热电式传感器.ppt

第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器7.1 7.1 热电偶热电偶17.2 7.2 热电阻传感器热电阻传感器7.3 7.3 热敏电阻热敏电阻37.4 7.4 集成温度传感器集成温度传感器4257.5 7.5 热电式传感器的应用热电式传感器的应用概述 热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置它利用传感元件的电磁参数随温度变化化的装置它利用传感元件的电磁参数随温度变化的特征来达到测量的目的通常将被测温度转换为的特征来达到测量的目的通常将被测温度转换为敏感元件的电阻、磁导或电势等的变化，通过适当敏感元件的电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可由电压、电流这些电参数的变化的测量电路，就可由电压、电流这些电参数的变化来表达所测温度的变化来表达所测温度的变化◆◆将温度转换为电势大小的热电式传感器叫热电偶；将温度转换为电势大小的热电式传感器叫热电偶；◆◆将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻7.1 热电偶 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。

热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳定性及复现性，温度测量范围宽，在温度测量中定性及复现性，温度测量范围宽，在温度测量中占有重要的地位占有重要的地位7.1 热电偶7.1.1 7.1.1 热电效应热电效应◆◆两两种不同的金属种不同的金属A A和和B B构成如图构成如图7-17-1所示的闭合所示的闭合回路，如果将它们的两个接点中的一个进行加回路，如果将它们的两个接点中的一个进行加热，使其温度为热，使其温度为T T，而另一点置于室温，而另一点置于室温T T0 0中，中，则在回路中会产生热电势，用则在回路中会产生热电势，用 来表示，来表示，这一现象称为热电效应这一现象称为热电效应 图图7-1 7-1 热电效应原理图热电效应原理图7.1 热电偶◆◆通常把两种不同金属的这种组合叫做热电偶，通常把两种不同金属的这种组合叫做热电偶，A A、、B B叫做热电极，温度高的接点叫做热端或工叫做热电极，温度高的接点叫做热端或工作端，而温度低的接点叫做冷端或自由端。

作端，而温度低的接点叫做冷端或自由端◆◆由理论分析知道，热电效应产生的热电式是由由理论分析知道，热电效应产生的热电式是由接触电势和温差电势两部分组成接触电势和温差电势两部分组成1. 1. 接触电势接触电势◆◆接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势如图不同而在接触处形成的电动势如图7-27-2所示 7.1 热电偶图图7-2 7-2 接触电动势接触电动势◆◆两种不同金属两种不同金属A A和和B B接触时，在接触处便发生电子接触时，在接触处便发生电子的扩散若金属的扩散若金属A A的自由电子浓度大于金属的自由电子浓度大于金属B B的自由的自由电子浓度，则在同一瞬间由金属电子浓度，则在同一瞬间由金属A A扩散到金属扩散到金属B B中去中去的电子将比由金属的电子将比由金属B B扩散到扩散到A A中去的电子多，因而金中去的电子多，因而金属属A A因失去电子而带正电，金属因失去电子而带正电，金属B B因得到电子而带负因得到电子而带负电由于正、负电荷的存在，在接触处便产生电场由于正、负电荷的存在，在接触处便产生电场7.1 热电偶 该电场将阻碍扩散作用的进一步发生，同时引起该电场将阻碍扩散作用的进一步发生，同时引起反方向的电子转移。

扩散和反扩散形成矛盾运动反方向的电子转移扩散和反扩散形成矛盾运动 上述过程的发展，直到扩散作用和阻碍其扩散的上述过程的发展，直到扩散作用和阻碍其扩散的作用的效果相同时，也即由金属作用的效果相同时，也即由金属A A扩散到金属扩散到金属B B的自由电子与金属的自由电子与金属B B扩散到金属扩散到金属A A的自由电子的自由电子（形成漂移电流）相等时，该过程便处于动态平（形成漂移电流）相等时，该过程便处于动态平衡在这种动态平衡状态下，衡在这种动态平衡状态下，A A和和B B两金属之间两金属之间便产生一定的接触电势，该接触电势的数值取决便产生一定的接触电势，该接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度两接点于两种不同导体的性质和接触点的温度两接点的接触电势的接触电势eABeAB（（T T））可表示为：可表示为：7.1 热电偶式中：式中：k- k-玻耳兹曼常数（玻耳兹曼常数（k=1.38× J/Kk=1.38× J/K）；）；T T - -接触面的绝对温度；接触面的绝对温度；e e - -单位电荷量（单位电荷量（e=1.6× Ce=1.6× C）；）；N NA A- -金属电极金属电极A A的自由电子密度；的自由电子密度；N NB B- -金属电极金属电极B B的自由电子密度。

