传感器热电式传感器

第6章热电式传感器温度是表示物体冷热程度的物理量，是一个十分重要的物理参数，无论在工农业生产、科学研究、国防和人们日常生活等各领域，温度的测量和控制是极为重要的课题。所以在种类繁多的传感器中，在产品和应用方面，温度传感器都处前列。热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。它利用传感元件的电磁参数随温度变化的特性来达到测量的目的。例如将温度转化为电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可由这些电参数的变化来表达所测温度的变化。在各种热电式传感器中，以把温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中将温度转换为电势大小的热电式传感器叫做热电偶，将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。这两种热电式传感器目前在工业生产中已得到广泛的应用。本文档共80页；当前第1页；编辑于星期一\9点41分另外利用半导体PN结与温度的关系，所研制的PN结型温度传感器在窄温场中，也得到了十分广泛的应用。对温度传感器的要求是：灵明度高、线性好、稳定性好、重复性好、工作范围宽、互换性好、响应快、尺寸小、成本低、使用方便等指标来衡量。温度不能直接测量，但物体的许多属性都随温度变化，因此，通过其他物理量间接测量温度。原则上，物体的属性，只要随温度变化而发生单调的、显著的、可重复的变化，都可以用于温度测量。温敏器件最常用的物理量包括体积、压力、电阻、磁化率和热电动势等，分别被用来制成气体温度计、液体温度计、铂电阻温度计、热电偶温度计和半导体温度计等。本文档共80页；当前第2页；编辑于星期一\9点41分6.1热电偶温度传感器6.1.1热电偶测温原理热电偶传感器是一种能将温度转换成电势的装置。目前在工业生产和科学研究中已得到广泛的应用，并且已经可以选用标准的显示仪表和记录仪表来进行显示和记录。将两种不同材料的导体，组成一个闭合回路，如图6.1所示。如果两端点的温度不同，则在两者间产生一电动势，这个电势的大小和方向与两种导体的性质和两个结点温度差有关，这一温度现象称为热电效应，有时也称温差电效应。由两种导体组成的回路叫热电偶，组成热电偶的A、B两种导体叫热电级，两个结点，一个称为工作端或热端（t），另一个叫自由端或冷端（t0）。热电偶产生的电势Eab称为热电势或温差电势。如果图中，A为正极，

本文档共80页；当前第3页；编辑于星期一\9点41分B为负极，且t>，则产生的热电势为

(6.1)

式中：t—热端温度（℃）；—冷端温度（℃）由此可知，用热电偶测温，有两个重要的问题要解决，即补偿导线和冷端温度补偿。本文档共80页；当前第4页；编辑于星期一\9点41分图6-1热电效应本文档共80页；当前第5页；编辑于星期一\9点41分6.1.2热电势的测量上述的热电偶是指两个电极组成的闭合电路。当要测量此热电势时，实际最简单的测量线路如图6-2所示。这时回路中除热电极A、B外，还有测量仪器M和谅解导线C、D。那么，此时M所测到的电势是否与式（6-1）所表示的相同呢？这时有条件的。如果两连接线C、D材料相同，并且两倒显得接入点温度对应相同，即，且与热电极相接的一端温度与热电偶冷端温度相同，即，则根据热电偶的基本定律可知，导线C、D和仪表M的接入不影响原热电偶的热电势，M所测得的电势即为原热电偶的热电势；如果C、D材料不同，情况比较复杂，除接入点温度满足上述要求外，导线C、D材料在要求的温度范围内本文档共80页；当前第6页；编辑于星期一\9点41分，还必须满足“热电性能一致性”的要求，即（6.2）

显然，热电偶的连接导线是不能任意取的，不同的热电偶，所需配用的连接导线夜不同，这种线称为补偿导线。随便用连接线，将产生附加的测量误差。本文档共80页；当前第7页；编辑于星期一\9点41分6-2热电偶工作原理图本文档共80页；当前第8页；编辑于星期一\9点41分6.1.3热电偶的基本定律中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体，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。如图6-3，在热电偶回路中接人第三种导体C。设导体A与B接点处的温度为t，A与C、B与C两接点处的温度为t0，则回路中的总电动势为

