传感器技术第二章

第二章热电传感器热电传感器2.1温度传感器的分类

热电传感器

接触式温度传感器热膨胀式温度传感器，热电偶传感器，热电阻传感器，PN结温度传感器，集成温度传感器等。

非接触式温度传感器光学高温传感器，热辐射温度传感器等

利用一些材料和元件的性能（热膨胀，热电势、电阻、PN结特性、光学特性等）随温度而变化的特性，间接测量温度的大小。热电传感器2.2热电偶传感器2.2.1热电偶的工作原理TAT0B

两种不同的导体（A和B）两端相互紧密地连在一起，组成一个闭合回路，当两接点温度不等（T>T0）时，回路中就会产生电动势，从而形成电流。这一现象称为热电效应，回路中产生的电动势称为热电势。热电效应热电偶：不同导体的组合热电极：导体A和B工作端（热端）自由端（冷端）热电传感器热电势由两部分组成：接触电势和温差电势

接触电势

当两种金属连接在一起时，由于不同导体的自由电子密度不同，在接触处就会发生电子迁移扩散。失去电子的金属呈正电位，得到电子的金属呈负电位。当扩散达到平衡时，在两种金属的接触处形成电势，称为接触电势。eAB(T)NBNAek0Tln=eAB(T0)NBNAek0T0ln=

导体A、B在温度T和T0时的接触电势eAB（T）和eAB（T0）表示为：接触电动势的大小与接点温度的高低和导体中的电子密度有关。热电传感器

温差电势在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。

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。

温差电动势的大小取决于导体的材料和两端的温度，其值比接触电势小很多，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。热电传感器

如果热电偶两电极材料相同，即NA

＝NB，则无论两接点温度如何，总热电势为零。因此，热电偶必须采用两种不同材料作热电极。如果热电偶两接点温度相同，尽管A和B材料不同，回路中总电势等于零。热电偶回路的总电势主要是由接触电势引起的：，eAB(T0)NBNAek0T0ln=EAB（T,T0）=eAB(T)－eAB(T0)

eAB(T)NBNAek0Tln=热电偶回路的总电势主要是由接触电势引起的：，eAB(T0)NBNAek0T0ln=EAB（T,T0）=eAB(T)－eAB(T0)

eAB(T)NBNAek0Tln=热电传感器

热电偶产生的热电势只与材料和接点温度有关，与热电极尺寸、形状等无关。当两个电极选定后，热电势是两接点温度的函数，即EAB（T,T0）=f（T）－

f（T0）。热电传感器2.2.2中间导体定律

在A、B材料组成的热电偶回路中接入第三种导体C，只要引入的第三导体两端温度相同，则此导体的引入不会改变总电势EAB的大小。TCAT0BT0

若从T0端断开接入第三种导体CEABC（T,T0）=eAB(T)＋eBC(T0)

＋eCA(T0)当回路中各接点温度相同，都为T0时，则：

EABC（T0,T0）=eAB(T0)＋eBC(T0)＋eCA(T0)=0，

eBC(T0)＋eCA(T0)=eAB(T0)所以，EABC（T,T0）=eAB(T)－eAB(T0)=EAB（T,T0）

热电传感器ATBT0BCT1T1

若从材料B中间断开接入第三种导体CEABC（T,T0）=eAB(T)＋eBC(T1)

＋eCB(T1)＋eBA(T0)

由于eBC(T1)

=eCB(T1)，eAB(T0)=

eBA(T0)所以，EABC（T,T0）=eAB(T)eAB(T0)=EAB（T,T0）

热电偶的热电势在引入的第三种导体两端温度相等时，不会因此受到影响。第三种导体不宜采用与热电极热电性质相差很远的材料。否则一旦温度发生变化，热电偶的热电势将会受到很大影响。热电传感器2.2.3标准热电极ACBCABTTTT0T0T0

如果两种导体（A和B）分别与第三种导体（C）组成热电偶所产生的热电势已知，则由这两个导体（A，B）组成的热电偶产生的热电势为：EAB（T,T0）=EAC（T,T0）－EBC（T,T0）热电传感器以上两式相减得：EAC（T,T0）－EBC（T,T0）

=eAC(T)－eAC(T0)－eBC(T)＋eBC(T0)

=[eAC(T)－eBC(T)]－[eAC(T0)－eBC(T0)]

由于eBC(T0)－eAC(T0)=eAB(T0)，eAC(T

)－eBC(T)=eAB(T

)所以，EAC（T,T0）－EBC（T,T0）=EAB（T,T0）

ACBCABTTTT0T0T0EAC（T,T0）=eAC(T)－eAC(T0)，EBC（T,T0）=eBC(T)－eBC(T0)