的自由电子密度7.1 热电偶2 2．温差电势．温差电势◆◆温差电势（又称汤姆森电势）是同一导体的两温差电势（又称汤姆森电势）是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势同一导端因其温度不同而产生的一种热电势同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，因此，在导体两端便形多余的电子而带负电，因此，在导体两端便形成温差电势，其大小由下面公式给出：成温差电势，其大小由下面公式给出：7.1 热电偶◆◆式中式中δ δ- -汤姆逊系数，它表示温度为汤姆逊系数，它表示温度为1℃1℃时所产生时所产生的电动势值，它与材料的性质有关的电动势值，它与材料的性质有关◆◆综上所述，在由两种不同金属组成的闭合回路综上所述，在由两种不同金属组成的闭合回路中，当两端点的温度不同时，回路中产生的热中，当两端点的温度不同时，回路中产生的热电势等于上述电位差的代数和，如图电势等于上述电位差的代数和，如图7-37-3所示：所示：图图7-3 7-3 热电偶回路的总热电势热电偶回路的总热电势7.1 热电偶7.1 热电偶式中：式中： 、、 分别为温度分别为温度T T和和 下的接触电势下的接触电势; ; 、、 和和 为为A A和和B B的温差电势。

当热电极的温差电势当热电极A A和和B B为同一种材为同一种材料时料时N NA A=N=NB B，，，，δ δA A= = δ δB B，则，则 若热电偶两端处若热电偶两端处于同一温度下，即于同一温度下，即T=TT=T0 0，则，则 所以热电势存在所以热电势存在必须具备两个条件：一是两种不同的金属材料组成热电偶；必须具备两个条件：一是两种不同的金属材料组成热电偶；二是它的两端存在温差二是它的两端存在温差7.1 热电偶◆◆在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，热电偶的热电势可表示为：忽略不计，热电偶的热电势可表示为： 对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定时，对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定时， 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 T成单值函成单值函数关系，即数关系，即::7.1 热电偶◆◆因此就可以用测量到的热电势因此就可以用测量到的热电势 来得到对来得到对应的温度值应的温度值T T，热电偶热电势的大小，只是与导，热电偶热电势的大小，只是与导体体A A和和B B的材料有关，与冷热端的温度有关，与的材料有关，与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。

导体的粗细长短及两导体接触面积无关◆◆实际应用中，热电势与温度之间关系是通过热实际应用中，热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的分度表是在参考端温度为电偶分度表来确定的分度表是在参考端温度为0℃0℃时，通过实验建立起来的热电势与工作端温时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系，书中表度之间的数值对应关系，书中表7-17-1到表到表7-47-4是几是几种常见热电偶的分度表种常见热电偶的分度表 7.1 热电偶7.1.2 7.1.2 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◆◆利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后会不会影响回路中的热和仪表，接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间导体定律说明，在热电偶测温回路内，电势呢？中间导体定律说明，在热电偶测温回路内，接入第三种导体，只要其两端温度相同，则对回路接入第三种导体，只要其两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响的总热电势没有影响◆◆接入第三种导体回路如下图接入第三种导体回路如下图7-47-4所示7.1 热电偶图图7-4 7-4 热电偶中加入第三种材料热电偶中加入第三种材料◆◆由于温差电势可忽略不计，则回路中的总热电由于温差电势可忽略不计，则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和，即势等于各接点的接触电势之和，即: : 7.1 热电偶当当T=TT=T0 0时，有：时，有： （（7-77-7））将式（将式（7-77-7）代入式（）代入式（7-67-6）得：）得： （（7-87-8））◆◆同理，加入第四、第五种导体后，只要加入的导同理，加入第四、第五种导体后，只要加入的导体两端温度相等，同样不影响回路中的总热电势。

体两端温度相等，同样不影响回路中的总热电势但是，如果接入第三种材料的两端温度不等，热电但是，如果接入第三种材料的两端温度不等，热电偶回路的总热电势将会发生变化其变化大小，取偶回路的总热电势将会发生变化其变化大小，取决于材料的性质和接点的温度决于材料的性质和接点的温度 7.1 热电偶2. 2. 参考电极定律参考电极定律 如图如图7-57-5所示，当结点温度为所示，当结点温度为 T T，，T T0 0时，用导体时，用导体A A，，B B组成的组成的 热电偶的热电动势等于热电偶的热电动势等于ACAC热电热电偶和偶和CBCB热电偶的热电动势的代热电偶的热电动势的代数和，即：数和，即： 图图7-5 7-5 参考电极定律原理图参考电极定律原理图7.1 热电偶◆◆参考电极的实用价值在于：它可大大简化热电参考电极的实用价值在于：它可大大简化热电偶的选配工作。

