1、第第6章章 熱電式傳感器熱電式傳感器溫度是表示物體冷熱程度的物理量，是一個十分重要的物理參數，無論在工農業生產、科學研究、國防和人們日常生活等各領域，溫度的測量和控制是極為重要的課題。所以在種類繁多的傳感器中，在產品和應用方面，溫度傳感器都處前列。熱電式傳感器是一種將溫度變化轉換為電量變化的裝置。它利用傳感元件的電磁參數隨溫度變化的特性來達到測量的目的。例如將溫度轉化為電阻、磁導或電勢等的變化，通過適當的測量電路，就可由這些電參數的變化來表達所測溫度的變化。在各種熱電式傳感器中，以把溫度量轉換為電勢和電阻的方法最為普遍。其中將溫度轉換為電勢大小的熱電式傳感器叫做熱電偶，將溫度轉換為電阻值大小的

2、熱電式傳感器叫做熱電阻。這兩種熱電式傳感器目前在工業生產中已得到廣泛的應用。另外利用半導體PN結與溫度的關系，所研制的PN結型溫度傳感器在窄溫場中，也得到了十分廣泛的應用。對溫度傳感器的要求是：靈明度高、線性好、穩定性好、重復性好、工作范圍寬、互換性好、響應快、尺寸小、成本低、使用方便等指標來衡量。溫度不能直接測量，但物體的許多屬性都隨溫度變化，因此，通過其他物理量間接測量溫度。原則上，物體的屬性，只要隨溫度變化而發生單調的、顯著的、可重復的變化，都可以用于溫度測量。溫敏器件最常用的物理量包括體積、壓力、電阻、磁化率和熱電動勢等，分別被用來制成氣體溫度計、液體溫度計、鉑電阻溫度計、熱電偶溫度計

3、和半導體溫度計等。6.1熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器6.1.1熱電偶測溫原理熱電偶測溫原理熱電偶傳感器是一種能將溫度轉換成電勢的裝置。目前在工業生產和科學研究中已得到廣泛的應用，并且已經可以選用標準的顯示儀表和記錄儀表來進行顯示和記錄。將兩種不同材料的導體，組成一個閉合回路，如圖6.1所示。如果兩端點的溫度不同，則在兩者間產生一電動勢，這個電勢的大小和方向與兩種導體的性質和兩個結點溫度差有關，這一溫度現象稱為熱電效應，有時也稱溫差電效應。由兩種導體組成的回路叫熱電偶，組成熱電偶的A、B兩種導體叫熱電級，兩個結點，一個稱為工作端或熱端（t），另一個叫自由端或冷端（t0）。熱電偶產生的電勢Ea

4、b稱為熱電勢或溫差電勢。如果圖中，A為正極， B為負極，且t，則產生的熱電勢為 (6.1) )()(),(00tetettEABAFAB式中：t熱端溫度（）；冷端溫度（）由此可知，用熱電偶測溫，有兩個重要的問題要解決，即補償導線和冷端溫度補償。圖6-1熱電效應6.1.2熱電勢的測量熱電勢的測量上述的熱電偶是指兩個電極組成的閉合電路。當要測量此熱電勢時，實際最簡單的測量線路如圖6-2所示。這時回路中除熱電極A、B外，還有測量儀器M和諒解導線C、D。那么，此時M所測到的電勢是否與式（6-1）所表示的 相同呢？這時有條件的。如果兩連接線C、D材料相同，并且兩倒顯得接入點溫度對應相同，即 ，且與熱電極

5、相接的一端溫度與熱電偶冷端溫度相同，即 ，則根據熱電偶的基本定律可知，導線C、D和儀表M的接入不影響原熱電偶的熱電勢，M所測得的電勢即為原熱電偶的熱電勢 ；如果C、D材料不同，情況比較復雜，除接入點溫度滿足上述要求外，導線C、D材料在要求的溫度范圍內 ),(0ttEAB/1/1/0/0,tttt0/0/0ttt),(0ttEAB10 tt，還必須滿足“熱電性能一致性”的要求，即 （6.2） ),(),(1010ttEttEABCD顯然，熱電偶的連接導線是不能任意取的，不同的熱電偶，所需配用的連接導線夜不同，這種線稱為補償導線。隨便用連接線，將產生附加的測量誤差。6-2熱電偶工作原理圖6.1.3

