第三章 温度传感器2

第三章温度传感器一、教学目的：通过本章学习，要求学生理解1、温度是非电量，不能直接测量，只有通过温度传感器将其转换成其他物理量才能进行间接测量。2、对温度传感器传感器及温度测量技术有一个较深入的理解。二教学重点热电偶、金属热电阻、半导体热敏电阻、集成温度传感器的工作原理。简单实用的温度测量电路。三教学难点热电偶测温原理2.1温度测量概述温度是表征物体冷热程度的物理量，是非电量，不能直接测量，只能借助温度传感器的转换，才能对其进行间接测量。温标：标示物质冷热程度的标准是温标。常用的温标有绝对温度K（符号T）、摄氏温度（符号t）、华氏温度，它们的关系如下：

温度传感器通常组成

t感温元件温度显示，温度测量分接触式和非接触式两种。2.2热电偶传感器用得广泛、简单、方便、测温范围宽、精度较高、稳定2.2.1测温原理热电效应：两种不同材料的导体组成闭合电路，若两节点温度不同，则在该电路中定会产生电动势。称热电动。热电动势由接触电动势和温差电动势组成。两种导体的接触电动势：两种金属中自由电子密度不同，接触时，自由电子密度大的要向密度小的一方扩散，达到平衡后，扩散停止，由此在接触处形成稳定的（平衡）电位差叫接触电动势。单一导体的温差电动势：

单一导体，若两端温度不同，高温端电子要向低温端扩散，从而高温端电子少了带正电，低温端电子多了带负电。如此产生的电动势叫温差电动势。热电动势与温度成单值函数关系。热电动势与温度的关系通过热电偶分度表来确定。热电偶分度表是热电偶参考端温度为0摄氏度时，通过实验作出的热电动势与工作端温度数值的对应关系表。热电偶的基本定律中间导体定律：中间温度定律：

2.2.2热电偶的结构形式及热电偶材料普通型热电偶：一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。铠装热电偶（缆式热电偶）：将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘物熔铸在一起，外表在套不锈钢管等。它耐高压，反应时间短，坚固耐用。薄膜热电偶：用真空镀膜技术将热电偶材料沉积在绝缘体上构成，测温－200～500摄氏度，热电极材料多用铜－康铜、镍锘－铜、镍锘－镍硅等，云母作绝缘，适用于表面温度的测量。热电偶组成材料及分度表：四种标准华材料

2.2.3热电偶测温及参考温度补偿热电偶测温基本电路热电偶参考端的补偿热电偶有两端，一端是测温端，另一端是自由端，即参考端，其温度应为0摄氏度。若参考端温度不为0摄氏度，则不合分度表，会给测温带来误差。为此应对参考端温度进行补偿。如利用中间温度定律——代数和方法补偿利用电桥法补偿等2.3金属热电阻传感器原理：利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理测温。结构：热电阻、连接导线、显示仪表组成。广泛用于测－220～850摄氏温度还可以测至1K（－272摄氏度）～1000摄氏度注意：绝对温度0K，相当于为热力学第三定律极限温度，为温度下限禁区，决不能达到。故是最低温度。材料是铂－铜2.3.1热电阻的温度特性热电阻Rt

随温度变化的变化特性铂热电阻的电阻－温度特性特点：测温精度高，稳定性好，能测－200～850摄氏度，在－200～0摄氏度内，0～850摄氏度内，式中工业上有Ro＝10欧、Ro＝100欧两种实际使用中，不需记公式不需去计算，只要测得热电阻Rt，在查分度表，找到对应温度值即可。铜热电阻的电阻－温度特性：也有公式，不需记不需算，查表即可。铜热电阻适合用于低温无侵蚀性测量－50～150摄氏度。2.3.2热电阻传感器的结构

由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等组成。2.4集成温度传感器结构：把PN结感温元件与有关电子线路集成到小块硅片上封装而成。优点：体积小、线性好、反应灵敏、好做等。通常测150摄氏度以下温度，有电流、电压、频率型，可远距离、精密、遥感遥测，易于同信号处理电路连接和同微型计算机连接。集成温度传感器的基本工作原理就是PN结的温度特性。2.5半导体热敏电阻结构：利用某些金属氧化物或单晶锗、硅等材料，按照特定工艺制成。类型：1.PTC正温度系数

2.NTC负温度系数

3.在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器CTR2.5.1热敏电阻的（Rt—t）特性（电阻温度特性）特性曲线分散性很大：有的变化较均匀的——适合用于温度测量有的变化陡峭——适合用于温度开关控制特点：热敏电阻灵敏度很高，共温度系数远大于金属热电阻。同温条件相比，热敏电阻值远大于金属热电阻，所以连线导线电阻可忽略不计，适用于远距离测量。曲线非线性十分严重，故可测温度范围远小于金属热电阻。2.5.2热敏电阻温度测量非线性修正线性网络—利用包含有热敏电阻网络来代替纯单个热敏电阻综合修正—利用电阻测量装置中其他部件的特性进行综合修正计算修正—用计算机将热敏电阻实际输出值进行校正计算修正2.6负温度系数热敏电阻2.6.1负温度系数热敏电阻性能负温度系数（NTC）热敏电阻是一种氧化物的复合烧结体，其电阻值随温度的增加而减小。做成传感器还需将热敏电阻封装，加接长引线。与金属热电阻相比较，它有如下特点：电阻温度系数大，灵敏度高，约为金属热电阻之10倍。结构简单、体积下、可测点温。电阻率高、热惯性小、适用于动态测量，反应快。易于维护和远距离控制。制造简单，使用寿命长。互换性差，非线性严重，一致性差。2.6.2负温系数热敏电阻主要特性标称阻值：R0—R25为标称值，RT—R85，下脚标为摄氏度B值：热敏电阻常数，表征灵敏度的量，单位为K。B越大，热灵敏度越高。电阻温度系数σ：自身温度变化1摄氏度时，电阻值相对变化量。（σ

为负值，t减小σ增大）额定功率：与一般电阻同。标准条件下，长期连续通电元件的耗散功率。耗散系数δ

：对能源的损耗。热时间常数：热反应特性，反应时间。2.7温度传感器应用实例2.7.1双金属温度传感器的应用双金属温度传感器室温测量的应用特点：结构简单，价廉，刻度清晰，使用方便，耐振动。常用于驾驶室，船舱，粮仓室温测量。原理：膨胀系数不同的两金属片粘在一起，盘形，固定外端，内端接指针，温度变化，热胀冷缩，内针旋转，指示出温度。双金属温度传感器在电冰箱中的应用蝶形双金属片电冰箱压缩机温度保护继电器，热电阻丝串接在电机主绕阻中，盖装在压缩机上，压缩机过载或温深到一定程度，双金属片弯曲，断开电路起保护作用。2.7.2热敏电阻温度传感器的应用热敏电阻在汽车水箱温度监测电路电路简单：热敏电阻在空调器控制电路中的应用（图2--26）负温度系数热电阻Rt1和Rt2分别是化霜传感器和室温传感器。他们分别通过集成电路25和26脚电位为控制空调器正常运行的化霜功能。

2.7.3晶体管温度传感器应用举例利用PNP晶体管特性曲线随温度变化的特性测温2.7.4集成温度传感器应用举例（用于测温）2.7.5家用空调专用温度传感器2.7.6冰箱、冰柜专用温度传感器2.7.7热水器专用温度传感器2.7.8