偶的选配工作◆◆实际测温中，只要获得有关热电极与参考电极实际测温中，只要获得有关热电极与参考电极配对时的热电势值，那么任何两种热电极配对配对时的热电势值，那么任何两种热电极配对时的热电势均可按公式而无需再逐个去测定时的热电势均可按公式而无需再逐个去测定◆◆用作参考电极（标准电极）的材料，目前主要用作参考电极（标准电极）的材料，目前主要为纯铂丝材，因为铂的熔点高，易提纯，且在为纯铂丝材，因为铂的熔点高，易提纯，且在高温与常温时的物理、化学性能都比较稳定高温与常温时的物理、化学性能都比较稳定 7.1 热电偶3. 3. 中间温度定律中间温度定律◆◆在热电偶回路中，两接点温度为在热电偶回路中，两接点温度为T T，，T T0 0时的热电势，时的热电势，等于该热电偶在接点等于该热电偶在接点T T、、TaTa和和TaTa、、T0T0时的热电势时的热电势之和，如图之和，如图7-67-6所示所示: : 由上图可得：由上图可得：图图7-67-6中间温度定律示意图中间温度定律示意图7.1 热电偶◆◆根据这一定律，只要给出自由端根据这一定律，只要给出自由端0℃0℃时的热电时的热电势和温度关系，就可求出冷端为任意温度势和温度关系，就可求出冷端为任意温度T T0 0的的热电偶电动势。

它是制定热电偶分度表的理论热电偶电动势它是制定热电偶分度表的理论基础在实际热电偶测温回路中，利用热电偶基础在实际热电偶测温回路中，利用热电偶这一性质，可对参考端温度不为这一性质，可对参考端温度不为0℃0℃的热电势的热电势进行修正进行修正7.1 热电偶7.1.37.1.3热电偶的结构形式热电偶的结构形式◆◆为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等偶和薄膜热电偶等 1 1．普通型热电偶．普通型热电偶 图图7-7 7-7 普通型热电偶结构普通型热电偶结构7.1 热电偶 图图7-8 7-8 铠装热电偶铠装热电偶普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。

缘套管、保护管和接线盒组成2 2．铠装热电偶．铠装热电偶 铠装热电偶又称套管热电偶它是由热电偶丝、绝缘铠装热电偶又称套管热电偶它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体，如图材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体，如图7- 7-8 8所示 7.1 热电偶 3. 3. 薄膜热电偶薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种薄膜热电偶是由两种 薄膜热电极材料，用薄膜热电极材料，用 真空蒸镀、化学涂层真空蒸镀、化学涂层 等办法蒸镀到绝缘基等办法蒸镀到绝缘基 板上面制成的一种特板上面制成的一种特 图图7-9 7-9 薄膜热电偶薄膜热电偶 殊热电偶，如图殊热电偶，如图7-97-9 所示。

所示 7.1 热电偶7.1.4 7.1.4 热电偶温度补偿方法热电偶温度补偿方法◆◆热电偶的热电势的大小与热端温度有关，与冷端温度有关，热电偶的热电势的大小与热端温度有关，与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，才可通过测量热电势的大小得到热端只有当冷端温度恒定，才可通过测量热电势的大小得到热端温度热电偶电路中最大的问题是冷端的问题，即如何选择温度热电偶电路中最大的问题是冷端的问题，即如何选择测温的参考点常采用的冷端方式有三种：测温的参考点常采用的冷端方式有三种：1 1．冰水保温瓶方式（冰点器方式）．冰水保温瓶方式（冰点器方式）: :将热电偶的冷端置于冰水将热电偶的冷端置于冰水保温瓶中，获得热电偶冷端的参考温度保温瓶中，获得热电偶冷端的参考温度2 2．恒温槽方式．恒温槽方式: : 即将冷端置于恒温槽中，如恒定温度为即将冷端置于恒温槽中，如恒定温度为T T0 0℃℃，，则冷端的误差则冷端的误差Δ Δ为：为：7.1 热电偶3. 3.冷端自动补偿方式（补偿电桥法）冷端自动补偿方式（补偿电桥法） ◆ ◆补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号，来自动补偿热电偶测量过程中因参考端为补偿信号，来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为温度不为0℃0℃或变化而引起热电势的变化值。

或变化而引起热电势的变化值 图图7-10 7-10 冷端补偿器原理图冷端补偿器原理图7.1 热电偶◆◆如图如图7-107-10所示，不平衡电桥由三个电阻温度系所示，不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻数较小的锰铜丝绕制的电阻R R1 1、、R R2 2、、R R3 3电阻温电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻度系数较大的铜丝绕制的电阻R RCuCu和稳压电源组和稳压电源组成补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温成补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温度，但由于度，但由于R RCuCu的阻值随环境温度变化而变化，的阻值随环境温度变化而变化，如果适当选择桥臂电阻和桥路电流，就可以使如果适当选择桥臂电阻和桥路电流，就可以使电桥产生的不平衡电压电桥产生的不平衡电压U UABAB补偿由于参考端温补偿由于参考端温度变化引起的热电势度变化引起的热电势E EABAB（（T T，，T T0 0））变化量，从变化量，从而达到自动补偿的目的。

