传感器教案设计

传感器技术与应用

教

案

（第二版）

2014.2.14

第1章传感器技术基础

1.1自动测控系统与传感器

世界是由物质组成的，表征物质特性或其运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和

非电量两类。

非电量不能直接使用一般电工仪表和电子仪器测量，非电量需要转换成与非电量有一定关系的电

量，再进行测量。实现这种转换技术的器件叫传感器。

自动检测和自动控制系统处理的大都是电量，需通过传感器对通常是非电量的原始信息进行精确

可靠的捕获和转换为电量。

1.1.1自动测控系统

自动检测和自动控制技术是人们对事物的规律进行定性了解和定量掌握以及预期效果控制所从事

的一系列的技术措施。

自动测控系统是完成这一系列技术措施之一的装置，它是检测和控制器与研究对象的总和。

通常可分为开环与闭环两种自动测控系统。

图1-1开环自动测控系统

框图

图1-2闭环自动测控系统框图

一个完整的自动测控系统，一般由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四部

分组成。

1.1.2传感器

传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常

由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；

转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。

非电物

图1-3传感器组成框图

压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等是敏感元件与转换元件两者合二为一的传感器

传感器转换能量的理论基础都是利用物理学、化学学、生物学现象和效应来进行能量形式的变换。

被测量和它们之间的能量的相互转换是各种各样的。

传感器技术就是掌握和完善这些转换的方法和手段。是涉及：传感器能量转换原理、传感器材料选

取与制造、传感器器件设计、传感器开发和应用等多项综合技术。

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1.2传感器的分类

1.2传感器的分类

传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种：一种是按被测输入量来分；另一种是按传感器

的工作原理来分。

1.2.1按被测量分类

这一种方法是根据被测量的性质进行分类，如：

温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、

流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器，转矩传感器等。

这种分类方法把种类繁多的被测量分为：基本被测量和派生被测量两类。

这种分类方法：

优点是：比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。

缺点是：没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便使用者掌握其基本原理及分析方

法。

1.2.2按传感器工作原理分类

这一种分类方法是以工作原理划分，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依

据。

这种分类法：

优点是：对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器的深入研究分

析。

缺点是：不便于使用者根据用途选用。

具体划分为：

1.电学式传感器

电学式传感器是应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感

器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。

2.磁学式传感器

磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成。主要用于位移、转矩等参数的测量。

3.光电式传感器

光电式传感器是利用光电器件的光电效应和光学原理而制成。

主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。

4.电势型传感器

电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍耳效应等原理而制成。

主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量.

5.电荷传感器

电荷传感器是利用压电效应原理而制成。

主要用于力及加速度的测量。

6.半导体传感器

半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化

等原理而制成。

主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。

7.谐振式传感器

谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理而制成。

主要用来测量压力。

8.电化学式传感器

电化学式传感器是以离子导电原理为基础而制成，可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传

感器、级^式传感器和电解式传感器等。

电化学式传感器主要用于分析气体成分、液体成分、溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率

及氧化还原电位等参数的测量。

还有：

按能量的关系分类，即将传感器分为：有源传感器和无源传感器；

按输出信号的性质分类，即将传感器分为：模拟式传感器和数字式传感器。

数字式传感器输出为数字量，便于与计算机联用，且抗干扰性较强，例如：盘式角度数字传感器,

光栅传感器等。

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1.3传感器的数学模型

1.3传感器的数学模型

传感器作为感受被测量信息的器件，总是希望它能按照一定的规律输出有用信号，因此，需要研究其输

入-输出之间的关系及特性，以便用理论指导其设计、制造、校准与使用

理论和技术上表征输入-输出之间的关系通常是以建立数学模型来体现，这也是研究科学问题的基本

出发点。

1.3.1传感器的静态数学模型

静态数学模型是指在静态信号作用下，传感器输出与输入量间的一种函数关系。

如果不考虑迟滞特性和蠕动效应，传感器的静态数学模型一般可以用n次多项式来表

y=aO+a1x+a2x2+…+anxn

式中X为输入量；y为输出量；

aO为零输入时的输出，也叫零位输出;

