*1§4-5熱電式傳感器*2上次課內容回憶磁電式傳感器的工作原理：法拉第電磁感應定律結構類型：根本特性：磁電式傳感器機械能電量*3布莫讓星云恒星中心*4熱電式傳感器一熱電偶傳感器(重點〕二PN結溫度傳感器三熱釋電傳感器四熱敏電阻傳感器溫度變化→電量變化*5熱電極A自由（參考端、冷端）

測量（工作端、熱端）

熱電勢AB熱電極B一、熱電偶傳感器

1.熱電效應〔溫差電現(xiàn)象或塞貝克效應〕*62、熱電偶溫度測量原理回路中所產生的電動勢，叫熱電勢熱電勢由兩局部組成:接觸電勢溫差電勢*7由于不同金屬間的電子濃度不同,造成的電子擴散:從高濃度金屬向低濃度金屬擴散,直到兩者到達動態(tài)平衡為止.接觸電勢原理圖+ABTEAB(T)-EAB(T)——導體A、B結點在溫度T時形成的接觸電動勢；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；

k——波爾茲曼常數，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——導體A、B在溫度為T時的電子密度。1〕兩種導體的接觸電勢*8T端：T0

端：回路總接觸電動勢：接觸電動勢的大小與導體的材料、接點的溫度有關，而與導體的直徑、長度、幾何形狀等無關。*92)、溫差電動勢/湯姆遜效應A導體：B導體：回路總溫差電動勢：TT0+-均質導體兩端溫度不相等時，由于體內自由電子從高溫端向低溫端的擴散，在其兩端形成的電勢稱為溫差電勢或Thomson電勢，此現(xiàn)象稱為Thomson效應。σ——湯姆遜系數，表示導體兩端的溫度差為1℃時所產生的溫差電動勢*10AB3)、總熱電動勢*114)導體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關。如果使EAB(T0)=常數，那么回路熱電勢EAB(T，T0)就只與溫度T有關，而且是T的單值函數，這就是利用熱電偶測溫的原理。3)只有當熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導體材料不同時才能有熱電勢產生。1)熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關；與熱電偶的長度、粗細無關。2)只有用不同性質的導體(或半導體)才能組合成熱電偶；相同材料不會產生熱電勢。結論(4點)：*123熱電偶的根本定律1).均質導體定律由一種均質導體組成的閉合回路，不管其導體是否存在溫度梯度，回路中沒有電流(即不產生電動勢)；反之，如果有電流流動，此材料那么一定是非均質的，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。另外，要求每個熱電極材質均勻，克服因熱電極上各點溫度不同時造成附加誤差。

AA*132).中間導體定律熱偶回路斷開接入第三種導體C，假設C兩端溫度相同，那么回路熱電勢不變，這為熱電勢的測量〔接入測量儀表，第三導體〕奠定理論根底。同理,參加第四、第五種導體后,只要參加的導體兩端溫度相等,同樣不影響回路中的總熱電勢.*14AB3〕中間溫度定律如果不同的兩種導體材料組成熱電偶回路,其接點溫度分別為T1、T2時,那么其熱電勢為EAB(T1,T2)；當接點溫度為T2、T3時，其熱電勢為EAB(T2,T3)；當接點溫度為T1、T3時，其熱電勢為EAB(T1,T3)，那么*15中間溫度定律的應用

根據這個定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導體A′和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應用補償導線提供了理論依據。

該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據。在實際熱電偶測溫回路中,利用熱電偶這一性質,可對參考端溫度不為0℃的熱電勢進行修正。*164〕參考〔標準〕電極定律當結點溫度為T,T0時，用導體A，B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的代數和。T0T0ABBCCTTTT0A*17

參考電極的實用價值在于：可大大簡化熱電偶的選配工作。實際測溫中，只要獲得有關熱電極與參考電極配對時的熱電勢值，那么任何兩種熱電極配對時的熱電勢均可按公式而無需再逐個去測定。用作參考電極(標準電極)的材料，目前主要為純鉑絲，因為鉑的熔點高，易提純，且在高溫與常溫時的物理、化學性能都比較穩(wěn)定。*18測量系統(tǒng)方程：式中：α、β均為熱電偶常數 T為第一接觸點的被測溫度 T0為第二個接觸點的參考溫度〔通常為0oC〕常用的材料β較小，故在溫差不大的情況下，近似成線性關系。熱電偶原理圖TT0AB熱端冷端*19為了適應不同生產對象的測溫要求和條件，熱電偶的結構形式有：普通型熱電偶特殊熱電偶－鎧裝型熱電偶－薄膜熱電偶等。

