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第四章热电传感器本讲稿第一页，共五十七页我国目前实行的是我国目前实行的是19901990年国际温标年国际温标(ITS(ITS9090）定义国际开尔文温度（定义国际开尔文温度（T90T90）国际摄氏温度（国际摄氏温度（t90t90）；）；T90 T90：单位（：单位（K K）开尔文）开尔文 t90 t90：单位（：单位（C C）摄氏）摄氏 两者关系为：两者关系为：t90/t90/=T90/K =T90/K 273.15 273.15 或或 t/t/=T/K=T/K 273.15 273.15温度单位：热力学温度是国际上公认的最基本温度本讲稿第二页，共五十七页 温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如家用电器生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如家用电器生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如家用电器生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都少不了热电式传感器。少不了热电式传感器。少不了热电式传感器。少不了热电式传感器。概述概述本讲稿第三页，共五十七页热电式传感器是一种将温度变化转换为电量的装置。它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性来进行测量的。例如将温度变化转换为电阻、热电动势、热膨胀、导磁率等的变化，再通过适当的测量电路达到检测温度的目的。概述本讲稿第四页，共五十七页概述概述 各种热电偶各种热电偶本讲稿第五页，共五十七页概述概述 各种热电阻各种热电阻本讲稿第六页，共五十七页 热电式传感器按工作原理主要有以下几类：热电式传感器按工作原理主要有以下几类：热电偶热电偶热电偶热电偶，利用金属温差电动势，有耐高温、精度高的特点；利用金属温差电动势，有耐高温、精度高的特点；利用金属温差电动势，有耐高温、精度高的特点；利用金属温差电动势，有耐高温、精度高的特点；热电阻热电阻热电阻热电阻，利用导体电阻随温度变化，测温不高；，利用导体电阻随温度变化，测温不高；，利用导体电阻随温度变化，测温不高；，利用导体电阻随温度变化，测温不高；热敏电阻热敏电阻，利用半导体材料随温度变化测温，体积小、灵，利用半导体材料随温度变化测温，体积小、灵，利用半导体材料随温度变化测温，体积小、灵，利用半导体材料随温度变化测温，体积小、灵敏度高、稳定性差；敏度高、稳定性差；敏度高、稳定性差；敏度高、稳定性差；集成温度传感器集成温度传感器集成温度传感器集成温度传感器，利用晶体管，利用晶体管，利用晶体管，利用晶体管PNPNPNPN结电流、电压随温度变化，结电流、电压随温度变化，结电流、电压随温度变化，结电流、电压随温度变化，有专用集成电路，体积小、响应快、价廉，测量有专用集成电路，体积小、响应快、价廉，测量有专用集成电路，体积小、响应快、价廉，测量有专用集成电路，体积小、响应快、价廉，测量150150以下温以下温度。度。概述概述本讲稿第七页，共五十七页4.6.1 4.6.1 热电偶热电偶1 1 1 1 热电效应热电效应两种不同类型的金属导体两端，分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等（TT0）有温差时，回路里会产生热电势，形成电流。这种现象称为热电效应。利用这种效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。本讲稿第八页，共五十七页 固定温度的接点称基准点（冷端）T0，恒定在某一标 准温度；待测温度的接点称测温点（热端）T，置于被测温度 场中。这种将温度转换成热电动势的传感器称为热电偶，金属称热电极。本讲稿第九页，共五十七页热电效应热电效应热电效应热电效应 1、两种导体的接触电势（珀尔帖效应）不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会产生电子扩散，浓度大的向浓度小的金属扩散。浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。本讲稿第十页，共五十七页热电效应热电效应温度T时热端接触电势：冷端（T0）接触电势：式中：式中：A、B 代表不同材料；T，T0 为两端温度；k波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；e 电子电荷量；电子电荷量；是是A A、B B 材料的电子浓度；材料的电子浓度；本讲稿第十一页，共五十七页热电效应热电效应热电效应热电效应在闭合回路中，总的接触电势为：本讲稿第十二页，共五十七页热电效应热电效应热电效应热电效应2、单一导体的温差电势（汤姆逊电势）、单一导体的温差电势（汤姆逊电势）对单一金属如果两边温度不同，两端也产生电势。