al为传感器线性项系数也称线性灵敏度，常用K或S表示；

a2,a3,…，an为非线性项系数，其数值由具体传感器非线性特性决定。

传感器静态数学模型有三种有用的特殊形式：

1.理想的线性特性y=atx

通常是所希望的传感器应具有的特性，只有具备这样的特性才能正确无误地反映被测的真值。

24

2.仅有偶次非线性项y=axx+ayx+a4xH—

其线性范围较窄，线性度较差，灵敏造为该曲线的斜率，一般传感器设计很少采用这种特性。

3.仅有奇次非线性项y=axx+a3x'+a5x^H—

其线性范围较宽，且相对坐标原点是对称的，线性度较好，灵敏度为该曲线的斜率。

使用时一般都加以线性补偿措施，可获得较理想的线性特性。

1.3.2传感器的动态数学模型

在实际测量中，大量的被测量是随时间变化的动态信号。

传感器的动态数学模型是指：在随时间变化的动态信号作用下，传感器输出-输入量间的函数关系,

通常称为响应特性。

动态数学模型一般采用微分方程和传递函数描述。

1.微分方程

忽略了一些影响不大的非线性和随机变量等复杂因素后，可将传感器作为线性定常数系统来考虑,

因而其动态数学模型可以用线性常系数微分方程来表示，其解得到传感器的暂态响应和稳态响应。

dnydn-'ydy

Cl------FCl].......-+…+勾---FV

"dtnfl_'dt'-'1dt°

,dmx,dm-'x,dx,

='"新+%+…+47+%%

dtm-'

式中：x(t)为输入量，y(t)为输出量。

…，/也也t，…也

2.传递函数

对上式两边取拉普拉斯变换，则得：

y(恤+a"T+...+%)=X(s)(b,F"+%$-+•..+4)

该系统的传递函数H(s)为：

,_Y()_b"l+b_"-'+-+b

1H7(5()-----S------m--S------m---l-S--:-----------0

X(s)a”s"+a“_]S"H----Fa。

等号右边是一个与输入无关的表达式，只与系统结构参数有关，

可见传递函数H⑸是描述传感器本身传递信息的特性，即传输和变换特性。由输入激励和输出响应

的拉普拉斯变换求得。

1.4传感器的特性与技术指标

1.4传感器的特性与技术指标

传感器测量静态量表现为静态特性，测量动态量表现为动态特性。

1.4.1静态特性

传感器的静态特性主要由下列几种性能来描述。

由图可见，除(a)为理想特性外，其它都存在非线性，都应进行线性处理。

常用的方法有：理论直线法、端点线法、割线法、最小二乘法和计算程序法等。

2.灵敏度

灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。

对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，如图1-6(a)所示，其sn=y/x

yy

图1-6传感器的灵敏度

非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量，如图1-6(b)所示，其sn=dy/dx=df(x)/dx

3.重复性

重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度，如图1-7

所示。

传感器输出特性的不重复性主要由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动，部件的内磨擦、积尘，

电路元件老化、工作点漂移等原因产生。

图1-7传感器的重复性

不重复性极限误差由下式表：EZ=AMAX/yFS-100%

4.迟滞现象

传感器在正向行程(输入量增大)和反向行程(输入量减小)期间，输出-输入特性曲线不一致的程

度，如图1-8所示。

在行程环中同一输入量xi对应的不同输出量yi和yd的差值叫滞环误差，最大滞环误差与满量程输

出值的比值称为大滞环率EMAX：EMAX=Am/yFS100%

5.分辨力

传感器的分辨力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量。有时也用该值相

对满量程输入值的百分数表示。

6.稳定性

稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。

传感器常用长期稳定性，指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一

年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。通常又用其不稳定度来表征稳定程度。

7.漂移

传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的不需要的变化。

漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。

零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。

时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；

温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。

1.4.2动态特性

在动态(快速变化)的输入信号情况下，要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号

的变化。也就是说，传感器要有良好的动态特性。

最常用的是通过几种特殊的输入时间函数，例如阶跃函数和正弦函数来研究其响应特

性，称为阶跃响应法和频率响应法。

1.阶跃响应特性

给传感器输入一个单位阶跃函数信号：小，/八

(1)最大超调量%,

⑵延迟时间td

⑶上升时间tr

(4)峰值时间tp

⑸响应时间

2.频率响应特性

给传感器输入各种频率不同而幅值相同初相位为零的正弦信号，其输出的正弦信号的幅

值和相位与频率之间的关系，则为频率响应曲线。

例子：下图为一弹簧阻尼器组成的机械压力传感器，分析该传感器的频率响应。

图1-10机械压力传感器

系统输入量为作用力，令其与弹簧刚度成正比，尸⑺二心⑺

系统输出量为弹簧形变产生的位移》⑺

根据牛顿第三定律，作用力与阻尼器磨擦力、弹簧力的反作用力相等，即士

式中：九=3=c旦Dfk=Ky(t)

at

可得一阶机械压力传感器动态数学模型：c生。+妗")=依⑺

dt

左右两边取拉普拉斯变换，移项后可得系统的传递函数："(s)=-^=，

cs+k窝+1

式中：2=%为时间常数。S=jCO

可得频率响应函数、幅频特性、相频特性分别为：”(/&)=--一

7(/0)+1

1

A(0)=

Jl+(W)2

①(o)=-arctg{(DT)

