1、第2章 溫度傳感器,2.1 溫度測量概述 2.2 熱電偶傳感器 2.3 金屬熱電阻傳感器 2.4 集成溫度傳感器 2.5 半導(dǎo)體熱敏電阻 2.6 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 2.7 溫度傳感器應(yīng)用實例 2.8 實訓(xùn),2.1 溫度測量概述,2.1 溫度測量概述 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。 溫度不能直接測量，而是借助于某種物體的某種物理參數(shù)隨溫度冷熱不同而明顯變化的特性進(jìn)行間接測量。 溫度的表示（或測量）須有溫度標(biāo)準(zhǔn)，即溫標(biāo)。理論上的熱力學(xué)溫標(biāo)，是當(dāng)前世界通用的國際溫標(biāo)。 熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度數(shù)值為熱力學(xué)溫度（符號為T），單位為開爾文（符號為K）。,熱力學(xué)溫度是國際上公認(rèn)的最基本溫度。我國目前實行的

2、為國際攝氏溫度（符號為t）。兩種溫標(biāo)的換算公式為： t()=T（K）-273.15K 進(jìn)行間接溫度測量使用的溫度傳感器，通常是由感溫元件部分和溫度顯示部分組成，如圖2-1所示。,圖2-1 溫度傳感器組成框圖,2.2 熱電偶傳感器,2.2 熱電偶傳感器 熱電偶在溫度的測量中應(yīng)用十分廣泛。它構(gòu)造簡單，使用方便，測溫范圍寬，并且有較高的精確度和穩(wěn)定性。 2.2.1 熱電偶測溫原理 1.熱電效應(yīng) 如圖2-2所示，兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個閉合回路時，若兩接點溫度不同，則在該回路中會產(chǎn)生電動勢。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，該電動勢稱為熱電勢。,圖2-2 熱電效應(yīng),2.兩種導(dǎo)體的接觸電勢 假設(shè)兩種金屬A、B的自

3、由電子密度分別為nA和nB,且nAnB。當(dāng)兩種金屬相接時，將產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。 達(dá)到動態(tài)平衡時，在A、B之間形成穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢eAB，如圖2-3所示。,圖2-3 兩種導(dǎo)體的接觸電勢,3.單一導(dǎo)體的溫差電勢 對于單一導(dǎo)體，如果兩端溫度分別為T、TO，且TTO，如圖2-4所示。,圖2-4 單一導(dǎo)體溫差電勢,導(dǎo)體中的自由電子，在高溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴(kuò)散，在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生了電勢，這個電勢稱為單一導(dǎo)體的溫差電勢。 勢電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢，由圖2-5可知： EAB(T,TO)=eAB(T)+eB(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO) 或 EAB(t,tO)=eAB(

4、t)+eB(t,tO)-eAB(tO)-eA(t,tO) 式中： EAB(T,TO): 熱電偶回路中的總電動勢； eAB(T): 熱端接觸電勢； eB(T,TO): B導(dǎo)體溫差電勢； eAB(TO): 冷端接觸電勢； eA(T,TO): A導(dǎo)體溫差電勢。,圖2-5 接觸電勢示意圖,在總電勢中，溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的熱電勢可表示為： EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO) 對于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度TO恒定時，EAB(TO)=c為常數(shù)，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即： EAB(T,TO)=eAB(T)- c =f(T) 實際應(yīng)用中，熱電勢與

5、溫度之間的關(guān)系是通過熱電偶分度表來確定。 分度表是在參考端溫度為00C時，通過實驗建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。,.熱電偶的基本定律 (1)中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要該導(dǎo)體兩端溫度相等，則熱電偶產(chǎn)生的總熱電勢不變。 如圖2-6所示，可得回路總的熱電勢 EABC(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)=EAB(T,TO) 根據(jù)這個定律，我們可采取任何方式焊接導(dǎo)線，將熱電勢通過導(dǎo)線接至測量儀表進(jìn)行測量，且不影響測量精度。,圖2-6 中間導(dǎo)體定律示意圖,(2)中間溫度定律 在熱電偶測量回路中，測量端溫度為T，自由端溫度為TO，中間溫度為O，如圖2-7所示。則

