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1、 第第9 9章章 熱電式傳感器熱電式傳感器 9.1 9.1 熱電偶熱電偶 9.1.1 9.1.1 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理 9.1.2 9.1.2 熱電偶基本定律熱電偶基本定律 9.1.3 9.1.3 常用熱電偶常用熱電偶 9.2 9.2 熱電阻熱電阻 9.2.1 9.2.1 鉑電阻鉑電阻 9.2.2 9.2.2 銅電阻銅電阻 9.3 9.3 熱敏電阻熱敏電阻 9.3.1 9.3.1 導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電機(jī)理 9.3.2 9.3.2 電阻與溫度關(guān)系電阻與溫度關(guān)系 9.4 9.4 熱釋電型溫度傳感器熱釋電型溫度傳感器 9.5 9.5 半導(dǎo)體集成溫度傳感器半導(dǎo)體集成溫度傳感器 熱電式傳感器是利用其

2、敏感元件的特征參數(shù)熱電式傳感器是利用其敏感元件的特征參數(shù)隨溫度變化的特性，對(duì)溫度及與溫度有關(guān)的參量隨溫度變化的特性，對(duì)溫度及與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行測(cè)量的裝置。進(jìn)行測(cè)量的裝置。溫度量轉(zhuǎn)換為電阻和電勢(shì)是目前工業(yè)生產(chǎn)和溫度量轉(zhuǎn)換為電阻和電勢(shì)是目前工業(yè)生產(chǎn)和控制中應(yīng)用最為普遍的方法控制中應(yīng)用最為普遍的方法 將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱(chēng)為熱電阻傳將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱(chēng)為熱電阻傳感器；將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)變化的稱(chēng)為熱電感器；將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)變化的稱(chēng)為熱電偶傳感器。偶傳感器。半導(dǎo)體集成溫度傳感器及利用熱釋電效應(yīng)制半導(dǎo)體集成溫度傳感器及利用熱釋電效應(yīng)制成的感溫元件在測(cè)溫領(lǐng)域中也得到越來(lái)越多的重成的

3、感溫元件在測(cè)溫領(lǐng)域中也得到越來(lái)越多的重視。視。 9.1 9.1 熱電偶熱電偶9.1.1 9.1.1 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理 熱電偶偶是是利利用用導(dǎo)體體或或半半導(dǎo)體體材材料料的的熱電效效應(yīng)將將溫溫度度的的變化化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)變化化的的元件。元件。所所謂熱電效效應(yīng)是是指指兩兩種種不不同同導(dǎo)體體A、B的的兩兩端端連接接成成如如圖所所示示的的閉合合回回路路。若若使使連接接點(diǎn)點(diǎn)分分別處于于不不同同溫溫度度場(chǎng)T0和和T（設(shè)TT0），則在在回回路路中中產(chǎn)生生由由于于接接點(diǎn)點(diǎn)溫溫度度差差（TT0）引引起起的的電勢(shì)差差。通通常常把把兩兩種種不不同同金金屬屬的的這種種組合合稱(chēng)稱(chēng)為熱電偶偶，A和和B稱(chēng)稱(chēng)為熱電

4、極極，溫溫度度高高的的接接點(diǎn)點(diǎn)稱(chēng)稱(chēng)為熱端端（或或工工作作端端），溫溫度度低低的的接接點(diǎn)點(diǎn)稱(chēng)稱(chēng)為冷端（或自由端）。冷端（或自由端）。 熱電效應(yīng)也稱(chēng)塞貝克效應(yīng)，熱電偶回路中產(chǎn)生的電勢(shì)差為熱電效應(yīng)也稱(chēng)塞貝克效應(yīng)，熱電偶回路中產(chǎn)生的電勢(shì)差為 從式可知，前一從式可知，前一項(xiàng)是由于兩種不同材料金屬是由于兩種不同材料金屬連接接時(shí)產(chǎn)生的接觸生的接觸電勢(shì)差，取決于材料的差，取決于材料的電子密度；而后一子密度；而后一項(xiàng)是由于同一種材料的均是由于同一種材料的均質(zhì)導(dǎo)體，當(dāng)兩端溫度不同體，當(dāng)兩端溫度不同時(shí)產(chǎn)生的溫差生的溫差電勢(shì)，即所，即所謂湯姆姆遜效效應(yīng)。但由于。但由于導(dǎo)體體湯姆姆遜效效應(yīng)引起的引起的電勢(shì)差相比甚小，常

