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传感器第一章第1页，本讲稿共99页 定义：温度传感器是一种将定义：温度传感器是一种将温度变化温度变化转换为转换为电学量电学量变化的装置。变化的装置。用于检测温度和热量，也叫做用于检测温度和热量，也叫做热电式传感器热电式传感器。温度是与生活、科研、生产温度是与生活、科研、生产密切相关密切相关的物理量。的物理量。如如冰箱、空调、实验和生产环境等冰箱、空调、实验和生产环境等 是应用是应用最广泛最广泛的一种传感器。的一种传感器。简介第一章第一章 温度传感器温度传感器 第2页，本讲稿共99页n将将温度温度T变化转换为变化转换为电阻电阻变化的元件，主要有变化的元件，主要有金属热电阻、半导体陶瓷热敏电阻金属热电阻、半导体陶瓷热敏电阻(NTC、PTC、CTR)、半导体热电阻和高分子热敏电阻、半导体热电阻和高分子热敏电阻；n将将温度变化温度变化-电势电势的传感器，主要有的传感器，主要有热电偶热电偶和和PN结式传感器结式传感器；n将将温度温度变化变化-电流电流的传感器，的传感器，集成温度传感集成温度传感器。器。n将将热辐射热辐射-电学量电学量的器件，有的器件，有热释电探测器、热释电探测器、红外探测器；红外探测器；n新型的有光纤温度传感器、液晶温度传感器、新型的有光纤温度传感器、液晶温度传感器、智能温度传感器等等智能温度传感器等等简介分类分类classification 第3页，本讲稿共99页v1.1 1.1 电阻型温度传感器电阻型温度传感器v1.1.2 2 热电偶热电偶(thermocouple)v1.3 1.3 半导体半导体PNPN结型温度传感器结型温度传感器 (Semiconductor PN Junction)v1.4 1.4 其它温度传感器其它温度传感器 第一章第一章 温度传感器温度传感器 第4页，本讲稿共99页1.1 1.1 电阻型温度传感器电阻型温度传感器 v1.1.1 热电阻热电阻(Thermal Resistance)v1.1.2 热敏电阻热敏电阻（high sensitive T.R.）v1.1.3 半导体热电阻温度传感器半导体热电阻温度传感器 （Semiconductor T.R.）v1.1.4 电阻式温度传感器的应用电阻式温度传感器的应用 （Application of the T.R.sensors）第5页，本讲稿共99页R Rt t表示任意绝对温度时金属的电阻值表示任意绝对温度时金属的电阻值;R R0 0表示基准状表示基准状态态t t0 0时时的的电电阻阻值值;a a是是热电热电阻的温度系数（阻的温度系数（1/1/）,在一定的温度范在一定的温度范围围内，可近似地看内，可近似地看成一个常数成一个常数 用感温材料把温度转化为电阻变化，主要有用感温材料把温度转化为电阻变化，主要有金属热电阻、金属热电阻、半导体热电阻半导体热电阻和和半导体陶瓷电阻，半导体陶瓷电阻，将变化小的称将变化小的称热电阻热电阻，将变化大的称将变化大的称热敏电阻热敏电阻。一、金属一、金属热电热电阻的特性阻的特性characteristic 大多数金属大多数金属导导体的体的电电阻随温度阻随温度变变化的特性化的特性,其方程其方程:1.1.1 1.1.1 热热 电电 阻阻 第6页，本讲稿共99页选作感温电阻的材料的要求选作感温电阻的材料的要求:电阻温度系数要高电阻温度系数要高;high high R R 在测温范围内在测温范围内,化学、物理性能稳定化学、物理性能稳定;具有良好的输出特性具有良好的输出特性;具有比较高的电阻率具有比较高的电阻率;higher higher 具有良好的可加工性具有良好的可加工性,且价格便宜且价格便宜。Easy Easy machining,cheaper 第7页，本讲稿共99页1.1.铂热电阻铂热电阻(platinum T.R.)物理、化学性能稳定，是热电阻最佳材料，铂丝的电阻物理、化学性能稳定，是热电阻最佳材料，铂丝的电阻值与温度之间的关系：在值与温度之间的关系：在-190-19000范围内为范围内为:在在0 0630.755630.755范范围围内内为为:Rt、R0分别是温度为分别是温度为t和和t0 时的电时的电阻值，阻值，A，B，C是常数。是常数。第8页，本讲稿共99页 铂电阻铂电阻重现性最好、重现性最好、稳定性最好作为稳定性最好作为标准电阻温度计标准电阻温度计 用于高精度工业测量、温度的基准。用于高精度工业测量、温度的基准。