产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具 有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失 去电子带正电，低温端得到电子带负电。去电子带正电，低温端得到电子带负电。本讲稿第十三页，共五十七页 A A、B B 两导体构成闭合回路总的温差电势为两导体构成闭合回路总的温差电势为：单一导体的温差电势为：单一导体的温差电势为：:汤姆逊系数本讲稿第十四页，共五十七页热电效应热电效应热电效应热电效应根据两导体的接触电势（珀尔帖电势）和单一导体根据两导体的接触电势（珀尔帖电势）和单一导体温差电势（汤姆逊电势）。温差电势（汤姆逊电势）。热电偶总的热电势为：热电偶总的热电势为：本讲稿第十五页，共五十七页热电效应热电效应结论：1.热电偶两电极材料相同，NA=NB时，无论两端点温度如何，总热电势为零；2.如果热电偶两接点温度相同，T=T0时，A、B材料不同，回路总电势为零；热电偶产生热电势的必要条件:热电偶必须用不同材料做电极；在T、T0两端必须有温差梯度.本讲稿第十六页，共五十七页热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律1、均质导体定律两种均质导体，其电势大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时，将产生附加热电势，造成无法估计的测量误差。本讲稿第十七页，共五十七页2 2 热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律2 2、中间导体定律、中间导体定律、中间导体定律、中间导体定律如果将热电偶如果将热电偶T0 0端断开，端断开，端断开，端断开，接入第三导体接入第三导体C，回路中，回路中 电势电势EABAB（T T，T T0 0）应写为）应写为）应写为）应写为：本讲稿第十八页，共五十七页2 2 2 2。热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律设设 时，时，将将 代入上式有：代入上式有：本讲稿第十九页，共五十七页2 2 热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律结论：当引入第三导体C时，只要C导体两端温度相同，回路总电势不变，根据这一定律，将导体C作为测量仪器接入回路，就可以由总电势求出工作端温度，条件是：保证两端温度一致。本讲稿第二十页，共五十七页2 2 热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律3 3、参考电极定律（中间温度定律）、参考电极定律（中间温度定律）、参考电极定律（中间温度定律）、参考电极定律（中间温度定律）当结点温度为当结点温度为当结点温度为当结点温度为T、T0 0时的热电势时的热电势E EABAB（T,T T0 0）等于结点温度等于结点温度等于结点温度等于结点温度 T T、Tc c和和 Tc c、T T0 0 时，热电势时，热电势与与 的代数和为：的代数和为：实际测量时，利用这一性实际测量时，利用这一性 质，对参考端温度不为零质，对参考端温度不为零 度时的热电势进行修正。度时的热电势进行修正。本讲稿第二十一页，共五十七页3 3 热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿热电偶输出的电热是两结点温度差的函数。为了使输出的电势是被测温度的单一函数，一般将T作为被测温度端，T0作为固定冷端(参考温度端)。通常要求T0保持为0(恒定)，但是在实际使用中要做到这一点比较困难，因而产生了热电偶冷端温度补偿问题。本讲稿第二十二页，共五十七页3 3 热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿(1)0(1)0(1)0(1)0恒温法恒温法恒温法恒温法 即在标准大气压下，将清洁的水和冰屑混合后放在保温容器内，即在标准大气压下，将清洁的水和冰屑混合后放在保温容器内，即在标准大气压下，将清洁的水和冰屑混合后放在保温容器内，即在标准大气压下，将清洁的水和冰屑混合后放在保温容器内，可使可使可使可使T T0 0保持保持保持保持0000。近年来已研制出一种能使温度恒定在。近年来已研制出一种能使温度恒定在。近年来已研制出一种能使温度恒定在。近年来已研制出一种能使温度恒定在00的的的的半导体致冷器件。半导体致冷器件。半导体致冷器件。半导体致冷器件。