第7章熱電式傳感器

溫度電信號(hào)（電阻、電壓、電流等）

熱電阻熱電式傳感器PN結(jié)型熱電式傳感器熱電偶第7章熱電式傳感器

溫度電信號(hào)（電阻、電壓、17.1熱電阻溫度t電阻Rt熱電阻：

金屬熱電阻（鉑熱阻、銅熱阻等）

半導(dǎo)體熱敏電阻（PTC、NTC、CTR）7.1熱電阻溫度t電阻Rt27.1.1.1原理、結(jié)構(gòu)和材料原理：電阻-溫度效應(yīng)—大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻都隨溫度而變化。電阻-溫度特性方程：

Rt=R0(1+t+t2+…)（7-1）熱電阻感溫元件—純金屬材料，其性能要求：大則靈敏度高；理化性能穩(wěn)定；恒定，以保證線性關(guān)系；大，體積尺寸小；復(fù)現(xiàn)性好。7.1.1金屬熱電阻7.1.1.1原理、結(jié)構(gòu)和材料7.1.1金屬熱電阻37.1.1金屬熱電阻1．鉑熱電阻（WZP）

結(jié)構(gòu)材料：φ0.02～0.07mmPt絲繞在云母等絕緣骨架上（無感繞制），裝入保護(hù)套管，接出引線；或箔式結(jié)構(gòu)；薄膜式結(jié)構(gòu)。＝0.0981×106

·m；圖7-1鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)7.1.1金屬熱電阻1．鉑熱電阻（WZP）圖7-1鉑47.1.1金屬熱電阻

測(cè)溫范圍和應(yīng)用：－259.34～630.74℃；溫度基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)用。

百度電阻比：W(100)—純度；W(100)＝R100/R0

基準(zhǔn)鉑熱電阻：W(100)≥1.39256，純度99.9995％；精度：0.001℃～0.0001℃工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)熱電阻：W(100)≥1.391，精度：200℃～0℃，1℃；0℃～100℃，0.5℃；100℃～650℃，(0.5％)t7.1.1金屬熱電阻測(cè)溫范圍和應(yīng)用：－259.57.1.1金屬熱電阻

電阻—溫度關(guān)系：

Rt=R0(1+At+Bt2)0℃≤t≤650℃

Rt=R0(1+At+Bt2+C(t100)t3)200℃≤t≤0℃其中A、B、C與W(100)有關(guān)，見附表7-1。在測(cè)溫范圍不大時(shí)，基本線性。

分度號(hào)：Pt100，（R0=100）；Pt50，（R0=50）；Pt1000，（R0=1000）；等。

分度表：見附表7-1。7.1.1金屬熱電阻電阻—溫度關(guān)系：67.1.1金屬熱電阻2.銅熱電阻（WZC）

結(jié)構(gòu)材料：Cu絲繞制，＝(4.25～4.28)×10-3/℃

＝0.017×10-6

·m；

測(cè)溫范圍和應(yīng)用：50℃～100℃，工業(yè)用溫度計(jì)；

百度電阻比：W(100)≥1.425，精度：50℃～50℃，0.5℃，50℃～100℃，(1％)t

電阻－溫度特性：Rt=R0(1+t)，在測(cè)溫范圍內(nèi)線性。

分度號(hào)：Cu100，Cu50，等。

分度表：見附表7-2另外，鐵、鎳材料也可制作熱電阻溫度計(jì)。7.1.1金屬熱電阻2.銅熱電阻（WZC）77.1.1金屬熱電阻

7.1.1.2熱電阻測(cè)量線路

直流電橋線路，主要考慮其引線電阻和接觸電阻影響，常采用三線接法和四線接法。如圖7-2、圖7-3所示。其次考慮工作電流的熱效應(yīng)影響，工作電流<10mA。圖7－2熱電阻測(cè)溫電橋的三線連接法7.1.1金屬熱電阻7.1.1.287.1.1金屬熱電阻

圖7-3熱電阻測(cè)溫電橋的四線連接法7.1.1金屬熱電阻圖7-397.1.1金屬熱電阻

7.1.1.3熱電阻的應(yīng)用1．鉑熱電阻測(cè)溫

恒壓工作的鉑熱電阻測(cè)溫電路如圖7-4（a）所示。熱電阻選用TRRA1023B(Pt1000)，R0＝1000；傳感器工作電壓UB＝10V＋e1。測(cè)溫電橋輸出：可得10mV/℃的電壓靈敏度。；7.1.1金屬熱電阻7.1.107.1.1金屬熱電阻

圖7－4恒壓工作鉑熱電阻測(cè)溫電路（a）測(cè)溫電路；（b）直流/交流變換器電路7.1.1金屬熱電阻圖7－4恒壓117.1.1金屬熱電阻

恒流工作的鉑熱電阻測(cè)溫電路如圖7-5所示。傳感器的工作電流約為1mA，此時(shí)傳感器的靈敏度約為3mV/℃，一般運(yùn)放都可選用。圖7-5

恒流工作鉑熱電阻測(cè)溫電路7.1.1金屬熱電阻恒流工作的鉑熱電阻測(cè)溫電路如127.1.1金屬熱電阻

2．熱電阻數(shù)字溫度計(jì)熱電阻數(shù)字溫度計(jì)測(cè)溫電路如圖7-7所示。測(cè)溫電橋輸出信號(hào)經(jīng)MAX138A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字顯示。

圖7-7熱電阻數(shù)字溫度計(jì)電路

MAX138A/D轉(zhuǎn)換器與ICL7106比較，增加了如下功能：

片內(nèi)設(shè)置有負(fù)電源轉(zhuǎn)換器，因此可以單電源供電；

工作電源電壓范圍寬（2.5~7V）；

片內(nèi)設(shè)置有振蕩電路。7.1.1金屬熱電阻2．熱電阻數(shù)字溫度137.1.1金屬熱電阻差動(dòng)輸出傳感器信號(hào)適宜與MAX138等A/D轉(zhuǎn)換連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)量。MAX138、ICL7106、ICL7107等A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是三位半，與二進(jìn)制10位A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度相當(dāng)。線性化測(cè)溫電路如圖7-10所示。圖7-10線性化測(cè)溫電路7.1.1金屬熱電阻差動(dòng)輸出傳感器信號(hào)適宜與MAX138147.1.1金屬熱電阻

3．A/D轉(zhuǎn)換器比例工作的熱電阻溫度測(cè)量電路

測(cè)溫電路如圖7-11、圖7-12所示。圖7-11A/D轉(zhuǎn)換比例工作電路圖7-12鉑電阻A/D轉(zhuǎn)換測(cè)溫電路7.1.1金屬熱電阻3．A/D轉(zhuǎn)換器比例工作的15

7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻熱敏電阻的類型：PTC，溫度控制，限流元件；NTC，溫度測(cè)量，補(bǔ)償元件；CTR，溫度開關(guān)元件。熱敏電阻溫度曲線如圖7-13所示。圖7-13熱敏電阻特性曲線7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻熱敏電阻的類型：圖7-1167.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻7.1.2.1熱敏電阻主要特性(NTC熱敏電阻)

1．電阻－溫度特性

T0＝20℃(＝293K)R0=R20(額定電阻)；T1＝T＝100℃

R1＝R100；

＝(2000～6000)KB—熱敏電阻常數(shù)。熱敏電阻溫度系數(shù)：若B＝4000K，T＝323K(50℃)，則＝3.8％/℃，大！圖7-14NTC熱敏電阻溫度特性若：7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻7.1.2.1熱敏電阻主要177.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻2.伏-安特性