一般测量精度较小时采用铜电阻。一般测量精度较小时采用铜电阻。铜丝在铜丝在-50-50150150内性能很稳定，且电阻与温度内性能很稳定，且电阻与温度的关系接近线性。表示为：的关系接近线性。表示为：但在但在-50-505050内为线性变化，可表示：内为线性变化，可表示：2 2.铜热电阻铜热电阻第9页，本讲稿共99页3.3.其它热电阻其它热电阻 铁和镍电阻铁和镍电阻较铂和铜高，较铂和铜高，也较大，做成体积小、灵也较大，做成体积小、灵敏度高的电阻温度计。敏度高的电阻温度计。铟电阻铟电阻适宜在适宜在-269-258用，测量精度高，灵敏度很高用，测量精度高，灵敏度很高，是铂电阻的，是铂电阻的10倍，但重现性差倍，但重现性差；锰电阻锰电阻适宜在适宜在-271-210用，灵敏度高，但脆性高用，灵敏度高，但脆性高，易损坏；，易损坏；碳电阻碳电阻适宜在适宜在-273-268.5 内使用，热容量小内使用，热容量小，灵，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但热稳定性较差。敏度高，价格低廉，操作简便，但热稳定性较差。第10页，本讲稿共99页1 1、结构：结构：将电阻丝将电阻丝双线绕双线绕在云母、石英、陶瓷、塑料等绝在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘架上，固定后外面再加上保护套管。缘架上，固定后外面再加上保护套管。2、测量电路：测量电路：用精度较高的电桥电路。用精度较高的电桥电路。为消除连接导线电阻随环境温度变化为消除连接导线电阻随环境温度变化 而造成的测量误差，而造成的测量误差，常采用三线和四线连接法。常采用三线和四线连接法。二、二、热电阻的结构及测量电路热电阻的结构及测量电路 第11页，本讲稿共99页三线连接法三线连接法 三线三线和和四线式接法四线式接法中要求：连接相邻桥臂的中要求：连接相邻桥臂的r r1 1和和r r2 2长度和温长度和温度系数度系数相等相等；三线中；三线中Ra的触点会导致电桥零点的不稳定的触点会导致电桥零点的不稳定四线中触点的不稳定不会破坏四线中触点的不稳定不会破坏电桥的平衡电桥的平衡。第12页，本讲稿共99页R R1 1、R R2 2、R R3 3固定电阻，固定电阻，R Ra a调零电阻，调零电阻，r r1 1、r r2 2、r r3 3、r r4 4为导线补偿电阻为导线补偿电阻。热电阻式温度计热电阻式温度计:优点：性能稳定，测量范围宽、精度高。优点：性能稳定，测量范围宽、精度高。缺点：需辅助电源，热容量大，限制用于动态测量。缺点：需辅助电源，热容量大，限制用于动态测量。措施：为避免电阻流过电流的加热，尽量使流过热电阻的电流措施：为避免电阻流过电流的加热，尽量使流过热电阻的电流降低，不影响测量精度，一般应小于降低，不影响测量精度，一般应小于10mA。第13页，本讲稿共99页正温度正温度系数热敏系数热敏电阻电阻PTCPositive Temperature Coefficient 负温度负温度系数热敏系数热敏电阻电阻NTC临界温度临界温度系数热敏系数热敏电阻电阻CTR1.1.2 1.1.2 热热敏敏电电阻阻 材料：某金属氧化物为基体、一些添加剂。用陶瓷工艺制成，材料：某金属氧化物为基体、一些添加剂。用陶瓷工艺制成，称半导体陶瓷称半导体陶瓷 其电阻对温度变化明显，温度系数比金属的大很多。其电阻对温度变化明显，温度系数比金属的大很多。热敏电阻热敏电阻Negative Temperature Coefficient Critical Temperature Resistor 第14页，本讲稿共99页一、一、热热敏敏电电阻特性参数阻特性参数 1.1.标称电阻值（标称电阻值（R R2525）：环境温度环境温度2525时的时的零功率零功率状态的阻值。状态的阻值。其大小取决于电阻的材料和几何尺寸。若在其大小取决于电阻的材料和几何尺寸。若在25252727则：则：2.电阻温度系数电阻温度系数(T)：指在规定的温度下单位温度变化使指在规定的温度下单位温度变化使阻值变化的相对值。阻值变化的相对值。T T决定了热敏电阻全部工作范围内对温度的灵敏度，决定了热敏电阻全部工作范围内对温度的灵敏度，%/%/。第15页，本讲稿共99页电阻型温度传感器3.3.时间时间常数常数()：表征表征电电阻的阻的热惯热惯性，性，其其值值等于在零功率等于在零功率测测量状量状态态下，当下，当环环境温度突境温度突变时变时阻阻值值从起始从起始值变值变化到最化到最终变终变化量的化量的63%63%时时所需的所需的时间时间4.4.