第二章熱電傳感器熱電傳感器2.1溫度傳感器的分類

熱電傳感器

接觸式溫度傳感器熱膨脹式溫度傳感器，熱電偶傳感器，熱電阻傳感器，PN結溫度傳感器，集成溫度傳感器等。

非接觸式溫度傳感器光學高溫傳感器，熱輻射溫度傳感器等

利用一些材料和元件的性能（熱膨脹，熱電勢、電阻、PN結特性、光學特性等）隨溫度而變化的特性，間接測量溫度的大小。熱電傳感器2.2熱電偶傳感器2.2.1熱電偶的工作原理TAT0B

兩種不同的導體（A和B）兩端相互緊密地連在一起，組成一個閉合回路，當兩接點溫度不等（T>T0）時，回路中就會產生電動勢，從而形成電流。這一現象稱為熱電效應，回路中產生的電動勢稱為熱電勢。熱電效應熱電偶：不同導體的組合熱電極：導體A和B工作端（熱端）自由端（冷端）熱電傳感器熱電勢由兩部分組成：接觸電勢和溫差電勢

接觸電勢

當兩種金屬連接在一起時，由于不同導體的自由電子密度不同，在接觸處就會發生電子遷移擴散。失去電子的金屬呈正電位，得到電子的金屬呈負電位。當擴散達到平衡時，在兩種金屬的接觸處形成電勢，稱為接觸電勢。eAB(T)NBNAek0Tln=eAB(T0)NBNAek0T0ln=

導體A、B在溫度T和T0時的接觸電勢eAB（T）和eAB（T0）表示為：接觸電動勢的大小與接點溫度的高低和導體中的電子密度有關。熱電傳感器

溫差電勢在同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種熱電勢。

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。

溫差電動勢的大小取決于導體的材料和兩端的溫度，其值比接觸電勢小很多，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動勢。熱電傳感器

如果熱電偶兩電極材料相同，即NA

＝NB，則無論兩接點溫度如何，總熱電勢為零。因此，熱電偶必須采用兩種不同材料作熱電極。如果熱電偶兩接點溫度相同，盡管A和B材料不同，回路中總電勢等于零。熱電偶回路的總電勢主要是由接觸電勢引起的：，eAB(T0)NBNAek0T0ln=EAB（T,T0）=eAB(T)－eAB(T0)

eAB(T)NBNAek0Tln=熱電偶回路的總電勢主要是由接觸電勢引起的：，eAB(T0)NBNAek0T0ln=EAB（T,T0）=eAB(T)－eAB(T0)

eAB(T)NBNAek0Tln=熱電傳感器

熱電偶產生的熱電勢只與材料和接點溫度有關，與熱電極尺寸、形狀等無關。當兩個電極選定后，熱電勢是兩接點溫度的函數，即EAB（T,T0）=f（T）－

f（T0）。熱電傳感器2.2.2中間導體定律

在A、B材料組成的熱電偶回路中接入第三種導體C，只要引入的第三導體兩端溫度相同，則此導體的引入不會改變總電勢EAB的大小。TCAT0BT0

若從T0端斷開接入第三種導體CEABC（T,T0）=eAB(T)＋eBC(T0)

＋eCA(T0)當回路中各接點溫度相同，都為T0時，則：

EABC（T0,T0）=eAB(T0)＋eBC(T0)＋eCA(T0)=0，

eBC(T0)＋eCA(T0)=eAB(T0)所以，EABC（T,T0）=eAB(T)－eAB(T0)=EAB（T,T0）

熱電傳感器ATBT0BCT1T1

若從材料B中間斷開接入第三種導體CEABC（T,T0）=eAB(T)＋eBC(T1)

＋eCB(T1)＋eBA(T0)

由于eBC(T1)

=eCB(T1)，eAB(T0)=

eBA(T0)所以，EABC（T,T0）=eAB(T)eAB(T0)=EAB（T,T0）

熱電偶的熱電勢在引入的第三種導體兩端溫度相等時，不會因此受到影響。第三種導體不宜采用與熱電極熱電性質相差很遠的材料。否則一旦溫度發生變化，熱電偶的熱電勢將會受到很大影響。熱電傳感器2.2.3標準熱電極ACBCABTTTT0T0T0