6、T，TO熱電勢等于T，TO與TO，TO熱電勢的代數(shù)和。即 EAB(T,TO)=EAB(T,TO)+EAB(TO,TO) 運用該定律可使測量距離加長，也可用于消除熱電偶自由端溫度變化影響。,圖2-7 中間溫度定律示意圖,(3)參考電極定律（也稱組成定律） 如圖2-8所示。 已知熱電極A、B與參考電極C組成的熱電偶在結(jié)點溫度為(T，T0)時的熱電動勢分別為EAC(T，T0)、EBC(T，T0)，則相同溫度下，由A、B兩種熱電極配對后的熱電動勢EAB(T，T0)可按下面公式計算： EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0) 參考電極定律大大簡化了熱電偶選配電極的工作。,圖2-8 參考

7、電極定律示意圖,例2.1 當(dāng)T為100，T0為0時，鉻合金鉑熱電偶的E（100，0）=+3.13mV，鋁合金鉑熱電偶E（100，0）為-1.02mV，求鉻合金鋁合金組成熱電偶的熱電勢E（100，0）。 解： 設(shè)鉻合金為A，鋁合金為B，鉑為C。 即 EAC（100，0）=+3.13mV EBC（100，0）=-1.02mV 則 EAB(100,0)=+4.15mV,2.2.2 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式及熱電偶材料 1.普通型熱電偶 普通型熱電偶一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成。普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動法蘭連接、無固定裝置等多種形式。 如圖2-9所示

8、：,1-熱電極;2-絕緣瓷管;3-保護(hù)管;4-接線座;5-接線柱;6-接線盒 圖2-9 直形無固定裝置普通工業(yè)用熱電偶,2.鎧裝熱電偶（纜式熱電偶） 鎧裝熱電偶也稱纜式熱電偶，是將熱電偶絲與電熔氧化鎂絕緣物溶鑄在一起，外表再套不銹鋼管等構(gòu)成。 這種熱電偶耐高壓、反應(yīng)時間短、堅固耐用。 如圖2-10所示：,1-熱電極;2-絕緣材料;3-金屬套管;4-接線盒;5-固定裝置 圖2-10 鎧裝熱電偶,3.薄膜熱電偶 用真空鍍膜技術(shù)或真空濺射等方法，將熱電偶材料沉積在絕緣片表面而構(gòu)成的熱電偶稱為薄膜熱電偶。 如圖2-11所示：,圖2-11 薄膜熱電偶,4.熱電偶組成材料及分度表 為了準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行溫度測

9、量，必須對熱電偶組成材料嚴(yán)格選擇。 目前工業(yè)上常用的四種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶材料為: 鉑銠30鉑銠6、 鉑銠10鉑、 鎳鉻鎳硅 鎳鉻銅鎳（我國通常稱為鎳鉻康銅）。 組成熱電偶的兩種材料寫在前面的為正極，后面的為負(fù)極。 熱電偶的熱電動勢與溫度之關(guān)系表，稱之為分度表。,2.2.3 熱電偶測溫及參考端溫度補償 1.熱電偶測溫基本電路 如圖2-12所示， 圖（a）表示了測量某點溫度連接示意圖。 圖（b）表示兩個熱電偶并聯(lián)測量兩點平均溫度。圖（c）為兩熱電偶正向串聯(lián)測兩點溫度之和。 圖（d）為兩熱電偶反向串聯(lián)測量兩點溫差。 熱電偶串、并聯(lián)測溫時，應(yīng)注意兩點： 第一，必須應(yīng)用同一分度號的熱電偶； 第二，兩熱電偶的

10、參考端溫度應(yīng)相等。,圖2-12 常用的熱電偶測溫電路示意圖,2.熱電偶參考端的補償 熱電偶分度表給出的熱電勢值的條件是參考端溫度為0。如果用熱電偶測溫時自由端溫度不為0，必然產(chǎn)生測量誤差。應(yīng)對熱電偶自由端（參考端）溫度進(jìn)行補償。 例如：用K型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶測爐溫時，參考端溫度t0=30， 由分度表可查得 E(30,0)=1.203mv， 若測爐溫時測得E(t,30)=28.344mv， 則可計算得 E(t,0)=E(t,30+E(30,0)=29.547mv 由29.547mv再查分度表得t=710，是爐溫。,2.3 金屬熱電阻傳感器,2.3 金屬熱電阻傳感器 金屬熱電阻傳感器一般稱作熱