在穩(wěn)態(tài)下，通過熱敏電阻的電流I與其兩端之間的電壓U的關(guān)系，稱為熱敏電阻的伏-安特性。如圖7-15所示。當(dāng)電流很小時(shí)，不足以使熱敏電阻產(chǎn)生溫升，則其電阻值只決定于環(huán)境溫度，伏-安特性呈線性，遵循歐姆定律，主要用于測(cè)溫。當(dāng)電流增大到一定值時(shí)，使熱敏電阻產(chǎn)生溫升，會(huì)出現(xiàn)負(fù)阻特性。圖7-15熱敏電阻伏安特性

7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻2.伏-安特性圖7-15熱敏電187.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻3．安-時(shí)特性

熱敏電阻的電流-時(shí)間曲線如圖7-16所示，表示熱敏電阻在不同的外加電壓下，電流達(dá)到穩(wěn)定最大值所需要時(shí)間。這是一熱平衡過程，一般為0.5～1s。圖7-16熱敏電阻安-時(shí)特性7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻3．安-時(shí)特性圖7-16熱敏197.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻7.1.2.2熱敏電阻的主要技術(shù)參數(shù)

1．標(biāo)稱電阻值RH，(25±0.2℃)時(shí)的電阻值，又稱冷電阻。

2．電阻溫度系數(shù)，溫度變化1℃時(shí)，熱敏電阻阻值的變化率（％/℃）。

3．耗散系數(shù)H，熱敏電阻溫度與周圍介質(zhì)溫度相差1℃時(shí)所耗散的功率(W/℃)。

4．熱容c，熱敏電阻溫度變化1℃時(shí)所需吸收或釋放的熱量（J/℃）。

5．能量靈敏度G＝(H/)×100，使熱敏電阻的阻值變化1%時(shí)所需耗散的功率(W)。

6．時(shí)間常數(shù)＝cH，溫度為T0的熱敏電阻突然置于溫度為T的介質(zhì)中，熱敏電阻的溫度增量T=0.632(TT0)時(shí)所需的時(shí)間(s)。7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻7.1.2.2熱敏電阻的主要207.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻7.1.2.3熱敏電阻的應(yīng)用

熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)：溫度系數(shù)大，靈敏度高；熱容量小，響應(yīng)快，分辨率高；價(jià)格便宜等。缺點(diǎn)：互換性差，熱電特性非線性大等。主要用于溫度的測(cè)量、控制，溫度補(bǔ)償，流速（或流量）測(cè)量等。

1.流量測(cè)量

基于流體流速（流量）與散熱關(guān)系，利用熱敏電阻橋式電路測(cè)流體流速（或流量），如圖7-17所示。圖7-17熱敏電阻流量計(jì)7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻7.1.2.3熱敏電阻的應(yīng)用217.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻2.溫度控制

利用熱敏電阻的溫度控制電路如圖7-18所示。圖7-18溫度控制電路7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻2.溫度控制圖7-18溫度控制227.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻3．溫度上、下限報(bào)警

熱敏電阻溫度上、下限報(bào)警電路如圖7-19所示。圖7-19溫度上下限報(bào)警電路7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻3．溫度上、下限報(bào)警圖7-19237.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻4．溫度測(cè)量圖7-20是利用NTC熱敏電阻組成的0~100℃的測(cè)溫電路，相應(yīng)的輸出電壓為0~5V，其靈敏度為50mV/℃。圖7-20溫度測(cè)量電路5．熱電偶溫度冷端補(bǔ)償

后面介紹。7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻4．溫度測(cè)量圖7-20溫度測(cè)量247.2p－n結(jié)型溫度傳感器7.2.1二極管溫度傳感器(恒流正向應(yīng)用)

PN結(jié)伏安特性：則式中，I—PN結(jié)正向電流；U—PN結(jié)正向壓降；Is—PN結(jié)反向飽和電流；q—電子電量（1.61019C）；T—絕對(duì)溫度；k—玻爾茲曼常數(shù)（1.3810-23J/K）。保持I恒定，則U與T成線性關(guān)系，這就是PN結(jié)的測(cè)溫原理，其靈敏度7.2p－n結(jié)型溫度傳感器7.2.1二極管溫度傳感器257.2p－n結(jié)型溫度傳感器7.2.2晶體管溫度傳感器

將NPN型晶體管的bc結(jié)短接，利用be結(jié)作為感溫器件，接近PN結(jié)理想特性，如圖7-21所示—測(cè)溫原理。圖7-21晶體管溫度傳感器

7.2p－n結(jié)型溫度傳感器7.2.2晶體管溫度傳感267.2p－n結(jié)型溫度傳感器7.2.3集成溫度傳感器

一只晶體管發(fā)射極電流密度Je通常a1，JeJs，則若圖7-22中，Js1＝Js2,a1＝a2，則圖中

只要Je1，Je2（I1，I2）均為恒流，則Ube與T成線性關(guān)系—測(cè)溫原理。圖7-22集成溫度感溫點(diǎn)電路

7.2p－n結(jié)型溫度傳感器7.2.3集成溫度傳感器277.2p－n結(jié)型溫度傳感器集成溫度傳感器主要類型：

電壓型，三線制，ku＝10mV/℃，LM34/35，LM135/235，…；

電流型，兩線制，kI＝1A/K，AD590/592，LM134/234，…；數(shù)字輸出型，TMP03/04，AD7416,…；電阻可編程溫度控制器，AD22105，TMP01，…；等。7.2p－n結(jié)型溫度傳感器集成溫度傳感器主要類型：287.2p－n結(jié)型溫度傳感器AD590電流型集成溫度傳感器（圖7-23）

測(cè)溫原理：

晶體管對(duì)T3T4使IT分為I1=I2，起恒流作用；T1,T2起感溫作用；T1由8只與T2相同的晶體管并聯(lián)而成，因此，T2中的電流密度J2為T1中的電流密度J1的8倍，即

J2＝8J1

圖7-23輸出電流正比于絕對(duì)溫度的AD590溫度敏感電路7.2p－n結(jié)型溫度傳感器AD590電流型集成溫度傳感297.2p－n結(jié)型溫度傳感器

Ube1和Ube2反極性串接施加在電阻R上，則R上電壓為：通過R的電流，IT＝2I1，若取R＝358，則

kT＝IT/T＝2×179/358＝1(A/K)所以

IT＝kT·T

7.2p－n結(jié)型溫度傳感器Ube1和Ube2反307.2p－n結(jié)型溫度傳感器AD590的特性：

1）伏安特性當(dāng)U=4～30V時(shí)，理想恒流源，電流只隨溫度T變化；2）溫度特性55℃～150℃，IT與T有較好的線性，輸出電流靈敏度kI＝1A/K；非線性誤差為T＝(0.3～3)℃；3）精度：可達(dá)0.5℃圖7-24AD590基本特性曲線7.2p－n結(jié)型溫度傳感器AD590的特性：圖7-24317.2p－n結(jié)型溫度傳感器7.2.4集成溫度傳感器的典型應(yīng)用

1．測(cè)量溫度

AD590遠(yuǎn)程溫度測(cè)量如圖7-25所示。圖7-25AD590攝氏溫度測(cè)量電路7.2p－n結(jié)型溫度傳感器7.2.4集成溫度傳感器327.2p－n結(jié)型溫度傳感器

數(shù)字溫度計(jì)如圖7-26所示。圖7-26XSW-1型數(shù)字溫度計(jì)7.2p－n結(jié)型溫度傳感器數(shù)字溫度計(jì)圖337.2p－n結(jié)型溫度傳感器