幅频特性、相频特性如图1T1所示。由图可见，时间常数T越小，频率特性越好。时间

常数T很小时，幅频特性为常数，相频特性与频率成线性关系。

在时间常数T很小时，输出位移能真实地反应输入作用力的变化规律，与作用力频率无

关。

恤）

COT

（a）幅频特性（b）相频特性

图LU一阶传感器的频率特性

1.5传感器的材料与制造

1.5传感器的材料与制造

传感器是利用材料的固有特性或开发的二次功能特性，再经过精细加工而成的。传感器的材料和

制造是传感器性能和质量的关键。

1.5.1传感器的材料

1.半导体材料（1）单晶硅（2）多晶硅（3）非晶体硅（4）硅蓝宝石（5）化合物半导体

2.陶瓷材料

3.石英材料

4.金属氧化物及合金材料（1）ZnO薄膜（2）非晶态磁性合金材料（3）形状记忆合金材料

5.无机材料

6.有机材料

7.生化材料

8.高分子敏感材料

9.合成材料

10.智能材料（1）能够检测并且可以识别外界或内部的刺激强度的感知功能；

❖（2）能够响应外界变化的驱动功能；

（3）能够按照设定的方式选择和控制响应；

❖（4）反应比较灵敏、及时和恰当：

（5）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。

1.5.2传感器制造技术

传感器制造技术主要是微系统技术，也叫微机械加工技术。不仅微系统的部件是用微机械加工

制成，而且用这些部件组合成系统也是用微机械加工的。

1.部件及子系统加工

2.系统的集成包括底盘、组装和连线加工

3.Z半导体敏感元件的加工

Z半导体元件输出数字信号（准确地说是脉冲信号），无需前置放大和A/D转换就可与计算

机直接通信，特别适合研制新一代三端数字传感器。

1.6提高传感器性能的方法

1.6提高传感器性能的方法

1.6.1传感器性能指标

决定传感器性能的指标很多，要求一个传感器具有全面良好的性能指标，不仅给设计、制造造成

困难，而且在实用上也没有必要。

因此，应根据实际的需要与可能，在确保主要性能指标实现的基础上，放宽对次要性能指标的要

求，以求得高的性能价格比。

1.6.2提高性能指标的方法

1.采用线性化技术

2.差动技术

3.平均技术

4.零位法、微差法和闭环技术

5.补偿与校正技术

6.集成化和智能化

7.屏蔽、隔离和抑制干扰

8.稳定性处理

1.7传感器的标定与校准

1.7传感器的标定与校准

1.7.1标定与校准的方法

利用某种标准器具对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定和标度，称为标定

对传感器在使用中或储存后进行的性能复测，称为校准。

标定和校准的基本方法是：利用标准仪器产生已知的非电量，输入到待标定的传感器中，然后将传感

器输出量与输入的标准量作比较，获得一系列校准数据或曲线。

1.7.2静态标定

指输入信号不随时间变化的静态标准条件下，对传感器的静态特性如灵敏度、非线性、滞后、重复性

等指标的检定.

1.7.3动态标定

对被标定传感器输入标准激励信号，测得输出数据，做出输出值与时间的关系曲线。

由输出曲线与输入标准激励信号比较可以标定传感器的动态响应时间常数、幅频特性、相频特性等。

2.1温度测量概述

2.1温度测量概述

温度是表征物体冷热程度的物理量。

温度不能直接测量，而是借助于某种物体的某种物理参数随温度冷热不同而明显变化的特性进行间接

测量。

温度的表示（或测量）须有温度标准，即温标。理论上的热力学温标，是当前世界通用的国际温标。

热力学温标确定的温度数值为热力学温度（符号为T）,单位为开尔文（符号为K）。

热力学温度是国际上公认的最基本温度。我国目前实行的为国际摄氏温度（符号为t）。两种温标的换

算公式为：

t（℃）=T（K）-273.15K

进行间接温度测量使用的温度传感器，通常是由感温元件部分和温度显示部分组成，如图2-1所示。

t—〜感温元件温度显示

图2-1温度传感器组成框图

2.2热电偶传感器

2.2热电偶传感器

热电偶在温熹的测量中应用十分广泛。它构造简单，使用方便，测温范围宽，并且有较

高的精确度和稳定性。

2.2.1热电偶测温原理

1.热电效应

如图2-2所示，两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该

回路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电势。

T

图2-2热电效应

2.两种导体的接触电势

设两种金属A、B的自由电子密度分别为nA和nB,且nA>nB。当两种金属相接时，将产生自由电子

的扩散现象。

达到动态平衡时，在A、B之间形成稳定的电位差，即接触电势eAB,如图2-3所示。

©AB

图2-3两种导体的接触电势

3.单一导体的温差电势

对于单一导体，如果两端温度分别为T、TO,且T>TO,如图2-4所示。

图2-4单一导体温差电势

导体中的自由电子，在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散，在导体两端产生了

电势，这个电势称为单一导体的温差电势。

势电偶回路中产生的总热电势，由图2-5可知：

EAB(T,TO)=eAB(T)+eB(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO)