额定功率（额定功率（P PE E）：在标准压力在标准压力750750mmHgmmHg和规定的最高温度下，和规定的最高温度下，电阻长期连续工作所允许的最大耗散功率。电阻长期连续工作所允许的最大耗散功率。实际中所消耗的功率不得超过实际中所消耗的功率不得超过PE 第16页，本讲稿共99页二、二、PTCPTC热热敏敏电电阻阻 -正温度系数热敏电阻，阻值随温度的升高而增大。正温度系数热敏电阻，阻值随温度的升高而增大。基体材料是基体材料是BaTiOBaTiO3 3，辅以稀土元素为添加剂，经陶瓷工艺辅以稀土元素为添加剂，经陶瓷工艺烧结制成。烧结制成。1.1.电阻温度特性电阻温度特性 曲线曲线中阻值随温度变化很中阻值随温度变化很陡，称为陡，称为突变型（开关型）突变型（开关型）阻值随温度变化缓慢，阻值随温度变化缓慢，称为称为缓变缓变PTCPTC热敏电阻。热敏电阻。第17页，本讲稿共99页n2.2.突变型突变型PTCPTC的的R R与与T T关系关系：nR R0 0 为标称温度下的阻值，为标称温度下的阻值，A A为材料常数。为材料常数。n3 3、缓变型、缓变型PTCPTC热敏电阻热敏电阻nR RT T与温度的关系近似为线性，即：与温度的关系近似为线性，即：n缓变型缓变型PTCPTC的的T T随温度而变化，适于温度补偿。随温度而变化，适于温度补偿。第18页，本讲稿共99页4 4、PTCPTC的静态伏安特性曲线的静态伏安特性曲线电电流流I(A)电压电压U(V)静静态态伏伏安安特特性性是是指指在在一一定定温温度度下下，于于静静止止的的空空气气中中PTCPTC两两端端的的电电压压降降与与电电阻阻稳稳态态电电流流之之间间的的关系，关系，曲曲线线可可分分为为ABAB、BCBC、CDCD三段。三段。第19页，本讲稿共99页三、三、NTCNTC热热敏敏电电阻阻1.1.NTCNTC电阻的温度特性电阻的温度特性由图知：由图知：阻值近似为：阻值近似为：B为材料常数,R0为T时的阻值 两边取对数有：两边取对数有：为直线，且为直线，且B B为直线的斜率：为直线的斜率：第20页，本讲稿共99页电阻温度系数为电阻温度系数为：并非常数，随并非常数，随T升高而迅速减小升高而迅速减小 2.NTC2.NTC静态伏安特性曲线静态伏安特性曲线 T T0 0时给时给NTCNTC上通电流上通电流I I，则电阻两端的，则电阻两端的电压电压U UT T为：为：oa段电压随电流而线性增大段电压随电流而线性增大ab段段,电压偏离线性但还随增加电压偏离线性但还随增加;bd段段,电压越过电压越过b点很快下降点很快下降de段段,电阻下降缓慢，电压也下降变电阻下降缓慢，电压也下降变可用于温度检测、温度补偿、控温等各种电路可用于温度检测、温度补偿、控温等各种电路第21页，本讲稿共99页 负温临界热敏电阻负温临界热敏电阻是指在是指在某一温度某一温度附近阻值发生突变，几附近阻值发生突变，几度的狭小温区内度的狭小温区内T T增加降低增加降低3 34 4个数量级的元件。阻值的个数量级的元件。阻值的突变点为突变点为临界温度点临界温度点。四、四、CTRCTR热敏电阻热敏电阻 对应的宏观对应的宏观开关温度（开关温度（Tc）定义为：电阻值下降到定义为：电阻值下降到某某一规定值一规定值（标称电阻的（标称电阻的80）时所对应的温度。）时所对应的温度。该规定值称该规定值称开关电阻（开关电阻（RcRc），），可按曲线求出切线在高阻端可按曲线求出切线在高阻端的交点的交点R Rh h和切线在低阻端的交点和切线在低阻端的交点R Rl l，算出，算出RcRc为：为：第22页，本讲稿共99页 第23页，本讲稿共99页 降值比降值比描述下降的快慢，即标称电阻描述下降的快慢，即标称电阻R R2525与最小电阻比值与最小电阻比值R Rminmin的对数，即的对数，即 降值比越大，开关特性越好。降值比越大，开关特性越好。由于由于CTRCTR电阻具有很大的负温度系数，可用作控温、电阻具有很大的负温度系数，可用作控温、报警、无触点开关等场合。报警、无触点开关等场合。第24页，本讲稿共99页五、热敏电阻的结构及其特点五、热敏电阻的结构及其特点珠状珠状 热敏电阻热敏电阻圆片型圆片型 方片型方片型 棒状棒状 厚薄膜厚薄膜型型 它们各自适用于不同的应用场合。它们各自适用于不同的应用场合。第25页，本讲稿共99页1.1.3 1.1.3 半导体热电阻温度传感器半导体热电阻温度传感器 Semiconductor T.R.