温度检测技术.ppt

9第9章 温度检测技术 第9章 温度检测技术 9.1 温度与温标温度与温标 9.2 热电偶及其测温技术热电偶及其测温技术 9.3 电阻式温度计电阻式温度计 9.4 集成温度传感器及其应用集成温度传感器及其应用 9.5 光电温度计光电温度计 9第9章 温度检测技术 9.1 温温 度度 与与 温温 标标 9.1.1 9.1.1 温度的概念温度的概念温度是表示物体冷热程度的物理量。从热平衡的观点来看，温度是物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志，温度高的物体，其内部分子平均动能大；温度低的物体，其内部分子的平均动能小。9第9章 温度检测技术 9.1.2 9.1.2 温标的基本知识温标的基本知识1.1.经验温标经验温标 借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标，称为经验温标，有华氏、摄氏、兰氏、列氏温标等。（1）华氏温标：它规定水的沸腾温度为212度，氯化铵和冰的混合物为0度，这两个固定点中间等分为212份，每一份为1度，记为。9第9章 温度检测技术（2）摄氏温标：它把冰点定为0度，把水的沸点定位100度，将两个固定点之间的距离等分为100份，每一份为1度，记为。经验温标的缺点在于其局限性和随意性。例如，若选用水银温度计作为温标规定的温度计，那么别的物质（例如酒精）就不能用了，而且使用温度范围也不能超过上下限（如0，100），超过了就不能标定温度了。9第9章 温度检测技术 2.2.热力学温标热力学温标物理学家开尔文根据卡诺热机原理提出了热力学温度，但需要从与理想气体状态方程入手来复现。由于实际气体与理想气体的差异，当用气体温度计测量温度时，总要进行一些修正，因此，气体温标的建立是相当繁杂的，而且使用同样繁杂，很不方便。9第9章 温度检测技术 3.3.国际温标国际温标 第一个国际温标是1927年第七届国际计量大会决定采用的温标，称为“1927年国际温标”，记为ITS-27。此后大约每隔20年进行一次重大修改，相继有ITS-48、IPTS-68和EPT-76、ITS-90。国际温标做重大修改的原因，主要是由于温标“三要素”发生变化。ITS-90是1989年7月第77届国际计量委员会批准的、国际温度咨询委员会制定的新温标。从1994年1月1日起全面实行新温标。9第9章 温度检测技术 ITS-90的热力学温度仍记作T，为了区别于以前的温标，用“T90代表新温标的热力学温度，其单位仍是K。与此并用的摄氏温度记为t90，单位是。T90与t90的关系仍是（9-1）各温标间的换算关系见表9-1。9第9章 温度检测技术 表表9-1 各温标间的换算关系各温标间的换算关系 9第9章 温度检测技术 9.2 热电偶及其测温技术热电偶及其测温技术 9.2.1 9.2.1 热电偶热电偶1.1.热电偶的原理热电偶的原理热电偶的原理基于热电效应,如图9-1(a)所示。图中，将两种不同导体A、B两端连接在一起组成闭合回路，并使两端处于不同的温度环境，在回路中会产生热电动势而形成电流,这一现象称为热电效应。这样的两种不同导体的组合称为热电偶，相应的电动势和电流称为热电动势和热电流，导体A、B称为热电极，置于被测温度（T）的一端称为工作端(热端)，另一端（T0）称为参考端(冷端)。实验证明，热电动势与热电偶两端的温度差成比例,即 EAB（T，T0）=K（T-T0）（9-2）式中，K与导体的电子浓度有关。9第9章 温度检测技术 图9-1 热电偶的原理（a）热电效应；（b）热电偶的电路符号 9第9章 温度检测技术 2.2.热电偶的结构和种类热电偶的结构和种类1）热电偶的结构 热电偶的结构如图9-2所示，通常由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等部分组成。9第9章 温度检测技术 图9-2 热电偶的结构 9第9章 温度检测技术 2）热电偶的种类 （1）按热电偶的热电极材料分类：式（9-2）说明了热电偶的热电动势与热电极的材料有关，1977年国际电工委员会(IEC)对八种热电偶制定了国际标准。它们的分度号是T（铜-康铜）、E（镍铬-康铜）、J（铁-康铜）、K（镍铬-镍硅）、JP2N（镍铬硅-镍硅）、R（铂铑B-铂）、B（铂铑30-铂铑6）、S（铂铑10-铂）。我国也已制定了国家标准，已投入生产的有S、B、K三种。我国常用的热电偶的技术特性列于表9-2。