(6-3)本文档共80页；当前第9页；编辑于星期一\9点41分图6-3热电偶中接入第三种导体本文档共80页；当前第10页；编辑于星期一\9点41分如果回路中三接点的温度相同，即t＝t0，则回路总电动势必为零，即或者(6-4)将式(5-7)代人式(5-6)，可得(6-5)可以用同样的方法证明，断开热电偶的任何一个极，用第三种导体引入测量仪表，其总电动势也是不变的。

本文档共80页；当前第11页；编辑于星期一\9点41分热电偶的这种性质在实用上有着重要的意义，它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。标准电极定律：如果两种导体分别与第三种导体组成热电偶，并且热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。如图6-4，导体A、B分别与标准电极C组成热电偶，若它们所产生的热电动势为已知，即

本文档共80页；当前第12页；编辑于星期一\9点41分那么，导体A与B组成的热电偶，其热电动势可由下式求得(6-6)图6-4三种导体分别组成热电偶本文档共80页；当前第13页；编辑于星期一\9点41分标准电极定律是一个极为实用的定律。可以想象，纯金属的种类很多，而合金类型更多。因此，要得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势，其工作量是极大的。由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，我们通常选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可根据式(6-6)直接计算出来。例如：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，则镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势应为2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV本文档共80页；当前第14页；编辑于星期一\9点41分中间温度定律：热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数和。中间温度定律可以用下式表示(6-7)中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明：若热电偶的热电极被导体延长，只要接入的导体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。本文档共80页；当前第15页；编辑于星期一\9点41分中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明：若热电偶的热电极被导体延长，只要接入的导体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。本文档共80页；当前第16页；编辑于星期一\9点41分6.1.4热电偶冷端温度误差及其补偿由式（6-1）表明，热电势是两个接点温度的函数。但是，通常要求测量的是一个热源的温度，或者两个热源的温度差，为此，必须固定其中一个接点的温度。对于任何一种实际的热电偶并不是由精确的关系式表示其特性，而是用特性分度表。为了便于统一，一般手册上所提供的热电偶特性分度表是在保持热电偶冷端温度0℃的条件下，给出热电势与热端温度的数值对照。因此，当使用热电偶测量温度时，如果冷端温度保持0℃，则只要正确地测得电势，通过对应分度表，即可查的所测得温度。但在实际测量中，热电偶冷端温度将受环境温度或热源温度的影响，并不为0℃，为了使用特性分度表，对热电偶进行标定，实现对温度的准确测量。对热电偶冷端温度变化所引起的冷端温度误差，长采用下述补偿方法。本文档共80页；当前第17页；编辑于星期一\9点41分1.0℃恒温法将热电偶的冷端保持在0℃容器内，如图6-3所示，此法仅适合于实验室内，但它能使冷端温度误差得到完全的解决。2.冷端恒温法将热电偶冷端置于一恒温器内，如恒定温度为，则冷端误差△为△=（6.3）由式可见，它虽不为零，但是一个定值。只要在回路中加入相应的修正电压，或调整指示装置的起始位置，即可达到完全补偿的目的。

