传感器原理与检测技术(第四章)

传感器原理与检测技术(第四章)第1页，课件共58页，创作于2023年2月

热电式传感技术是将温度变化转换为电量变化的一种技术，它所利用的传感元器是热电式传感器，其应用范围最广。如家电、医疗、国防、科研、航天航空技术、工业生产等领域，凡是需要调温、控温、测温的地方都要用到它。这里主要介绍几种常用热电式传感器的结构、原理、特性及应用。第2页，课件共58页，创作于2023年2月第一节热敏电阻

它是用半导体材料制成的敏感元件，其特点是电阻随温度变化而显著变化，它能直接将温度的变化转换为电量的变化。可测温度的范围为-50℃～350℃。热敏电阻的体积小、寿命长、价格低(人民币1元钱左右)，它广泛用于需要进行温度控制的领域，如冰箱、空调、锅炉、汽车、工农业、医疗等各种检测仪表。第3页，课件共58页，创作于2023年2月1．热敏电阻的结构形式

热敏电阻由金属（如钴、锰、镍等）的氧化物，采用不同比例的配方，经高温烧结后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状，其结构形式如下图所示。它主要由热敏元件、引线和壳体组成。1.玻璃壳2.热敏电阻3.引线

热敏电阻结构形式

第4页，课件共58页，创作于2023年2月2．热敏电阻的温度特性

按电阻随温度变化的典型特性可分为：负电阻温度系数(NTC)和正电阻温度系数(PTC)热敏电阻及在某一特定温度下电阻值将发生突变的临界温度电阻(CTR)。特性曲线见右图。从图中看，CTR型热敏电阻作温控开关十分理想，但在测温中，主要采用NTC或PTC型热敏电阻，且以使用NTC型热敏电阻最多。热敏电阻的特性曲线

第5页，课件共58页，创作于2023年2月3.热敏电阻的阻值与温度的关系

NTC型热敏电阻的阻值与温度的关系可表示为：

RT、R0分别为温度T、T0(K)时的阻值；B为热敏电阻的材料常数，一般B=2000K～6000K，高温使用时，B值将增大。

定义热敏电阻的温度系数

则:

可见温度系数随T降低迅速增大，它决定热敏电阻在全部工作范围内的温度灵敏度。其测温灵敏度比金属丝高很多。但需进行线性化处理。第6页，课件共58页，创作于2023年2月4.热敏电阻输出特性的线性化处理

热敏电阻值随温度变化呈指数变化，当用它测温时，应进行线性化处理。常用的处理方法有：线性化网络和计算修正法及利用温度－频率转换电路改善非线性输出。第7页，课件共58页，创作于2023年2月(1)线性化网络

它是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度的线性关系将得到一定的改善。下图是两种最简单的线性化方法。常用线性化网络

第8页，课件共58页，创作于2023年2月(2)．计算修正法

由于大部分传感器的输出特性都存在非线性问题，因此，实际使用时都必须对这种现象进行线性化处理，其处理方法有硬件(电子线路)法和软件(程序)法两种。在带有微处理器的测量系统中，可以用软件对传感器进行处理。当已知热敏电阻的实际特性和要求的理想特性时，可采用线性插值等方法将特性分段并把分段点的值存放在微处理器系统的E2PROM中，微处理器将根据热敏电阻的实际输出值进行修正后给出正确的输出值。第9页，课件共58页，创作于2023年2月(3)利用温度－频率转换电路改善非线性输出

该电路实际上是利用RC电路充放电过程的指数函数和热敏电阻的指数函数相比较的方法来改善热敏电阻的非线性输出。第10页，课件共58页，创作于2023年2月5．热敏电阻的应用

热敏电阻主要用作检测元件和电路元件。1．热敏电阻用作检测元件

它在温度计、温度差计、温度补尝、微小温度检测、温度报警、温度继电器、湿度计、分子量测定、液位报警、液位检测、流速计、流量计、气体分析仪、气体色谱仪、真空计、热导分析、风速计、液面计等仪器仪表中用作检测元件。

2．热敏电阻用作电路元件

它在偏置线圈的温度补偿、仪表温度补偿、热电偶温度补偿、晶体管温度补偿、恒压电路、延迟电路、保护电路、自动增益控制电路、RC振荡电路、振幅稳定电路等电路中用作电路元件。第11页，课件共58页，创作于2023年2月第二节热电开关热电开关是采用两种不同特性的材料构成的热敏传感器，该传感器具有温控开关特性，因此，又称热电开关或温控开关。热电开关常有双金属片和陶铁磁体式两种，它们广泛应于电饭锅、电熨斗、电炉、电热水器的恒温控制器中。