9第9章 温度检测技术 表表9-2 我国常用的热电偶的技术特性我国常用的热电偶的技术特性9第9章 温度检测技术（2）按热电偶的结构形式分类：尽管热电偶的热电动势与热电偶的结构形式无关，但是由于使用要求不同，热电偶的结构形式又分为普通型、铠装型、表面型和快速型四种。与普通热电偶相比，铠装热电偶具有体积小，响应快，精度高，强度好，可挠性好，抗振性好等优点。表面热电偶又称薄膜热电偶，专门用于测量物件的表面温度，使用时用胶水贴附于被测物表面，它的热惯性极小，响应极快。快速热电偶用于测量高温熔融物质的温度，通常是一次性使用，故又称为消耗式热电偶。热电偶测温范围宽、测量精度高、性能稳定、结构简单、动态响应较好、直接输出电信号、信号可以远传，是工业中常用的测温元件。9第9章 温度检测技术 9.2.2 9.2.2 热电偶的使用热电偶的使用1）热电偶的参考端（冷端）温度处理 热电偶工作时，必须保持冷端温度恒定，并且热电偶的分度表是以冷端温度为0做出的。因而在工程测量中冷端距离热源近，且暴露于空气中，易受被测对象温度和环境温度波动的影响，使冷端温度难以恒定而产生测量误差。为了消除这种误差，可采取下列温度补偿或修正措施。9第9章 温度检测技术 （2）补偿导线法：采用补偿导线将热电偶延伸到温度恒定或温度波动较小处。为了节约贵重金属，热电偶电极不能做得很长，但在0100范围内，可以用与热电偶电极有相同热电特性的廉价金属制作成补偿导线来延伸热电偶。在使用补偿导线时，必须根据热电偶型号选配补偿导线；补偿导线与热电偶两接点处温度必须相同，极性不能接反，不能超出规定使用温度范围。常用补偿导线的特性见表9-3。9第9章 温度检测技术 表表9-3 常用热电偶补偿导线的特性常用热电偶补偿导线的特性 9第9章 温度检测技术 （3）热电动势修正法：由于热电偶的热电动势与温度的关系曲线（即刻度特性或分度表）是参考端保持在T0=0时获得的，当参考端温度Tn0时，热电偶的输出热电动势将不等于EAB（T，T0），而等于EAB（T，Tn），如图9-3所示。如不加以修正，则所得的温度值必然小于实际值。为求得真实温度，则根据热电偶中间温度定律：EAB（T，T0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn，T0）将测得的电动势的EAB（T，Tn）加上一个修正电动势EAB（Tn，T0）算出EAB（T，T0）再查分度表，方得实测温度值。EAB（Tn，T0）可从分度表查出。9第9章 温度检测技术 图9-3热电偶的热电动势与温度的关系9第9章 温度检测技术 图9-4 冷端补偿器 9第9章 温度检测技术 （4）电桥补偿法：利用不平衡电桥产生的电动势可以补偿热电偶参考端因温度变化而产生的热电势，称为电桥补偿法。如图9-4所示，在热电偶与仪表之间接入一个直流电桥（常称为冷端补偿器），四个桥臂由R1、R2、R3（均由电阻温度系数很小的锰铜丝绕制）及RCu（由电阻温度系数较大的铜丝绕制）组成，阻值都是1。由图可知电路的输出电压为Uo=E（T，T0）+Uc，RCu和参考端感受相同的温度，当环境温度发生变化时，引起RCu值的变化，使电桥产生的不平衡电压Uc的大小和极性随着环境温度而变化，达到自动补偿的目的。9第9章 温度检测技术 国产冷端补偿器的电桥一般是在20时调平衡的，因此20时无补偿，必须进行修正或将仪表的机械零点调到20处。当环境温度高于20时，热电偶输出的热电动势减小，RCu增大，电桥输出电压左正右负；低于20时，RCu减小，电桥输出电压左负右正。设计好电桥参数，可在050范围内实现补偿。9第9章 温度检测技术 表表9-4 常用国产冷端补偿器常用国产冷端补偿器 9第9章 温度检测技术 2）热电偶的安装 关于热电偶的安装，在产品说明书中均有介绍，应仔细阅读，在此仅介绍其要领。（1）注意插入深度：一般热电偶的插入深度，对金属保护管应为直径的1520倍；对非金属保护管应为直径的1015倍。对细管道内流体的温度测量应尤其注意。（2）如果被测物体很小，安装时应注意不要改变原来的热传导及对流条件。（3）含有大量粉尘气体温度的测量，最好选用铠装电偶。9第9章 温度检测技术 3）热电偶的测温电路 利用热电偶测量大型设备的平均温度时，可将热电偶串联或并联使用。（1）串联：串联时热电动势大，精度高，可测较小的温度信号或者配用灵敏度较低的仪表。其缺点是只要一支热电偶发生断路则整个电路不能工作，而个别热电偶的短路将会导致示值偏低。