本文档共80页；当前第18页；编辑于星期一\9点41分图6-3冰点冷端恒温法本文档共80页；当前第19页；编辑于星期一\9点41分3.冷端补偿器法工业上常采用冷端补偿。冷端补偿器是一个四臂电桥，如图6-4所示，其中三个桥臂电阻的温度系数为零，另一个桥臂采用铜电阻，放置于热电偶的冷端处。当℃时，电桥平衡；当℃时，电桥将产生相应的不平衡电压。电桥的输出△V与热电势串联，只要满足△V=(6.4)则热电偶的冷端误差变暖成了定值。因此，只要再采用定值误差的修正（恒温法），即可获得冷端温度误差的完全补偿。本文档共80页；当前第20页；编辑于星期一\9点41分图6-4冷端补偿器的应用本文档共80页；当前第21页；编辑于星期一\9点41分4.采用补偿导线当然电偶冷端温度由于受热端温度的影响，在很大范围内变化时，则直接采用冷端温度补偿法将很困难。因此，应先采用前述的补偿导线（对于廉价热电偶，可以采用延长热电极的方法），将冷端远移到温度变化比较平缓的环境中，再采用上述的补偿方法进行补偿。5.采用不需要冷端补偿的热电偶目前已知道：镍钴-镍铝热电偶在300℃以下，镍铁-镍铜在50℃以下，铂-铂在50℃以下的热电势均非常小。只要实际的冷端温度在其范围内，使用这些热电偶可以不考虑冷端误差。本文档共80页；当前第22页；编辑于星期一\9点41分6.1.5常用热电偶的特点虽说许多金属相互接合会产生热电效应，但是能做成适于测量的实用热电偶为数还不多，目前常用的热电偶及其特性见表6.1。本文档共80页；当前第23页；编辑于星期一\9点41分表6-1常用热电偶种类及性质本文档共80页；当前第24页；编辑于星期一\9点41分由于热电偶能直接进行温度-电势转换，体积小、测量范围宽、耐用，因此，获得了十分广泛的应用。热电偶虽然是一种古老的传感器，但因有如下特点，至今仍在测温领域里得到广泛应用。（1）结构简单，制造容易，使用方便，热电偶的电极不受大小和形状的限制，可按照需要进行配制。（2）因为它的输出信号为电动势，因此测量时，可不要外加电源。输出灵敏度在室温下为毫伏数量级。（3）测量范围广，可从269—1800OC。（4）测量精度高，热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响。（5）便于远距离测量、自动记录及多点测量。本文档共80页；当前第25页；编辑于星期一\9点41分6.1.6常用热电偶的应用举例(一)热电偶测金属表面温度表面温度测量是温度测量的一大领域。金属表面温度的测量对于机械、冶金、能源、国防等部门来说是非常普通的问题。例如，热处理的锻件、铸件、气体水蒸汽管道、炉壁面等表面温度的测量。测温范围从几百摄氏度到一千多摄氏度。而测量方法通常利用直接接触测温法。一般在200-300℃以下温度时，可采用粘接剂将热电偶的结点粘附于金属壁面，工艺比较简单。在温度较高且测量精度高和时间常数小的情况下，常采用焊接的方法，将热电偶头部焊于金属壁面。本文档共80页；当前第26页；编辑于星期一\9点41分如图6-5热电偶测量系统本文档共80页；当前第27页；编辑于星期一\9点41分(二)测控应用如图6-5中所示为常用炉温测量采用的热电偶测量系统图。图中由毫伏定值器给出设定温度的相应毫伏值，如热电偶的热电势与定值器的输出（毫伏）值有偏差，则说明炉温偏离给定值，此偏差经放大器送入调节器，再经过晶闸管触发器去推动晶闸管执行器从而调整炉丝的加热功率，消除偏差，达到温控的目的。

本文档共80页；当前第28页；编辑于星期一\9点41分6.2热敏电阻温度传感器热敏电阻是材料的电阻随温度显著变化的器件。它大多是由金属氧化物半导体材料制成，也有由单晶半导体、玻璃和塑料制成。由于热敏电阻器具有体积小、结构简单、灵敏度高、稳定性好等优点，所以广泛地用于温度测量和温度控制中。6.2.1热敏电阻的基本类型热敏电阻按其阻值随温度变化的特性，可分为负温度系数热敏电阻NTC、正温度系数热敏电阻PTC、临界温度电阻CTR三种类型，它们的热电特性如图6-6所示。本文档共80页；当前第29页；编辑于星期一\9点41分图6-6三种热敏电阻的热电特性曲线本文档共80页；当前第30页；编辑于星期一\9点41分由图可知，PTC是当温度越过某一数值后，电阻率随温度增高而迅速地增大，用于窄温区范围内的温度检测和温度控制，如电子驱蚊器的加热芯片，电热毯的控温元件等，PTC作温度补偿元件夜获得应用。CTR在临界温度附近（约68℃）电阻率产生突变，突变数量级为2~4，可作温度开关用。NTC的电阻率随温度增加比较均匀地减小，这种较均匀的感温特性，适用于作较宽范围的温度检测传感器，是构成热敏传感器的主要元件。目前实用化的NTC材料通常是等2~4种成分的氧化物烧结体，有时为了调整电阻率及温度系数也渗入了Ti、Al的氧化物。本文档共80页；当前第31页；编辑于星期一\9点41分6.2.2NTC的基本特性

