傳感器第一章第1頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

定義：溫度傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變化的裝置。用于檢測(cè)溫度和熱量，也叫做熱電式傳感器。溫度是與生活、科研、生產(chǎn)密切相關(guān)的物理量。如冰箱、空調(diào)、實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)環(huán)境等…

是應(yīng)用最廣泛的一種傳感器。簡(jiǎn)介第一章溫度傳感器

第2頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月將溫度T變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的元件，主要有金屬熱電阻、半導(dǎo)體陶瓷熱敏電阻(NTC、PTC、CTR)、半導(dǎo)體熱電阻和高分子熱敏電阻；

將溫度變化-------電勢(shì)的傳感器，主要有熱電偶和PN結(jié)式傳感器；將溫度變化-------電流的傳感器，集成溫度傳感器。將熱輻射-------電學(xué)量的器件，有熱釋電探測(cè)器、紅外探測(cè)器；新型的有光纖溫度傳感器、液晶溫度傳感器、智能溫度傳感器等等簡(jiǎn)介分類classification

第3頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電阻型溫度傳感器1.2熱電偶(thermocouple)1.3半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器

(SemiconductorPNJunction)1.4其它溫度傳感器第一章溫度傳感器

第4頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1電阻型溫度傳感器

1.1.1熱電阻(ThermalResistance)

1.1.2熱敏電阻（highsensitiveT.R.）1.1.3半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器（SemiconductorT.R.）1.1.4電阻式溫度傳感器的應(yīng)用

（ApplicationoftheT.R.sensors）

第5頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月Rt表示任意絕對(duì)溫度時(shí)金屬的電阻值;R0表示基準(zhǔn)狀態(tài)t0時(shí)的電阻值;

a是熱電阻的溫度系數(shù)（1/℃）,在一定的溫度范圍內(nèi)，可近似地看成一個(gè)常數(shù)

用感溫材料把溫度轉(zhuǎn)化為電阻變化，主要有金屬熱電阻、半導(dǎo)體熱電阻和半導(dǎo)體陶瓷電阻，將變化小的稱熱電阻，將變化大的稱熱敏電阻。一、金屬熱電阻的特性characteristic

大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性,其方程:1.1.1熱電阻

第6頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月選作感溫電阻的材料的要求:

電阻溫度系數(shù)要高;highαR在測(cè)溫范圍內(nèi),化學(xué)、物理性能穩(wěn)定;

具有良好的輸出特性;

具有比較高的電阻率;higherρ具有良好的可加工性,且價(jià)格便宜。Easymachining,cheaper

第7頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月1.鉑熱電阻(platinumT.R.)

物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，是熱電阻最佳材料，鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系：在-190～0℃范圍內(nèi)為:

在0～630.755℃范圍內(nèi)為:Rt、R0分別是溫度為t℃和t0℃時(shí)的電阻值，A，B，C是常數(shù)。第8頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月鉑電阻重現(xiàn)性最好、穩(wěn)定性最好作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)用于高精度工業(yè)測(cè)量、溫度的基準(zhǔn)。一般測(cè)量精度較小時(shí)采用銅電阻。銅絲在-50～150℃內(nèi)性能很穩(wěn)定，且電阻與溫度的關(guān)系接近線性。表示為：但在-50～50℃內(nèi)為線性變化，可表示：2.銅熱電阻第9頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月3.其它熱電阻

鐵和鎳電阻α較鉑和銅高，ρ也較大，做成體積小、靈敏度高的電阻溫度計(jì)。

銦電阻適宜在-269～-258℃用，測(cè)量精度高，靈敏度很高，是鉑電阻的10倍，但重現(xiàn)性差；

錳電阻適宜在-271～-210℃用，靈敏度高，但脆性高，易損壞；

碳電阻適宜在-273～-268.5℃內(nèi)使用，熱容量小，靈敏度高，價(jià)格低廉，操作簡(jiǎn)便，但熱穩(wěn)定性較差。第10頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月1、結(jié)構(gòu)：將電阻絲雙線繞在云母、石英、陶瓷、塑料等絕緣架上，固定后外面再加上保護(hù)套管。

2、測(cè)量電路：用精度較高的電橋電路。為消除連接導(dǎo)線電阻隨環(huán)境溫度變化

而造成的測(cè)量誤差，常采用三線和四線連接法。二、熱電阻的結(jié)構(gòu)及測(cè)量電路

第11頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月三線連接法

三線和四線式接法中要求：連接相鄰橋臂的r1和r2長(zhǎng)度和溫度系數(shù)相等；三線中Ra的觸點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致電橋零點(diǎn)的不穩(wěn)定四線中觸點(diǎn)的不穩(wěn)定不會(huì)破壞電橋的平衡。第12頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月R1、R2、R3固定電阻，Ra調(diào)零電阻，r1、r2、r3、r4為導(dǎo)線補(bǔ)償電阻。

熱電阻式溫度計(jì):

