《热电式传感器》课件

热电式传感器第一节热敏电阻式传感器第二节金属热电偶传感器热电式传感器热电式传感器是利用某些材料或元件的物理特性与温度有关这一性质，将温度的变化转化为电量的变化几乎所有物质的电阻率都随其本身的温度的变化而变化，这一物理现象称为热电阻效应利用热电阻效应制成的温度敏感元件称为热敏电阻

第一节热敏电阻式传感器1.1金属热电阻纯金属是热电阻的主要材料，虽然大多数金属都有一定的温度系数，但是作为测温元件的材料必须具有良好的线性、稳定性和较高的电阻率常用的金属热电阻材料为铂和铜

1.1金属热电阻在一定的温度范围内，大多数金属的电阻率几乎与温度成正比

1.1金属热电阻铂电阻的电阻－温度关系1.1金属热电阻铜电阻的电阻－温度关系1.1金属热电阻金属热电阻的测温电路是桥式测量电路误差来源

引线电阻各触点上的热电动势电流流过电阻元件产生的自热效应1.1金属热电阻两线制接法R1R2R3ERtGR4r2r1r3三线制接法1.2半导体热敏电阻采用半导体材料制作的热电阻负温度系数型（NTC）：是由某些金属氧化物的混合物高温烧结而成，-3％～-5％/˚C；正温度系数型（PTC）：由钛酸钡和钛酸锶的混合物高温烧结而成，10％～60％/˚C临界温度系数型（CTR）1.2半导体热敏电阻对于NTC型热敏电阻，在不太宽的温度范围内(低于450˚C)1.2半导体热敏电阻材料系数B半导体电阻温度系数1.2.1电阻-温度特性电阻－温度特性曲线1081021041060电阻（Ω）NTCCTRPTC40801201601801.2.2伏安特性伏安特性

线性段

非线性正阻区

负阻区1.2.3半导体热敏电阻的结构半导体热敏电阻的结构1.2.4热敏电阻的线性化线性化 在线性读数的温度计设计中，当所需要的温度量程较大时，电阻－温度特性的固有非线性严重影响了测温精度线性化方法恒流源供电，并联电阻恒压源供电，串联电阻1.2半导体热敏电阻恒流源供电，并联电阻将测温范围中点设置在拐点对上式求二阶导数并令其等于零1.2半导体热敏电阻恒压源供电，串联电阻同理可得串联电阻1.5热敏电阻测温电路1.6热敏电阻在生物医学测量中的应用交流温差电桥第二节金属热电偶传感器1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两金属接触处的温度不同时，在回路中会产生电流，这就是热电效应，也称作“塞贝克效应（Seebeckeffect）”2.1工作原理热电偶热电极热端（工作端）冷端（自由端）热电势EAB(T,T0)接触电势温差电势接触电动势若金属A的自由电子浓度大于金属B的，则在同一瞬间由A扩散到B的电子将比由B扩散到A的电子多，因而A对于B因失去电子而带正电，B获得电子而带负电，在接触处便产生电场。A、B之间便产生了一定的接触电动势。接触电动势的大小与两种金属的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。温差电动势对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同。温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成温差电动势，又称汤姆森电动势。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。热电偶的总电动势回路中所产生的热电动势由两部分组成，一部分是两种导体的接触电动势，另一部分是单一导体的温差电动势eB(T,T0)ABTT0-eA(T,T0)eAB(T)eAB(T0)热电偶的总电动势eB(T,T0)ABTT0-eA(T,T0)eAB(T)eAB(T0)热电偶的总电动势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

，则有逆向赛贝克效应电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出

热电偶的基本性质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热电偶的基本性质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。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热电偶的基本性质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：2.1.2热电偶的基本定则均质回路定则 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2.1.2热电偶的基本定则中间金属定则： 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T0T0BTACT1CT0T1TAB2.1.2热电偶的基本定则标准电极定则 如果两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可知T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC2.1.2热电偶的基本定则例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？2.1.2热电偶的基本定则中间温度定则 热电偶在两接点温度分别为T1和T3时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为T1和T2和接点温度分别为T2和T3时相应热电动势的代数和BBAT2T1

T3

AAB2.1.2热电偶的基本定则中间温度定则说明只要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

例2.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。温度℃0102030405060708090热电动势mV00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.27432.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.91538.91539.31039.70340.09640.48840.879100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.35647.72648.09548.462120048.82849.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.39852.74753.09353.43953.78254.12554.46654.807——2.2热电偶温度计2.3热电偶参比端的冷端补偿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。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)。2.3热电偶参比端的冷端补偿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:2.3热电偶参比端的冷端补偿冰浴法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2.3热电偶参比端的温度补偿电桥补偿T1I2I1+ERSRTR3R1R2－ATT1BU用补偿热电偶可以使热电偶不受接线盒所处温度t1变化的影响如图所示接法。试用回路电势的公式证明E（t，t0）tt1t1t0作业ABCD第三节PN结温度传感器8.1.1二极管温度传感器为了扩大线性范围，则可以采用差分对管二极管温度传感器测量电路——恒流源激励8.1.2三极管温度传感器C1虚地R1温敏三极管A+-ERCUbe温敏三极管作为负反馈元件跨接在运放A的反相输入端和输出端，基极接地，集电极零偏，发射结正偏8.2集成温度传感器集成电路温度传感器是将作为感温器件的温敏三极管及其外围电路集成在同一芯片上的集成化PN结温度传感器集成电路温度传感器感温元件采用差分对晶体三极管，它能够产生与温度成正比的电流和电压8.2集成温度传感器两管必须采用不同的发射极面积γ故流过该电路的总电流为：电流输出型电路8.2集成温度传感器电压输出型电路在电流镜PTAT电路上加一个和VT3和VT4相同性质的PNP管VT5R1的电压降为：R1的电流为：只要R1:R2为一常数，就可以得到正比于温度的输出电压U0模拟输出型集成温度传感器电压型——TMP36电流型——AD592数字输出型集成温度传感器AD7415开关输出型集成温度传感器TMP01TMP36供电电压2.7～5.5V测温范围：-40～+1250C