傳感器第五章熱電式傳感器第一頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五華氏溫標(biāo)1714年荷蘭人華倫海特

(Fahrenheit)以水銀為測(cè)溫介質(zhì)，制成玻璃水銀溫度計(jì)。它規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下把冰、水、氯化銨和氯化鈉的混合物的熔點(diǎn)定為零度，以0°F表示，冰的融點(diǎn)為32華氏度，水的沸點(diǎn)為212華氏度，中間等分為180份，每一等份稱為華氏一度，符號(hào)用℉。華氏溫度=（1.8*攝氏溫度+32）℉第三頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五攝氏溫標(biāo)1740年瑞典人攝耳修斯

(Celsius)提出，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下將把水的冰點(diǎn)規(guī)定為0度，水的沸點(diǎn)規(guī)定為100度。均分100等份，每一等份稱為攝氏一度(℃)，與華氏溫度計(jì)使用的是同一種測(cè)溫介質(zhì)，利用相同的測(cè)溫特性，但由于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)和分度單位不同，就造成了兩種不同的溫標(biāo)，產(chǎn)生了兩個(gè)不同的溫度的數(shù)值，是工程上最通用的溫度標(biāo)尺。攝氏溫度=5/9*（華氏溫度-32）℃攝氏溫標(biāo)第四頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五1848年英國(guó)物理學(xué)家威廉·湯姆遜·開(kāi)爾文Ketvin根據(jù)熱力學(xué)第二定理和卡諾熱循環(huán)理論提出的。絕對(duì)零度是指-273.15度，在這個(gè)溫度下的物體不包含熱量，氣體的體積將減小到零。這種溫標(biāo)的最大特點(diǎn)是與選用的測(cè)溫介質(zhì)性質(zhì)無(wú)關(guān)，克服了經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)隨測(cè)溫介質(zhì)而變的缺陷，故稱它為科學(xué)的溫標(biāo)或絕對(duì)熱力學(xué)溫標(biāo),由此而得的溫度稱為熱力學(xué)溫度。熱力學(xué)溫標(biāo)開(kāi)氏溫度=（273.15+攝氏溫度）K注意：攝氏溫度的分度值與攝氏溫度分度值相同，即溫度間隔1K=1℃。第五頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五第一節(jié)熱電偶傳感器第二節(jié)熱電阻傳感器第三節(jié)PN結(jié)及集成溫度傳感器內(nèi)容提要學(xué)習(xí)目標(biāo)

掌握熱電效應(yīng)定義、熱電偶基本定律及各種測(cè)量電路、熱電偶補(bǔ)償方式；熟悉金屬熱電阻的結(jié)構(gòu)及測(cè)量線路；掌握熱敏電阻的種類及特性；理解溫敏二極管、三極管、集成溫度傳感器原理；了解各種熱電傳感器的應(yīng)用。第六頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五第一節(jié)熱電偶傳感器

一、熱電效應(yīng)二、熱電偶基本定律三、熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)四、常用測(cè)量電路五、熱電偶冷端補(bǔ)償方式六、熱電偶傳感器應(yīng)用第七頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

左端稱為：測(cè)量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢(shì)AB第八頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五

定義：兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成閉合回路，連接點(diǎn)處于不同的溫度場(chǎng)中（設(shè)T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說(shuō)回路中有電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。1821年首先由西拜克（Seebeck）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應(yīng)。

一、工作原理回路中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，叫熱電勢(shì)。熱電勢(shì)由兩部分組成，即接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)。熱電偶原理圖TT0AB工作端（熱端）自由端（冷端）1、熱電效應(yīng)返回第九頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五T0TeAB(T)eAB(T0)ABAB2、產(chǎn)生原因（1）接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。

兩種導(dǎo)體在溫度T中接觸，由于自由電子濃度不同在接觸點(diǎn)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱接觸電勢(shì)。

