第12章熱電式傳感器1

熱電式傳感器是一種將溫度變化轉換為電量變化的傳感器。它是利用測溫敏感元件的電或磁的參數隨溫度變化而改變的特性，將溫度變化轉換為電量變化達到測量溫度的目的。本章主要介紹熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和紅外傳感器。

第12章熱電式傳感器212.1溫度傳感器的分類及溫標12.2熱電偶12.3熱電阻與熱敏電阻12.4集成溫度傳感器12.5紅外傳感器12.1溫度傳感器的分類及溫標

312.1.1溫度傳感器分類方法12.1.2溫度單位44測量方法接觸式非接觸式工作原理熱電偶熱電阻熱敏電阻集成溫度傳感器紅外溫度傳感器12.1.1溫度傳感器分類方法按溫度傳感器的工作原理不同分為以下類型：熱電偶：利用金屬的溫差電動勢測溫，有耐高溫、精度高的特點熱電阻：利用導體電阻隨溫度變化測溫，結構簡單，測量溫度比

半導體溫度傳感器高熱敏電阻：利用半導體材料隨溫度變化測溫，體積小，靈敏度高，

穩定性差集成溫度傳感器：利用晶體管PN結的電流、電壓隨溫度變化測溫，

有專用集成電路，體積小，響應快，廉價，通常測量150℃以下溫度紅外溫度傳感器：利用物體紅外輻射能，先將光轉換為熱，再將熱

轉換為電信號。可進行非接觸式測量，動態誤差小，

響應時間短按所用測溫物質和測溫范圍的不同，各類溫度傳感器如下測溫方法測溫原理溫度傳感器接觸式固體熱膨脹雙金屬溫度計液體熱膨脹玻璃管液體溫度計氣體熱膨脹氣體溫度計、壓力溫度計電阻變化金屬電阻溫度傳感器半導體熱敏電阻熱電效應貴金屬熱電阻普通金屬熱電偶非金屬熱電偶頻率變換石英晶體溫度傳感器光學特性光纖溫度傳感器；液晶溫度傳感器聲學特性超聲波溫度傳感器非接觸式亮度法光學高溫計熱輻射-全輻射法全輻射高溫計比色法比色高溫計紅外法紅外溫度傳感器氣流變化射流溫度傳感器712.1.2溫度單位我國目前實行的是1990年國際溫標(ITS—90）定義國際開爾文溫度（T90）國際攝氏溫度（t90）；

T90

：單位（K）開爾文

t90

：單位（℃）攝氏兩者關系為：

t90/℃=T90/K–273.15或

t/℃=T/K–273.1512.2熱電偶

812.2.1工作原理和熱電效應12.2.2熱電偶基本定律12.2.3熱電偶的分類和結構12.2.4熱電偶測量電路及應用9熱電偶是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。結構簡單，測量范圍寬、準確度高、熱慣性小，利用金屬溫差電動勢進行溫度檢測，輸出信號為電信號，還用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動態溫度的測量。將兩種不同的導體（或半導體）A、B組合成閉合回路，若兩結點處溫度不同，則在此閉合回路中就有電流產生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現象叫做熱電效應。這種現象早在1821年首先由西拜克（See－back）發現,所以又稱西拜克效應。12.2.1工作原理和熱電效應熱電極A右端：自由端參考端冷端左端：測量端工作端熱端熱電極B熱電勢AB利用這種效應，知道一端溫度后就可測出另一端的溫度。11

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A和B的接觸點處會發生自由電子的擴散現象。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負電，從而產生熱電勢。自由電子＋ABeAB（