利用利用电阻率电阻率随随温度变化温度变化的特性制成温度传感器。的特性制成温度传感器。一、工作原理一、工作原理 对于对于P P型半导体材料：型半导体材料：对于对于N N型半导体型半导体材料材料：其其主要决定于主要决定于载流子载流子(电子或空穴电子或空穴)浓度和迁移率。二者浓度和迁移率。二者都都与温度密切相关与温度密切相关,分别分析：分别分析：半导体材料的电阻率：半导体材料的电阻率：第26页，本讲稿共99页1.1.迁移率与温度的关系迁移率与温度的关系 载流子迁移率与载流子在电场作用下的散射机理有关。载流子迁移率与载流子在电场作用下的散射机理有关。声学波声学波散射迁移率散射迁移率s s 和和电离杂质散射迁移率电离杂质散射迁移率i i与温度的关系表示为：与温度的关系表示为：两种散射的关系：两种散射的关系：说明了迁移率随温度的变化说明了迁移率随温度的变化与掺杂浓度与掺杂浓度N Ni i有关有关。第27页，本讲稿共99页2.2.电阻率与温度的关系电阻率与温度的关系 本征本征半导体的半导体的主要由本征载流子浓度主要由本征载流子浓度n ni i 决定。决定。ni 随温度上升而急剧增加。随温度上升而急剧增加。随温度随温度增加而增加而单调地下降单调地下降，区别于金属的一个重，区别于金属的一个重要特征。要特征。杂质半导体杂质半导体，n、p受受杂质电离杂质电离Ni和本征激发和本征激发影响，有电离杂质散影响，有电离杂质散射和晶格散射两种散射机构，因射和晶格散射两种散射机构，因而而随温度的变化关系更复杂。随温度的变化关系更复杂。第28页，本讲稿共99页二、硅热电阻的结构和工艺二、硅热电阻的结构和工艺 有两种结构形式有两种结构形式一是一是棒状棒状 R（图（图a a、b b），二是），二是扩散电阻型扩散电阻型 R（图（图c c）。）。结构结构:第29页，本讲稿共99页工艺流程工艺流程:电阻型温度传感器第30页，本讲稿共99页1.1.电阻一温度特性电阻一温度特性 当硅电阻温度传感器处于当硅电阻温度传感器处于正向正向偏置偏置时，在时，在5555175175内，内，电阻电阻值值随随温度温度的升高而增大，具有较好的升高而增大，具有较好的线性度。的线性度。如果硅热电阻处于如果硅热电阻处于反向偏置反向偏置，当温度上升到当温度上升到120120以上时，开始以上时，开始本征激发，产生大量的电子本征激发，产生大量的电子-空空穴对，使电阻值突然下降穴对，使电阻值突然下降。三、硅热电阻的特性三、硅热电阻的特性第31页，本讲稿共99页电阻型温度传感器2.2.电阻温度系数电阻温度系数硅硅电阻温度系数电阻温度系数T T：第32页，本讲稿共99页3、硅电阻与电流的关系、硅电阻与电流的关系 不同的温度下不同的温度下，当电流超过当电流超过1mA1mA时，时，电阻就会增大电阻就会增大，是，是因因电流的自身热效应电流的自身热效应使电使电阻增大。因此，工作电阻增大。因此，工作电流应流应小于小于1mA1mA为宜为宜。第33页，本讲稿共99页一、温度检测及指示一、温度检测及指示 1 1、简单的测量温度原理图、简单的测量温度原理图 具体测量时，给电具体测量时，给电路加上调零电阻路加上调零电阻,用用四线接法四线接法将将R Rt t拉到被测现场。拉到被测现场。第34页，本讲稿共99页2、流量测量的原理图、流量测量的原理图 当流速当流速V Vl l=0=0时，用时，用R Ra a调调零，使检流计为零，使检流计为0 0。当当V Vl l00时，时，NTCNTC电阻电阻R Rt1t1与与R Rt2t2的阻值变化不同，的阻值变化不同，使流过电流表的电流使流过电流表的电流发生变化。发生变化。第35页，本讲稿共99页二、温度补偿电路二、温度补偿电路 1.1.热敏电阻热敏电阻NTC NTC 对晶体管对晶体管V Vbebe的补偿电路图的补偿电路图 温度升高时温度升高时,晶体管的晶体管的V Vbebe下降，而下降，而NTCNTC的的R Rt t下降，即下降，即R Rt t/R/Rbb减小，减小，使使R Ra a上压降下降，补偿了上压降下降，补偿了V Vbebe的的下降。下降。第36页，本讲稿共99页2.PTC2.PTC对晶体管对晶体管I Ie e的补偿电路图的补偿电路图 温度补偿元件为温度补偿元件为缓变缓变型型PTCPTC电阻，电阻，T T升高升高R Rt t增大，增大，补偿了因补偿了因V Vbebe下降而使下降而使I Ie e的增加。的增加。