AC、BC、AB为三个热电偶，则由此可知，若任意几个热电极与一个标准热电极组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的热电势。通常用纯铂作为标准热电极。热电传感器2.2.4中间温度定律

热电偶在接点温度为T、T0时的热电势等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0时相应热电势的代数和。EAB（T,Tn）=eAB(T)－eAB(Tn)，EAB（Tn,T0

）=eAB(Tn)－eAB(T0)BBA

AABTT0Tn热电传感器BBA

AABTT0Tn以上两式相加得：EAB（T,Tn）＋EAB（Tn,T0）

=eAB(T)－eAB(Tn)＋

eAB(Tn)－eAB(T0)

=eAB(T)－eAB(T0)=EAB（T,T0）所以，EAB（T,T0）=EAB（T,Tn）＋EAB（Tn,T0），

Tn称为中间温度。当T0=0，则有EAB（T,0）=EAB（T,Tn）＋EAB（Tn,0）热电传感器2.2.5热电偶的种类和结构

热电极材料的基本性能

热电势要足够大，测量范围宽，线性好；热电特性稳定，即热电势与温度对应关系保持恒定；热电势与温度有单值关系，最好呈线性，或简单函数关系；电阻温度系数和电阻率要小，否则热电偶的电阻将随工作端的温度不同而有较大的变化，而影响测量结果的准确性；物理性能稳定，化学成分均匀，不易氧化和腐蚀；材料易加工，复制性好，机械强度好；价格低廉。热电传感器

常用热电偶材料

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)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。用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝B:铂铑30-铂铑6，

R:铂铑13-铂，

S:铂铑10-铂，

K:镍-镍硅，

E:镍铬-铜镍，

J:铁-铜镍，

T:铜-铜镍热电传感器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

热电传感器热电偶的热电势与温度的关系曲线分析S型：铂铑-铂热电偶K型：镍铬-镍铝热电偶T型：铜-康铜热电偶E型：镍铬-考铜热电偶B型：铂铑30-铂铑6R型：铂铑13-铂J型：铁-康铜热电偶N型：镍铬硅-镍硅热电偶热电传感器

热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法。

我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，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。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来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。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：自由端（冷端）温度必须为0C。

热电偶的分度表热电传感器

热电偶的结构

普通热电偶1.热电极，2.绝缘套管，3.保护套管，4.接线盒，5.接线盒盖主要用于测量气体、蒸汽和液体等介质的温度。热电传感器

铠装热电偶（a）碰底型,（b）不碰底型,（c）露头型,（d）帽型

特点：内部热电偶丝与外界空气隔绝，具有良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。热电传感器热容量小，动态响应快，适宜测量微小面积和瞬时变化的温度。

薄膜热电偶

表面热电偶

分为永久性安装和非永久性安装。主要用来测量金属块、壁炉、橡胶筒等固体表面温度。热电传感器

侵入式热电偶

特殊热电偶

主要用来测量钢水、铜水、铝水以及熔融合金的温度。其主要特点是可以直接插入液态金属中进行测量。

例如测量火箭固态推进剂燃烧波温度分布、燃烧表面温度以及温度梯度的一次性热电偶；测量火炮内壁温度的针状热电偶等。热电传感器2.2.6热电偶的冷端温度补偿1.热电偶输出的热电势是两接点温度差的函数，只有在冷端温度T0保持不变的条件下，其热电势才是工作端温度的单值函数。2.热电偶的标准分度表是在其冷端为0时，测得的电势值。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样T0不但不是0℃，而且也不恒定，这将会对测量产生误差。3.一般情况下，冷端温度均高于0℃，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。

必要性：0℃恒温法

将热电偶的冷端置于冰水混合物的0℃恒温器内，可保证冷端温度T0为0℃。此法只适用于实验室。mVABT铜导线铜导线试管热电偶冰点槽冰水溶液T0仪表热电传感器热电传感器

冷端恒温法

热电偶实际测温时，由于冷端温度T0

0，而是某一温度Tn，则热电偶工作在温度（T，Tn）之间，测得的热电势是EAB（T,Tn）。利用中间温度定则，

EAB（T,0）=EAB（T,Tn）＋EAB（Tn,0）例如：用铂铑10-铂热电偶测某一温度T，参考端在室温环境Tn中，测得热电势EAB（T,Tn）=0.465mV，又用室温计测得Tn=21℃，查此热电偶分度表知EAB（21,0）=0.119mV，则EAB（T,0）=EAB（T,21）＋EAB（21,0）

