第6章热电式传感器

第六章热电式传感器简介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。热电式传感器所基于的物理原理主要有：热电效应、热阻效应、热辐射、介电常数和导磁率随温度变化的特性。热电偶-利用热电效应将温度转换为电势变化的热电式传感器。热电阻-利用热阻效应将温度转换为金属材料的电阻变化的热电式传感器。热敏电阻-利用热阻效应将温度转换为半导体材料的电阻变化的热电式传感器。PN结型温度传感器-利用半导体PN结与温度的关系制成。辐射高温计-利用热辐射原理制成。主要内容6.1热电偶6.2热电阻6.3热敏电阻6.4PN结温度传感器6.5热电式传感器的应用热电效应及其热电偶基本原理6.1热电偶6.1.1热电偶的工作原理

当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为T0

，称为自由端（也称参考端）或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电势”，用EAB(T,T0

)表示

。热电势由两部分电势组成，一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。

（一）接触电势含义：由于两种不同导体的自由电子密度不同,而在接触处形成的电动势。AB＋＋＋－－－eAB(T)机理：接触面上自由电子密度不同发生电子扩散；电子扩散速率与两导体的电子密度有关，并和接触区的温度成正比。若nA>nB,则在接触面上由A扩散到B的电子比由B扩散到A的电子数多。导体A失去电子带正电荷，导体B获得电子而带负荷，在A，B的接触面便形成一个从A到B的静电场。这个电场阻碍了电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势。

（一）接触电势两接点的接触电势eAB(T)和eAB（T0）可表示为

eAB(T)，eAB(T0)——导体A、B节点在温度T和T0时形成的接触电动势；e——电子电荷，e=1.6×10-19C；K——波尔兹曼常数，

K=1.38×10-23J/K；NAT、NBT

——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。(二)温差电势AeA(T,To)ToT温差电势原理图eA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0——高低端的绝对温度；σA——汤姆逊系数，表示导体A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/℃。含义：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。大小表示：(二)温差电动势机理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高温端向低温端扩散的电子数比从低温端扩散到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得电子而带负电，从而形成一个静电场。该电场阻碍了电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在导体两端便形成温差电动势。（三）热电偶回路中产生的总热电势NAT、NAT0——导体A在节点温度为T和T0时的电子密度(m-3)；NBT、NBT0——导体B在节点温度为T和T0时的电子密度(m-3)；σA

、σB——导体A和B的汤姆逊系数（V/℃）。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。NAT和NAT0可记做NA，NBT和NBT0可记做NB

，则有在标定热电偶时，一般使T0为常数，即EAB(T0)=f（T0）=C(常数)，则(6-6)(6-5)结论当热电偶回路的一个端点（冷端）保持温度不变时，热电偶回路总的热电动势EAB(T,T0)只随另一端（热端）的温度的变化而变化。这样，回路总的热电动势就可以看成为T的函数。对于各种不同金属组成的热电偶，温度与热电动势的函数关系是不一样的。在工程应用中，常用实验的方法得出不同热电偶的温度与热电动势的关系，并做成表格或绘制成曲线。一般称为分度表。①热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关；与热电偶的长度、粗细、形状无关。2.热电偶基本性质②只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电动势。因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。③只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热电偶才能有热电动势产生；当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶也不产生热电动势，即EAB（T，T0）=0。④导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使eAB（T0）=常数，则回路热电动势EAB（T，T0

）就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的基本原理。⑤对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，若各接点温度分别为T1、T2……TN

，闭合回路总的热电动势为：3.热电偶基本定律(1)均质导体定律如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势均为零；反之，如果有热电动势产生，两个热电极的材料则一定是不同的。根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相同(称为同名极检验法)，也可以检查热电极材料的均匀性。(2)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。右图回路中的总电动势为：T0T0BTAC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：即则如果按右图接入第三种导体C，则回路中的总电动势为：T1CT0T1TBA而所以(3)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。T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC两式相减得：——（6-13）若一个热电偶由A、B、C三种导体组成，且回路中三个接点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即：或即导体A与B组成的热电偶的热电动势也可知。代入（6-13）式可得：解：由标准电极定律，镍铬和考铜热电偶的热电动势应等于镍铬合金与纯铂热电偶和考铜与纯铂热电偶的热电动势的差，即例6-1热端为100℃、冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mVBBATnTT0