4.熱電偶的結構與種類*20普通型熱電偶結構

*21*22

優(yōu)點：測溫端熱容量小，動態(tài)響應快；機械強度高，撓性好，可安裝在結構復雜的裝置上。鎧裝型熱電偶*23鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達上百米薄壁金屬保護套管〔鎧體〕BA絕緣材料*24薄膜熱電偶特點：熱接點可以做得很小〔μm〕，具有熱容量小、反響速度快〔μs〕等特點，適用于微小面積上的外表溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量。*25*265、熱電極材料的選取性能穩(wěn)定溫度測量范圍廣物理化學性能穩(wěn)定導電率要高，并且電阻溫度系數要小材料的機械強度要高，復制性好、復制工藝簡單，價格廉價*276、熱電偶測溫線路*28二、PN結型溫度傳感器二極管溫度傳感器*29PN結伏安特性：在高注入的條件下：式中，I—PN結正向電流；U—PN結正向壓降；I0—PN結飽和電流；q—電子電量〔1.61019C〕；T—絕對溫度；k—玻爾茲曼常數〔1.3810-23J/K〕。保持I恒定，那么U與T成線性關系，這就是PN結的測溫原理*30輸出特性呈線性，且測量精度高其靈敏度:IF為恒流源,一般10～100μA。調節(jié)R3和R2改變輸出靈敏度和零電位,以得到攝氏和華氏溫度顯示。二極管溫度傳感器原理圖*31*32三、熱釋電傳感器某些晶體〔例如硫酸三苷肽、鋯鈦酸鉛鑭、透明陶瓷和聚合物薄膜〕在溫度變化時，發(fā)生電極化。均勻加熱晶體的某些方向上會產生等量異號的電荷。冷卻晶體時，電荷變化與加熱時相反。這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應溫度變化，使晶體結構在某些方向上，正負電荷重心不重合，產生了自發(fā)極化，自發(fā)極化矢量的方向由負電重心指向正電重心?！鱌S=P△TP:熱釋電系數矢量*33熱釋電傳感器是一種熱輻射探測器，可用于非接觸式溫度測量。設溫度變化率為dT/dt,電極面積為A,束縛電荷面密度等于Ps，Ps對時間的化率為dPs/dt,那么輸出電流ΔI為:ΔI正比于溫度變化速率*34熱輻射探測器結構和等效電路如圖:輸入端是一個窗口，讓經調制的熱輻射進入產生電荷，經過一個場效應管收集電信號輸出，輸出端是場效應管的漏極D,源極S和公共地端E*35紅外熱成像圖

在生物醫(yī)學測量中應用范圍非常廣泛。例如醫(yī)用紅外熱像儀,它可用于人體多個部位(頭部、頸部、心血管、脊椎、四肢血管、乳腺、前列腺、胃腸道等)和多種疾病(疼痛,乳腺癌、肺肝癌、胰腺癌、血管瘤等腫瘤,燒傷、放射線灼傷等)的診斷。*36

幾乎所有物質的電阻率都隨其本身溫度變化而變化，這一物理現(xiàn)象稱為熱電阻效應利用熱電阻效應制成的溫度敏感元件稱為熱敏電阻四、熱電阻溫度傳感器*371、金屬熱電阻

溫度升高，金屬內部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內部的自由電子通過金屬導體時的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。

工作原理T0時的電阻T0時的電阻系數T0時的電阻系數T時的電阻*38材料要求：①材料的電阻溫度系數α大，且為常數；②材料的物理、化學性質穩(wěn)定；③電阻率較大，特性復現(xiàn)性好；*39鉑是一種貴金屬。它的特點是精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠，尤其是耐氧化性能很強。鉑在很寬的溫度范圍內約1200C以下都能保證上述特性。鉑很容易提純，復現(xiàn)性好，有良好的工藝性，可制成很細的鉑絲(0.02mm或更細)或極薄的鉑箔。與其它材料相比，鉑有較高的電阻率，因此普遍認為是一種較好的熱電阻材料。缺點：鉑電阻的電阻溫度系數比較小；價格貴1〕鉑熱電阻*40*41薄膜型及普通型鉑熱電阻