優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定，測(cè)量范圍寬、精度高。缺點(diǎn)：需輔助電源，熱容量大，限制用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。措施：為避免電阻流過電流的加熱，盡量使流過熱電阻的電流降低，不影響測(cè)量精度，一般應(yīng)小于10mA。第13頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月正溫度系數(shù)熱敏電阻PTCPositiveTemperatureCoefficient

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC臨界溫度系數(shù)熱敏電阻CTR1.1.2熱敏電阻

材料：某金屬氧化物為基體、一些添加劑。用陶瓷工藝制成，稱半導(dǎo)體陶瓷其電阻對(duì)溫度變化明顯，溫度系數(shù)比金屬的大很多。

熱敏電阻NegativeTemperatureCoefficient

CriticalTemperatureResistor

第14頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月一、熱敏電阻特性參數(shù)

1.標(biāo)稱電阻值（R25）：環(huán)境溫度25℃時(shí)的零功率狀態(tài)的阻值。其大小取決于電阻的材料和幾何尺寸。若在25℃～27℃則：

2.電阻溫度系數(shù)(αT)

：指在規(guī)定的溫度下單位溫度變化使阻值變化的相對(duì)值。

αT決定了熱敏電阻全部工作范圍內(nèi)對(duì)溫度的靈敏度，%/℃。

第15頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻型溫度傳感器3.時(shí)間常數(shù)(τ)：τ表征電阻的熱慣性，其值等于在零功率測(cè)量狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時(shí)阻值從起始值變化到最終變化量的63%時(shí)所需的時(shí)間額定功率（PE）：在標(biāo)準(zhǔn)壓力750mmHg和規(guī)定的最高溫度下，電阻長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許的最大耗散功率。實(shí)際中所消耗的功率不得超過PE

第16頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二、PTC熱敏電阻

--正溫度系數(shù)熱敏電阻，阻值隨溫度的升高而增大?；w材料是BaTiO3，輔以稀土元素為添加劑，經(jīng)陶瓷工藝燒結(jié)制成。

1.電阻溫度特性曲線Ⅰ中阻值隨溫度變化很陡，稱為突變型（開關(guān)型）

Ⅱ阻值隨溫度變化緩慢，稱為緩變PTC熱敏電阻。第17頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2.突變型PTC的R與T關(guān)系：R0

為標(biāo)稱溫度下的阻值，A為材料常數(shù)。3、緩變型PTC熱敏電阻RT與溫度的關(guān)系近似為線性，即：緩變型PTC的αT隨溫度而變化，適于溫度補(bǔ)償。第18頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月4、PTC的靜態(tài)伏安特性曲線電流I(A)電壓U(V)

靜態(tài)伏安特性是指在一定溫度下，于靜止的空氣中PTC兩端的電壓降與電阻穩(wěn)態(tài)電流之間的關(guān)系，曲線可分為AB、BC、CD三段。

第19頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月三、NTC熱敏電阻1.NTC電阻的溫度特性由圖知：阻值近似為：

B為材料常數(shù),R0為T→∞時(shí)的阻值兩邊取對(duì)數(shù)有：為直線，且B為直線的斜率：

第20頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻溫度系數(shù)為：

并非常數(shù)，隨T升高而迅速減小2.NTC靜態(tài)伏安特性曲線T0時(shí)給NTC上通電流I，則電阻兩端的電壓UT為：oa段電壓隨電流而線性增大ab段,電壓偏離線性但還隨增加;bd段,電壓越過b點(diǎn)很快下降de段,電阻下降緩慢，電壓也下降變可用于溫度檢測(cè)、溫度補(bǔ)償、控溫等各種電路第21頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

負(fù)溫臨界熱敏電阻是指在某一溫度附近阻值發(fā)生突變，幾度的狹小溫區(qū)內(nèi)T增加降低3～4個(gè)數(shù)量級(jí)的元件。阻值的突變點(diǎn)為臨界溫度點(diǎn)。四、CTR熱敏電阻對(duì)應(yīng)的宏觀開關(guān)溫度（Tc）定義為：電阻值下降到某一規(guī)定值（標(biāo)稱電阻的80％）時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。

該規(guī)定值稱開關(guān)電阻（Rc），可按曲線求出切線在高阻端的交點(diǎn)Rh和切線在低阻端的交點(diǎn)Rl，算出Rc為：第22頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

第23頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

降值比ψ描述下降的快慢，即標(biāo)稱電阻R25與最小電阻比值Rmin的對(duì)數(shù)，即

降值比越大，開關(guān)特性越好。

由于CTR電阻具有很大的負(fù)溫度系數(shù)，可用作控溫、報(bào)警、無觸點(diǎn)開關(guān)等場(chǎng)合。第24頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月五、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)珠狀

熱敏電阻圓片型

方片型

棒狀

厚薄膜型它們各自適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。第25頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.3半導(dǎo)體熱電阻溫度傳感器

SemiconductorT.R.利用電阻率隨溫度變化的特性制成溫度傳感器。一、工作原理對(duì)于P型半導(dǎo)體材料：

對(duì)于N型半導(dǎo)體材料：

其ρ主要決定于載流子(電子或空穴)濃度和遷移率。二者都與溫度密切相關(guān),分別分析：半導(dǎo)體材料的電阻率：第26頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月1.遷移率與溫度的關(guān)系

