 热电传感器44半导体热敏电阻按半导体热敏电阻按半导体电阻随半导体电阻随温度变化的典型特性温度变化的典型特性分为三种类分为三种类型：型：负

28、电阻温度系数热敏电阻负电阻温度系数热敏电阻(NTC) 正电阻温度系数热敏电阻正电阻温度系数热敏电阻(PTC) 临界温度电阻临界温度电阻(CTR)。1. 分类及特性2.22.2热电阻式温度传感器 2.2.22.2.2半导体热敏电阻器半导体热敏电阻器图图2.22三种类型热敏电阻的典型特性三种类型热敏电阻的典型特性第2章 热电传感器45在温度测量中，主要采用在温度测量中，主要采用NTC，其温度特性如下式所示：，其温度特性如下式所示：1. 分类及特性2.22.2热电阻式温度传感器 2.2.22.2.2半导体热敏电阻器半导体热敏电阻器若定义若定义 为热敏电阻的温度系数为热敏电阻的温度系数，则由上式有，则

29、由上式有随温度降低而迅速增大。因此，这种测温电阻随温度降低而迅速增大。因此，这种测温电阻灵敏度灵敏度高高。体积小体积小是半导体热敏电阻的又一个特点。由于有是半导体热敏电阻的又一个特点。由于有这些特点，它非常适合于这些特点，它非常适合于测量微弱的温度变化、温差测量微弱的温度变化、温差以及温度场的分布。以及温度场的分布。第2章 热电传感器461) 热敏电阻温度特性的非线性热敏电阻温度特性的非线性热敏电阻随温度变化呈热敏电阻随温度变化呈指数规律指数规律。也就是说，其非线。也就是说，其非线性是十分严重的。性是十分严重的。 解决办法：解决办法： 线性化网络；利用其他器件综合修正；计算机修正法线性化网络；

30、利用其他器件综合修正；计算机修正法2 2）热敏电阻器特性的稳定性和老化问题热敏电阻器特性的稳定性和老化问题2. 使用时注意事项2.22.2热电阻式温度传感器 2.2.22.2.2半导体热敏电阻器半导体热敏电阻器第2章 热电传感器47电动机过热保护装置组成电路原理如图电动机过热保护装置组成电路原理如图2.252.25所示。所示。3. 应用举例2.22.2热电阻式温度传感器 2.2.22.2.2半导体热敏电阻器半导体热敏电阻器图图2.25电动机过热保护装置组成电路原理电动机过热保护装置组成电路原理第2章 热电传感器48本节要点总结本节要点总结1掌握热电阻式温度传感器的基本掌握热电阻式温度传感器的基

31、本工作原理及使用注意事项。工作原理及使用注意事项。2掌握半导体热敏电阻器的掌握半导体热敏电阻器的应用。应用。3掌握半导体热敏电阻器的分掌握半导体热敏电阻器的分类及类及NTCNTC温度特性。温度特性。第2章 热电传感器492.32.3PN结型测温传感器 半导体材料和器件的许多性能参数，如半导体材料和器件的许多性能参数，如电阻率电阻率、PNPN结的结的反向漏电流反向漏电流和和正向电压正向电压等，都与温度密切相关。等，都与温度密切相关。半导体温度传感器恰好利用半导体材料和器件某些半导体温度传感器恰好利用半导体材料和器件某些性能的性能的温度依赖性温度依赖性，实现对温度的检测、控制和补，实现对温度的检测

32、、控制和补偿等功能。按照工作机理，半导体温度传感器可分偿等功能。按照工作机理，半导体温度传感器可分为为电阻性电阻性和和PNPN结结两大类，它们分别以半导体材料的两大类，它们分别以半导体材料的电阻率和电阻率和PNPN结特性对温度的依赖关系结特性对温度的依赖关系作为工作基础。作为工作基础。 第2章 热电传感器502.32.3PN结型测温传感器2.3.12.3.1温敏二极管及其应用温敏二极管及其应用随着半导体技术和测温技术的发展，人们发现在一定的随着半导体技术和测温技术的发展，人们发现在一定的电流模式下，电流模式下，PNPN结的正向电压与温度之间的关系表现出结的正向电压与温度之间的关系表现出良好的线

