医用传感器-热电式传感器.ppt

第第8章章 热电式传感器热电式传感器李正义李正义热电式传感器热电式传感器是利用某些材料或元件的物理是利用某些材料或元件的物理特性与温度有关这一性质，将特性与温度有关这一性质，将温度的变化温度的变化转化为转化为电量的变化电量的变化。温度变化温度变化转换为转换为电阻变化电阻变化的称为的称为热电阻传感热电阻传感器器；将；将温度变化温度变化转换为转换为热电势变化热电势变化的称为的称为热电偶传感器热电偶传感器。热电传感器热电传感器热电传感器热电传感器热热能能能能电电能能能能测测量：温度、与温度有关的参量量：温度、与温度有关的参量量：温度、与温度有关的参量量：温度、与温度有关的参量 热电热电偶偶偶偶温度温度温度温度电势电势电电阻阻阻阻 金属金属金属金属 半半半半导导体体体体热热敏敏敏敏电电阻阻阻阻PNPN结结型温度型温度型温度型温度传传感器感器感器感器第一节第一节 热敏电阻式传感器热敏电阻式传感器几乎所有物质的电阻率都随其本身的温度而几乎所有物质的电阻率都随其本身的温度而变化，这一物理现象称为变化，这一物理现象称为热电阻效应热电阻效应。利用这一原理制成的利用这一原理制成的温度敏感元件温度敏感元件称为热敏称为热敏电阻电阻(thermistor)，一般采用，一般采用导体导体和和半导体半导体材料。材料。热热敏敏敏敏电电阻材料特点阻材料特点阻材料特点阻材料特点（1 1）高温度系数、高）高温度系数、高）高温度系数、高）高温度系数、高电电阻率阻率阻率阻率（2 2）较宽测较宽测量范量范量范量范围围内具有内具有内具有内具有稳稳定的物理和化学性定的物理和化学性定的物理和化学性定的物理和化学性质质（3 3）良好的）良好的）良好的）良好的输输出特性出特性出特性出特性（4 4）良好工）良好工）良好工）良好工艺艺性性性性 对用于制造热电阻材料的要求：对用于制造热电阻材料的要求：具有尽可能大和稳定的具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率电阻温度系数和电阻率R-t关系关系最好成线性最好成线性物理化学性能物理化学性能稳定稳定容易加工、价格尽量容易加工、价格尽量便宜便宜等。等。目前最常用的热电阻有目前最常用的热电阻有铂热电阻铂热电阻和和铜热电阻铜热电阻。纯金属纯金属是热电阻的主要材料，是利用金属的电阻值随是热电阻的主要材料，是利用金属的电阻值随温温度变化而变化度变化而变化的原理进行测温的。的原理进行测温的。(一一)金属热电阻工作原理金属热电阻工作原理一、金属热电阻一、金属热电阻式中：式中：R0 元件在元件在T0时的电阻；时的电阻；a T0 时的电阻温度系数；时的电阻温度系数；RT 温度为温度为T 时元件的电阻值时元件的电阻值。大多数金属导体的电阻，电阻率几乎都与温度成正比。大多数金属导体的电阻，电阻率几乎都与温度成正比。温度系数温度系数a表征电阻的阻值表征电阻的阻值随温度变化的程度随温度变化的程度。金属的温度系数为金属的温度系数为正正，即阻值随温度的，即阻值随温度的升高而增加升高而增加。单晶半导体的单晶半导体的a也是也是正正的，但随掺杂的增的，但随掺杂的增加而减小加而减小。陶瓷半导体（热敏电阻）的陶瓷半导体（热敏电阻）的a为为负负，且非，且非线性较大线性较大。铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示：铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示：在在0660温度范围内温度范围内在在-2000温度范围内温度范围内式中式中 R0、Rt分别为分别为0和和t的电阻值；的电阻值；A常数常数(3.96310-3/)；B常数常数(-5.8610-7/2)；C常数常数(-4.2210-12/4)。铜在铜在-50150范围内铜电阻范围内铜电阻化学、物理性能稳定化学、物理性能稳定，输出输入特性输出输入特性接近线性接近线性，价格低廉价格低廉。铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为：铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为：式中式中A常量常量(4.28910-3/)；B常量常量(-2.13310-7/2)；C常量常量(1.23310-9/3)。当温度高于当温度高于100时时易被氧化易被氧化，因此适用于，因此适用于温度较温度较低低和和没有浸蚀性没有浸蚀性的介质中工作。的介质中工作。热电阻热电阻热电阻热电阻传感器传感器传感器传感器 电阻体绝缘套管接线盒电阻体绝缘套管接线盒电阻体绝缘套管接线盒电阻体绝缘套管接线盒金属热电阻传感器实物 内部引线方式有两线制、三线制和四线制三种。二线制中引线电阻对测量影响大,用于测温精度不高场合。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响,用于高精度温度检测。工业用铂电阻测温采用三线制或四线制。(二二)金属热电阻测量与接口电路金属热电阻测量与接口电路当温度处于测量下限时，当温度处于测量下限时，RtRtmin，调节，调节e2使电使电桥平衡，桥平衡，U0，即，即当温度上升，当温度上升，RtRtminRt，桥路失去平衡，有，桥路失去平衡，有 因为因为r1、r2相等又接在相邻桥臂上，导线的电阻变化相等又接在相邻桥臂上，导线的电阻变化不影响电桥平衡。不影响电桥平衡。3、四线制测温四线制测温运放采用斩波放大器ICL7650差动放大器。恒流源供电。四线式电阻测量电路四线式电阻测量电路图图图图 四线式测量线路四线式测量线路四线式测量线路四线式测量线路r r1 1r r2 2r r3 3r r4 4R Rt tI IV VI IMME EMM电压电压表表表表恒流源恒流源恒流源恒流源因因因因I I I IV V V VI I I IMMMM,I,I,I,IV V V V 0,0,0,0,又又又又E E E EMMMM=E+=E+=E+=E+I I I IV V V V（r r r r2 2 2 2+r+r+r+r3 3 3 3 ）由上式知引线电阻由上式知引线电阻r r1 1 r r4 4将不引起测量误差。电压表的将不引起测量误差。电压表的值值E EMM可认为是热电阻可认为是热电阻R Rt t上的压降，据此可计算出微小温上的压降，据此可计算出微小温度变化。度变化。玻璃壳玻璃壳热敏敏电阻阻引引线（a a）珠状）珠状）珠状）珠状（b b）片状）片状）片状）片状（c c）杆状）杆状）杆状）杆状（d d）垫垫圈状圈状圈状圈状 优优点点点点：（：（：（：（1 1）结结构构构构简单简单、体、体、体、体积积小、可小、可小、可小、可测测点温度；点温度；点温度；点温度；（2 2）电电阻温度系数大，灵敏度高（阻温度系数大，灵敏度高（阻温度系数大，灵敏度高（阻温度系数大，灵敏度高（1010倍）；倍）；倍）；倍）；（3 3）电电阻率高、阻率高、阻率高、阻率高、热惯热惯性小、适宜性小、适宜性小、适宜性小、适宜动态测动态测量。量。量。量。采用采用采用采用半半半半导导体材料体材料体材料体材料制成的温度制成的温度制成的温度制成的温度传传感器感器感器感器二、半导体热敏电阻二、半导体热敏电阻分分分分类类负负温度系数温度系数温度系数温度系数热热敏敏敏敏电电阻：阻：阻：阻：NTCNTC正温度系数正温度系数正温度系数正温度系数热热敏敏敏敏电电阻：阻：阻：阻：PTCPTC临临界温度系数界温度系数界温度系数界温度系数热热敏敏敏敏电电阻：阻：阻：阻：CRTCRT040801201602000408012016020010106610104 410102 210100 0温度温度电阻电阻CTRNTCPTCNTC热敏电阻的主要特性1 1、NTCNTC的的的的 电电阻阻阻阻-温度温度温度温度 特性：特性：特性：特性：试验求试验求A、B对于对于NTC型热敏电阻，在一定温度内，热敏电型热敏电阻，在一定温度内，热敏电阻的阻的R-T特性符合指数规律，即特性符合指数规律，即TR00（273.15K273.15K）00时时的阻的阻的阻的阻值值1 1、NTCNTC的的的的 电电阻阻阻阻-温度温度温度温度 特性：特性：特性：特性：NTC热敏电阻的主要特性2 