1.热电特性：R=f(t)图6-5中的NTC的R=f(t)曲线是一条指数曲线，可用下式表示：Rt=式中：Rt—绝对温度T时的实际电阻值A,B—由材料和工艺所决定的常数，它们分别具有与电阻和温度相同的量纲。当已知温度T0的电阻为时，可将式（6-5）改写成材料常数B又称为热灵敏指标，可通过实验求得，通常B=2000~5000K。和是在一定温度下，采用引起阻值变化不超过

的测量功率所测出的电阻值，这样可忽略自身发热变化所产生的误差。一般将在环境温度25℃时测得的电阻值，作为热敏电阻的标称电阻值。本文档共80页；当前第32页；编辑于星期一\9点41分表示热敏电阻热电特性的另一个重要物理参数是电阻温度系数，它表示温度变化1℃（或1K）的阻值相对变化量，即=由式（6-6）可求得=(6.7)式中的负号表示NTC的阻值随温度的增加而减小。与热力学温度T的平方成反比，说明在低温下的数值很大，NTC有很高的温度灵敏度。若设B=4000K，T=323.15K，则=，约为铂电阻的10倍。本文档共80页；当前第33页；编辑于星期一\9点41分2.伏安特性：v=f(I)将NTC接上电流源，并测出它两端的电压，即可得到如图6-7所示的伏安曲线。由图可见，在加热电流I比较小时，v=f(I)是一条直线，电阻值完全由外界被测温度所决定。随着加热电流的增大，NTC自身温度上升，阻值下降，两端电压不再按比例随电流增大而增加。但在一个小区域内，电流的增大与电阻的减小相互补偿，使电压基本保持不变。电流继续增大，使电阻值下降幅度超过电流增大幅度，电压降随电流的增大而下降。由图可知，随着外界被测温度的提高，伏安曲线沿恒定功率直线（图中P=10mW）向右下方移动，使v=f(I)线性范围变宽。显然，当NTC作测温元件使用时，应使它在v-I线性范围内工作。本文档共80页；当前第34页；编辑于星期一\9点41分图6-7NTC的伏安特性曲线本文档共80页；当前第35页；编辑于星期一\9点41分3.热响应特性热敏电阻测温的过程都是将被测对象的热能通过接触传热或者辐射传热的方式传递给敏感元件，一起敏感元件自身的温度变化，将自身温度变化转为自身电阻的变化，这个过程是需要时间的，所以要求测量器件要游良好的热响应特性。热敏电阻的热特性常用耗散常数H和时间常数来表示。耗散常数表示热敏电阻在电功率作用下，自身温度变化1℃所耗散的功率变化量，即H=△P/△TH的大小与电阻体的结构、形状、所处介质的种类和状态有关。每种热敏电阻均有一个在规定的技术条件下，长期连接工作所允许的最高温度，对应所耗散的功率称为热敏电阻的额定功率。本文档共80页；当前第36页；编辑于星期一\9点41分由于热敏电阻具有一定的热容量C，因此它有一定的热惰性，即随温度改变需要一定的时间，通常用时间常数来表示热惰性的大小。时间常数可定义为：热敏电阻在无功率状态下（即忽略加热电流引起的温升），当外界温度由一个特定值突然改变到另一测试特定值时，电阻体自身温度变化量特定温度之差的63.2％所需时间。两特定温度通常选为85℃和25℃，或者100℃和0℃。热敏内电阻的时间常数与它的热电容C和耗散常数H的大小有关，可表示为=C/H(6.8)热敏电阻用于测温和控温时，一般要求耗散常数大，时间常数小，所以设计时应考虑产品结构，尺寸和材料比热等参数。