1、1第8章 熱電式傳感器8.1 熱電阻傳感器及熱敏電阻傳感器8.2 熱電偶傳感器8.3 其它類型溫度傳感器2 38.1 熱敏電阻式傳感器 大多數金屬的電阻率都與溫度成正比：)(1 00TTRRTT0時的電阻T0時的電阻系數T0時的電阻系數T時的電阻金屬的溫度系數為正單晶半導體為正陶瓷半導體的為負熱電阻效應：電阻率隨其本身溫度變化而變化的現象。4 8.1.1 金屬熱電阻 熱電阻傳感器是利用導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。 熱電阻廣泛用來測量200850范圍內的溫度，少數情況下，低溫可測量至1K，高溫達1000。標準鉑電阻溫度計的精確度高，作為復現國際溫標的標準儀器。 5 1. 常用金

2、屬熱電阻 對用于制造金屬熱電阻材料的要求： 具有盡可能大和穩定的電阻溫度系數和電阻率 R-t關系最好成線性 物理化學性能穩定 容易加工、價格盡量便宜等。 適宜制作熱電阻的適宜制作熱電阻的材料材料有有鉑鉑、銅銅、鎳鎳、鐵鐵等。等。目前最常用的金屬熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻鉑熱電阻和銅熱電阻。 6易提純、復現性好的金屬材料才可用于制作熱電阻易提純、復現性好的金屬材料才可用于制作熱電阻 7鉑、銅為應用最廣的熱電阻材料。雖然鐵、鉑、銅為應用最廣的熱電阻材料。雖然鐵、鎳的溫度系數和電阻率均比鉑、銅要高，但鎳的溫度系數和電阻率均比鉑、銅要高，但由于存在著不易提純和非線性嚴重的缺點，由于存在著不易提純和非線

3、性嚴重的缺點，因而用得不多。因而用得不多。鉑容易提純，在高溫和氧化性介質中化學、鉑容易提純，在高溫和氧化性介質中化學、物理性能穩定，制成的鉑電阻輸出輸入特物理性能穩定，制成的鉑電阻輸出輸入特性接近線性，測量精度高。性接近線性，測量精度高。8 熱電阻的主要技術性能熱電阻的主要技術性能 9鉑熱敏電阻 鉑電阻的阻值和溫度之間的關系接近線性： 06300C -20000C)1 (20BtAtRRt)100(1 (320ttCBtAtRRt A=3.98310-3/ B=-5.8610-7/2 C=-4.2210-12/4 在ITS90 中，這些常數規定為Rt、R0分別非分別非T0C和和00C時的阻值時

4、的阻值10 可見：熱電阻在溫度t時的電阻值與0時的電阻值R0有關。 目前我國規定工業用鉑熱電阻有R0=10和R0=100兩種，它們的分度號分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。 鉑熱電阻不同分度號亦有相應分度表，即Rt-t的關系表，這樣在實際測量中，只要測得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對應的溫度值。 鉑熱電阻的特點是精度高、穩定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應用。11鉑電阻分度表鉑電阻分度表 12（2）銅熱電阻）銅熱電阻)1 (320CtBtAtRRt-50 150 )(1000ttRRt013 優優 點點 （ 1） 易易 提提 純純 ； （ 2） 物物 理

5、理 、 化化 學學 特特 性性 穩穩 定定 ； （ 3） 輸輸 出出 近近 線線 性性 ； （ 4） 價價 格格 低低 廉廉 。 缺缺 點點 （ 1） 電電 阻阻 率率 低低 ； （ 2） 體體 積積 較較 大大 ， 熱熱 慣慣 性性 較較 大大 ； （ 3） 溫溫 度度 高高 于于 100 易易 氧氧 化化 。 我國工業用銅熱電阻有兩種初始電阻值，我國工業用銅熱電阻有兩種初始電阻值， 和和 ，分度號分別為，分度號分別為u50和和u100。根據。根據式式2可制成銅熱電阻的標準化分度表，可制成銅熱電阻的標準化分度表， 050R 0100R 14銅熱電阻的分度表分度號：Cu50 050R 溫度/0

6、102030405060708090電阻/050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.1315銅熱電阻的特點 銅熱電阻的電阻溫度系數較大、線性性好、價格便宜。 缺點：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩定性較差，在100 以上時容易氧化，因此只能用于低溫及沒有浸蝕性的介質中。163 3、熱電阻的結構和類型、熱電阻的結構和類型（1）普通型熱電阻）普通型熱電阻17(2)(2)鎧裝熱電阻鎧裝熱電阻鎧裝熱電阻的結構

