1、,第4章 熱電傳感技術(shù),本章目的和要求,了解熱電式傳感技術(shù)的基本原理 掌握各種熱電式傳感器： 結(jié)構(gòu) 特性 使用注意事項(xiàng)及應(yīng)用 熱電式傳感器類型：熱敏電阻、熱電開關(guān)、熱電阻、熱電偶、溫敏晶體管等。,概述,熱電式傳感技術(shù)是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的一種技術(shù)，它所利用的傳感器件就是熱電式傳感器。 在各種傳感器中，熱電式傳感器是應(yīng)用最為廣泛的一種。如家電、醫(yī)療、國防、科研、航天航空技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，凡是需要調(diào)溫、控溫、測(cè)溫的地方都用到它。,熱力學(xué)溫度是國際上公認(rèn)的最基本溫度，我國目前實(shí)行的是1990年國際溫標(biāo)( ITS 90） (ITS90）定義: 國際開爾文溫度（T90）： 單位，開爾文（符號(hào)K

2、） 國際攝氏溫度（t90）： 單位，攝氏（符號(hào) ） 兩者關(guān)系為： t90 / = T90 / K 273.15 或表示為 t / = T / K 273.15,為定量描述溫度的高低，必須建立溫度標(biāo)尺（溫標(biāo)），各種溫度計(jì)和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標(biāo)確定。,補(bǔ)充： 溫度單位,4.1 熱敏電阻,熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的。半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動(dòng)態(tài)特性好，特別適于在 -50350之間測(cè)溫。,熱敏電阻的缺點(diǎn)是互換性較差，另外其熱電特性是非線性的。,4.1.1 熱敏電阻的結(jié)構(gòu)形式,熱敏電阻是由一些金屬

3、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。其形狀有珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等。,圖4.1 熱敏電阻結(jié)構(gòu)形式,MF12型 NTC熱敏電阻,聚脂塑料封裝熱敏電阻,玻璃封裝 NTC熱敏電阻,大功率PTC熱敏電阻,貼片式NTC熱敏電阻,非標(biāo)熱敏電阻,熱敏電阻主要有三種類型，即正溫度系數(shù)型(PTC)、負(fù)溫度系數(shù)型(NTC)和臨界溫度系數(shù)型(CTR)。,可見CTR臨界熱敏電阻有一突變溫度，此特性可用于自動(dòng)控溫和報(bào)警電路中，組成控制開關(guān)。 溫度測(cè)量中，使用PTC型和NTC型熱敏電阻，使用最多的是NTC型熱敏電阻。,4.1.2 熱敏電阻的溫度特性,NTC熱敏電阻的阻

4、值-溫度關(guān)系為：,1. NTC熱敏電阻的電阻 溫度特性,RT,R0-分別為溫度T(K)和 T0(K)時(shí)的阻值 R0 -通常取標(biāo)準(zhǔn)阻值（標(biāo)稱電阻）：環(huán)境溫度為25時(shí)的阻值，取決于熱敏電阻材料、幾何尺寸。 B 為熱敏電阻的材料常數(shù)，一般B 為20006000K，高溫下B 將增大。,或表示為：,NTC熱敏電阻器的電阻-溫度曲線,圖中直線的斜率就是熱敏電阻的材料常數(shù)B。,不同材料的B不同，右圖為不同B的RT /R25T特性曲線,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：,熱敏電阻的溫度系數(shù),若定義,為熱敏電阻的溫度系數(shù),則由,得,可見，T

5、隨溫度降低而迅速增大， T決定熱敏電阻在全部工作范圍內(nèi)的溫度靈敏度。,2. PTC熱敏電阻的電阻 溫度特性,PTC的電阻 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，如圖所示。,PTC的電阻 溫度曲線,由實(shí)驗(yàn)得到：在工作溫度范圍內(nèi)，PTC的電阻 溫度特性可近似用下面的公式表示：,對(duì)上式取對(duì)數(shù)得：,lnRT -T特性曲線,圖線的斜率即為BP：,常用熱敏電阻,熱敏電阻型號(hào) 我國產(chǎn)熱敏電阻是按部頒標(biāo)準(zhǔn)SJ1155-82來制定型號(hào)，由四部分組成。 第一部分：主稱，用字母M表示 敏感元件。 第二部分：類別，用字母Z表示正溫度系數(shù)熱敏電阻器，或者用字母F表示負(fù)溫度系數(shù)熱敏

6、電阻器。 第三部分：用途或特征，用一位數(shù)字（0-9）表示。一般數(shù)字 1表示普通用途； 2表示穩(wěn)壓用途（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器）； 3表示微波測(cè)量用途（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器）； 4表示旁熱式（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器）； 5表示測(cè)溫用途； 6表示控溫用途； 7表示消磁用途（正溫度系數(shù)熱敏電阻器）； 8表示線性型（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器）； 9表示恒溫型（正溫度系數(shù)熱敏電阻器； 0表示特殊型（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器）。 第四部分：序號(hào)，也由數(shù)字表示，代表規(guī)格、性能。 往往廠家出于區(qū)別本系列產(chǎn)品的特殊需要，在序號(hào)后加派生序號(hào)，由字母、數(shù)字和-號(hào)組合而成。 例： M Z 1 1 序號(hào) 普通用途 正溫度系數(shù)熱敏電