本文档共80页；当前第37页；编辑于星期一\9点41分6.2.2半导体热敏电阻传感器的组成用于测温的半导体热敏电阻传感器主要是由NTC元件及测量电路组成。如前所述，NTC的电阻系数温度高，电阻率大，不仅有很高的温度灵敏度和分辨率（可达℃），还可以制成极小的尺寸，所以热惯性小，响应速度快，适用于点温、表面温度及快速测温。但目前它的高温性能不好，一般用来测量℃的温度。热敏电阻元件可按使用要求制成棒状、珠状及片状等形状。组成温度传感器的热敏元件，一般被封装在玻璃管外壳内，通过引出线与外电路想连接。如图6-8所示。本文档共80页；当前第38页；编辑于星期一\9点41分图6-8热敏电阻元件的结构本文档共80页；当前第39页；编辑于星期一\9点41分半导体热敏电阻值的变化，一般是采用不平衡电桥电路才测量。图6-9所示是用于半导体热敏电阻传感器的一种测量桥路。图6-9半导体热敏电阻测量桥路本文档共80页；当前第40页；编辑于星期一\9点41分图中为工作选择开关，当开关转到“0”位时，电源比断开。“1”位为校正位置，根据仪表量程，调整量程选择开关的位置及电位器，使电流G指示满刻度。“2”位为工作位置，此时热敏电阻被接入电桥。的阻值被测量温度而改变，使电流计G中的电流随之改变，从而直接读出被测温度数值。由于热敏电阻本身的电阻值大（），并且电阻温度系数也大，所以测量电阻中连接导线电阻的影响可以忽略不计，这样可以简化电路，提高测量精度。本文档共80页；当前第41页；编辑于星期一\9点41分6.2.3提高传感器互换性与线性的方法由于NTC是烧结半导体，所以它的特性参数有一定的离散型。在批量生产中，即使是同一批产品，其标称阻值的离散率也达到％左右，因此这种传感器的互换性较差。此外，热电特性的非线性较大，影响了传感器测量精度的提高。为了克服热敏电阻传感器的上述缺点，改善其性能，可通过在热敏电阻上串并联固定电阻，作成组合式元件来代替单个热敏元件，使组合式元件电路特性参数保持一致并获得一定程度的线性特性。图6-10中给出了几种组合元件及其热电特性曲线。（a）为串联电路，在低温时，由于热敏电阻，使电路总电阻近似等于，而在高温时，，电路的总电阻等于，其热电特性曲线仍是非线性的，但比单个热敏元件要平坦.本文档共80页；当前第42页；编辑于星期一\9点41分（b）为并联电路，它在低温时的电阻为，高温时的电阻为，其热电特性更平坦，且有一个拐点。（c）和（d）所示为混联电路，读者可自行分析，特性曲线均有一个拐点。对于有一个拐点的特性曲线，可用一根通过拐点的切线来近似的取代。本文档共80页；当前第43页；编辑于星期一\9点41分图6-10NTC的几种组合电路及其热电特性本文档共80页；当前第44页；编辑于星期一\9点41分组合电路的设计可按下述方法进行：首先根据互换性与线性要求，给定一定温度时组合电路的电阻值（可作为标称电阻值）和温度系数。根据电路知识计算组合电路中的固定电阻值和，则可得到组合电路的特性曲线和过该定点的切线方程。现以图6-10（c）的组合电路为例。有电路知识可得组合电路总电阻为=+(6.9)当温度时,有(6.10)由电阻温度系数的定义可得d(6.11)本文档共80页；当前第45页；编辑于星期一\9点41分式中：组合电路的电阻温度系数根据式（6-8），将式（6-11）等式左边展开为