載流子遷移率與載流子在電場(chǎng)作用下的散射機(jī)理有關(guān)。聲學(xué)波散射遷移率μs和電離雜質(zhì)散射遷移率μi與溫度的關(guān)系表示為：兩種散射的關(guān)系：說明了遷移率隨溫度的變化與摻雜濃度Ni有關(guān)。第27頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電阻率與溫度的關(guān)系

本征半導(dǎo)體的ρ主要由本征載流子濃度ni

決定。

ni隨溫度上升而急劇增加。ρ隨溫度增加而單調(diào)地下降，區(qū)別于金屬的一個(gè)重要特征。雜質(zhì)半導(dǎo)體，n、p受雜質(zhì)電離Ni和本征激發(fā)影響，有電離雜質(zhì)散射和晶格散射兩種散射機(jī)構(gòu)，因而ρ隨溫度的變化關(guān)系更復(fù)雜。第28頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二、硅熱電阻的結(jié)構(gòu)和工藝有兩種結(jié)構(gòu)形式一是棒狀

R（圖a、b），二是擴(kuò)散電阻型

R（圖c）。結(jié)構(gòu):第29頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月工藝流程:電阻型溫度傳感器第30頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月1.

電阻一溫度特性

當(dāng)硅電阻溫度傳感器處于正向偏置時(shí)，在55～175℃內(nèi)，電阻值隨溫度的升高而增大，具有較好的線性度。如果硅熱電阻處于反向偏置，當(dāng)溫度上升到120℃以上時(shí)，開始本征激發(fā)，產(chǎn)生大量的電子---空穴對(duì)，使電阻值突然下降。三、硅熱電阻的特性第31頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻型溫度傳感器2.

電阻溫度系數(shù)硅電阻溫度系數(shù)αT：第32頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月3、硅電阻與電流的關(guān)系

不同的溫度下，當(dāng)電流超過1mA時(shí)，電阻就會(huì)增大，是因電流的自身熱效應(yīng)使電阻增大。因此，工作電流應(yīng)小于1mA為宜。第33頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月一、溫度檢測(cè)及指示

1、簡(jiǎn)單的測(cè)量溫度原理圖具體測(cè)量時(shí)，給電路加上調(diào)零電阻,用四線接法將Rt拉到被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。第34頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2、流量測(cè)量的原理圖

當(dāng)流速Vl=0時(shí)，用Ra調(diào)零，使檢流計(jì)為0。當(dāng)Vl>0時(shí)，NTC電阻Rt1與Rt2的阻值變化不同，使流過電流表的電流發(fā)生變化。第35頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二、溫度補(bǔ)償電路

1.熱敏電阻NTC對(duì)晶體管Vbe的補(bǔ)償電路圖

溫度升高時(shí),晶體管的Vbe下降，而NTC的Rt下降，即Rt//Rb′減小，使Ra’上壓降下降，補(bǔ)償了Vbe的下降。第36頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2.PTC對(duì)晶體管Ie的補(bǔ)償電路圖

溫度補(bǔ)償元件為緩變型PTC電阻，T升高Rt增大，補(bǔ)償了因Vbe下降而使Ie的增加。第37頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月三、過熱保護(hù)

1.PTC電阻對(duì)馬達(dá)保護(hù)電路圖按下K時(shí)PTC

RT較小，其上電流大，Ｊ吸合，M轉(zhuǎn)動(dòng)，Ｋ又自動(dòng)打開，電源通過Ｊ給M、RT供電,M轉(zhuǎn)動(dòng)溫度升高,RT值增大使其上分流下降,當(dāng)M溫度過高TRT時(shí),Ｊ斷開,保護(hù)了M過熱狀態(tài)。第38頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2.變壓器保護(hù)電路圖接上電源,起始RT較小,TR上電流大,功耗也大,T上升；RT隨之增加,電流又減小,TR功耗減小,自動(dòng)防止了TR過熱。第39頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月四、延時(shí)給PTC加電壓，功耗使阻值增加需時(shí)間，可用作延遲。1.自動(dòng)延時(shí)電路原理圖接電時(shí)RT較小分流大，J因電流小不動(dòng)，燈沒亮；一定時(shí)間后RT因功耗而增大分流減小，J上電流增大到可動(dòng)值動(dòng)。即J動(dòng)作延遲，燈延遲開，延遲時(shí)間可由R0調(diào)節(jié)。第40頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2.馬達(dá)啟動(dòng)原理圖

M啟動(dòng)需較大啟動(dòng)功率，正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需功率大大減小。常給單相電機(jī)裝上附加啟動(dòng)繞組L2，L2只在啟動(dòng)時(shí)工作，而當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后自動(dòng)斷開。