6、 熱電偶的基本定律熱電偶的基本定律中間導體定律：中間導體定律：在熱電偶回路中接入第三種導體，只要第三種導體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。 如圖6-3，在熱電偶回路中接人第三種導體C。設導體A與B接點處的溫度為t，A與C、B與C兩接點處的溫度為t0，則回路中的總電動勢為 )(te)(te(t)e)t(t,E0CA0BCAB0ABC (6-3) 圖圖6-3 熱電偶中接入第三種導體熱電偶中接入第三種導體如果回路中三接點的溫度相同，即tt0，則回路總電動勢必為零，即0)(te)(te)(te0CA0BC0AB或者 (6-4)將式(5-7)代人式(5-6)，可得 (6-5)可以用同樣的方法

7、證明，斷開熱電偶的任何一個極，用第三種導體引入測量儀表，其總電動勢也是不變的。 )(t-e)(te)(te0CA0BC0AB)(te-(t)e)t(t,E0ABAB0ABC熱電偶的這種性質在實用上有著重要的意義，它使我們可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯示儀表或調節器，也可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態金屬中或直接焊在金屬表面進行溫度測量。標準電極定律：標準電極定律：如果兩種導體分別與第三種導體組成熱電偶，并且熱電動勢已知，則由這兩種導體組成的熱電偶所產生的熱電動勢也就已知。如圖6-4，導體A、B分別與標準電極C組成熱電偶，若它們所產生的熱電動勢為已知，即 )(te-(t)e)t(t

8、,E0ACAC0AC)(te-(t)e)t(t,E0BCBC0BC那么，導體A與B組成的熱電偶，其熱電動勢可由下式求得)t(t,E-)t(t,E)t(t,E0BC0AC0AB (6-6)圖6-4 三種導體分別組成熱電偶標準電極定律是一個極為實用的定律。可以想象，純金屬的種類很多，而合金類型更多。因此，要得出這些金屬之間組合而成熱電偶的熱電動勢，其工作量是極大的。由于鉑的物理、化學性質穩定，熔點高，易提純，所以，我們通常選用高純鉑絲作為標準電極，只要測得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動勢可根據式(6-6)直接計算出來。例如：熱端為100，冷端為0時

9、，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為-4.0mV，則鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產生的熱電動勢應為2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV中間溫度定律：中間溫度定律：熱電偶在兩接點溫度t、t0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度為t、tn和tn、t0時的相應熱電動勢的代數和。中間溫度定律可以用下式表示 (6-7)中間溫度定律為補償導線的使用提供了理論依據。它表明：若熱電偶的熱電極被導體延長，只要接入的導體組成熱電偶的熱電特性與被延長的熱電偶的熱電特性相同，且它們之間連接的兩點溫度相同，則總回路的熱電動勢與連接點溫度無關，只與延長以后的熱電

10、偶兩端的溫度有關。)t ,(tE)t(t,E)t(t,E0nABnAB0AB中間溫度定律為補償導線的使用提供了理論依據。它表明：若熱電偶的熱電極被導體延長，只要接入的導體組成熱電偶的熱電特性與被延長的熱電偶的熱電特性相同，且它們之間連接的兩點溫度相同，則總回路的熱電動勢與連接點溫度無關，只與延長以后的熱電偶兩端的溫度有關。 6.1.4熱電偶冷端溫度誤差及其補償熱電偶冷端溫度誤差及其補償由式（6-1）表明，熱電勢 是兩個接點溫度的函數。但是，通常要求測量的是一個熱源的溫度，或者兩個熱源的溫度差，為此，必須固定其中一個接點的溫度。對于任何一種實際的熱電偶并不是由精確的關系式表示其特性，而是用特性分