2.測(cè)量溫差如圖7-27所示。

I=IT1IT2＝kT(T1T2)；

U0＝IR3＝kTR3(T1T2)＝f(T1T2)圖7-27AD590溫差測(cè)量電路7.2p－n結(jié)型溫度傳感器2.測(cè)量溫差如347.2p－n結(jié)型溫度傳感器3．測(cè)最低溫度

AD590串連，如圖7-28所示；4．測(cè)平均溫度

AD590并連，如圖7-28所示。圖7－28AD590測(cè)最低溫度、平均溫度7.2p－n結(jié)型溫度傳感器3．測(cè)最低溫度圖7－28357.2p－n結(jié)型溫度傳感器5.溫度控制

AD590作為溫度控制的感溫元件，如圖7-29所示圖7-29AD590溫度控制系統(tǒng)7.2p－n結(jié)型溫度傳感器5.溫度控制圖7-29A367.3熱電偶7.3.1熱電偶的工作原理

熱電效應(yīng)：將兩種不同的導(dǎo)體（金屬或合金）A和B組成一個(gè)閉合回路（稱為熱電偶，見圖7-30），若兩接觸點(diǎn)溫度(T,T0)不同，則回路中有一定大小電流，表明回路中有電勢(shì)產(chǎn)生，該現(xiàn)象稱為熱電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)或塞貝克(Seebeck)效應(yīng)?；芈分械碾妱?shì)稱為熱電勢(shì)或塞貝克電勢(shì)，用EAB(T,T0)或EAB(t,t0)表示。EAB(T,T0)=EAB(t,t0)熱電效應(yīng)熱電勢(shì)EAB(T,T0)或EAB(t,t0)圖7-30熱電效應(yīng)熱電偶：

熱電極（導(dǎo)體A、B）；

測(cè)量端（熱端或工作端）T(t)；

參考端（冷端或自由端）T0(t0)。7.3熱電偶7.3.1熱電偶的工作原理圖7-30熱377.3.1熱電偶的工作原理1．Peltier效應(yīng)——接觸電勢(shì)

自由電子密度不同的兩種金屬接觸處，由于電子的擴(kuò)散現(xiàn)象在接觸點(diǎn)處形成接觸電勢(shì)或Peltier電勢(shì)，此現(xiàn)象稱為Peltier效應(yīng)。接觸電勢(shì)為總接觸電勢(shì)：圖7-31熱電效應(yīng)示意圖7.3.1熱電偶的工作原理1．Peltier效應(yīng)——接觸電387.3.1熱電偶的工作原理2．Thomson效應(yīng)——溫差電勢(shì)

均質(zhì)導(dǎo)體，兩端溫度不相等時(shí)，由于體內(nèi)自由電子從高溫端向低溫端的擴(kuò)散，在其兩端形成的電勢(shì)稱為溫差電勢(shì)或Thomson電勢(shì)，此現(xiàn)象稱為Thomson效應(yīng)。導(dǎo)體A中的Thomson電勢(shì)：導(dǎo)體B中的Thomson電勢(shì)：

回路中總的Thomson電勢(shì)：式中，A、B分別為導(dǎo)體A、B中的Thomson系數(shù)。7.3.1熱電偶的工作原理2．Thomson效應(yīng)——溫差電397.3.1熱電偶的工作原理綜合考慮A、B組成的熱電偶回路，當(dāng)T≠T0時(shí)，總的熱電勢(shì)為討論：如果熱電偶兩電極材料相同(nA＝nB，A=B),兩接點(diǎn)溫度不同，不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)；如果兩電極材料不同，但兩接點(diǎn)溫度相同(T=T0)，也不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)；熱偶工作產(chǎn)生熱電勢(shì)的基本條件：兩電極材料不同，兩接點(diǎn)溫度不同。

熱電勢(shì)大小與熱電極的幾何形狀和尺寸無關(guān)。當(dāng)兩熱電極材料不同，且A、B固定（即nA、nB、A、B為常數(shù)），熱電勢(shì)便為兩接點(diǎn)溫度（T，T0）的函數(shù)（T0恒定）這就是熱電偶的測(cè)溫原理。熱電勢(shì)的極性：熱端失去電子為正，獲得電子為負(fù)，且有7.3.1熱電偶的工作原理綜合考慮A、B組成的熱電偶回路，407.3.2熱電偶的基本定律

1.均質(zhì)導(dǎo)體定律

要求熱電極材質(zhì)均勻，克服因熱電極上各點(diǎn)溫度不同時(shí)造成附加誤差。

2.中間導(dǎo)體定律

熱偶回路斷開接入第三種導(dǎo)體C，若C兩端溫度相同，則回路熱電勢(shì)不變，這為熱電勢(shì)的測(cè)量（接入測(cè)量?jī)x表，第三導(dǎo)體）奠定理論基礎(chǔ)，見圖7-32。圖7-32熱電偶測(cè)溫電路原理圖7.3.2熱電偶的基本定律1.均質(zhì)導(dǎo)體定律圖7-32417.3.2熱電偶的基本定律3.中間溫度定律若T0＝0℃，4.標(biāo)準(zhǔn)（參考）電極定律

標(biāo)準(zhǔn)電極定律原理如圖7-33所示。以C作為標(biāo)準(zhǔn)電極(一般C為鉑)，構(gòu)建熱偶A、B。圖7-33標(biāo)準(zhǔn)電極定律示意圖例：

則7.3.2熱電偶的基本定律3.中間溫度定律若T0＝0℃，4427.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)7.3.3.1熱電極材料和類型

1．熱電極材料的基本要求

熱電極是感溫元件，物理性質(zhì)見表7-1，基本要求：熱電勢(shì)足夠大，測(cè)溫范圍寬、線性好；熱電特性穩(wěn)定；理化性能穩(wěn)定，不易氧化、變形和腐蝕；電阻溫度系數(shù)、電阻率??；易加工、復(fù)制性好；價(jià)廉

2．熱電偶類型

標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶及其參數(shù)表7-2，分度表及計(jì)算公式：見附表3~附表67.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)7.3.3.1熱電極材料437.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)7.3.3.2熱電偶的結(jié)構(gòu)

熱電偶接點(diǎn)焊接要求和焊接方法（不引入第三種材料，接點(diǎn)大小適當(dāng)）；電極之間絕緣。見圖7-34。圖7-34熱電偶電極的絕緣方法（a）裸線熱電偶；（b）珠形絕緣熱電偶；（c）雙孔絕緣子熱電偶；（d）石棉絕緣管熱電偶7.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)7.3.3.2熱電偶的結(jié)447.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)

1.普通型熱電偶普通型熱電偶結(jié)構(gòu)見圖7-35。圖7-35普通型熱電偶結(jié)構(gòu)7.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)1.普通型熱電偶圖7-3457.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)2．鎧裝熱電偶

鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)見圖7-36。圖7-36鎧裝熱電偶工作端結(jié)構(gòu)（a）單芯結(jié)構(gòu)；（b）雙芯碰底型；（c）雙芯不碰底型；（d）雙芯露頭型；（e）雙芯帽型7.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)2．鎧裝熱電偶圖7-36467.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)3．薄膜熱電偶