7、較為特殊。熱電阻體與保護套封裝成一個整鎧裝熱電阻的結構較為特殊。熱電阻體與保護套封裝成一個整體，具有良好的機械性能，耐振動與沖擊，有良好的撓性，便于體，具有良好的機械性能，耐振動與沖擊，有良好的撓性，便于安裝，不受有害介質侵蝕，外徑尺寸可以做得很小，反應速度快，安裝，不受有害介質侵蝕，外徑尺寸可以做得很小，反應速度快，適用于安裝在結構復雜的設備上進行測溫，使用壽命較長。適用于安裝在結構復雜的設備上進行測溫，使用壽命較長。18(3)(3)薄膜熱電阻薄膜熱電阻 薄膜熱電阻是用真空鍍膜法將鉑直接蒸鍍在陶瓷基體上制成的薄膜熱電阻是用真空鍍膜法將鉑直接蒸鍍在陶瓷基體上制成的熱電阻，薄膜熱電阻減少了熱慣性

8、，提高了靈敏度和響應速度，熱電阻，薄膜熱電阻減少了熱慣性，提高了靈敏度和響應速度，適用于平面物體的表面溫度和動態溫度的測量。適用于平面物體的表面溫度和動態溫度的測量。19 利用熱電阻測量溫度實際是測量熱電阻工作狀態利用熱電阻測量溫度實際是測量熱電阻工作狀態下的阻值，由電阻和溫度之間的關系，求出被測溫度，下的阻值，由電阻和溫度之間的關系，求出被測溫度，整個測溫系統主要由整個測溫系統主要由熱電阻傳感器、測量電橋熱電阻傳感器、測量電橋、顯示、顯示儀表及連接導線組成。儀表及連接導線組成。 由于熱電阻的阻值較小由于熱電阻的阻值較小(幾歐姆到幾十歐姆范圍幾歐姆到幾十歐姆范圍)，熱電阻本體的引線電阻和連接導

9、線的電阻會給溫度測熱電阻本體的引線電阻和連接導線的電阻會給溫度測量結果帶來很大的影響，為了解決這一問題，熱電阻量結果帶來很大的影響，為了解決這一問題，熱電阻的連接線路從二線制發展到三線制和四線制的連接線路從二線制發展到三線制和四線制. 20內部引線方式 電阻體二線制電阻體三線制電阻體四線制21兩線制 這種引線方式簡單、費用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差。 兩線制適于引線不長、測溫精度要求較低的場合。22 采用三線制或四線制測量電路，可以克服長連接采用三線制或四線制測量電路，可以克服長連接導線的電阻在環境溫度變化時造成測量誤差導線的電阻在環境溫度變化時造成測量誤差 。 注意：注

10、意：為了避免熱電阻中流過電流時產生加熱效應，在為了避免熱電阻中流過電流時產生加熱效應，在設計電橋時要使流過熱電阻的電流盡量小些設計電橋時要使流過熱電阻的電流盡量小些,一般要求一般要求小于小于10mA。23uA1R2R4RtRrrrE1142)(RrRrRRRt)()(421rRRrRRt21RR 若142RRRRt則 用于工業測量，一般精度 24MMVMVMtIEII)rr(IEIER32實驗室用，高精度測量 25熱電阻的應用268.2.2 半導體熱敏電阻 熱敏電阻是利用半導體（某些金屬氧化物如NiO,MnO2, CuO,TiO2)的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件，其特點是電阻

11、率隨溫度而顯著變化電阻率隨溫度而顯著變化。一般測溫范圍：50 30027288.3.1 熱敏電阻的電阻溫度特性29 NTC熱敏電阻具有很高的負電阻溫度系數，特別適用于：100300之間測溫測溫。 PTC熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，且有斜率最大的區域，當溫度超過某一數值時，其電阻值朝正的方向快速變化。其用途主要是彩其用途主要是彩電消磁、各種電器設備的過熱保護、限流等電消磁、各種電器設備的過熱保護、限流等。 CTR也具有負溫度系數，但在某個溫度范圍內電阻值急劇下降，曲線斜率在此區段特別陡，靈敏度極高。主要用作溫度開關主要用作溫度開關。 各種熱敏電阻的阻值在常溫下很大，不必采用三線制或四線制接法

12、，給使用帶來方便。30（一）NTC型熱敏電阻主要特性1.電阻電阻-溫度特性溫度特性31NTCNTC型型)11(00TTBTeRR電阻溫度特性：電阻溫度系數：2TBRdTdRTTTTRB為熱敏電阻材料系數為熱敏電阻材料系數32 IU TdTdRRT1dTAedAeTBTB)(12TB.constT TT： 33 由圖8.3 1）當流過熱敏電阻的電流很小時，不足以使之加熱，電阻值只取決于環境溫度，伏安特性遵循歐姆定律。主要用于測量溫度。 2）當電流達到一定值時，電流使之加熱，本身溫度升高，電阻減小，電流增大，電壓反而減小，所升高溫度與環境條件（周圍介質溫度和散熱條件）有關。 當電流和周圍介質溫度一