T）T1.接觸電勢熱電偶中熱電勢主要由接觸電勢和溫差電勢組成。12eAB(T)——導體A、B結點在溫度T時形成的接觸電動勢；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；K——波爾茲曼常數，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——導體A、B在溫度為T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。當溫度為T時，熱端接觸電勢可表示為對于任何一種金屬，當其兩端溫度不同時，兩端的自由電子濃度也不同，溫度高的一端濃度大，具有較大的動能；溫度低的一端濃度小，動能也小。因此高溫端的自由電子要向低溫端擴散，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端得到電子而帶負電，形成溫差電動勢，又稱湯姆森電動勢。2.溫差電勢AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——導體A兩端的溫差電動勢；T，T0——高低端的絕對溫度；σA——溫度系數，也稱湯姆遜系數σA表示導體導體兩端的溫度差為1℃時所產生的溫差電動勢例如：在0℃時，銅的σ=2μV/℃。14由導體材料A、B組成的閉合回路，其接點溫度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，回路總電勢：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路總電勢15由于在金屬中自由電子數目很多，溫度對自由電子密度的影響很小，故溫差電動勢可以忽略不計，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動勢。則有：在標定熱電偶時，一般使T0為常數，則16由此對熱電偶的熱電勢得出以下結論：1）熱電偶兩個電極材料相同，即NA=NB時，無論兩端點溫度如何變化，總的熱電勢為零；2）如果熱電偶兩結點溫度相同，無論導體A、B材料相同或不同，回路的總電勢也為零；3）熱電偶必須用不同材料做電極，在T、T0兩端必須有溫度梯度，這是熱電偶熱電勢的必要條件；4）由于熱電偶的電動勢是兩個節點溫度的函數，因此必須固定參考端（冷端）的溫度，才能確定熱電勢與被測溫度T的對應關系。17各個國家都有自己的工業標準，一般規定：以0℃為基準端溫度條件下，給出測量端的溫度與該溫差電動勢的電壓數值對照表，稱為分度表。如教材201頁的表12-2所示。實際應用時可根據實測出的熱電勢，通過查找對應材料的分度表得到所測的溫度值。18191、中間導體定律2、中間溫度定律利用熱電偶作為傳感器進行溫度檢測時，必須在熱電偶輸出回路中引入轉換電路和顯示電路才能構成記錄儀表。下面的基本定律將有助于我們正確使用熱電偶。12.2.2熱電偶基本定律201、中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種導體C，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。T0T0BTAC右圖回路中的總電動勢為：21如果回路中三個接點的溫度都相同，即T＝T0，則回路總電動勢必為零，即：即則22T1CT0T1TBA如果按右圖接入第三種導體C，則回路中的總電動勢為：而所以意義：可用電器測量儀表直接測量熱電勢23BBA

Tn

T

T0

AAB2、中間溫度定律熱電偶在兩接點溫度分別為T、T0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度分別為T、Tn和接點溫度分別為Tn、T0時的相應熱電動勢的代數和。24證明：即：利用這一性質，實際測量時可對參考溫度不為零度時的熱電勢進行修正。25當Tn=0℃時，則：上式說明：只要A、B組成的熱電偶在冷端溫度為零時的“熱電動勢—溫度”關系已知，則它在冷端溫度不為零時的熱電動勢即可知。26例如：已知某熱電偶熱電動勢有E(1000，0)=41.276mV,E(20，0)=0.798mV，E(30，20)=0.405mV。試求熱電偶熱電動勢E(30，0)=？E(1000，20)=？和E(30，1000)=？E(30，0)=E(30，20)-E(20，0)解：=0.405-0.798=-0.393mVE(1000，20)=E(1000，0)-E(20，0)=41.276-0.798=40.478mVE(30，1000)=E(30，0)-E(1000，0)=0.405-41.278=-40.828mV27熱電偶分為標準化與非標準化兩大類。

標準化熱電偶按制作熱電偶的材料劃分為：貴金屬熱電偶、普通熱電偶和銅-康銅熱電偶等。12.2.3熱電偶的分類和結構從1988年1月1日起，我國熱電偶和熱電阻的生產全部按國際電工委員會（IEC）的標準，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統一設計型熱電偶。但其中的R型（鉑銠13-鉑）熱電偶，因其溫度范圍與S型（鉑銠10-鉑）重合,我國沒有生產和使用。1、熱電偶分類28幾種常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢分度號名稱測量溫度范圍1000C熱電勢/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820C4.834R鉑銠13—鉑-50～1768C10.506S鉑銠10—鉑-50～1768C9.587K鎳鉻－鎳鉻(鋁)-270～1370C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800C——?292、熱電偶的結構常見的熱電偶結構形式主要有普通熱電偶、薄膜熱電偶、鎧裝熱電偶、表面熱電偶等。（1）普通熱電偶普通熱電偶工業上使用最多，一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成。主要用于測量氣體、蒸汽、液體等介質的溫度檢測。30（2）薄膜熱電偶薄膜型熱電偶由兩種薄膜熱電極材料用真空蒸鍍、化學涂層等辦法蒸鍍到絕緣基板上而制成的一種特殊熱電偶。常用于火箭、飛機噴嘴的溫度測量。31鎧裝型熱電偶又稱套裝熱電偶。它由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管經拉伸加工而成的組合體。因其結構細長、可彎曲，用于測量狹小對象。（3）鎧裝熱電偶3212.2.4熱電偶測量電路RP1RP0RP2R2R3VCCC1UOUT510Ω120kΩ4.7μFK型熱電偶測量電路由熱電偶、高增益低失調運放、零點調節電阻器RP0和增益調節電阻器RP2組成。調節方法：在T=0℃時，輸出電壓應為0mV，如果不為0，可以調節RP0使UOUT=0。在T=600℃時，輸出電壓應為24.902mV，可以調節RP0使UOUT達到滿度6V。12.3熱電阻與熱敏電阻