*42小型鉑熱電阻

*432〕銅熱電阻

在一般測量精度要求不高、溫度較低的場合，普遍地使用銅電阻。它可用來測量－50～＋150C

的溫度，在這溫度范圍內，銅電阻和溫度呈線性關系。銅電阻的缺點是電阻率小.所以制成相同阻值的電阻時，銅電阻絲要細，這樣機械強度就不高，或者就要長，使體積增大。此外銅很容易氧化，所以它的工作上限為150C。但銅電阻價格廉價，因此仍被廣泛采用。*442半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻有負溫度系數〔NTC〕和正溫度系數〔PTC〕之分。NTC又可分為兩大類：第一類用于測量溫度，它的電阻值與溫度之間呈嚴格的負指數關系；第二類為突變型〔CTR〕，當溫度上升到某臨界點時，其電阻值突然下降。*45RT、RT0——溫度為T、T0時熱敏電阻器的電阻值；BN——NTC熱敏電阻的材料常數。由測試結果說明，不管是由氧化物材料，還是由單晶體材料制成的NTC熱敏電阻器，在不太寬的溫度范圍〔小于450℃〕，都能利用該式，它僅是一個經驗公式。1〕負電阻溫度系數(NTC)熱敏電阻器的溫度特性NTC的電阻—溫度關系的一般數學表達式為：*46為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25℃作為參考溫度〔即T0=25℃〕，那么NTC熱敏電阻器的電阻—溫度關系式：02550751001250.511.522.533.5(25oC,1)RT/RT0--T特性曲線RT/R25T*47電阻溫度特性：電阻溫度系數：可見：負溫度系數熱敏電阻器的電阻溫度系數α是溫度T的非線性函數*48αβ

abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性2〕負溫度系數〔NTC〕熱敏電阻器的伏安特性該曲線是在環(huán)境溫度為T0時的靜態(tài)介質中測出的靜態(tài)U—I曲線。熱敏電阻的端電壓UT和通過它的電流I有如下關系：T0——環(huán)境溫度；△T——熱敏電阻的溫升。*493〕正電阻溫度系數〔PTC〕熱敏電阻器的電阻—溫度特性其特性是利用正溫度熱敏材料，在居里點附近結構發(fā)生相變引起導電率突變來取得的，典型特性曲線如圖10000100010010050100150200250R20=120ΩR20=36.5ΩR20=12.2ΩPTC熱敏電阻器的電阻—溫度曲線T/oC電阻/ΩTp1Tp2Tc=175oC*50

經實驗證實：在工作溫度范圍內，正溫度系數熱敏電阻器的電阻—溫度特性可近似用下面的實驗公式表示：式中RT、RT0——溫度分別為T、T0時的電阻值；

BP——正溫度系數熱敏電阻器的材料常數。可見：正溫度系數熱敏電阻器的電阻溫度系數αtp

，正好等于它的材料常數BP的值。假設對上式微分，可得PTC熱敏電阻的電阻溫度系數αtp*51曲線見以下圖，它與NTC熱敏電阻器一樣，曲線的起始段為直線，其斜率與熱敏電阻器在環(huán)境溫度下的電阻值相等。這是因為流過電阻器電流很小時，耗散功率引起的溫升可以忽略不計的緣故。當熱敏電阻器溫度超過環(huán)境溫度時，引起電阻值增大，曲線開始彎曲。

104103102101105Um10110210310010-1ImPTC熱敏電阻器的靜態(tài)伏安特性4〕．正溫度系數〔PTC〕熱敏電阻器的伏安特性

當電壓增至Um時，存在一個電流最大值Im；如電壓繼續(xù)增加，由于溫升引起電阻值增加速度超過電壓增加的速度，電流反而減小，即曲線斜率由正變負。

*52熱敏電阻外形

MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻*53