第12页，课件共58页，创作于2023年2月一、双金属片式热电开关

它的双金属片由两种膨胀系数不同的金属片轧制或锻压在一起形成。双金属片在常温时是平直的，受热后，膨胀系数大的金属片伸长较多，而膨胀系数小的金属片伸长较少，因此，双金属片向膨胀系数小的一面弯曲变形。温度越高，弯曲越大，当温度下降时，双金属片又逐渐回弹，直至常温时又恢复原平直状态。根据双金属片的这一温度特性，便可将其制成各种电器常用的温度控制装置。第13页，课件共58页，创作于2023年2月1．双金属片的弯曲特性

双金属片的弯曲程度(偏位的大小)，可参照下列公式算出：

D为偏位大小；K为双金属片的特性常数；(T2-T1)为温度的变化；l为双金属片长度；h为双金属片厚度。双金属片减薄厚度和增加长度可提高灵敏度。第14页，课件共58页，创作于2023年2月2．双金属片的材料构成

双金属片的材料构成如下表所示。

第15页，课件共58页，创作于2023年2月3．双金属片热电开关的类型

类型有常开式(两个触头的接点在没达到规定温度点时是断开的)、常闭式(两个触头的接点在没有到达规定温度点时是闭合的)、简易式、蝶式等。但按其工作原理分只有“常开式”和“常闭式”两种。第16页，课件共58页，创作于2023年2月4．双金属片热电开关自动控温原理

它的自动控温原理以常闭式电饭锅的工作原理为例进行说明。由于触点处于常闭状态，因此当电饭锅插上电源后指示灯便亮，此时，不管是否按下自动开关，电热板的发热器都已通电。在煮饭时，已按下自动开关，内锅温度上升，双金属片逐渐弯曲。当饭煮好后，两触点离开，切断了电源。于是，内锅温度开始下降，直至降到65℃左右时，双金属片回伸，使两触点闭合接通电源。此时，电饭锅即进入保温状态。即常闭式电饭锅是通过两个触点“闭合－断开－闭合”的方式达到自动保温的目的。

常开式电饭锅的工作原理与常闭式相反，即“断开－闭合－断开”的方式，达到自动保温的目的。第17页，课件共58页，创作于2023年2月二、陶铁磁体式热电开关

陶铁磁体式热电开关的结构原理

它主要由硬磁、软磁、动作弹簧、抵紧弹簧、拉杆、杠杆、银触点、操作按键等组成。第18页，课件共58页，创作于2023年2月1.陶铁磁电式开关的工作原理

硬磁由14%SrCO3和86%Fe2O3组成。软磁由11%NiO、22%ZnO和67%Fe2O3组成。硬磁的居里点为450℃，远高于电饭锅的工作温度。因此该材料又叫永久磁铁。

软磁的居里点在130～150℃之间，是一种感温磁体，其配方和制作工艺要求严格。它和弹簧的作用力、拉杆的重力等配合选取，务必使内锅在饭熟(103±2℃)时，开关自动跳开，切断电源。煮饭时，按下操作键，动作弹簧即被压缩，使硬磁体上升吸住软磁体，使开关的两银触点接触，接通电源。于是，发热器的热量便通过电热板传给了内锅。饭煮熟时，内锅底温度为103℃左右，这时软磁体正好达其居里点迅速失去磁性不能再被硬磁体吸住，被动作弹簧弹开，拉杆向下移动压下杠杆，使两触点脱离切断电源。于是，发热器停止发热，电热板表面温度不再升高。由于磁体的受热面受抵紧弹簧上弹的压力而紧密与内锅底部相贴，因此，内锅底部的温度可由该开关准确无误地控制。第19页，课件共58页，创作于2023年2月2．陶铁磁体热电开关性能特点

陶铁磁体式热电开关的动作灵活，不需要经常调整机件，既经久耐用，又安全可靠。所以，它比双金属片式热电自动开关的控制性能好，已被广泛地应用于自动电饭锅中。第20页，课件共58页，创作于2023年2月三、热电开关的应用

以自动保温式电饭锅为例。我们知道，25～40℃腐败细菌最易繁殖。在10～25℃和40～63℃范围内腐败细菌繁殖较慢。在63℃以上和10℃以下腐败细菌不会繁殖。煮好的米饭放在冰箱中保存不会被细菌腐蚀，但饭变冷后，即使重新加热至食用温度也不可口。所以，带自动保温装置的电饭锅颇受用户欢迎。第21页，课件共58页，创作于2023年2月