7、阻器 敏感元件,1.線性化網(wǎng)絡(luò) 對(duì)熱敏電阻進(jìn)行線性化處理的最簡單方法是用溫度系數(shù)很小的精密電阻與熱敏電阻串或并聯(lián)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)(常稱為線性化網(wǎng)絡(luò))代替單個(gè)熱敏電阻，其等效電阻與溫度呈一定的線性關(guān)系。,4.1.3 熱敏電阻輸出特性的線性化處理,圖中熱敏電阻Rt與補(bǔ)償電阻rc 串聯(lián),串聯(lián)后的等效電阻R= Rt +rc ，只要rc 的阻值選擇適當(dāng)，可使溫度在某一范圍內(nèi)與電阻的倒數(shù)成線性關(guān)系，所以電流I與溫度T成線性關(guān)系。,串聯(lián)補(bǔ)償電路,并聯(lián)補(bǔ)償電路,圖中熱敏電阻Rt與補(bǔ)償電阻rc并聯(lián)，其等效電阻R= Rt / rc 。由圖可知，R與溫度的關(guān)系曲線便顯得比較平坦。因此可以在某一溫度范圍內(nèi)得到線性的輸出特

8、性。常由于電橋測(cè)溫電路：,當(dāng)電橋平衡時(shí)，,電壓U=0，這時(shí)對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度T0,當(dāng)溫度變化時(shí)，RT將變化，電橋失去平衡，電壓U0，對(duì)應(yīng)了溫度的變化,2.計(jì)算修正法 在帶有微處理器的測(cè)量系統(tǒng)中，可以用軟件對(duì)傳感器的線性進(jìn)行處理。,3.利用溫度-頻率轉(zhuǎn)換電路改善非線性,1. 溫度補(bǔ)償 對(duì)一些儀表的重要元器件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 被補(bǔ)償元器件具有正的溫度系數(shù)。 熱敏電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)。,4.1.4 熱敏電阻的應(yīng)用,2. 家電控溫 RT為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，K1常開觸點(diǎn),若RT為正溫度系數(shù)，,RW與RT對(duì)調(diào)即可。,熱敏電阻應(yīng)用舉例： 1. 溫度控制,簡易溫度控制器,由繼電器控制加熱絲，繼電器有電流通過時(shí)，觸點(diǎn)

9、閉合，加熱絲通電開始加熱。LED為加熱指示燈。,NTC型,利用熱敏電阻上的熱量消耗和介質(zhì)流速的關(guān)系可以測(cè)量流量、流速、風(fēng)速等,熱敏電阻流量計(jì),熱敏電阻應(yīng)用舉例： 2. 流量測(cè)量,介質(zhì)靜止： 電橋平衡，橋路輸出為0； 介質(zhì)流動(dòng)： 將Rt1的熱量帶走，致使Rt1阻值變化，橋路有相應(yīng)的輸出量。 介質(zhì)從Rt1上帶走的熱量多少與介質(zhì)流量有關(guān)。,4.2 熱電開關(guān),采用兩種不同特性的材料（如金屬片熱膨脹或陶鐵磁體熱磁性）構(gòu)成的熱敏傳感器，該傳感器具有溫度開關(guān)特性，因此又稱熱電開關(guān)或溫控開關(guān)。,4.2.1 雙金屬片式熱電開關(guān),1. 雙金屬片的構(gòu)成及其彎曲特性,構(gòu)成：由兩種膨脹系數(shù)不同的金屬片軋制或鍛壓在一起而

10、成的。 彎曲特性：1）常溫：平直 2）受熱：向膨脹系數(shù)小的一面彎曲變形。膨脹系數(shù)大的金屬片伸長加多，而膨脹系數(shù)小的金屬片伸長較少。 3）溫度下降：逐漸回彈平直，,雙金屬片的彎曲程度，可參考下列公式計(jì)算：,D偏位的大小 K雙金屬片特性常數(shù) (T2-T1)溫度變化 l雙金屬片的長度 h雙金屬片的厚度,通常靈敏度為0.01mm/oC0.03mm/oC,2. 雙金屬片的材料構(gòu)成,3. 雙金屬片熱電開關(guān)的類型,4. 雙金屬片熱電開關(guān)自動(dòng)控溫原理,常閉式保溫器（電飯鍋）就是通過兩個(gè)觸點(diǎn)接通又脫開（即閉合-斷開-閉合）的方式，達(dá)到了自動(dòng)保溫的目的。,雙金屬片控制恒溫箱,雙金屬溫度計(jì)敏感元件,4.2.2 陶鐵