接觸電勢(shì)返回第十頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五AToT（2）溫差電勢(shì)——溫差系數(shù)——熱端和冷端的絕對(duì)溫度T0TeB(T,T0)eA(T,T0)AB溫差電勢(shì)的大小與材料性質(zhì)及兩端溫度有關(guān)。由同一金屬導(dǎo)體兩端處于不同的溫度場(chǎng)中，由于自由電子密度不同產(chǎn)生的電勢(shì)。溫差電勢(shì)返回第十一頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3、回路總電勢(shì)T＞T0、NA＞NB回路總電勢(shì)返回第十二頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五接觸電動(dòng)勢(shì)起主要作用在標(biāo)定熱電偶時(shí)，一般使T0為常數(shù)，則第十三頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五討論(熱電效應(yīng))

如果A和B材料相同，無(wú)論接點(diǎn)處溫度如何，不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。

如果A和B材料不同，但兩接點(diǎn)溫度相同也不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。第十四頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五第十五頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五

①熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)無(wú)關(guān)。②只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶；相同材料不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，因?yàn)楫?dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。4、熱電偶基本性質(zhì)

③只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時(shí)才能有熱電勢(shì)產(chǎn)生。第十六頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五

④導(dǎo)體材料確定后，熱電勢(shì)的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使EAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢(shì)EAB(T，T0)就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。⑤對(duì)于由幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，若各接點(diǎn)溫度分別為T1、T2……TN

，閉合回路總的熱電動(dòng)勢(shì)為：返回第十七頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五

二、熱電偶基本定律

由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其導(dǎo)體是否存在溫度梯度，回路中沒(méi)有電流(即不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì))；反之，如果有電流流動(dòng)，此材料則一定是非均質(zhì)的，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。1.均質(zhì)導(dǎo)體定律該定律可作為檢驗(yàn)材質(zhì)均勻性的原則：同名極檢驗(yàn)法。AATT0第十八頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、中間導(dǎo)體定律ABCT0T0T

在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體C，只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變。第十九頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五ET0T0TT1CT0T1TBA意義：可用電器測(cè)量?jī)x表直接測(cè)量熱電勢(shì)第二十頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五3、標(biāo)準(zhǔn)電極定律

如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也就可知。T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC第二十一頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五兩式相減得：第二十二頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五

若一個(gè)熱電偶由A、B、C三種導(dǎo)體組成，且回路中三個(gè)接點(diǎn)的溫度都相同，則回路總電動(dòng)勢(shì)必為零，即：或第二十三頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五即導(dǎo)體A與B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)也可知。整理得：第二十四頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.連接導(dǎo)體定律ABA`B`

T

Tn

T0

Tn

BA

T

Tn

B`A`

Tn

T0

+由此可知，回路總熱電勢(shì)等于熱電偶電勢(shì)EAB(T,Tn)與連接導(dǎo)線熱電勢(shì)EA`B`(Tn,T0)的代數(shù)和，連接導(dǎo)體定律是工業(yè)上應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行溫度測(cè)量理論的基礎(chǔ)。第二十五頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五BBATnTT0

AAB5、中間溫度定律

熱電偶在兩接點(diǎn)溫度分別為T、T0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度分別為T、Tn和接點(diǎn)溫度分別為Tn、T0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。第二十六頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五證明：即：

為冷端溫度不是零度時(shí)熱電偶如何查分度表的問(wèn)題提供了依據(jù)。返回第二十七頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五

當(dāng)Tn=0℃時(shí)，則：上式說(shuō)明：只要A、B組成的熱電偶在冷端溫度為零時(shí)的“熱電動(dòng)勢(shì)—溫度”關(guān)系已知，則它在冷端溫度不為零時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)即可知。定律4中導(dǎo)體A與A`，B與B`材料相同時(shí)第二十八頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五