=

式中：—的电阻温度系数将上式代入式（6-11）且温度为时，可得(6.12)当给出时的和数值时，由式（6-10）和（6-12）可求出电路中的固定电阻和的数值。然后由式（6-9）可得的特性曲线，并由式（6-11）可求出过给定点的切线方程：本文档共80页；当前第46页；编辑于星期一\9点41分时：==(6.13)用求得的切线来代替特性曲线可实现线性化。例：给定的温度=310K时的总电阻R=2K，温度系数，所采用的NTC的参数为：A=0.1,B=3100K。解：由式（6-10）和式（6-12）可得，由式（6-13）可得通过点（，）的切线方程为。由上面的数据和方程可得到表6-2和图6-11。本文档共80页；当前第47页；编辑于星期一\9点41分表6-2组合电路的阻值和线性误差本文档共80页；当前第48页；编辑于星期一\9点41分图6-11NTC其组合电路的特性曲线本文档共80页；当前第49页；编辑于星期一\9点41分由表和曲线可知，热敏电阻特性线性化只有在相当窄的温度范围内才有意义，并且以降低灵敏度为代价的。用上述方法设计出的组合电路，可使用同一型号传感器都具有同样的标称电阻值和电阻温度系统，从而使传感器可以互换，使显示仪表可以使用不变的标准量程和刻度。本文档共80页；当前第50页；编辑于星期一\9点41分6.2.4热敏电阻器的应用从热敏电阻器的用途来看，主要分成两大类：一类是作为检测元件；另一类是作为电路元件。由元件的伏-安特性看，热敏电阻器在技术方面的应用可分成四类：第一类：热敏电阻工作在伏-安特性曲线a区域，见图（6-12）。流过热敏电阻的电流很小，自然功率很小。当外界温度发生变化时，尽管热敏电阻的耗散系数也发生变化，但因自热温度不发生明显变化，而接近环境温度。属于这类的应用有温度测量、各种电路元件的补偿，空气温度、热电偶冷端温差电动势的温度补偿等。第二类：热敏电阻工作在b区域。在次区域，热敏电阻伏-安特性曲线的峰值电压随环境温度和耗散系数的变化而变化，利用这个特性，可用热敏电阻器来作各种开关元件。本文档共80页；当前第51页；编辑于星期一\9点41分第三类：热敏电阻工作在c区域。热敏电阻由于自热的体温大大超过环境温度，此区域的微分电阻出现负值。利用这一特点，可使热敏电阻作低频振荡、起动电阻、时间继电器和超高频功率测量电路。第四类：作为旁热型热敏电阻的应用。利用外界条件的变化，促使工作特性左右移动，可以得到比直热式热敏电阻更高的灵敏度。

本文档共80页；当前第52页；编辑于星期一\9点41分图6-12热敏电阻器伏-安特性曲线与工作区域划分本文档共80页；当前第53页；编辑于星期一\9点41分下面举一个具体的例子：热敏电阻的耗散系数随周围环境介质的变化而变化，利用这种变化，可以将热敏电阻器用来测量液体、气体介质的流量和流速。图6-13是利用热敏电阻来测量液体流速的电路图。在该桥式线路中，把两个匹配的热敏电阻器安装在相邻的两臂中，在热敏电阻器中消耗功率足以使它在高温时（125~150℃）还能产生自热。因此，电桥平衡与环境温度关系不大，而与两个热敏电阻器的耗散常数之差密切相关。在工作时，讲一个热敏电阻器安装在盛有静态液体或气体的容器中，而将另一支热敏电阻安置在流体或气体的通道中，如图（6-12）所示。在流体或气体的加速增加时，安置在流体和气体通道中的热敏电阻器的耗散系数即增加，使电桥失去平衡，指示出了速度。本文档共80页；当前第54页；编辑于星期一\9点41分图6-13用热敏电阻器测量液体或气体流速的电路本文档共80页；当前第55页；编辑于星期一\9点41分6.3集成温度传感器集成温度传感器把热敏晶体管和放大器、偏置电源及线性电路制作在同一芯片上。它利用发射极电流密度在恒定比率下工作的晶体管对的基极-发射极电压之间的差与温度呈线性关系，如式（6-14）所示：