薄膜熱電偶電極為厚度0.01~0.1m薄膜構(gòu)成，見圖7-37圖7-37鐵-鎳薄膜熱電偶7.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)3．薄膜熱電偶圖7-37鐵477.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理熱偶標(biāo)準(zhǔn)分度表是以T0＝0℃為參考溫度條件下測(cè)試制定的，若T0≠0℃，則應(yīng)進(jìn)行冷端補(bǔ)償，其補(bǔ)償方法：1.延長(zhǎng)導(dǎo)線法利用補(bǔ)償導(dǎo)線代替熱電極，引到溫度較穩(wěn)定的T0端測(cè)試。要求：在一定的溫度范圍內(nèi)，補(bǔ)償導(dǎo)線與配對(duì)的熱電偶具有相同或相近的熱電特性。2.0℃恒溫法將熱電偶冷端置于冰水混合物的0℃恒溫器內(nèi)，使其工作與分度狀態(tài)達(dá)到一致。

7.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理熱偶標(biāo)準(zhǔn)分度表是以T0＝487.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理圖7-38是延長(zhǎng)導(dǎo)線法和0℃恒溫法的一個(gè)實(shí)例。圖7-38冷端處理的延長(zhǎng)導(dǎo)線法和0℃恒溫法7.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理圖7-38是延長(zhǎng)導(dǎo)線法和497.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理3.冷端溫度修正法（1）熱電勢(shì)修正法

利用中間溫度定律式中，Tn

熱電偶測(cè)溫時(shí)的是環(huán)境溫度；EAB(T，Tn）是實(shí)測(cè)熱電勢(shì)；EAB(Tn，0)是冷端修正值。例如：鉑銠10—鉑熱電偶測(cè)溫，參考冷端溫度為室21℃，測(cè)得查表，則由此查分度表T＝92℃若直接用0.465mV查表，則T＝75℃。也不能將75℃＋21℃＝96℃作為實(shí)際溫度。7.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理3.冷端溫度修正法式中，507.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理（2）溫度修正法

由實(shí)測(cè)熱電勢(shì)EAB（T，Tn）查表，得T真實(shí)溫度為：

T＝T＋kTn式中，k為熱電偶修正系數(shù)，決定于熱電偶于熱電偶種類和被測(cè)溫度范圍，見表7-4。例如前例：實(shí)測(cè)EAB(T，Tn)=0.465mV，查分度表T=75℃；查修正系數(shù)表7-4，此時(shí)該熱電偶的k=0.82，Tn=21℃，則實(shí)際溫度T=75+0.82×21=92.2℃與前面結(jié)果基本一致。這種修正方法工程上應(yīng)用較廣泛。

7.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理（2）溫度修正法517.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理4、冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法（1）電橋補(bǔ)償法

原理：電橋輸出電壓U(t0,0)=EAB(t0,0)，自動(dòng)補(bǔ)償。

補(bǔ)償電路：如圖7-39所示。圖中R1、R2、R3、RW為錳銅電阻，阻值幾乎不隨溫度變化，RCu為銅電阻，電阻值隨溫度升高而增大。t0=0℃時(shí)，R1=R2=R3=RCu，電橋輸出Uab=0，對(duì)熱電偶電勢(shì)無影響。t0≠0℃時(shí)，Uab≠0，Uab=U(t0,0)=EAB(t0,0)，熱電偶的熱電勢(shì)得到自動(dòng)補(bǔ)償。圖7-39冷端溫度補(bǔ)償線路圖7.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理4、冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法圖527.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理（2）PN結(jié)冷端補(bǔ)償

PN結(jié)冷端補(bǔ)償電路如圖7-40所示。PN結(jié)溫度系數(shù)﹣2.2mV/℃，其補(bǔ)償電壓U。設(shè)EAB(T0,0)=k1T0，k1為熱電偶在0℃附近靈敏度，則回路電勢(shì)為：

EAB(T,0)EAB(T0,0)U=EAB(T,0)k1T0

UD/n

而

UD=U02.2T0

式中，UD—二極管D的PN結(jié)端電壓；U0—PN結(jié)在0℃時(shí)的端電壓，(硅管約為700mV)；n—電位器RW的分壓比。令k1=2.2/n，則

EAB(T,0)﹣UD/n=EAB(T,0)700/n與冷端溫度變化無關(guān)，得到自動(dòng)補(bǔ)償。

圖7-40PN結(jié)冷端溫度補(bǔ)償器

7.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理（2）PN結(jié)冷端補(bǔ)償537.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理（3）AD590冷端溫度補(bǔ)償法

AD590冷端溫度補(bǔ)償電路如圖7-41所示。圖7-41AD590冷端補(bǔ)償應(yīng)用7.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理（3）AD590冷端溫度547.3.5熱電偶熱電勢(shì)測(cè)量及其誤差分析7.3.5.1熱電偶的熱電勢(shì)測(cè)量

1．伺服式溫度表

測(cè)量原理：電位補(bǔ)償法Ex=IRH常用低電勢(shì)電位差計(jì)，如UJ31進(jìn)行測(cè)量，分辨率可達(dá)到V數(shù)量級(jí)。圖7-42電位差計(jì)原理圖7.3.5熱電偶熱電勢(shì)測(cè)量及其誤差分析7.3.5.1557.3.5熱電偶熱電勢(shì)測(cè)量及其誤差分析2．?dāng)?shù)字式溫度表

熱電偶的熱電勢(shì)信號(hào)放大（儀用放大器）A/D數(shù)字顯示。

注意：對(duì)熱電偶的熱電勢(shì)的線性校正和冷端補(bǔ)償，可采用硬件或軟件來實(shí)現(xiàn)。7.3.5熱電偶熱電勢(shì)測(cè)量及其誤差分析2．?dāng)?shù)字式溫度表567.3.5熱電偶熱電勢(shì)測(cè)量及其誤差分析7.3.5.2誤差分析

1．測(cè)量基本誤差：

（1）分度誤差：工業(yè)用熱偶與標(biāo)準(zhǔn)熱偶分度之間誤差；（2）儀表誤差：測(cè)量?jī)x表引入測(cè)量誤差；（3）冷端處理誤差；（4）接線誤差：接線電阻影響，應(yīng)選高內(nèi)阻測(cè)量?jī)x表；（5）漏電誤差，必須保證良好絕緣。

2．傳熱誤差

熱偶測(cè)溫存在熱交換平衡問題，存在熱電偶測(cè)量端溫度低于被測(cè)介質(zhì)溫度現(xiàn)象，稱為傳熱誤差，應(yīng)盡量減少熱偶的熱量損失。7.3.5熱電偶熱電勢(shì)測(cè)量及其誤差分析7.3.5.2577.3.5熱電偶熱電勢(shì)測(cè)量及其誤差分析3．動(dòng)態(tài)誤差

（1）動(dòng)態(tài)響應(yīng)：

牛頓冷卻定律：向感溫元件傳熱的速度正比于周圍介質(zhì)與元件間的溫差。令，得式中，T—介質(zhì)真實(shí)溫度；Tj—熱接點(diǎn)溫度這是一個(gè)一階系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性第1章中已講述。7.3.5熱電偶熱電勢(shì)測(cè)量及其誤差分析3．動(dòng)態(tài)誤差587.3.5熱電偶熱電勢(shì)測(cè)量及其誤差分析

測(cè)量恒定溫度

將熱電偶從室溫T0迅速插入溫度為T的溫度場(chǎng)中，其響應(yīng)Tj為

式中，t—時(shí)間；—熱電偶時(shí)間常數(shù)。若當(dāng)t=0時(shí)，T0=0,則

上式第一項(xiàng)為輸入量，即被測(cè)溫度；第二項(xiàng)為動(dòng)態(tài)誤差。愈大，測(cè)量值達(dá)到實(shí)際溫度值的時(shí)間愈長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)誤差也就愈大。7.3.5熱電偶熱電勢(shì)測(cè)量及其誤差分析測(cè)量恒定597.3.5熱電偶熱電勢(shì)測(cè)量及其誤差分析