11、度表。為了便于統一，一般手冊上所提供的熱電偶特性分度表是在保持熱電偶冷端溫度0的條件下，給出熱電勢與熱端溫度的數值對照。因此，當使用熱電偶測量溫度時，如果冷端溫度保持0 ，則只要正確地測得電勢，通過對應分度表，即可查的所測得溫度。但在實際測量中，熱電偶冷端溫度將受環境溫度或熱源溫度的影響，并不為0 ，為了使用特性分度表，對熱電偶進行標定，實現對溫度的準確測量。對熱電偶冷端溫度變化所引起的冷端溫度誤差，長采用下述補償方法。),(0ttEAB1.0恒溫法將熱電偶的冷端保持在0容器內，如圖6-3所示，此法僅適合于實驗室內，但它能使冷端溫度誤差得到完全的解決。2.冷端恒溫法將熱電偶冷端置于一恒溫器內，

12、如恒定溫度為，則冷端誤差為= （6.3）由式可見，它雖不為零，但是一個定值。只要在回路中加入相應的修正電壓，或調整指示裝置的起始位置，即可達到完全補償的目的。 )0 ,()0 ,(),(nnAEnABtEtEttE圖6-3冰點冷端恒溫法3.冷端補償器法工業上常采用冷端補償。冷端補償器是一個四臂電橋，如圖6-4所示，其中三個橋臂電阻 的溫度系數為零，另一個橋臂采用銅電阻 ，放置于熱電偶的冷端處。當 時，電橋平衡；當 時，電橋將產生相應的不平衡電壓。電橋的輸出V與熱電勢串聯，只要滿足V= (6.4)則熱電偶的冷端誤差變暖成了定值 。因此，只要再采用定值誤差的修正（恒溫法），即可獲得冷端溫度誤差的完

13、全補償。 )20,(0tEABCaR321RRR、20nt20nt)0 ,20(ABE圖6-4冷端補償器的應用4.采用補償導線當然電偶冷端溫度由于受熱端溫度的影響，在很大范圍內變化時，則直接采用冷端溫度補償法將很困難。因此，應先采用前述的補償導線（對于廉價熱電偶，可以采用延長熱電極的方法），將冷端遠移到溫度變化比較平緩的環境中，再采用上述的補償方法進行補償。5.采用不需要冷端補償的熱電偶目前已知道：鎳鈷-鎳鋁熱電偶在300以下，鎳鐵-鎳銅在50以下，鉑-鉑在50 以下的熱電勢均非常小。只要實際的冷端溫度在其范圍內，使用這些熱電偶可以不考慮冷端誤差。 6.1.5常用熱電偶的特點常用熱電偶的特點雖

14、說許多金屬相互接合會產生熱電效應，但是能做成適于測量的實用熱電偶為數還不多，目前常用的熱電偶及其特性見表6.1。表6-1常用熱電偶種類及性質由于熱電偶能直接進行溫度-電勢轉換，體積小、測量范圍寬、耐用，因此，獲得了十分廣泛的應用。熱電偶雖然是一種古老的傳感器，但因有如下特點，至今仍在測溫領域里得到廣泛應用。（1）結構簡單，制造容易，使用方便，熱電偶的電極不受大小和形狀的限制，可按照需要進行配制。（2）因為它的輸出信號為電動勢，因此測量時，可不要外加電源。輸出靈敏度在室溫下為 毫伏數量級。 （3）測量范圍廣，可從2691800OC。（4）測量精度高，熱電偶與被測對象直接接觸，不受中間介質的影響。