11、電阻傳感器，是利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化的原理進(jìn)行測溫的。 金屬熱電阻的主要材料是鉑和銅。 熱電阻廣泛用來測量-220+850范圍內(nèi)的溫度， 少數(shù)情況下， 低溫可測量至1K（-272），高溫可測量至1000。,最基本的熱電阻傳感器由熱電阻、連接導(dǎo)線及顯示儀表組成，如圖2-14所示。,圖2-14 金屬熱電阻傳感器測量示意圖,2.3.1 熱電阻的溫度特性 熱電阻的溫度特性，是指熱電阻Rt隨溫度變化而變化的特性。 1.鉑熱電阻的電阻溫度特性 鉑電阻的特點是測溫精度高，穩(wěn)定性好，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。鉑電阻的應(yīng)用范圍為-200+850。 鉑電阻的電阻溫度特性方程，在-2000的

12、溫度范圍內(nèi)為： Rt=RO1+At+Bt2+Ct3(t-100) 在0+850的溫度范圍內(nèi)為： Rt=RO(1+At+Bt2),2.銅熱電阻的電阻溫度特性 由于鉑是貴金屬，在測量精度要求不高，溫度范圍在-50+150時普遍采用銅電阻。銅電阻與溫度間的關(guān)系為 Rt=R0(1+1t+2t2+3t3) 由于2、3比1小得多，所以可以簡化為 RtR0(1+1t) 2.3.2 熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu) 熱電阻傳感器由電阻體、絕緣管、保護(hù)套管、引線和接線盒等組成，如圖2-15所示。,圖2-15 熱電阻結(jié)構(gòu),2.4 集成溫度傳感器,2.4 集成溫度傳感器 集成溫度傳感器具有體積小、線性好、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點，所以應(yīng)用

13、十分廣泛。 集成溫度傳感器是把感溫元件（常為PN結(jié)）與有關(guān)的電子線路集成在很小的硅片上封裝而成。 由于PN結(jié)不能耐高溫，所以集成溫度傳感器通常測量150以下的溫度。 集成溫度傳感器按輸出量不同可分為： 電流型、電壓型和頻率型三大類。,2.4.1 集成溫度傳感器基本工作原理 圖2-16為集成溫度傳感器原理示意圖。 其中V1、V2為差分對管，由恒流源提供的I1、I2分別為V1、V2的集電極電流，則Ube為：,只要I1/I2為一恒定值，則Ube與溫度T為單值線性函數(shù)關(guān)系。 這就是集成溫度傳感器的基本工作原理。,圖2-16 集成溫度傳感器基本原理圖,2.4.2 電壓輸出型集成溫度傳感器 圖2-17所示

14、電路為電壓輸出型溫度傳感器。 V1、V2為差分對管，調(diào)節(jié)電阻R1，可使I1=I2，當(dāng)對管V1、V2的值大于等于1時，電路輸出電壓UO為：,由此可得:,R1、R2不變則U0與T成線性關(guān)系。若R1=940，R2=30K，=37，則電路輸出溫度系數(shù)為 10mV/K。,圖2-17 電壓輸出型原理電路圖,2.4.3 電流輸出型集成溫度傳感器 如圖2-18所示: 對管V1、V2作為恒流源負(fù)載，V3、V4作為感溫元件，V3、V4發(fā)射結(jié)面積之比為，此時電流源總電流IT為：,當(dāng)R、為恒定量時,IT與T成線性關(guān)系。若R=358，=8，則電路輸出溫度系數(shù)為1A/K。,圖2-18 電流輸出型原理電路圖,2.5 半導(dǎo)體

15、熱敏電阻,2.5 半導(dǎo)體熱敏電阻 半導(dǎo)體熱敏電阻簡稱熱敏電阻，是一種新型的半導(dǎo)體測溫元件。 熱敏電阻是利用某些金屬氧化物或單晶鍺、硅等材料，按特定工藝制成的感溫元件。熱敏電阻可分為三種類型，即： 正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻 負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻 在某一特定溫度下電阻值會發(fā)生突變的臨界溫度電阻器（CTR）。,2.5.1 熱敏電阻的（Rtt）特性,1-突變型NTC；2-負(fù)指數(shù)型NTC；3-線性型PTC；4-突變型PTC 圖2-19 各種熱敏電阻的特性曲線,結(jié)論： （1）熱敏電阻的溫度系數(shù)值遠(yuǎn)大于金屬熱電阻，所以靈敏度很高。 （2）同溫度情況下，熱敏電阻阻值遠(yuǎn)大于金屬熱電阻。所以連接導(dǎo)線電