13、定時，熱敏電阻的阻值取決于介質的流速、流量、密度等散熱條件。根據這一原理，可用來測量流體流速和介質密度等。2.伏安特性伏安特性34（三）熱敏電阻的線性化與測量電路 熱敏電阻主要缺點：熱電特性的非線性嚴重。 解決方法（1）若用恒流源供電，以熱敏電阻兩端的電壓作為溫度指示，可用一個阻值適當且溫度系數小的電阻Rp與熱敏電阻RT并聯進行線性化。 進行線性化，曲線在拐點附近，曲線近似為線性。所以，把測溫范圍的溫度設置在拐點。TRXRXTXTRRRRRTRXRTRXTRR /35z在曲線的拐點附近，曲線近似為線性，因在曲線的拐點附近，曲線近似為線性，因此把此把測量溫度范圍的中點測量溫度范圍的中點TiTi設

14、在拐點設在拐點處。處。 z根據拐點處熱敏電阻根據拐點處熱敏電阻R RT T的值，選擇并聯電的值，選擇并聯電阻阻RpRp，RpRp計算公式推導：計算公式推導： z由于由于R RT T = R = R0 0 e eB B/T/T , ,故故 36z對上式求兩階導數并使之等于零得到：對上式求兩階導數并使之等于零得到： z即：即： z式中式中R RTiTi為熱敏電阻在中點溫度為熱敏電阻在中點溫度TiTi的阻值的阻值37z線性化將使溫度系數減小。線性化將使溫度系數減小。y并聯后的溫度系數為并聯后的溫度系數為P P , ,通過對通過對R R式微分可得式微分可得出：出：y與并聯前比較，溫度系數與并聯前比較，

15、溫度系數P P減小了減小了1/(1+R1/(1+RTiTi/R/RP P) )倍倍 y在高精度測溫中在高精度測溫中, ,用數字技術進行線性化。用數字技術進行線性化。 38 解決方法（2）若用恒壓源供電，以通過熱敏電阻的電流作為溫度指示，可用一個阻值適當且溫度系數小的電阻Rp與熱敏電阻RT串聯進行線性化。XTSRRRAITRXRETRXRTRXTRR 39z類似地類似地, ,很容易求出所需串聯電阻的阻值很容易求出所需串聯電阻的阻值RsRs: :z 其中其中G GTiTi為熱敏電阻在中點溫度為熱敏電阻在中點溫度TiTi的的電導電導 40 NTC熱敏電阻生產最早、最成熟、使用范圍熱敏電阻生產最早、最

16、成熟、使用范圍也廣，它特別適用于也廣，它特別適用于100300之間的溫之間的溫度測量，目前己廣泛應用于點溫、表面溫度、度測量，目前己廣泛應用于點溫、表面溫度、溫差、溫度場等測量中，同時也應用在自動控溫差、溫度場等測量中，同時也應用在自動控制及電子線路的熱補償電路中。制及電子線路的熱補償電路中。 415.5.熱敏電阻測溫電路熱敏電阻測溫電路 z R Rt t 為熱敏電阻，為熱敏電阻， z Rs Rs 用于電導用于電導- -溫度特溫度特性線性化性線性化 z W W1 1 50mV50mV電壓源調節電壓源調節 z W W2 2 溫度溫度00時使輸出時使輸出為零為零 z 輸出電壓輸出電壓U U0 0與

17、與RsRs和和R Rt t串串聯的電導成正比聯的電導成正比 4243熱敏電阻在生物醫學測量中的應用熱敏電阻在生物醫學測量中的應用z在生物醫學測量中在生物醫學測量中, ,如口腔型，表面型和注射針如口腔型，表面型和注射針型探頭等以半導體熱敏電阻為溫度敏感元件。型探頭等以半導體熱敏電阻為溫度敏感元件。 z呼吸傳感器：用膠布固定在病人鼻孔出口處呼吸傳感器：用膠布固定在病人鼻孔出口處, ,進進行呼吸率的連續檢查行呼吸率的連續檢查 44 8.2 8.2 熱電偶傳感器熱電偶傳感器 1. 熱電偶測溫原理熱電偶測溫原理熱電效應：兩種不同材料的導體（或半導體）組成一個閉合回路，當兩接點溫度T和T0不同時，則在該回