PTC充當(dāng)自動(dòng)通斷的無觸點(diǎn)開關(guān)。原理是把PTC與L2串聯(lián)，RT冷態(tài)電阻遠(yuǎn)小于L2阻抗RL2，對(duì)啟動(dòng)電流沒影響。隨著RT被加熱電阻值升高，當(dāng)電阻值升高到遠(yuǎn)大于RL2時(shí)，啟動(dòng)繞組視同切斷。第41頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月五、控溫電路

1.NTC的控溫電路原理圖

當(dāng)T降到<

T0時(shí)，電橋輸出電流不能維持J動(dòng)作時(shí)觸點(diǎn)閉合，又開始加熱。這樣將T控制在T0附近。起初T較低，RT較大，調(diào)電橋平衡，加熱器加熱.當(dāng)T升高，J上開始有電流，當(dāng)T>T0時(shí)，電橋輸出使線圈電流大到足以使J動(dòng)作時(shí)J觸點(diǎn)斷開，停止加熱。第42頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2.恒溫箱溫度控制原理圖W723單片集成穩(wěn)壓器：VZ和V-給測(cè)溫電橋供電，V+和V-給J供電。當(dāng)T<T0時(shí)，加熱，RT增加，AB電位差變化通過In經(jīng)W723穩(wěn)壓放大由Vo輸出，經(jīng)R4和D1為T提供偏壓，但T止，J停止動(dòng)作，加熱T>T0⊿T后VO使得T導(dǎo)通，J動(dòng)作停止加熱；自然降溫;T<T0時(shí)，VO降低使T止，加熱。如此反復(fù)，保持溫度恒定。第43頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月六、降溫報(bào)警器

使用前調(diào)R3使T1、T2基極電位相等，T3止，電橋無輸出。當(dāng)T高，R4減，R1電位升高，IB1增，IE1增，則VC1升，T3通，A點(diǎn)、T4基極電位升，電壓隨T升高到T4導(dǎo)通時(shí)，T5止，即不報(bào)警；當(dāng)T降低時(shí)，VBE1下降使VC1下降，T3止，VA低，T4止，T5通，音頻振蕩器振蕩使喇叭發(fā)聲報(bào)警。其中R1和R3的阻值可根據(jù)溫度適當(dāng)選擇。三部分：T1、T2、T3及電阻R1、R2、R3、R5、R6、R10和NTCR4組成測(cè)溫電橋，T4為放大管。T5與TR、電容組成音頻振蕩器。第44頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章溫度傳感器

1.1電阻型溫度傳感器1.2熱電偶(thermocouple)1.3半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器

(SemiconductorPNJunction)1.4其它溫度傳感器第45頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.2熱電偶thermocouple1.2.1熱電偶的基本原理

1.2.2熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)

1.2.3熱電偶的實(shí)用測(cè)量電路

第46頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.1熱電偶的基本原理一、熱電效應(yīng):用兩種不同的金屬組成閉合回路，且使其兩接觸點(diǎn)處溫度不同，回路中就會(huì)產(chǎn)生電流，把這個(gè)物理現(xiàn)象亦稱為塞貝克效應(yīng)。原理圖:將導(dǎo)體A和B兩端連接在一起組成回路，一端為T0，一端為T（若T>T0），則微安表上會(huì)有一定讀數(shù)。

若將T0觸點(diǎn)分開，則端口產(chǎn)生與T、T0及導(dǎo)體材料A、B有關(guān)的電勢(shì)EAB(T,T0)，即塞貝克電勢(shì)。第47頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶回路的總電勢(shì)為:

式中αTAB為熱電勢(shì)率或塞貝克系數(shù)，其值與感熱材料和兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。熱電效應(yīng)帕爾貼效應(yīng)湯姆遜效應(yīng)Thermalelectriceffect第48頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月式中k0為波爾茲曼常數(shù)；q為電子電量；nA、nB分別為A和B的T時(shí)自由電子密度。1.珀?duì)柼妱?shì)將兩種金屬在同溫度接觸，設(shè)A中自由電子的密度比B的大，在界面處自由電子將從A擴(kuò)散到B，則A失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電，在接觸處形成自建電場(chǎng)，使電子由B向A漂移，當(dāng)擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡時(shí)，在接觸面附近產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電動(dòng)勢(shì)稱為珀?duì)柼妱?shì)，又稱接觸電勢(shì)，其大小可表示為：第49頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月式中бA稱為湯姆遜系數(shù)，它表示溫差1℃時(shí)所產(chǎn)生的電勢(shì)差。2.湯姆遜電勢(shì)一熱電效應(yīng)

