第12章热电式传感器

第12章热电式传感器1

热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的传感器。它是利用测温敏感元件的电或磁的参数随温度变化而改变的特性，将温度变化转换为电量变化达到测量温度的目的。本章主要介绍热电偶、热电阻、热敏电阻和红外传感器。

第12章热电式传感器212.1温度传感器的分类及温标12.2热电偶12.3热电阻与热敏电阻12.4集成温度传感器12.5红外传感器12.1温度传感器的分类及温标

312.1.1温度传感器分类方法12.1.2温度单位44测量方法接触式非接触式工作原理热电偶热电阻热敏电阻集成温度传感器红外温度传感器12.1.1温度传感器分类方法按温度传感器的工作原理不同分为以下类型：热电偶：利用金属的温差电动势测温，有耐高温、精度高的特点热电阻：利用导体电阻随温度变化测温，结构简单，测量温度比

半导体温度传感器高热敏电阻：利用半导体材料随温度变化测温，体积小，灵敏度高，

稳定性差集成温度传感器：利用晶体管PN结的电流、电压随温度变化测温，

有专用集成电路，体积小，响应快，廉价，通常测量150℃以下温度红外温度传感器：利用物体红外辐射能，先将光转换为热，再将热

转换为电信号。可进行非接触式测量，动态误差小，

响应时间短按所用测温物质和测温范围的不同，各类温度传感器如下测温方法测温原理温度传感器接触式固体热膨胀双金属温度计液体热膨胀玻璃管液体温度计气体热膨胀气体温度计、压力温度计电阻变化金属电阻温度传感器半导体热敏电阻热电效应贵金属热电阻普通金属热电偶非金属热电偶频率变换石英晶体温度传感器光学特性光纤温度传感器；液晶温度传感器声学特性超声波温度传感器非接触式亮度法光学高温计热辐射-全辐射法全辐射高温计比色法比色高温计红外法红外温度传感器气流变化射流温度传感器712.1.2温度单位我国目前实行的是1990年国际温标(ITS—90）定义国际开尔文温度（T90）国际摄氏温度（t90）；

T90

：单位（K）开尔文

t90

：单位（℃）摄氏两者关系为：

t90/℃=T90/K–273.15或

t/℃=T/K–273.1512.2热电偶

812.2.1工作原理和热电效应12.2.2热电偶基本定律12.2.3热电偶的分类和结构12.2.4热电偶测量电路及应用9热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，利用金属温差电动势进行温度检测，输出信号为电信号，还用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。将两种不同的导体（或半导体）A、B组合成闭合回路，若两结点处温度不同，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存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（See－back）发现,所以又称西拜克效应。12.2.1工作原理和热电效应热电极A右端：自由端参考端冷端左端：测量端工作端热端热电极B热电势AB利用这种效应，知道一端温度后就可测出另一端的温度。11

两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。自由电子＋ABeAB（

T）T1.接触电势热电偶中热电势主要由接触电势和温差电势组成。12eAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e——单位电荷，e=1.6×10-19C；K——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——导体A、B在温度为T时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。当温度为T时，热端接触电势可表示为对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成温差电动势，又称汤姆森电动势。2.温差电势AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——导体A两端的温差电动势；T，T0——高低端的绝对温度；σA——温度系数，也称汤姆逊系数σA表示导体导体两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势例如：在0℃时，铜的σ=2μV/℃。14由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路总电势15由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。则有：在标定热电偶时，一般使T0为常数，则16由此对热电偶的热电势得出以下结论：1）热电偶两个电极材料相同，即NA=NB时，无论两端点温度如何变化，总的热电势为零；2）如果热电偶两结点温度相同，无论导体A、B材料相同或不同，回路的总电势也为零；3）热电偶必须用不同材料做电极，在T、T0两端必须有温度梯度，这是热电偶热电势的必要条件；4）由于热电偶的电动势是两个节点温度的函数，因此必须固定参考端（冷端）的温度，才能确定热电势与被测温度T的对应关系。17各个国家都有自己的工业标准，一般规定：以0℃为基准端温度条件下，给出测量端的温度与该温差电动势的电压数值对照表，称为分度表。如教材201页的表12-2所示。实际应用时可根据实测出的热电势，通过查找对应材料的分度表得到所测的温度值。18191、中间导体定律2、中间温度定律利用热电偶作为传感器进行温度检测时，必须在热电偶输出回路中引入转换电路和显示电路才能构成记录仪表。下面的基本定律将有助于我们正确使用热电偶。12.2.2热电偶基本定律201、中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体C，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。T0T0BTAC右图回路中的总电动势为：21如果回路中三个接点的温度都相同，即T＝T0，则回路总电动势必为零，即：即则22T1CT0T1TBA如果按右图接入第三种导体C，则回路中的总电动势为：而所以意义：可用电器测量仪表直接测量热电势23BBA