AAB(4)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。证明：即：对于冷端温度不是零度时，热电偶如何制定分度表的问题提供了依据。

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。

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A、B相同热电特性的材料C、D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，则总回路的热电动势与两连接点温度无关，只与热电偶两端的温度有关。热电偶补偿导线接线图ABTTnTnCDT0T0M由于A与C、B与D的热电特性相同，由热电偶的基本性质可知：eAC（Tn）=eBD（Tn）=0，则回路总电动势为:6.1.2常用热电偶的结构1.普通工业用装配式热电偶图6-9工业用装配式热电偶结构示意图接线盒保险套管绝缘套管热电偶丝1322．铠装（或套管式）热电偶的结构由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为两种形式如图。图６-1０铠装热电偶断面结构示意图1—

金属套管;2—绝缘材料;3—热电极(a)接壳式(b)绝缘式图6-11接壳式与绝缘式热电偶断面结构示意图3．快速反应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上而形成薄膜装热电偶。其热接点极薄(0.01～0.lμm)。4123快速反应薄膜热电偶1—热电极;2—热接点;3—绝缘基板;4—引出线特别适用于对壁面温度的快速测量。反应时间仅为几ms。

4．快速消耗微型热电偶可测钢水的温度。用直径为Φ0.05～0.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。14235678911101—钢帽；2—石英；3—纸环；4—绝热泥；5—冷端；6—棉花；7—绝缘纸管；8—补偿导线；9—套管；10—塑料插座；11—簧片与引出线6.1.3热电偶材料用作热电极的材料应具备下面的条件：①温度测量范围广。要求在规定的温度测量范围内有较高的测量精确度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关系是单值函数，最好是呈线性关系。②性能稳定。要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定，均匀性和复现性好。③物理化学性能好。要求在规定的温度测量范围内有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。满足上述条件的热电偶材料并不很多。我国把性能符合专业标准或国家标准并具有统一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料。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）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。6.1.4热电偶的种类1.标准型热电偶(1)铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B）它的正极是铂铑丝(铂70%，铑30%)，负极也是铂铑丝(铂94%，铑6%)，俗称双铂铑。测量温度最高长期可达1600℃，短期可达1800℃。优点是材料性能稳定，测量精度高，测温上限高。缺点是在还原性气体中易被侵蚀，成本高。铂——pt78，性软，易受机械处理，溶点1772℃

，化学性质稳定，但溶于王水（硝酸和盐酸1：3混合）。铂族元素：钌、锇、铑、铱、钯、铂，溶点都在1500℃以上，性质稳定，在自然界中多以游离态存在。金——AU79，延展性强，比重19.32,熔点1064℃