（2）并联：并联时总电动势为各个热电偶热电动势的平均值，可以不必更改仪表的分度。其缺点是若有一支热电偶断路，仪表却反映不出来。9第9章 温度检测技术 4）热电偶表面测温 在300以下用热电偶测量物体表面温度，可用粘接剂将热电偶结点粘附于金属壁面。在温度较高时，常采用的焊接方法把热电偶头部置于金属壁面，图9-5给出了一般焊接的方式。9第9章 温度检测技术 图9-5 热电偶头部焊接方式（a）V形焊；（b）平行焊；（c）交叉焊 9第9章 温度检测技术 9.2.3 9.2.3 热电偶的基本放大电路热电偶的基本放大电路热电偶的输出电压极小，其值为几十V/。因此，要采用低失调运算放大器进行电压放大。合适的运算放大器种类很多，而且价格便宜，较易选择，主要是外围元件的选用。图9-6是K型热电偶的放大电路。电路中，运算放大器选用ADOP07，它与周围电阻构成放大电路，增益为240.9445；R1R3是1/4 W的金属膜电阻，精度为20%；RP1和RP2是10圈线绕电位器；C1是滤波电容，采用精度为20%，耐压为50 V的漏电小的电解电容，它与R3组成输入滤波电路。因为热电偶的热电势很小，因此如果电容漏电大，就会产生漂移电压。9第9章 温度检测技术 图9-6 K型热电偶的放大电路 9第9章 温度检测技术 例如，若C1漏电流为0.1 A，则在电阻R3上会产生0.1 A1 k100 mV的漂移电压。因此，有必要选用漏电极小的电容。由K型热电偶分度表可知，K型热电偶在0时产生的热电势为0 mV，600时产生的热电势为24.902 mV。如果用RP1设置运放的增益为240.94，则0时运放的输出电压为0 V，600时运放的输出电压为6.0 V。热电偶的特性都是非线性的。在各类热电偶中，K型热电偶的线性是最好的，温度从0600时，最大非线性误差为1%。因此，热电偶应用时，都要进行线性化。9第9章 温度检测技术 9.3 电阻式温度计电阻式温度计 电阻式温度传感器分为金属热电阻和半导体热敏电阻，其电路符号如图9-7（a）所示。9第9章 温度检测技术 图9-7 电阻式温度传感器（a）电路符号；（b）铂电阻测温元件的结构 9第9章 温度检测技术 9.3.1 9.3.1 热电阻式温度传感器热电阻式温度传感器1.1.热电阻的工作原理和材料热电阻的工作原理和材料纯金属具有正的温度系数，可以作为测温元件。作为测温用的热电阻应具有下列要求：电阻温度系数大，以获得较高的灵敏度；电阻率高，元件尺寸可以小；电阻值随温度变化尽量是线性关系；在测温范围内，物理、化学性能稳定；材料质纯、加工方便和价格便宜等。铂、铜、铁和镍是常用的热电阻材料，其中铂和铜最常用。9第9章 温度检测技术 1）铂热电阻铂热电阻的统一型号为WZP，其物理、化学性能非常稳定，长期复现性最好，测量精度高。铂热电阻主要用作标准电阻温度计。国际标准有Pt100，测温范围为-200960，电阻温度系数为3.910-3/，0时电阻值为100。但铂在高温下，易受还原性介质污染，使铂丝变脆并改变铂丝电阻与温度间的关系，因此使用时应装在保护套管中。9第9章 温度检测技术 2）铜热电阻铜热电阻的统一型号为WZC，其优点是价格便宜、纯度高、复制性好，电阻温度系数为（4.254.28）10-3/，线性特性仅次于铂和银，但比铂电阻有较高的灵敏度，常用来做-50150范围内的工业用电阻温度计；其缺点是电阻率较低，容易氧化，为此只能用在较低温度和没有水份及腐蚀性的介质中。目前国标规定的铜热电阻有Cu50和Cu100两种。热电阻的电阻与温度对应关系也是由分度表给出的，见附录C-1。9第9章 温度检测技术 3）薄膜铂热电阻一般铂热电阻的时间常数为几秒至几十秒，在测量表面温度和动态温度时精度不高。薄膜铂热电阻和厚膜铂热电阻的热响应时间特别短，一般在0.10.3 s，适用于表面温度和动态温度的测量。表9-5和表9-6分别列出了几种厚膜和薄膜铂热电阻的型号和技术参数。9第9章 温度检测技术 表表9-5 几种薄膜铂热电阻型号和技术参数几种薄膜铂热电阻型号和技术参数 9第9章 温度检测技术 2.2.热电阻的结构热电阻的结构热电阻的结构通常由电阻体、绝缘体、保护套管和接线盒四部分组成。一般是将电阻丝绕在云母或石英、陶瓷、塑料等绝缘骨架上，固定后套上保护套管，在热电阻丝与套管间填上导热材料即成。如图9-7(b)所示是铂电阻测温元件的结构，铂丝的直径为0.030.07 mm。9第9章 温度检测技术 9.3.2 9.3.2 热电阻的基本应用电路热电阻的基本应用电路1.1.