传感器与检测技术第五章热电传感器

传感器与检测技术第五章热电传感器第一页，共三十八页，编辑于2023年，星期六第一节热电偶的基本原理一、热电效应1.塞贝克效应（1821/德国）两种不同金属导线组成一闭合回路，若两接头处维持一温差，回路中就有电流和电动势产生。第二页，共三十八页，编辑于2023年，星期六2.珀尔帖效应将同温度的两种不同的金属互相接触，由于不同金属内自由电子的密度不同，在它们的接点处会产生接触电动势。⑵.冷端接触电动势⑴.热端接触电动势第三页，共三十八页，编辑于2023年，星期六3.汤姆逊效应同一种导体因其两端的温度不同会产生温差电势。⑴.导体A温差电动势⑵.导体B温差电动势4.回路总电势第四页，共三十八页，编辑于2023年，星期六二、测温原理当热电偶导体A和B材料一定时，回路总电动势成为热端和冷端的温度的函数。在实际测温中，把冷端置于某一恒温下，此时冷端接触电势为一常数，回路总电势仅决定于热端接触电势，即只与热端温度有关，两者之间是单值的函数关系。则：当：第五页，共三十八页，编辑于2023年，星期六二、热电偶的工作特性1.基本特性①当组成热电偶的两导体性能相同时，则无论接触点处温度如何，热电偶回路总电势为零。第六页，共三十八页，编辑于2023年，星期六②当热电偶两接触点处的温度相等时，尽管组成热电偶的两导体材料不同，热电偶回路总电势为零。由热电效应原理分析可知，无论是哪一种类型的热电偶，产生回路电势的必要充分条件是：第七页，共三十八页，编辑于2023年，星期六2.基本定律①中间导体定律当插入第三种金属时，只要两端温度相同，就不会使热电偶的电动势发生变化。图5－4中间导体定律第八页，共三十八页，编辑于2023年，星期六②标准电极定律

金属A和B之间的电动势等于金属A、C和C、B组成热电偶的热电动势之和。（C为标准电极）导体C被称为标准电极，通常用纯铂（Pt）作标准电极第九页，共三十八页，编辑于2023年，星期六③中间温度定律

热电偶在接触点温度为T,T0时的回路电势，等于该热电偶在接触点温度为T,Tn和Tn，T0时回路电势之代数和。EAB（T,T0）＝EAB（T,Tn）+EAB（Tn，T0）

若T0＝0，则有EAB（T，0）＝EAB（T，Tn）+EAB（Tn，0） 测量环境温度

T0<T<Tn

查分度表

第十页，共三十八页，编辑于2023年，星期六三、热电偶冷端温度补偿

为什么要进行冷端温度补偿？

1.在测温时，冷端温度T0随着环境温度变化，因而产生测量误差，故应采取补偿措施。2.分度表是在T0＝0℃时测得的，使用时，只有满足T0＝0℃的条件才能使用分度表。第十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期六常用的修正或补偿方法有如下几种：一、冰浴法

二、冷端温度修正法

EAB（T，0）＝EAB（T，Tn）+EAB（Tn，0）

将热电偶冷端置于冰水中，使冷端保持恒定的0℃，它可以使冷端温度误差完全消失。第十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期六三、冷端补偿器法（电桥补偿法）利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势。图5－５电桥补偿示意图令ΔUab＝ΔEAB（T0）

得U0＝EAB（T）－EAB（20℃）U0＝EAB（T）－〔EAB（T0）+ΔEAB（T0）〕+ΔUab

第十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期六四、延伸导线法

五、采用不需要冷端补偿的热电偶

冷端温度在300℃以下的镍钴—镍铝热电偶，50℃以下的镍铁—镍铜热电偶及铂铑30—铂铑6热电偶

第十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期六六、补正系数修正法

工程上经常采用补正系数实现补偿。设工作端温度为T1，冷端温度为T0，现场实际温度为T，则T＝T1+kT0 （5－13）式中k——为热电偶温度修正系数，其值决定于热电偶种类和被测的温度范围。七.用集成温度传感器AD590作为冷端补偿元件

第十五页，共三十八页，编辑于2023年，星期六八.冷端温度的智能补偿利用单片机或计算机，可以实现温度监测、控制、误差修正与冷端温度补偿一体化和智能化。

图5-7温度检测系统

第十六页，共三十八页，编辑于2023年，星期六第四节热电偶测温电路一、测量某点温度图5－8热电偶测一点温度第十七页，共三十八页，编辑于2023年，星期六二、测量两点温度差图5－8热电偶测两点温差第十八页，共三十八页，编辑于2023年，星期六三、测多点温度的平均值与热电偶相配套的测量与显示仪表：毫伏计、电子电位差计、数字测温指示仪第十九页，共三十八页，编辑于2023年，星期六第二节

电阻温度传感器

热电阻或热敏电阻都是利用材料的电阻对温度敏感的特性制成的电阻温度传感器，常用于-200℃~500℃范围内的温度测量。在低温区域，热电偶产生的热电势小，测量精度较低；采用热电阻可以获得很高的测量精度，而且不存在冷端补偿问题，因而在工业中被广泛应用。

一、金属热电阻常用铂热电阻、铜热电阻。第二十页，共三十八页，编辑于2023年，星期六 铂金属易于提纯，高温下物理、化学性能都能稳定，是目前制作热电阻的最好材料，常用来制作标准测温器件。