因此，电饭锅的恒温要求在60～80℃。70℃左右的食物最符合人的要求。其恒温温度在产品出厂前已调整准确，不需用户调整。其控制电路如下：单按键电饭锅电路

给电时电路通过K1的常闭触点接通，电饭锅的指示灯点亮。煮饭时，按下K2，电热管通过K1、K2并联接到电源上发热，当温度达到70℃时，K1自动跳开，但电路仍然接通。当饭熟水干后温度上升到103℃

时，K2因软磁失磁而断开。当温度下降到70℃时，双金属开关K1复位，从而开始保温。

第22页，课件共58页，创作于2023年2月带加热功率调整的电饭锅电路如下：工作原理：按下按键开关使T1接通，磁钢控温器吸合；此时T2断开，大部分电流通过96.8Ω的电热元件开始加热，煮饭指示灯经1.2MΩ电阻和1210Ω保温元件点亮。此时保温指示灯被T1短接，煮饭的功率为：

饭熟时，T1断开，T2闭合，煮饭指示灯熄灭，此时电热元件的电流因串联保温指示灯和限流电阻的作用而很小，保温元件的功率消耗为：

第23页，课件共58页，创作于2023年2月第三节铂电阻

铂电阻由铂金属丝（带）绕制而成，它利用导体电阻随温度变化的特性来测量温度。铂电阻具有电阻温度系数稳定、电阻率高、线性度好、测量范围较宽(-200℃～600℃)、在高温和氧化性介质中的物理和化学性能很稳定等特点。因此，它被广泛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-259.34～630.74℃的温度区间内，以铂电阻温度计作为基准器。第24页，课件共58页，创作于2023年2月一、铂电阻与温度的关系

在0～630.74℃之间，铂电阻与温度的关系为：

Rt为温度在t℃时的电阻；R0为温度在0℃时的电阻；t为任意温度；A，B，C为分度系数，其中

A=3.940×10-2／℃

B=-5.84×10-7／℃2C=-4.22×10-12℃4在-190～0℃之间，铂电阻与温度的关系为：第25页，课件共58页，创作于2023年2月二、铂电阻的结构

工业用铂电阻的结构如下图所示，一般由直径0.03～0.07mm的纯铂丝在平板形支架上绕制，并用银导线作引出线。

工业用铂热电阻的结构

第26页，课件共58页，创作于2023年2月三、铂电阻的分度特性表

要确定电阻Rt与温度t的关系，首先要确定R0的数值（即铂丝的长度和截面积），R0不同时，Rt与t的关系不同。工业上将对应于R0=50Ω和100Ω的Rt－t关系制成一个数据表，并称之为热电阻分度表，供使用者查阅。分度表见教材的表4.3和表4.4（P135）第27页，课件共58页，创作于2023年2月第四节铜电阻

铜电阻成本低，在-50℃～150℃的温度区间内电阻与温度呈线性关系，它主要用于测量精度要求不高、测温范围不大的场合，一般在热电偶测温电路中作温度补偿用。第28页，课件共58页，创作于2023年2月一、铜电阻与温度的关系

在-50℃～150℃的温度范围内，铜电阻与温度呈线性关系，它可表示为：式中，Rt为温度在t℃时的电阻值；R0为温度在0℃时的电阻值；α为铜电阻温度系数，α=4.25×10-3～4.28×10-3／℃。第29页，课件共58页，创作于2023年2月二、铜电阻的结构

铜电阻的结构如下图所示。通常用直径0.1mm的漆包线或丝包线在支架上进行双线并绕，其后浸以酚醛树脂制成一个铜电阻体，再用镀银铜线作引出线，穿过绝缘套管。铜热电阻的结构第30页，课件共58页，创作于2023年2月三、铜电阻分度表及其缺点

我国将R0值在100Ω和50Ω的Rt－t关系制成分度表作为标准，供使用者查阅。铜电阻的分度表见教材的表4.5(P136)。铜电阻的缺点是电阻率较低，体积较大，热惯性较大，在100℃以上易氧化，故只能用于低温以及无侵蚀性的介质中。

第31页，课件共58页，创作于2023年2月第五节热电偶

热电偶是将温度转换为电压的热电式传感器。它广泛于测量-180℃～2800℃范围内的温度，根据需要还可以用来测量更高或更低的温度。它具有结构简单，使用方便、精度高、热惯性小、可测局部温度和便于远距离传送与集中检测、自动记录等优点。第32页，课件共58页，创作于2023年2月一、热电偶的基本结构