热电阻的接线方式热电阻的接线方式热电阻的端子有三种不同的连接方式：二线式、三线式和四线式，如图9-8所示。二线式适用于印制电路板上，测量回路与传感器不太远的情况。在距离较远时，为消除引线电阻受环境温度影响造成的测量误差，需要采用三线式或四线式接法。9第9章 温度检测技术 图9-8 热电阻的不同接线方式（a）二线式；（b）三线式；（c）四线式 9第9章 温度检测技术 2.2.热电阻的测量方法热电阻的测量方法热电阻的测量方法有恒压法和恒流法两种。恒压法就是保持热电阻两端的电压恒定，测量电流变化的方法。恒流法就是保持流经热电阻的电流恒定，测量其两端电压的方法。恒压法的电路简单，并且组成桥路就可进行温漂补偿，使用广泛。但电流与铂热电阻的阻值变化成反比，当用于很宽的测温范围时，要特别注意线性化问题。恒流法的电流与铂热电阻的阻值变化成正比，线性化方法简便，但要获得准确的恒流源，电路比较复杂。9第9章 温度检测技术 3.3.热电阻测温电路实例热电阻测温电路实例1）二线式铂热电阻恒温器电路图9-9是二线式的铂热电阻接线实例。这是一种用来检测印制板上功率晶体管周围温度的恒温器电路，温度超过60就输出信号，进行自动调温。电路中，RT采用100 的铂热电阻，RT与R1串连接到恒压源（12 V），RT中流经约1 mA的电流。这种接法虽属于恒压法，但由于R1阻值比RT大很多，RT阻值变化引起的测量电流变化不大，因此能够获得近似恒流法的线性输出。9第9章 温度检测技术 图9-9 二线式铂热电阻接线实例 9第9章 温度检测技术 2）三线式测温电路实例图9-10是三线式测温电路实例。电路中，铂热电阻RT与高精度电阻R1R3组成桥路，而且R3的一端通过导线接地。Rw1、Rw2和Rw3是导线等效电阻。Rw1和Rw2分接在两个相邻桥臂中，只要导线对称，便可实现温度补偿。Rw3接在电源支路中，不会影响测量结果。放大电路常采用三运放构成仪表放大器，使其具有高的输入阻抗和共模抑制比（CMRR）。经放大器放大的信号，一般要由折线近似的模拟电路或A/D转换器构成的数据表进行线性化，因为R1的阻值比RT的要大得多，所以RT变动的非线性对温度特性影响非常小。调整时，调整基准电源UT使R2两端电压为准确的20 V即可。9第9章 温度检测技术 图9-10 三线式测温电路实例 9第9章 温度检测技术 3）四线式测温电路实例图9-11是四线式测温电路实例。该电路需要采用线性好的恒流源电路，恒流源电路输出2 mA的电流。RT两端电压通过Rw2和Rw3直接输入由A1A3构成的仪表放大器的输入端。从A2和B1两点来看，放大器的输入阻抗非常高，因此，流经两导线的电流近似为0，其电阻Rw2和Rw3可忽略不计。R1和C1及R2和C2构成低通滤波器，用于补偿高频时运放CMRR的降低。Rw1和Rw4串联在恒流源电路中，除作为电流的通路以外，还用于限制恒流电路和放大器的工作电压范围，与A2和B1端子间电位差无关，对测量精度影响不大。测量精度依赖于恒流电路输出电流的调整，调整时若无实际使用的传感器与电缆，用适当的电阻进行调整即可。9第9章 温度检测技术 图9-11 四线式测温电路实例 9第9章 温度检测技术 9.3.3 9.3.3 热敏电阻热敏电阻1.1.热敏电阻的类型热敏电阻的类型热敏电阻可按电阻的温度特性、结构、形状、用途、材料及测量温度范围等进行分类。1）按温度特性分类热敏电阻按温度特性可分为三类，如图9-12所示。9第9章 温度检测技术 图9-12 热敏电阻的分类 9第9章 温度检测技术（1）负温度系数热敏电阻：简称NTC，型号用MF表示。在工作温度范围内，电阻随温度上升而非线性下降，温度系数为-(16)%/，如图9-12中曲线1所示。（2）临界负温度系数热敏电阻：简称CTR。CTR是一种开关型NTC，在临界温度附近，阻值随温度上升而急剧减小，如图9-12中曲线4所示。（3）正温度系数热敏电阻：简称PTC，型号用MZ表示。在工作温度范围内，其电阻值随温度上升而非线性增大。曲线2为缓变型，其温度系数为0.5%/8%/，曲线3为开关型，在居里点附近的温度系数可达10%/60%/。9第9章 温度检测技术 2）按材料分类热敏电阻按材料一般分为陶瓷、塑料、金刚石、单晶、非晶热敏电阻等。3）按工作温度范围分类（1）低温热敏电阻：其工作温度低于-55。（2）常温热敏电阻：其工作温度范围为-55315。（3）高温热敏电阻：其工作温度高于315。9第9章 温度检测技术 2.2.