11、磁體式熱電開關(guān),1.陶鐵磁體式熱電開關(guān)的結(jié)構(gòu)原理,主要由硬磁、軟磁，動(dòng)作彈簧、抵緊彈簧、拉桿、杠桿、銀觸點(diǎn)、操作按鍵等組成。 特點(diǎn)：動(dòng)作靈活、經(jīng)久耐用、安全可靠，比雙金屬片式熱電自動(dòng)開關(guān)的控制性能好。,4.2.3 熱電開關(guān)的應(yīng)用舉例,自動(dòng)保溫式電飯鍋,電飯鍋的恒溫要求在600C800C，,工作原理： 當(dāng)電源接通時(shí)： K1的常閉觸點(diǎn)接通 指示燈亮 煮飯時(shí)： K2按下 當(dāng)溫度上升到700C時(shí)，K1跳開 溫度上升到1030C時(shí)，K2斷開，電源斷開。 溫度下降到700C時(shí)：雙金屬恒溫器K1復(fù)位，從而開始保溫。,在磁鋼控溫系統(tǒng)中還有一種調(diào)整功率大小的電路，如圖4.12所示。 原理如下： 煮飯時(shí)，按下按鍵

12、開關(guān)使T1接通，磁鋼控溫器吸合；與此同時(shí)，T2斷開，其大部分電流通過96.8的電熱元件，開始加熱，煮飯指示燈亮。,煮飯時(shí)對(duì)應(yīng)的電路,煮飯的功率為,飯煮熟保溫時(shí)對(duì)應(yīng)的電路,當(dāng)飯煮熟時(shí)，磁鋼限溫器脫扣，T1切斷，T2復(fù)位閉合。,保溫元件的功率為：,4.3 鉑電阻,1. 鉑電阻,鉑電阻是鉑熱電阻的簡稱。是用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化的特性測(cè)量溫度的。,鉑電阻具有電阻溫度系數(shù)穩(wěn)定、電阻率高、線性度好、測(cè)量范圍寬（-2000C8500C）等特點(diǎn)。 鉑電阻廣泛用作工業(yè)測(cè)溫元件或作為溫度標(biāo)準(zhǔn)。 按國際溫標(biāo)IPTS-68規(guī)定，在-259.34630.73溫域內(nèi)，以鉑電阻溫度計(jì)作基準(zhǔn)器。,4.3.1 鉑電阻與溫

13、度的關(guān)系,電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可以近似用下式表示：,在0850范圍內(nèi)，金屬鉑的電阻值與溫度的關(guān)系為：,4.3.1 鉑電阻與溫度的關(guān)系 在-2000C00C以內(nèi)為,:溫度為t 0C時(shí)的電阻,:溫度為0 0C時(shí)的電阻,:任意溫度,:分度系數(shù)，,在ITS90 中，這些常數(shù)規(guī)定為,A=3.9684710-13/ B=-5.8410-7/2 C=-4.2210-12/4,鉑電阻體結(jié)構(gòu),材料多為純鉑金屬絲（0.030.07mm），也有銅、鎳，繞制在云母板、玻璃或陶瓷線圈架上，構(gòu)成熱電阻。,帶保護(hù)管的鉑測(cè)溫電阻元件,分度號(hào)：給各種熱電偶和熱電阻命名的統(tǒng)一代號(hào)，叫分度號(hào)。是國際電工委員會(huì)【IEC】發(fā)表

14、的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)國際溫標(biāo)，我國于1988年采用該標(biāo)準(zhǔn)。 分度表：以表格的形式，規(guī)定每種熱電偶/熱電阻在-271度-2300度每一個(gè)溫度點(diǎn)上，各種熱電偶/熱電阻的輸出參數(shù)。 我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有兩種：R0=10和R0=100， 它們的分度號(hào)分別為：Pt10 和 Pt100， 其中以Pt100為常用。 鉑熱電阻的分度表：即Rt-t的關(guān)系表，鉑熱電阻不同分度號(hào)亦有相應(yīng)分度表，這樣在實(shí)際測(cè)量中，只要測(cè)得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。,例：已知鉑熱電阻溫度計(jì)0時(shí)電阻為100, 100時(shí)電阻為139，當(dāng)它與某熱介質(zhì)接觸時(shí)，電阻值增至281，試確定該介質(zhì)溫度。,解： 已知：鉑熱電阻溫度

15、計(jì)0時(shí)電阻為100，即為Pt100，100時(shí)電阻為139； 可通過查表得：當(dāng)電阻值增至281時(shí)，介質(zhì)溫度為500。,銅電阻成本低，在-50150范圍內(nèi)阻值變化呈線性。主要用于測(cè)量精度要求不高、溫度范圍不大的場(chǎng)合。,4.4 銅熱電阻（銅電阻）,在-50150范圍內(nèi),銅電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可近似表示為：,式中， 溫度為 時(shí)的電阻值； 溫度為時(shí)的電阻值； 銅電阻溫度系數(shù) =4.2510-34.2810-3/oC,4.4.1 銅電阻與溫度的關(guān)系,4.4.2 銅電阻體結(jié)構(gòu),用直徑0.1毫米的漆包線或絲包線雙線繞制，再浸以酚醛樹脂制成。用鍍銀銅線作引出線。 熱電阻中，應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，還采