或EAB(t,tO)=eAB(t)+eB(t,tO)-eAB(tO)-eA(t,tO)

式中：

EAB(T,TO):热电偶回路中的总电动势；

eAB(T):热端接触电势；

eB(T,TO):B导体温差电势；

eAB(TO):冷端接触电势；

eA(T,TO):A导体温差电势。

«AB（T）

6AB

图2-5接触电势示意图

在总电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电势可表示为：

EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)

对于已选定的热电偶，当参考端温度TO恒定时，EAB(TO尸c为常数，则总的热电动势

就只与温度T成单值函数关系，即：

❖EAB(T,TO)=eAB(T)-c=f{T)

实际应用中，热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度表来确定。

分度表是在参考端温度为00C时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值

对应关系。

4.热电偶的基本定律

(1)中间导体定律

在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相等，则热电偶产生的总热电势

不变。

如图2-6所示，可得回路总的热电势

EABC(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)=EAB(T,TO)

根据这个定律，我们可采取任何方式焊接导线，将热电势通过导线接至测量仪表进行测

量，且不影响测量精度。

«AB(T)

—I1

图2-6中间导体定律示意图

(2)中间温度定律

在热电偶测量回路中，测量端温度为T,自由端温度为TO,中间温度为TO,,如图2-7

所示。则T,TO热电势等于T,TO'与TO',TO热电势的代数和。即

EAB(T,TO)=EAB(T,TOz)+EAB(TO,,TO)

运用该定律可使测量距离加长，也可用于消除热电偶自由端温度变化影响。

图2-7中间温度定律示意图

(3)参考电极定律(也称组成定律)

如图2-8所示。

已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为(T,TO)时的热电动势分别为EAC(T,TO)、

EBC(T,TO),则相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势EAB(T,TO)可按下面公式计算：

EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,TO)参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作。

图2-8参考电极定律示意图

例2.1

当T为100℃,TO为0℃时，金各合金一伯热电偶的E(100℃,0℃)=+3.13mV,铝合金一的热电偶E

(100℃,0℃)为-1.02mV,求金各合金一铝合金组成热电偶的热电势E(100℃,0℃)»

解：设谿合金为A,铝合金为B,伯为C。

即EAC(100℃,0℃)=+3.13mV

EBC(100℃,0℃)=-1.02mV

则EAB(100℃,0℃尸+4.15mV

2.2.2热电偶的结构形式及热电偶材料

1.普通型热电偶

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。普通型热电偶按其安装时的连接形

式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。

如图2-9所示：

1-热电极2绝缘瓷管;3-保护管;4-接线座;5-接线柱;6-接线盒

图2-9直形无固定装置普通工业用热电偶

2.铠装热电偶(缆式热电偶)

铠装热电偶也称缆式热电偶，是将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘物溶铸在一起，外表再

套不锈钢管等构成。

这种热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用。

如图2-10所示：

^5^333

1-热电极2绝缘材料;3.金属套管;4-接线盒;5-固定装置

图2-10铠装热电偶

3.薄膜热电偶

用真空镀膜技术或真空溅射等方法，将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶

称为薄膜热电偶。

如图2-11所示：

图2-11薄膜热电偶

4.热电偶组成材料及分度表

为了准确可靠地进行温度测量，必须对热电偶组成材料严格选择。

目前工业上常用的四种标准化热电偶材料为:伯铭30—钳钱6、伯健10一伯、锲铭一锲

硅、银格一铜银（我国通常称为银格一康铜）。

组成热电偶的两种材料写在前面的为正极，后面的为负极。

热电偶的热电动势与温度之关系表，称之为分度表。

2.2.3热电偶测温及参考端温度补偿

1.热电偶测温基本电路

如图2-12所示，

图（a）表示了测量某点温度连接示意图。

图（b）表示两个热电偶并联测量两点平均温度。图（c）为两热电偶正向串联测两点温

度之和。

图（d）为两热电偶反向串联测量两点温差。

热电偶串、并联测温时，应注意两点：第一，必须应用同一分度号的热电偶；

第二，两热电偶的参考端温度应相等。

图2-12常用的热电偶测温电路示意图

2.热电偶参考端的补偿

热电偶分度表给出的热电势值的条件是参考端温度为0℃。如果用热电偶测温时自由端

温度不为0℃,必然产生测量误差。应对热电偶自由端(参考端)温度进行补偿。

例如：用K型(锲铭-银硅)热电偶测炉温时，参考端温度tO=3OC,

由分度表可查得E(30℃,0℃)=1.203mv,

若测炉温时测得E(t,30℃)=28.344mv,

则可计算得

E(t,0℃)=E(t,30℃+E(30℃,0℃)=29.547mv

由29.547mv再查分度表得t=710℃,是炉温。

2.3金属热电阻传感器

2.3金属热电阻传感器

金属热电阻传感器一般称作热电阻传感器，是利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理

进行测温的。

金属热电阻的主要材料是伯和铜。

热电阻广泛用来测量-220〜+850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K(-272℃),高