2、NTCNTC的伏安特性的伏安特性的伏安特性的伏安特性NTC热敏电阻的主要特性3 3、NTCNTC的温度系数的温度系数的温度系数的温度系数低温段比高温段灵敏低温段比高温段灵敏低温段比高温段灵敏低温段比高温段灵敏灵敏度比金属灵敏度比金属灵敏度比金属灵敏度比金属热电热电阻高（阻高（阻高（阻高（1010倍）倍）倍）倍）NTC热敏电阻的主要特性在任意温度下温度变化1C时的电阻变化率 1 1、半导体热敏电阻的线性化、半导体热敏电阻的线性化在精密温度测量中在精密温度测量中,热敏电阻非线性温度特性影响热敏电阻非线性温度特性影响测温精度。测温精度。在一定温度范围内在一定温度范围内,有两种方法线性化：有两种方法线性化：y用用恒流源供电，热敏电阻两端电压作温度指示，热敏电阻两端电压作温度指示,则用一适当的电阻则用一适当的电阻RpRp与热敏电阻与热敏电阻R RT T并联进行线性化。y以以恒压源供电,把热敏电阻的电流作为温度指把热敏电阻的电流作为温度指示示,在在R RT T上上串联电导Gs进行线性化。半导体热敏电阻的线性化与测量电路线性化线性化 (a)(a)并联电阻并联电阻 (b)(b)串联电导串联电导 在曲线的拐点附近，曲线近似为线性，因此在曲线的拐点附近，曲线近似为线性，因此把把测量温度范围的中点测量温度范围的中点TiTi设在拐点处设在拐点处。根据拐点处热敏电阻根据拐点处热敏电阻R RT T的值，选择并联电阻的值，选择并联电阻RpRp，RpRp计算公式推导：计算公式推导：由于由于R RT T=R=R0 0 e eB/TB/T,故故 上式求两阶导数并使之等于零得到：上式求两阶导数并使之等于零得到：即：即：式中式中R RTiTi为热敏电阻在中点温度为热敏电阻在中点温度TiTi的阻值的阻值类似地类似地,很容易求出所需串联电阻的阻值很容易求出所需串联电阻的阻值Rs:Rs:其中其中G GTiTi为热敏电阻在中点温度为热敏电阻在中点温度TiTi的电导的电导 线性化将使温度系数减小：y并联后的温度系数为并联后的温度系数为P P,通过对通过对R R式微分可得式微分可得出：出：y与并联前比较，温度系数与并联前比较，温度系数P P减小了减小了1/(1+R1/(1+RTiTi/R/RP P)倍倍 y在高精度测温中在高精度测温中,用数字技术进行线性化。用数字技术进行线性化。2.热敏电阻测温电路热敏电阻测温电路 R Rt t 为热敏电阻，为热敏电阻，Rs Rs 用于电导用于电导-温度特性线性化温度特性线性化 W W1 1 50mV50mV电压源调节电压源调节 W W2 2 温度温度00时使输出为零时使输出为零 输出电压输出电压U U0 0与与RsRs和和R Rt t串联的电导成正比串联的电导成正比热敏电阻在生物医学测量中的应用热敏电阻在生物医学测量中的应用在生物医学测量中在生物医学测量中,如口腔型，表面型和注射针型如口腔型，表面型和注射针型探头等以半导体热敏电阻为温度敏感元件。探头等以半导体热敏电阻为温度敏感元件。呼吸传感器：用胶布固定在病人鼻孔出口处：用胶布固定在病人鼻孔出口处,进行进行呼吸率的连续检查呼吸率的连续检查 第二节第二节 热电偶传感器热电偶传感器thermocoupleM热电偶、热电极、热端、冷端热电偶、热电极、热端、冷端热电偶、热电极、热端、冷端热电偶、热电极、热端、冷端F将两种不同材料组成一个闭合回路，如果两个结点将两种不同材料组成一个闭合回路，如果两个结点的温度不同，则回路中将产生一定的电流（电势），的温度不同，则回路中将产生一定的电流（电势），其大小与材料性质及结点温度有关，称这种物理现其大小与材料性质及结点温度有关，称这种物理现象为象为温差电现象温差电现象，这个电势称作，这个电势称作热电势热电势先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示结论结论结论结论：当两个结点温度不相同时，回路中将：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。产生电动势。