15、（5）便于遠距離測量、自動記錄及多點測量。CVO/6.1.6常用熱電偶的應用舉例常用熱電偶的應用舉例(一) 熱電偶測金屬表面溫度表面溫度測量是溫度測量的一大領域。金屬表面溫度的測量對于機械、冶金、能源、國防等部門來說是非常普通的問題。例如，熱處理的鍛件、鑄件、氣體水蒸汽管道、爐壁面等表面溫度的測量。測溫范圍從幾百攝氏度到一千多攝氏度。而測量方法通常利用直接接觸測溫法。一般在200-300以下溫度時，可采用粘接劑將熱電偶的結點粘附于金屬壁面，工藝比較簡單。在溫度較高且測量精度高和時間常數小的情況下，常采用焊接的方法，將熱電偶頭部焊于金屬壁面。如圖6-5熱電偶測量系統(二)測控應用如圖6-5中所示

16、為常用爐溫測量采用的熱電偶測量系統圖。圖中由毫伏定值器給出設定溫度的相應毫伏值，如熱電偶的熱電勢與定值器的輸出（毫伏）值有偏差，則說明爐溫偏離給定值，此偏差經放大器送入調節器，再經過晶閘管觸發器去推動晶閘管執行器從而調整爐絲的加熱功率，消除偏差，達到溫控的目的。 6.2熱敏電阻溫度傳感器熱敏電阻溫度傳感器熱敏電阻是材料的電阻隨溫度顯著變化的器件。它大多是由金屬氧化物半導體材料制成，也有由單晶半導體、玻璃和塑料制成。由于熱敏電阻器具有體積小、結構簡單、靈敏度高、穩定性好等優點，所以廣泛地用于溫度測量和溫度控制中。6.2.1熱敏電阻的基本類型熱敏電阻的基本類型熱敏電阻按其阻值隨溫度變化的特性，可分

17、為負溫度系數熱敏電阻NTC、正溫度系數熱敏電阻PTC、臨界溫度電阻CTR三種類型，它們的熱電特性如圖6-6所示。圖6-6三種熱敏電阻的熱電特性曲線由圖可知，PTC是當溫度越過某一數值后，電阻率隨溫度增高而迅速地增大，用于窄溫區范圍內的溫度檢測和溫度控制，如電子驅蚊器的加熱芯片，電熱毯的控溫元件等，PTC作溫度補償元件夜獲得應用。CTR在臨界溫度附近（約68）電阻率產生突變，突變數量級為24，可作溫度開關用。NTC的電阻率 隨溫度增加比較均勻地減小，這種較均勻的感溫特性，適用于作較寬范圍的溫度檢測傳感器，是構成熱敏傳感器的主要元件。目前實用化的NTC材料通常是 等24種成分的氧化物燒結體，有時為

18、了調整電阻率及溫度系數也滲入了Ti、Al的氧化物。ueionCFNCM、6.2.2NTC的基本特性的基本特性 1.熱電特性：R=f(t)圖6-5中的NTC的R=f(t)曲線是一條指數曲線，可用下式表示：Rt= 式中：Rt絕對溫度T時的實際電阻值A,B由材料和工藝所決定的常數，它們分別具有與電阻和溫度相同的量綱。當已知溫度T0的電阻為 時，可將式（6-5）改寫成材料常數B又稱為熱靈敏指標，可通過實驗求得，通常B=20005000K。 和 是在一定溫度下，采用引起阻值變化不超過 的測量功率所測出的電阻值，這樣可忽略自身發熱變化所產生的誤差。一般將在環境溫度25時測得的電阻值，作為熱敏電阻的標稱電阻

19、值 。TBAe/0R)11(00TTBTeRR001 . 0NR0RTR表示熱敏電阻熱電特性的另一個重要物理參數是電阻溫度系數 ，它表示溫度變化1（或1K）的阻值相對變化量，即 =由式（6-6）可求得 = (6.7)式中的負號表示NTC的阻值隨溫度的增加而減小。 與熱力學溫度T的平方成反比，說明在低溫下 的數值很大，NTC有很高的溫度靈敏度。若設B=4000K，T=323.15K，則 = ，約為鉑電阻的10倍。TTTTTddRR12TBTK/8 . 300TTT2.伏安特性：v=f(I)將NTC接上電流源，并測出它兩端的電壓，即可得到如圖6-7所示的伏安曲線。由圖可見，在加熱電流I比較小時，v