温可测量至1000℃«

最基本的热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，如图2-14所示。

显示

仪表

图2-14金属热电阻传感器测量示意图

2.3.1热电阻的温度特性

热电阻的温度特性，是指热电阻Rt随温度变化而变化的特性。

1.伯热电阻的电阻一温度特性

❖伯电阻的特点是测温精度高，稳定性好，所以在温度传感器中得到了广泛应用。伯电阻的应用

范围为-200〜+850°C。

❖伯电阻的电阻一温度特性方程，在-200〜0℃的温度范围内为：Rt=RO[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]

❖在0〜+850℃的温度范围内为：Rt=RO(l+At+Bt2)

2.铜热电阻的电阻温度特性

❖由于伯是贵金属，在测量精度要求不高，温度范围在-50〜+150℃时普遍采用铜电阻。铜电阻

与温度间的关系为:Rt=R0(l+alt+a2t2+a3t3)

❖由于a2、a3比al小得多，所以可以简化为Rt=«R0(l+aIt)

❖2.3.2热电阻传感器的结构

❖热电阻传感器由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等组成，如图2-15所示。

图2-15热电阻结构

2.4集成温度传感器

2.4集成温度传感器

集成温度传感器具有体积小、线性好、反应灵敏等优点，所以应用十分广泛。

集成温度传感器是把感温元件(常为PN结)与有关的电子线路集成在很小的硅片上封装而成。

由于PN结不能耐高温，所以集成温度传感器通常测量150℃以下的温度。

集成温度传感器按输出量不同可分为：电流型、电压型和频率型三大类。

2.4.1集成温度传感器基本工作原理

图2-16为集成温度传感器原理示意图。

其中VI、V2为差分对管，由恒流源提供的II、12分别为VI、V2的集电极电流，则AUbe为:

.KT/,

TT——ln（U/）

qh

只要11/12为一恒定值，则AUbe与温度T为单值线性函数关系。这就是集成温度传感器的基本

工作原理。

2.4.2电压输出型集成温度传感器

图2-17所示电路为电压输出型温度传感器。VI、V2为差分对管，调节电阻R1,可使11=12,

当对管VI、V2的B值大小等于1时，电路输出电压U0为：==组比七

.—r/H.U°&KT

由此可得：△(/加=—=——In/

&q

Rl、R2不变则U0与T成线性关系。若Rl=940Q,R2=30KQ,/=37,则电路输出温度系数为

10mV/Ko

图2-17电压输出型原理电路图

2.4.3电流输出型集成温度传感器

如图2-18所示：

对管VI、V2作为恒流源负载，V3、V4作为感温元件，V3、V4发射结面积之比为Y，此时电流

源总电流IT为：11=2人=生％=丝口勺

1RqR

当R、Y为恒定量时,IT与T成线性关系。若R=358Q,丫=8,则电路输出温度系数为1uA/K。

图2-18电流输出型原理电路图

2.5半导体热敏电阻

2.5半导体热敏电阻

半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件。

热敏电阻是利用某些金属氧化物或单晶褚、硅等材料，按特定工艺制成的感温元件。热敏电阻可分

为三种类型，即：

正温度系数（PTC）热敏电阻

负温度系数（NTC）热敏电阻

在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR）。

2.5.1热敏电阻的（Rt—t）特性

1-突变型NTC；2-负指数型NTC；3-线性型PTC；4-突变型PTC

图2-19各种热敏电阻的特性曲线

结论：

（1）热敏电阻的温度系数值远大于金属热电阻，所以灵敏度很高。

（2）同温度情况下，热敏电阻阻值远大于金属热电阻。所以连接导线电阻的影响极小，适用于远距离

测量。

（3）热敏电阻Rt—t曲线非线性十分严重，所以其测量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

由于热敏电阻Rt—t曲线非线性严重，为保证一定范围内温度测量的精度要求，应进行非线性修正。

（1）线性化网络

利用包含有热敏电阻的电阻网络（常称线性化网络）来代替单个的热敏电阻，使网络电阻RT与

温度成单值线性关系。其一般形式如图2-20所示。

图2-20线性化网络

（2）利用电阻测量装置中其它部件的特性进行综合修正。

图2-21是一个温度-频率转换电路，

虽然电容C的充电特性是非线性特性，但适当地选取线路中的电阻r和R,可以在一定的温度范

围内，得到近于线性的温度-频率转换特性。

图2-21温度-频率转换器原理图

(3)计算修正法

在带有微处理机(或微计算机)的测量系统中，当已知热敏电阻器的实际特性和要求的理想特性

时，可采用线性插值法将特性分段，并把各分段点的值存放在计算机的存贮器内。计算机将根据热

敏电阻器的实际输出值进行校正计算后，给出要求的输出值。

2.6负温度系数热敏电阻

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。

其特点是：(1)电阻温度系数大，约为金属热电阻的10倍。

(2)结构简单、体积小，可测点温。

(3)电阻率高，热惯性小，适用于动态测量。

(4)易于维护和进行远距离控制。

(5)制造简单、使用寿命长。

(6)互换性差，非线性严重。

=)=…-1二极管形破/封状

图2-22负温度系数(NTC)热敏电阻结构

2.6.2负温度系数热敏电阻温度方程

热敏电阻值RT和R0与温度TT和TO的关系为：RT=

2.6.3负温度系数热敏电阻主要特性

(1)标称阻值

厂家通常将热敏电阻25℃时的零功率电阻值作为R0,称为额定电阻值或标称阻值，记作R25,85℃

时的电阻值R85作为RT。标称阻值常在热敏电阻上标出。R85也由厂家给出。

(2)B值

将热敏电阻25℃时的零功率电阻值R0和85℃时的零功率电阻值RT,以及25℃和85℃的绝对温度TO

=298K和TT=358K代入负温度系数热敏电阻温度方程，可得：B=17781n公

区85

B值称为热敏电阻常数，是表征负温度系数热敏电阻热灵敏度的量。

B值越大，负温度系数热敏电阻的热灵敏度越高。

(3)电阻温度系数。

热敏电阻在其自身温度变化1℃可知：

①热敏电阻的温度系数为负值。

②温度减小，电阻温度系数。增大。

在低温时，负温度系数热敏电阻的温度系数比金属热电阻丝高得多，故常用于低温测量(-100〜

300℃)„时，电阻值的相对变化量称为热敏电阻的电阻温度系数。。＜7=一条

(4)额定功率

额定功率是指负温度系数热敏电阻在环境温度为25℃,相对湿度为45〜80%。大气压为0.87〜1.07bar

的条件下，长期连续负荷所允许的耗散功率。

(5)耗散系数8

耗散系数6是负温度系数热敏电阻流过电流消耗的热功率(W)与自身温升值(T—T0)之比，单位

W

为WC-1。3=-----

f

(6)热时间常数T

负温度系数热敏电阻在零功率条件下放入环境温度中，不可能立即变为与环境温度同温度。

热敏电阻本身的温度在放入环境温度之前的初始值和达到与环境温度同温度的最终值之间改变

63.2%所需的时间叫做：热时间常数，用T表示.

2.7温度传感器应用实例

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

1.双金属温度传感器室温测量的应用

双金属温度传感器结构简单，价格便宜，刻度清晰，使用方便，耐振动。

常用于驾驶室、船舱，粮仓等室内温度测量。

图2-23为盘旋形双金属温度计。

图2-23盘旋形双金属温度计

2.双金属温度传感器在电冰箱中的应用

电冰箱压缩机温度保护继电器内部的感温元件是一片碟形的双金属片，如图2-24所示。

在双金属片上固定着两个动触头。在碟形双金属片的下面还安放着一根电热丝。该电热丝与这两个常

闭触点串联连接。

压缩机电机中的电流过大时，这一大电流流过电热丝后，使它很快发热，放出的热量使碟形双金属片

温度迅速升高到它的动作温度，碟形双金属片翻转，带动常闭触点断开，切断压缩机电机的电源，保护

全封闭式压缩机不至于损环。

(a)外形

碟形双金属片

触点2

触点1

金属板2

金属板

_热丝1

(接电动机)锁紧螺母」寸金属板3

调节螺钉

(接电源线)