5、可忽略。于是當(dāng)材料差相比甚小，常可忽略。于是當(dāng)材料 A、B的特性（的特性（NA、NB）為已知已知時(shí)，并使一端溫度，并使一端溫度T0固定，固定，則待待測(cè)溫度溫度 T是是電動(dòng)勢(shì)E（T，T0）的）的單值函數(shù)。函數(shù)。這給工程中用工程中用熱電偶偶測(cè)量溫度量溫度帶來(lái)來(lái)極大的方便。極大的方便。 為了了使使熱電偶偶冷冷端端溫溫度度T0固固定定，通通常常采采用用一一些些措措施施對(duì)冷冷端端進(jìn)行行補(bǔ)償。常常用用的的方方法法是是將將冷冷端端置置于于冰冰內(nèi)內(nèi)或或恒恒溫溫槽槽中中，或或采采用用補(bǔ)償導(dǎo)線法法將將熱電極極冷冷端端延延伸伸，或或通通過(guò)補(bǔ)償電橋法法補(bǔ)償冷端的溫度冷端的溫度變化。化。9.1.2 9.1.2 熱電偶基

6、本定律熱電偶基本定律（1）組成成熱電偶偶回回路路的的兩兩種種導(dǎo)體體材材料料相相同同時(shí)，無(wú)無(wú)論兩兩接接點(diǎn)點(diǎn)的的溫溫度度如如何何，回回路路總熱電勢(shì)為零；零；（2）若）若熱電偶兩接點(diǎn)溫度相等，即偶兩接點(diǎn)溫度相等，即T=T0，回路，回路總熱電勢(shì)仍仍為零；零；（3）熱電偶偶的的熱電勢(shì)輸出出只只與與兩兩接接點(diǎn)點(diǎn)溫溫度度及及材材料料的的性性質(zhì)有有關(guān)關(guān)，與與材材料料A、B的中的中間各點(diǎn)的溫度、形狀及大小無(wú)關(guān)。各點(diǎn)的溫度、形狀及大小無(wú)關(guān)。（4）在在熱電偶偶中中插插入入第第三三種種材材料料，只只要要插插入入材材料料兩兩端端的的溫溫度度相相同同，對(duì)熱電偶的偶的總熱電勢(shì)沒(méi)有影響。沒(méi)有影響。這一定律稱(chēng)之一定律稱(chēng)之為中中

7、間導(dǎo)體定律。體定律。 中中間導(dǎo)體定律體定律 9.1.3 9.1.3 常用熱電偶常用熱電偶 1熱電偶的材料熱電偶的材料 目目前前，常常用用熱熱電電極極材材料料分分貴貴金金屬屬和和普普通通金金屬屬兩兩大大類(lèi)類(lèi)，貴貴金金屬屬熱熱電電極極材材料料有有鉑鉑銠銠合合金金和和鉑鉑；普普通通金金屬屬熱熱電電極極材材料料有有鐵鐵、銅銅、康康銅銅、考考銅銅、鎳鎳鉻鉻合合金金、鎳鎳硅硅合合金金等等，還還有有銥銥、鎢鎢、鋅鋅等等耐耐高高溫溫材材料料，這這些些材材料料在在國(guó)國(guó)內(nèi)內(nèi)外外都都已已經(jīng)經(jīng)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)化化。不不同同的的熱熱電電極極材材料料的的測(cè)測(cè)量量溫溫度度范范圍圍不不同同，一一般般可可將熱電偶用于將熱電偶用于018