16、用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻，,4.4.2 銅電阻分度特性表,我國以電阻 值在100 和50 的條件下，制成相應(yīng)分度表作為標(biāo)準(zhǔn)。兩種分度號(hào)：Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。,銅熱電阻的分度表 分度號(hào)：Cu50,4.4.2 銅電阻的缺點(diǎn),銅電阻的缺點(diǎn)是電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性也較大，在100 以上易氧化，因此只能用于低溫以及無侵蝕性的介質(zhì)中。,4.5 熱電偶,熱電偶是將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)大小的熱電式傳感器。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、精度高、熱慣性小，可測(cè)局部溫度和便于遠(yuǎn)距離傳送，并可集中檢測(cè)、自動(dòng)記錄。用來測(cè)量-18028000C范圍內(nèi)的溫度。,4.5.1 熱電偶

17、的基本工作原理,在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中見圖 4.15(a) ，當(dāng)兩接觸點(diǎn)的溫度不同時(shí)，回路中就要產(chǎn)生熱電勢(shì)。這個(gè)物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。,熱端（測(cè)量端）,冷端(參考端）,4.5.1 熱電偶的基本工作原理,熱電偶由溫差產(chǎn)生的熱電勢(shì)是隨介質(zhì)溫度變化而變化的，其關(guān)系可由下式表示，即,式中，,:熱電偶的熱電勢(shì)；,:溫度為T時(shí)的熱電勢(shì)；,:溫度為T0時(shí)的熱電勢(shì)；,當(dāng)熱電偶的材料均勻時(shí)，熱電偶的熱電勢(shì)大小與電極的幾何尺寸無關(guān)，僅與熱電偶材料的成分和熱、冷兩端的溫差有關(guān)。,4.5.1 熱電偶的基本工作原理,熱電偶測(cè)溫的基本原理 在通常的測(cè)量中要求冷端的溫度恒定，此時(shí)熱電偶的熱電勢(shì)就是被測(cè)介質(zhì)溫度的

18、單值函數(shù)，即,1. 中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中插入第3、4種導(dǎo)體，只要插入導(dǎo)體的兩端溫度相等，且插入的導(dǎo)體是勻質(zhì)，則無論插入導(dǎo)體的溫度分布如何，都不會(huì)影響原來熱電偶的熱電勢(shì)的大小。,4.5.2 熱電偶的基本定律概況材料、結(jié)點(diǎn)對(duì)溫度的影響,圖4.16 中間導(dǎo)體定律,實(shí)際意義？,2. 標(biāo)準(zhǔn)電極定律 熱電偶結(jié)點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)所產(chǎn)生的熱電勢(shì)，等于該熱電偶的兩個(gè)電極A、B分別與標(biāo)準(zhǔn)電極C組成的兩個(gè)熱電偶的熱電勢(shì)之差。這就是標(biāo)準(zhǔn)電極定律，又稱為熱電偶相配定律。,4.5.2 熱電偶的基本定律,實(shí)際意義？,例,已知鉑銠30-鉑熱電偶的EAC（1084.5,0）=13.937（mV），鉑銠6-鉑熱電偶的EB

19、C（1084.5,0）=8.354（mV）。求鉑銠30-鉑銠6在相同溫度條件下的熱電動(dòng)勢(shì)。,解：,由標(biāo)準(zhǔn)電極定律可知， EAB（1084.5,0）=EAC（1084.5,0）EBC（1084.5,0）=13.9378.354=5.583（mV）,3. 中間溫度定律 由兩種材料的熱電極組成的熱電偶，在結(jié)點(diǎn)溫度（T，T0）時(shí)所產(chǎn)生的熱電勢(shì)EAB（T，T0），等于該熱電偶在溫度（T，Tn）和(Tn,T0)時(shí)分別產(chǎn)生的熱電勢(shì)EAB（T，Tn)和EAB(Tn,T0)的代數(shù)和。這就是中間溫度定律。,4.5.2 熱電偶的基本定律,實(shí)際意義？,貴金屬熱電偶 鉑銠鉑銠（6001700） 鉑銠鉑 （01600）

20、普通金屬熱電偶 鎳鉻鎳硅（-2001200） 鎳鉻鎳銅（-40750） 鐵 康銅 （0400） 熱電偶可以測(cè)量上千度高溫，并且精度高、性能好，這是其它溫度傳感器無法替代的。,1. 熱電偶種類,4.5.3 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu),國際電工委員會(huì)IEC (International Electro Technical Commission) 推薦種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件，具有統(tǒng)一的分度表。,補(bǔ)充了解：,熱電偶分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國際和國家標(biāo)準(zhǔn)文件中的熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保