設(shè)一均質(zhì)導(dǎo)體棒兩端的溫度不同，則高、低溫端有溫度梯度，高溫端（T）的自由電子具有較高的動(dòng)能而向低溫端（T0）擴(kuò)散快，T端失去電子帶正電，T0端得到電子帶負(fù)電，形成內(nèi)建電場(chǎng)，電場(chǎng)使電子由低溫端向高溫端漂移，當(dāng)擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡時(shí)，T與T0端產(chǎn)生一穩(wěn)定的電勢(shì)差稱為湯姆遜電勢(shì)或溫差電勢(shì)。此溫差電勢(shì)表示為：第50頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電極A、B組成的熱電偶回路，當(dāng)溫度T>T0時(shí)，式中EAB(T)為熱端的熱電勢(shì),EAB(T0)為冷端的熱電勢(shì)。3、回路的總熱電勢(shì)EAB討論：①兩點(diǎn)溫度相同時(shí)珀?duì)柼妱?shì)大小相等方向相反，湯姆遜電勢(shì)為零，EAB(T0,T0)=0；②當(dāng)兩相同金屬組成熱電偶時(shí)，接點(diǎn)溫度不同，但接點(diǎn)處珀?duì)柼妱?shì)皆為零，兩個(gè)湯姆遜電勢(shì)大小相等方向相反，故回路總電勢(shì)仍為零；③只有兩不同材料組成熱電偶、且T,T0不同，才有熱電勢(shì)EAB(T,T0)=E(T)-E(T0)；當(dāng)T0保持不變E(T0)為常數(shù)，EAB(T,T0)僅為熱端溫度T的函數(shù)，即EAB(T,T0)=E(T)-C；兩端點(diǎn)的溫差越大，回路的總電勢(shì)也越大，且EAB(T,T0)與T有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，這就是熱電偶的測(cè)溫公式。

第51頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二、熱電偶的基本定律

1.均質(zhì)導(dǎo)體定律：兩均質(zhì)金屬（ρ均勻）組成熱電偶的電勢(shì)大小與熱電極的直徑、長(zhǎng)度及沿電極長(zhǎng)度方向上的溫度分布無關(guān)，只與熱電極材料和溫度有關(guān)。2.標(biāo)準(zhǔn)電極定律：若三個(gè)熱電偶工作端溫度都為T，參考端溫度都為T0，兩種金屬組成熱電偶的熱電勢(shì)可用它們分別與第三種金屬組成熱電偶的熱電勢(shì)之差來表示。

第52頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月3.中間導(dǎo)體定律

4.中間溫度定律

若在熱電偶的參考端接入第三種均質(zhì)金屬,被插入金屬兩端溫度相同（T0），則回路總熱電勢(shì)為三個(gè)接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)的代數(shù)和，為：可見，只要所插入的導(dǎo)體兩端溫度與參考點(diǎn)相同，不會(huì)影響原來熱電勢(shì)的大小,即中間導(dǎo)體定律。熱電偶的接點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)，其熱電勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為T、Tn和Tn、T0時(shí)相應(yīng)的熱電勢(shì)的代數(shù)和,即：第53頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.2熱電偶

1.2.1

熱電偶的基本原理

1.2.2熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)

1.2.3熱電偶的實(shí)用測(cè)量電路

第54頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶一、熱電極材料

一般的熱電極材料必須具有以下特性：1.在測(cè)量范圍內(nèi)，熱電勢(shì)與T的對(duì)應(yīng)關(guān)系不隨時(shí)間而變化，且有足夠的物理、化學(xué)穩(wěn)定性。2.熱電勢(shì)要足夠大，易于測(cè)量、誤差小，且熱電勢(shì)與T為單值關(guān)系，線性關(guān)系或簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系。3.電阻溫度系數(shù)小，電導(dǎo)率高，否則其電阻將隨T而有較大變化，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。4.材料的機(jī)械強(qiáng)度高，易制成標(biāo)準(zhǔn)分度，工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。第55頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶二、熱電偶的種類

按標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化簡(jiǎn)單介紹幾種常用熱電偶：鉑銠－鉑熱電偶（WRLB）鉑銠－鉑銠熱電偶（WRLL）鎳鉻－鎳硅鎳鉻－鎳鋁（WREU）鎳鉻－考銅（WREA）標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶鐵－康銅熱電偶鎢－鉬熱電偶鎢－錸系熱電偶熱解石墨熱電偶第56頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月三、熱電偶的結(jié)構(gòu)

珠形絕緣子熱電偶雙孔絕緣熱電偶石棉絕緣管熱電偶兩個(gè)熱電極，且一個(gè)端點(diǎn)緊密焊接在一起。熱電極間通常用耐高溫絕緣材料絕緣，不同測(cè)溫范圍，可選不同的絕緣材料。第57頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月四、熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償

1.恒溫法將熱電偶的冷端置于恒溫器中，若恒溫器溫度調(diào)到0℃，電壓表讀數(shù)對(duì)應(yīng)的溫度為實(shí)際溫度，即冷端溫度誤差得到解決。若恒溫器溫度為T0℃，則冷端誤差為：冷端恒溫示意圖

可見，T0恒定時(shí)，冷端誤差為常數(shù)，只要在回路中加入相應(yīng)的修正電壓，或調(diào)整指示裝置的起始值就能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。第58頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2.冷端自動(dòng)補(bǔ)償法原理圖是在熱電偶和測(cè)量?jī)x表間接一個(gè)電橋補(bǔ)償器，其中R1,R2,R3固定，RT隨T變化。當(dāng)熱電偶冷端T升高時(shí)，回路中總電勢(shì)降低，同時(shí)補(bǔ)償器中RT變化使ab間產(chǎn)生一個(gè)電位差，設(shè)計(jì)時(shí)讓其值正好補(bǔ)償熱電偶降低的量，達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償?shù)?9頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.2熱電偶