热电极热电极A A右右端端称称为为：自自由由端端（参参考考端端、冷端）冷端）左左端端称称为为：测测 量量 端端（工工作作端端、热端）热端）热电极热电极B B热电势热电势ABF热电势产生的原因热电势产生的原因热电势产生的原因热电势产生的原因（1 1）接触电势）接触电势）接触电势）接触电势扩散扩散扩散扩散电场电场漂移漂移自由电子密度自由电子密度自由电子密度自由电子密度(一一)温差电现象温差电现象温差系数温差系数温差系数温差系数热端和冷端的绝对温度热端和冷端的绝对温度热端和冷端的绝对温度热端和冷端的绝对温度（2 2）温差电势）温差电势）温差电势）温差电势M热端冷端F热电势产生的原因热电势产生的原因热电势产生的原因热电势产生的原因(一一)温差电现象温差电现象（3 3）回路的总热电势）回路的总热电势）回路的总热电势）回路的总热电势F热电势产生的原因热电势产生的原因热电势产生的原因热电势产生的原因(一一)温差电现象温差电现象可可可可见见见见：只只只只要要要要测测测测出出出出E EABAB（T T,T T0 0）的的的的大大大大小小小小，就就就就能能能能得得得得到到到到被被被被测测测测温温温温度度度度T T，这这这这就是利用就是利用就是利用就是利用热电偶测温的原理热电偶测温的原理热电偶测温的原理热电偶测温的原理。对对于于已已选选定定的的热热电电偶偶，当当参参考考端端温温度度T0恒恒定定时时，EAB(T0)=c和和 为常数，则总的热电动势就只与温度为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即成单值函数关系，即产生热电势的条件：热电偶不同电极材料产生热电势的条件：热电偶不同电极材料 两端两端温度不同温度不同（3 3）回路的总热电势）回路的总热电势F热电势产生的原因热电势产生的原因40080012001600400800120016007070 50503030101000温度温度热电势（热电势（mV）铁铁-考铜考铜镍铬镍铬-考铜考铜EA2镍铬镍铬-镍硅镍硅EV2铂铑铂铑-铂铂LB-3F热电势产生的原因热电势产生的原因热电势产生的原因热电势产生的原因(一一)温差电现象温差电现象(二二)、热电偶基本定律、热电偶基本定律1 1、中间导体定律、中间导体定律、中间导体定律、中间导体定律导体导体导体导体A A、B B组成的热电偶中插入第三种导体组成的热电偶中插入第三种导体组成的热电偶中插入第三种导体组成的热电偶中插入第三种导体C C，只要，只要，只要，只要导体导体导体导体C C两端温度相同，则对热点偶总热电势无影响。两端温度相同，则对热点偶总热电势无影响。两端温度相同，则对热点偶总热电势无影响。两端温度相同，则对热点偶总热电势无影响。意义：意义：意义：意义：可用电器测量可用电器测量可用电器测量可用电器测量仪表直接测量仪表直接测量仪表直接测量仪表直接测量热电势热电势热电势热电势2 2、连接导体定律、连接导体定律、连接导体定律、连接导体定律热电偶导体热电偶导体热电偶导体热电偶导体A A、B B分别与分别与分别与分别与连接导线连接导线连接导线连接导线C C、D D相接，相接，相接，相接，总热电势为两部分的代总热电势为两部分的代总热电势为两部分的代总热电势为两部分的代数和。数和。数和。数和。意义：意义：意义：意义：运用补偿导线法进行温度测量的理论基础运用补偿导线法进行温度测量的理论基础运用补偿导线法进行温度测量的理论基础运用补偿导线法进行温度测量的理论基础(二二)、热电偶基本定律、热电偶基本定律3 3、中间温度定律、中间温度定律、中间温度定律、中间温度定律若导体若导体若导体若导体A A与与与与C C、B B与与与与D D的材料分别相同，则：的材料分别相同，则：的材料分别相同，则：的材料分别相同，则：应用应用应用应用已知已知已知已知温度温度温度温度T T0 0=0=0时的热电势时的热电势时的热电势时的热电势-温度关系，可求温度关系，可求温度关系，可求温度关系，可求得参考温度不为得参考温度不为得参考温度不为得参考温度不为00时的热时的热时的热时的热电势电势电势电势:(二二)、热电偶基本定律、热电偶基本定律4 4、参考电极定律、参考电极定律、参考电极定律、参考电极定律若两种导体若两种导体若两种导体若两种导体A A、B B分别与第三种导体分别与第三种导体分别与第三种导体分别与第三种导体C C组成热电偶组成热电偶组成热电偶组成热电偶的热电势已知，则的热电势已知，则的热电势已知，则的热电势已知，则A A、B B组成的热电偶也已知。