(2)(2)(2)(2)补正系数修正法补正系数修正法补正系数修正法补正系数修正法 利用中间温度定律可以求出利用中间温度定律可以求出利用中间温度定律可以求出利用中间温度定律可以求出T0 00时的电势。该法较精确，时的电势。该法较精确，时的电势。该法较精确，时的电势。该法较精确，但繁琐。因此，工程上常用补正系数修正法实现补偿。设冷端但繁琐。因此，工程上常用补正系数修正法实现补偿。设冷端但繁琐。因此，工程上常用补正系数修正法实现补偿。设冷端但繁琐。因此，工程上常用补正系数修正法实现补偿。设冷端温度为温度为温度为温度为T Tn，此时测得温度为，此时测得温度为，此时测得温度为，此时测得温度为T T1 1 (仪表测得温度仪表测得温度)，其实际温，其实际温度应为：度应为：T=T1 1 +kT+kTn n 式中式中式中式中 k k补正系数。补正系数。补正系数。补正系数。本讲稿第二十三页，共五十七页3 3 3 3 热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿(3)延伸热电极法延伸热电极法(即补偿导线法)热电偶长热电偶长 度一般只有一米左右，在实际测量时，需要将度一般只有一米左右，在实际测量时，需要将热电偶输出的电势传输到数十米外的显示仪表或控制仪表，热电偶输出的电势传输到数十米外的显示仪表或控制仪表，根据中间导体定律即可实现上述要求。一般选用直径粗、导根据中间导体定律即可实现上述要求。一般选用直径粗、导电系数大的材料制作延伸导线，以减小热电偶回路的电阻，电系数大的材料制作延伸导线，以减小热电偶回路的电阻，节省电极材料。节省电极材料。本讲稿第二十四页，共五十七页3 3 热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿(4)(4)补偿电桥法补偿电桥法 该法利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶参考端温度变化引起的电势该法利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶参考端温度变化引起的电势变化。变化。电桥四个桥臂与冷端处于同一温度，其中电桥四个桥臂与冷端处于同一温度，其中R R1 1=R=R2 2=R=R3 3为锰铜线绕制的电阻，为锰铜线绕制的电阻，R R4 4为铜导线绕制的补偿电阻，为铜导线绕制的补偿电阻，E E是电桥的电源，是电桥的电源，R R为限流电阻，阻值取决为限流电阻，阻值取决于热电偶材料。于热电偶材料。使用时选择使用时选择R R4 4的阻值使电桥保持平衡，电桥输出的阻值使电桥保持平衡，电桥输出 U Uabab=0=0。当冷端温度升。当冷端温度升高时，高时，R R4 4阻值随之增大，电桥失去阻值随之增大，电桥失去 图示图示 补偿电桥法示意图平衡，补偿电桥法示意图平衡，U Uabab相相应增大，此时热电偶电势应增大，此时热电偶电势E Ex x由于冷端温度升高而减小。若由于冷端温度升高而减小。若U Uabab的增量等于热电的增量等于热电偶电势偶电势E Ex x的减小量，回路总的电势的减小量，回路总的电势U Uabab的值就不会随热电偶冷端温度变化的值就不会随热电偶冷端温度变化而变化，即：而变化，即：U UABAB=E=EX X+U+Uabab 本讲稿第二十五页，共五十七页4 4 热电偶的结构和种类热电偶的结构和种类结构：普通热电偶，测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构；薄膜热电偶，用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄；铠装热电偶，用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲；表面热电偶，用于弧形表面物体测温；消耗式热电偶，主要用于钢水温度测量。a)a)普通热电偶普通热电偶 b)b)薄膜热电偶薄膜热电偶 c)c)铠装热电偶铠装热电偶本讲稿第二十六页，共五十七页4 4 热电偶的结构和种类热电偶的结构和种类热电偶种类：热电偶种类：贵金属热电偶贵金属热电偶贵金属热电偶贵金属热电偶 铂铑铂铑铂铑铂铑铂铑（铂铑（6006001700170017001700）铂铑铂铑铂铑铂铑铂铂 （0 0 0 016001600）普通金属热电偶普通金属热电偶普通金属热电偶普通金属热电偶 镍铬镍铬镍硅（镍硅（镍硅（镍硅（-200-200-200-20012001200）镍铬镍铬镍铜（镍铜（镍铜（镍铜（-40-40-40-40750750750750）铁铁康铜康铜 （0 0 0 0400400400400）热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好，这是其它热电式传感器无法替代的。