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1、第8章 熱電式傳感器 l 熱電式傳感器是將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏孔兓难b置； l 用熱電偶可以將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱莸淖兓? l 用熱電阻可以將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮璧淖兓? 8.1 熱電偶 8.1.1 熱電偶的特點 l 熱電偶可以將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱莸淖兓? l 熱電偶可測100~1300度的溫度范圍，特殊的熱電偶還可測更低和更高的溫度； l 熱電偶可用于測量局部溫度； l 熱電偶的信號可以遠距離傳輸，便于集中處理和自動記錄； l 熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，精度高，熱慣性小等優(yōu)點。 8.1.2 熱電效應(yīng) l 1823年塞貝克發(fā)現(xiàn)了熱電效應(yīng)：由兩種不同的金屬組成的閉合回路中，

2、當兩種金屬兩個接觸點溫度不同時，回路中就要產(chǎn)生熱電勢，這個稱為塞貝克電勢。 B A l 熱電偶就是由兩種不同的金屬組成的閉合回路； l 塞貝克電勢： 2 2 稱為熱電勢率或塞貝克系數(shù) 2 和與AB兩種材料有關(guān) 8.1.3 珀爾帖熱電效應(yīng)原理 l 珀爾帖電勢（接觸電勢）的產(chǎn)生： A B 電子濃度大 電子濃度小 擴散 漂移 2 電子濃度大使電子產(chǎn)生從A到B的擴散運動； 2 擴散運動產(chǎn)生電勢，并逐漸增長； 2 電勢使電子產(chǎn)

3、生從B到A的漂移運動，逐漸增長，漂移運動也就逐漸增強； 2 漂移運動逐漸增強到抵消擴散運動，最終達到動態(tài)平衡，使電勢不變。 l 擴散運動產(chǎn)生于電子熱運動，溫度越高電子熱運動越強，擴散運動強，抵消擴散運動的漂移運動也要求越大，從而珀爾帖電勢也就可以增長得越大， l 珀爾帖電勢： ：接觸點絕對溫度； ：波爾茲曼常數(shù)； ：電子電量； ：材料的自由電子密度。 8.1.4 湯姆遜熱電效應(yīng)原理 l 湯姆遜電勢（溫差電勢）的產(chǎn)生： 擴散 漂移 2 導(dǎo)體A兩端溫度差使電子產(chǎn)生從到的擴散運動； 2 擴散運動產(chǎn)生電

4、勢，并逐漸增長； 2 電勢使電子產(chǎn)生從到的漂移運動，逐漸增長，漂移運動也就逐漸增強； 2 漂移運動逐漸增強到抵消擴散運動，最終達到動態(tài)平衡，使電勢不變。 l 擴散運動產(chǎn)生于電子熱運動，導(dǎo)體A兩端溫度差越高電子熱運動越強，擴散運動強，抵消擴散運動的漂移運動也要求越大，從而湯姆遜電勢也就可以增長得越大。 l 導(dǎo)體的湯姆遜電勢： ， 方向與溫度下降方向相同 2 稱為湯姆遜系數(shù)。 2 與導(dǎo)體A的材料性質(zhì)和兩端的平均溫度有關(guān)； 2 與導(dǎo)體的幾何形狀無關(guān)。 2 與導(dǎo)體的溫度分布無關(guān)。 8.1.5 熱電偶的電勢 l 熱電偶的電勢： B A

5、 l 熱電偶兩電極材料相同，兩接點溫度即使不同，熱電偶的電勢也為零 l 熱電偶的電勢只與兩接點的溫度的函數(shù)，兩接點溫度相同時，熱電偶的電勢為零 l 固定熱電偶一接點的溫度，熱電偶的電勢是熱電偶另一接點溫度的單值函數(shù)。 l 熱電偶的測量電壓。 B A C 8.1.6 熱電偶的基本定律 l 勻質(zhì)導(dǎo)體定律：兩種勻質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其電勢大小與熱電極直徑、長度及沿?zé)犭姌O長度上

6、的溫度分布無關(guān)，只與熱電材料和兩端溫度有關(guān)，當導(dǎo)體不均勻時，熱電極上溫度的不同將產(chǎn)生附加熱電勢，加熱電勢是造成熱電偶測量的誤差，因此導(dǎo)體均勻是熱電偶質(zhì)量的重要指標之一。 l 中間導(dǎo)體定律：在熱電偶中插入第三、第四等等導(dǎo)體時，只要插入導(dǎo)體均勻且兩端溫度，無論插入導(dǎo)體上的溫度分布如何，熱電偶的電勢不變，這為測量電路提供了方便。 l 中間溫度定律：設(shè)熱電偶兩端溫度分別為、和，其熱電勢分別為、和，則有 8.1.7 熱電偶冷端溫度補償 l 熱電偶的分度表或分度曲線：熱電偶在冷端溫度為標準溫度條件下的電勢可以得到熱電偶的分度表或分度曲線是 l