20、=f(I)是一條直線，電阻值完全由外界被測溫度 所決定。隨著加熱電流的增大，NTC自身溫度上升，阻值下降，兩端電壓不再按比例隨電流增大而增加。但在一個小區域內，電流的增大與電阻的減小相互補償，使電壓基本保持不變。電流繼續增大，使電阻值下降幅度超過電流增大幅度，電壓降隨電流的增大而下降。由圖可知，隨著外界被測溫度 的提高，伏安曲線沿恒定功率直線（圖中P=10mW）向右下方移動，使v=f(I)線性范圍變寬。顯然，當NTC作測溫元件使用時，應使它在v-I線性范圍內工作。VTVT圖6-7 NTC的伏安特性曲線3.熱響應特性熱敏電阻測溫的過程都是將被測對象的熱能通過接觸傳熱或者輻射傳熱的方式傳遞給敏感元

21、件，一起敏感元件自身的溫度變化，將自身溫度變化轉為自身電阻的變化，這個過程是需要時間的，所以要求測量器件要游良好的熱響應特性。熱敏電阻的熱特性常用耗散常數H和時間常數 來表示。耗散常數表示熱敏電阻在電功率作用下，自身溫度變化1所耗散的功率變化量，即H=P/TH的大小與電阻體的結構、形狀、所處介質的種類和狀態有關。 每種熱敏電阻均有一個在規定的技術條件下，長期連接工作所允許的最高溫度 ，對應 所耗散的功率稱為熱敏電阻的額定功率 。RPmaxTmaxT由于熱敏電阻具有一定的熱容量C，因此它有一定的熱惰性，即隨溫度改變需要一定的時間，通常用時間常數 來表示熱惰性的大小。時間常數可定義為：熱敏電阻在無

22、功率狀態下（即忽略加熱電流引起的溫升），當外界溫度由一個特定值突然改變到另一測試特定值時，電阻體自身溫度變化量特定溫度之差的63.2所需時間。兩特定溫度通常選為85和25，或者100和0。熱敏內電阻的時間常數與它的熱電容C和耗散常數H的大小有關，可表示為 =C/H (6.8)熱敏電阻用于測溫和控溫時，一般要求耗散常數大，時間常數小，所以設計時應考慮產品結構，尺寸和材料比熱等參數。6.2.2半導體熱敏電阻傳感器的組成半導體熱敏電阻傳感器的組成用于測溫的半導體熱敏電阻傳感器主要是由NTC元件及測量電路組成。如前所述，NTC的電阻系數溫度高，電阻率大，不僅有很高的溫度靈敏度和分辨率（可達 ），還可以

23、制成極小的尺寸，所以熱慣性小，響應速度快，適用于點溫、表面溫度及快速測溫。但目前它的高溫性能不好，一般用來測量 的溫度。熱敏電阻元件可按使用要求制成棒狀、珠狀及片狀等形狀。組成溫度傳感器的熱敏元件，一般被封裝在玻璃管外殼內，通過引出線與外電路想連接。如圖6-8所示。410300100圖6-8熱敏電阻元件的結構半導體熱敏電阻值的變化，一般是采用不平衡電橋電路才測量。圖6-9所示是用于半導體熱敏電阻傳感器的一種測量橋路。圖6-9半導體熱敏電阻測量橋路圖中 為工作選擇開關，當開關轉到“0”位時，電源比斷開。“1”位為校正位置，根據儀表量程，調整量程選擇開關 的位置及電位器 ，使電流G指示滿刻度。“2

24、”位為工作位置，此時熱敏電阻 被接入電橋。 的阻值被測量溫度而改變，使電流計G中的電流隨之改變，從而直接讀出被測溫度數值。由于熱敏電阻本身的電阻值大（ ），并且電阻溫度系數也大，所以測量電阻中連接導線電阻的影響可以忽略不計，這樣可以簡化電路，提高測量精度。531010tR2R1S2StR6.2.3提高傳感器互換性與線性的方法提高傳感器互換性與線性的方法由于NTC是燒結半導體，所以它的特性參數有一定的離散型。在批量生產中，即使是同一批產品，其標稱阻值的離散率也達到 左右，因此這種傳感器的互換性較差。此外，熱電特性的非線性較大，影響了傳感器測量精度的提高。為了克服熱敏電阻傳感器的上述缺點，改善其性