3312.3.1熱電阻12.3.2熱敏電阻12.3.3應用舉例34熱電阻效應--物質的電阻率隨溫度變化而變化的現象。熱電阻傳感器是利用導體的電阻隨溫度變化的特性，對溫度和溫度有關的參數進行檢測的裝置。原理：金屬原子最外層的電子能自由移動，當加上電壓以后，這些無規則移動的電子就按一定的方向流動，形成電流。隨著溫度的增加，電子的熱運動劇烈，電子之間、電子與振動的金屬離子之間的碰撞機會就不斷增加，因此電子的定向移動將受到阻礙，金屬的電阻率也隨之增大。12.3.1熱電阻35取一只100W/220V燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發現其冷態阻值只有幾十歐姆，而計算得到的額定熱態電阻值應為484

。

金屬熱電阻廣泛用于測量-200~+850℃溫度范圍。少數可測量1000

℃。普通金屬熱電阻一般用于-200~+500℃溫度測量。鉑熱電阻的測溫范圍可達-200~850℃。

鉑是一種貴重金屬，其物理和化學性能非常穩定，是制造熱電阻的最好材料，主要作標準電阻溫度計。按照IEC（國際電工委員會）的標準，鉑熱電阻阻值與溫度變化之間的關系近似為-200~0℃時0~850℃時按照ITS-90標準R0是T=0℃時的電阻。目前我國規定工業用鉑熱電阻有兩種：R0=10Ω，對應PT10分度號R0=100Ω，對應PT100分度號3738熱敏電阻是利用半導體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實現測溫的。半導體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動態特性好，適于在-100℃～300℃之間測溫。12.3.2熱敏電阻391、熱敏電阻的結構和特點熱敏電阻是用半導體-金屬氧化物符合，摻入一定的黏合劑成形，再經高溫燒結而成。主要材料有鈷Co、錳Mn、鎳Ni等

等。優點：（1）結構簡單、體積小、可測點溫度；（2）電阻溫度系數大，靈敏度高（10倍）；（3）電阻率高、熱慣性小、適宜動態測量。缺點:是互換性較差，另外其熱電特性是非線性的。各種熱敏電阻的結構如下頁圖所示。40412、熱敏電阻的基本類型（1）NTC熱敏電阻NTC熱敏電阻的材料是一種由錳（Mn）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鈷（Co）、鐵（Fe）等金屬氧化物按一定比例混合燒結而成的半導體，改變混合物的成分和配比就可以獲得測溫范圍、阻值及溫度系數不同NTC熱敏電阻。它具有負的電阻溫度系數，隨溫度上升而阻值下降。

NTC熱敏電阻應用廣泛。04080120160200106104102100溫度℃電阻42（2）CTR熱敏電阻CTR熱敏電阻是以三氧化二釩與鋇、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱還原氣氛中混合燒結而成，它呈半玻璃狀，具有負溫度系數。通常，CTR熱敏電阻用樹脂包封成珠狀或厚膜形使用，其阻值在1k

Ω~10MΩ之間。04080120160200106104102100溫度℃電阻CTR熱敏電阻隨溫度變化的特性屬劇變型，具有開關特性。當溫度高于居里點TC時，其阻值會減小到臨界狀態，突變的數量級為2~4。因此又稱這類熱敏電阻為臨界熱敏電阻。TC

43（3）

PTC熱敏電阻PTC熱敏電阻是以鈦酸鋇摻合稀土元素燒結而成的半導休陶瓷元件。04080120160200106104102100溫度℃電阻PTC熱敏電阻具有以下特性：TC

TN

當溫度低于居里點TC時，具有半導體特性；

當溫度高于居里點TC時，電阻值隨溫度升高而急劇增大，具有正溫度系數；

具有通電瞬間產生強大電流而后很快衰減的特性。PTC熱敏電阻主要用于彩電消磁、各種電器設備的過載保護、發熱源的定溫控制，可作限流元件使用。443、熱敏電阻的溫度特性