中間溫度定律表明：當(dāng)在原來(lái)熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B相同熱電特性的材料C、D即引入所謂補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，只要它們之間連接的兩點(diǎn)溫度相同，則總回路的熱電動(dòng)勢(shì)與兩連接點(diǎn)溫度無(wú)關(guān)，只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。第二十九頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖ABTTnTnCDT0T0M由于A與C、B與D的熱電特性相同，由熱電偶的基本性質(zhì)可知：eAC（Tn）=eBD（Tn）=0，則回路總電動(dòng)勢(shì)為:第三十頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五三、熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)熱電偶的常用材料P81表5-11.普通工業(yè)用裝配式熱電偶接線盒保險(xiǎn)套管絕緣套管熱電偶絲第三十一頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱電偶絲（熱電極）：直徑一般在0.5-3.2mm，長(zhǎng)度由使用情況、安裝條件、特別是工作端插入被測(cè)介質(zhì)深度決定，一般為300-2000mm。絕緣管：防止兩熱電極短路的絕緣保護(hù)零件，形狀一般為圓形或橢圓型，偶絲穿孔而過(guò)，一般為氧化鋁或耐火陶瓷。保護(hù)套管：保護(hù)感溫元件免受介質(zhì)化學(xué)腐蝕和機(jī)械損傷的裝置，具有耐高溫、耐腐蝕性能，材料有金屬、非金屬等。接線盒：用來(lái)固定接線座和連接補(bǔ)償導(dǎo)線的裝置。多用鋁合金制成。熱電耦結(jié)構(gòu)第三十二頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭第三十三頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五2．鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶）優(yōu)點(diǎn)：小型化、測(cè)溫端熱容量小、熱慣性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；彎曲性好、機(jī)械強(qiáng)度高、耐震動(dòng)、耐沖擊、可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上；壽命長(zhǎng)、使用方便。測(cè)溫范圍在1100℃以下的有：鎳鉻—鎳硅、鎳鉻—考銅鎧裝式熱電偶。132

由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細(xì)組合而成一體。熱端形狀不同，可分為兩種形式。1金屬套管;2絕緣材料;3熱電極(a)接殼式(b)絕緣式第三十四頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五鎧裝式熱電偶的結(jié)構(gòu)第三十五頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五鎧裝型熱電偶外形鎧裝型熱電偶可長(zhǎng)達(dá)上百米薄壁金屬保護(hù)套管（鎧體）

BA絕緣材料法蘭第三十六頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五3．薄膜熱電偶用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而成。熱接點(diǎn)極薄(0.01～0.lμm)

適用于對(duì)壁面溫度的快速測(cè)量。安裝時(shí),用粘結(jié)劑將它粘結(jié)在被測(cè)物體壁面上。目前我國(guó)試制的有鐵—鎳、鐵—康銅和銅—康銅三種,尺寸為60×6×0.2mm;絕緣基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料紙等；測(cè)溫范圍在300℃以下；反應(yīng)時(shí)間僅為幾ms。

4123薄膜熱電偶1—熱電極;2—熱接點(diǎn);3—絕緣基板;4—引出線第三十七頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五其他熱電偶外形小型K型熱電偶第三十八頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五分度號(hào)名稱測(cè)量溫度范圍1000C熱電勢(shì)/mVS鉑銠10—鉑-50～1768C9.587K鎳鉻－鎳硅-270～1370C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800C——?B鉑銠30－鉑銠650～1820C4.834R鉑銠13—鉑-50～1768C10.506幾種常用熱電偶的測(cè)溫范圍及熱電勢(shì)

第三十九頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五四、實(shí)用測(cè)量電路1.測(cè)量單點(diǎn)溫度電路流過(guò)測(cè)溫毫伏表的電流為:——熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線和儀表內(nèi)阻第四十頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.測(cè)量溫差的基本電路回路內(nèi)的總電動(dòng)勢(shì)為:因?yàn)楣蔄T2儀表BT1CDT0’T0BAC第四十一頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五儀表缺點(diǎn)：當(dāng)有一只熱電偶燒斷時(shí)，不易察覺(jué)。3、熱電偶并聯(lián)線路（測(cè)量平均溫度）第四十二頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.熱電偶串聯(lián)線路因?yàn)樗訲0DCCT0DT1T2儀表T3ABDCABABT0返回第四十三頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五五、熱電偶冷端補(bǔ)償方式1、冰點(diǎn)槽法2、計(jì)算修正法3、補(bǔ)正系數(shù)法4、零點(diǎn)遷移法5、冷端補(bǔ)償器法返回第四十四頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱電偶的分度表

——熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法

我國(guó)從1991年開(kāi)始采用國(guó)際計(jì)量委員會(huì)規(guī)定的“1990年國(guó)際溫標(biāo)”（簡(jiǎn)稱ITS-90）的新標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn)，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對(duì)應(yīng)。

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系時(shí)的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。第四十五頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表