21、證。 國際電工委員會(huì)（IEC）共推薦了8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶技術(shù)數(shù)據(jù),標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的特性,非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,1）普通熱電偶,4.5.3 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu),2. 熱電偶的結(jié)構(gòu) 熱電偶的種類雖然很多，但通常由金屬熱電極、絕緣子、保護(hù)套管及接線裝置等部分組成。,普通熱電偶，主要用于測(cè)量氣體、蒸汽、液體等，外形有棒形、三角形、錐形等。,普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成。,普通裝配型熱電偶的外形,安裝螺紋,安裝法蘭,普通裝配型熱電偶的結(jié)構(gòu)放大圖,接線盒,引出線套管,固定螺紋 （出廠時(shí)用塑料包裹）,熱電偶工作端（熱端）,不銹鋼保護(hù)管,2） 鎧裝熱電偶,4

22、.5.3 熱電偶的結(jié)構(gòu),鎧裝型熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電極、絕緣材料和金屬套管組合在一起，經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體 . 它可以做得很細(xì)很長，使用中隨需要能任意彎曲。 鎧裝型熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，適合于位置狹小部位的溫度測(cè)量。,1接線盒 2金屬套管 3固定裝置 4絕緣材料 5熱電極,鎧裝型熱電偶外形,法蘭,鎧裝型熱電偶可 長達(dá)上百米,薄壁金屬 保護(hù)套管（鎧體）,鎧裝型熱電偶橫截面,3）薄膜熱電偶,4.5.3 熱電偶的結(jié)構(gòu),用真空蒸鍍（或真空濺射）、化學(xué)涂層等工藝，將兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣基板上形成薄膜狀熱電極及熱接點(diǎn)。 熱電偶測(cè)量端既小又薄（

23、厚度可達(dá)0.010.1m），其結(jié)構(gòu)有片狀、針狀和把熱電極材料直接蒸鍍?cè)诒粶y(cè)表面上等3種。 所用的電極類型有鐵-康銅、鐵-鎳、銅-康銅、鎳鉻-鎳硅等。 特點(diǎn)：熱接點(diǎn)的熱容量很小，反應(yīng)快，可用于測(cè)量瞬變的表面溫度和微小面積上的溫度。測(cè)溫范圍為200300。,4.5.4 熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償,補(bǔ)償原因： 只有使冷端的溫度恒定，熱電勢(shì)才是熱端溫度的單值函數(shù)。 由于熱電偶分度是以冷端溫度為00C時(shí)測(cè)得的，因此在使用時(shí)要正確反映熱端溫度（被測(cè)溫度），必須滿足溫度恒定為00C。 實(shí)際中，熱電偶的冷端靠近被測(cè)對(duì)象，且受到周圍溫度的影響，這時(shí)熱電偶的輸出并不代表被測(cè)環(huán)境溫度。,. 冷端溫度修正法 冷端溫度不等于

24、00C，但能保持恒定不變的情況使用。 （）熱電勢(shì)修正法（計(jì)算法） 根據(jù)中間溫度定律，將電勢(shì)換算到冷端為時(shí)應(yīng)為,4.5.4 熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償,冷端溫度,熱端溫度,4.5.4 熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償,. 冷端溫度修正法,（）熱電勢(shì)修正法 例題4.1 用鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)爐溫，當(dāng)冷端溫度為300C且為恒定時(shí)，測(cè)出熱端溫度為t時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為39.17mV,求爐子的真實(shí)溫度。 解：,由T0=0，查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表，E（30，0）=1.203mV，又知E（T，30）=39.17mV 所以E（T，0）= E（T，30）+ E（30，0） =1.203mV+39.17mV=40.373mV。 再用40

25、.373mV反查分度表得977，即被測(cè)介質(zhì)的實(shí)際溫度。,分度表,（2）溫度修正法 令 為儀表的指示溫度，為冷端溫度，則被測(cè)的真實(shí)溫度為 T = T + k T0,4.5.4 熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償,k為熱電偶的修正系數(shù)，決定于熱電偶類型和被測(cè)溫度范圍。 例4.中測(cè)得爐溫為9460C(39.17mV)，冷端溫度為300C，查表k=1.00，則,. 電橋補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償法是用電橋的不平衡電壓（補(bǔ)償電勢(shì)）去消除冷端溫度變化的影響，這種裝置稱為冷端溫度補(bǔ)償器。,4.5.4 熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償,圖4.23 冷端溫度補(bǔ)償電路圖,Rs、R1、R2、R3錳銅絲繞制，阻值幾乎不隨溫度變化 RCu：阻值隨溫度升高

26、而增大,4.5.4 熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償,. 電橋補(bǔ)償法 電橋平衡點(diǎn)溫度或補(bǔ)償溫度：在某一溫度下，設(shè) 計(jì)電橋處于平衡狀態(tài)，則電橋輸出為0，該溫度稱為電橋平衡點(diǎn)溫度或補(bǔ)償溫度。 當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，冷端溫度隨之變化，熱電偶的電勢(shì)值隨之變化E1；與此同時(shí)Rcu的電阻值也隨環(huán)境溫度變化，使電橋失去平衡，有不平衡電壓E2 輸出。設(shè)法設(shè)計(jì)E1 和E2 數(shù)值相等極性相反，即可起到冷端溫度變化自動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖饔谩?3. 熱電偶冷端溫度恒溫法（冰浴法）,適用于實(shí)驗(yàn)室中的精確測(cè)量和檢定熱電偶時(shí)使用。,熱電偶一般做得較短， 一般為3502000mm。 在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)十米遠(yuǎn)的控制