25、能，可通過在熱敏電阻上串并聯固定電阻，作成組合式元件來代替單個熱敏元件，使組合式元件電路特性參數保持一致并獲得一定程度的線性特性。圖6-10中給出了幾種組合元件及其熱電特性曲線。（a）為串聯電路，在低溫時，由于熱敏電阻 ，使電路總電阻近似等于 ，而在高溫時， ，電路的總電阻等于 ，其熱電特性曲線仍是非線性的，但比單個熱敏元件要平坦.20TRTRTRVR（b）為并聯電路，它在低溫時的電阻為 ，高溫時的電阻為 ，其熱電特性更平坦，且有一個拐點。（c）和（d）所示為混聯電路，讀者可自行分析，特性曲線均有一個拐點。對于有一個拐點的特性曲線，可用一根通過拐點的切線來近似的取代。 PRTR圖6-10NTC

26、的幾種組合電路及其熱電特性組合電路的設計可按下述方法進行：首先根據互換性與線性要求，給定一定溫度時組合電路的電阻值（可作為標稱電阻值） 和溫度系數 。根據電路知識計算組合電路中的固定電阻值 和 ，則可得到組合電路的特性曲線和過該定點的切線方程。現以圖6-10（c）的組合電路為例。有電路知識可得組合電路總電阻為 = + (6.9)當溫度 時,有 (6.10)由電阻溫度系數的定義可得 d (6.11)(1TRg)(1TgVRPRgRVRPTTRRRR1/11,TETAeRTPTPTVgRRRRRTR111)(gggRdTR/式中： 組合電路的電阻溫度系數根據式（6-8），將式（6-11）等式左邊展

27、開為 = 式中： 的電阻溫度系數將上式代入式（6-11）且溫度為 時，可得 (6.12)當給出 時的 和 數值時，由式（6-10）和（6-12）可求出電路中的固定電阻 和 的數值。然后由式（6-9）可得 的特性曲線，并由式（6-11）可求出過給定點的切線方程：g222)()/()()/(PTPTTPTPTgRRRRRTBRRRRTBdTdR22)/(PTPTTRRRR2/TBT1T2121111)/()()(PTPTTggRRRRTRT1T)()(11TTRgg、1TRVRPR)(TfRg 時： = = (6.13)用求得的切線來代替特性曲線可實現線性化。例：給定的溫度=310K時的總電阻R=

28、2K，溫度系數 ，所采用的NTC的參數為：A=0.1,B=3100K。解：由式（6-10）和式（6-12）可得 ，由式（6-13）可得通過點（ ， ）的切線方程為 。由上面的數據和方程可得到表6-2和圖6-11。 )(*TfRgTTRTRTTRggg)()()(111*TTRTRTTRggg)()()(111*)1)(1TTRgg102. 0Kg2203,349,66031/1TETVPAeRRR1T1TT)02. 01 (2000TRg表6-2組合電路的阻值和線性誤差圖6-11NTC其組合電路的特性曲線由表和曲線可知，熱敏電阻特性線性化只有在相當窄的溫度范圍內才有意義，并且以降低靈敏度為代價

29、的。用上述方法設計出的組合電路，可使用同一型號傳感器都具有同樣的標稱電阻值和電阻溫度系統，從而使傳感器可以互換，使顯示儀表可以使用不變的標準量程和刻度。6.2.4熱敏電阻器的應用熱敏電阻器的應用從熱敏電阻器的用途來看，主要分成兩大類：一類是作為檢測元件；另一類是作為電路元件。由元件的伏-安特性看，熱敏電阻器在技術方面的應用可分成四類：第一類：熱敏電阻工作在伏-安特性曲線a區域，見圖（6-12）。流過熱敏電阻的電流很小，自然功率很小。當外界溫度發生變化時，盡管熱敏電阻的耗散系數也發生變化，但因自熱溫度不發生明顯變化，而接近環境溫度。屬于這類的應用有溫度測量、各種電路元件的補償，空氣溫度、熱電偶冷