第四十六頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五1、冰點(diǎn)槽法把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路，必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里，浸入同一冰點(diǎn)槽，使相互絕緣。mVABT銅導(dǎo)線銅導(dǎo)線試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冰點(diǎn)槽冰水溶液T0儀表補(bǔ)償導(dǎo)線第四十七頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、計(jì)算修正法室溫下計(jì)算出參比端實(shí)際溫度TH:例用銅-康銅熱電偶測(cè)某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T，TH)=1.999mV，又用室溫計(jì)測(cè)出TH=21℃,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，與2.831mV對(duì)應(yīng)的熱端溫度T=68℃。注意:既不能只按1.999mV查表，認(rèn)為T=49℃，也不能把49℃加上21℃，認(rèn)為T=70℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)第四十八頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五3、補(bǔ)正系數(shù)法參比端實(shí)際溫度TH乘上系數(shù)k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的溫度上，成為被測(cè)溫度T。

T：被測(cè)溫度；

T′：參比端在室溫下熱電偶電勢(shì)與分度表上對(duì)應(yīng)的某個(gè)溫度；

TH：室溫（參比端實(shí)際溫度）；

k：補(bǔ)正系數(shù)。T＝

T′＋

kTH第四十九頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五例題

用鉑銠10－鉑熱電偶測(cè)溫，已知冷端溫度TH=35℃，這時(shí)熱電動(dòng)勢(shì)為11.348mV．查S型熱電偶的分度表，得出與此相應(yīng)的溫度T′=1150℃。再?gòu)南卤碇胁槌?，?duì)應(yīng)于1150℃的補(bǔ)正系數(shù)k=0.53。被測(cè)溫度：

T=1150+0.53×35=1168.3（℃）

特點(diǎn)：

計(jì)算簡(jiǎn)單；誤差大一點(diǎn)，但誤差不大于0.14％。第五十頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五—溫度T′/℃補(bǔ)正系數(shù)k鉑銠10-鉑(S)鎳鉻-鎳硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.53—13000.52—14000.52—15000.53—16000.53熱電偶補(bǔ)正系數(shù)第五十一頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五4、零點(diǎn)遷移法

當(dāng)熱電偶通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線連接顯示儀表時(shí)，如果熱電偶冷端溫度不是0℃，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調(diào)的場(chǎng)所），可預(yù)先將有零位調(diào)整器的顯示儀表的指針從刻度的初始值調(diào)至已知的冷端溫度值上，這時(shí)顯示儀表的示值即為被測(cè)量的實(shí)際溫度值。數(shù)字式溫度表溫度設(shè)定值溫度值設(shè)定鍵第五十二頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五

例

用動(dòng)圈儀表配合熱電偶測(cè)溫時(shí)，如果把儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)到室溫TH的刻度上,在熱電動(dòng)勢(shì)為零時(shí)，指針指示的溫度值并不是0℃而是TH。而熱電偶的冷端溫度已是TH,則只有當(dāng)熱端溫度T=TH時(shí)，才能使EAB(T,TH)=0，這樣，指示值就和熱端的實(shí)際溫度一致了。這種辦法非常簡(jiǎn)便，而且一勞永逸，只要冷端溫度總保持在TH不變，指示值就永遠(yuǎn)正確。第五十三頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五5、冷端補(bǔ)償器法（電橋補(bǔ)償）

不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個(gè)橋臂和橋路電源組成。設(shè)計(jì)時(shí)，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時(shí)Uab=0，電橋?qū)x表讀數(shù)無(wú)影響。注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3RT0UaUabEAB(T,T0)供電4V直流，在0～40℃或-20～20℃范圍起補(bǔ)償作用。返回第五十四頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五金屬熱電阻（鉑熱電阻、銅熱電阻等）半導(dǎo)體熱敏電阻（PTC、NTC、CTR）

熱電阻

溫度電阻第二節(jié)熱電阻傳感器主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精確度最高，廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。應(yīng)用于-200~600℃范圍內(nèi)的溫度測(cè)量。第五十五頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二節(jié)熱電阻傳感器一、金屬熱電阻

1、熱電阻的材料要求

2、常用熱電阻

3、熱電阻結(jié)構(gòu)

4、熱電阻測(cè)量線路二、熱敏電阻器

1、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)