，在空气中极稳定，不溶于酸或碱，溶于王水及氯化钾、氯化钠溶液中。(2)铂铑10-铂热电偶（分度号S）正极是铂铑丝(铂90%，铑l0%)，负极是纯铂丝。测量温度最高长期可达1300℃，短期可达1600℃，一般用来测量1000℃以上的高温。优点是材料性能稳定；测量准确度较高，可做成标准热电偶或基准热电偶；抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中工作。缺点是在高温还原性气体中（如气体中含CＯ、H2等）易被侵蚀，需要用保护套管；另外其热电极材料属贵金属，成本较高，热电势也较弱。国际温标中规定它为630.74~1064.43℃温度范围内复现温标的标准仪器。正极是镍铬合金(88.4～89.7％镍、9～10％铬，0.6％硅，0.3％锰，0.4～0.7％钴)，负极为镍硅(镍95.7～97％镍,2～3％硅,0.4～0.7％钴)。测温范围为-200~+1300℃。优点是测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大、高温下抗氧化能力强、价格低，所以在工业上应用广泛。(3)镍铬-镍硅热电偶（分度号K）缺点是热电动势的稳定性和精度较B型或S型热电偶差，在还原性气体和含有SO2、H2S等气体中易被侵蚀。测量温度长期可达1000℃，短期可达1300℃。(4)镍铬-铜镍热电偶（分度号E）正极是镍铬合金，负极是铜镍合金(铜55%，镍45%)。测温范围为-200~+1000℃。优点是热电动势较其他常用热电偶大。适宜在氧化性或惰性气氛中工作。正极是铁，负极是铜镍合金。测温范围为-200℃~+1300℃。其特点是价格低、热电动势较大（仅次于E型热电偶）、灵敏度高（约为53μV/℃）、线性度好、价格便宜，可在800℃以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化。(5)铁-铜镍热电偶（分度号J）正极是铜，负极是铜镍合金，测温范围为-200℃~+400℃，热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43μV/℃。优点是精度高、复现性好、稳定性好、价格便宜。缺点是铜极易氧化，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300℃。(6)铜-铜镍热电偶（分度号T）在0~-100℃范围内，铜-铜镍热电偶已被定为三级标准热电偶，用以检测低温仪表的精度，误差不超过0.1℃。热电偶类别代号分度号测温范围允许误差铂铑30-铂铑6WRRLL-2或B0～1800℃≤800℃，±4.0℃>800℃±0.5%t铂铑10-铂WRPLB-3或S0～1600℃≤600℃，±3.0℃>600℃±0.5%t镍铬-镍硅WRNEU-2或K0～1300℃≤400℃，±3.0℃>400℃±0.75%t镍铬-考铜

镍铬-铜镍WRK

WREEA-2或E0～800℃

0～1000℃≤300℃，±3.0℃>300℃±1.0%t几种常用热电偶的测温范围及精确度①铱和铱合金热电偶：如铱50铑—铱10钌、铱铑40-铱、铱铑60-铱热电偶。它能在氧化环境中测量高达2100℃的高温，且热电动势与温度关系线性好。2.非标准型热电偶②钨铼热电偶：60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼3-钨铼25、钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围在300～2000℃，分度精度为1％。主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。③金铁—镍铬热电偶：主要用在低温测量，可在2～273K范围内使用，灵敏度约为10μV／℃。④钯—铂铱15热电偶：是一种高输出性能的热电偶，在1398℃时的热电势为47.255mV，比铂铑10—铂热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。思考与讨论常用热电偶的结构有哪些？热电偶有哪些种类？为什么要补偿？

热电偶测量温度时，要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化，将严重影响测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。6.1.5热电偶的冷端补偿方法

怎样补偿？

1.冷端恒温法(1)冰点槽法将热电偶的冷端置于冰点槽内(冰水混合物)，使冷端温度处于0℃，如图6-13所示。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两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。这种装置通常用于实验室或精密的温度测量。mVABT铜导线铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0仪表补偿导线图6-13冰点槽法(2)其他恒温器将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器可以是盛有变压器油的容器，利用变压器油的热惰性恒温；也可以是电加热的恒温器。这类恒温器的温度不是0℃，所以最后还需对热电偶进行冷端温度修正。2.补偿导线法利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)。根据中间温度定律，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。例6-2采用镍铬-镍硅热电偶测量炉温。热端温度为800℃，冷端温度为50℃。为了进行炉温的调节与显示，必须将热电偶产生的热电动势信号送到仪表室，仪表室的环境温度恒为20℃。首先由镍铬-镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为0℃，热端温度分别为800℃、50℃、20℃时的热电动势：E(800，0)＝33.277mV；如果热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导体定律，输入仪表的热电动势为：E(50，0)＝2.022mV；E(20，0)=0.798mV。E(800，50)=E(800，0)-E(50，0)

=(33.277-2.022)mV

=31.255mV查分度表知，对应31.255mV的温度是751℃。与炉内真实温度相差49℃。如果在热电偶与仪表之间用补偿导线连接，相当于将热电极延伸到仪表室，输入仪表的热电动势为E(800，20)=E(800，0)-E(20，0)