性能好，这是其它热电式传感器无法替代的。本讲稿第二十七页，共五十七页5 热电偶测量电路热电偶测量电路 通过查热电偶分度表可知热电偶产生的热电势；通过查热电偶分度表可知热电偶产生的热电势；通过查热电偶分度表可知热电偶产生的热电势；通过查热电偶分度表可知热电偶产生的热电势；例如例如例如例如K K型：型：型：型：0 0 0 0 时时 0mV0mV0mV0mV，600 600 时时 E=24.902mvE=24.902mvE=24.902mvE=24.902mv；分度表以分度表以分度表以分度表以t=0作基准，而实际应用中作基准，而实际应用中作基准，而实际应用中作基准，而实际应用中t t00；若参考端温度不为若参考端温度不为若参考端温度不为若参考端温度不为0，工作端温度为，工作端温度为，工作端温度为，工作端温度为t t时，由分时，由分时，由分时，由分度表可查出度表可查出度表可查出度表可查出EA A（t,0），与实际热电势），与实际热电势E EABAB（t,t t0 0）之间的关）之间的关系可通过参考电极定律得出：系可通过参考电极定律得出：本讲稿第二十八页，共五十七页5 热电偶测量电路热电偶测量电路电路调试步骤：电路调试步骤：电路调试步骤：电路调试步骤：1.1.1.1.调零：调零：调零：调零：T=0T=0T=0T=0时调整调零电位器时调整调零电位器时调整调零电位器时调整调零电位器RP2RP2RP2RP2使运放输出为零；使运放输出为零；使运放输出为零；使运放输出为零；2.2.2.2.调增益：温度调增益：温度调增益：温度调增益：温度600600600600时调节负反馈电阻，使运放输出在时调节负反馈电阻，使运放输出在时调节负反馈电阻，使运放输出在时调节负反馈电阻，使运放输出在6V6V6V6V。3.3.3.3.放大器增益为放大器增益为放大器增益为放大器增益为240.94240.94240.94240.94，得到满量程输出，得到满量程输出，得到满量程输出，得到满量程输出6V6V6V6V（600600600600）。）。）。）。本讲稿第二十九页，共五十七页 热电阻热电阻热电阻热电阻主要有两大类：主要有两大类：主要有两大类：主要有两大类：金属热电阻金属热电阻 半导体热敏电阻半导体热敏电阻半导体热敏电阻半导体热敏电阻广泛用于测量广泛用于测量-200-200+850+850，少数可测，少数可测1000。4.5.2 4.5.2 热电阻热电阻热电阻热电阻贴片式贴片式薄膜式薄膜式 大功率大功率 本讲稿第三十页，共五十七页 金属热电阻一般用于金属热电阻一般用于金属热电阻一般用于金属热电阻一般用于-200-200+500+500温度测量；温度测量；温度测量；温度测量；材料多为纯铂金属丝，也有铜、镍，绕制在云母板、材料多为纯铂金属丝，也有铜、镍，绕制在云母板、材料多为纯铂金属丝，也有铜、镍，绕制在云母板、材料多为纯铂金属丝，也有铜、镍，绕制在云母板、玻璃或陶瓷线圈架上，构成热电阻。玻璃或陶瓷线圈架上，构成热电阻。玻璃或陶瓷线圈架上，构成热电阻。玻璃或陶瓷线圈架上，构成热电阻。铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为：铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为：铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为：铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为：4.5.2 热电阻热电阻1 1 1 1 金属热电阻金属热电阻金属热电阻金属热电阻-200-200OO +0+0850850 式中：式中：为温度为温度 和和 时的电阻时的电阻a值。值。温度温度 时，时，的公称值是的公称值是。本讲稿第三十一页，共五十七页热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒作为热电阻的材料要求：电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度；电阻作为热电阻的材料要求：电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度；电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸；热容量要小，以便提高热电阻的响应速率尽可能大，以便减小电阻体尺寸；热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好度；在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。