2、熱敏電阻的種類

3、熱敏電阻的基本特性

4、熱敏電阻實(shí)物圖片

5、熱敏電阻應(yīng)用第五十六頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五（1）電阻溫度系數(shù)大且穩(wěn)定，電阻值與溫度之間具有良好的線性關(guān)系（2）電阻率高、熱容量小，熱慣性小，反應(yīng)速度快（3）在測(cè)溫范圍內(nèi)，材料的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定（4）工藝性好，易復(fù)制、價(jià)格低一、金屬熱電阻1、熱電阻的材料要求第五十七頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五0~630.74℃-190℃~0℃其中，Rt、R0

——溫度為t℃和0℃時(shí)的電阻；

A、B、C為常數(shù)：A=3.940×10-2/℃B=-5.84×10-7/℃C=-4.22×10-12/℃鉑電阻的阻值與溫度之間關(guān)系接近于線性2、常用熱電阻

⑴

鉑電阻第五十八頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五可以看出，它們的高次項(xiàng)很小。鉑電阻在0~100℃時(shí)的最大非線性偏差小于0.5℃；R0不同，Rt與t的關(guān)系也不同。

我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有Pt50和Pt100（P88-89表5-3、5-4），其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號(hào)亦有相應(yīng)分度表。0~630.74℃-190℃~0℃第五十九頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五其中，A、B、C為常數(shù)：A=4.28899×10-3/℃B=-2.133×10-7/℃2C=1.233×10-9/℃3-50℃~150℃模型1：精確計(jì)算時(shí)模型2：簡(jiǎn)便計(jì)算，常用二項(xiàng)式計(jì)算Rt、R0：溫度為t℃和0℃時(shí)的電阻；：溫度為0℃時(shí)的溫度系數(shù)，4.25×10-3/℃--4.28×10-3/℃

。⑵銅電阻銅電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可近似表示為返回第六十頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五

特點(diǎn)工業(yè)用銅熱電阻有Cu50和Cu100，有相應(yīng)分度表（P90表5-5）。第六十一頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五(3)其它熱電阻—

低溫、超低溫第六十二頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五3、熱電阻結(jié)構(gòu)熱電阻＝電阻體＋絕緣套管＋接線盒第六十三頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五

實(shí)物圖片薄膜型鉑熱電阻普通型鉑熱電阻汽車用水溫傳感器汽車用水溫傳感器防爆型鉑熱電阻第六十四頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱電阻測(cè)溫電橋三線連接法4、熱電阻測(cè)量線路Rt為熱電阻,r1

、r2、r3為引線電阻,R1

、R2為兩橋臂電阻,R1=R2,R3為調(diào)整電橋的精密電阻。M表內(nèi)阻很大，故電流近似為零。當(dāng)UA=UB時(shí)電橋平衡。調(diào)節(jié)R3，使r2+R3=r1+Rt,就可消除引線電阻的影響。R1R2R3Rtr1r3r2EABM第六十五頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五四線式電阻測(cè)量電路r1r2r3r4RtIVIMEM電壓表恒流源因IVIM,IV0,又EM=E+IV（r2+r3

）

由上式知引線電阻r1~r4將不引起測(cè)量誤差。電壓表的值EM可認(rèn)為是熱電阻Rt上的壓降，據(jù)此可計(jì)算出微小溫度變化。返回第六十六頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、熱敏電阻器1、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)

熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷（Co）、錳（Mn）、鎳（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高溫?zé)Y(jié)而成。（b）片狀（c）桿狀（d）墊圈狀（a）珠狀玻璃殼熱敏電阻引線

電阻溫度系數(shù)高，靈敏度比熱電阻高得多；體積可做很小，動(dòng)態(tài)特性好，適于在-100℃～300℃之間測(cè)溫。第六十七頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五正溫度系數(shù)熱敏電阻器PTC2、熱敏電阻的種類

電阻值隨溫度升高而增大的電阻器，PTC(PositiveTemperatureCoefficient)。主要采用鈦酸鋇（BaTiO3）系列材料，當(dāng)溫度超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，其阻值朝正的方向快速變化；PTC熱敏電阻主要用于電器設(shè)備的過(guò)熱保護(hù)，發(fā)熱源的定溫控制，或作限流元件使用。