=(33.277-0.798)mV

=32.479mV查分度表知，对应32.479mV的温度是781℃，与炉内真实温度相差19℃。若冷端温度恒定，但并非0℃，要使测出的热电动势只反映热端的实际温度，则必须对温度进行修正。修正公式如下：3.计算修正法例6-3用镍铬-镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的热电动势为2.436mV。再用温度计测出环境温度为30℃(且恒定)，求池水的真实温度。解：由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(30，0)=1.203mVE(T，0)=E(T，30)+E(30，0)=2.436mV+1.203mV=3.639mV所以：查分度表知其对应的实际温度为T=88℃。即池水的真实温度是88℃。4.电桥补偿（又称冷端补偿器）法图6-14补偿电桥T0I2I1+ERSRTR3R1R2－ATT0BU回路输出电压为:U=E（T，T0）+(UT－U3)只要能满足下式即可达到自动补偿的目的

如果热电偶的冷端温度变化范围为0~+50℃，热电偶选用铂铑10-铂。查分度表得出△E为0.299mV，因此补偿电阻Rt的阻值可以根据上式求出。5.显示仪表零位调整法当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端温度不是0℃，但十分稳定（如恒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，这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值。6.软件处理法对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。思考与讨论热电偶的冷端补偿方法有哪些？利用了什么原理？6.1.6热电偶测温线路1.测量某一点的温度流过测温毫伏表的电流为:图6-15单点测温线路TnT0T0TnCDMRLEABT2.测量两点之间的温度差图6-16测两点温差线路AT2仪表BT1CDT0’T0BAC回路内的总电动势为:因为故3.热电偶并联线路图6-17并联测量线路T1R1T0T2R2T0’T3R3T0’’仪表ABABAB每只热电偶的输出为：回路总的热电动势为:4.热电偶串联线路图6-18串联测量线路T0DCCT0DT1T2仪表T3ABDCABAB因为所以热电阻是利用导体材料的电阻随温度变化而变化的特性来实现对温度的测量的。6.2热电阻热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。应用于-200~600℃范围内的温度测量热电阻＝电阻体＋绝缘套管＋接线盒热电阻的材料要求：电阻温度系数要大；电阻率尽可能大，热容量要小，在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。6.2.1热电阻的类型1.装配式热电阻2.铠装热电阻3.端面热电阻4.隔爆型热电阻6.2.2常用的几种热电阻1.铂热电阻铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示：在0～630.74℃范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为：在-190～0℃范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为：0℃时的电阻值t℃时的电阻值A、B、C分度系数其中：A=3.96847×10-2/℃；

B=-5.847×10-7/℃2；

C=-4.22×10-12/℃3)可以看出，它们的高次项很小。铂电阻在0~100℃时的最大非线性偏差小于0.5℃；R0不同，Rt与t的关系也不同。铂容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定。铂电阻的输出—输入特性接近线性，且测量精度高，所以它能用作工业测温元件和作为温度标准。按国际温标IPTS-68规定，在-259.34℃~630.73℃温域内，以铂电阻温度计作基准器。温度/℃0102030405060708090电阻值/Ω-2007.95-10027.4425.5423.6321.7219.7917.8515.9013.9311.959.96-046.0044.1442.3440.5038.5636.8034.9433.0834.2129.33046.004708249.6451.4553.2655.0656.8658.6560.4362.2110063.9965.7667.5269.2871.0372.7874.5276.2677.9979.7120081.4383.1584.8686.5688.2689.9691.6493.3395.0096.6830098.34100.01101.66103.31104.96106.60108.23109.86111.84113.10400114.72116.32117.93119.52121.11122.70124.28125.86127.94128.99500130.55132.10133.65135.20136.73138.27139.79141.32142.83144.34600145.85147.35148.84150.33151.81153.30