16、阻的影響極小，適用于遠(yuǎn)距離測量。 （3）熱敏電阻Rtt曲線非線性十分嚴(yán)重，所以其測量溫度范圍遠(yuǎn)小于金屬熱電阻。,2.5.2 熱敏電阻溫度測量非線性修正 由于熱敏電阻Rtt曲線非線性嚴(yán)重，為保證一定范圍內(nèi)溫度測量的精度要求，應(yīng)進(jìn)行非線性修正。 （1）線性化網(wǎng)絡(luò) 利用包含有熱敏電阻的電阻網(wǎng)絡(luò)（常稱線性化網(wǎng)絡(luò)）來代替單個的熱敏電阻，使網(wǎng)絡(luò)電阻RT與溫度成單值線性關(guān)系。 其一般形式如圖2-20所示。,圖2-20 線性化網(wǎng)絡(luò),（2）利用電阻測量裝置中其它部件的特性進(jìn)行綜合修正。 圖2-21是一個溫度-頻率轉(zhuǎn)換電路， 雖然電容C的充電特性是非線性特性，但適當(dāng)?shù)剡x取線路中的電阻r和R，可以在一定的溫度范圍內(nèi)

17、，得到近于線性的溫度-頻率轉(zhuǎn)換特性。,圖2-21 溫度-頻率轉(zhuǎn)換器原理圖,（3）計算修正法 在帶有微處理機(jī)（或微計算機(jī)）的測量系統(tǒng)中， 當(dāng)已知熱敏電阻器的實際特性和要求的理想特性時， 可采用線性插值法將特性分段，并把各分段點的值存放在計算機(jī)的存貯器內(nèi)。 計算機(jī)將根據(jù)熱敏電阻器的實際輸出值進(jìn)行校正計算后，給出要求的輸出值。,2.6 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻,2.6 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 2.6.1 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻性能 負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻是一種氧化物的復(fù)合燒結(jié)體，其電阻值隨溫度的增加而減小 。 其特點是：,（1）電阻溫度系數(shù)大，約為金屬熱電阻的10倍。 （2）結(jié)構(gòu)簡單、體積小，可測點溫。 （

18、3）電阻率高，熱慣性小，適用于動態(tài)測量。 （4）易于維護(hù)和進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。 （5）制造簡單、使用壽命長。 （6）互換性差，非線性嚴(yán)重。,圖2-22 負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻結(jié)構(gòu),2.6.2 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻溫度方程 熱敏電阻值 RT和R0與溫度TT和T0的關(guān)系為：,2.6.3 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻主要特性 （1）標(biāo)稱阻值 廠家通常將熱敏電阻25時的零功率電阻值作為R0 ，稱為額定電阻值或標(biāo)稱阻值，記作R25 ，85時的電阻值R85作為RT 。 標(biāo)稱阻值常在熱敏電阻上標(biāo)出。 R85也由廠家給出。,（2）B值 將熱敏電阻25時的零功率電阻值R0和85時的零功率電阻值RT ，以及25和85的絕對

19、溫度T0298K和TT358K代入負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻溫度方程，可得:,B值稱為熱敏電阻常數(shù)，是表征負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻熱靈敏度的量。 B值越大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的熱靈敏度越高。,（3）電阻溫度系數(shù) 熱敏電阻在其自身溫度變化1時，電阻值的相對變化量稱為熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)。,可知： 熱敏電阻的溫度系數(shù)為負(fù)值。 溫度減小，電阻溫度系數(shù)增大。 在低溫時，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬熱電阻絲高得多，故常用于低溫測量 （100300）。,（4）額定功率 額定功率是指負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻在環(huán)境溫度為25，相對濕度為4580。大氣壓為0.871.07bar的條件下，長期連續(xù)負(fù)荷所允許的耗散功率。 （5