使用最广泛的热电阻材料是铂和铜使用最广泛的热电阻材料是铂和铜铂热电阻铂热电阻 主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。铜热电阻铜热电阻 测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为50150。1 1 金属热电阻金属热电阻本讲稿第三十二页，共五十七页铂热电阻铂热电阻 长时间稳定的复现性可达长时间稳定的复现性可达10-4 K，是目前测温复现性最好的一种温，是目前测温复现性最好的一种温度计。度计。铂电阻的精度与铂的提纯程度有关铂电阻的精度与铂的提纯程度有关纯度电阻比纯度电阻比W（100）越高，表示铂丝纯度越高，）越高，表示铂丝纯度越高，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W（100）1.3925目前技术水平已达到目前技术水平已达到W（100）1.3930，工业用铂电阻的纯度工业用铂电阻的纯度W（100）为）为1.3871.390。1 1 金属热电阻金属热电阻本讲稿第三十三页，共五十七页铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下：铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下：当温度当温度t在在200t 0时时：当温度当温度t在在0t 650时时：国内统一设计的工业用标准铂电阻，国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）1.391，R0分为分为50和和100两种，分度号分别为两种，分度号分别为Pt50和和Pt100，其分度表（给出阻值和温度的关系）其分度表（给出阻值和温度的关系）1 1 金属热电阻金属热电阻金属热电阻金属热电阻本讲稿第三十四页，共五十七页带保护管的铂测温电阻元件带保护管的铂测温电阻元件带保护管的铂测温电阻元件带保护管的铂测温电阻元件 本讲稿第三十五页，共五十七页铜热电阻铜热电阻 应用：测量精度要求不高且温度较低的场合应用：测量精度要求不高且温度较低的场合测量范围：测量范围：5050150150 优点：优点：温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。价格便宜，复制性能好。缺点：缺点：易于氧化，一般只用于易于氧化，一般只用于150150以下的低温测量和没有水分及无侵以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。蚀性介质的温度测量。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。本讲稿第三十六页，共五十七页铜电阻的阻值与温度之间的关系为铜电阻的阻值与温度之间的关系为关系是线性的关系是线性的工业上使用的标准化铜热电阻的工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取按国内统一设计取50和和100两种，两种，分度号分别为分度号分别为Cu50和和Cu100，相应的分度表可查阅相关资料。相应的分度表可查阅相关资料。)1(0tRRt+=本讲稿第三十七页，共五十七页普普通通工工业业用用热热电电阻阻式式热热电电式式传传感感器器本讲稿第三十八页，共五十七页铜热电阻结构示意图铜热电阻结构示意图铂热电阻结构示意图铂热电阻结构示意图本讲稿第三十九页，共五十七页半导体比金属有更大的电阻温度系数。半导体比金属有更大的电阻温度系数。热敏电阻用半导体材料氧化复合烧结而成。热敏电阻用半导体材料氧化复合烧结而成。主要材料有：主要材料有：主要材料有：主要材料有：MnMnMnMn、CoCoCoCo、NiNiNiNi、CuCuCuCu、FeFeFeFe氧化物，氧化物，氧化物，氧化物，结构分为：二端、三端、四端、直热式、旁热式。结构分为：二端、三端、四端、直热式、旁热式。2 2 2 2 热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻符号热敏电阻符号 本讲稿第四十页，共五十七页 热敏电阻热敏电阻温度特性温度特性温度特性温度特性 PTC PTC 正温度系数型；正温度系数型；NTC NTC 负温度系数型负温度系数型；负温度系数热敏电阻的特性曲线用经验公式表示：负温度系数热敏电阻的特性曲线用经验公式表示：负温度系数热敏电阻的特性曲线用经验公式表示：负温度系数热敏电阻的特性曲线用经验公式表示：2 2 2 2 热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻负温度系数型热敏电阻特性曲线负温度系数型热敏电阻特性曲线 A A 与材料和形状有关；与材料和形状有关；B B 常数；常数；温度为温度为T T时的电阻值；时的电阻值；本讲稿第四十一页，共五十七页 多多数数热热敏敏电电阻阻具具有有负负温温度度系系数数，温温度度升升高高电电阻阻下下降降，同同时时灵灵敏敏度度下下降降，所所以以热热电电阻阻限限制制了了它它在在高高温温下下使使用。