热敏电阻的结构热敏电阻的结构热敏电阻的结构如图9-13所示，主要有片型、杆型和珠型。精密热敏电阻的外形与尺寸如图9-14所示。9第9章 温度检测技术 图9-13 热敏电阻的结构（a）片型；（b）杆型；（c）珠型 9第9章 温度检测技术 图9-14 精密型热敏电阻的外形与尺寸 9第9章 温度检测技术 9.3.4 9.3.4 热敏电阻的应用热敏电阻的应用1.1.热敏电阻的类型选择热敏电阻的类型选择根据不同的使用目的，参考表9-7和表9-8选择相应的热敏电阻的类型、参数及结构。附录C-2为NTC-MF58-10K热敏电阻的分度表，供使用参考。9第9章 温度检测技术 表表9-7 热敏电阻的类型、热敏电阻的类型、参数及结构参数及结构 9第9章 温度检测技术 表表9-8 部分国产产品的型号规格和外形部分国产产品的型号规格和外形 9第9章 温度检测技术 2.NTC伏伏-安特性区的选择安特性区的选择NTC热敏电阻的伏-安特性如图9-15所示，可分为三个特性区，图中H为耗散系数。应用时三个特性区的选择如下：(1）在峰值电压降Um左侧（a区）适用于检测温度及电路的温度补偿。可见，用热敏电阻测温时一定要限制偏置范围，使其工作在线性区。(2）在峰值电压降Um附近（b区）可用作电路保护、报警等开关元件。(3）在峰值电压降Um右侧（c区）适用于检测与耗散系数有关的流速、流量、真空度及自动增益电路、RC振荡器稳幅电路等。9第9章 温度检测技术 图9-15 NTC热敏电阻的伏-安特性9第9章 温度检测技术 3.3.热敏电阻的基本应用电路热敏电阻的基本应用电路1）热敏电阻的电阻温度特性一般热敏电阻的电阻值相对温度变化是对数关系。表9-9和表9-10给出了部分热敏电阻的特性参数。9第9章 温度检测技术 表表9-9 PTC热敏电阻特性参数热敏电阻特性参数 9第9章 温度检测技术 表表9-10 NTC热敏电阻特性参数热敏电阻特性参数 9第9章 温度检测技术 2）对数二极管温度计 图9-16是采用热敏电阻RT和对数二极管VD串联构成的温度计。它利用对数二极管VD把热敏电阻RT的阻值变化（电流变化）变换为等间隔的信号，经运放A放大这一压缩信号，其输出接到电压表，就可显示相应的温度，从而可构成线性刻度的温度计。9第9章 温度检测技术 图9-16 对数二极管温度计 9第9章 温度检测技术 3）用热敏电阻进行温度补偿用热敏电阻进行温度补偿的实用电路如图9-17所示。图中，晶体管V1和V2为互补对称连接，两个晶体管基极间为两个PN结串联，UBE具有2.2 mV/的温度特性，仅靠2UBE的固定偏置电压解决不了温度变化的影响。若偏置电路采用热敏电阻(负温度系数)对温度变化进行补偿，可获得良好的特性。此外，偏置电路的温度补偿元件还可采用二极管、压敏电阻等非线性元件。9第9章 温度检测技术 图9-17 温度补偿电路 9第9章 温度检测技术 4.4.过电流保护与防电流冲击过电流保护与防电流冲击现在已开发出特殊用途的大功率热敏电阻，其电流容量与体积比普通热敏电阻大得多。它主要用于限制电流，多用于各种电子装置的过流保护与防电流冲击。如图9-18所示是采用NTC热敏电阻防止电源接通时冲击电流的电路。热敏电阻的功耗通常可忽略。如果将热敏电阻接在图中的A处，也可以获得同样的效果。目前计算机电源电路中广泛采用这种方法。9第9章 温度检测技术 图9-18 防止电源接通时冲击电流的电路 9第9章 温度检测技术 5.5.温度控制与热过载保护温度控制与热过载保护1）温度控制图9-19是温度自动控制电加热器电路原理图。图中Rt随温度变化时，引起V1集电极电流的变化，经二极管VD2引起电容C充电速度的变化，使单结晶体管V3的输出脉冲移相，改变晶闸管VS的导通角，从而调整加热电阻丝R上的电源电压，达到温度自动控制的目的。9第9章 温度检测技术 图9-19 温度自动控制电加热器电路原理图 9第9章 温度检测技术 2）热过载保护图9-20是应用热敏电阻作为电动机过热保护的热继电器电路。图中三只特性相同的热敏电阻Rt1、Rt2、Rt3分别放置在电动机的三相绕组上，串联起来作为三极管V的偏置电阻。电动机正常工作时其绕组温度较低，三极管V截止，继电器K不动作。当电动机过载或断相时，电动机绕组温度急剧上升，热敏电阻的阻值迅速减小，三极管立即导通，继电器K得电，其动断触点断开电动机控制电路，起到了保护电动机的目的。实践表明，这种热过载保护比熔丝和双金属片热继电器效果更好。