(c)工作正常，触点闭合(d)工作异常，触点断开

图2-24碟形双金属温度传感器工作过程

2.7.2热敏电阻温度传感器的应用

1.热敏电阻在汽车水箱温度测量中的应用

图2-25所示为汽车水箱水温监测电路。其中Rt为负温度系数热敏电阻。

2.热敏电阻在空调器控制电路中的应用

春兰牌KFR-20GW型冷热双向空调中热敏电阻的应用,如图2-26所示。

Rzi16+12V

3925

3834

37事43

52

6061

IC26170

36—89

+5V

16

75028

25

26

图2-26热敏电阻在空调控制电路中的应用

2.7.3晶体管温度传感器的应用

1.热敏二极管温度传感器应用举例

半导体二极管正向电压与温度的关系如图2-27所示。可将温度转换成电压，完成温度传

感器的功能。

800

600

400

200

O

-40O4080

漏度(。

图2-27二极管正向电压一温度特性曲线

图2-28是采用硅二极管温度传感器的测量电路，其输出端电压值随温度而变化。温度每

变化1℃,输出电压变化量为0.1V。

2.热电偶参考端的补偿

热电偶分度表给出的热电势值的条件是参考端温度为0℃。如果用热电偶测温时自由端

温度不为0C,必然产生测量误差。应对热电偶自由端(参考端)温度进行补偿。

例如：用K型(锲格-镇硅)热电偶测炉温时，参考端温度t0=30℃,

由分度表可查得E(30℃,0℃尸L203mv,

若测炉温时测得E(t,30℃)=28.344mv,

则可计算得

E(t,0℃)=E(t,30℃+E(30℃,0℃)=29,547mv

由29.547mv再查分度表得t=710℃,是炉温。

2.3金属热电阻传感器

2.3金属热电阻传感器

金属热电阻传感器一般称作热电阻传感器，是利用金属导体的电阻值随温度的变化

而变化的原理进行测温的。

金属热电阻的主要材料是粕和铜。

热电阻广泛用来测量-220〜+850C范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K

(-272C),高温可测量至1000C。

最基本的热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，如图2-14所示。

X显示

Rt仪表

T

图2-14金属热电阻传感器测量示意图

2.3.1热电阻的温度特性

热电阻的温度特性，是指热电阻Rt随温度变化而变化的特性。

1.伯热电阻的电阻一温度特性

销电阻的特点是测温精度高，稳定性好，所以在温度传感器中得到了广泛应用。伯

电阻的应用范围为-200〜+850C。

粕电阻的电阻一温度特性方程，在-200〜0°C的温度范围内为：

Rt=RO[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]

在0〜+850℃的温度范围内为：Rt=RO(l+At+Bt2)

2.铜热电阻的电阻温度特性

由于钳是贵金属，在测量精度要求不高，温度范围在-50〜+150C时普遍采用铜电阻。

铜电阻与温度间的关系为：Rt=R0(l+alt+a2t2+a3t3)

由于a2、a3比al小得多，所以可以简化为Rt七R0(l+aIt)

2.3.2热电阻传感器的结构

热电阻传感器由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等组成，如图2-15所示。

安装固定件

电阻体不锈钢套管

接线盒

瓷绝缘套管

芯柱嘉

电阻丝保护膜引线端

(b)