目前，热敏电阻温度上限约用。目前，热敏电阻温度上限约300 300。优点：优点：(1)热敏电阻的温度系数比金属大（热敏电阻的温度系数比金属大（49倍）倍）(2)电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。度及快速变化的温度。(3)结构简单、机械性能好。结构简单、机械性能好。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。2 2 2 2 热敏电阻热敏电阻本讲稿第四十二页，共五十七页热敏电阻的结构形式热敏电阻的结构形式本讲稿第四十三页，共五十七页热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性温度特性温度特性热敏电阻的电阻温度系热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高。所以它的灵敏度很高。本讲稿第四十四页，共五十七页u当流过热敏电阻的电流很小时当流过热敏电阻的电流很小时:不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律。主要用来测温。律。主要用来测温。u当电流增大到一定值时：当电流增大到一定值时：流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻特性。因电阻流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻特性。因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降。其所能升高的温度与环境条件减小，即使电流增大，端电压反而下降。其所能升高的温度与环境条件(周围介质温度及散热条件周围介质温度及散热条件)有关。当电流和周围介质温度一定时，热敏有关。当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。可用它电阻的电阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。可用它来测量流体速度和介质密度。来测量流体速度和介质密度。伏安特性伏安特性本讲稿第四十五页，共五十七页热敏电阻的主要参数热敏电阻的主要参数标称电阻值标称电阻值RH在环境温度为在环境温度为250.2时测得的电阻值，又称冷电阻。时测得的电阻值，又称冷电阻。其大小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。其大小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。耗散系数耗散系数H指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差1时热敏电阻所耗时热敏电阻所耗散的功率，单位为散的功率，单位为mW/；热容量热容量C热敏电阻的温度变化热敏电阻的温度变化1所需吸收或释放的热量，单位为所需吸收或释放的热量，单位为J；本讲稿第四十六页，共五十七页能量灵敏度能量灵敏度G（W）使热敏电阻的阻值变化使热敏电阻的阻值变化1所需耗散的功率。所需耗散的功率。时间常数时间常数 温度为温度为T0的热敏电阻突然置于温度为的热敏电阻突然置于温度为T 的介质中，热敏电的介质中，热敏电阻的温度增量阻的温度增量T=0.63(TT0)时所需的时间。时所需的时间。额定功率额定功率PE 在规定的技术条件下，热敏电阻长期连续使用所允许的在规定的技术条件下，热敏电阻长期连续使用所允许的耗散功率，单位为耗散功率，单位为W。在实际使用时，热敏电阻所消耗。在实际使用时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率的功率不得超过额定功率本讲稿第四十七页，共五十七页4.6.3 热电式传感器的应用1、金属热电阻传感器、金属热电阻传感器200+500范围的温度测量范围的温度测量特点：精度高、适于测低温。特点：精度高、适于测低温。2、半导体热敏电阻传感器、半导体热敏电阻传感器应用范围很广，可在宇宙航船、医学、工业及家用电器等方面用作测温、应用范围很广，可在宇宙航船、医学、工业及家用电器等方面用作测温、控温、温度补偿、流速测量、液面指示等。热电阻式传感器的应用控温、温度补偿、流速测量、液面指示等。热电阻式传感器的应用本讲稿第四十八页，共五十七页1、金属热电阻传感器u工业广泛使用，工业广泛使用，200+500范围温度测量。范围温度测量。