9第9章 温度检测技术 图9-20 热继电器 9第9章 温度检测技术 9.4 集成温度传感器及其应用集成温度传感器及其应用 9.4.1 9.4.1 集成温度传感器集成温度传感器集成温度传感器使传感器和集成电路融为一体，极大地提高了传感器的性能。它与传统的热敏电阻、热电阻、热电偶、双金属片等温度传感器相比，具有测温精度高、复现性好、线性优良、体积小、热容量小、稳定性好、输出电信号大等优点。集成温度传感器按输出形式可分为电压输出型和电流输出型两种。电压输出型一般以0为零点；温度系数为10 mV/；电流输出型一般以0 K为零点，温度系数为1 A/K。电流输出型温度传感器适合于远距离测量。9第9章 温度检测技术 1.1.电流输出型温度传感器电流输出型温度传感器1）AD590集成温度传感器（1）AD590的工作原理。如图9-21所示，在AD590内部原理框图中，V1和V2构成镜像恒流源，I1=I2；V3由几个与V4结构相同的晶体管组成；V4的PN结检测温度，UBE3和UBE4的差值UBE加在电阻R上，则I1为（9-8）式中，K为波耳兹曼常数；T为温度；n=I3/I4。由图可见，I0=2I1，与绝对温度成正比。9第9章 温度检测技术 图9-21 AD590集成温度传感器(a)外形；(b)电路符号；(c)内部原理框图 9第9章 温度检测技术 AD590的温度测量范围为-55150，校准时精度为1.0,不校准时精度为1.7；测温灵敏度为1A/K，在 1 k负载上可产生1 mV/K电压。电流输出型与电源负载串联，不受电源电压和导线电阻的影响，因此可以远距离传送。9第9章 温度检测技术（2）AD590的输出特性。AD590的输出特性如图9-22所示，当U4 V时，电流只随温度变化，输出阻抗约为10 M。因此，电源电压通常选在5 V以上。9第9章 温度检测技术 图9-22 AD590的输出特性 9第9章 温度检测技术 2）LM134/SL134系列集成温度传感器LM134是三端电流输出型温度传感器，其输出电流与环境温度成线性关系。LM134系列分为LM134、LM234、M334等，与SM134系列性能相同，彼此可以直接互换使用。如图9-23所示，LM134系列有塑料封装和金属封装两种形式，图中还给出了电路符号和构成的摄氏温度计电路。用外加电阻可在1 A5 mA的范围内自由选择初始设定的电流。如果外加电阻为Rset，则25时设定电流为IL=67.7 mV/Rset。图中，当Rset约为230 时，输出为10 mV/。9第9章 温度检测技术 图9-23 LM134三端电流输出型温度传感器(a)外形；(b)电路符号；(c)测温电路 9第9章 温度检测技术 2.2.电压输出型温度传感器电压输出型温度传感器1）LM35/45系列温度传感器如图9-24所示，LM35集成温度传感器为电压输出型，常温下测温精度为0.5以内，最大消耗电流只有70 A，自身发热对测量精度影响在0.1以内。采用4 V以上的单电源供电时，不需要外接任何元件，无需调整，即可构成摄氏温度计，测量温度范围为2150。采用双电源供电时，测量温度范围为-55150（金属壳封装）和-40110（T092封装）。9第9章 温度检测技术 图9-24 LM35/45系列温度传感器(a)内部原理框图;(b)引脚功能;(c)外形封装;(d)摄氏温度计电路 9第9章 温度检测技术 2）LM135系列集成温度传感器 LM135系列集成温度传感器是电压输出型，其输出电压与绝对温度成正比，灵敏度为10 mV/K，只要加上外部校正电路，即可组成绝对温度测量电路。LM135有135A、235、235A、335、335A等型号系列，它们大多采用塑料封装，外形如图9-25所示。图中还列出其电路符号、管脚功能和校正电路。LM135内部电路类似于LM35/45，但在使用LM135时，为了保证测量精度，外部需要进行校正。校正方法是：在+、-两端间串接电阻R和10 k电位器，电位器滑动端接在LM135的调整端adj上，然后即可对某一温度点进行校正。如需在0（即273K）时校正，则可调整电位器，使输出Uo为2.73 V即可。9第9章 温度检测技术 图9-25 LM135系列集成温度传感器（a）电路符号;(b)外形及管脚功能;(c)校正电路 9第9章 温度检测技术 3 3）PC616PC616电压型集成温度传感器应用电路电压型集成温度传感器应用电路如图9-26所示为PC616内部框图、外形封装、电路符号、管脚功能及其绝对温度测量电路。PC616输出电压和温度成正比，灵敏度为10 mV/K(10 mV/)。