组成的热电偶也已知。组成的热电偶也已知。组成的热电偶也已知。标准电极：铂标准电极：铂(二二)、热电偶基本定律、热电偶基本定律例：例：例：例：已知已知已知已知求：求：求：求：(二二)、热电偶基本定律、热电偶基本定律（三）、热电偶的结构种类（三）、热电偶的结构种类为为了了适适应应不不同同生生产产对对象象的的测测温温要要求求和和条条件件，热热电电偶偶的结构形式有：的结构形式有：1.热电偶的结构形式热电偶的结构形式 普通型热电偶普通型热电偶普通型热电偶普通型热电偶 铠装型热电偶铠装型热电偶铠装型热电偶铠装型热电偶 薄膜热电偶等薄膜热电偶等薄膜热电偶等薄膜热电偶等 普通型热电偶结构普通型热电偶结构普通型热电偶结构普通型热电偶结构 普通装配型热电偶的外形普通装配型热电偶的外形普通装配型热电偶的外形普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装螺纹安装法兰安装法兰普通普通装配型装配型热电热电偶的结构偶的结构放大图放大图接线盒接线盒引出线套管引出线套管固定螺纹固定螺纹（出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端）不锈钢不锈钢保护管保护管 铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形法兰法兰铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护保护套管（铠体）套管（铠体）BA绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶横截面铠装型热电偶横截面铠装型热电偶铠装型热电偶铠装型热电偶铠装型热电偶 铠铠装装热热电电偶偶的的制制造造工工艺艺：把把热热电电极极材材料料与与高高温温绝绝缘缘材材料料预预置置在在金金属属保保护护管管中中、运运用用同同比比例例压压缩缩延延伸伸工工艺艺、将将这这三三者者合合为为一一体体，制制成成各各种种直直径径、规规格格的的铠铠装装偶偶体体，再再截截取取适适当当长长度度、将将工工作作端端焊焊接接密密封封、配配置置接接线线盒盒即即成成为为柔柔软软、细细长长的的铠铠装热电偶。装热电偶。铠铠装装热热电电偶偶特特点点：内内部部的的热热电电偶偶丝丝与与外外界界空空气气隔隔绝绝，有有着着良良好好的的抗抗高高温温氧氧化化、抗抗低低温温水水蒸蒸气气冷冷凝凝、抗抗机机械械外外力力冲冲击击的的特特性性。铠铠装装热热电电偶偶可可以以制制作作得得很很细细，能能解解决决微微小小、狭狭窄窄场场合合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。薄膜热电偶薄膜热电偶薄膜热电偶薄膜热电偶特特点点：热热接接点点可可以以做做得得很很小小（m），具具有有热热容容量量小小、反反应应速速度度快快（s）等等特特点点，适适用用于于微微小小面面积积上上的的表表面面温温度度以以及及快速变化的动态温度测量。快速变化的动态温度测量。1.热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿但但在在实实际际测测量量过过程程中中，由由于于冷冷端端温温度度要要受受热热源源温温度度或或周周围环境温度的影响，使得其不固定，将引起测量误差。围环境温度的影响，使得其不固定，将引起测量误差。eAB(T,T0)=eAB(T)c=f(T)根根据据热热电电偶偶测测温温原原理理，固固定定冷冷端端温温度度T T0 0，只只只只要要要要测测测测出出出出e e e eABABABAB（T T T T,T T T T0 0 0 0）的大小，就能得到被测温度）的大小，就能得到被测温度）的大小，就能得到被测温度）的大小，就能得到被测温度T T T T（四）、热电偶传感器的测量电路（四）、热电偶传感器的测量电路必要性必要性必要性必要性：1、用用热热电电偶偶的的分分度度表表查查毫毫伏伏数数-温温度度时时，必必须须满满足足t0=0 C的的条条件件。