27、室里的顯示儀表或控制儀表，這樣, 冷端溫度t0比較穩(wěn)定。,補(bǔ)充：熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線,解決辦法：工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線。在0100溫度范圍內(nèi)，要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。,常用補(bǔ)償導(dǎo)線,4.6 溫敏二極管,4.6.1 溫敏二極管工作原理,根據(jù) 結(jié)理論，對(duì)于理想二極管，只要其正向電壓 UF 大于幾個(gè) ，其正向電流IF與正向電壓UF 和溫度之間的關(guān)系即可表示為,一定電流模式下，PN結(jié)的正向電壓與溫度之間具有很好的線性關(guān)系。,(4.18式)兩邊除以Is ，取對(duì)數(shù)得：,所以,上式表明：在一定電流下，二極管正向電壓隨溫度的升高而降低，呈負(fù)溫度系數(shù)。 （只要它們工作在PN結(jié)空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流

28、和表面漏電流可以忽略） 經(jīng)研究表明，對(duì)于鍺和硅二極管，在相當(dāng)寬的一個(gè)溫度范國內(nèi)其正向電壓與溫度之間的關(guān)系與上式吻合。,對(duì)于不同的工作電流，溫敏二極管的 UF-關(guān)系是不同的；但是 UF-之間總是線性關(guān)系。例如2DWMl型硅溫敏二極管，在恒流下， UF-T 在-50+150范圍內(nèi)呈很好的線性關(guān)系。,4.6.2 溫敏二極管的基本特性（UF -T）關(guān)系,另外：溫敏二極管的溫度特性對(duì)擴(kuò)散電流成立，但實(shí)際二極管的正向電流還包括空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流和表面復(fù)合電流。故實(shí)際二極管的電壓 溫度特性是偏離理想情況的。由此引入溫敏三極管。,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。 由于在發(fā)射結(jié)正向偏置

29、下，雖然發(fā)射結(jié)電流也包括擴(kuò)散電流、空間電荷的復(fù)合電流和表面復(fù)合電流三種成分，但只有其中的擴(kuò)散電流能夠到達(dá)集電極形成集電極電流Ic，而另兩種電流則作為基極電流漏掉。因此，晶體管的IcUBE關(guān)系比二極管的IFUF關(guān)系更符合理想情況，所以表現(xiàn)出更好的電壓 溫度線性關(guān)系。,4.7.1 溫敏三極管的基本原理,根據(jù)晶體管的有關(guān)理論可以證明，晶體管的基極發(fā)射極電壓與溫度 和 Ic的函數(shù)關(guān)系為,式中，,若Ic恒定，則UBE僅隨溫度 成單調(diào)單值函數(shù)變化。,4.7.1 溫敏三極管的基本原理,4.7.2 溫敏三極管測(cè)溫的基本電路,溫敏三極管測(cè)溫的最常用的電路如圖所示。,圖4.25 溫敏三極管的基本電路,溫敏晶體管作

30、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。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。,圖4.25 溫敏三極管輸出特性,圖4.25(b)表示在不同的IC情況下，溫敏三極管的UBE電壓與溫度T的實(shí)際結(jié)果。,4.8 溫敏晶閘管（可控硅）,溫敏晶閘管（ 可控硅）是溫敏閘流晶體管的簡稱。主要用

31、作大電流、大功率的開關(guān)閘。它是一個(gè)四層 結(jié)構(gòu)的三端半導(dǎo)體器件，如圖4.26（）所示。,當(dāng)晶閘管處于正向工作過程時(shí)，陽極和陰極之間加正向電壓，則J1和J3均為正偏，J處于反向偏置，它流過很小的電流 I，晶閘管處于高阻態(tài)，此狀態(tài)被稱為晶閘管的正向阻斷狀態(tài) 斷態(tài)。,4.8.1 溫敏晶閘管的工作原理,以P2為基極注入基極（柵極）電流為Ig，Ic2=2Ig，IB1=Ic2，Ic1=1IB1=12Ig注入IB2,正反饋過程。器件由正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎驅(qū)顟B(tài)通態(tài),可見，在正向偏置下工作的晶閘管，通過控制柵極電流，可使晶閘管由斷態(tài)變?yōu)橥☉B(tài)?？勺鳛槔硐氲拈_關(guān)器件。,當(dāng)晶閘管處于反向工作時(shí)，J1和J3處于反偏