WZB型铂电阻分度表R0=46Ω规定分度号BA-1分度系数A=3.39648710-2/℃；

B=-5.84710-7/℃2；C=-4.2210-12/℃4温度/℃0102030405060708090电阻值/Ω-20017.28-10059.6555.5251.3847.2143.0238.8034.5630.2925.9821.65-0100.0096.0392.0488.0484.0380.1075.9671.9167.8463.750100.00103.96107.91110.85115.78119.70123.60127.49131.37135.24100139.10142.95146.78150.6054.41158.21162.00165.78169.54173.29200177.03180.75186.48188.10191.88195.56159.23202.89206.53210.07300213.79217.40221.00224.59228.17231.76235.29238.83242.36245.88400249.38252.88256.36259.83263.29266.78270.18272.60277.01280.41500283.86287018290.55293.91297.25300.58303.90307.21310.50313.79600317.06320.22323.57326.80330.03333.25WZB型铂电阻分度表R0=100Ω规定分度号BA-2分度系数A=3.39648710-2/℃；

B=-5.84710-7/℃2；C=-4.2210-12/℃4在-50～150℃范围内，铜电阻化学、物理性能稳定，输出—输入特性接近线性，价格低廉。2.铜热电阻铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为：铜电阻的缺点是电阻率低，体积大，热惯性大，在100℃以上时易氧化。⑴铟电阻铟电阻用99.999%高纯度的铟丝绕成电阻，适宜在-269～-258℃温度范围内使用。实验证明，在4.2K~15K范围内，铟电阻灵敏度比铂电阻高10倍。铟电阻的缺点是材料软，复制性差。3.其他热电阻⑵锰电阻锰电阻适宜在-271℃～-210℃温度范围内使用。其优点是在2K~63K温度范围内电阻随温度变化大，灵敏度高。锰电阻的缺点是材料脆，难拉成丝。⑶碳电阻碳电阻适宜在-273℃～-268.5℃温度范围内使用。其优点是热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便。但是碳电阻的热稳定性较差。

Rt为热电阻,r1

、r2、r3为引线电阻,R1

、R2为两桥臂电阻,R1=R2,R3为调整电桥的精密电阻。M表内阻很大，故电流近似为零。当UA=UB时电桥平衡。若使r1=r2,则R3=Rt,就可消除引线电阻的影响。1.三线式电桥连接法6.2.3热电阻测量电路R1R2R3Rtr1r3r2EABM图6-19三线接法2.四线式电阻测量电路图6-20四线式测量线路r1r2r3r4RtIVIMEM电压表恒流源因IVIM,IV0,又EM=E+IV（r2+r3

）由上式知引线电阻r1~r4将不引起测量误差。电压表的值EM可认为是热电阻Rt上的压降，据此可计算出微小温度变化。思考与讨论常用热电阻有哪些？热电阻的测量电路有哪几种？6.3热敏电阻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，特别适于在-100℃～300℃之间测温。热敏电阻的缺点是互换性较差，另外其热电特性是非线性的。6.3.1热敏电阻的结构热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（Co）、锰（Mn）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高温烧结而成。其形状有珠状、片状、杆状、垫圈状等。（b）片状（c）杆状（d）垫圈状图6-21热敏电阻的结构类型（a）珠状玻璃壳热敏电阻引线6.3.2热敏电阻的基本参数1.标称电阻RH标称电阻值是热敏电阻在25±0.2℃、零功率时的阻值，也叫冷电阻。2.材料常数BN材料常数是表征负温度系数(NTC)热敏电阻器材料的物理特性常数。BN值决定于材料的激活能∆E，它们之间满足下面的函数关系式3.电阻温度系数热敏电阻的温度每变化1℃时电阻值的变化率叫做热敏电阻的电阻温度系数。即：4.耗散系数H热敏电阻器温度每变化1℃所耗散的功率变化量。5.时间常数τ热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的63.2％所需的时间称为热敏电阻的时间常数6.最高工作温度Tmax热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度。

热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数型(PTC)、负温度系数型(NTC)、和临界温度系数型(CTR)。CTR临界热敏电阻有一突变温度，此特性可用于自动控温和报警电路中。6.3.3热敏电阻的主要特性1081021041060图6-22三类热敏电阻的温度特性温度（℃）电阻（Ω）NTCCTRPTC4080120160180NTC热敏电阻的阻值-温度关系为：1.NTC热敏电阻的电阻—温度特性BN