33、性。良好的线性。根据这一关系，可以利用二级管进行根据这一关系，可以利用二级管进行温度温度检测。检测。本节主要讨论利用本节主要讨论利用PNPN结正向电压温度特性结正向电压温度特性工作的工作的温敏二温敏二极管极管的基本工作原理、特性和应用。的基本工作原理、特性和应用。第2章 热电传感器512.32.3PN结型测温传感器2.3.12.3.1温敏二极管及其应用温敏二极管及其应用由由PN结理论可知，对于理想二极管，正向电压结理论可知，对于理想二极管，正向电压UF与正与正向电流向电流IF和和T之间的关系为：之间的关系为：1. 工作原理第2章 热电传感器52图图2.422DWM1型硅温敏型硅温敏二极管的二极

34、管的UF-T特性特性2.32.3PN结型测温传感器2.3.12.3.1温敏二极管及其应用温敏二极管及其应用上式给出了二极管的正向上式给出了二极管的正向电压电压UF与温度与温度T之间的关之间的关系。在一定的电流下，随系。在一定的电流下，随着温度的升高，正向电压着温度的升高，正向电压将下降，表现出将下降，表现出负的温度负的温度系数系数。1. 工作原理第2章 热电传感器532.32.3PN结型测温传感器2.3.12.3.1温敏二极管及其应用温敏二极管及其应用1) UF-T关系关系对于不同的工作电流，温对于不同的工作电流，温敏二极管的敏二极管的UF-T关系也将不关系也将不同。图同。图2.42给出了国产

35、给出了国产2DWM1型型(辽宁宽甸晶体管辽宁宽甸晶体管厂生产厂生产)硅温敏二极管硅温敏二极管恒流恒流下下的的UF-T特性。由图特性。由图2.42可以可以看出，在看出，在50+150范范围内，其围内，其UF-T之间之间具有良好具有良好的的线性关系线性关系。2. 基本特性图图2.422DWM1型硅温敏型硅温敏二极管的二极管的UF-T特性特性第2章 热电传感器542.32.3PN结型测温传感器2.3.12.3.1温敏二极管及其应用温敏二极管及其应用2) 灵敏度特性灵敏度特性温敏二极管的灵敏度定义为温敏二极管的灵敏度定义为正向电压对温度的变化率正向电压对温度的变化率。2. 基本特性3) 自热特性自热特

36、性温敏二极管工作时，总要通过一定的电流，因此自热是温敏二极管工作时，总要通过一定的电流，因此自热是不可避免的。不可避免的。对于低温测量，恒定工作电流一般取对于低温测量，恒定工作电流一般取10501050微安微安。第2章 热电传感器552.32.3PN结型测温传感器2.3.12.3.1温敏二极管及其应用温敏二极管及其应用3. 典型应用特殊应用：特殊应用：利用温敏二极管测液位利用温敏二极管测液位有意加大工作电流，使有意加大工作电流，使温敏二极管工作在自热温敏二极管工作在自热状态下。状态下。第2章 热电传感器562.32.3PN结型测温传感器2.3.22.3.2温敏晶体管及其应用温敏晶体管及其应用研

37、究发现，在研究发现，在恒定集电极电流恒定集电极电流的条件下，晶体管的条件下，晶体管发射结发射结上的正向电压随温度上升而近似线性下降上的正向电压随温度上升而近似线性下降。这种温度特性与二极管相似，但晶体管表现出比二极管这种温度特性与二极管相似，但晶体管表现出比二极管更好的线性和互换性。更好的线性和互换性。第2章 热电传感器572.32.3PN结型测温传感器1. 简单原理和基本电路2.3.22.3.2温敏晶体管及其应用温敏晶体管及其应用第2章 热电传感器582.32.3PN结型测温传感器1. 简单原理和基本电路温敏晶体管具有成本低、性能好、使用方便等优点，因温敏晶体管具有成本低、性能好、使用方便等

38、优点，因而比温敏二级管应用范围广，而比温敏二级管应用范围广，可用于测某一点的温度、可用于测某一点的温度、测两点的温差，或用于过程监视或控制场合测两点的温差，或用于过程监视或控制场合。 2.3.22.3.2温敏晶体管及其应用温敏晶体管及其应用第2章 热电传感器592.32.3PN结型测温传感器1. 简单原理和基本电路图图2.44温敏晶体管的基本电路温敏晶体管的基本电路2.3.22.3.2温敏晶体管及其应用温敏晶体管及其应用第2章 热电传感器60本节要点总结本节要点总结1掌握温敏二极管正向电压掌握温敏二极管正向电压关系式。关系式。2掌握温敏晶体管的优点、电掌握温敏晶体管的优点、电压压- -温度关系