32、，由于J 3 兩側(cè)的區(qū)域是重?fù)诫s區(qū)，則J1幾乎承受所有的反向電壓，因而流過很小的反向電流 ，此時(shí)器件處于反向阻斷狀態(tài),正向阻斷狀態(tài) 斷態(tài) 正向?qū)顟B(tài)通態(tài) 反向阻斷狀態(tài) 開關(guān)器件,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，晶閘管的電流-電壓特性隨溫度的變化而改變，如圖4.28所示。,4.8.2 溫敏晶閘管的溫度特性,溫度升高時(shí)，正向翻轉(zhuǎn)電壓下降，而反向電壓則提高。 溫度對(duì)晶閘管正向特性的影響意味著可用溫度（開關(guān)溫度）觸發(fā)使其由斷態(tài)變?yōu)橥☉B(tài)。 利用這種熱導(dǎo)通性實(shí)現(xiàn)溫電轉(zhuǎn)換。,1. 增大反向漏電流和直流增益-降低開關(guān)溫度 降低開關(guān)溫度的方法： 采用氬離子注入技術(shù)-增大反向漏電流 減小P型和N型基區(qū)的寬度-增大直流增益 2. 利用

33、柵極分路電阻 升高或降低開關(guān)溫度,4.8.3 溫敏晶閘管的開關(guān)溫度控制,開關(guān)溫度在-30120oC范圍內(nèi)變化。,（a）減小電流增益，導(dǎo)致開關(guān)溫度升高 （c）增加電流增益，導(dǎo)致開關(guān)溫度降低,1. 溫度開關(guān) 溫控晶閘管最簡單的應(yīng)用電路如圖 4.30所示。,4.8.4 溫敏晶閘管的應(yīng)用,2. 火災(zāi)報(bào)警電路 圖4.31所示為火災(zāi)報(bào)警電路。,4.9 集成溫度傳感器,集成溫度傳感器是將溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一個(gè)芯片上的溫度傳感器。 最大的優(yōu)點(diǎn)：輸出結(jié)果與絕對(duì)溫度成正比，即是理想的線性輸出。同時(shí)，集成溫度傳感器體積小、成本低、使用方便，因此廣泛用于溫度檢測(cè)、控制和許多溫度補(bǔ)償電路中。,溫敏晶體管的缺

34、點(diǎn)：Ube在Ic恒定條件下，與溫度并非是絕對(duì)線性關(guān)系；另外這種關(guān)系也不直接與任何溫標(biāo)(絕對(duì)、攝氏、華氏等)相對(duì)應(yīng)。此外溫敏晶體管Ube值在同一生產(chǎn)批量中，可能有100mv的離散性。 集成溫度傳感器采用：一對(duì)非常匹配的差分對(duì)管作為溫度敏感元件。使其直接給出正比于絕對(duì)溫度的嚴(yán)格的線性輸出。,1. 基本原理,BG1、 BG 2是雜質(zhì)分布種類完全相同的晶體管，它們分別在不同的集電極電流I1（I1）和I2 （I2）下工作。 R的電壓應(yīng)為BG1、 BG 2的基極發(fā)射極電壓差。,Ies1、 Ies2：BG1和BG2管的發(fā)射極反向飽和電流； Ae1、 Ae2：BG1和BG2管的發(fā)射極面積； Ies2/ Ies

35、1= Ae2/ Ae1，通過設(shè)計(jì)使= Ae2/ Ae1是與溫度無關(guān)的常數(shù)，這樣只要在電路設(shè)計(jì)中能保證I1/I2是常數(shù)，則式中Vbe就是溫度T的線性函數(shù)。 圖4.32電路常稱為PTAT(Proportional To Absolute Temperature絕對(duì)溫度比例）原理電路。,集成溫度傳感器按照其輸出信號(hào)的不同分： 電壓型 電流型 頻率型,1. 基本原理 電壓型集成溫度傳感器是指輸出電壓與溫度成正比的溫度傳感器。其核心電路如圖 4.33所示。,4.9.1 電壓型集成溫度傳感器,I1=I2，R1上壓降Vbe可表示為,4.9.1 電壓型集成溫度傳感器,則R1上電流為,BG5的射極電流與BG3、

36、BG4上相同（Ic5=I1)，所以,電路的溫度系數(shù)(靈敏度)為,由此可見，只要R2： R1為一常數(shù)，就可以得到正比于絕對(duì)溫度的輸出電壓V0。R1940歐、R230千歐、 為37，則T = 10mV/K。,2. 電壓型集成溫度傳感器的電路結(jié)構(gòu)及性能 常用的電壓型集成溫度傳感器為四端輸出型，代表性的型號(hào)有 SL616、LX5600/5700、LM3911、UP515/610A-C和UP3911等。 其線路由基準(zhǔn)電壓、溫度傳感器（PTAT核心電路）和運(yùn)算放大器部分組成。溫度傳感是核心電路，原理是輸出電壓與溫度成正比。,4.9.1 電壓型集成溫度傳感器,參數(shù)：-40 120oC,靈敏度10mv/K，線

37、性偏差0.5%2%，長期穩(wěn)定性0.3%，測(cè)量精度4K。 典型應(yīng)用： 1、輸入與輸出短接，運(yùn)放起緩沖器的作用（電壓跟隨器），輸出為10mv/K T，即是PTAT的輸出值。,1,2,3,4,1,2,3,4,6.85v,電路中的1腳、2腳相連，第3腳與1，2腳之間具有10mV/K的溫度系數(shù)，而且輸出電壓V0=(10mVK)T，T為絕對(duì)溫度。,負(fù)電源、正電源接法應(yīng)用電路,例,2、若給輸入端加上偏置電壓，那么傳感器的零輸出將由0K移到與偏置電壓對(duì)應(yīng)的溫度。若所加偏壓為2.73V，零輸出溫度為2.73V/ 10mv/K=273K（即0oC) ？若要使零輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為20oC，則輸入端加偏置電壓為多少？