第37页，本讲稿共99页三、过热保护三、过热保护 1.PTC1.PTC电阻对马电阻对马达保护电路图达保护电路图按下按下K K时时PTCPTC R RT T较小，其上电流较小，其上电流大，吸合，大，吸合，M M转动，又自动转动，又自动打开，电源通过给打开，电源通过给M M、RT供电供电,M M转动温度升高转动温度升高,R,RT T值值增大使其上分流下降增大使其上分流下降,当当M M温温度过高度过高T TRTRT时时,断开断开,保护了保护了M M过热状态。过热状态。第38页，本讲稿共99页2.变压器保护电路图变压器保护电路图接上电源接上电源,起始起始R RT T较小较小,TR,TR上电流大上电流大,功耗也大功耗也大,T,T上升；上升；R RT T随之增加随之增加,电流又减小电流又减小,TRTR功耗减小功耗减小,自动防止了自动防止了TRTR过热。过热。第39页，本讲稿共99页四、四、延时延时 给给PTCPTC加电压，功耗使阻值增加需时间，可用作延迟。加电压，功耗使阻值增加需时间，可用作延迟。1.自动延时电路原理图自动延时电路原理图接电时接电时R RT T较小分流大，较小分流大，J J因电流小因电流小不动，灯没亮；不动，灯没亮；一定时间后一定时间后R RT T因功因功耗而增大分流减小，耗而增大分流减小，J J上电流增大上电流增大到可动值动。到可动值动。即即J J动作延迟，灯延迟开，延迟时动作延迟，灯延迟开，延迟时间可由间可由R R0 0调节。调节。第40页，本讲稿共99页2.马达启动原理图马达启动原理图 M M启启动需动需较大较大启动功率，正常运转启动功率，正常运转所需所需功率大大功率大大减小。减小。常给单相电机装上常给单相电机装上附加启动绕附加启动绕组组L L2 2，L L2 2只在启动时工作，而当只在启动时工作，而当运转正常后自动断开。运转正常后自动断开。PTCPTC充当自动通断的无触点开关。充当自动通断的无触点开关。原理原理是把是把PTCPTC与与L L2 2串联，串联，RT冷态电阻冷态电阻远小于远小于L L2 2阻阻抗抗R RL2L2，对启动电流没影响。，对启动电流没影响。随着随着R RT T被加热被加热电阻值升高，电阻值升高，当电阻值升高到远大于当电阻值升高到远大于R RL2L2时，时，启动绕组视同切断启动绕组视同切断。第41页，本讲稿共99页五、控温电路五、控温电路 1.NTC1.NTC的控温电路原理图的控温电路原理图 当当T T降到降到 T0时时，电桥输出使线圈电，电桥输出使线圈电流大到足以使流大到足以使J动作时动作时J触点触点断开，停止加热。断开，停止加热。第42页，本讲稿共99页2.2.恒温箱温度控制原理图恒温箱温度控制原理图W723单片集成稳压器：单片集成稳压器：V VZ Z和和V V-给给测温电桥测温电桥供电，供电，V+V+和和V-V-给给J J供电供电。当当TTT T T0 0 T后后V VO O使得使得T T导通，导通，J J动作停止加热；自然降温动作停止加热；自然降温;T;TTTTT0 0），则微），则微安表上会有一定读数。安表上会有一定读数。若将若将T T0 0触点分开，则端口产生与触点分开，则端口产生与T T、T T0 0及导体材料及导体材料A A、B B有关的电势有关的电势E EABAB(T,T(T,T0 0)，即，即塞贝克电势塞贝克电势。第47页，本讲稿共99页热电偶回路的总电势为回路的总电势为:式中式中TABTAB为热电势率或塞贝克系数，其值与感热材料和两接点为热电势率或塞贝克系数，其值与感热材料和两接点的温度有关。的温度有关。热电效应热电效应帕尔贴效应帕尔贴效应汤姆逊效应汤姆逊效应Thermal electric effect第48页，本讲稿共99页式中式中k k0 0为波尔兹曼常数；为波尔兹曼常数；q q为电子电量；为电子电量；n nA A、n nB B分别为分别为A A和和B B的的T T时自由电子密度。时自由电子密度。1.1.珀尔帖电势珀尔帖电势将两种金属在同温度接触，设将两种金属在同温度接触，设A A中中自由自由电子的密度电子的密度比比B B的大，在界面处自由的大，在界面处自由电子将从电子将从A A扩散到扩散到B B，则，则A A失去电子失去电子带正带正电电，B B得到电子得到电子带负电带负电，在接触处形，在接触处形成自建电场，使电子由成自建电场，使电子由B B向向A A漂移，漂移，当当扩散与漂移达到扩散与漂移达到平衡时，平衡时，在接触面在接触面附近产生附近产生一个稳定的电动势称为一个稳定的电动势称为珀尔帖电势珀尔帖电势，又称，又称接触电势，接触电势，其大小可表其大小可表示为：示为：第49页，本讲稿共99页式中式中A A称为称为汤姆逊系数汤姆逊系数，它表示温差，它表示温差11时所产生的电势差。