18、路中就會產生電動勢的現象。（溫差現象or澤貝克效應）熱端（測量端或工作端）、冷端（參考端或自由端）45先看一個實驗先看一個實驗熱電偶工作原理演示熱電偶工作原理演示 結論：當兩個結點溫度不相同時，回路中將產生電動勢。結論：當兩個結點溫度不相同時，回路中將產生電動勢。 熱電極熱電極A A右端：右端：自由端自由端參考端參考端冷端冷端一、一、 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理 左端：左端：測量端測量端工作端工作端熱端熱端熱電極熱電極B B熱電勢熱電勢AB46從實驗到理論：從實驗到理論：熱電效應熱電效應 1821年，德國物理學家年，德國物理學家賽貝克賽貝克用兩種不同金用兩種不同金屬組成屬組成閉合回路閉合

19、回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸，并用酒精燈加熱其中一個接觸點（稱為結點），發現放在回路中的點（稱為結點），發現放在回路中的指南針發生指南針發生偏轉偏轉（說明什么？）（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對兩個，如果用兩盞酒精燈對兩個結點結點同時加熱，指南針的偏轉角反而減小同時加熱，指南針的偏轉角反而減小（又說（又說明什么？）明什么？） 。 顯然，指南針的偏轉說明回路中有電動勢產顯然，指南針的偏轉說明回路中有電動勢產生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結點的溫差有關。點的溫差有關。 47熱電效應熱電效應48 熱電偶回路 49 兩種不同的金屬互相接觸時，由

20、于不同金屬內自由電子的兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內自由電子的密度不同，在兩金屬密度不同，在兩金屬A和和B的接觸點處會發生自由電子的的接觸點處會發生自由電子的擴散擴散現象現象。自由電子將從密度大的金屬。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬擴散到密度小的金屬B，使使A失去電子帶正電失去電子帶正電，B得到電子帶負電得到電子帶負電，從而產生，從而產生熱電勢熱電勢。 自由自由電子電子ABeAB（ T T ）T T1. 1. 接觸電勢接觸電勢50BAABNNekTTeln)(eAB(T)導體導體A、B結點在溫度結點在溫度T 時形成的接觸電動時形成的接觸電動勢；勢；e單位電荷，單位電荷，

21、 e =1.610-19C； k波爾茲曼常數，波爾茲曼常數， k =1.3810-23 J/K ；NA、NB 導體導體A、B在溫度為在溫度為T 時的電子密度。時的電子密度。接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關。接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關。51接觸電動勢(帕爾貼效應） 接觸電動勢的數值取決于兩種不同導體的材料特性和接觸點的溫度。 兩接點的接觸電動勢eAB(T)和eAB（T0）可表示為 含義：由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。 lnAABBntktEtent 0000lnAABBntktEtent522. 2. 溫差電勢溫差電勢（湯姆遜效應53

22、AeA(T,To)ToTeA(T，T0)導體導體A兩端溫度為兩端溫度為T、T0時形成的溫差電動勢；時形成的溫差電動勢；T，T0高低端的絕對溫度；高低端的絕對溫度； A湯姆遜系數，表示導體湯姆遜系數，表示導體A兩端的溫度差為兩端的溫度差為1時所產生的時所產生的溫差電動勢，例如在溫差電動勢，例如在0時，銅的時，銅的 =2V/。dTTTeTTAA0),(0溫差電勢原理圖溫差電勢原理圖54 同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種電動勢。00( ,)( ,)ABe T Te T T大小表示：大小表示： 溫差電動勢（湯姆遜效應）55由導體材料由導體材料A、B組成的閉合回路，其接點溫度分別為組成的閉合回路，

23、其接點溫度分別為T、T0,如果如果TT0，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，回路總電勢：勢，回路總電勢：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3. 3. 回路總電勢回路總電勢),(),()()(),(0000TTETTETETETTEBAABABABTTBTTABABAdTdTnnekTnnekT00lnln0TTBABAdTTTnnek0)()(ln056TTBABAABdTTTnnekTTE0)()(ln),(00()( )( )()BAABABABNNlnTTekTeTeT,TE000= CTfTeTeT ,TEABA

24、BAB0057影響因素取決于材料和接點溫度，與形狀、尺寸等無關兩熱電極相同時，總電動勢為0兩接點溫度相同時，總電動勢為0對于已選定的熱電偶，當參考端溫度T0恒定時，eAB(T0)=c為常數，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數關系，即 可見：只要測出eAB（T,T0）的大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。 討論00( , )( )( )( )( )ABEt tf tf tf tCt58熱電偶的分度表 不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同的函數關系，一般通過實驗的方法來確定，并將不同溫度下測得的結果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對照表，即分度表。 供查閱使用，每10分