臨界溫度系數(shù)熱敏電阻器CTR

（CriticalTemperatureResistor）熱敏電阻在某特定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而降低3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，具有很大負(fù)溫度系數(shù)。其主要材料是VO2并添加一些金屬氧化物。CTR主要用作溫控開(kāi)關(guān)。第六十八頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）NTC（NegativeTemperatureCoefficient）熱敏電阻，它是由氧化銅、氧化鋁、氧化鎳等金屬氧化物按一定比例混合研磨、成型、鍛燒而成，改變這些混合物的配比成分，就可以改變NTC的溫度范圍、溫度系數(shù)及阻值。NTC熱敏電阻具有很高的負(fù)電阻溫度系數(shù)，特別適用于－100～300℃溫度范圍內(nèi)使用，既可作溫度測(cè)量，亦可作電子控制系統(tǒng)中溫控器件。返回第六十九頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五04080120160200106104102100溫度℃電阻CTRNTCPTC熱敏電阻器的電阻-溫度曲線第七十頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五3、熱敏電阻的基本特性⑴NTC的R-T特性NTC熱敏電阻的阻值與溫度之間近似指數(shù)關(guān)系

RT

、R0—溫度為T、T0時(shí)的電阻值；

B—熱敏電阻材料常數(shù)，2000~600K；

T—被測(cè)溫度

T0—參考溫度第七十一頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五不同材料的B不同，右圖為不同B

的RT/R25—T特性曲線125T（oC）RT/R2502550750.51.522.531(1，25oC)100

為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25℃作為參考溫度（即T0=25℃），則NTC熱敏電阻器的電阻—溫度關(guān)系式可寫成：第七十二頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五（2）正電阻溫度系數(shù)（PTC）:電阻—溫度特性10000100010010050100150200250R20=120ΩR20=36.5ΩR20=12.2ΩT/oC電阻/ΩTp1Tp2Tc=175oC溫度特性是利用正溫度系數(shù)熱敏材料在居里點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相變引起導(dǎo)電率突變獲得的第七十三頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五lnRr1lnRr2BPβmRBP=tgβ=mR/mrT1T2lnRr0mrlnRrT第七十四頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五4、熱敏電阻實(shí)物圖片1.耗散系數(shù)：5mW/℃2.熱時(shí)間常數(shù):<10S3.測(cè)溫范圍:-40℃~~~+110℃用于電飯鍋等烹飪用具,耐高溫，反應(yīng)快而精確第七十五頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五ABS材質(zhì)外殼，PVC導(dǎo)線,用于電冰箱、冰柜。耐腐防潮。1.耗散系數(shù)：5mW/℃2.熱時(shí)間常數(shù):<10S3.測(cè)溫范圍:-40℃~~~+110℃第七十六頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五銅質(zhì)外殼，PVC導(dǎo)線，用于空調(diào)、飲水機(jī)銅制、不銹鋼外殼，PVC導(dǎo)線，用于熱水器第七十七頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五MZ4系列加熱用PTC熱敏電阻MZ5汽車測(cè)溫用PTC熱敏電阻第七十八頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五MZ41系列卷發(fā)器用PTC熱敏電阻MZ6系列電機(jī)保護(hù)用PTC熱檢測(cè)器第七十九頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五CPU的溫度測(cè)量5、熱敏電阻應(yīng)用還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計(jì)等第八十頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三節(jié)PN結(jié)及集成溫度傳感器

一、溫敏二極管三、集成溫度傳感器

1基本工作原理

2電流鏡核心電路

3電壓型核心電路二、溫敏三極管第八十一頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五

PN結(jié)溫度傳感器原理：

結(jié)電壓隨溫度成近似線性變化特性；

應(yīng)用：

對(duì)溫度的檢測(cè)、控制和補(bǔ)償?shù)龋?/p>

優(yōu)點(diǎn)：

有較好的線性度，且尺寸小、響應(yīng)快、靈敏度高、熱時(shí)間常數(shù)小，測(cè)溫范圍為-50℃至150℃。第八十二頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五一、溫敏二極管——電子電荷——絕對(duì)溫度，單位：K——正向電流——反向飽和電流式中：——玻爾茲曼常數(shù)——正向電壓當(dāng)?shù)诎耸?yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五二極管正向電壓隨溫度的升高而降低返回第八十四頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、溫敏三極管