而达到自动补偿的目的7.1 热电偶7.1.5 7.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路◆◆热电偶测温时，它可以直接与显示仪表（如电子电位热电偶测温时，它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、数字表等）配套使用，也可与温度变送器配套，差计、数字表等）配套使用，也可与温度变送器配套，转换成标准电流信号，图转换成标准电流信号，图7-117-11为典型的热电偶测温线路为典型的热电偶测温线路如用一台显示仪表显示多点温度时，可按图如用一台显示仪表显示多点温度时，可按图7-127-12连接，连接，这样可节约显示仪表和补偿导线这样可节约显示仪表和补偿导线图图7-11 7-11 热电偶测温典型电路热电偶测温典型电路7.1 热电偶 图图7-12 7-12 多点测温电路多点测温电路7.1 热电偶 ◆◆特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且参考端应在同一温度下如热电偶一分度号的热电偶，且参考端应在同一温度下。

如热电偶正向串联，可获得较大的热电势输出和提高灵敏度在测正向串联，可获得较大的热电势输出和提高灵敏度在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联利用热电偶并联量两点温差时，可采用热电偶反向串联利用热电偶并联可以测量平均温度热电偶串、并联线路如图可以测量平均温度热电偶串、并联线路如图7-137-13所示所示 （（a a）热电偶串联线路）热电偶串联线路 （（b b）热电偶反向串联线路）热电偶反向串联线路 （（c c）热电偶并联线路）热电偶并联线路 图图7-13 7-13 热电势串并联线路热电势串并联线路7.2 热电阻传感器 热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的变化而变化的原理进行测温的◆◆热电阻传感器的测量精度高；有较大的测量范热电阻传感器的测量精度高；有较大的测量范围，它可测量－围，它可测量－200200～～500℃500℃的温度；易于使用的温度；易于使用在自动测量和远距离测量中。

在自动测量和远距离测量中◆◆热电阻由电阻体、保护套和接线盒等部件组成热电阻由电阻体、保护套和接线盒等部件组成其结构形式可根据实际使用制作成各种形状其结构形式可根据实际使用制作成各种形状7.2 热电阻传感器7.2.1 7.2.1 常用热电阻常用热电阻◆◆用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率，数和电阻率，R-t R-t 关系最好成线性，物理化学性能稳定，复关系最好成线性，物理化学性能稳定，复现性好等目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻现性好等目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻 1 1．铂电阻．铂电阻 ◆◆铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用按度传感器中得到了广泛应用按IPTS-68IPTS-68标准，在标准，在- -259.34~+630.74℃259.34~+630.74℃温域内，以铂电阻温度计作为基准器温域内，以铂电阻温度计作为基准器 7.2 热电阻传感器铂热电阻的温度特性，在铂热电阻的温度特性，在0 0～～630. 74℃630. 74℃以内为：以内为：在在-190-190～～0℃0℃以内为：以内为：式中：式中：R Rt t——温度为温度为t t时的阻值；时的阻值；R R0 0——温度为温度为0 0度时的阻值；度时的阻值； A A－分度系数，取－分度系数，取3.9403.940×× /℃ /℃；；B B－分度系数，取－分度系数，取-5.84-5.84×× /℃ /℃ ；；C C－分度系数，取－分度系数，取-4.22-4.22×× /℃ /℃ 。

7.2 热电阻传感器◆◆热电阻在温度热电阻在温度t t时的电阻值与时的电阻值与R R0 0有关目前我国有关目前我国规定工业用铂热电阻有规定工业用铂热电阻有R R0 0=50Ω=50Ω和和R R0 0=100Ω=100Ω两种，两种，它们的分度号分别为它们的分度号分别为Pt50Pt50和和Pt100Pt100，其中以，其中以Pt100Pt100为常用铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，为常用铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即即RtRt－－t t的关系表，这样在实际测量中，只要测的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值得热电阻的阻值R Rt t，便可从分度表上查出对应，便可从分度表上查出对应的温度值书中表的温度值书中表7-57-5是是Pt100Pt100热电阻的分度特热电阻的分度特性表7.2 热电阻传感器◆◆铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比WW100100表示，它表示，它是铂热电阻在是铂热电阻在100℃100℃时电阻值时电阻值R R100100与与0℃0℃时电阻时电阻值值R R0 0之比按IECIEC标准，工业使用的铂热电阻标准，工业使用的铂热电阻的的WW100100>1.3850>1.3850。