25、檔 。中間值按內插法計算。()MLMLHLHLEEttttEE59S型型(鉑銠鉑銠10-鉑鉑)熱電偶分度表熱電偶分度表 60 61T0T0BTAC 0TTETeTeTTEAB0ABAB0ABC，62測量儀表及引線作為第三種導體的熱電偶回路 6364 0000TTETeTe TeTeTeTeTTETTEABABABBC0ACBCACBC0AC，65標準導體定律的意義 通常選用高純鉑絲作標準電極 只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據標準電極定律計算出來。 6667()()()00+=TTETTETTEnABnABAB，68),(),(),(00

26、TTETTETTTEnCDnABnABCDT0TnTnTABCD69 為了適應不同生產對象的測溫要求和條件，熱電偶的結構形式有：普通型熱電偶特殊熱電偶鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶等。 9.1.2 熱電偶的結構與種類根據熱電偶所用材料，分根據熱電偶所用材料，分K、E、J、T、B、R、S型。型。70普通型熱電偶結構 接線盒熱電極熱端絕緣管保護管71 優點優點：測溫端熱容量小，動態響應快；機械強度高，撓性好，可安裝在結構復雜的裝置上。 鎧裝型熱電偶72薄膜熱電偶 特點特點：熱接點可以做得很小（m），具有熱容量小、反應速度快（s）等特點，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態溫度測量。 73熱電極材料

27、的選取 性能穩定 溫度測量范圍廣 物理化學性能穩定 導電率要高，并且電阻溫度系數要小 材料的機械強度要高，復制性好、復制工藝簡單，價格便宜74工程用熱電偶材料應滿足條件：熱電勢變化盡量大，熱電勢變化盡量大，熱電勢與溫度關系盡量接近線性關系，物理、化學性熱電勢與溫度關系盡量接近線性關系，物理、化學性能穩定，易加工，復現性好，便于成批生產，有良好能穩定，易加工，復現性好，便于成批生產，有良好的互換性。的互換性。 熱電偶的種類 國際電工委員會（IEC）向世界各國推薦8種標準化熱電偶（已列入工業標準化文件中，具有統一的分度表）。我國已采用IEC標準生產熱電偶，并按標準分度表生產與之相配的顯示儀表。75

28、標準化熱電偶的主要性能和特點標準化熱電偶的主要性能和特點 熱電偶名稱正熱電極負熱電極分度號測溫范圍特點鉑銠30鉑銠6鉑銠30鉑銠6B01700（超高溫）適用于氧化性氣氛中測溫，測溫上限高，穩定性好。在冶金、鋼水等高溫領域得到廣泛應用。鉑銠10鉑鉑銠10純鉑S01600（超高溫）適用于氧化性、惰性氣氛中測溫，熱電性能穩定，抗氧化性強，精度高，但價格貴、熱電動勢較小。常用作標準熱電偶或用于高溫測量。鎳鉻鎳硅鎳鉻合金鎳硅K2001200（高溫）適用于氧化和中性氣氛中測溫，測適用于氧化和中性氣氛中測溫，測溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關系溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關系近似線性、熱電動勢大、價格低。近似線性

29、、熱電動勢大、價格低。穩定性不如穩定性不如B、S型熱電偶，但是非型熱電偶，但是非貴金屬熱電偶中性能最穩定的一種。貴金屬熱電偶中性能最穩定的一種。鎳鉻康銅鎳鉻合金銅鎳合金E200900（中溫）適用于還原性或惰性氣氛中測溫，適用于還原性或惰性氣氛中測溫，熱電動勢較其他熱電偶大，穩定性熱電動勢較其他熱電偶大，穩定性好，靈敏度高，價格低。好，靈敏度高，價格低。鐵康銅鐵銅鎳合金J200750（中溫）適用于還原性氣氛中測溫，價格低，熱電動勢較大，僅次于E型熱電偶。缺點是鐵極易氧化。銅康銅銅銅鎳合金T200350（低溫）適用于還原性氣氛中測溫，精度高，價格低。在2000可制成標準熱電偶。缺點是銅極易氧化。7

30、6 8.1.3 熱電偶的冷端溫度補償 當熱端溫度為t時，分度表所對應的熱電勢eAB(t, 0)與熱電偶實際產生的熱電勢eAB(t,t0)之間的關系可根據中間溫度定律得到下式： eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0) 由此可見，eAB(t0，0)是冷端溫度t0的函數，因此需要對熱電偶冷端溫度進行處理。 77 在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入0恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0。 這是一種理想的補償方法，但工業中使用極為不便。 (1) 冷端0恒溫法 78熱電偶一般做得較短， 一般為3502000mm。在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸到遠離現場數十