由于它在温度变化100时，线性度仅变化0.5%，所以不需要外加线性化校正电路，可直接组成绝对温度测量电路。PC616有A、C两个型号系列，它们采用金属圆管壳4脚封装。PC616集成温度传感器内部电路由基稳压源、温度敏感元件和运算放大器三大部分组成，与LM35系列的区别仅在于放大器反相输入端引出，可外接比较电压设定电路构成温度判定控制器电路。9第9章 温度检测技术 图9-26 PC616电压型集成温度传感器（a）内部框图;(b)外形;(c)管脚功能;(d)绝对温度测量电路 9第9章 温度检测技术 3.3.具有控制功能的集成温度传感器（具有控制功能的集成温度传感器（TC620/621TC620/621）TC620/621系列是控制温度的专用集成传感器，它可由使用者自行设定上、下限温度。当高于上限温度或低于下限温度时，该传感器即有相应的高低电平输出，用来作报警信号。另外，它还有一个温度控制信号输出。因此，它特别适宜用在恒温器、烘箱及各种温度控制设备上，温度控制精度可达3。1）外形、符号和管脚功能TC620/621均为8脚器件，分DIP封装及贴片式SOIC封装两种形式。系列型号后面的后缀，表明其不同的封装形式和工作温度范围，见表9-11。9第9章 温度检测技术 表表9-11 TC620/621系列封装形式和工作温度范围系列封装形式和工作温度范围 9第9章 温度检测技术 图9-27 TC260/621集成电路管脚排列 9第9章 温度检测技术 表表9-12 TC620/621引脚功能引脚功能 9第9章 温度检测技术 2）应用举例 对于TC620，RSH和RSL值可用下式求得：RSH（RSL）=0.5997T2.1312（9-9）式中，T为绝对温度。例如，上限温度设定为50，则RSH=0.5997(273.16+50)2.1312=133.6。对于TC621，RSH和RSL值与外接NTC热敏电阻的特性有关。推荐采用在25时电阻为100 k的NTC热敏电阻。由于TC621的温度传感器是外接的，所以TC621可以向负载提供更大的电流，而不致因器件内部升温而影响测温的精确性。9第9章 温度检测技术 4.4.集成数字温度传感器及温度控制器（集成数字温度传感器及温度控制器（DS1620DS1620）1）基本特性DS1620可用来检测温度，测量温度范围为-55125，分辨率为0.5。通过其内电路A/D转换，输出温度值为9位二进制数字量。最高位MSB是符号位，0表示正数，1表示负数。因此有效位为8位，测温范围为-55125，分辨力为0.5，即最低位1LSB代表0.5。例如，-25的二进制数码为111001110，十六进制数码为01CEH；25的二进制数码为000110010，十六进制数码为0032H。9第9章 温度检测技术 DS1620也可用于温度控制。它有三个温度信号输出：THIGH、TLOW、TCOM。根据恒温要求，设定高温限制温度TH和低温限制温度TL后，若DS1620检测的温度大于或等于TH，则THIGH端输出高电平；若DS1620检测的温度低于或等于TL，则TLOW端输出高电平；TCOM端输出具有滞回特性，当检测的温度超过TH时，输出跳变为高电平并一直保持高电平，只有当温度降到TL时，TCOM端才输出才跳变为低电平。利用THIGH、TLOW和TCOM输出的温度信号就可以用来控制温度。9第9章 温度检测技术 2）外形及管脚功能 DS1620有DIP封装和贴片式SOIC封装两种，其八个引脚的功能如表9-13所示。表表9-13 DS1620的引脚功能的引脚功能 9第9章 温度检测技术 3）内电路简介DS1620的内部是由三线串行接口与外器件相应的CLK、DQ、RST端连接，以实现有关数据的写入及温度数据的输出，并且还输出三个温度控制信号THIGH、TLOW和TCOM。9第9章 温度检测技术 4）DS1620的基本应用方法的基本应用方法 在DS1620用来作简单的温度控制时，无需CPU，但必须在存储器中存入上下限温度TH、TL的值。在不使用CPU时，CLK/CONV（2脚）能用作温度启动转换，但RST必须为低电平，而CLK/CONV必须为高电平。若CLK/CONV被拉到低电平且在10 ms内又变为高电平，则将进行一次温度转换。然后，DS1620转为空载状态，称为单步模式，即DS1620接收到一个温度转换指令后，执行一次温度转换。若CLK/CONV被拉到低电平并保持之，则转换将连续进行，直到CLK/CONV变为高电平为止，称为连续模式。