为热敏电阻的材料常数，一般BN

为2000~600K，高温下BN

将增大。或表示为：图6-23NTC热敏电阻器的电阻--温度曲线-101/T(ºC-1)10510410310201030507085100120LnRT图中直线的斜率就是热敏电阻的材料常数BN。不同材料的BN不同，右图为不同BN的RT/R25—T特性曲线RT/R2502550751250.51.522.531(1，25ºC)T（ºC）100为了使用方便，常取环境温度为25℃作为参考温度（即T0=25℃），则NTC热敏电阻器的电阻—温度关系式可写成：2.PTC热敏电阻的电阻—温度特性PTC的电阻—温度特性是利用正温度系数热敏材料在居里点附近结构发生相变引起导电率突变获得的，如图6-25所示。图6-25PTC的电阻—温度曲线T225010001000010010020015010050T（℃）T1电阻（Ω）由实验得到：在工作温度范围内，PTC的电阻—温度特性可近似用下面的公式表示：对上式取对数得：图6-26lnRT

--T特性曲线

mRTLnRT2LnRT1T2T1lnRrBPβLnRT0mr图线的斜率即为BP：对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串或并联构成电阻网络(常称为线性化网络)代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系。6.3.4热敏电阻输出特性的线性化处理

图中热敏电阻Rt与补偿电阻Rx串联,串联后的等效电阻R=Rt+Rx

，只要Rx的阻值选择适当，可使温度在某一范围内与电阻的倒数成线性关系，所以电流I与温度T成线性关系。ERxRt串联补偿电路RxRt+RxRt温度电阻Rt//RxRxRt电阻温度并联补偿电路RxRt图中热敏电阻Rt与补偿电阻Rx并联，其等效电阻R=Rt//Rx

。由图可知，R与温度的关系曲线便显得比较平坦。因此可以在某一温度范围内得到线性的输出特性。型号用途标准阻值25°C(kΩ)额定功率

(W)时间常数

(s)耗散系数mw/°CMF-11温度补偿0.01~150.5605MF-13温度补偿0.82~3000.25804MF-16温度补偿10~10000.51157~7.6RRC2测控温6.8~10000.4207~7.6RRC7B测控温3~1000.030.57~7.6RRP7~8作可变电阻器30~600.250.40.25RRW2稳定振幅6.8~5000.030.50.2常用热敏电阻思考与讨论热敏电阻有哪几种类型？解释它们的电阻——温度特性。6.4

PN结温度传感器利用PN结的结电压随温度成近似线性变化这一特性实现对温度的检测、控制和补偿等功能。可直接用半导体二极管或将半导体三极管接成二极管做成PN结温度传感器。这种传感器的测温范围为-50℃至150℃，与其他的温度传感器相比有较好的线性度，且尺寸小、响应快、灵敏度高、热时间常数小，因此用途较广。6.4.1温敏二极管、三极管1.温敏二极管的工作原理理想二极管的伏安特性可近似表示为：只要满足正向电压UF大于几个kT/q，其正向电流IF与UF及温度T之间的关系可表示为：两边除以Is

，取对数得：所以上式表明：在一定电流下，二极管正向电压随温度的升高而降低，呈负温度系数。（只要它们工作在PN结空间电荷区中的复合电流和表面漏电流可以忽略）经研究表明，对于锗和硅二极管，在相当宽的一个温度范国内．其正向电压与温度之间的关系与上式吻合。对于不同的工作电流，温敏二极管的UF-T关系是不同的；但是UF-T