图2-15热电阻结构

2.4集成温度传感器

2.4集成温度传感器

集成温度传感器具有体积小、线性好、反应灵敏等优点，所以应用十分广泛。

集成温度传感器是把感温元件(常为PN结)与有关的电子线路集成在很小的硅片上封

装而成。

由于PN结不能耐高温，所以集成温度传感器通常测量150c以下的温度。

集成温度传感器按输出量不同可分为：电流型、电压型和频率型三大类。

2.4.1集成温度传感器基本工作原理

图2-16为集成温度传感器原理示意图。

其中VI、V2为差分对管，由恒流源提供的II、12分别为VI、V2的集电极电流，则

△Ube为：只要11/12为一恒定值，则aube与温度T为单值线性函数关系。

这就是集成温度传感器的基本工作原理。

图2-16集成2.4.2电压输出型集成温度传感器

图2-17所示电路为电压输出型温度传感器。VI、V2为差分对管，调节电阻R1,可使11=12,

当对管VI、V2的B值大于等于1时，电路输出电压UO为：

温度传感器基本原理图由此可得：=，2凡=A%6

l

由此可得：MJhe=^=—\ny

为q

Rl、R2不变则U0与T成线性关系。若Rl=940Q,R2=30KQ,y=37,则电路输出温度系数为

lOmV/Ko

图2-17电压输出型原理电路图

2.4.3电流输出型集成温度传感器

如图2-18所示：

对管VI、V2作为恒流源负载，V3、V4作为感温元件，V3、V4发射结面积之比为丫，此时电

流源总电流IT为：/7=2/1=竺%=也足/

'RqR

当R、Y为恒定量时,IT与T成线性关系。若R=358Q,丫=8,则电路输出温度系数为1uA/K。

2.5半导体热敏电阻

2.5半导体热敏电阻

半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件。

热敏电阻是利用某些金属氧化物或单晶楮、硅等材料，按特定工艺制成的感温元件。

热敏电阻可分为三种类型，即：正温度系数（PTC）热敏电阻，温度系数（NTC）热敏电阻

在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR）o

2.5.1热敏电阻的（Rt—t）特性

1-突变型NTC；2-负指数型NTC；3-线性型PTC；4-突变型PTC

图2-19各种热敏电阻的特性曲线

结论：(1)热敏电阻的温度系数值远大于金属热电阻，所以灵敏度很高。

(2)同温度情况下，热敏电阻阻值远大于金属热电阻。所以连接导线电阻的影响极

小，适用于远距离测量。

(3)热敏电阻Rt—t曲线非线性十分严重，所以其测量温度范围远小于金属

2.5.2热敏电阻温度测量非线性修正

由于热敏电阻Rt—t曲线非线性严重，为保证一定范围内温度测量的精度要求，应

进行非线性修正。

(1)线性化网络

利用包含有热敏电阻的电阻网络(常称线性化网络)来代替单个的热敏电阻，使网

络电阻RT与温度成单值线性关系。

其一般形式如图2-20所示。

图2-20线性化网络

♦：♦（2）利用电阻测量装置中其它部件的特性进行综合修正。

图2-21是一个温度-频率转换电路，

虽然电容C的充电特性是非线性特性，但适当地选取线路中的电阻r和R,

可以在一定的温度范围内，得到近于线性的温度-频率转换特性。

图2-21温度-频率转换器原理图

(3)计算修正法

在带有微处理机(或微计算机)的测量系统中，当已知热敏电阻器的实际特性和要求

的理想特性时，可采用线性插值法将特性分段，并把各分段点的值存放在计算机的存

贮器内。计算机将根据热敏电阻器的实际输出值进行校正计算后，给出要求的输出值。

2.6负温度系数热敏电阻

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。

其特点是：(1)电阻温度系数大，约为金属热电阻的10倍。

(2)结构简单、体积小，可测点温。

(3)电阻率高，热惯性小，适用于动态测量。

(4)易于维护和进行远距离控制。

(5)制造简单、使用寿命长。

(6)互换性差，非线性严重。

松叶状珠状

图2-22负温度系数(NTC)热敏电阻结构

2.6.2负温度系数热敏电阻温度方程

热敏电阻值RT和R0与温度TT和T0的关系为：肉=

2.6.3负温度系数热敏电阻主要特性

(1)标称阻值

厂家通常将热敏电阻25℃时的零功率电阻值作为R0,称为额定电阻值或标称阻值，记

作R25,85c时的电阻值R85作为RT。标称阻值常在热敏电阻上标出。R85也由厂家给

出。

(2)B值

热敏电阻25℃时的零功率电阻值R0和85℃时的零功率电阻值RT,以及25℃和85℃的

绝对温度T0=298K和TT=358K代入负温度系数热敏电阻温度方程，可得：B=17781n^i

%5

B值称为热敏电阻常数，是表征负温度系数热敏电阻热灵敏度的量。

B值越大，负温度系数热敏电阻的热灵敏度越高。

(3)电阻温L度系数。

热电阻在其自身温度变化1C时，电阻值的相对变化量称为热敏电阻的电阻温度系数

可知：

①热敏电阻的温度系数为负值。

②温度减小，电阻温度系数。增大。

在低温时，负温度系数热敏电阻的温度系数比金属热电阻丝高得多，故常用于低温测量

(-100-300℃)o

(4)额定功率

额定功率是指负温度系数热敏电阻在环境温度为25℃,相对湿度为45〜80%。大气压

为0.87~1.07bar的条件下，长期连续负荷所允许的耗散功率。

(5)耗散系数3

耗散系数6是负温度系数热敏电阻流过电流消耗的热功率(W)与自身温升值(T-T0)

W

之比，单位为w℃—l。3^——

T-T0

(6)热时间常数T

负温度系数热敏电阻在零功率条件下放入环境温度中，不可能立即变为与环境温度同

温度O

热敏电阻本身的温度在放入环境温度之前的初始值和达到与环境温度同温度的最终值

之间改变63.2%所需的时间叫做：

热时间常数，用T表示。

2.7温度传感器应用实例

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

1属温度传感器室温测量的应用

双金属温度传感器结构简单，价格便宜，刻度清晰，使用方便，耐振动。

常用于驾驶室、船舱，粮仓等室内温度测量。

图2-23为盘旋形双金属温度计。

图2-23盘旋形双金属温度计

2.双金属温度传感器在电冰箱中的应用

一电冰箱压缩机温度保护继电器内部的感温元件是一片碟形的双金属片，如图2-24所

zj\0

在双金属片上固定着两个动触头。在碟形双金属片的下面还安放着一根电热丝。该

电热丝与这两个常闭触点串联连接。

压缩机电机中的电流过大时，这一大电流流过电热丝后，使它很快发热，放出的热

量使碟形双金属片温度迅速升高到它的动作温度，碟形双金属片翻转，带动常闭触点

断开，切断压缩机电机的电源，保护全封闭式压缩机不至于损环。

(a)外形

碟形双金属片

(接电动机)锁紧螺母书由金属板3

调节螺寸L.______

(接电源线)

(c)工作正常，触点闭合(d)工作异常，触点断开

图2-24碟形双金属温度传感器工作过程

2.7.2