在在实实际际测测温温中中，冷冷端端温温度度常常随随环环境境温温度度而而变变化化，这这样样t0不但不但不是不是0 C，而且也不恒定，而且也不恒定，因此因此将产生误差将产生误差。2、一一般般情情况况下下，冷冷端端温温度度均均高高于于0 C，热热电电势势总总是是偏偏小小。应想办法应想办法消除或补偿消除或补偿热电偶的热电偶的冷端损失冷端损失。热电偶一般做得较短，热电偶一般做得较短，一般为一般为3502000mm。在在实实际际测测温温时时，需需要要把把热热电电偶偶输输出出的的电电势势信信号号传传输输到到远远离离现现场场数数十十米米远远的的控控制制室室里里的的显显示示仪仪表表或或控控制制仪仪表表，这这样样,冷端温度冷端温度t0比较稳定。比较稳定。(1)(1)(1)(1)补偿导线法补偿导线法补偿导线法补偿导线法 解解解解决决决决办办办办法法法法：工工程程中中采采用用一一种种补补偿偿导导线线。在在0100温温度度范范围围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。常用补偿导线常用补偿导线常用补偿导线常用补偿导线补偿导线外形补偿导线外形补偿导线外形补偿导线外形AB屏蔽层屏蔽层保护层保护层在在实实验验室室及及精精密密测测量量中中，通通常常把把冷冷端端放放入入0恒恒温温器器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。(2)(2)(2)(2)冷端冷端冷端冷端0000恒温法恒温法恒温法恒温法 冰浴法冰浴法冰浴法冰浴法v在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在0 0 C C不不变。变。冰浴法接线图冰浴法接线图冰浴法接线图冰浴法接线图1被测流体管道被测流体管道2热电偶热电偶3接线盒接线盒 4补偿导补偿导线线 5铜质导线铜质导线6毫伏表毫伏表 7冰瓶冰瓶8冰水混合物冰水混合物9试管试管10新的冷端新的冷端 当当冷冷端端温温度度t0不不等等于于0，需需要要对对热热电电偶偶回回路路的的测测量量电电势势值值eAB（t，t0）加加以以修修正正。当当工工作作端端温温度度为为t时时，分分度度表表可可查查eAB(t,0)与与eAB(t0,0)。根据中间温度定律得到：根据中间温度定律得到：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)(3)(3)(3)(3)冷端温度修正法冷端温度修正法冷端温度修正法冷端温度修正法 例子例子例子例子eAB（t，0）=eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由镍铬由镍铬-镍硅热电偶分度表得镍硅热电偶分度表得t=829.8。用用镍镍铬铬-镍镍硅硅热热电电偶偶测测量量加加热热炉炉温温度度。已已知知冷冷端端温温度度t0=30，测测得得热热电电势势eAB（t，t0）为为33.29mV,求求加加热热炉炉温度。温度。解解：查查 镍镍 铬铬-镍镍 硅硅 热热 电电 偶偶 分分 度度 表表 得得 eAB（30，0）1.203mV。可得可得(4)(4)(4)(4)冷端温度自动补偿法（电桥补偿法）冷端温度自动补偿法（电桥补偿法）冷端温度自动补偿法（电桥补偿法）冷端温度自动补偿法（电桥补偿法）EAB（t，0）=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)电桥补偿法电桥补偿法电桥补偿法电桥补偿法XT-WBC热电偶 冷端补偿器 电电桥桥补补偿偿法法是是利利用用不不平平衡衡电电桥桥产产生生的的不不平平衡衡电电压压来来自自动动补补偿偿热热电电偶偶因因冷冷端端温温度度变变化化而而引引起起的的热热电电势势变变化化值值，可可购购买买与与被被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。