=0.465＋0.119=0.584mV

再用0.584mV查分度表得T=92℃，即实际温度为92℃。热电传感器

补偿导线法

利用补偿导线，将热电偶的冷端远移至温度恒定的场所（如仪表室）。

补正系数法

设冷端温度为tn，此时测得的温度为t1，其实际温度为t=t1＋k

tn。其中k为补正系数，可从补正系数表中查得。热电传感器2.3热电阻传感器

2.3.1金属热电阻

大多数金属导体电阻随温度变化的关系可由下式表示：

Rt=R0[1+(t

－t0)]，式中：Rt，R0—

分别为热电阻在t℃和t0

℃时的电阻值；

—

热电阻的电阻温度系数（1／℃）；

t

—

被测温度（℃）。灵敏度S===

R0dRtdt1R0R01

电阻与温度的关系

金属热电阻材料的特点热电传感器

电阻温度系数大，灵敏度高；电阻率尽可能大，以便在相同灵敏度下减小热电阻材料的体积；在热电阻使用范围内，材料的物理、化学性能保持稳定；良好的输出特性，即必须有线性或接近线性的输出；良好的工艺性，以便批量生产、降低成本。热电传感器三种金属的电阻与温度的关系

常用的金属热电阻NiPtCu热电传感器主要金属温度传感器的性能热电传感器2.3.2半导体热敏电阻

热敏电阻是利用半导体材料的电阻随温度变化而变化的性质制成的一种热敏元件。按照热敏电阻的电阻与温度关系的变化特性，分为正温度系数（PTC）热敏电阻、负温度系数热敏电阻（NTC）和临界温度热敏电阻（CTR）。PTC：电阻随温度增加而增加

NTC：电阻随温度增加而减小

CTR：在某一特性温度下，电阻会发生突变热电传感器2.3.2.1热敏电阻的分类热电传感器2.3.2.2PTC热敏电阻PTC是一种正温度特性很强的热敏电阻，主要是由BaTiO3（或SrTiO3或PbTiO3）为主要成分的烧结体。BaTiO3陶瓷是一种典型的铁电材料，常温电阻率大于1012·cm，为绝缘体。经过半导体化掺杂后，表现出强烈的PTC效应常温电阻值很低。随温度的升高，电阻值在居里点附近发生突变，产生几个数量级的变化。

PTC热敏电阻采用一般陶瓷工艺成形、高温烧结而成。其温度系数及居里点温度随组分及烧结条件（尤其是冷却温度）不同而变化。热电传感器

工作原理

由于存在晶界势垒，当温度在居里点TC以下时，高阻的晶界具有铁电性，介电常数很大，势垒高度低，电子容易越过势垒，因而材料电阻小；当温度高于TC时，材料的晶格结构发生变化，铁电性消失，介电常数急剧减小，随之势垒增高，电子难以越过势垒，相应材料的电阻率急剧上升。PTC效应热电传感器

特性

电阻与温度的关系T<TP1:负电阻温度系数，温度灵敏度不高;T=TP1:

电阻值开始随温度指数增大；TP1<T<TP2:正电阻温度系数，且值较大。最大工作温度热电传感器PTC热敏电阻性能改善的方法TC向高温方向移动：掺入Pb；TC向低温方向移动：掺入Sr或Sn；提高PTC电阻温度系数：掺入Mn、Fe、Cu等；提高PTC工艺稳定性：掺入Al、Si、Ti等；对BaTiO3主体材料要求：高纯（99.5～99.95％）超细（0.1～1.5m）具有化学活性设计考虑热电传感器2.3.2.3NTC热敏电阻NTC热敏电阻大多数是由一些过渡金属氧化物（Mn、Co、Ni、Fe等氧化物）的粉末，按一定比例混合后，用焙烧陶瓷工艺制成热敏电阻体，再烧银电极、焊上引线、涂上保护漆而成。当改变这些混合物的成分和配比及工艺条件，就可以获得测温范围、阻值及温度系数不同的NTC热敏电阻。

工作原理金属

=（0.3~0.6）10-2℃-1

NTC=（3~6）10-2℃-1

半导体中参加导电的载流子数目比金属的自由电子数目少得多，所以它的电阻率较大。当温度升高时，半导体将产生新的电子、空穴对，极大地贡献了载流子的数目，导致电阻率减小。载流子数目增加随温度按指数规律上升，它的电阻率也成指数规律下降。热电传感器热电传感器