◆◆PT100PT100具有正温度系数，通常用白金线绕制完具有正温度系数，通常用白金线绕制完成后，会放入保护管中，保护管可用玻璃，不成后，会放入保护管中，保护管可用玻璃，不锈钢等材料制成，为了配合不同的测试环境，锈钢等材料制成，为了配合不同的测试环境，可使用不同的长度与外径，保护管内空隙以氧可使用不同的长度与外径，保护管内空隙以氧化物陶瓷及黏合剂填充图化物陶瓷及黏合剂填充图7-147-14所示为几种常所示为几种常见的包装见的包装7.2 热电阻传感器(a)(a)缠绕在云母棒的缠绕在云母棒的PT100 (b)PT100 (b)封入玻璃中的封入玻璃中的PT100 (c)PT100 (c)不锈钢包装保护管的剖面不锈钢包装保护管的剖面 图图7-14 PT1007-14 PT100几种常见的包装几种常见的包装7.2 热电阻传感器2 2．铜电阻．铜电阻 ◆◆由于铂是贵重金属材料，因此，在一些测量精度要由于铂是贵重金属材料，因此，在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，它的测量范围为温，它的测量范围为-50-50～～150℃150℃。

铜热电阻在测量铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为：似地表示为：7.2 热电阻传感器◆◆铜热电阻线性好，价格便宜，但它电阻率较低，且在铜热电阻线性好，价格便宜，但它电阻率较低，且在100℃100℃以下易氧化，不适宜在腐蚀性介质或高温下工作以下易氧化，不适宜在腐蚀性介质或高温下工作铜热电组的两种分度号为铜热电组的两种分度号为Cu50Cu50（（R R0=50Ω0=50Ω）和）和Cu100Cu100（（R100=100ΩR100=100Ω） Cu50 Cu50分度表如下表所示分度表如下表所示表表7-6 WZB7-6 WZB型铜热电阻分度特性表型铜热电阻分度特性表R R0 0=53Ω =53Ω 规定分度号规定分度号G G 分度系数分度系数α α=4.25×10 /℃=4.25×10 /℃温度（℃）0102030405060708090电阻值（Ω）-5041.74-053.0050.7548.5046.2443.99053.0055.2557.5059.7562.0164.2666.5268.7771.0273.2710075.5277.7880.0382.2884.5486.797.2 热电阻传感器7.2.2 7.2.2 热电阻传感器的引线方式热电阻传感器的引线方式◆◆热电阻测温精度高、适于测低温。

传感器的测量热电阻测温精度高、适于测低温传感器的测量电路经常使用电桥，其中精度较高的是自动电桥电路经常使用电桥，其中精度较高的是自动电桥由于热电阻的电阻值很小，所以导线电阻值不可忽由于热电阻的电阻值很小，所以导线电阻值不可忽略热电阻传感器内部引线方式有两线制、略热电阻传感器内部引线方式有两线制、 三线三线制和四线制制和四线制3 3种，如图种，如图7 7－－1515所示 图图7-15 7-15 内部引线方式内部引线方式7.2 热电阻传感器◆◆二线制中引线电阻对测量影响大，用于测温精度不高场合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常采用三线制和四线制连接温度检测工业用铂电阻测温常采用三线制和四线制连接法◆◆图图7-167-16和图和图7-177-17分别为三线制和四线制电桥连接测量电路。