31、米遠的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣, 冷端溫度t0比較穩定。 (2) 熱電偶補償導線 解決辦法：工程中采用一種補償導線。在0100溫度范圍內，要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。 79常用補償導線 熱電偶類型補償導線類型補償導線正極負極鉑銠10鉑銅銅鎳合金銅銅鎳合金（鎳的質量分數為0.6%）鎳鉻鎳硅I型：鎳鉻鎳硅鎳鉻鎳硅鎳鉻鎳硅II型：銅康銅銅康銅鎳鉻康銅鎳鉻康銅鎳鉻康銅鐵康銅鐵康銅鐵康銅銅康銅銅康銅銅康銅80 當冷端溫度t0不等于0，需要對熱電偶回路的測量電勢值eAB（t，t0）加以修正。當工作端溫度為t時，分度表可查eAB(t,0)與eAB(t0,0)。 根據中間溫度定律得到

32、： eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0) (3) 冷端溫度修正法 81 例子 用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30，測得熱電勢eAB（t，t0）為33.29mV, 求加熱爐溫度。 解解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得eAB（30，0）1.203 mV。 可得 eAB（t，0）= eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得t=829.8。 82(4) 冷端溫度自動補償法（電橋補償法）000( , )( , )UABABABCABEt ttEt tURU恒定值132213112323()()(1)

33、()UUUUCCABCCR RRR RR RRUEERRRRRRRR83 8.1.4 熱電偶測溫線路測量單點的溫度84 特殊情況下，熱電偶可以串聯或并聯使用，但只能是同一分度號的熱電偶，且冷端應在同一溫度下。如熱電偶正向串聯， 可獲得較大的熱電勢輸出和提高靈敏度；在測量兩點溫差時，可采用熱電偶反向串聯；利用熱電偶并聯可以測量平均溫度。85測量兩點間溫度差（反向串聯）102012( , )( , )( , )TABABABEEt tEt tEt t86測量平均溫度（并聯或正向串聯） 特點：當有一只熱電偶燒斷時，難以覺察出來。當然，它也不會中斷整個測溫系統的工作。優點：熱電動勢大，儀表的靈敏度大大

34、增加，且避免了熱電偶并聯線路存在的缺點，可立即可以發現有斷路。缺點：只要有一支熱電偶斷路，整個測溫系統將停止工作。12310203012301230( , )( , )( , )33(,3 )(, )33ABABABTABABEEEEt tEt tEt tEEtttttttEt 0123102030012301230( , )( , )( , )(,3 )(, )TABABABtABABEEEEE t tE t tE t tE ttttE ttt t 878.2.5 8.2.5 熱電偶的基本放大電路熱電偶的基本放大電路熱電偶的輸出電壓極小，其值為幾十V/。因此，要采用低失調運算放大器進行電壓放

35、大。合適的運算放大器種類很多，而且價格便宜，較易選擇，主要是外圍元件的選用。 圖9-6是K型熱電偶的放大電路。電路中，運算放大器選用ADOP07，它與周圍電阻構成放大電路，增益為240.9445；R1R3是1/4 W的金屬膜電阻，精度為20%；RP1和RP2是10圈線繞電位器；C1是濾波電容，采用精度為20%， 耐壓為50 V的漏電小的電解電容，它與R3組成輸入濾波電路。因為熱電偶的熱電勢很小， 因此如果電容漏電大， 就會產生漂移電壓。 8889常用爐溫測量控制系統如圖所示。毫伏定值器給出給定溫度的相應毫伏值，熱電偶的熱電勢與定值器的毫伏值相比較，若有偏差則表示爐溫偏離給定值，此偏差經放大器送

36、入調節器，再經過晶閘管觸發器推動晶閘管執行器來調整電爐絲的加熱功率，直到偏差被消除，從而實現控制溫度。908.3其它類型溫度傳感器918.3.1晶體管與集成溫度傳感器92 PN結型半導體溫度傳感器結型半導體溫度傳感器利用半導體PN結的溫度特性可制成PN結溫度傳感器。這類傳感器又可分為二極管、晶體管和集成電路三種型式。一、二極管溫度傳感器.基本原理流過PN結的正向電流I與外加電壓V之間的關系，可近似表示為kTqVIIFsFexp式中Is飽和反向電流密度；q單位電荷；k波爾茲曼常數；T絕對溫度。在電平衡載流子注入的條件下，流過PN結的正向電流還可近似用下式描述：KTEsgeTI0式中， 為與溫度無