8、00范圍的溫度測(cè)量。范圍的溫度測(cè)量。貴金屬熱電偶電極直徑大多在貴金屬熱電偶電極直徑大多在0.130.65mm范圍內(nèi)，普通金屬熱范圍內(nèi)，普通金屬熱電偶電極直徑為電偶電極直徑為0.53.2mm。熱電極有正、負(fù)之分，在其技術(shù)指標(biāo)中。熱電極有正、負(fù)之分，在其技術(shù)指標(biāo)中會(huì)有說(shuō)明，使用時(shí)應(yīng)注意到這一點(diǎn)。會(huì)有說(shuō)明，使用時(shí)應(yīng)注意到這一點(diǎn)。2.熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶的結(jié)構(gòu) 9.2 9.2 熱電阻熱電阻 導(dǎo)體體（或或半半導(dǎo)體體）的的電阻阻值隨隨溫溫度度變化化而而改改變，通通過(guò)測(cè)量量其其電阻阻值推推算算出出被被測(cè)物物體體的的溫溫度度，這就就是是電阻阻溫溫度度傳感感器器的的工工作作原原理理。電阻阻溫溫度度傳感感器器主主要

9、要用用于于測(cè)量量-200500范范圍內(nèi)內(nèi)的的溫溫度度。純金金屬屬是是熱電阻阻的的主主要要制制造造材材料料，熱電阻的材料阻的材料應(yīng)具有以下特性：具有以下特性：（1）電阻阻溫溫度度系系數(shù)數(shù)要要大大而而且且穩(wěn)定定，電阻阻值與與溫溫度度之之間應(yīng)具有良好的具有良好的線性關(guān)系；性關(guān)系；（2）電阻率高，阻率高，熱容量小，反容量小，反應(yīng)速度快；速度快；（3）材料的復(fù)）材料的復(fù)現(xiàn)性和工性和工藝性好，價(jià)格低；性好，價(jià)格低；（4）在）在測(cè)溫范溫范圍內(nèi)化學(xué)物理性能內(nèi)化學(xué)物理性能穩(wěn)定。定。 9.2.1 9.2.1 鉑電阻鉑電阻 鉑電阻與溫度之間的關(guān)系接近于線性，在鉑電阻與溫度之間的關(guān)系接近于線性，在0630.74范圍內(nèi)

10、可范圍內(nèi)可用下式表示用下式表示 在在-1900范圍內(nèi)為范圍內(nèi)為 由以上兩式看出，當(dāng)由以上兩式看出，當(dāng)R0值不同不同時(shí)，在同，在同樣溫度下其溫度下其Rt值也不同。目也不同。目前國(guó)內(nèi)前國(guó)內(nèi)統(tǒng)一一設(shè)計(jì)的一般工的一般工業(yè)用用標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)鉑電阻阻R0值有有100W W和和500W W兩種兩種，并，并將將電阻阻值Rt與溫度與溫度t的相的相應(yīng)關(guān)系關(guān)系統(tǒng)一列成表格，稱(chēng)其一列成表格，稱(chēng)其為鉑電阻的分度表，阻的分度表，分度號(hào)分分度號(hào)分別用用pt100和和pt500表示，但表示，但應(yīng)注意與我國(guó)注意與我國(guó)過(guò)去用的老去用的老產(chǎn)品的分品的分度號(hào)相區(qū)分。度號(hào)相區(qū)分。 9.2.2 銅電阻銅電阻 在測(cè)量精度要求不高，且測(cè)溫范圍比較小