30、端溫差電動勢的溫度補償等。第二類：熱敏電阻工作在b區域。在次區域，熱敏電阻伏-安特性曲線的峰值電壓 隨環境溫度和耗散系數的變化而變化，利用這個特性，可用熱敏電阻器來作各種開關元件。第三類：熱敏電阻工作在c區域。熱敏電阻由于自熱的體溫大大超過環境溫度，此區域的微分電阻出現負值。利用這一特點，可使熱敏電阻作低頻振蕩、起動電阻、時間繼電器和超高頻功率測量電路。第四類：作為旁熱型熱敏電阻的應用。利用外界條件的變化，促使工作特性左右移動，可以得到比直熱式熱敏電阻更高的靈敏度。 圖6-12熱敏電阻器伏-安特性曲線與工作區域劃分下面舉一個具體的例子：熱敏電阻的耗散系數隨周圍環境介質的變化而變化，利用這種變化

31、，可以將熱敏電阻器用來測量液體、氣體介質的流量和流速。圖6-13是利用熱敏電阻來測量液體流速的電路圖。在該橋式線路中，把兩個匹配的熱敏電阻器 安裝在相鄰的兩臂中，在熱敏電阻器中消耗功率足以使它在高溫時（125150）還能產生自熱。因此，電橋平衡與環境溫度關系不大，而與兩個熱敏電阻器的耗散常數之差密切相關。在工作時，講一個熱敏電阻器安裝在盛有靜態液體或氣體的容器中，而將另一支熱敏電阻安置在流體或氣體的通道中，如圖（6-12）所示。在流體或氣體的加速增加時，安置在流體和氣體通道中的熱敏電阻器的耗散系數即增加，使電橋失去平衡，指示出了速度。 tR圖6-13用熱敏電阻器測量液體或氣體流速的電路6.3集

32、成溫度傳感器集成溫度傳感器集成溫度傳感器把熱敏晶體管和放大器、偏置電源及線性電路制作在同一芯片上。它利用發射極電流密度在恒定比率下工作的晶體管對的基極-發射極電壓 之間的差與溫度呈線性關系，如式（6-14）所示： 由此式表明， 正比于絕對溫度。基于上述原理制成了正比絕對溫度的傳感器PTAT（Proportional to absolute tempcrature）。下述的集成溫度傳感器就是以PTAT為感溫元件的。BEV210ln)(CCBEIIqTKVBEV電流型PTAT集成溫度傳感器電流型PTAT集成溫度傳感器是恒流型器件，輸出電流正比于絕對溫度。基本原理電路如圖6-16所示。它由工藝兼容的

33、npn晶體管組成，晶體 的基極交叉互連，晶體管對 、 具有不同的發射結面積，其發射結面積之比分別為 , 是發射極電阻。于是，可以得到 (6.14)式中各量的下標對應相應的器件。如果忽略基極電流和基區寬度調制效應，根據 和式（6-36），則有 (6.15)21TT 和21TT 和43TT 和21和32RR 和22333241RIRIVVVVEEBEBEBEBESCBEIIqTKVln02233210)ln(RIRIqTKEE式中： ，其比值與溫度無關。若 ，可寫成 (6.16)式中 為輸出電流。上式表明：（1）假設R與溫度無關，則輸出電流 正比于絕對溫度T。（2）由于晶體管T1和T2 的基區交叉