37、關的常數； 為與遷移率有關的常數，Eg0為外推的絕對零度下的材料禁帶寬度93利用上兩式可求得外加電壓與PN結正向電流之間的關系為)/ln(0FgFITqkTqEV一般情況下，一般情況下，lnT是溫度的緩是溫度的緩變函數，特別是在變函數，特別是在-40100C時，時，lnT為常數為常數。KTVVGF式中K是與PN結中通過的電流有關的系數。當電流一定時，K為常數。由上式可知，PN結兩端的電壓與溫度成線性關系。在一定范圍內，VF與絕對溫度T成線性關系，為了擴大線性范圍，采用特性相同的差分對管。IF1、IF2分別為兩只二極管的電流。21lnFFFIIqKTV94.半導體二極管溫度傳感器的應用Si單晶二

38、極管用作溫度傳感器，有簡單、價廉的優點，但互換性差是其最大缺點。用二極管作為溫度傳感器制成的半導體溫度計，溫度在50之間變化時，輸出電壓的變化范圍為V，因而有足夠的靈敏度。95二、晶體管溫度傳感器硅晶體管的基極和發射極之間的電壓Vbe約有-2mV的溫度系數。利用這種現象制成高精度、超小型的溫度傳感器。測量范圍在-50+250 左右。由于這種傳感器適于批量生產，又可與放大電路一起制成集成化溫度傳感器，因此近年來發展很快。.基本原理由晶體管原理可知，硅晶體管的基極發射極電壓Vbe與絕對溫度T及集電極電流Ic 之間有如下關系：cgbeITQkTEV/ln式中Eg硅單晶的禁帶寬度；r 由基區少數載流子

39、的溫度特性決定的常數；Q單位電荷； k 波爾茲曼常數。當當Ic一定時，溫度不太高的一定時，溫度不太高的情況下，情況下， Vbe基本與溫度成線性關基本與溫度成線性關系系。當溫度較高時，產生一定的當溫度較高時，產生一定的非線性偏移，如下圖所示。非線性偏移，如下圖所示。96.晶體管溫度傳感器及其特性晶體管溫度傳感器具有優良的長期穩定性，經1000小時的室溫 125的溫度循環試驗后，性能幾乎沒有變化。97三極管溫度傳感器基本電路三極管溫度傳感器基本電路z溫敏三極管為負反饋元件溫敏三極管為負反饋元件, ,電流電流IcIc= =Vcc/RcVcc/Rc，IcIc恒定恒定, , zV VBEBE與與T T近

40、似線性近似線性 ,改變導通電阻，得到輸出改變導通電阻，得到輸出電壓電壓98三、集成溫度傳感器三、集成溫度傳感器集成溫度傳感器使傳感器和集成電路融為一體，極大地提高了傳感器的性能。它與傳統的熱敏電阻、 熱電阻、熱電偶、雙金屬片等溫度傳感器相比，具有測溫精度高、復現性好、測溫精度高、復現性好、 線性優良、體積小、熱容量小、穩定線性優良、體積小、熱容量小、穩定性好、輸出電信號大等優點。性好、輸出電信號大等優點。 集成溫度傳感器按輸出形式可分為電壓輸出型和電流輸出型兩種電壓輸出型和電流輸出型兩種。電壓輸出型一般以0為零點； 溫度系數為10 mV/；電流輸出型一般以0 K為零點， 溫度系數為1 A/K。

41、電流輸出型溫度傳感器適合于遠距離測量。 常用的集成溫度傳感器常用的集成溫度傳感器AD590、LM35和智能溫度控制器和智能溫度控制器DS18B20等。等。99.基本原理IC溫度傳感器的設計原理是，利用集電極電流比為一定的兩個晶體管的Vbe之差 與溫度的依賴關系，來制作溫度傳感器。顯而易見，選擇二個特性相同的晶體管，使它們工作在不同的電流下，利用它們的發射極電壓之差來測溫，有可能獲得性能優良的溫度傳感器。.電壓輸出型IC溫度傳感器 IC溫度傳感器的電原理圖。經后級放大器放大后，可使傳感器隨溫度變化的輸出，產生10mV/的變化量。beVbeV100 V=R2KTlnN/R1q N是Q1Q2發射極面

42、積比；只要R2/R1為常數，V0與T成正比1012.電流輸出型電流輸出型IC溫度傳感器溫度傳感器電流輸出型IC溫度傳感器，如圖3-19所示。4321;ccbebeIIVVIC設計時，取V3發射極面積為V4發射極面積的倍，于是，電阻R上的電壓輸出為KmVTqkTVT1792.08lnnqKTAAqKTRUUIlnln43BE4BE311021 1、電流輸出型溫度傳感器、電流輸出型溫度傳感器1） AD590集成溫度傳感器（1） AD590的工作原理。 如圖8-21所示，在AD590內部原理框圖中，V1和V2構成鏡像恒流源，I1=I2；V3由幾個與V4結構相同的晶體管組成；V4的PN結檢測溫度，UB