1.2.1

熱電偶的基本原理

1.2.2熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)

1.2.3熱電偶的實(shí)用測(cè)量電路

第60頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.3熱電偶的實(shí)用測(cè)量電路一、單點(diǎn)溫度測(cè)量電路二、兩點(diǎn)間溫差的測(cè)量電路兩同型號(hào)熱電偶，且補(bǔ)償導(dǎo)線相同，使各自產(chǎn)生的熱電勢(shì)相互抵消，儀表讀數(shù)即為T1和T2的溫度差?？傠妱?shì)為EAB(T,T0)，流過測(cè)溫毫伏計(jì)的電流與T一一對(duì)應(yīng)，即在表上可標(biāo)出T的刻度。第61頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月三、平均溫度測(cè)量電路將同型號(hào)的熱電偶并聯(lián)。R1,R2,R3阻值很大，以免T1,T2,T3不等時(shí)每個(gè)熱電偶上的電流會(huì)因其熱電偶電阻變化而變化。缺點(diǎn)：若一個(gè)熱電偶被燒斷，儀表反映不出回路中總的熱電勢(shì)為：四、若干點(diǎn)溫度之和的測(cè)量電路第62頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.3半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器

1.3.1PN結(jié)型溫度傳感器

1.3.2集成溫度傳感器1.3.3溫敏閘流晶體管1.3.4半導(dǎo)體結(jié)型溫度傳感器的應(yīng)用第63頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月一、二極管溫度傳感器

由PN結(jié)理論可知，其正向電流If與Vf的關(guān)系：I0為反向…，B、η與材料和工藝有關(guān)常數(shù)，qVg0為禁帶寬度耗盡區(qū)復(fù)合電流和表面復(fù)合電流使偏離線性當(dāng)If不變時(shí)，PN結(jié)Vf隨T的上升而下降，近似線性關(guān)系。對(duì)于硅Vf=0.65V,T=300K,η=3.5時(shí)，計(jì)算知，αT為-2mV/K。說明每升高1℃，Vf就下降約2mV。

第64頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二、晶體管溫度傳感器

1.基本原理式中Vg0=Eg0/q，A為發(fā)射結(jié)面積、n與材料和工藝有關(guān)的常數(shù)

當(dāng)Ic一定且T不太高時(shí)，Vbe基本與T線性關(guān)系；當(dāng)溫度較高時(shí)，產(chǎn)生一定的非線性偏移。2.晶體管溫度傳感器的結(jié)構(gòu)由晶體管原理知，NPN的Vbe與T的關(guān)系為:檢測(cè)溫度時(shí)除溫敏三極管外附加外圍電路實(shí)現(xiàn)Ic恒定。通常外圍電路包括參考電壓源﹑運(yùn)放﹑線性電路等部分。第65頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月3、晶體管溫度傳感器基本電路由運(yùn)放和溫敏三極管組成,C防止寄生振蕩。T為反饋元件跨接在運(yùn)放的反相輸入端和輸出端，基極接地。T的集電極Ic僅取決于Rc和電壓E,Ic=E/Rc，與溫度無關(guān)，保證了恒流源工作條件。電壓Vbe隨T近似線性下降。第66頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2集成溫度傳感器

電阻R1的壓降⊿Vbe為：

BG1和BG2晶體管的雜質(zhì)分布種類完全相同，且都處于正向工作狀態(tài)，J0相同。一、基本原理Ies為發(fā)射結(jié)反向飽和電流，若Aes為發(fā)射結(jié)面積，且Ae2/Ae1=γ與溫度無關(guān)的常數(shù)，保證I1/I2常數(shù)，⊿Vbe是T的理想的線性函數(shù)。（ProportionalToAbsoluteTemperature）第67頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二、電壓型集成溫度傳感器

1.基本原理故則電路的溫度系數(shù)為:R1上⊿Vbe為：---指輸出電壓與T成正比的溫度傳感器只要電阻比為常數(shù),正比于T。而輸出電壓的溫度靈敏度即αT可由R2/R1和BG1,BG2射極面積比來調(diào)整。BG3、BG4、BG5PNP的結(jié)構(gòu)和性能完全相同，BG3與BG4組成恒流源，且兩者射極電流相同(稱為電流鏡)第68頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2．電路結(jié)構(gòu)及應(yīng)用由基準(zhǔn)電壓、溫度傳感器和運(yùn)放三部分組成。PTAT是核心電路，原理是輸出電壓與T成正比，常用結(jié)構(gòu)為四端電壓輸出外形結(jié)構(gòu)，如圖若輸入與輸出短接，運(yùn)放起緩沖作用，輸出為10mV/K·T

若給輸入端加上偏置，傳感器的零輸出由0K移到偏置電壓對(duì)應(yīng)的溫度T0

第69頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月第70頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月三、電流型集成溫度傳感器AD590