測(cè)量線性上升溫度設(shè)被測(cè)溫度為T=T0

+kt

則熱電偶的響應(yīng)Tj=T0+ktkt(1et/）測(cè)正弦變化曲線設(shè)被測(cè)溫度為T=T0+TAsinωt當(dāng)t5時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)其中，=arctan-1()。值愈大，熱電偶溫度響應(yīng)的振幅愈小，相為滯后角愈大。7.3.5熱電偶熱電勢(shì)測(cè)量及其誤差分析測(cè)量線性607.3.5熱電偶熱電勢(shì)測(cè)量及其誤差分析

（2）減小動(dòng)態(tài)誤差的方法

關(guān)鍵是減小。

選用v/F較小接點(diǎn)選用c，較小的熱電極材料采用RC微分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校正圖7-43采用RC微分校正網(wǎng)絡(luò)校正熱電偶的動(dòng)態(tài)特性7.3.5熱電偶熱電勢(shì)測(cè)量及其誤差分析（2）減小動(dòng)態(tài)617.3.5熱電偶熱電勢(shì)測(cè)量及其誤差分析

裸絲熱電偶傳遞函數(shù)為

RC網(wǎng)絡(luò)(如圖7-43所示)傳遞函數(shù)為

系統(tǒng)總傳遞函數(shù)為,(τ1=τ2=τ)取上式逆拉氏變換，可得其中τ==1=2，為測(cè)試系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)。該系統(tǒng)仍有一定熱慣性，若使<<1，則很小，從而大大減小動(dòng)態(tài)誤差。7.3.5熱電偶熱電勢(shì)測(cè)量及其誤差分析裸絲熱627.3.6熱電偶測(cè)溫實(shí)例

0～600℃K型熱電偶溫度計(jì)如圖7-44所示。AD592作冷端補(bǔ)償；放大電路；線性化電路。可獲得10mV/℃的輸出電壓靈敏度，則Uout=0～6000mV。圖7-44K型熱電偶測(cè)溫電路（0~600℃）

7.3.6熱電偶測(cè)溫實(shí)例0～600℃K型熱電偶溫63第7章熱電式傳感器作業(yè):

7-1，7-6，7-16，7-17，7-18，7-19；7-9，7-20，7-21，7-24，7-25，7-26；選作：

7-28，7-29第7章熱電式傳感器64第7章熱電式傳感器補(bǔ)充作業(yè)：1.用K型熱電偶測(cè)某設(shè)備的溫度，測(cè)得的熱電勢(shì)為20mV，冷端（室溫）為25C，求設(shè)備的溫度?如果改用S型熱電偶來測(cè)溫，在相同的條件下，S型熱電偶測(cè)得的熱電勢(shì)為多少?2.現(xiàn)用一支鎳鉻-銅鎳熱電偶測(cè)某換熱器內(nèi)的溫度，其冷端溫度為30℃，顯示儀表的機(jī)械零位在0℃時(shí)，這時(shí)指示值為400℃，則認(rèn)為換熱器內(nèi)的溫度為430℃對(duì)不對(duì)?為什么?正確值為多少度?3.有一臺(tái)數(shù)字電壓表，其分辨力為100V/1個(gè)字，現(xiàn)與Cul00熱電阻配套應(yīng)用，測(cè)量范圍為0～100℃，試設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)度變換電路，使數(shù)字表直接顯示溫度數(shù)值。第7章熱電式傳感器補(bǔ)充作業(yè)：65第7章熱電式傳感器

溫度電信號(hào)（電阻、電壓、電流等）

熱電阻熱電式傳感器PN結(jié)型熱電式傳感器熱電偶第7章熱電式傳感器

溫度電信號(hào)（電阻、電壓、667.1熱電阻溫度t電阻Rt熱電阻：

金屬熱電阻（鉑熱阻、銅熱阻等）

半導(dǎo)體熱敏電阻（PTC、NTC、CTR）7.1熱電阻溫度t電阻Rt677.1.1.1原理、結(jié)構(gòu)和材料原理：電阻-溫度效應(yīng)—大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻都隨溫度而變化。電阻-溫度特性方程：

Rt=R0(1+t+t2+…)（7-1）熱電阻感溫元件—純金屬材料，其性能要求：大則靈敏度高；理化性能穩(wěn)定；恒定，以保證線性關(guān)系；大，體積尺寸??；復(fù)現(xiàn)性好。7.1.1金屬熱電阻7.1.1.1原理、結(jié)構(gòu)和材料7.1.1金屬熱電阻687.1.1金屬熱電阻1．鉑熱電阻（WZP）

結(jié)構(gòu)材料：φ0.02～0.07mmPt絲繞在云母等絕緣骨架上（無感繞制），裝入保護(hù)套管，接出引線；或箔式結(jié)構(gòu)；薄膜式結(jié)構(gòu)。＝0.0981×106

·m；圖7-1鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)7.1.1金屬熱電阻1．鉑熱電阻（WZP）圖7-1鉑697.1.1金屬熱電阻

測(cè)溫范圍和應(yīng)用：－259.34～630.74℃；溫度基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)用。

百度電阻比：W(100)—純度；W(100)＝R100/R0

基準(zhǔn)鉑熱電阻：W(100)≥1.39256，純度99.9995％；精度：0.001℃～0.0001℃工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)熱電阻：W(100)≥1.391，精度：200℃～0℃，1℃；0℃～100℃，0.5℃；100℃～650℃，(0.5％)t7.1.1金屬熱電阻測(cè)溫范圍和應(yīng)用：－259.707.1.1金屬熱電阻

電阻—溫度關(guān)系：

Rt=R0(1+At+Bt2)0℃≤t≤650℃

Rt=R0(1+At+Bt2+C(t100)t3)200℃≤t≤0℃其中A、B、C與W(100)有關(guān)，見附表7-1。在測(cè)溫范圍不大時(shí)，基本線性。

分度號(hào)：Pt100，（R0=100）；Pt50，（R0=50）；Pt1000，（R0=1000）；等。

分度表：見附表7-1。7.1.1金屬熱電阻電阻—溫度關(guān)系：717.1.1金屬熱電阻2.銅熱電阻（WZC）

結(jié)構(gòu)材料：Cu絲繞制，＝(4.25～4.28)×10-3/℃

＝0.017×10-6

·m；

測(cè)溫范圍和應(yīng)用：50℃～100℃，工業(yè)用溫度計(jì)；

百度電阻比：W(100)≥1.425，精度：50℃～50℃，0.5℃，50℃～100℃，(1％)t

電阻－溫度特性：Rt=R0(1+t)，在測(cè)溫范圍內(nèi)線性。

分度號(hào)：Cu100，Cu50，等。

分度表：見附表7-2另外，鐵、鎳材料也可制作熱電阻溫度計(jì)。7.1.1金屬熱電阻2.銅熱電阻（WZC）727.1.1金屬熱電阻

7.1.1.2熱電阻測(cè)量線路

直流電橋線路，主要考慮其引線電阻和接觸電阻影響，常采用三線接法和四線接法。如圖7-2、圖7-3所示。其次考慮工作電流的熱效應(yīng)影響，工作電流<10mA。圖7－2熱電阻測(cè)溫電橋的三線連接法7.1.1金屬熱電阻7.1.1.2737.1.1金屬熱電阻