时所产生的电势差。2.2.汤姆逊汤姆逊电势电势一一热热电电效效应应 设一均质导体棒设一均质导体棒两端两端的温度不同，则高、低温端有的温度不同，则高、低温端有温度梯温度梯度度，高温端（，高温端（T T）的自由电子具有较高的动能而向低温端（）的自由电子具有较高的动能而向低温端（T T0 0）扩散快，）扩散快，T T端失去电子带正电，端失去电子带正电，T T0 0端得到电子带负电，端得到电子带负电，形成形成内建电场内建电场，电场使电子由低温端向高温端漂移，当扩，电场使电子由低温端向高温端漂移，当扩散与漂移达到平衡时，散与漂移达到平衡时，T T与与T T0 0端产生一稳定的电势差称为端产生一稳定的电势差称为汤姆汤姆逊电势逊电势或或温差电势温差电势。此温差电势表示为：。此温差电势表示为：第50页，本讲稿共99页 热电极热电极A A、B B组成的热电偶回路，当温度组成的热电偶回路，当温度TTTT0 0时，时，式中式中E EABAB(T)(T)为热端的热电势为热端的热电势,E,EABAB(T(T0 0)为冷端的热电势。为冷端的热电势。3 3、回路的总热电势、回路的总热电势E EABAB讨论讨论：两点温度相同时两点温度相同时珀尔帖电势珀尔帖电势大小相等方向相反，汤姆逊电势为零，大小相等方向相反，汤姆逊电势为零，E EABAB(T(T0 0,T,T0 0)=0)=0；当两相同金属组成热电偶时，接点温度不同，但接点处珀尔帖电势皆当两相同金属组成热电偶时，接点温度不同，但接点处珀尔帖电势皆为零，两个汤姆逊电势大小相等方向相反，故回路总电势仍为零；为零，两个汤姆逊电势大小相等方向相反，故回路总电势仍为零；只有两不同材料组成热电偶、且只有两不同材料组成热电偶、且T,TT,T0 0不同，才有不同，才有热电势热电势E EABAB(T,T(T,T0 0)=E(T)-E)=E(T)-E(T(T0 0)；当当T T0 0保持不变保持不变E(TE(T0 0)为常数，为常数，E EABAB(T,T(T,T0 0)仅为热端温度仅为热端温度T T的函数，即的函数，即E EABAB(T,T(T,T0 0)=E(T)-C)=E(T)-C；两端点的温差越大，回路的总电势也越大，且；两端点的温差越大，回路的总电势也越大，且E EABAB(T,T(T,T0 0)与与T T有单值对应关系，这就是有单值对应关系，这就是热电偶的测温公式。热电偶的测温公式。第51页，本讲稿共99页二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律 1.1.均质导体定律：均质导体定律：两均质金属（两均质金属（均匀均匀）组成热电偶的）组成热电偶的电势电势大小与大小与热电极的直径、长度及沿电极长度方向上的温度分热电极的直径、长度及沿电极长度方向上的温度分布布无关无关，只与热电极材料和温度有关。，只与热电极材料和温度有关。2.2.标准电极定律标准电极定律：若三个热电偶工作端温度都为若三个热电偶工作端温度都为T，参考，参考端温度都为端温度都为T0，两种金属组成热电偶的热电势可用，两种金属组成热电偶的热电势可用它们分别与它们分别与第三种金属第三种金属组成热电偶的热电势之差来表示。组成热电偶的热电势之差来表示。第52页，本讲稿共99页3.3.中间导体定律中间导体定律 4.4.中间温度定律中间温度定律 若在热电偶的参考端接入若在热电偶的参考端接入第三种均质金属第三种均质金属,被插入金属被插入金属两端温度相同（两端温度相同（T T0 0），则），则回路总热电势回路总热电势为三个接触为三个接触电势与温差电势的代数和，为：电势与温差电势的代数和，为：可见，只要所插入的导体两端温度与参考点相同，不会影响原来可见，只要所插入的导体两端温度与参考点相同，不会影响原来热电势的大小热电势的大小,即中间导体定律。即中间导体定律。热电偶的接点温度为热电偶的接点温度为T T、T T0 0时，其热电势等于该时，其热电势等于该热电偶在接点温度为热电偶在接点温度为T T、T Tn n和和T Tn n、T T0 0时相应的热电势时相应的热电势的代数和的代数和,即：即：第53页，本讲稿共99页1.1.2 2 热电偶热电偶 v1.2.1 热电偶的基本原理 v1.2.2 热电偶的种类和结构 v1.2.3 热电偶的实用测量电路 第54页，本讲稿共99页热电偶一、热电极材料一、热电极材料 一般的热电极材料必须具有以下一般的热电极材料必须具有以下特性特性：1.1.