分别为三线制和四线制电桥连接测量电路以图以图7-177-17为例，为例，G G是检流计，是检流计，R R1 1、、R R2 2、、R R3 3是固定电阻，是固定电阻，r r1 1、、r r2 2、、r r3 3是引线电阻，是引线电阻，RaRa是零位调节电阻，是零位调节电阻，RtRt是热电阻当是热电阻当U UA A= =U UB B时，电桥平衡，调节时，电桥平衡，调节RaRa，可消除引线电阻的影响可消除引线电阻的影响 7.2 热电阻传感器图图7-16 7-16 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7.2 热电阻传感器图图7-17 7-17 热电阻测温电桥的四线制接法热电阻测温电桥的四线制接法7.2 热电阻传感器7.2.3 7.2.3 几种常用的热电阻传感器测量电路几种常用的热电阻传感器测量电路1 1．．PT100PT100的测量电路的测量电路图图7-18 PT100 7-18 PT100 转换电路转换电路7.2 热电阻传感器图图7-19 7-19 铂电阻恒电流工作电路铂电阻恒电流工作电路7.2 热电阻传感器2 2．恒电流工作方式下．恒电流工作方式下TRRA102BTRRA102B铂电阻的基本测铂电阻的基本测 量电路量电路 图图7-20 7-20 铂电阻恒电流工作电路铂电阻恒电流工作电路7.2 热电阻传感器3 3．恒电压工作方式下．恒电压工作方式下TRRA102BTRRA102B铂电阻的基本测铂电阻的基本测 量电路量电路图图7-21 7-21 恒电压工作电路恒电压工作电路7.2 热电阻传感器图图7-22 7-22 恒电压工作电路恒电压工作电路7.2 热电阻传感器4 4．电流为．电流为4~20mA4~20mA的铂电阻环形测量电路的铂电阻环形测量电路图图7-237-23　　 用铂电阻制作的用铂电阻制作的4~20mA4~20mA的环路器电路的环路器电路7.2 热电阻传感器5 5．测温范围为．测温范围为0~600℃0~600℃的带有线性化电路的环形的带有线性化电路的环形 电流电路电流电路图图7-24 7-24 用于铂电阻的测温范围为用于铂电阻的测温范围为0~600℃0~600℃的的4~20mA4~20mA电流环形电路电流环形电路7.2 热电阻传感器图图7-26 7-26 电路的非线性误差电路的非线性误差图图7-25 7-25 铂电阻的铂电阻的3 3线式连接法线式连接法7.3 热敏电阻 本节介绍半导体的电阻值随温度变化的一种本节介绍半导体的电阻值随温度变化的一种热敏元件（热敏电阻）。

热敏元件（热敏电阻）◆◆热敏电阻是由一些金属氧化物热敏电阻是由一些金属氧化物, , 采用不同比例的采用不同比例的配方，经高温烧结而成，然后采用不同的封装形配方，经高温烧结而成，然后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状◆◆热敏电阻具有以下优点：热敏电阻具有以下优点：①①电阻温度系数大，灵电阻温度系数大，灵敏度高；敏度高；②②结构简单；结构简单；③③电阻率高，热惯性小；电阻率高，热惯性小；但它阻值与温度变化呈非线性，且稳定性和互换但它阻值与温度变化呈非线性，且稳定性和互换性较差 7.3 热敏电阻7.3.1 7.3.1 热敏电阻的温度特性热敏电阻的温度特性◆◆按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型：即负电按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型：即负电阻温度系数热敏电阻（阻温度系数热敏电阻（NTCNTC），正电阻温度系数热敏电阻），正电阻温度系数热敏电阻（（PTCPTC）和在在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温）和在在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（度电阻器（CTRCTR）它们的特性曲线如同）它们的特性曲线如同7-267-26所示。

所示 图图7-27 7-27 各种热敏电阻的特性各种热敏电阻的特性7.3 热敏电阻 由图由图7-187-18可见，使用可见，使用CTRCTR型热敏电阻组成控制开型热敏电阻组成控制开关是十分理想的在温度测量中，则主要采用关是十分理想的在温度测量中，则主要采用NTCNTC或或PTCPTC型热敏电阻，但使用最多的是型热敏电阻，但使用最多的是NTCNTC型型热敏电阻负温度系数的热敏电阻的阻值与温度热敏电阻负温度系数的热敏电阻的阻值与温度的关系可表示为：的关系可表示为：式中：式中： R RT T、、R R0 0——温度温度T T、、T T0 0时的阻值；时的阻值； T T－热力学温度；－热力学温度； B B－热敏电阻材料常数，一般取－热敏电阻材料常数，一般取20002000～～6000K6000K若定义若定义 为热敏电阻的温度系数为热敏电阻的温度系数α α，则由，则由 式得：式得：7.3 热敏电阻B B和和α α值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，热敏电阻的值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高。

但热电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高但热敏电阻非线性严重，所以实际使用时要对其进行线性化处理敏电阻非线性严重，所以实际使用时要对其进行线性化处理7.3 热敏电阻7.3.27.3.2热敏电阻输出特性的线性化处理热敏电阻输出特性的线性化处理◆◆热敏电阻值随温度变化呈指数规律，其非线性非常严重热敏电阻值随温度变化呈指数规律，其非线性非常严重线性变换常用的方法有：线性变换常用的方法有： 1 1．线性化网络．线性化网络 ◆ ◆对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络代替很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系图单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系图7-287-28是两种最简单的线性化方法是两种最简单的线性化方法7.3 热敏电阻图图7-28 7-28 常用补偿电路常用补偿电路7.3 热敏电阻2 2．计算修正法．计算修正法◆◆大部分传感器的输出特性都存在非线性，因此实大部分传感器的输出特性都存在非线性，因此实际使用时都必须对其进行线性化处理，其方法有际使用时都必须对其进行线性化处理，其方法有硬件（电子线路）法和软件（程序）法。