之间总是线性关系。例如2DWMl型硅温敏二极管，在恒流下，UF-T

在-50~+150℃范围内呈很好的线性关系。另外：上式只对扩散电流成立，但实际二极管的正向电流还包括空间电荷区中的复合电流和表面复合电流。故实际二极管的电压—温度特性是偏离理想情况的。2.温敏三极管的工作原理利用三极管发射结正向电压Ube随温度上升而下降的原理。由于在发射结正向偏置下，虽然发射结电流也包括扩散电流、空间电荷的复合电流和表面复合电流三种成分，但只有其中的扩散电流能够到达集电极形成集电极电流Ic，而另两种电流则作为基极电流漏掉。因此，晶体管的Ic—Ube关系比二极管的IF—UF关系更符合理想情况，所以表现出更好的电压—温度线性关系。NPN晶体管的基极—发射极电压与温度T和Ic的函数关系为：若Ic恒定，则Ube仅随温度T成单调单值函数变化。基本测温电路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。如此连接的目的是使发射结为正偏。而集电结几乎为零偏。C虚地RVA+-ERC-Ube图6-28温敏晶体管测温电路零偏的集电结使得集电结电流中不需要的空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。因此，集电极电流完全由扩散电流成分组成。集电极电流Ic只取决于集电极电阻RC和电源E，保证了温敏晶体管的Ic恒定。电容C的作用是防止寄生振荡。

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。6.4.2集成温度传感器晶体管的Ube在Ic恒定条件下，认为与温度呈线性关系；但实际上关系式中仍然存在非线性项，另外这种关系也不直接与任何温标(绝对、摄氏、华氏等)相对应。此外温敏晶体管Ube值在同一生产批量中，可能有±100mv的离散性。1.基本原理因此集成温度传感器中均采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件，采用下图的电路形式，使其直接给出正比于绝对温度的严格的线性输出。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。图6-29差分对管电路IC2VＴ1R1+EΔUbeR2IC1VＴ2由于两管集电极面积相等，因此，集电极电流比应等于集电极电流密度比，即：故只要保持两管的集电极电流密度之比不变，R１上的电压ΔUbe将正比于绝对温度T。若两管增益很高，则基极电流可以忽略不计，那么集电极电流等于发射极电流，则即Ic2T。因此R2上的电压也正比于绝对温度T。又因为Ic１/Ic2保持不变，则Ic１T，于是电路总电流I=（Ic１+Ic2）T。

集成温度传感器按输出信号可分为电压型和电流型两种。电压型的温度系数约为10mV/℃；电流型的温度系数约为1μA/℃。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性关系。2.集成温度传感器的信号输出方式右图所示电路常被称为电流镜PTAT核心电路。该电路是在差分对管电路的基础上，用两只PNP管分别与ＶT1和ＶT2串联组成所谓的电流镜，两PNP管具有完全相同的结构和性能，且发射极偏压相同，故流过ＶT1和ＶT2的集电极电流在任何温度下始终相等。(1)电流型集成温度传感器图6-30电流输出型电路VＴ4+-VＴ3R1I1I2VＴ1VＴ2若PTAT核心电路中两管增益无穷大，则可忽略Ic随集电极电压Ube变化和基极电流的影响。为使ＶT1和ＶT2工作在不同的Jc下，两管必须采用不同的发射极面积。设ＶT1和ＶT2发射极面积之比γ＝８，则两管的电流密度比为其面积的反比。只要在电路的两端施加高于2Ube的电压，R1上得到的电压为：故流过该电路的总电流为：若电阻R1的温度系数为零，则电路的总电流正比于绝对温度。若取R1=358Ω，代入上式可求得电路的输出灵敏度为1μA/K。美国AD公司生产的AD590、我国产的SG590都是典型的电流输出型温度传感器。它们的基本电路与图6-30一样，只是还增加了一些附加电路以提高其性能。AD590和AD592是电流输出，二端子IC温度传感器，测温范围为-55℃~+150℃，灵敏度为1μA/K，Vcc为+4V~+30V。AD590是利用温度系数很小的电阻把PTAT电压变换成PTAT电流。利用晶体管的阻抗变换特性使集电极获取高阻抗电流输出，从而可串接阻抗很大的负载把信号放大，使电路的总电流与温度系数很小的电阻中的电流成固定比例关系，而与其制造工艺无关