11、的情況下，可采用銅做在測(cè)量精度要求不高，且測(cè)溫范圍比較小的情況下，可采用銅做熱電阻材料代替鉑電阻。熱電阻材料代替鉑電阻。在在-50150的溫度范圍內(nèi)，銅電阻與溫度呈線性關(guān)系，其電的溫度范圍內(nèi)，銅電阻與溫度呈線性關(guān)系，其電阻與溫度的函數(shù)表達(dá)式為阻與溫度的函數(shù)表達(dá)式為 銅電阻只能用在低溫及無(wú)浸蝕性的介質(zhì)中銅電阻只能用在低溫及無(wú)浸蝕性的介質(zhì)中.R0值在值在50和和100條件下，制成相應(yīng)分度表作為標(biāo)準(zhǔn)條件下，制成相應(yīng)分度表作為標(biāo)準(zhǔn)9.3 9.3 熱敏電阻熱敏電阻 熱熱敏敏電電阻阻是是利利用用半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的電電阻阻值值隨隨溫溫度度變變化化這這一一特特性性制制成成的的一一種種熱熱敏元件。其主要特點(diǎn)是：敏

12、元件。其主要特點(diǎn)是：（1）靈靈敏敏度度高高。一一般般金金屬屬當(dāng)當(dāng)溫溫度度變變化化 l時(shí)時(shí)，其其阻阻值值變變化化0.4左左右右，而半導(dǎo)體熱敏電阻變化可達(dá)而半導(dǎo)體熱敏電阻變化可達(dá)36；（2）體體積積小小。珠珠形形熱熱敏敏電電阻阻的的探探頭頭的的最最小小尺尺寸寸達(dá)達(dá)0.2mm，能能測(cè)測(cè)熱熱電電偶偶和和其其它它溫溫度度計(jì)計(jì)無(wú)無(wú)法法測(cè)測(cè)量量的的空空隙隙、腔腔體體、內(nèi)內(nèi)孔孔等等處處的的溫溫度度，如如人人體體血血管內(nèi)的溫度等；管內(nèi)的溫度等；（3）使使用用方方便便。熱熱敏敏電電阻阻阻阻值值范范圍圍在在102105W W之之間間可可任任意意挑挑選選，熱熱慣慣性性小小，而而且且不不像像熱熱電電偶偶需需要要冷冷端端

13、補(bǔ)補(bǔ)償償，不不必必考考慮慮線線路路引引線線電電阻阻和和接線方式，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量，功耗小。接線方式，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量，功耗小。熱熱敏敏電電阻阻一一般般可可分分為為負(fù)負(fù)溫溫度度系系數(shù)數(shù)（NTC）熱熱敏敏電電阻阻器器，正正溫溫度度系系數(shù)數(shù)（PTC）熱敏電阻器和臨界溫度電阻器（）熱敏電阻器和臨界溫度電阻器（CTR）三類(lèi)。）三類(lèi)。9.3.1 9.3.1 導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電機(jī)理 熱熱敏敏電電阻阻的的導(dǎo)導(dǎo)電電性性能能主主要要是是由由內(nèi)內(nèi)部部的的載載流流子子（電電子子和和空空穴穴）密密度度和和遷遷移移率率所所決決定定的的，當(dāng)當(dāng)溫溫度度升升高高時(shí)時(shí)外外層層電電子子在在熱熱激激發(fā)發(fā)下下，大大量量成成為為載載流流子

14、子，使使載載流流子子的的密密度度大大大大增增加加，活活動(dòng)動(dòng)能能力力加加強(qiáng)強(qiáng)，從而導(dǎo)致其阻值的急劇下降。從而導(dǎo)致其阻值的急劇下降。9.3.2 9.3.2 電阻與溫度關(guān)系電阻與溫度關(guān)系熱敏敏電阻的阻阻的阻值和溫度的關(guān)系不是和溫度的關(guān)系不是線性的，可由下面性的，可由下面經(jīng)驗(yàn)公式表示公式表示R RT T、R R0 0溫度溫度 T T、T T0 0時(shí)的阻值；時(shí)的阻值；B B 熱敏電阻的材料常數(shù)，常取熱敏電阻的材料常數(shù)，常取200020006000K6000K；T T 熱力學(xué)溫度；熱力學(xué)溫度；T T0 0 通常指通常指00或室溫?；蚴覝?。 若定義若定義 為熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)為熱敏電阻的電阻溫度系數(shù) ，