1.AD590的基本原理T3和T4為電流鏡型恒流源，使T1、T2的電流相等。則電路總電流IT為：欲使IT隨T線性變化，R須用具有零溫度系數(shù)的薄膜電阻。則電流溫度系數(shù)為：若γ取8,R為358Ω，則CT可調(diào)整為1μA/K。第71頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2、AD590實(shí)際電路

T1、T2、T3、T4恒流負(fù)載，為T9、T11提供相等恒定電流，T9和T11發(fā)射結(jié)面積比為γ。T7、T8差分對(duì)管的負(fù)反饋?zhàn)饔檬筎9和T11的VC相等，T10為T7和T8恒流負(fù)載,I10=I11,

R5的電流為R6的2倍，則有：第72頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月AD590等效于一個(gè)高阻抗的恒流源。在工作電壓為+4～+30V、-55～+150℃，I（μA）與T（K）嚴(yán)格成正比。T每變化1K，輸出增加1μA。在298.2K時(shí)輸出電流298.2μA。微安數(shù)表標(biāo)出溫度。封裝形式

T0-52封裝

陶瓷封裝

T0-92封裝

2．AD590的結(jié)構(gòu)及性能AD590的外形及符號(hào)：用于不同溫度范圍第73頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.3半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器

1.3.1PN結(jié)型溫度傳感器

1.3.2集成溫度傳感器1.3.3溫敏閘流晶體管1.3.4半導(dǎo)體結(jié)型溫度傳感器的應(yīng)用

第74頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3溫敏閘流晶體管

常簡(jiǎn)稱為閘流管或晶閘管thyristor，是一個(gè)四層pnpn結(jié)構(gòu)的三端半導(dǎo)體器件。包括三個(gè)pn結(jié)J1、J2、J3，陽極A和陰極K，作柵極G1和G2。結(jié)構(gòu)可看成由一個(gè)pnp和npn組合。pnp的集電極總是和npn的基區(qū)連接在一起。結(jié)構(gòu)圖第75頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月一、工作原理operationprinciple

正向工作時(shí)，A和K間加正向電壓，J1和J3均為正偏，J2處于反偏，它流過很小的電流IA，晶閘管處于高阻態(tài)，稱為正向阻斷狀態(tài)——斷態(tài)?？梢?，在正偏下，通過控制柵極電流，可由斷態(tài)變?yōu)橥☉B(tài)?？勺鳛橐环N理想的開關(guān)器件。反向工作時(shí)，J1和J3處于反偏。因J3兩側(cè)是重?fù)诫s區(qū)，則J1幾乎承受所有的反向電壓，流過很小的反向電流，此時(shí)稱為反向阻斷狀態(tài)。第76頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月等效結(jié)構(gòu)等效電路第77頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月基本電流-電壓特性正偏條件下（0）～（1）是正向阻斷區(qū)，即關(guān)態(tài)；（1）～（3）為通態(tài)，處于通態(tài)的晶閘管即使去掉柵極偏置，只要電流電壓大于保持點(diǎn)（2）的保持電流Ih

和Vh，仍保持導(dǎo)通狀態(tài)。只有電流低于Ih時(shí)，才會(huì)由通態(tài)轉(zhuǎn)換為斷態(tài)。第78頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二、晶閘管的溫度特性

電流-電壓特性隨溫度的變化而改變。當(dāng)溫度升高時(shí)正向翻轉(zhuǎn)電壓下降，而反向電壓則提高。當(dāng)晶閘管處于正偏且無柵電流時(shí)，其陽極電流為：

T升高時(shí),J2結(jié)反向漏電流指數(shù)增加,相當(dāng)于在柵極注入電流，因pnp管和npn管的正反饋過程,便得到放大的陽極電流。T越高，反向漏電流越大，陽極電流越大，電流增益α隨T升高而增加，當(dāng)T升高到使（α1+α2≈1）時(shí)，溫度的微小變化可引起IA的巨大變化，即由斷態(tài)進(jìn)入通態(tài)。此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度稱為開關(guān)溫度，或稱導(dǎo)通溫度?？梢娫瓉硖幱谡蜃钄鄥^(qū)的晶閘管可在溫度觸發(fā)下實(shí)現(xiàn)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)溫度開關(guān)作用。第79頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月三、溫敏晶閘管的開關(guān)溫度控制