39、式及其基本电温度关系式及其基本电路。路。第2章 热电传感器612.42.4集成电路温度传感器 集成集成温度传感器是将作为感温器件的温敏晶体管及温度传感器是将作为感温器件的温敏晶体管及外围电路集成在同一单片上的集成化温度传感器外围电路集成在同一单片上的集成化温度传感器。 按输出量不同可分为：按输出量不同可分为： 电压型和电流型两大类。电压型和电流型两大类。第2章 热电传感器622.42.4集成电路温度传感器2.4.12.4.1基本原理及基本原理及PTATPTAT核心电路核心电路 如何消除如何消除得到更加理想的线性输出？得到更加理想的线性输出？ 由对管差分电路受到启发由对管差分电路受到启发图图2.

40、46对管差分电路的原理图对管差分电路的原理图第2章 热电传感器632.42.4集成电路温度传感器2.4.12.4.1基本原理及基本原理及PTATPTAT核心电路核心电路图图2.46对管差分电路的原理图对管差分电路的原理图第2章 热电传感器642.42.4集成电路温度传感器2.4.12.4.1基本原理及基本原理及PTATPTAT核心电路核心电路Ube2+UbeUbe1=0第2章 热电传感器652.42.4集成电路温度传感器2.4.12.4.1基本原理及基本原理及PTATPTAT核心电路核心电路 由于两管由于两管集电极面积相等集电极面积相等，因此集电极电流比等，因此集电极电流比等于集电极于集电极电

41、流密度比电流密度比，所以上式改写为，所以上式改写为 只要设法保持两管的集电极电流密度之比不变，只要设法保持两管的集电极电流密度之比不变，电阻电阻R1上的电压上的电压Ube就将正比于绝对温度。就将正比于绝对温度。 受此启发，人们发明了受此启发，人们发明了PTATPTAT核心电路。核心电路。第2章 热电传感器662.42.4集成电路温度传感器2.4.12.4.1基本原理及基本原理及PTATPTAT核心电路核心电路图图2.47电流镜电流镜PTAT核心电路核心电路第2章 热电传感器672.42.4集成电路温度传感器2.4.12.4.1基本原理及基本原理及PTATPTAT核心电路核心电路 为使为使V1和

42、和V2工作在不同的集电工作在不同的集电极电流密度下，两管采用不同的极电流密度下，两管采用不同的发射极面积。设其发射极面积。设其面积比为面积比为n，则两管的电流密度比为面积的反则两管的电流密度比为面积的反比，因此，只要在电路的比，因此，只要在电路的“+”和和“-”端加上高于两倍端加上高于两倍Ube的电压的电压，在电阻，在电阻R1上将得到两管的基极上将得到两管的基极-发射极电压差：发射极电压差：图图2.47电流镜电流镜PTAT核心电路核心电路第2章 热电传感器682.42.4集成电路温度传感器2.4.12.4.1基本原理及基本原理及PTATPTAT核心电路核心电路 在电流镜在电流镜PTAT核心电路

43、中，核心电路中，Ube的的温度系数仅取决于两管的发射极面温度系数仅取决于两管的发射极面积之比积之比n，而，而n与温度无关与温度无关 可以算得流过这个电路的左、右两支路的电流为可以算得流过这个电路的左、右两支路的电流为第2章 热电传感器692.42.4集成电路温度传感器2.4.12.4.1基本原理及基本原理及PTATPTAT核心电路核心电路 于是由于是由“+”端到端到“-”端流过电路的端流过电路的总电流为总电流为I0=2I=2(k0TqR1)lnn 这就是电流输出型温度传感器这就是电流输出型温度传感器。 电流输出型最常用。下面详细介绍它的电流输出型最常用。下面详细介绍它的典型代表典型代表AD59

44、0AD590第2章 热电传感器702.42.4集成电路温度传感器2.4.32.4.3电流输出型电流输出型(1) 线性电流输出：线性电流输出：1 AK。(2) 工作温度范围：工作温度范围：55155。(3) 两端器件：电压输入，电流输出。两端器件：电压输入，电流输出。(4) 精度高。精度高。(5) 非线性误差小。非线性误差小。(6) 工作电压范围宽：工作电压范围宽：430 V。(7) 器件本身与外壳绝缘。器件本身与外壳绝缘。1. 性能特点第2章 热电传感器712.42.4集成电路温度传感器2.4.32.4.3电流输出型电流输出型1）基本温度检测）基本温度检测2. 典型应用把把AD590与一个与一个1 k电阻串联，即得基本温度检测电阻串联，即得基本温度检测电