38、 （273+20）K10mv/K=2.93v,1,2,3,4,1,2,3,4,1. AD590的基本原理,4.9.2 電流型集成溫度傳感器（ AD590 ）,T3和 T4集成在一起，作為電流鏡向恒流源：I1=I2 電路的總電流 IT：,為了使IT隨溫度線性變化，電阻必須選用具有零溫度系數(shù)的薄膜電阻。則電流溫度系數(shù)為,如取8，R=358，則電流溫度系數(shù)CT可調(diào)整為1A/K,2. AD590的結(jié)構(gòu)及性能 AD590是美國哈里斯 （Harris）公司生產(chǎn)的采用激光修正的精密集成溫度傳感器。AD590有種封裝形式：T0-52封裝、陶瓷封裝 （ 測(cè)量范圍均為 50 150）和 T0-92封裝 （ 測(cè)溫范

39、圍是 070） 。,4.9.2 電流型集成溫度傳感器（ AD590 ）,1腳為正極，接電流輸入；2腳為負(fù)極，接電流輸出； 3腳接管殼。,AD590等效于一個(gè) 高阻抗的恒流源。 1A/K 輸出電流微安數(shù)就代表著 被測(cè)溫度的熱力學(xué)溫標(biāo)數(shù)。,例,4.11 熱電傳感技術(shù)工程應(yīng)用舉例,由于不同種類的電阻溫度傳感器的溫度系數(shù)有很大差異，在一定的檢測(cè)溫度范圍內(nèi)精度要求不高的場(chǎng)合，可直接把電阻溫度傳感器與簡單的指示器（ 指示燈、磁電式電流表等）連接，進(jìn)行溫度的測(cè)量與指示。 應(yīng)用：汽車水溫測(cè)量、自動(dòng)熱水器、冰箱的溫度控制等。,4.11.1 溫度檢測(cè)及指示,利用熱敏電阻的溫度特性對(duì)各種晶體管、集成電路以及其他電子

40、電路和電子元器件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。,4.11.2 溫度補(bǔ)償電路,PTC,Ie,作為防災(zāi)和過熱保護(hù)的連接方式有直接保護(hù)和間接保護(hù)兩種形式。 圖4.53為PTC電阻對(duì)馬達(dá)、變壓器的過熱保護(hù)電路,4.11.3 過熱保護(hù),由于 PTC熱敏電阻從兩端加上電壓開始，到電阻增加到確定值需要一定的時(shí)間，所以可用作延遲。圖4.54給出一種延遲開關(guān)原理圖.,4.11.4 自動(dòng)延時(shí)電路,圖4.55為空調(diào)機(jī)、電冰箱和電風(fēng)扇微風(fēng)檔等設(shè)備的馬達(dá)啟動(dòng)原理電路。,4.11.4 自動(dòng)延時(shí)電路,L2附加啟動(dòng)繞阻,R T：相當(dāng)于自動(dòng)通斷的無觸點(diǎn)開關(guān),圖4.56為NTC熱敏電阻與繼電器組成的控溫電路。,4.11.5 控溫電路,初始：T低

41、，橋路平衡UAB=0 將溫度控制在T0附近,圖4.57所示為由單片集成穩(wěn)壓器W723組成的恒溫箱溫度控制電路。將恒溫箱溫度變化控制在1以內(nèi)。,4.11.5 控溫電路,圖4.58為一實(shí)用降溫報(bào)警器電路。,4.11.6 降溫報(bào)警器,4.11.7 溫度控制器,運(yùn)放接成滯回電壓比較器 初始：T低-UBE高 溫度控制在T0處（THL-TLH）范圍內(nèi),設(shè)U+為UT0,溫度為T0的參考電壓 溫度控制在T0,AD590控溫電路,感溫元件：NPN晶體管的be結(jié),感溫元件：AD590,4.11.8 攝氏溫度計(jì),SL616為電壓型集成溫度傳感器，溫度系數(shù)10mv/k, SL616內(nèi)部電路可分為溫度傳感器部分、穩(wěn)壓部分和運(yùn)算放大器部分。,1,2,3,電路中的1腳、2腳相連，第3腳與1，2腳之間具有10mV/K的溫度系數(shù)，而且輸出電壓V+=(10mVK)T，T為絕對(duì)溫度。,1、2腳接地，t為0OC時(shí)，v+=2.73v。調(diào)節(jié)39k和5k電位器使 V0為0,即2.7k電阻上壓降為2.73。 當(dāng)溫度為時(shí)，0 為 V0=v+ - 2.73v =(10mVK)(273+t ) - 2.73v =(10mV )t ,溫度范圍為55