如果兩種導體（A和B）分別與第三種導體（C）組成熱電偶所產生的熱電勢已知，則由這兩個導體（A，B）組成的熱電偶產生的熱電勢為：EAB（T,T0）=EAC（T,T0）－EBC（T,T0）熱電傳感器以上兩式相減得：EAC（T,T0）－EBC（T,T0）

=eAC(T)－eAC(T0)－eBC(T)＋eBC(T0)

=[eAC(T)－eBC(T)]－[eAC(T0)－eBC(T0)]

由于eBC(T0)－eAC(T0)=eAB(T0)，eAC(T

)－eBC(T)=eAB(T

)所以，EAC（T,T0）－EBC（T,T0）=EAB（T,T0）

ACBCABTTTT0T0T0EAC（T,T0）=eAC(T)－eAC(T0)，EBC（T,T0）=eBC(T)－eBC(T0)

AC、BC、AB為三個熱電偶，則由此可知，若任意幾個熱電極與一個標準熱電極組成熱電偶產生的熱電勢已知，則可很方便地求出這些熱電極彼此任意組合的熱電勢。通常用純鉑作為標準熱電極。熱電傳感器2.2.4中間溫度定律

熱電偶在接點溫度為T、T0時的熱電勢等于該熱電偶在接點溫度為T、Tn和Tn、T0時相應熱電勢的代數和。EAB（T,Tn）=eAB(T)－eAB(Tn)，EAB（Tn,T0

）=eAB(Tn)－eAB(T0)BBA

AABTT0Tn熱電傳感器BBA

AABTT0Tn以上兩式相加得：EAB（T,Tn）＋EAB（Tn,T0）

=eAB(T)－eAB(Tn)＋

eAB(Tn)－eAB(T0)

=eAB(T)－eAB(T0)=EAB（T,T0）所以，EAB（T,T0）=EAB（T,Tn）＋EAB（Tn,T0），

Tn稱為中間溫度。當T0=0，則有EAB（T,0）=EAB（T,Tn）＋EAB（Tn,0）熱電傳感器2.2.5熱電偶的種類和結構

熱電極材料的基本性能

熱電勢要足夠大，測量范圍寬，線性好；熱電特性穩定，即熱電勢與溫度對應關系保持恒定；熱電勢與溫度有單值關系，最好呈線性，或簡單函數關系；電阻溫度系數和電阻率要小，否則熱電偶的電阻將隨工作端的溫度不同而有較大的變化，而影響測量結果的準確性；物理性能穩定，化學成分均勻，不易氧化和腐蝕；材料易加工，復制性好，機械強度好；價格低廉。熱電傳感器

常用熱電偶材料

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)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。用于制造鉑熱電偶的各種鉑熱電偶絲B:鉑銠30-鉑銠6，

R:鉑銠13-鉑，

S:鉑銠10-鉑，

K:鎳-鎳硅，

E:鎳鉻-銅鎳，

J:鐵-銅鎳，

T:銅-銅鎳熱電傳感器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

熱電傳感器熱電偶的熱電勢與溫度的關系曲線分析S型：鉑銠-鉑熱電偶K型：鎳鉻-鎳鋁熱電偶T型：銅-康銅熱電偶E型：鎳鉻-考銅熱電偶B型：鉑銠30-鉑銠6R型：鉑銠13-鉑J型：鐵-康銅熱電偶N型：鎳鉻硅-鎳硅熱電偶熱電傳感器

熱電偶的線性較差，多數情況下采用查表法。

我國從1991年開始采用國際計量委員會規定的“1990年國際溫標”（簡稱ITS-90）的新標準。按此標準，制定了相應的分度表，并且有相應的線性化集成電路與之對應。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。直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關系時的約束條件是：自由端（冷端）溫度必須為0C。

熱電偶的分度表熱電傳感器

熱電偶的結構

普通熱電偶1.熱電極，2.絕緣套管，3.保護套管，4.接線盒，5.接線盒蓋主要用于測量氣體、蒸汽和液體等介質的溫度。熱電傳感器

鎧裝熱電偶（a）碰底型,（b）不碰底型,（c）露頭型,（d）帽型

特點：內部熱電偶絲與外界空氣隔絕，具有良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細，能解決微小、狹窄場合的測溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優點。熱電傳感器熱容量小，動態響應快，適宜測量微小面積和瞬時變化的溫度。