在特殊情况下，测量的低温端可达在特殊情况下，测量的低温端可达3.4K，甚至更低，甚至更低，1K左右。高温端可测到左右。高温端可测到1000。u温度测量的特点：精度高、适于测低温。温度测量的特点：精度高、适于测低温。u传感器的测量电路：经常使用电桥、精度较高的是自动传感器的测量电路：经常使用电桥、精度较高的是自动电桥。电桥。u为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差，常采用三线制和四线制连接法。量误差，常采用三线制和四线制连接法。本讲稿第四十九页，共五十七页三线制工业用热电阻一般采用三线制工业用热电阻一般采用三线制G检流计，检流计，R1，R2，R3固定电阻，固定电阻，R a零位调节电阻，零位调节电阻，R t 热电阻热电阻热电阻测温电桥的三线制接法热电阻测温电桥的三线制接法精密测量中，采用四线制接法精密测量中，采用四线制接法本讲稿第五十页，共五十七页金属丝热电阻作为气体传感器的应用金属丝热电阻作为气体传感器的应用1连通玻璃管连通玻璃管2流通玻璃管流通玻璃管3铂丝铂丝（a）真空度测量方法对环境温度变化比较敏感，实际应用中）真空度测量方法对环境温度变化比较敏感，实际应用中有恒温或温度补偿装置。可测到有恒温或温度补偿装置。可测到133.32210-5Pa。（b）可检测管内气体介质成分比例变化、热风流速变化）可检测管内气体介质成分比例变化、热风流速变化本讲稿第五十一页，共五十七页流量测量利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关系可以测量利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关系可以测量流量、流速、风速等流量、流速、风速等热敏电阻流量计热敏电阻流量计本讲稿第五十二页，共五十七页4.6.4 4.6.4 集成温度传感器集成温度传感器集成温度传感器集成温度传感器1 1 1 1 集成温度传感器测温原理集成温度传感器测温原理集成温度传感器测温原理集成温度传感器测温原理利用利用利用利用PNPNPNPN结的伏安特性与温度之间的关系研制而成的一种固态传感器。结的伏安特性与温度之间的关系研制而成的一种固态传感器。结的伏安特性与温度之间的关系研制而成的一种固态传感器。结的伏安特性与温度之间的关系研制而成的一种固态传感器。图为是绝对温度比例电路图为是绝对温度比例电路（PTATPTAT）V1V1、V2V2是两只互相匹配的是两只互相匹配的温敏晶体管，温敏晶体管，I1I1、I2I2是集电极电流，由是集电极电流，由恒流源提供，恒流源提供，VbeVbe是两个晶体管发射是两个晶体管发射极和基极之间电压差。极和基极之间电压差。集成温度传感器基本集成温度传感器基本 电路原理图电路原理图 本讲稿第五十三页，共五十七页 晶体管伏安方程式：晶体管伏安方程式：K K 波尔滋蔓常数；波尔滋蔓常数；T T 绝对温度绝对温度;V1 V1、V2V2发射极面积比。发射极面积比。电子电荷量；电子电荷量；正比于绝对温度正比于绝对温度 T T，只要保证，只要保证 恒定，恒定，就可以使就可以使 与与 T T 为单值函数。为单值函数。本讲稿第五十四页，共五十七页1 1）电压输出型）电压输出型输出电压正比于绝对温度，输出电压正比于绝对温度，V1V1V1V1、V2V2V2V2的发射结压降的发射结压降之差全部落在电阻之差全部落在电阻R1R1R1R1上，流过上，流过R1R1上电流为：上电流为：2 2 集成温度传感器信号输出方式集成温度传感器信号输出方式电压输出型电路电压输出型电路电路输出为：电路输出为：可见输出电压可见输出电压U U0 0与绝对温度与绝对温度T T成正比关系成正比关系本讲稿第五十五页，共五十七页2 2）电流输出型）电流输出型）电流输出型）电流输出型 V1V1V1V1、V2V2是结构对称的晶体管作为恒流源负载，是结构对称的晶体管作为恒流源负载，V3V3V3V3、V4V4V4V4是测温用晶体管，是测温用晶体管，是测温用晶体管，是测温用晶体管，V3V3发射结面积是发射结面积是V4V4管的管的8 8倍（倍（=8=8），流过电路的总电流是：），流过电路的总电流是：若若R=358R=358，电路输出温度系数为：，电路输出温度系数为：电流输出型电路电流输出型电路本讲稿第五十六页，共五十七页第第9 9章章 热电式传感器热电式传感器3 AD590 AD590 AD590 AD590集成温度传感器集成温度传感器 电流输出型典型集成温度传感器有电流输出型典型集成温度传感器有AD590AD590（美国（美国ADAD公司生产），国内同类产品公司生产），国内同类产品SG590SG590。器件电源电压器件电源电压4 430V30V，测温范围测温范围-50-50+150+150。AD590 AD590 引脚和内部电路原理图引脚和内部电路原理图本讲稿第五十七页，共五十七页