特性Rt=R0eB(1/T–1/T0)

电阻温度系数

==－

RtdRtdT1T2B随温度降低而迅速增大，灵敏度高。

电阻与温度的关系Rt、R0—

分别为TK和T0K时的电阻值；B—

热敏电阻的材料常数，通常

B=2000~6000K。

热敏电阻特点

灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出6～10℃的温度变化；工作温度范围宽，常温器件适用于－55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃，低温器件适用于－273℃～55℃；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1～100k间任意选择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过载能力强。

热电传感器2.3.2.4热敏电阻的主要参数热电传感器

标称电阻值R热敏电阻在25±0.2℃时的阻值，又称冷电阻。

电阻温度系数热敏电阻的温度变化1℃时电阻值的变化率。

耗散系数H

热敏电阻的温度与周围环境温度相差1℃时所耗散的功率。在工作范围内，当环境温度变化时，H值随之变化，其大小与热敏电阻的结构、形状和所处介质的种类及状态有关。

时间常数

表示热敏电阻对冷或热的响应速度。当环境温度突变时，热电阻的变化量从开始到最终变量的63.2％所需的时间。它与热容量C和耗散系数H之间的关系：HC=t

额定功率PS（使用功率）

热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗功率。

热敏电阻在各种气候、机械、电气等使用环境中，保持原有特性的能力。最常用的是以电阻值的年变化率或对应的温度变化率来表示。

稳定性热电传感器热电传感器2.3.2.5热敏电阻的结构柱形热敏电阻（a）珠状;（b）探头式;（c）片状2.4PN结温度传感器

热电传感器

通常利用晶体管PN结的正向电压与温度呈现的较好的线性关系这一特征，将半导体器件用作PN结温度传感器，实现了对温度的检测，控制或补偿功能。与热电偶、热电阻相比，它的输出特性线性好并具有很高的测量精度，在很多领域中得到广泛应用。2.4PN结温度传感器

热电传感器

温敏二极管二极管PN结伏安特性可用下式表示：

IF=IS(eqUF/kT－1)在室温时，kT/q=26mV,eqUF/kT1，上式为：

I=ISeqU/kT

则UF=lnkTqIFIS

在一定的电流下，随着温度的升高，正向电压将下降，表现出负的温度系数。

温敏晶体管热电传感器

对于温敏晶体管，当处于正向工作状态下，发射极电流包括扩散电流，PN结空间电荷区中的复合电流和表面复合电流。但是，其中只有扩散电流成分能够到达集电极而形成集电极电流，而另外两个复合电流则作为基极电流漏掉，而不达到集电极。因此，晶体管IC－Ube关系比二极管的IF－UF关系更具有线性关系。热电传感器

当晶体管处于正向工作状态，又1，可忽略集电极反向饱和电流。发射结电压Ube和发射极电流Ie有以下关系：因此，

晶体管Ube的温度特性

Ie=Ies

(eqUbe/kT－1)

在室温下kT/q=26mV,UbekT/q，此时

Ie=Ies

eqUbe/kT

Ube=lnkTqIeIes可见，Ie一定，Ube与T成线性关系。热电传感器2.5热释电式传感器2.5.1红外辐射的基本特性

红外辐射就是红外光，俗称红外线。任何物体，只要它的温度高于绝对零度，就会向周围辐射红外光。红外光的特点是具有光热效应，而且它是光谱中最大光热效应区。红外辐射的物理本质是辐射。物体的温度越高、辐射出来的红外光越多，辐射的能量就越强。热电传感器2.5.2红外传感器的分类

红外传感器是能将红外辐射能转换成电能的一种敏感器件，常称为红外探测器。

热型红外传感器

红外光辐射到敏感元件上，使敏感元件的温度升高，同时它的物理参数也相应发生变化。通过测量有关物理参数的变化来确定所吸收的红外辐射。

热电偶型：热电势比较大的热电偶。热敏电阻型：过渡金属氧化物。

热释电型：具有极化现象的铁电体。响应波段宽，可常温下工作，使用方便。热电传感器

光子型红外传感器

在红外光的照射下，某些半导体的电学性质发生变化。通过测试电学性质的变化，可以确定红外辐射的强度。利用光电效应制成的红外探测器称光子探测器。

光电导型：光电导效应，PbS，HgCdTe，热敏电阻等。光电动势型：光生伏特效应，InAs，InSn，HgCdTe等。光电磁型：光电磁效应。肖特基型：肖特基势垒光电二极管热电传感器

热型和光子型红外传感器性能比较