薄膜熱電偶

表面熱電偶

分為永久性安裝和非永久性安裝。主要用來測量金屬塊、壁爐、橡膠筒等固體表面溫度。熱電傳感器

侵入式熱電偶

特殊熱電偶

主要用來測量鋼水、銅水、鋁水以及熔融合金的溫度。其主要特點是可以直接插入液態金屬中進行測量。

例如測量火箭固態推進劑燃燒波溫度分布、燃燒表面溫度以及溫度梯度的一次性熱電偶；測量火炮內壁溫度的針狀熱電偶等。熱電傳感器2.2.6熱電偶的冷端溫度補償1.熱電偶輸出的熱電勢是兩接點溫度差的函數，只有在冷端溫度T0保持不變的條件下，其熱電勢才是工作端溫度的單值函數。2.熱電偶的標準分度表是在其冷端為0時，測得的電勢值。在實際測溫中，冷端溫度常隨環境溫度而變化，這樣T0不但不是0℃，而且也不恒定，這將會對測量產生誤差。3.一般情況下，冷端溫度均高于0℃，熱電勢總是偏小。應想辦法消除或補償熱電偶的冷端損失。

必要性：0℃恒溫法

將熱電偶的冷端置于冰水混合物的0℃恒溫器內，可保證冷端溫度T0為0℃。此法只適用于實驗室。mVABT銅導線銅導線試管熱電偶冰點槽冰水溶液T0儀表熱電傳感器熱電傳感器

冷端恒溫法

熱電偶實際測溫時，由于冷端溫度T0

0，而是某一溫度Tn，則熱電偶工作在溫度（T，Tn）之間，測得的熱電勢是EAB（T,Tn）。利用中間溫度定則，

EAB（T,0）=EAB（T,Tn）＋EAB（Tn,0）例如：用鉑銠10-鉑熱電偶測某一溫度T，參考端在室溫環境Tn中，測得熱電勢EAB（T,Tn）=0.465mV，又用室溫計測得Tn=21℃，查此熱電偶分度表知EAB（21,0）=0.119mV，則EAB（T,0）=EAB（T,21）＋EAB（21,0）

=0.465＋0.119=0.584mV

再用0.584mV查分度表得T=92℃，即實際溫度為92℃。熱電傳感器

補償導線法

利用補償導線，將熱電偶的冷端遠移至溫度恒定的場所（如儀表室）。

補正系數法

設冷端溫度為tn，此時測得的溫度為t1，其實際溫度為t=t1＋k

tn。其中k為補正系數，可從補正系數表中查得。熱電傳感器2.3熱電阻傳感器

2.3.1金屬熱電阻

大多數金屬導體電阻隨溫度變化的關系可由下式表示：

Rt=R0[1+(t

－t0)]，式中：Rt，R0—

分別為熱電阻在t℃和t0

℃時的電阻值；

—

熱電阻的電阻溫度系數（1／℃）；

t

—

被測溫度（℃）。靈敏度S===

R0dRtdt1R0R01

電阻與溫度的關系

金屬熱電阻材料的特點熱電傳感器

電阻溫度系數大，靈敏度高；電阻率盡可能大，以便在相同靈敏度下減小熱電阻材料的體積；在熱電阻使用范圍內，材料的物理、化學性能保持穩定；良好的輸出特性，即必須有線性或接近線性的輸出；良好的工藝性，以便批量生產、降低成本。熱電傳感器三種金屬的電阻與溫度的關系

常用的金屬熱電阻NiPtCu熱電傳感器主要金屬溫度傳感器的性能熱電傳感器2.3.2半導體熱敏電阻

熱敏電阻是利用半導體材料的電阻隨溫度變化而變化的性質制成的一種熱敏元件。按照熱敏電阻的電阻與溫度關系的變化特性，分為正溫度系數（PTC）熱敏電阻、負溫度系數熱敏電阻（NTC）和臨界溫度熱敏電阻（CTR）。PTC：電阻隨溫度增加而增加

NTC：電阻隨溫度增加而減小

CTR：在某一特性溫度下，電阻會發生突變熱電傳感器2.3.2.1熱敏電阻的分類熱電傳感器2.3.2.2PTC熱敏電阻PTC是一種正溫度特性很強的熱敏電阻，主要是由BaTiO3（或SrTiO3或PbTiO3）為主要成分的燒結體。BaTiO3陶瓷是一種典型的鐵電材料，常溫電阻率大于1012·cm，為絕緣體。經過半導體化摻雜后，表現出強烈的PTC效應常溫電阻值很低。隨溫度的升高，電阻值在居里點附近發生突變，產生幾個數量級的變化。