Tn

T

T0

AAB2、中间温度定律热电偶在两接点温度分别为T、T0时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为T、Tn和接点温度分别为Tn、T0时的相应热电动势的代数和。24证明：即：利用这一性质，实际测量时可对参考温度不为零度时的热电势进行修正。25当Tn=0℃时，则：上式说明：只要A、B组成的热电偶在冷端温度为零时的“热电动势—温度”关系已知，则它在冷端温度不为零时的热电动势即可知。26例如：已知某热电偶热电动势有E(1000，0)=41.276mV,E(20，0)=0.798mV，E(30，20)=0.405mV。试求热电偶热电动势E(30，0)=？E(1000，20)=？和E(30，1000)=？E(30，0)=E(30，20)-E(20，0)解：=0.405-0.798=-0.393mVE(1000，20)=E(1000，0)-E(20，0)=41.276-0.798=40.478mVE(30，1000)=E(30，0)-E(1000，0)=0.405-41.278=-40.828mV27热电偶分为标准化与非标准化两大类。

标准化热电偶按制作热电偶的材料划分为：贵金属热电偶、普通热电偶和铜-康铜热电偶等。12.2.3热电偶的分类和结构从1988年1月1日起，我国热电偶和热电阻的生产全部按国际电工委员会（IEC）的标准，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。但其中的R型（铂铑13-铂）热电偶，因其温度范围与S型（铂铑10-铂）重合,我国没有生产和使用。1、热电偶分类28几种常用热电偶的测温范围及热电势分度号名称测量温度范围1000C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820C4.834R铂铑13—铂-50～1768C10.506S铂铑10—铂-50～1768C9.587K镍铬－镍铬(铝)-270～1370C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C——?292、热电偶的结构常见的热电偶结构形式主要有普通热电偶、薄膜热电偶、铠装热电偶、表面热电偶等。（1）普通热电偶普通热电偶工业上使用最多，一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。主要用于测量气体、蒸汽、液体等介质的温度检测。30（2）薄膜热电偶薄膜型热电偶由两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成的一种特殊热电偶。常用于火箭、飞机喷嘴的温度测量。31铠装型热电偶又称套装热电偶。它由热电偶丝、绝缘材料和金属套管经拉伸加工而成的组合体。因其结构细长、可弯曲，用于测量狭小对象。（3）铠装热电偶3212.2.4热电偶测量电路RP1RP0RP2R2R3VCCC1UOUT510Ω120kΩ4.7μFK型热电偶测量电路由热电偶、高增益低失调运放、零点调节电阻器RP0和增益调节电阻器RP2组成。调节方法：在T=0℃时，输出电压应为0mV，如果不为0，可以调节RP0使UOUT=0。在T=600℃时，输出电压应为24.902mV，可以调节RP0使UOUT达到满度6V。12.3热电阻与热敏电阻

3312.3.1热电阻12.3.2热敏电阻12.3.3应用举例34热电阻效应--物质的电阻率随温度变化而变化的现象。热电阻传感器是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和温度有关的参数进行检测的装置。原理：金属原子最外层的电子能自由移动，当加上电压以后，这些无规则移动的电子就按一定的方向流动，形成电流。随着温度的增加，电子的热运动剧烈，电子之间、电子与振动的金属离子之间的碰撞机会就不断增加，因此电子的定向移动将受到阻碍，金属的电阻率也随之增大。12.3.1热电阻35取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484

。

金属热电阻广泛用于测量-200~+850℃温度范围。少数可测量1000

℃。普通金属热电阻一般用于-200~+500℃温度测量。铂热电阻的测温范围可达-200~850℃。

铂是一种贵重金属，其物理和化学性能非常稳定，是制造热电阻的最好材料，主要作标准电阻温度计。按照IEC（国际电工委员会）的标准，铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为-200~0℃时0~850℃时按照ITS-90标准R0是T=0℃时的电阻。目前我国规定工业用铂热电阻有两种：R0=10Ω，对应PT10分度号R0=100Ω，对应PT100分度号3738热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测温的。半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，适于在-100℃～300℃之间测温。12.3.2热敏电阻391、热敏电阻的结构和特点热敏电阻是用半导体-金属氧化物符合，掺入一定的黏合剂成形，再经高温烧结而成。主要材料有钴Co、锰Mn、镍Ni等