典型的温控操作使DS1620工作在连续模式。9第9章 温度检测技术 当使用CPU时，DS1620将通过三线串行口通信。三线总线包含三个信号：RST复位信号、CLK时钟信号及DQ数据信号。工作时，CLK/CONV端用作时钟信号输入端，使DQ及RST 信号同步，RST输入高电平，进行数据传输；当RST为低电平时，终止通信。数据通过三线接口通信时，LSB是第一位，即由低位向高位传送。用于三线接口的指令如表9-14所示。当发出有关指令后，以后9个时钟周期即能输入或输出9位温度值，或者执行有关功能。注意，写入DS1620的仅仅是这些规约，若写入其他规约，则可能引起器件损坏。9第9章 温度检测技术 DS1620使用时无需外围元件，测温范围从-55125，分辨力可达0.5，转换速度为1 s，控制的极限温度由用户设置，存储在非挥发存储器中。另外，它由三线串行口来实现数据的读和写。采用DS1620组成的仪器风扇温控电路如图9-28所示。图中，先在DS1620中设置上、下限温度值，如设上限为30，下限为28，则根据DS1620特性，当仪器环境温度超过30时，5脚输出高电平，促使场效应管2N7000导通，仪器风扇通电工作，使之散热降温。当温度降至28时，5脚输出低电平，场效应管2N7000截止，仪器风扇停止工作。该电路不仅结构简单，且可省电、延长风扇电机寿命。9第9章 温度检测技术 表表9-14 DS1620三线接口的指令规约三线接口的指令规约 9第9章 温度检测技术 图9-28 仪器风扇温控电路 9第9章 温度检测技术 9.4.2 9.4.2 PNPN结温度传感器及其应用电路结温度传感器及其应用电路PN结温度传感器是一种利用半导体PN结中电流/电压的温度特性制造的集成传感器。1.1.热热敏二极管温度敏二极管温度传传感器感器应应用用电电路路在-40100范围内，半导体二极管正向电压与温度的关系为线性关系。如图9-29所示是采用硅二极管温度传感器的温度检测电路，其输出灵敏度为0.1 V/。9第9章 温度检测技术 图9-29 采用硅二极管温度传感器的测温电路 9第9章 温度检测技术 2.2.热敏晶体三极管温度传感器及其应用电路热敏晶体三极管温度传感器及其应用电路NPN型热敏晶体管在Ic恒定时，利用基极-发射极间电压Ube的温度特性，可把温度变化转换成电压变化。图9-30为晶体管温度传感器的一种测温电路，灵敏度为0.1 V/。9第9章 温度检测技术 图9-30 晶体管温度传感器测温电路 9第9章 温度检测技术 3.3.热敏晶闸管温度传感器及其应用电路热敏晶闸管温度传感器及其应用电路当晶闸管在正向转折电压之前不导通，若超过转折电压就进入导通状态，特别是在低温度下发生转折时，电流放大系数很大，具有良好的开关特性。利用晶闸管的转折电压随温度而改变的特性制成热敏晶闸管。在同样的正向电压下，当温度改变时，转折点发生改变，因此可作为实用的温度开关。同时还可通过门极电阻RGA由外部电路对开关温度进行控制。热敏晶闸管温度传感器的平均导通电流为100 mA，浪涌电流为2 A。如图9-31所示为用晶闸管温度传感器VS1（TT201）驱动普通晶闸管VS2（CR2AM-6），从而控制大功率负载的电路实例。9第9章 温度检测技术 图9-31 采用热敏晶闸管温度传感器的温度控制电路 9第9章 温度检测技术 9.5 光光 电电 温温 度度 计计 9.5.1 9.5.1 光电高温计光电高温计光电高温计是以光学高温计为基础，能自动连续测温的仪表。它可以自动平衡亮度。光电高温计采用了硅光电池代替人的眼睛感受辐射源的亮度变化，排除了人为因素。为了减少硅光电池性能参数的变化及电源电压波动对测量结果的影响，光电高温计采用负反馈原理进行工作。9第9章 温度检测技术 光电高温计的工作原理如图9-32所示。从被测物体17的表面发出的辐射能由物镜聚焦，通过孔径光阑2和遮光板6上的孔3，透过装于板6内的红色滤光片入射到硅光电池4上，被测物体表面发出的光束必须盖满孔3，这点可用瞄准系统观察、调节。瞄准系统是由瞄准透镜10，反射镜11和观察孔12组成。从反馈灯15发出的辐射能通过遮光板6上的孔5，透过同一块红色滤光片也投射到同一个硅光电池4上。在遮光板6的前面装有每秒钟振动50次的光调制器。光调制器的原理如图9-32（b）所示，激磁绕组通以50 Hz的交流电，由此产生的交变磁场与永久磁钢8相互作用，使调制片7产生每秒钟50次的机械振动，交替打开和遮住孔3与孔5，使被测表面1