20、）耗散系數(shù) 耗散系數(shù)是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻流過電流消耗的熱功率（W）與自身溫升值（TT0）之比，單位為W1。,（6）熱時間常數(shù) 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻在零功率條件下放入環(huán)境溫度中，不可能立即變?yōu)榕c環(huán)境溫度同溫度。 熱敏電阻本身的溫度在放入環(huán)境溫度之前的初始值和達(dá)到與環(huán)境溫度同溫度的最終值之間改變63.2%所需的時間叫做： 熱時間常數(shù)，用表示。,2.7 溫度傳感器應(yīng)用實例,2.7 溫度傳感器應(yīng)用實例 2.7.1 雙金屬溫度傳感器的應(yīng)用 1.雙金屬溫度傳感器室溫測量的應(yīng)用 雙金屬溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，刻度清晰，使用方便，耐振動。 常用于駕駛室、船艙，糧倉等室內(nèi)溫度測量。 圖2-23為盤旋形雙金屬

21、溫度計。,圖2-23 盤旋形雙金屬溫度計,2.雙金屬溫度傳感器在電冰箱中的應(yīng)用 電冰箱壓縮機(jī)溫度保護(hù)繼電器內(nèi)部的感溫元件是一片碟形的雙金屬片，如圖2-24所示。 在雙金屬片上固定著兩個動觸頭。在碟形雙金屬片的下面還安放著一根電熱絲。該電熱絲與這兩個常閉觸點串聯(lián)連接。,壓縮機(jī)電機(jī)中的電流過大時，這一大電流流過電熱絲后，使它很快發(fā)熱， 放出的熱量使碟形雙金屬片溫度迅速升高到它的動作溫度， 碟形雙金屬片翻轉(zhuǎn)，帶動常閉觸點斷開， 切斷壓縮機(jī)電機(jī)的電源，保護(hù)全封閉式壓縮機(jī)不至于損環(huán)。,圖2-24 碟形雙金屬溫度傳感器工作過程,2.7.2 熱敏電阻溫度傳感器的應(yīng)用 1.熱敏電阻在汽車水箱溫度測量中的應(yīng)用

22、圖2-25所示為汽車水箱水溫監(jiān)測電路。其中Rt為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。 2.熱敏電阻在空調(diào)器控制電路中的應(yīng)用 春蘭牌KFR-20GW型冷熱雙向空調(diào)中熱敏電阻的應(yīng)用，如圖2-26所示。,圖2-25 汽車水箱測溫電路,圖2-26 熱敏電阻在空調(diào)控制電路中的應(yīng)用,2.7.3 晶體管溫度傳感器的應(yīng)用 1.熱敏二極管溫度傳感器應(yīng)用舉例 半導(dǎo)體二極管正向電壓與溫度的關(guān)系如圖2-27所示?？蓪囟绒D(zhuǎn)換成電壓，完成溫度傳感器的功能。,圖2-27 二極管正向電壓溫度特性曲線,圖2-28是采用硅二極管溫度傳感器的測量電路，其輸出端電壓值隨溫度而變化。溫度每變化1，輸出電壓變化量為0.1V。,2-28 二極管溫度傳感

23、器的溫度監(jiān)測電路,2.晶體三極管溫度傳感器應(yīng)用舉例 NPN型熱敏晶體管在IC恒定時，基極發(fā)射極間電壓Ube隨溫度變化曲線如圖2-29所示。,圖2-29 硅晶體管UBE與溫度之間的關(guān)系,圖2-30 晶體管溫度傳感器的溫度測量電路,圖2-30為晶體管溫度傳感器的一種溫度測量電路，溫度變化1，輸出電壓變化0.1V。,2.7.4 集成溫度傳感器應(yīng)用舉例 1.AD590集成溫度傳感器應(yīng)用電路,圖2-31 簡單測溫電路,集成溫度傳感器用于熱電偶參考端的補償電路如圖2-32所示，AD590應(yīng)與熱電偶參考端處于同一溫度下。,圖2-32 熱電偶參考端補償電路,2.LM334集成溫度傳感器應(yīng)用電路 LM334是三端電流輸出型溫度傳感器，其輸出電流對于環(huán)境溫度為線性變化。 LM334工作電壓范圍較寬，為0.840V，但工作電壓高時，自身發(fā)熱大，因此建議低電壓使用。采用LM334的溫度-頻