15、則得，則得 可可見(jiàn)，是隨溫度降低而迅速增大，它是決定是隨溫度降低而迅速增大，它是決定熱敏敏電阻在全部工阻在全部工作范作范圍內(nèi)的溫度靈敏度。內(nèi)的溫度靈敏度。熱敏敏電阻的阻的測(cè)溫靈敏度比金屬溫靈敏度比金屬絲的高很多。的高很多。 9.4 9.4 熱釋電型溫度傳感器熱釋電型溫度傳感器 壓電晶體類(lèi)中的極性晶體本身具有自發(fā)極化特性，其自發(fā)極化強(qiáng)度壓電晶體類(lèi)中的極性晶體本身具有自發(fā)極化特性，其自發(fā)極化強(qiáng)度Ps是溫度的函數(shù)。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，單疇晶體通過(guò)晶格吸收紅外線而是溫度的函數(shù)。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，單疇晶體通過(guò)晶格吸收紅外線而使溫度升高，在其居里溫度以下，自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度升高而下降，這使溫度升高，在其居里

16、溫度以下，自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度升高而下降，這種變化導(dǎo)致在垂直于自發(fā)極化強(qiáng)度方向的晶體外表面上極化電荷的變化，種變化導(dǎo)致在垂直于自發(fā)極化強(qiáng)度方向的晶體外表面上極化電荷的變化，即晶體兩端出現(xiàn)隨溫度變化的開(kāi)路電壓，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)即晶體兩端出現(xiàn)隨溫度變化的開(kāi)路電壓，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱釋電效應(yīng) 在在熱釋電體體相相對(duì)的的兩兩個(gè)個(gè)面面上上制制作作電極極，并并在在電極極間用用線連接接，則可可取取出出電流流或或電壓。通通過(guò)檢測(cè)由由此此而而產(chǎn)生生的的熱釋電電流流或或電壓而而測(cè)量量溫溫度度的的傳感感器器稱(chēng)稱(chēng)為熱釋電型溫度型溫度傳感器。感器。熱釋電型型傳感感器器多多用用于于紅外外（熱輻射射）探探測(cè)，應(yīng)注注意意它它是

17、是一一種種交交流流或或瞬瞬時(shí)響響應(yīng)的的器器件件，若若熱釋電體體的的溫溫度度處于于恒恒定定狀狀態(tài)，則檢測(cè)不不到到輸出出，即即熱釋電型型傳感器感器對(duì)穩(wěn)定或不定或不變的的輻射不作響射不作響應(yīng)。 9.5 9.5 半導(dǎo)體集成溫度傳感器半導(dǎo)體集成溫度傳感器 半半導(dǎo)導(dǎo)體體集集成成溫溫度度傳傳感感器器是是利利用用半半導(dǎo)導(dǎo)體體PN結(jié)結(jié)的的正正向向壓壓降降隨隨溫溫度度升升高高而而近近乎乎線線性性下下降降的的特特性性制制成成的的。其其溫溫度度靈靈敏敏度度高高、線線性度好。但測(cè)溫范圍僅為性度好。但測(cè)溫范圍僅為-80+150。利利用用集集成成電電路路工工藝藝已已制制成成的的半半導(dǎo)導(dǎo)體體集集成成溫溫度度傳傳感感器器有有：1脈脈沖沖信信號(hào)號(hào)型型，如如SWC，其其靈靈敏敏度度為為10個(gè)個(gè)脈脈沖沖/；2電電壓壓型型，如如ICL8073，其其靈靈敏敏度度為為1mV/；3電電流流型型，如如AD590，其其靈敏度為靈敏度為1m mA/。當(dāng)當(dāng)保保持持PN結(jié)結(jié)電電流流或或晶晶體體管管的的基基極極射射極極電電流流不不變變時(shí)時(shí)，采采用用二極管或晶體管也能得到比較理想的測(cè)溫效果。二極管或晶體管也能得到比較理想的測(cè)溫效果。