在测量范围内，热电势与在测量范围内，热电势与T T的对应关系的对应关系不随时间而变化不随时间而变化，且，且有足够的物理、化学稳定性。有足够的物理、化学稳定性。2.2.热电势要热电势要足够大足够大，易于测量、误差小，且热电势与，易于测量、误差小，且热电势与T T为单值关系，为单值关系，线性关系或简单的函数关系。线性关系或简单的函数关系。3.3.电阻温度系数小电阻温度系数小 ，电导率高，否则其电阻，电导率高，否则其电阻将随将随T T而有较大变化，影响测量结果的准确性。而有较大变化，影响测量结果的准确性。4.4.材料的机械强度高，易制成标准分度，工艺简单，价格便宜。材料的机械强度高，易制成标准分度，工艺简单，价格便宜。第55页，本讲稿共99页热电偶二、热电偶的种类二、热电偶的种类 按按标准化和非标准化标准化和非标准化简单介绍几种常用热电偶：简单介绍几种常用热电偶：铂铑铂热电偶（铂铑铂热电偶（WRLBWRLB）铂铑铂铑热电偶（铂铑铂铑热电偶（WRLLWRLL）镍铬镍硅镍铬镍硅 镍铬镍铝（镍铬镍铝（WREUWREU）镍铬考铜（镍铬考铜（WREAWREA）标准化热电偶标准化热电偶 非标准化热电偶非标准化热电偶 铁康铜热电偶铁康铜热电偶 钨钼热电偶钨钼热电偶 钨铼系热电偶钨铼系热电偶 热解石墨热电偶热解石墨热电偶 第56页，本讲稿共99页三、热电偶的结构三、热电偶的结构 珠形绝缘子热电偶珠形绝缘子热电偶 双孔绝缘热电偶双孔绝缘热电偶 石棉绝缘管热电偶石棉绝缘管热电偶 两个热电极，且一个端点紧密焊接在一起。热电极两个热电极，且一个端点紧密焊接在一起。热电极间通常间通常用耐高温绝缘材料用耐高温绝缘材料绝缘，不同测温范围，可选不绝缘，不同测温范围，可选不同的绝缘材料。同的绝缘材料。第57页，本讲稿共99页四、热电偶的冷端温度补偿四、热电偶的冷端温度补偿 1.1.恒温法恒温法 将热电偶的冷端置于恒温器中，若恒温器温度调到将热电偶的冷端置于恒温器中，若恒温器温度调到00，电压表读数对应的温度为实际温度，即冷端温度误差得到解决。电压表读数对应的温度为实际温度，即冷端温度误差得到解决。若恒温器温度为若恒温器温度为T T0 0，则冷端误差为：，则冷端误差为：冷端恒温示意图冷端恒温示意图 可见，可见，T T0 0恒定时，冷端误差恒定时，冷端误差为常数，只要在回路中加入为常数，只要在回路中加入相应的修正电压，或相应的修正电压，或调整指调整指示装置示装置的起始值就能实现完的起始值就能实现完全补偿。全补偿。第58页，本讲稿共99页2.2.冷端自动补偿法冷端自动补偿法原理图原理图 是在是在热电偶热电偶和和测量仪表测量仪表间接间接一个一个电桥补偿器电桥补偿器，其中，其中R R1 1,R,R2 2,R,R3 3固定，固定，R RT T随随T T变化。变化。当热电偶当热电偶冷端冷端T T升高升高时，回时，回路中路中总电势降低总电势降低，同时补偿，同时补偿器中器中R RT T变化使变化使abab间产生一个间产生一个电位差电位差，设计时让其值正，设计时让其值正好补偿热电偶降低的量，好补偿热电偶降低的量，达到自动补偿达到自动补偿 第59页，本讲稿共99页1.1.2 2 热电偶热电偶 v1.2.1 热电偶的基本原理 v1.2.2 热电偶的种类和结构 v1.2.3 热电偶的实用测量电路 第60页，本讲稿共99页1.2.3 1.2.3 热电偶的实用测量电路热电偶的实用测量电路一、单点温度测量电路一、单点温度测量电路二、两点间温差的测量电路二、两点间温差的测量电路 两同型号热电偶，且补偿导线两同型号热电偶，且补偿导线相同，使各自产生的热电势相互抵相同，使各自产生的热电势相互抵消，仪表读数即为消，仪表读数即为T T1 1和和T T2 2的温度差。的温度差。总电势为总电势为E EABAB(T,T(T,T0 0)，流过测温毫，流过测温毫伏计的电流与伏计的电流与T T一一对应，即在表一一对应，即在表上可标出上可标出T T的刻度。的刻度。第61页，本讲稿共99页三、平均温度测量电路三、平均温度测量电路 将同型号的热电偶并联。R1,R2,R3阻值很大，以免T1,T2,T3不等时每个热电偶上的电流会因其热电偶电阻变化而变化。