硬件（电子线路）法和软件（程序）法◆◆在带有微处理器的测量系统中，就可以用软件对在带有微处理器的测量系统中，就可以用软件对传感器进行处理当已知热敏电阻的实际特性和传感器进行处理当已知热敏电阻的实际特性和要求的理想特性时，可以用线性插值等方法将特要求的理想特性时，可以用线性插值等方法将特性分段并把分段点的值存放在计算机的内存中，性分段并把分段点的值存放在计算机的内存中，计算机将根据热敏电阻的实际输出值进行校正计计算机将根据热敏电阻的实际输出值进行校正计算，给出要求的输出值算，给出要求的输出值7.4 集成温度传感器 集成温度传感器是利用晶体管集成温度传感器是利用晶体管PNPN结的电流结的电流电压特性与温度的关系，把感温电压特性与温度的关系，把感温PNPN结及有关电结及有关电子线路集成在一个小硅片上，构成一个小型化、子线路集成在一个小硅片上，构成一个小型化、一体化的专用集成电路片一体化的专用集成电路片◆◆集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点，由于价格低等优点，由于PNPN结受耐热性能和特性范结受耐热性能和特性范围的限制，它只能用来测围的限制，它只能用来测150℃150℃以下的温度。

以下的温度7.4 集成温度传感器7.4.1 7.4.1 基本工作原理基本工作原理◆◆目目前前在在集集成成温温度度传传感感器器中中，，都都采采用用一一对对非非常常匹匹配配的的差差分分对对管管作作为为温温度度敏敏感感元元件件图图7-297-29是是集集成成温度传感器基本原理图温度传感器基本原理图图图7-29 7-29 集成温度传感器基本原理集成温度传感器基本原理7.4 集成温度传感器◆◆其中其中VTVT1 1和和VTVT2 2是互相匹配的晶体管，是互相匹配的晶体管，I I1 1和和I I2 2分分别是别是VTVT1 1和和VTVT2 2管的集电极电流，由恒流源提供管的集电极电流，由恒流源提供VTVT1 1和和VTVT2 2管的两个发射极和基极电压之差管的两个发射极和基极电压之差ΔUbeΔUbe可用下式表示，即：可用下式表示，即： 式中：式中：k k- -是波尔兹曼常数；是波尔兹曼常数；q q- -是电子电荷量；是电子电荷量；γ γ- -是是VT1VT1和和VT2VT2管发射结的面积之比管发射结的面积之比 ◆◆从式中看出，如果保证从式中看出，如果保证I I1 1/I/I2 2恒定，则恒定，则ΔUbeΔUbe就与温度就与温度T T成成单值线性函数关系。

这就是集成温度传感器的基本工作原单值线性函数关系这就是集成温度传感器的基本工作原理，在此基础上可设计出各种不同电路以及不同输出类型理，在此基础上可设计出各种不同电路以及不同输出类型的集成温度传感器的集成温度传感器7.4 集成温度传感器7.4.2 7.4.2 集成温度传感器的信号输出方式集成温度传感器的信号输出方式1 1．电压输出型．电压输出型 ◆◆电压输出型集成温度传感电压输出型集成温度传感器原理电路图如图器原理电路图如图7-307-30所所示当电流示当电流I I1 1恒定时，通恒定时，通过改变过改变R R1 1的阻值，可实现的阻值，可实现I I1 1=I=I2 2，当晶体管的，当晶体管的β β≥1 ≥1 图图7-30 7-30 电压输出型电路原理图电压输出型电路原理图时，电路的输出电压可由时，电路的输出电压可由下式确定，即：下式确定，即： 7.4 集成温度传感器2 2．电流输出型．电流输出型◆◆图图7-317-31为电流输出型集成温为电流输出型集成温度传感器的原理电路图度传感器的原理电路图VT1VT1和和VT2VT2是结构对称的两个晶体是结构对称的两个晶体管，作为恒流源负载，管，作为恒流源负载，VT3VT3和和VT4VT4管是测温用的晶体管，其管是测温用的晶体管，其中中VT3VT3管的发射结面积是管的发射结面积是VT4VT4管管的的8 8倍，即倍，即r r=8=8。