圖7-3熱電阻測(cè)溫電橋的四線連接法7.1.1金屬熱電阻圖7-3747.1.1金屬熱電阻

7.1.1.3熱電阻的應(yīng)用1．鉑熱電阻測(cè)溫

恒壓工作的鉑熱電阻測(cè)溫電路如圖7-4（a）所示。熱電阻選用TRRA1023B(Pt1000)，R0＝1000；傳感器工作電壓UB＝10V＋e1。測(cè)溫電橋輸出：可得10mV/℃的電壓靈敏度。；7.1.1金屬熱電阻7.1.757.1.1金屬熱電阻

圖7－4恒壓工作鉑熱電阻測(cè)溫電路（a）測(cè)溫電路；（b）直流/交流變換器電路7.1.1金屬熱電阻圖7－4恒壓767.1.1金屬熱電阻

恒流工作的鉑熱電阻測(cè)溫電路如圖7-5所示。傳感器的工作電流約為1mA，此時(shí)傳感器的靈敏度約為3mV/℃，一般運(yùn)放都可選用。圖7-5

恒流工作鉑熱電阻測(cè)溫電路7.1.1金屬熱電阻恒流工作的鉑熱電阻測(cè)溫電路如777.1.1金屬熱電阻

2．熱電阻數(shù)字溫度計(jì)熱電阻數(shù)字溫度計(jì)測(cè)溫電路如圖7-7所示。測(cè)溫電橋輸出信號(hào)經(jīng)MAX138A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字顯示。

圖7-7熱電阻數(shù)字溫度計(jì)電路

MAX138A/D轉(zhuǎn)換器與ICL7106比較，增加了如下功能：

片內(nèi)設(shè)置有負(fù)電源轉(zhuǎn)換器，因此可以單電源供電；

工作電源電壓范圍寬（2.5~7V）；

片內(nèi)設(shè)置有振蕩電路。7.1.1金屬熱電阻2．熱電阻數(shù)字溫度787.1.1金屬熱電阻差動(dòng)輸出傳感器信號(hào)適宜與MAX138等A/D轉(zhuǎn)換連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)量。MAX138、ICL7106、ICL7107等A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是三位半，與二進(jìn)制10位A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度相當(dāng)。線性化測(cè)溫電路如圖7-10所示。圖7-10線性化測(cè)溫電路7.1.1金屬熱電阻差動(dòng)輸出傳感器信號(hào)適宜與MAX138797.1.1金屬熱電阻

3．A/D轉(zhuǎn)換器比例工作的熱電阻溫度測(cè)量電路

測(cè)溫電路如圖7-11、圖7-12所示。圖7-11A/D轉(zhuǎn)換比例工作電路圖7-12鉑電阻A/D轉(zhuǎn)換測(cè)溫電路7.1.1金屬熱電阻3．A/D轉(zhuǎn)換器比例工作的80

7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻熱敏電阻的類型：PTC，溫度控制，限流元件；NTC，溫度測(cè)量，補(bǔ)償元件；CTR，溫度開關(guān)元件。熱敏電阻溫度曲線如圖7-13所示。圖7-13熱敏電阻特性曲線7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻熱敏電阻的類型：圖7-1817.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻7.1.2.1熱敏電阻主要特性(NTC熱敏電阻)

1．電阻－溫度特性

T0＝20℃(＝293K)R0=R20(額定電阻)；T1＝T＝100℃

R1＝R100；

＝(2000～6000)KB—熱敏電阻常數(shù)。熱敏電阻溫度系數(shù)：若B＝4000K，T＝323K(50℃)，則＝3.8％/℃，大！圖7-14NTC熱敏電阻溫度特性若：7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻7.1.2.1熱敏電阻主要827.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻2.伏-安特性

在穩(wěn)態(tài)下，通過熱敏電阻的電流I與其兩端之間的電壓U的關(guān)系，稱為熱敏電阻的伏-安特性。如圖7-15所示。當(dāng)電流很小時(shí)，不足以使熱敏電阻產(chǎn)生溫升，則其電阻值只決定于環(huán)境溫度，伏-安特性呈線性，遵循歐姆定律，主要用于測(cè)溫。當(dāng)電流增大到一定值時(shí)，使熱敏電阻產(chǎn)生溫升，會(huì)出現(xiàn)負(fù)阻特性。圖7-15熱敏電阻伏安特性

7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻2.伏-安特性圖7-15熱敏電837.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻3．安-時(shí)特性

熱敏電阻的電流-時(shí)間曲線如圖7-16所示，表示熱敏電阻在不同的外加電壓下，電流達(dá)到穩(wěn)定最大值所需要時(shí)間。這是一熱平衡過程，一般為0.5～1s。圖7-16熱敏電阻安-時(shí)特性7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻3．安-時(shí)特性圖7-16熱敏847.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻7.1.2.2熱敏電阻的主要技術(shù)參數(shù)

1．標(biāo)稱電阻值RH，(25±0.2℃)時(shí)的電阻值，又稱冷電阻。

2．電阻溫度系數(shù)，溫度變化1℃時(shí)，熱敏電阻阻值的變化率（％/℃）。

3．耗散系數(shù)H，熱敏電阻溫度與周圍介質(zhì)溫度相差1℃時(shí)所耗散的功率(W/℃)。

4．熱容c，熱敏電阻溫度變化1℃時(shí)所需吸收或釋放的熱量（J/℃）。

5．能量靈敏度G＝(H/)×100，使熱敏電阻的阻值變化1%時(shí)所需耗散的功率(W)。

6．時(shí)間常數(shù)＝cH，溫度為T0的熱敏電阻突然置于溫度為T的介質(zhì)中，熱敏電阻的溫度增量T=0.632(TT0)時(shí)所需的時(shí)間(s)。7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻7.1.2.2熱敏電阻的主要857.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻7.1.2.3熱敏電阻的應(yīng)用

熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)：溫度系數(shù)大，靈敏度高；熱容量小，響應(yīng)快，分辨率高；價(jià)格便宜等。缺點(diǎn)：互換性差，熱電特性非線性大等。主要用于溫度的測(cè)量、控制，溫度補(bǔ)償，流速（或流量）測(cè)量等。

1.流量測(cè)量

基于流體流速（流量）與散熱關(guān)系，利用熱敏電阻橋式電路測(cè)流體流速（或流量），如圖7-17所示。圖7-17熱敏電阻流量計(jì)7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻7.1.2.3熱敏電阻的應(yīng)用867.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻2.溫度控制

利用熱敏電阻的溫度控制電路如圖7-18所示。圖7-18溫度控制電路7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻2.溫度控制圖7-18溫度控制877.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻3．溫度上、下限報(bào)警

熱敏電阻溫度上、下限報(bào)警電路如圖7-19所示。圖7-19溫度上下限報(bào)警電路7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻3．溫度上、下限報(bào)警圖7-19887.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻4．溫度測(cè)量圖7-20是利用NTC熱敏電阻組成的0~100℃的測(cè)溫電路，相應(yīng)的輸出電壓為0~5V，其靈敏度為50mV/℃。圖7-20溫度測(cè)量電路5．熱電偶溫度冷端補(bǔ)償

后面介紹。7.1.2半導(dǎo)體熱敏電阻4．溫度測(cè)量圖7-20溫度測(cè)量897.2p－n結(jié)型溫度傳感器7.2.1二極管溫度傳感器(恒流正向應(yīng)用)