43、E3和UBE4的差值UBE加在電阻R上， 則I1為 nqKTAAqKTRUUIlnln43BE4BE31（9-8） 式中，K為波耳茲曼常數；T為溫度；n=A3/A4。由圖可見，I0=2I1， 與絕對溫度成正比。 103圖8-21 AD590集成溫度傳感器(a) 外形； (b) 電路符號； (c) 內部原理框圖 104 AD590 AD590三種封裝形式：三種封裝形式：T T0 0-52-52封裝、陶瓷封裝封裝、陶瓷封裝 （測溫范圍（測溫范圍-50-50+150+150） 和和T T0 0-92-92封裝（測溫范圍封裝（測溫范圍0 0 +70+70）。）。T T0 0-52-52封裝的封裝的 A

44、D590 AD590系列產品的外形和符號系列產品的外形和符號 如圖所示，如圖所示，1 1腳為正極，腳為正極，2 2腳腳 為負極，為負極，3 3腳接管殼（使用時腳接管殼（使用時 將將3 3腳接地，可起到屏蔽作腳接地，可起到屏蔽作 用）。工作電壓用）。工作電壓4 430V,30V,對應對應于熱力學溫度于熱力學溫度T T每變化每變化1K1K，就輸出的，就輸出的1uA1uA電流。電流。1 13 32 2外形外形符號符號AD590AD590105AD590AD590測量電路測量電路uAuA-+-mVmV9V9V9V9V106AD590的溫度測量范圍為-55150，校準時精度為1.0, 不校準時精度為1.

45、7；測溫靈敏度為1A/K， 在 1 k負載上可產生1 mV/K電壓。 電流輸出型與電源負載串聯，不受電源電壓和導線電阻的影響， 因此可以遠距離傳送。 107 美國美國DALLAS公司生產的單總線數字溫度傳感公司生產的單總線數字溫度傳感器器DS1820，可把溫度信號直接轉換成串行數字信號，可把溫度信號直接轉換成串行數字信號供微機處理。由于每片供微機處理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列含有唯一的串行序列號，所以在一條總線上可掛接任意多個號，所以在一條總線上可掛接任意多個DS1820芯片。芯片。從從DS1820讀出的信息或寫入讀出的信息或寫入DS1820的信息，僅需的信息，僅需要一根口線（單

46、總線接口）。讀寫及溫度變換功率要一根口線（單總線接口）。讀寫及溫度變換功率來源于數據總線，總線本身也可以向所掛接的來源于數據總線，總線本身也可以向所掛接的DS1820供電，而無需額外電源。供電，而無需額外電源。DS1820提供九位提供九位溫度讀數，構成多點溫度檢測系統而無需任何外圍溫度讀數，構成多點溫度檢測系統而無需任何外圍硬件。硬件。 數字輸出型IC溫度傳感器108 、 DS1820的特性的特性u 獨特的單線接口方式獨特的單線接口方式：僅需一根口線與MCU連接；u 無需外圍元件；u 由總線提供電源；u 測溫范圍為-55125，精度為0.5；u 九位溫度讀數；u A/D變換時間為200ms；u

47、 用戶可以任意設置溫度上、下限報警值，且能夠識別具體報警傳感器。 109DS 1820123GNDI/O VDD2、 DS1820引腳及功能引腳及功能 GND：地； VDD：電源電壓 I/O：數據輸入輸出腳(單線接口，可作寄生供電)110溫度/輸出的二進制碼對應的十六進制碼+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+1/200000000000000010001H000000000000000000000H-1/21111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-55111111111001001

48、0FF92HDS1820溫度與數字量對應關系表溫度與數字量對應關系表 1113 DS1820溫度檢測系統原理溫度檢測系統原理 由于單線數字溫度傳感器DS1820具有在一條總線上可同時掛接多片的顯著特點，可同時測量多點的溫度，而且DS1820的連接線可以很長，可傳送CRC送校驗碼，抗干擾能力強，便于遠距離測量，因而得到了廣泛應用。 89C51DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2TxRx+5VGNDVDDP1.1作輸出口用，相當于TxP1.2作輸入口用，相當于Rx112生物機電1、熱釋電紅外傳感器 熱釋電紅外線傳感器是80年代發展起來的一種新型高靈敏度探測元件。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉換成電壓信號輸出。將這個電壓信號加以放大，便可驅動各種控制電路，如作電源開關控制、防盜防火報警、自動覽測等。113 熱釋電效應：某些晶體在溫度變化時會發生電極化。 熱釋電探測儀的工作原理：輸出信號只與材料的溫度變化率有關，與溫度本