补偿热电偶对应型号的补偿电桥。第三节、晶体管与集成温度传感器第三节、晶体管与集成温度传感器一、一、晶体管温度传感器晶体管温度传感器利用利用PN结的结的结电压随温度成近似线性变化结电压随温度成近似线性变化这一特性这一特性实现对温度的检测、控制和补偿等功能。可直接用半导实现对温度的检测、控制和补偿等功能。可直接用半导体二极管或将半导体三极管接成二极管做成体二极管或将半导体三极管接成二极管做成PN结温度结温度传感器。这种传感器的测温范围为传感器。这种传感器的测温范围为-50至至150，与其，与其他的温度传感器相比有较好的线性度，且尺寸小、响应他的温度传感器相比有较好的线性度，且尺寸小、响应快、灵敏度高、热时间常数小，因此用途较广。快、灵敏度高、热时间常数小，因此用途较广。（1）温敏二极管、三极管温敏二极管、三极管1.温敏二极管的工作原理温敏二极管的工作原理理想二极管的伏安特性可近似表示为：理想二极管的伏安特性可近似表示为：IF：PN结正向电流；结正向电流；UF：PN结正向压降；结正向压降；IS：PN结反向饱和电流；结反向饱和电流；q：电子电荷量；：电子电荷量；T：绝对温度；：绝对温度；k：波尔兹曼常数。：波尔兹曼常数。只要满足正向电压只要满足正向电压UF大于几个大于几个kT/q，其正向电，其正向电流流IF与与UF及温度及温度T之间的关系可表示之间的关系可表示为：为：两边除以两边除以I Is s ，取对数得：，取对数得：所以：所以：上式表明：上式表明：在一定电流下在一定电流下，二极管正向电压与温度呈，二极管正向电压与温度呈线性关系。线性关系。（只要它们工作在（只要它们工作在PNPN结空间电荷区中的复合电流和表结空间电荷区中的复合电流和表面漏电流可以忽略）面漏电流可以忽略）经研究表明，对于经研究表明，对于锗和硅二极管锗和硅二极管，在相当宽的一个温，在相当宽的一个温度范围内其正向电压与温度之间的关系与上式吻合。度范围内其正向电压与温度之间的关系与上式吻合。对于不同的工作电流，温敏二极管的对于不同的工作电流，温敏二极管的U UF F-T-T关系是不同关系是不同的；但是的；但是U UF F-T-T之间总是线性关系。之间总是线性关系。另外：上式只对扩散电流成立，但实际二极管的正另外：上式只对扩散电流成立，但实际二极管的正向电流还包括空间电荷区中的复合电流和表面复合向电流还包括空间电荷区中的复合电流和表面复合电流。故实际二极管的电压电流。故实际二极管的电压温度特性是偏离理想温度特性是偏离理想情况的。情况的。2.温敏三极管的工作原理温敏三极管的工作原理利用三极管发射结正向电压利用三极管发射结正向电压Ube随温度上升而下降随温度上升而下降的原理。由于在发射结正向偏置下，虽然发射结电的原理。由于在发射结正向偏置下，虽然发射结电流也包括扩散电流、空间电荷的复合电流和表面复流也包括扩散电流、空间电荷的复合电流和表面复合电流三种成分，但只有其中的合电流三种成分，但只有其中的扩散电流扩散电流能够到达能够到达集电极形成集电极电流集电极形成集电极电流Ic，而另两种电流则作为基，而另两种电流则作为基极电流漏掉。因此，晶体管的极电流漏掉。因此，晶体管的IcUbe关系比二极管关系比二极管的的IFUF关系更符合理想情况，所以表现出更好的关系更符合理想情况，所以表现出更好的电压电压温度线性关系。温度线性关系。类似于类似于PNPN结，一只晶体管的发射极电流密度可用下式结，一只晶体管的发射极电流密度可用下式表示：表示：Je：发射极电流密度；：发射极电流密度；a：共基接法的短路电流增益；：共基接法的短路电流增益；Ube：基：基-射极电位差；射极电位差；Js：发射极饱和电流密度；：发射极饱和电流密度；q：电子电荷量；：电子电荷量；T：绝对温度；：绝对温度；k：波尔兹曼常数。：波尔兹曼常数。通常通常a1,JeJs,上式可表示为：上式可表示为：化简，取对数得：若若I Ic c恒定恒定，则，则U Ubebe仅随温度仅随温度T T成单调单值函成单调单值函数变化。数变化。2.2.2.2.