等。优点：（1）结构简单、体积小、可测点温度；（2）电阻温度系数大，灵敏度高（10倍）；（3）电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。缺点:是互换性较差，另外其热电特性是非线性的。各种热敏电阻的结构如下页图所示。40412、热敏电阻的基本类型（1）NTC热敏电阻NTC热敏电阻的材料是一种由锰（Mn）、镍（Ni）、铜（Cu）、钴（Co）、铁（Fe）等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，改变混合物的成分和配比就可以获得测温范围、阻值及温度系数不同NTC热敏电阻。它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。

NTC热敏电阻应用广泛。04080120160200106104102100温度℃电阻42（2）CTR热敏电阻CTR热敏电阻是以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成，它呈半玻璃状，具有负温度系数。通常，CTR热敏电阻用树脂包封成珠状或厚膜形使用，其阻值在1k

Ω~10MΩ之间。04080120160200106104102100温度℃电阻CTR热敏电阻随温度变化的特性属剧变型，具有开关特性。当温度高于居里点TC时，其阻值会减小到临界状态，突变的数量级为2~4。因此又称这类热敏电阻为临界热敏电阻。TC

43（3）

PTC热敏电阻PTC热敏电阻是以钛酸钡掺合稀土元素烧结而成的半导休陶瓷元件。04080120160200106104102100温度℃电阻PTC热敏电阻具有以下特性：TC

TN

当温度低于居里点TC时，具有半导体特性；

当温度高于居里点TC时，电阻值随温度升高而急剧增大，具有正温度系数；

具有通电瞬间产生强大电流而后很快衰减的特性。PTC热敏电阻主要用于彩电消磁、各种电器设备的过载保护、发热源的定温控制，可作限流元件使用。443、热敏电阻的温度特性

负温度系数的热敏电阻阻值与温度的关系为RT＝A(T-1)exp(B/T)式中RT—温度为T时电阻值A—与材料和几何尺寸有关的常数B—热敏电阻常数（与半导体物理性能有关）4512.3.3应用举例4647热敏电阻体温表

4849热敏电阻用于CPU的温度测量

12.4集成温度传感器

50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。其最大优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出，另外，体积小、成本低廉。因此，它是现代半导体温度传感器的主要发展方向之一。目前，已经广泛用于-50~+150℃温度范围内的温度监测、控制和补偿的许多场合。51电路中ＶＴ1、ＶＴ2是结构和性能完全相同的晶体管，它们分别在不同的集电极电流IＣ1和IＣ2下工作。由图可见，R１的电压应为ＶＴ1和ＶＴ2的基极发射极电压差。12.4.1测温原理IC2VＴ1R1+EΔUbeR2IC1VＴ2γ为VT1和VT2发射极的面积比R2上的电压也正比于绝对温度T。5212.4.2集成温湿度传感器

SHT10为单片数字温湿度传感器。其内部包含有温湿度传感器、A/D转换器及数字接口电路。SCK引脚是MCU与SHTIO之问通信的同步时钟DATA引脚用于MCU与SHT10之间的数据传输。531.发送命令用一组“启动传输”时序，来表示数据传输的初始化。包括：当SCK为高时DATA翻转为低，紧接着SCK为低，随后SCK为高时DATA为高。启动传输的时序如图所示。后续命令包含三个地址位（目前只支持000）和五个命令位。地址位是000，命令字如右表在第8个SCK时钟下降沿之后，DATA下拉为低。在第9个SCK时钟的下降沿后释放DATA（恢复为高）。542.测量时序发布一组测量命令后（例如测量温度“00000011”），控制器要等待测量结束，约20/80/320ms,分别对应8/12/14bit测量。当DATA为低电平并进入空闲模式，表示测量结束。控制器在再次触发SCK时钟前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。检测数据可以先被保存，这样控制器可以继续执行其他任务，在需要的时候再读出数据。接着传输2字节的测量数据和1字节的CRC奇偶校验。Uc需要通过下拉DATA为低电平，以确认每个字节，所有数据从最高有效位开始右值有效。使用CRC循环冗余校验的确认位表明通讯结束。如果不使用CRC-8校验，控制器可以在测量的最低有效位后，通过保持确认位ack高电平来终止通讯。此后传感器转入休眠模式。553.输出转换为物理量温、湿度的参数均以0.01为单位，单位分别为摄氏度和%。转换公式为（XH*256+XL）/100 例如实验中通过串口助手接收到的数据为转换结果为EECC01030101131522000000000000FFEECC为帧头01为节点编号03为模块ID01为传感器IDFF为帧尾通过串口助手接收到的数据温度值为：27.5度湿度值为：54.1%。12.5红外传感器