一般晶閘管的開關(guān)溫度on-off都很高，以提高其熱穩(wěn)定性。溫敏晶閘管的開關(guān)溫度能在一個(gè)寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通常從兩方面降低開關(guān)溫度。1．增大反向漏電流和直流增益反向漏電流由空間電荷區(qū)產(chǎn)生，設(shè)法增加J2結(jié)區(qū)的有效的產(chǎn)生-復(fù)合中心密度以降低載流子的壽命，增加J2區(qū)的載流子產(chǎn)生過程。其方法采用氬離子注入技術(shù)，在J2結(jié)區(qū)引入晶格缺陷，形成有效的產(chǎn)生-復(fù)合中心。根據(jù)晶體管原理，要增大直流增益，就要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上減小p型和n型基區(qū)的寬度。第80頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2．利用柵極分路電阻（a）分路電阻的接法（一）（b）圖（a）的等效電路（c）分路電阻的接法（二）由于柵極分路電阻并聯(lián)在發(fā)射結(jié)上，RGA電阻的分流作用減小了發(fā)射極注入效率，減小了晶體管的電流增益a1,RGK的分流作用減小了a2，導(dǎo)致開關(guān)溫度的升高,且電阻越小分流作用越強(qiáng)，開關(guān)溫度將越高。圖（c）接法接入分路電阻，則可以增加a1+a2,降低開關(guān)溫度。第81頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.3半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器

1.3.1PN結(jié)型溫度傳感器

1.3.2集成溫度傳感器1.3.3溫敏閘流晶體管1.3.4半導(dǎo)體結(jié)型溫度傳感器的應(yīng)用

第82頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.4結(jié)型溫度傳感器的應(yīng)用一、晶體管溫度控制器初始溫度較低，Vbe較高，V＋＞V-，VO為VOH,J吸合加熱。溫度升高，Vbe下降V＋下降，升高到THL后V＋＜V－，運(yùn)放輸出低電平，J停止加熱。恒溫器散熱溫度下降，Vbe上升V＋升高，T降到TLH時(shí)，V＋又＞V－，VO又為VOH，J再次吸合加熱。周而復(fù)始，具有滯回特性，溫度控制在T0

處（THL-TLH）內(nèi)。調(diào)節(jié)RW，改變了設(shè)定溫度。感溫元件用NPN的be結(jié)。運(yùn)放接成滯回電壓比較器。R1、R2和RW上、晶體管、R4和RW下組成測(cè)溫電橋。第83頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月二、AD590溫度控制器調(diào)節(jié)R2設(shè)定T0參考電壓。當(dāng)T比T0低時(shí)，AD590上流過的電流小，V-較小，比較器輸出V0為高，T1、T2導(dǎo)通，加熱器加熱。當(dāng)T比T0高時(shí)，V-大于V+

，則V0變?yōu)榈碗娖?，使T1、T2截止，停止加熱。如此反復(fù)就實(shí)現(xiàn)了溫度控制。由AD590、RD、R+R1+R2上和R3+R2下組成測(cè)溫電橋，工作原理第84頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月三、攝氏溫度計(jì)當(dāng)t為0℃，V+與地間電位為2.73V，調(diào)節(jié)39k和5K電位器使V0為0V，即2.7K電阻上壓降為2.73V，當(dāng)溫度為t℃時(shí)，VO為：VO=V+-2.73V=10mV/℃·t(℃)其工作溫度范圍為-55～+150℃，靈敏度為10mV/k。原理第85頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月四、測(cè)量溫差的方法

將AD590I、Ⅱ置于兩個(gè)不同溫度環(huán)境中。設(shè)測(cè)試電流分別為I1、I2，則溫差電流⊿I＝(I2—I1)與(T2—T1)成正比。⊿I加至運(yùn)放μA741(國(guó)F007)的反相輸入端，輸出電壓U0為：

(1-3-17)

即可讀出0～100℃的溫差。電源電壓選8V以上時(shí)，運(yùn)放才能正常工作。

若對(duì)準(zhǔn)確度要求不高，亦可采用右圖電路。微安表反映兩點(diǎn)的溫差值。

第86頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月作業(yè)：1、2、3、4、6、第87頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

A和K間接交流電。當(dāng)T超過設(shè)定時(shí)溫控管導(dǎo)通，被整流的半波電流流過負(fù)載。當(dāng)T繼續(xù)上升溫控管導(dǎo)通態(tài)不變。T下降到比開關(guān)溫度T0低時(shí)，在電源電壓周期內(nèi)，當(dāng)電壓到達(dá)零交叉點(diǎn)時(shí)就斷開。五、溫度開關(guān)

(1-3-17)

六、火災(zāi)報(bào)警電路當(dāng)某一路中的環(huán)境火災(zāi)時(shí)T升高達(dá)到開啟T0時(shí)，這路晶閘管導(dǎo)通，發(fā)光二極管發(fā)光，蜂鳴器也鳴起到溫度報(bào)警作用。第88頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月一、熱輻射溫度傳感器理論上絕對(duì)黑體接收被測(cè)對(duì)象發(fā)出的所有波長(zhǎng)的全部輻射能量Eb。

Eb=σ0T4絕對(duì)黑體：一定面積、表面粗糙并涂黑的鉑片。鉑片接收熱量T升高鉑片是全部輻射能-熱量-溫度的轉(zhuǎn)換器測(cè)出鉑片T就可測(cè)出對(duì)象T’。鉑片T也可用熱電偶堆感受電位差計(jì)讀出。中央接合處是熱接點(diǎn)，外圍部分的接點(diǎn)為冷接點(diǎn)。4紅外線吸收體熱電偶Si3N4SiO2Si3NSi輻射溫度