負溫度系數的熱敏電阻阻值與溫度的關系為RT＝A(T-1)exp(B/T)式中RT—溫度為T時電阻值A—與材料和幾何尺寸有關的常數B—熱敏電阻常數（與半導體物理性能有關）4512.3.3應用舉例4647熱敏電阻體溫表

4849熱敏電阻用于CPU的溫度測量

12.4集成溫度傳感器

50將溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一芯片的集成化溫度傳感器。其最大優點是直接給出正比于絕對溫度的理想的線性輸出，另外，體積小、成本低廉。因此，它是現代半導體溫度傳感器的主要發展方向之一。目前，已經廣泛用于-50~+150℃溫度范圍內的溫度監測、控制和補償的許多場合。51電路中ＶＴ1、ＶＴ2是結構和性能完全相同的晶體管，它們分別在不同的集電極電流IＣ1和IＣ2下工作。由圖可見，R１的電壓應為ＶＴ1和ＶＴ2的基極發射極電壓差。12.4.1測溫原理IC2VＴ1R1+EΔUbeR2IC1VＴ2γ為VT1和VT2發射極的面積比R2上的電壓也正比于絕對溫度T。5212.4.2集成溫濕度傳感器

SHT10為單片數字溫濕度傳感器。其內部包含有溫濕度傳感器、A/D轉換器及數字接口電路。SCK引腳是MCU與SHTIO之問通信的同步時鐘DATA引腳用于MCU與SHT10之間的數據傳輸。531.發送命令用一組“啟動傳輸”時序，來表示數據傳輸的初始化。包括：當SCK為高時DATA翻轉為低，緊接著SCK為低，隨后SCK為高時DATA為高。啟動傳輸的時序如圖所示。后續命令包含三個地址位（目前只支持000）和五個命令位。地址位是000，命令字如右表在第8個SCK時鐘下降沿之后，DATA下拉為低。在第9個SCK時鐘的下降沿后釋放DATA（恢復為高）。542.測量時序發布一組測量命令后（例如測量溫度“00000011”），控制器要等待測量結束，約20/80/320ms,分別對應8/12/14bit測量。當DATA為低電平并進入空閑模式，表示測量結束。控制器在再次觸發SCK時鐘前，必須等待這個“數據備妥”信號來讀出數據。檢測數據可以先被保存，這樣控制器可以繼續執行其他任務，在需要的時候再讀出數據。接著傳輸2字節的測量數據和1字節的CRC奇偶校驗。Uc需要通過下拉DATA為低電平，以確認每個字節，所有數據從最高有效位開始右值有效。使用CRC循環冗余校驗的確認位表明通訊結束。如果不使用CRC-8校驗，控制器可以在測量的最低有效位后，通過保持確認位ack高電平來終止通訊。此后傳感器轉入休眠模式。553.輸出轉換為物理量溫、濕度的參數均以0.01為單位，單位分別為攝氏度和%。轉換公式為（XH*256+XL）/100 例如實驗中通過串口助手接收到的數據為轉換結果為EECC01030101131522000000000000FFEECC為幀頭01為節點編號03為模塊ID01為傳感器IDFF為幀尾通過串口助手接收到的數據溫度值為：27.5度濕度值為：54.1%。12.5紅外傳感器

5612.5.1紅外輻射12.5.2紅外探測器12.5.3紅外傳感器的應用紅外傳感器可分為紅外熱成像遙感技術、紅外搜索（跟蹤目標、確定位置、紅外制導）、紅外輻射測量、通信、紅外測溫等，在科學研究、軍事工程和醫學方面都有著廣泛的應用。紅外傳感器主要由紅外輻射源和紅外探測器兩部分組成，有紅外輻射的物體就可以視為紅輻射源；紅外探測器是指能將紅外輻射轉換為電能的器件或裝置。58

12.5.1紅外輻射

紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在0.76～1000μm。工程上又把紅外線所占據的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠紅外和極遠紅外。紅外區通常分為近紅外0.73~1.5um、中紅外1.5~10um和遠紅外10um以上，300um以上的區域又稱為“亞毫米波”紅外輻射紅外輻射本質上是一種熱輻射。任何物體，只要它的溫度高于絕對零度（－273℃），就會向外部空間以紅外線的方式輻射能量，一個物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射這種形式來實現的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強。另一方面，紅外線被物體吸收后可以轉化成熱能。紅外線作為電磁波的一種形式，紅外輻射和所有的電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的，具有電磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。紅外線在真空中傳播的速度等于波的頻率與波長的乘積。60