5612.5.1红外辐射12.5.2红外探测器12.5.3红外传感器的应用红外传感器可分为红外热成像遥感技术、红外搜索（跟踪目标、确定位置、红外制导）、红外辐射测量、通信、红外测温等，在科学研究、军事工程和医学方面都有着广泛的应用。红外传感器主要由红外辐射源和红外探测器两部分组成，有红外辐射的物体就可以视为红辐射源；红外探测器是指能将红外辐射转换为电能的器件或装置。58

12.5.1红外辐射

红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.76～1000μm。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。红外区通常分为近红外0.73~1.5um、中红外1.5~10um和远红外10um以上，300um以上的区域又称为“亚毫米波”红外辐射红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高于绝对零度（－273℃），就会向外部空间以红外线的方式辐射能量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热能。红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积。60

12.5.2红外探测器

红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是能将红外辐射能转换为电能的热电或光电器件。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。1）热探测器（热电型）有：热释电、热敏电阻、热电偶等；2）光子探测器（量子型），利用某些半导体材料在红外辐射的照射下产生光电子效应，材料电学性质发生变化；有:光敏电阻、光电管、光电池等。

量子型光子探测器与光电传感器原理相同，本节主要介绍热释电型红外探测器。1.热释电效应热探测器主要是利用红外辐射的热效应，当探测器吸收辐射能后引起温度升高，使其材料的物理量变化，如热释电电荷、热敏电阻阻值、热电偶电势、气体浓度变化等。

热释电效应首先将光辐射能变成材料自身的温度，利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号。热释电材料有晶体、陶瓷、塑料等铁电体，其晶体结构与热释效应如图所示。热释电晶体是把具有热释电效应的晶体薄片两面镀上电极，将透明电极涂上黑色膜使晶体吸收红外线。晶体本身具有一定极化强度P，当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面时，薄片温度升高，使极化强度降低，表面电荷减少，释放部分电荷，所以称为热释电。热释电元件温度特性如图所示。温度一定时因极化产生的电荷被附集在外表面的自由电荷慢慢中和掉，不显电性，要让热释电显现出电特性，必须用光调制器使温度变化，如下图所示。已知热释电元件电荷中和的平均时间为：调制器的入射光频率f必须大于电荷中和的时间频率，即热释电材料表面电荷极化随温度变化状况如图所示。铁电体在温度变化时，极化强度发生变化，无论温度上升还是下降，介质从带电到不带电有一个中和时间，为使电荷不被中和掉，必须使晶体处于冷热交替变化的工作状态，使电荷表现出来，表面才能产生电荷。由图可见，当温度上升或下降时，电荷极性相反。2.热释电元件等效电路热释电元件是电荷储存元件，传感器可视为电流源，电流大小与温度随时间的变化率有式中，S是元件面积，P为极化强度；g为热释电系数。说明，热释电材料只有在温度变化时才产生电流、电压，其输出电压为式中，Z为热释电元件的等效阻抗。热释电元件结构如图所示，市场购买的普通热释电元件已经将前级的FET场效应管和输入电阻Rd安装在管壳中，FET场效应管起到阻抗变换的作用。热释电传感器等效电路如下图。T为热释电晶体，Rd是输入绝缘电阻，RL为外接负载电阻。由于热释电传感器绝缘电阻很高，容易引入噪声，使用时要求有较高的输入电阻。3.红外光子探测器光量子型是利用光电效应，通过改变电子能量的状态引起电学现象，光量子型红外传感器主要有：光电导型（PC）——利用光敏电阻受光照后引起电阻变化；光导电型（PV）——由于光照产生光生电子—空穴对，形成光生电动势；光电磁型（PEM）——器件利用光电磁效应，加电场和磁场的同时产生于光照成正比的感应电荷；肖特基型（ST）——利用金属与半导体接触形成肖特基势垒随光照而变化光子探测器与热释电传感器在性能上最大的区别是，光量子型红外光电探测器探测的波长较窄，而热探测器几乎可以探测整个红外波长范围。70

12.5.1红外传感器的应用

1.红外测温仪2.红外线气体分析仪3.热成像1.红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000℃时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。图中的光学系统是一个固定焦距的透视系统，滤光片一般采用只允许8~14微米的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射射线。红外探测器一般为热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射