流过电路的流过电路的 图图7-31 7-31 电流输出型电路原理图电流输出型电路原理图总电流总电流Ir Ir为：为： 7.4 集成温度传感器 7.4.3 AD5907.4.3 AD590集成温度传感器应用实例集成温度传感器应用实例◆◆AD590AD590是应用广泛的一种集成温度传感器，由于它内是应用广泛的一种集成温度传感器，由于它内部有放大电路，再配上相应外电路，方便地构成各种部有放大电路，再配上相应外电路，方便地构成各种应用电路下面介绍应用电路下面介绍AD590AD590几种简单的应用线路几种简单的应用线路 1 1．温度测量电路．温度测量电路 ◆◆图图7-327-32是一个简单的测温电是一个简单的测温电路AD590AD590在在25℃25℃（（298.2K298.2K））时，理想输出电流为时，理想输出电流为298.2298.2μ μA A，，但实际上存在一定误差，可以但实际上存在一定误差，可以 图图7-32 7-32 简单的测量电路简单的测量电路在外电路中进行修正在外电路中进行修正 7.4 集成温度传感器2 2．控温电路．控温电路◆◆简单的控温电路如简单的控温电路如图图7-337-33所示。

所示AD311AD311为比较器，它的输为比较器，它的输出控制加热器电流，出控制加热器电流，调节调节R1R1可改变比较可改变比较电压，从而改变了电压，从而改变了控制温度控制温度AD581AD581是是稳压器，为稳压器，为AD590AD590提提供一个合理的稳定电压供一个合理的稳定电压图图7-33 7-33 简单的温控电路简单的温控电路7.4 集成温度传感器3. 3. 热电偶参考端补偿电路热电偶参考端补偿电路◆◆该种补偿电路如图该种补偿电路如图7-347-34所所示AD590AD590应与热电偶参应与热电偶参考端处于同一温度下考端处于同一温度下AD580AD580是一个三端稳压器，是一个三端稳压器， 其输出电压其输出电压UoutUout=2.5V=2.5V电路工作时，调整电阻电路工作时，调整电阻R R2 2使得：使得： 图图7-34 7-34 热电偶参考端补偿电路热电偶参考端补偿电路这样在电阻这样在电阻R R1 1上产生一个上产生一个随参考端温度随参考端温度t t0 0变化的补偿电压变化的补偿电压U U1 1= =I I1 1R R1 1。

7.5 热电式传感器的应用 7.5.1 7.5.1 基于热电偶的温度计基于热电偶的温度计图图7-35 J7-35 J型热电偶型热电偶0~300℃0~300℃测温电路测温电路7.5 热电式传感器的应用图图7-36 7-36 带有量程切换的热电偶测温电路带有量程切换的热电偶测温电路7.5 热电式传感器的应用图图7-37 7-37 带有量程切换的热电偶测温电路带有量程切换的热电偶测温电路7.5 热电式传感器的应用图图7-38 K7-38 K型热电偶的制作电路型热电偶的制作电路7.5 热电式传感器的应用图图7-38 K7-38 K型热电偶的制作电路型热电偶的制作电路7.5 热电式传感器的应用图图7-39 7-39 火灾警报器火灾警报器7.5.27.5.2基于铂电阻的火灾报警器基于铂电阻的火灾报警器 习 题习题习题 1 1．什么是热电势、接触电势和温差电势？．什么是热电势、接触电势和温差电势？ 2 2．说明热电偶测温的原理及热电偶的基本定律．说明热电偶测温的原理及热电偶的基本定律 3 3．已知在其特定条件下材料．已知在其特定条件下材料A A与铂配对的热电势与铂配对的热电势 ，材料，材料B B与铂配对的热电势与铂配对的热电势 ，，试求出此条件下材料试求出此条件下材料A A与材料与材料B B配对后的热电势。

配对后的热电势  习 题4 4．．Pt100Pt100和和Cu50Cu50分别代表什么传感器？分析热电阻分别代表什么传感器？分析热电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法的主要作用传感器测量电桥之三线、四线连接法的主要作用5 5．将一只灵敏度为．将一只灵敏度为0.08mv/℃ 0.08mv/℃ 的热电偶与毫伏表相的热电偶与毫伏表相连连, ,已知接线端温度为已知接线端温度为50℃,50℃,毫伏表的输出为毫伏表的输出为60 60 mV, mV, 求热电偶热端的温度为多少求热电偶热端的温度为多少? ?6 6．试比较热电阻与热敏电阻的异同．试比较热电阻与热敏电阻的异同习 题 4 4．．Pt100Pt100和和Cu50Cu50分别代表什么传感器？分析热分别代表什么传感器？分析热 电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法电阻传感器测量电桥之三线、四线连接法 的主要作用的主要作用 5 5．将一只灵敏度为．将一只灵敏度为0.08mv/℃ 0.08mv/℃ 的热电偶与毫的热电偶与毫 伏表相连伏表相连, ,已知接线端温度为已知接线端温度为50℃,50℃,毫伏表毫伏表 的输出为的输出为60 60 mvmv, , 求热电偶热端的温度为多求热电偶热端的温度为多 少少? ? 6 6．试比较热电阻与热敏电阻的异同。

．试比较热电阻与热敏电阻的异同。