两种不同导体两端紧密连接在一起，组成一个闭合回路。当两接点温度不等(T>T0)时，回路中将产生电动势形成热电流。该现象称为热电效应。回路中产生的电动势称为热电势。通常将上述两种不同导体的组合称为热电偶，称A、B两导体为热电极；两接点中一个为工作端或热端(T)，测量时置于被测温度场中；另一个叫自由端或冷端(T0)，一般要求该端点恒定在某一温度。第33页，课件共58页，创作于2023年2月

二、热电势的组成

在热电偶回路中，产生的热电势由接触电势和温差电势（在同一导体的两端因温度不同而产生的一种热电势

）两部分组成。实验与理论都已证明：热电偶回路的总电势主要由接触电势引起。因此，接触电势的成因，是研究热电偶的一个重点。第34页，课件共58页，创作于2023年2月三、接触电势的成因

当两种不同导体A、B紧密连在一起时，由于其自由电子密度不同将在接触处产生电子扩散。设导体A比导体B的自由电子密度大(NA>NB)，则单位时间由导体A扩散到B的电子数比导体B扩散到A的电子数多。这时导体A失去电子带正电，导体B得到电子带负电。于是接触表面形成电场，A、B间形成电动势。它将阻碍电子由导体A向B的进一步扩散，并最终使接触处的电子扩散达到动态平衡。这种现象形成的电动势称为接触电势。设导体A和B的两个接触点在温度T和T0时形成的电位差分别为：和。根据物理学的推导有：

式中k为波兹曼常数；T，T0为两个接触点的绝对温度；NA，NB分别为材料A、B的自由电子密度；e为电子电荷量。第35页，课件共58页，创作于2023年2月四、关于热电偶的几点结论

若导体A为正，B为负，则总电势为：

由热电偶的关理论可得到如下几点结论：①热电偶电极材料相同，则无论两接点温度如何其总热电势为零。②若热电偶两接点温度相同，则其总电势为零。③热电偶产生的热电势只与材料和接点温度有关，电极尺寸、形状等无关。故热电极材料相同的热电偶可以互换。④热电偶A、B在接点温度为T1、T3时的热电势，等于此热电偶在接点温度为T1、T2与T2、T3两个不同状态下的热电势之和，即⑤当热电极A、B选定后，热电势是两接点温度T和T0的函数差，即

⑤当热电极A、B选定后，热电势是两接点温度T和T0的函数差:

如果使冷端温度T0保持不变，则:从上式看出，若保持热电偶自由端温度T0不变，则测出总的热电势，就可求出工作端的温度T。

第36页，课件共58页，创作于2023年2月

五、热电偶中引入第三导体

材料A、B组成的热电偶回路接入第三导体C，只要C两端温度相同，则该导体引入不会改变总电势的大小。实际应用中，热电偶回路需接入测量仪表，相当于在热电偶回路中必须接入第三导体，考虑2、3两点温度相同，则回路中的总电势：

当回路中各接点温度相同时，总电势为零，即：即：

可见，热电偶的热电势在引入的第三导体两端温度相等时，不会因此而受到影响。第37页，课件共58页，创作于2023年2月

六、热电偶冷端温度误差

热电偶测量的是一个热源的温度或两个热源的温度差。为此，必须把冷端温度保持恒定或采用其它方法进行处理。由于一般热电偶的输出电压与温度成非线性关系，因此，其特性不能用精确的数学关系描述，而是用特性分度表进行表征。一般手册上提供的热电偶特性分度表是在保持热电偶冷端温度T0＝0℃或25℃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℃或25℃，则只要正确测出热电势，就可通过分度表查出所测的温度。

但实际测量中热电偶的冷端温度受环境或热源温度的影响，并不为0℃或25℃。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，必须对冷端温度变化所引起的温度误差进行补偿。第38页，课件共58页，创作于2023年2月