基本测温电路基本测温电路基本测温电路基本测温电路温敏晶体管作为负反馈元件跨接在运算放大器的反相输入温敏晶体管作为负反馈元件跨接在运算放大器的反相输入端和输出端，基极接地。如此连接的目的是使发射结为正端和输出端，基极接地。如此连接的目的是使发射结为正偏。而集电结几乎为零偏。偏。而集电结几乎为零偏。C C虚地虚地虚地虚地R RV VA A+-E ER RC CU Ubebe图图 温敏晶体管测温电路温敏晶体管测温电路零偏零偏的集电结使得集电结电流中不需要的的集电结使得集电结电流中不需要的空间电荷的空间电荷的复合电流和表面复合电流为零复合电流和表面复合电流为零，而发射结电流中的，而发射结电流中的发发射结空间电荷复合电流和表面漏电流作为基极电流流射结空间电荷复合电流和表面漏电流作为基极电流流入地入地。因此，。因此，集电极电流完全由扩散电流成分组成集电极电流完全由扩散电流成分组成。集电极电流集电极电流I Ic c只取决于集电极电阻只取决于集电极电阻R RC C和电源和电源E E，保证，保证了温敏晶体管的了温敏晶体管的I Ic c恒定。电容恒定。电容C C的作用是防止寄生振的作用是防止寄生振荡。荡。将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。化温度传感器。其最大优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线其最大优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出，另外，体积小、成本低廉。因此，它是现性输出，另外，体积小、成本低廉。因此，它是现代半导体温度传感器的主要发展方向之一。目前，代半导体温度传感器的主要发展方向之一。目前，已经广泛用于已经广泛用于-50+150-50+150温度范围内的温度监测、温度范围内的温度监测、控制和补偿的许多场合。控制和补偿的许多场合。（二）（二）集成温度传感器集成温度传感器晶体管的晶体管的U Ubebe在在I Ic c恒定条件下，认为与温度呈恒定条件下，认为与温度呈线性关系；但实际上关系式中仍然存在非线线性关系；但实际上关系式中仍然存在非线性项，另外这种关系也不直接与任何温标性项，另外这种关系也不直接与任何温标(绝绝对、摄氏、华氏等对、摄氏、华氏等)相对应。此外温敏晶体管相对应。此外温敏晶体管U Ubebe值在同一生产批量中，可能有值在同一生产批量中，可能有100mv100mv的离散性。的离散性。1.基本原理基本原理因此因此集成温度传感器中均采用一对非常匹配的差分对管集成温度传感器中均采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件，采用下图的电路形式，使其直接给作为温度敏感元件，采用下图的电路形式，使其直接给出正比于绝对温度的严格的线性输出出正比于绝对温度的严格的线性输出。电路中1、2是结构和性能完全相同的晶体管，它们分别在不同的集电极电流I1和I2下工作。由图可见，R的电压应为1和2的基极发射极电压差。图图图图 差分对管电路差分对管电路差分对管电路差分对管电路I IC C2 2V V1 1R R1 1+E E U UbebeR R2 2I IC C1 1V V2 2由于两管集电极面积相等，因此，集电极电流比由于两管集电极面积相等，因此，集电极电流比应等于集电极电流密度比，即：应等于集电极电流密度比，即：故只要保持两管的集电极电流密度之比不变，故只要保持两管的集电极电流密度之比不变，R R上上的电压的电压 U Ubebe将正比于绝对温度将正比于绝对温度T T。若两管增益很高，则基极电流可以忽略不计，那么集电若两管增益很高，则基极电流可以忽略不计，那么集电若两管增益很高，则基极电流可以忽略不计，那么集电若两管增益很高，则基极电流可以忽略不计，那么集电极电流等于发射极电流，则极电流等于发射极电流，则极电流等于发射极电流，则极电流等于发射极电流，则即即Ic2 T。因此因此R2上的电压也正比于绝对温度上的电压也正比于绝对温度T。又因为又因为Ic/Ic2保持不变，则保持不变，则Ic T，于是电路总电流，于是电路总电流I=（Ic+Ic2）T。