铜是一种价格便宜、纯度可以获得很高的热电阻材料，在-50℃~150℃范围内灵敏度高，而且线性好，因而在此温度范围内采用铜热电阻比采用铂热电阻好，其缺点是在较高的温度下铜易氧化，因而只能用于低温及无侵蚀性介质中；铜的电阻率比较小，热电阻体积较大。

铁和镍电阻温度系数较高，电阻率大，可制作小体积、高灵敏度的热电阻，其缺点是易氧化、不易提纯、化学稳定性差，且热电阻与温度的线性关系差，故目前尚不多用。第二十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期六二、半导体热敏电阻

半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型，即负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTC）。

大部分NTC和部分PTC可用做传感器感知温度的“探头”，即感温元件；其身也可能作为一个独立和完整的温度传感器而直接用于电路的补偿。

第二十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期六NTC广泛用于通信、军事、航空、航天、医疗、汽车电子、自动化设施的温度计、控温仪等装置。高温NTC传感器则用于汽车等发动机排气检测、工业过程控制、电热炊具、煤气系统、空调、暖气系统、宾馆与住宅防火报警系统，以及复印机、打印机等办公自动化设施。

PTC也可用于工业自动化、汽车等领域的液位计、温度测控仪和报警器。

第二十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期六电动机过热保护装置中的应用

图5-11电动机过热保护装置

第二十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期六第三节半导体温度传感器

半导体材料和器件的许多性能参数，如电阻率、PN结的反向漏电流和正向电压等，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性能的温度依赖性，实现对温度的检测、控制和补偿等功能。按照工作机理，半导体温度传感器可分为电阻性和PN结两大类，它们分别以半导体材料的电阻率和PN结特性对温度的依赖关系作为工作基础。

一、半导体热敏电阻器二、温敏二极管及其应用三、温敏晶体管及其应用第二十五页，共三十八页，编辑于2023年，星期六一、温敏二极管及其应用

PN结型温敏器件，它是根据半导体PN结的正向电压与温度之间具有良好的线性关系，实现温度检测。

图5－122DWM1U—T特性当正向电流I一定时，PN结正向电压U与被测温度T之间呈现一定的线性关系；且随着温度的升高，正向电压将下降，表现出负的温度系数，这就是温敏二极管测温的基本原理

第二十六页，共三十八页，编辑于2023年，星期六典型应用：

这是一个简易温度调节器，用于液氮气流式恒温器中77~300K范围内的温度调节器。

第二十七页，共三十八页，编辑于2023年，星期六二、温敏晶体管及其应用

由于分析，二极管作为温敏器件是利用PN结在恒定的正向电流下，其正向电压与温度之间的近似线性关系。实际上温敏二极管电压—温度特性的线性度是很差的，原因是正向电流中除了PN结的扩散电流之外，还应包括漂移电流及空间电荷区的复合电流，而在上述分析中只考虑扩散电流。采用晶体管代替二极管时，由于晶体管发射结正向偏置条件下，虽然发射极电流也包括上述三种成份，但只有扩散电流到达集电极形成集电极电流，而另两个电流成分则作为基极电流漏掉，对集电极电流无影响，使得发射结偏压与集电极电流之间有较好的线性关系，并因此能表现出更好的电压—温度特性。

第二十八页，共三十八页，编辑于2023年，星期六集电极电流Ic是与温度基本无关的多数载流子扩散运动形成的电流，因而当IC恒定时，UBE与T呈单调和单值变化。且UBE随T的升高而近似线性下降，其下降幅度约为2.2mv/℃。

温敏晶体管具有成本低、性能好、使用方便等优点，因而比温敏二级管应用范围广，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。

第二十九页，共三十八页，编辑于2023年，星期六第四节集成温度传感器

集成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。优点是在于小型化、使用方便和成本低廉。商品化的集成温度传感器已经广泛应用于需要温度监测、控制和补偿的许多场合。

第三十页，共三十八页，编辑于2023年，星期六分类：1.电压型：直接输出电压，且输出阻抗低，易于读出或控制电路接口。2.电流型：电流输出型输出阻抗极高，因此可以简单地使用双股绞线进行数百米远的精密温度遥感或遥测，而不必考虑长馈线上引起的信号损失和噪声问题。也可以用于多点温度测量系统中，而不必考虑开关或多路转换开关或多路转换器引入的接触电阻造成的误差。频率输出型具有与电流输出型相似的特点。

3.频率输出型器件：具有与电流输出型相似的特点。第三十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期六

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99个人小广告：第三十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期六１、AD590型温度传感器简介

美国ＡＤ公司，电流输出型集成温度传感器，其输出电流与绝对温度成正比（1μA/K），具有恒流特性，测温范围-50℃~+150℃，电源电压为4～30Ｖ。当25℃（298.2Ｋ）时，能输出298.2μA的电流。在电源电压4～30Ｖ内，该器件为温控电流源，其电流ＫＴ为标度因子，灵敏度1μA/K；ＴＫ为冷端绝对温度，ＴＫ＝（273.2+t）Ｋt为摄氏温度。

第三十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期六这种传感器的典型参数和特点如下：

（1）线性电流输出：1μA/K；（2）工作温度范围：-50℃~+150℃（3）两端器件：电压输入，电流输出；（4）输出阻抗高达１０ＭΩ以上；（5）激光微调使定标精度达±０.５℃；（6）整个工作温度范围内非线性误差小于±０.５℃（7）工作电压范围：4～30Ｖ；（8）器件本身与外壳绝缘。

第三十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期六２.典型应用

（1）基本温度测量