七、热电偶冷端温度的常用补偿方法

1．0℃或25℃恒温法2．冷端恒温法

3．冷端补偿器法

4．补偿导线法5．采用不需要冷端补偿的热电偶

6．补正系数修正法第39页，课件共58页，创作于2023年2月

1．0℃或25℃恒温法

将热电偶的冷端保持在0℃或25℃器皿中，此法适用于实验室，它能完全消除冷端温度误差的影响。冷端0℃恒温

第40页，课件共58页，创作于2023年2月

2．冷端恒温法

将热电偶的冷端置于一个恒温器内，如恒定温度为T0℃，则冷端误差△为：

由上式可见，△虽不为零，但为一个定值。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。

第41页，课件共58页，创作于2023年2月

3．冷端补偿器法

工业上常采用冷端补偿器法。它是一个四臂电桥，其中三个桥臂电阻的温度系数为零，另一桥臂用铜电阻RCu(其值随温度变化)放置在热电偶冷接点处，取T=20℃时电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)。此时，若不考虑Rs和四臂电桥的负载影响，则：第42页，课件共58页，创作于2023年2月这时总输出为：当T0上升(如T0=Tn)时，RCu上升，

△Uab上升，由于而补偿器选择的RCu产生的

故U维持公式：

从上面的推导看出，冷端补偿器产生的不平衡电压正好补偿了由于冷端温度变化引起的热电势变化，因此，仪表可以正确测量温度。

使用冷端补偿器应注意：①由于电桥是在20℃平衡，故此时应把温度表示的机械零位调整到20℃处。②不同型号规格冷端补偿器应与一定的热电偶配套。

第43页，课件共58页，创作于2023年2月

4．补偿导线法

当热电偶冷端的温度由于受热端温度影响，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。此时，应先采用补偿导线(对于廉价热电偶，可以采用延长热电极的方法)将冷端远移至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。第44页，课件共58页，创作于2023年2月

5．采用不需要冷端补偿的热电偶

目前已经知道，镍钴－镍铝热电偶在300℃以下，镍铁一镍铜热电偶在50℃以下，铂铑30－铂铑6热电偶在50℃以下的热电势都非常小。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。第45页，课件共58页，创作于2023年2月

6．补正系数修正法

工程上常采用补正系数法进行补偿。设冷端温度为tn，工作端测得的温度为t1，其实际温度应为：k为补正系数，可从补正系数表中查得。例如，用镍铬－考铜热电偶测得某点的温度为600℃，此时冷端温度为30℃，通过查表得k值为0.78，则该点的实际温度为：

T=600℃+0.78×30℃=623.4℃

在使用热电偶作温度传感器并采用单片机作主控单元的测试系统中，这一修正过程可以自动完成。

第46页，课件共58页，创作于2023年2月热电偶补正系数表

第47页，课件共58页，创作于2023年2月

八、常用热电偶的特性

热电偶按结构分普通型、铠装(又叫缆式，带保护外套)和薄膜热电偶等。后者用真空蒸镀等方法使两种热电极金属蒸镀到绝缘基板上，并形成薄膜状热接点。在辐射检测器中，常采用多个热电偶组成热电堆，构成热量型检测器，实现将辐射热转换为相应的电信号。热电偶分K、J、E、T等四种类型，其测温范围(K型：-200－1600℃、J型：-200－1200℃、E型：-200－1000℃、T型：-200－400℃)和灵敏度不同，对应的冷端温度补偿也不同。

虽然许多金属相互结合都会产生热电效应，但能做成适合测量温度的实用热电偶为数不多。目前常用的热电偶及其特性见下表。

第48页，课件共58页，创作于2023年2月第49页，课件共58页，创作于2023年2月

九、热电偶的测量电路

热电偶输出电压小，通常每度只有几微伏，需使用低漂移集成运算放大器进行放大，相关元件也需认真选择。下图是一个K型热电偶的测量电路。图中滤波电容的漏电必须小，否则将产生很大的偏移电压。

第50页，课件共58页，创作于2023年2月

第六节温敏二极管

随着半导体技术和测温技术的发展，人们发现在一定的电流模式下，PN结的正向电压与温度之间具有很好的线性关系。如砷化镓和硅温敏二极管在lK～400K范围的温度表现为良好的线性。第51页，课件共58页，创作于2023年2月一、温敏二极管的工作原理

根据PN结理论，对于理想二极管，只要正向电压UF大于几个KT/e，其正向电流

IF和正向电压UF与温度T之间的关系可表示为：Eg0为材料在绝对温度零时的禁带宽度(eV)；B’为与温度无关但与结面积有关的常数；Tr为与迁移率有关的常数；k为波尔兹曼常数；e为电子电荷；T为PN结的绝对温度(K)。

从上式可知，当二极管的正向电流一定时，其正向电压随温度的升高而降低，故温敏二极管呈负温度系数。第52页，课件共58页，创作于2023年2月

二、温敏二极管的基本特性

对于不同的工作电流