PN結(jié)伏安特性：則式中，I—PN結(jié)正向電流；U—PN結(jié)正向壓降；Is—PN結(jié)反向飽和電流；q—電子電量（1.61019C）；T—絕對(duì)溫度；k—玻爾茲曼常數(shù)（1.3810-23J/K）。保持I恒定，則U與T成線性關(guān)系，這就是PN結(jié)的測(cè)溫原理，其靈敏度7.2p－n結(jié)型溫度傳感器7.2.1二極管溫度傳感器907.2p－n結(jié)型溫度傳感器7.2.2晶體管溫度傳感器

將NPN型晶體管的bc結(jié)短接，利用be結(jié)作為感溫器件，接近PN結(jié)理想特性，如圖7-21所示—測(cè)溫原理。圖7-21晶體管溫度傳感器

7.2p－n結(jié)型溫度傳感器7.2.2晶體管溫度傳感917.2p－n結(jié)型溫度傳感器7.2.3集成溫度傳感器

一只晶體管發(fā)射極電流密度Je通常a1，JeJs，則若圖7-22中，Js1＝Js2,a1＝a2，則圖中

只要Je1，Je2（I1，I2）均為恒流，則Ube與T成線性關(guān)系—測(cè)溫原理。圖7-22集成溫度感溫點(diǎn)電路

7.2p－n結(jié)型溫度傳感器7.2.3集成溫度傳感器927.2p－n結(jié)型溫度傳感器集成溫度傳感器主要類型：

電壓型，三線制，ku＝10mV/℃，LM34/35，LM135/235，…；

電流型，兩線制，kI＝1A/K，AD590/592，LM134/234，…；數(shù)字輸出型，TMP03/04，AD7416,…；電阻可編程溫度控制器，AD22105，TMP01，…；等。7.2p－n結(jié)型溫度傳感器集成溫度傳感器主要類型：937.2p－n結(jié)型溫度傳感器AD590電流型集成溫度傳感器（圖7-23）

測(cè)溫原理：

晶體管對(duì)T3T4使IT分為I1=I2，起恒流作用；T1,T2起感溫作用；T1由8只與T2相同的晶體管并聯(lián)而成，因此，T2中的電流密度J2為T1中的電流密度J1的8倍，即

J2＝8J1

圖7-23輸出電流正比于絕對(duì)溫度的AD590溫度敏感電路7.2p－n結(jié)型溫度傳感器AD590電流型集成溫度傳感947.2p－n結(jié)型溫度傳感器

Ube1和Ube2反極性串接施加在電阻R上，則R上電壓為：通過R的電流，IT＝2I1，若取R＝358，則

kT＝IT/T＝2×179/358＝1(A/K)所以

IT＝kT·T

7.2p－n結(jié)型溫度傳感器Ube1和Ube2反957.2p－n結(jié)型溫度傳感器AD590的特性：

1）伏安特性當(dāng)U=4～30V時(shí)，理想恒流源，電流只隨溫度T變化；2）溫度特性55℃～150℃，IT與T有較好的線性，輸出電流靈敏度kI＝1A/K；非線性誤差為T＝(0.3～3)℃；3）精度：可達(dá)0.5℃圖7-24AD590基本特性曲線7.2p－n結(jié)型溫度傳感器AD590的特性：圖7-24967.2p－n結(jié)型溫度傳感器7.2.4集成溫度傳感器的典型應(yīng)用

1．測(cè)量溫度

AD590遠(yuǎn)程溫度測(cè)量如圖7-25所示。圖7-25AD590攝氏溫度測(cè)量電路7.2p－n結(jié)型溫度傳感器7.2.4集成溫度傳感器977.2p－n結(jié)型溫度傳感器

數(shù)字溫度計(jì)如圖7-26所示。圖7-26XSW-1型數(shù)字溫度計(jì)7.2p－n結(jié)型溫度傳感器數(shù)字溫度計(jì)圖987.2p－n結(jié)型溫度傳感器

2.測(cè)量溫差如圖7-27所示。

I=IT1IT2＝kT(T1T2)；

U0＝IR3＝kTR3(T1T2)＝f(T1T2)圖7-27AD590溫差測(cè)量電路7.2p－n結(jié)型溫度傳感器2.測(cè)量溫差如997.2p－n結(jié)型溫度傳感器3．測(cè)最低溫度

AD590串連，如圖7-28所示；4．測(cè)平均溫度

AD590并連，如圖7-28所示。圖7－28AD590測(cè)最低溫度、平均溫度7.2p－n結(jié)型溫度傳感器3．測(cè)最低溫度圖7－281007.2p－n結(jié)型溫度傳感器5.溫度控制

AD590作為溫度控制的感溫元件，如圖7-29所示圖7-29AD590溫度控制系統(tǒng)7.2p－n結(jié)型溫度傳感器5.溫度控制圖7-29A1017.3熱電偶7.3.1熱電偶的工作原理

熱電效應(yīng)：將兩種不同的導(dǎo)體（金屬或合金）A和B組成一個(gè)閉合回路（稱為熱電偶，見圖7-30），若兩接觸點(diǎn)溫度(T,T0)不同，則回路中有一定大小電流，表明回路中有電勢(shì)產(chǎn)生，該現(xiàn)象稱為熱電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)或塞貝克(Seebeck)效應(yīng)?；芈分械碾妱?shì)稱為熱電勢(shì)或塞貝克電勢(shì)，用EAB(T,T0)或EAB(t,t0)表示。EAB(T,T0)=EAB(t,t0)熱電效應(yīng)熱電勢(shì)EAB(T,T0)或EAB(t,t0)圖7-30熱電效應(yīng)熱電偶：

熱電極（導(dǎo)體A、B）；

測(cè)量端（熱端或工作端）T(t)；

參考端（冷端或自由端）T0(t0)。7.3熱電偶7.3.1熱電偶的工作原理圖7-30熱1027.3.1熱電偶的工作原理1．Peltier效應(yīng)——接觸電勢(shì)

自由電子密度不同的兩種金屬接觸處，由于電子的擴(kuò)散現(xiàn)象在接觸點(diǎn)處形成接觸電勢(shì)或Peltier電勢(shì)，此現(xiàn)象稱為Peltier效應(yīng)。接觸電勢(shì)為總接觸電勢(shì)：圖7-31熱電效應(yīng)示意圖7.3.1熱電偶的工作原理1．Peltier效應(yīng)——接觸電1037.3.1熱電偶的工作原理2．Thomson效應(yīng)——溫差電勢(shì)

均質(zhì)導(dǎo)體，兩端溫度不相等時(shí)，由于體內(nèi)自由電子從高溫端向低溫端的擴(kuò)散，在其兩端形成的電勢(shì)稱為溫差電勢(shì)或Thomson電勢(shì)，此現(xiàn)象稱為Thomson效應(yīng)。導(dǎo)體A中的Thomson電勢(shì)：導(dǎo)體B中的Thomson電勢(shì)：

回路中總的Thomson電勢(shì)：式中，A、B分別為導(dǎo)體A、B中的Thomson系數(shù)。7.3.1熱電偶的工作原理2．Thomson效應(yīng)——溫差電1047.3.1熱電偶的工作原理綜合考慮A、B組成的熱電偶回路，當(dāng)T≠T0時(shí)，總的熱電勢(shì)為討論：如果熱電偶兩電極材料相同(nA＝nB，A=B),兩接點(diǎn)溫度不同，不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)；如果兩電極材料不同，但兩接點(diǎn)溫度相同(T=T0)，也不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)；熱偶工作產(chǎn)生熱電勢(shì)的基本條件：兩電極材料不同，兩接點(diǎn)溫度不同。