缺点：若一个热电偶被烧断，仪表反映不出 回路中总的热电势为：回路中总的热电势为：四、若干点温度之和的测量电路四、若干点温度之和的测量电路 第62页，本讲稿共99页1.3 1.3 半导体半导体PNPN结型温度传感器结型温度传感器 v1.1.3.1 3.1 PNPN结型温度传感器结型温度传感器 v1.1.3.2 3.2 集成温度传感器集成温度传感器v1.1.3.3 3.3 温敏闸流晶体管温敏闸流晶体管v1.3.4 1.3.4 半导体结型温度传感器的应用半导体结型温度传感器的应用第63页，本讲稿共99页一、二极管温度传感器一、二极管温度传感器 由由PNPN结理论可知，其正向电流结理论可知，其正向电流I If f与与V Vf f的关系：的关系：I I0 0为反向为反向，B B、与材料和工艺有关常与材料和工艺有关常数，数，qVqVg0g0为禁带宽度为禁带宽度耗尽区复合电流和表面复合电耗尽区复合电流和表面复合电流使偏离线性流使偏离线性 当当I If f不变时，不变时，PNPN结结V Vf f随随T T的上升而下降，近似线性关系。的上升而下降，近似线性关系。对于硅对于硅V Vf f=0.65V,=0.65V,T=300K,=3.5时，计算知，时，计算知，T为为-2mV/K。说明每升高说明每升高1，Vf就就下降约下降约2mV。第64页，本讲稿共99页二、晶体管温度传感器二、晶体管温度传感器 1.1.基本原理基本原理 式中式中V Vg0g0=E=Eg0g0/q/q，A A为发射结面积、为发射结面积、n n与材料和工艺有关的常数与材料和工艺有关的常数 当当Ic一定且一定且T不太高时不太高时，Vbe基本与基本与T线性关系线性关系；当温度较高时，产生一定的非线性偏移。当温度较高时，产生一定的非线性偏移。2.2.晶体管温度传感器的结构晶体管温度传感器的结构 由晶体管原理知，由晶体管原理知，NPNNPN的的V Vbebe与与T T的关系为的关系为:检测温度时检测温度时除温敏三极管外除温敏三极管外附加外围电路实现附加外围电路实现I Ic c恒定。恒定。通常外围电路通常外围电路包括包括参考电压源参考电压源运放运放线性电路等部分。线性电路等部分。第65页，本讲稿共99页3、晶体管温度传感器基本电路、晶体管温度传感器基本电路由由运放运放和和温敏三极管温敏三极管组成组成,C,C防止寄生振荡。防止寄生振荡。T T为反馈元件跨接在运放的反相输入端和为反馈元件跨接在运放的反相输入端和输出端，基极接地。输出端，基极接地。T T的集电极的集电极I Ic c仅取决于仅取决于R Rc c和电压和电压E,IE,Ic c=E/R=E/Rc c，与温度无关，保证了恒流源工作条件。，与温度无关，保证了恒流源工作条件。电电压压V Vbebe随随T T近似线性下降近似线性下降。第66页，本讲稿共99页1.3.2 1.3.2 集成温度传感器集成温度传感器 电阻电阻R R1 1的压降的压降VVbebe为：为：BGBG1 1和和BGBG2 2晶体管的杂质分布种类完晶体管的杂质分布种类完全相同，且都处于正向工作状态，全相同，且都处于正向工作状态，J J0 0相同。相同。一、基本原理一、基本原理 I Ieses为发射结反向饱和电流，若为发射结反向饱和电流，若A Aeses为为发射结面积发射结面积，且，且A Ae2e2/A Ae1e1=与温度无关的常数，保证与温度无关的常数，保证I I1 1/I I2 2常数，常数，V Vbebe是是T T的理想的线性函数的理想的线性函数。（Proportional To Absolute Temperature）第67页，本讲稿共99页二、电压型集成温度传感器二、电压型集成温度传感器 1.1.基本原理基本原理 故故则电路的温度系数为则电路的温度系数为:R R1 1上上V Vbebe为：为：-指输出电压与指输出电压与T T成正比的温度传感器成正比的温度传感器只要电阻比为常数只要电阻比为常数,正比于正比于T T。而输出电压的温度而输出电压的温度灵敏度即灵敏度即T T可由可由R R2 2/R/R1 1和和BGBG1 1,BG,BG2 2射极面积比来调射极面积比来调整。整。BG3 BG3、BG4BG4、BG5 PNPBG5 PNP的结构和性能完全相同，的结构和性能完全相同，BG3BG3与与BG4BG4组成恒流源，且两者射极电流相同组成恒流源，且两者射极电流相同(称为电流镜称为电流镜)第68页，本讲稿共99页2 2电路结构及应用电路结构及应用 由由基准电压基准电压、温度传感器温度传感器和和运放运放三部分组成。三部分组成。PTAT是核是核心电路，原理是输出电压与心电路，原理是输出电压与T