7、熱電勢修正法：冷端溫度不是恒定的標準溫度，而是恒定的溫度時，采用冷端熱電勢修正得實際溫度。 l 溫度修正法：冷端溫度不是恒定的標準溫度，而是恒定的溫度時，采用冷端熱電偶修正系數(shù)得實際溫度。 補償器 0

8、 電橋自動補償法： l 補償器等效電路 l pn結(jié)自動補償法：溫度升高時，pn結(jié)的電壓將線性下降，在范圍，溫度系數(shù)為,它可以很好地用于溫度補償，采用二極管做冷端補償，精度可達,采用三極管做冷端補償，精度可達。 l 熱引電極補償法： AB與CD在溫度范圍熱電性接近 測量電路 冷端

9、 冷端移動 B 8.2 熱電阻 8.2.1 熱電阻 l 熱電阻有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻； l 熱電阻的溫度測量范圍一般為-200，特別的可以低溫達，高溫達1000。 8.2.2 金屬熱電阻 l 金屬熱電阻的特性方程： 2 ：特性方程 2 ：是熱電阻在溫度溫度為時的電阻值； 2 ：是熱電阻的溫度系數(shù)，是溫度的函數(shù)； 2 ：溫度在附近變化時，近似為常數(shù)。 l 金屬熱電阻的溫度系數(shù)一般為正溫

10、度系數(shù)； l 金屬熱電阻的材料： 2 常用材料有：鉑、銅、鐵、鎳； 2 在測溫范圍內(nèi)，它們的物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定； 2 在測溫范圍內(nèi)，它們的溫度系數(shù)較大，純金屬的溫度系數(shù)大于合金，一般采用純金屬； 2 在測溫范圍內(nèi)，它們的溫度系數(shù)為常數(shù)，便于應(yīng)用； 2 在測溫范圍內(nèi)，它們有較大的電阻率，可減小電阻體積和熱慣性； 2 它們的特性復(fù)現(xiàn)性好，便于復(fù)制。 8.2.3 半導(dǎo)體熱敏電阻 l 半導(dǎo)體熱敏電阻溫度系數(shù)一般大于金屬熱電阻； l 半導(dǎo)體熱敏電阻溫度系數(shù)有正溫度系數(shù)(PTC)，臨界溫度系數(shù)(CTR)和負溫度系數(shù)(NTC)三類； l 正溫度系數(shù)(PTC) 熱敏電阻，其溫度系數(shù)隨溫度

11、上升而曾大，主要用于彩電消磁、各種電器設(shè)備的過熱保護、發(fā)熱源的定溫控制、電路或設(shè)備的限流等； l 臨界溫度系數(shù)(CTR) 熱敏電阻，其溫度系數(shù)在某個溫度點上發(fā)生劇烈變化，主要用于溫度開關(guān)； l 負溫度系數(shù)(NTC) 熱敏電阻，其溫度系數(shù)很大，主要用點溫、表面溫度、溫差、溫場等的測量，特別適用于，之間的測溫，還廣泛用于自動控制和電路的熱補償中； 8.2.4 半導(dǎo)體熱敏電阻溫度特性（負溫度系數(shù)半導(dǎo)體） l 指數(shù)溫度特性： 2 ：指數(shù)特性方程； 2 ：絕對溫度； 2 ：由材料的幾何形狀、工作方式和特性決定的常數(shù) 2 可以由兩個溫度下的電阻值決定； , ,

12、 , 一般取, l 線性溫度特性 2 ：線性特性方程 2 ：參考溫度，一般?。? 2 ：額定電阻，一般取； 2 ：熱敏電阻常數(shù)； 2 ：熱敏電阻的溫度系數(shù)。 8.2.5 半導(dǎo)體熱敏電阻伏安特性（負溫度系數(shù)半導(dǎo)體） l 在一定的環(huán)境溫度下，熱敏電阻的端電壓與電流的特性曲線叫熱敏電阻的伏安特性。 l 在一定的環(huán)境溫度下，通過熱敏電阻的電流為小電流時，熱敏電阻的溫度基本等于環(huán)境溫度不變，此時，熱敏電阻的伏安特性為直線。 l 在一定的環(huán)境溫度下，通過熱敏電阻的電流為大電流時，熱敏電阻的溫度不等于環(huán)境溫度，其溫度與環(huán)境溫度、電流、熱敏電阻周圍介質(zhì)散熱有關(guān)，也就是