12.5.2紅外探測器

紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探測器是能將紅外輻射能轉換為電能的熱電或光電器件。紅外探測器的種類很多，按探測機理的不同，分為熱探測器和光子探測器兩大類。1）熱探測器（熱電型）有：熱釋電、熱敏電阻、熱電偶等；2）光子探測器（量子型），利用某些半導體材料在紅外輻射的照射下產生光電子效應，材料電學性質發生變化；有:光敏電阻、光電管、光電池等。

量子型光子探測器與光電傳感器原理相同，本節主要介紹熱釋電型紅外探測器。1.熱釋電效應熱探測器主要是利用紅外輻射的熱效應，當探測器吸收輻射能后引起溫度升高，使其材料的物理量變化，如熱釋電電荷、熱敏電阻阻值、熱電偶電勢、氣體濃度變化等。

熱釋電效應首先將光輻射能變成材料自身的溫度，利用器件溫度敏感特性將溫度變化轉換為電信號。熱釋電材料有晶體、陶瓷、塑料等鐵電體，其晶體結構與熱釋效應如圖所示。熱釋電晶體是把具有熱釋電效應的晶體薄片兩面鍍上電極，將透明電極涂上黑色膜使晶體吸收紅外線。晶體本身具有一定極化強度P，當紅外輻射照射到已經極化的鐵電體薄片表面時，薄片溫度升高，使極化強度降低，表面電荷減少，釋放部分電荷，所以稱為熱釋電。熱釋電元件溫度特性如圖所示。溫度一定時因極化產生的電荷被附集在外表面的自由電荷慢慢中和掉，不顯電性，要讓熱釋電顯現出電特性，必須用光調制器使溫度變化，如下圖所示。已知熱釋電元件電荷中和的平均時間為：調制器的入射光頻率f必須大于電荷中和的時間頻率，即熱釋電材料表面電荷極化隨溫度變化狀況如圖所示。鐵電體在溫度變化時，極化強度發生變化，無論溫度上升還是下降，介質從帶電到不帶電有一個中和時間，為使電荷不被中和掉，必須使晶體處于冷熱交替變化的工作狀態，使電荷表現出來，表面才能產生電荷。由圖可見，當溫度上升或下降時，電荷極性相反。2.熱釋電元件等效電路熱釋電元件是電荷儲存元件，傳感器可視為電流源，電流大小與溫度隨時間的變化率有式中，S是元件面積，P為極化強度；g為熱釋電系數。說明，熱釋電材料只有在溫度變化時才產生電流、電壓，其輸出電壓為式中，Z為熱釋電元件的等效阻抗。熱釋電元件結構如圖所示，市場購買的普通熱釋電元件已經將前級的FET場效應管和輸入電阻Rd安裝在管殼中，FET場效應管起到阻抗變換的作用。熱釋電傳感器等效電路如下圖。T為熱釋電晶體，Rd是輸入絕緣電阻，RL為外接負載電阻。由于熱釋電傳感器絕緣電阻很高，容易引入噪聲，使用時要求有較高的輸入電阻。3.紅外光子探測器光量子型是利用光電效應，通過改變電子能量的狀態引起電學現象，光量子型紅外傳感器主要有：光電導型（PC）——利用光敏電阻受光照后引起電阻變化；光導電型（PV）——由于光照產生光生電子—空穴對，形成光生電動勢；光電磁型（PEM）——器件利用光電磁效應，加電場和磁場的同時產生于光照成正比的感應電荷；肖特基型（ST）——利用金屬與半導體接觸形成肖特基勢壘隨光照而變化光子探測器與熱釋電傳感器在性能上最大的區別是，光量子型紅外光電探測器探測的波長較窄，而熱探測器幾乎可以探測整個紅外波長范圍。70

12.5.1紅外傳感器的應用

1.紅外測溫儀2.紅外線氣體分析儀3.熱成像1.紅外測溫儀紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。當物體的溫度低于1000℃時，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測器檢測其溫度。圖中的光學系統是一個固定焦距的透視系統，濾光片一般采用只允許8~14微米的紅外輻射能通過的材料。步進電機帶動調制盤轉動，將被測的紅外輻射調制成交變的紅外輻射射線。紅外探測器一般為熱釋電探測器，透鏡的焦點落在其光敏面上。被測目標的紅外通過透鏡聚焦在紅外探測器上，紅外探測器將紅外輻射