熱電勢(shì)大小與熱電極的幾何形狀和尺寸無關(guān)。當(dāng)兩熱電極材料不同，且A、B固定（即nA、nB、A、B為常數(shù)），熱電勢(shì)便為兩接點(diǎn)溫度（T，T0）的函數(shù)（T0恒定）這就是熱電偶的測(cè)溫原理。熱電勢(shì)的極性：熱端失去電子為正，獲得電子為負(fù)，且有7.3.1熱電偶的工作原理綜合考慮A、B組成的熱電偶回路，1057.3.2熱電偶的基本定律

1.均質(zhì)導(dǎo)體定律

要求熱電極材質(zhì)均勻，克服因熱電極上各點(diǎn)溫度不同時(shí)造成附加誤差。

2.中間導(dǎo)體定律

熱偶回路斷開接入第三種導(dǎo)體C，若C兩端溫度相同，則回路熱電勢(shì)不變，這為熱電勢(shì)的測(cè)量（接入測(cè)量?jī)x表，第三導(dǎo)體）奠定理論基礎(chǔ)，見圖7-32。圖7-32熱電偶測(cè)溫電路原理圖7.3.2熱電偶的基本定律1.均質(zhì)導(dǎo)體定律圖7-321067.3.2熱電偶的基本定律3.中間溫度定律若T0＝0℃，4.標(biāo)準(zhǔn)（參考）電極定律

標(biāo)準(zhǔn)電極定律原理如圖7-33所示。以C作為標(biāo)準(zhǔn)電極(一般C為鉑)，構(gòu)建熱偶A、B。圖7-33標(biāo)準(zhǔn)電極定律示意圖例：

則7.3.2熱電偶的基本定律3.中間溫度定律若T0＝0℃，41077.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)7.3.3.1熱電極材料和類型

1．熱電極材料的基本要求

熱電極是感溫元件，物理性質(zhì)見表7-1，基本要求：熱電勢(shì)足夠大，測(cè)溫范圍寬、線性好；熱電特性穩(wěn)定；理化性能穩(wěn)定，不易氧化、變形和腐蝕；電阻溫度系數(shù)、電阻率小；易加工、復(fù)制性好；價(jià)廉

2．熱電偶類型

標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶及其參數(shù)表7-2，分度表及計(jì)算公式：見附表3~附表67.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)7.3.3.1熱電極材料1087.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)7.3.3.2熱電偶的結(jié)構(gòu)

熱電偶接點(diǎn)焊接要求和焊接方法（不引入第三種材料，接點(diǎn)大小適當(dāng)）；電極之間絕緣。見圖7-34。圖7-34熱電偶電極的絕緣方法（a）裸線熱電偶；（b）珠形絕緣熱電偶；（c）雙孔絕緣子熱電偶；（d）石棉絕緣管熱電偶7.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)7.3.3.2熱電偶的結(jié)1097.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)

1.普通型熱電偶普通型熱電偶結(jié)構(gòu)見圖7-35。圖7-35普通型熱電偶結(jié)構(gòu)7.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)1.普通型熱電偶圖7-31107.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)2．鎧裝熱電偶

鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)見圖7-36。圖7-36鎧裝熱電偶工作端結(jié)構(gòu)（a）單芯結(jié)構(gòu)；（b）雙芯碰底型；（c）雙芯不碰底型；（d）雙芯露頭型；（e）雙芯帽型7.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)2．鎧裝熱電偶圖7-361117.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)3．薄膜熱電偶

薄膜熱電偶電極為厚度0.01~0.1m薄膜構(gòu)成，見圖7-37圖7-37鐵-鎳薄膜熱電偶7.3.3熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)3．薄膜熱電偶圖7-37鐵1127.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理熱偶標(biāo)準(zhǔn)分度表是以T0＝0℃為參考溫度條件下測(cè)試制定的，若T0≠0℃，則應(yīng)進(jìn)行冷端補(bǔ)償，其補(bǔ)償方法：1.延長(zhǎng)導(dǎo)線法利用補(bǔ)償導(dǎo)線代替熱電極，引到溫度較穩(wěn)定的T0端測(cè)試。要求：在一定的溫度范圍內(nèi)，補(bǔ)償導(dǎo)線與配對(duì)的熱電偶具有相同或相近的熱電特性。2.0℃恒溫法將熱電偶冷端置于冰水混合物的0℃恒溫器內(nèi)，使其工作與分度狀態(tài)達(dá)到一致。

7.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理熱偶標(biāo)準(zhǔn)分度表是以T0＝1137.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理圖7-38是延長(zhǎng)導(dǎo)線法和0℃恒溫法的一個(gè)實(shí)例。圖7-38冷端處理的延長(zhǎng)導(dǎo)線法和0℃恒溫法7.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理圖7-38是延長(zhǎng)導(dǎo)線法和1147.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理3.冷端溫度修正法（1）熱電勢(shì)修正法

利用中間溫度定律式中，Tn

熱電偶測(cè)溫時(shí)的是環(huán)境溫度；EAB(T，Tn）是實(shí)測(cè)熱電勢(shì)；EAB(Tn，0)是冷端修正值。例如：鉑銠10—鉑熱電偶測(cè)溫，參考冷端溫度為室21℃，測(cè)得查表，則由此查分度表T＝92℃若直接用0.465mV查表，則T＝75℃。也不能將75℃＋21℃＝96℃作為實(shí)際溫度。7.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理3.冷端溫度修正法式中，1157.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理（2）溫度修正法

由實(shí)測(cè)熱電勢(shì)EAB（T，Tn）查表，得T真實(shí)溫度為：

T＝T＋kTn式中，k為熱電偶修正系數(shù)，決定于熱電偶于熱電偶種類和被測(cè)溫度范圍，見表7-4。例如前例：實(shí)測(cè)EAB(T，Tn)=0.465mV，查分度表T=75℃；查修正系數(shù)表7-4，此時(shí)該熱電偶的k=0.82，Tn=21℃，則實(shí)際溫度T=75+0.82×21=92.2℃與前面結(jié)果基本一致。這種修正方法工程上應(yīng)用較廣泛。

7.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理（2）溫度修正法1167.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理4、冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法（1）電橋補(bǔ)償法

原理：電橋輸出電壓U(t0,0)=EAB(t0,0)，自動(dòng)補(bǔ)償。

補(bǔ)償電路：如圖7-39所示。圖中R1、R2、R3、RW為錳銅電阻，阻值幾乎不隨溫度變化，RCu為銅電阻，電阻值隨溫度升高而增大。t0=0℃時(shí)，R1=R2=R3=RCu，電橋輸出Uab=0，對(duì)熱電偶電勢(shì)無影響。t0≠0℃時(shí)，Uab≠0，Uab=U(t0,0)=EAB(t0,0)，熱電偶的熱電勢(shì)得到自動(dòng)補(bǔ)償。圖7-39冷端溫度補(bǔ)償線路圖7.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理4、冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法圖1177.3.4熱電偶的冷端補(bǔ)償及處理（2）PN結(jié)冷端補(bǔ)償

PN結(jié)冷端補(bǔ)償電路如圖7-40所示。PN結(jié)溫度系數(shù)﹣2.2mV/℃，其補(bǔ)償電壓U。設(shè)EAB(T0,0)=k1T0，k1為熱電偶在0℃附近靈敏度，則回路電勢(shì)為：

EAB(T,0)EAB(T0,0)U=EAB(T,0)k1T0

UD/n

而

UD=U02.2