13、與環(huán)境溫度、電流、熱敏電阻周圍介質(zhì)散熱有關(guān)，即電壓與環(huán)境溫度、電流、熱敏電阻周圍介質(zhì)散熱有關(guān)，熱敏電阻的伏安特性為曲線。 l 熱敏電阻通過大電流，熱敏電阻發(fā)熱，熱敏電阻周圍介質(zhì)散熱，發(fā)熱等于散熱達到動態(tài)平衡，這個過程的時間為。 l 在一定的環(huán)境溫度，一定電流下，熱敏電阻的電壓就只與熱敏電阻周圍介質(zhì)散熱有關(guān)，介質(zhì)散熱的快慢與介質(zhì)的流速有關(guān)，所以，熱敏電阻的電壓與介質(zhì)的流速有關(guān)，可利用它來測介質(zhì)的流速。 8.2.6 半導(dǎo)體熱敏電阻的主要參數(shù)和特點 l 標稱電阻（冷電阻）：的電阻； l 電阻溫度系數(shù)：的溫度系數(shù)，單位：; l 耗散系數(shù)：單位時間、單位溫差（電阻溫度與環(huán)境溫度的差），電阻耗

14、散流失的熱量，單位; l 熱容量：單位溫度變化（電阻溫度變化），電阻吸收或釋放的熱量，單位; l 能量靈敏度：電阻值變化，電阻所耗散的功率，單位,有關(guān)系式： l 時間常數(shù)： l 熱敏電阻溫度系數(shù)大、靈敏度高、熱容量小、響應(yīng)速度快、分辨率高（可達; l 熱敏電阻互換性差、熱電特性非線性大、其非線性可以用溫度系數(shù)小的電阻與熱電阻串聯(lián)或并聯(lián)進行改善。 8.2.7 電橋測量電路 l 熱電阻測溫電橋的三線連接法1： 溫度變化不影響電橋狀態(tài) 溫度變化不影響電橋狀態(tài) 測溫?zé)犭娮? 零點調(diào)節(jié) 探頭

15、 觸點電阻將影響電橋狀態(tài) 2 電橋平衡條件： 2 2 零點電阻： 2 零點平衡調(diào)節(jié)： 2 測溫平衡調(diào)節(jié)： 溫度變化不影響電橋狀態(tài) 溫度變化不影響電橋狀態(tài) 測溫?zé)犭娮? 零點調(diào)節(jié) 探頭 觸點電阻將影響電橋狀態(tài) l 熱電阻測溫電橋的三線連接法2： l 熱電阻測溫電橋的四線連接法： 溫度變化不影響電橋狀態(tài) 測溫?zé)犭娮? 零點調(diào)節(jié) 探頭

16、 觸點電阻將不影響電橋狀態(tài) l 熱電阻測溫性能穩(wěn)定，測量范圍廣，精度高，特別適合低溫測量； l 熱電阻測溫的電流不能太大，避免電流對熱電阻的加熱效應(yīng)，流過熱電阻的電流一般小于； l 熱電阻熱容量大，限制了它在溫度快速變化的動態(tài)測溫中的應(yīng)用； 8.3 晶體管和集成溫度傳感器 8.3.1 工作原理 l 晶體管pn結(jié)的伏安特性與溫度有關(guān)： ：pn結(jié)正向電流，：pn結(jié)正向電壓 ：pn結(jié)反向飽和電流，：電子電荷 ：絕對溫度，：波爾茲曼常數(shù) l 晶體管pn結(jié)電壓與溫度的線性關(guān)系 當時 8.3.2 集成溫度傳感器 l 在集成電路內(nèi)部，給一個晶體管pn結(jié)提供一個恒定的電流，使得其電壓與與溫度成線性關(guān)系： l 在集成電路內(nèi)部，設(shè)計電壓或電流轉(zhuǎn)換電路，使轉(zhuǎn)換電路特性與溫度無關(guān)： 電流集成 溫度傳感器 電壓集成 溫度傳感器 或 l 集成傳感器具有體積小、熱惰性小、反應(yīng)快、穩(wěn)定性好、校正方便等特點，因而獲得廣泛的應(yīng)用。