由此式表明，正比于绝对温度。基于上述原理制成了正比绝对温度的传感器PTAT（Proportionaltoabsolutetempcrature）。下述的集成温度传感器就是以PTAT为感温元件的。本文档共80页；当前第56页；编辑于星期一\9点41分电流型PTAT集成温度传感器电流型PTAT集成温度传感器是恒流型器件，输出电流正比于绝对温度。基本原理电路如图6-16所示。它由工艺兼容的npn晶体管组成，晶体的基极交叉互连，晶体管对、具有不同的发射结面积，其发射结面积之比分别为,是发射极电阻。于是，可以得到(6.14)式中各量的下标对应相应的器件。如果忽略基极电流和基区宽度调制效应，根据和式（6-36），则有(6.15)本文档共80页；当前第57页；编辑于星期一\9点41分式中：，其比值与温度无关。若，可写成(6.16)式中为输出电流。上式表明：（1）假设R与温度无关，则输出电流正比于绝对温度T。（2）由于晶体管T1和T2的基区交叉连接，所以输出电流Io与偏置电流IRS无关。此类温度传感器与单个晶体管温度传感器相比，由于PTAT温度传感器采用匹配的晶体管对作温敏器件，因而补偿了许多不利因素，但输出信号电平较低。本文档共80页；当前第58页；编辑于星期一\9点41分图6-14电流型集成本文档共80页；当前第59页；编辑于星期一\9点41分图6-15电压型集成温度传感器的电路本文档共80页；当前第60页；编辑于星期一\9点41分二、电压型PTAT集成温度传感器电压型PTAT温度传感器是输出电压正比于绝对温度的集成温度传感器，基本原理电路如图6-15所示。其中是温敏晶体管对，其发射极结面积比为。晶体管组成恒流电路，使三路电流保持相同，于是晶体管的发射结压降之差为

(6.17)本文档共80页；当前第61页；编辑于星期一\9点41分此电压差全部降落在电阻上，所以流经上的电流为

(6.18)流经电阻上的电流也等于，于是电路的输出电压为电压型集成温度传感器线性度好，使用方便。由于其输出电压与绝对温度成正比，即输出电压V+1mV/℃，可以认为是一个恒定电压加上一个较小的敏感信号，这样就限定了器件的灵敏度，给器件带来不便。一般习惯使用摄氏或华氏温标计量温度，因此使用这种传感器测量时，需要从输出电压中减去这个恒定值。本文档共80页；当前第62页；编辑于星期一\9点41分三、具有内部参考电压的温度传感器PTAT温度传感器与单个晶体管温度传感器一样，在通常温度下存在大的起始失调信号。例如，在300K温度下，用PTAT温度传感器检测0.1K的温度变化，要求分辨率为3000：1。若输出信号使用摄氏或华氏温标计量温度，要求分辨率仅为270：1。比例表明如果测量温度范围较小，温度传感器最好在测量温度附近标定“零”点。图6-34所示的电路包括PTAT温度传感器、参考电压和差分放大器。这种结构的集成温度传感器采用C和F或其他温标。具有内部参考电压的温度传感器，“失调电压”小，标定简单，使用方便，但是，电路中需要许多精密元件，电路需要校准，成本高本文档共80页；当前第63页；编辑于星期一\9点41分图6-16℃，F或其他温标的输出信号的温度测量系统本文档共80页；当前第64页；编辑于星期一\9点41分具有内部参考电压温度传感器的电路如图6-35所示，电流源产生的电流为，其中是正比于绝对温度T的电压,为电源内阻。利用pnp电流源提供晶体管的偏置电流，高增益反馈放大器使的集电极电流等于电流镜的输出电流，输出分路反馈降低了输出阻抗，输出电压为(6.19)

等于输出电压与温度的关系，如图6-18所示。基极-发射极电压随温度近似线性减小：，C为曲线的斜率。本文档共80页；当前第65页；编辑于星期一\9点41分如果输出电压在某一温度下取零值时，则输出电压为（6.20）可以通过微调电阻使输出电压在时为“零”值。由式（6-43）和图6-18表明，输出电压曲线与垂直轴相交于电压，此值与工艺参数无关。这个特性很重要，因为在标定时（如微调），曲线围绕垂直轴上固定点旋转，通过调整信号可以得到标定的输出特性。本文档共80页；当前第66页；编辑于星期一\9点41分图6-17具有内部参考电压温度传感器的电路本文档共80页；当前第67页；编辑于星期一\9点41分图6-18输出电压与温度的关系与温度的关系本文档共80页；当前第68页；编辑于星期一\9点41分实例：常用的具有内部参考电压温度传感器的实例如图6-19所示，。晶体管1—6构成电流源，两个30P结电容防止由于电路中的热反馈而产生的寄生振荡。二极管稳定电压，使晶体管的集电极-基极电压基本与温度无关，而且清除了基区宽度调制效应。在整个温度范围内，使电源电压保持最小值，以降低耗散功率。晶体管