利用be結(jié)作為感溫器件，利用三極管發(fā)射結(jié)正向電壓Ube隨溫度上升而下降的原理。若Ic恒定，則Ube僅隨溫度T成單調(diào)單值函數(shù)變化。第八十五頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五溫敏晶體管虛地

溫敏晶體管作為負(fù)反饋元件跨接在運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端，基極接地。如此連接的目的是使發(fā)射結(jié)為正偏，而集電結(jié)幾乎為零偏。零偏的集電結(jié)使得集電結(jié)電流中不需要的空間電荷的復(fù)合電流和表面復(fù)合電流為零，而發(fā)射結(jié)電流中的發(fā)射結(jié)空間電荷復(fù)合電流和表面漏電流作為基極電流流入地。返回

因此，集電極電流完全由擴(kuò)散電流成分組成。集電極電流Ic只取決于集電極電阻RC和電源E，保證了溫敏晶體管的Ic恒定。電容C的作用是防止寄生振蕩。

基本測(cè)溫電路第八十六頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五

將溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一芯片的集成化溫度傳感器。

優(yōu)點(diǎn)：直接給出正比于絕對(duì)溫度的理想的線性輸出；體積小、成本低廉；是現(xiàn)代半導(dǎo)體溫度傳感器的主要發(fā)展方向之一。應(yīng)用：廣泛用于-50~+150℃溫度范圍內(nèi)的溫度監(jiān)測(cè)、控制和補(bǔ)償?shù)脑S多場(chǎng)合。三、集成溫度傳感器第八十七頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五IC2VＴ1R1+EΔUbeR2IC1VＴ2ＶＴ1、ＶＴ2結(jié)構(gòu)和性能完全相同的晶體管。1、基本工作原理返回第八十八頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五由于兩管集電極面積相等，因此，集電極電流比應(yīng)等于集電極電流密度比，即：

只要保持兩管的集電極電流密度之比不變，R１上的電壓ΔUbe將正比于絕對(duì)溫度T。第八十九頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五

若兩管增益很高，則基極電流可以忽略不計(jì)，那么集電極電流等于發(fā)射極電流，則

即Ic2T因此R2上的電壓也正比于絕對(duì)溫度T。又因?yàn)镮c１/Ic2保持不變，則Ic１T，電路總電流I=（Ic１+Ic2）TIC2VＴ1R1+EΔUbeR2IC1VＴ2第九十頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五

集成溫度傳感器按輸出信號(hào)可分為電壓型和電流型兩種。

電壓型的溫度系數(shù)約為10mV/℃；電流型的溫度系數(shù)約為1μA/℃。這就很容易從它們輸出信號(hào)的大小換算成絕對(duì)溫度，而且其輸出電壓或電流與絕對(duì)溫度成線性關(guān)系。第九十一頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五（電流鏡PTAT核心電路）該電路是在差分對(duì)管電路的基礎(chǔ)上，用兩只PNP管分別與ＶT1和ＶT2串聯(lián)組成所謂的電流鏡，兩PNP管具有完全相同的結(jié)構(gòu)和性能，且發(fā)射極偏壓相同，故流過(guò)ＶT1和ＶT2的集電極電流在任何溫度下始終相等。2、電流型集成溫度傳感器VＴ4+-VＴ3R1I1I2VＴ1VＴ2返回第九十二頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五

ＶT1和ＶT2工作在不同的Jc下

兩管必須采用不同的發(fā)射極面積。設(shè)ＶT1和ＶT2發(fā)射極面積之比γ＝８，則兩管的電流密度比為其面積的反比。只要在電路的+、-兩端施加高于2Ube的電壓，R1上得到的電壓為：第九十三頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五故流過(guò)該電路的總電流為：

若電阻R1的溫度系數(shù)為零，則電路的總電流正比于絕對(duì)溫度。

電流輸出型溫度傳感器應(yīng)用：美國(guó)AD公司生產(chǎn)的AD590、我國(guó)產(chǎn)的SG590，它們的基本電路一樣，只是還增加了一些附加電路以提高其性能。VＴ4+-VＴ3R1I1I2VＴ1VＴ2第九十四頁(yè)，共一百一十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五

單片雙端集成溫度傳感器AD590

電流輸出型溫度傳感器能