34、連接，所以輸出電流Io與偏置電流IRS無關。此類溫度傳感器與單個晶體管溫度傳感器相比，由于PTAT溫度傳感器采用匹配的晶體管對作溫敏器件，因而補償了許多不利因素，但輸出信號電平較低。 43212/SSSSIIII和RRR23023210)()ln(RIIIRqTKEE0I0I圖6-14電流型集成圖6-15電壓型集成溫度傳感器的電路二、電壓型PTAT集成溫度傳感器電壓型PTAT溫度傳感器是輸出電壓正比于絕對溫度的集成溫度傳感器，基本原理電路如圖6-15所示。其中 是溫敏晶體管對，其發射極結面積比為 。晶體管 組成恒流電路，使三路電流保持相同，于是晶體管 的發射結壓降之差為 (6.17)21TT

35、和:1543TTT和、12TT 和ln0qTKVBE此電壓差全部降落在電阻 上，所以流經 上的電流為 (6.18)流經電阻上的電流也等于，于是電路的輸出電壓為電壓型集成溫度傳感器線性度好，使用方便。由于其輸出電壓與絕對溫度成正比，即輸出電壓 V+1mV/，可以認為 是一個恒定電壓加上一個較小的敏感信號，這樣就限定了器件的靈敏度，給器件帶來不便。一般習慣使用攝氏或華氏溫標計量溫度，因此使用這種傳感器測量時，需要從輸出電壓中減去這個恒定值。ln101qRTKIR1R1R273.0outVoutV三、具有內部參考電壓的溫度傳感器PTAT溫度傳感器與單個晶體管溫度傳感器一樣，在通常溫度下存在大的起始失

36、調信號。例如，在300K溫度下，用PTAT溫度傳感器檢測0.1K的溫度變化，要求分辨率為3000：1。若輸出信號使用攝氏或華氏溫標計量溫度，要求分辨率僅為270：1。比例表明如果測量溫度范圍較小，溫度傳感器最好在測量溫度附近標定“零”點。圖6-34所示的電路包括PTAT溫度傳感器、參考電壓和差分放大器。這種結構的集成溫度傳感器采用C和F或其他溫標。具有內部參考電壓的溫度傳感器，“失調電壓”小，標定簡單，使用方便，但是，電路中需要許多精密元件，電路需要校準，成本高 圖6-16 ，F或其他溫標的輸出信號的溫度測量系統具有內部參考電壓溫度傳感器的電路如圖6-35所示，電流源產生的電流為 ，其中 是正

37、比于絕對溫度T的電壓, 為電源內阻。利用pnp電流源提供晶體管 的偏置電流，高增益反饋放大器 使 的集電極電流等于電流鏡的輸出電流，輸出分路反饋降低了輸出阻抗，輸出電壓 為 (6.19) 等于輸出電壓 與溫度的關系，如圖6-18所示。基極-發射極電壓隨溫度近似線性減小： ，C為曲線的斜率。2/ RVPTATPTATV2R3T1A3T0V)(2130RRVVVPTATBE0VCTVVgoBE如果輸出電壓在某一溫度下取零值時，則輸出電壓為 （6.20）可以通過微調電阻 使輸出電壓 在 時為“零”值。由式（6-43）和圖6-18表明，輸出電壓曲線與垂直軸相交于電壓 ，此值與工藝參數無關。這個特性很重要，因為在標定時（如微調 ）， 曲線圍繞垂直軸上固定點 旋轉，通過調整信號可以得到標定的輸出特性。0220)(gVTTTV1R0V2T0gV)(0TV1R0gV圖6-17具有內部參考電壓溫度傳感器的電路圖6-18輸出電壓 與溫度的關系與溫度的關系0V實例：常用的具有內部參考電壓溫度傳感器的實例如圖6-19所示， 。晶體管16構成電流源，兩個30P結電容防止由于電路中的熱反饋而產生的寄生振蕩。二極管 穩定電壓，使晶體管 的集電極-基極電壓基本與溫度無關，而且清除了基區寬度調制效應。在整個溫度范圍內，使電源電壓保持最小值，以降低耗散功率。晶體管 是電流放大器，可以降低輸出阻抗。晶體管 防止閘