PTC熱敏電阻采用一般陶瓷工藝成形、高溫燒結而成。其溫度系數及居里點溫度隨組分及燒結條件（尤其是冷卻溫度）不同而變化。熱電傳感器

工作原理

由于存在晶界勢壘，當溫度在居里點TC以下時，高阻的晶界具有鐵電性，介電常數很大，勢壘高度低，電子容易越過勢壘，因而材料電阻小；當溫度高于TC時，材料的晶格結構發生變化，鐵電性消失，介電常數急劇減小，隨之勢壘增高，電子難以越過勢壘，相應材料的電阻率急劇上升。PTC效應熱電傳感器

特性

電阻與溫度的關系T<TP1:負電阻溫度系數，溫度靈敏度不高;T=TP1:

電阻值開始隨溫度指數增大；TP1<T<TP2:正電阻溫度系數，且值較大。最大工作溫度熱電傳感器PTC熱敏電阻性能改善的方法TC向高溫方向移動：摻入Pb；TC向低溫方向移動：摻入Sr或Sn；提高PTC電阻溫度系數：摻入Mn、Fe、Cu等；提高PTC工藝穩定性：摻入Al、Si、Ti等；對BaTiO3主體材料要求：高純（99.5～99.95％）超細（0.1～1.5m）具有化學活性設計考慮熱電傳感器2.3.2.3NTC熱敏電阻NTC熱敏電阻大多數是由一些過渡金屬氧化物（Mn、Co、Ni、Fe等氧化物）的粉末，按一定比例混合后，用焙燒陶瓷工藝制成熱敏電阻體，再燒銀電極、焊上引線、涂上保護漆而成。當改變這些混合物的成分和配比及工藝條件，就可以獲得測溫范圍、阻值及溫度系數不同的NTC熱敏電阻。

工作原理金屬

=（0.3~0.6）10-2℃-1

NTC=（3~6）10-2℃-1

半導體中參加導電的載流子數目比金屬的自由電子數目少得多，所以它的電阻率較大。當溫度升高時，半導體將產生新的電子、空穴對，極大地貢獻了載流子的數目，導致電阻率減小。載流子數目增加隨溫度按指數規律上升，它的電阻率也成指數規律下降。熱電傳感器熱電傳感器

特性Rt=R0eB(1/T–1/T0)

電阻溫度系數

==－

RtdRtdT1T2B隨溫度降低而迅速增大，靈敏度高。

電阻與溫度的關系Rt、R0—

分別為TK和T0K時的電阻值；B—

熱敏電阻的材料常數，通常

B=2000~6000K。

熱敏電阻特點

靈敏度較高，其電阻溫度系數要比金屬大10～100倍以上，能檢測出6～10℃的溫度變化；工作溫度范圍寬，常溫器件適用于－55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于315℃，低溫器件適用于－273℃～55℃；體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內血管的溫度；使用方便，電阻值可在0.1～100k間任意選擇；易加工成復雜的形狀，可大批量生產；穩定性好、過載能力強。

熱電傳感器2.3.2.4熱敏電阻的主要參數熱電傳感器

標稱電阻值R熱敏電阻在25±0.2℃時的阻值，又稱冷電阻。

電阻溫度系數熱敏電阻的溫度變化1℃時電阻值的變化率。

耗散系數H

熱敏電阻的溫度與周圍環境溫度相差1℃時所耗散的功率。在工作范圍內，當環境溫度變化時，H值隨之變化，其大小與熱敏電阻的結構、形狀和所處介質的種類及狀態有關。

時間常數

表示熱敏電阻對冷或熱的響應速度。當環境溫度突變時，熱電阻的變化量從開始到最終變量的63.2％所需的時間。它與熱容量C和耗散系數H之間的關系：HC=t

額定功率PS（使用功率）

熱敏電阻器在規定的條件下，長期連續負荷工作所允許的消耗功率。

熱敏電阻在各種氣候、機械、電氣等使用環境中，保持原有特性的能力。最常用的是以電阻值的年變化率或對應的溫度變化率來表示。

穩定性熱電傳感器熱電傳感器2.3.2.5熱敏電阻的結構柱形熱敏電阻（a）珠狀;（b）探頭式;（c）片狀2.4PN結溫度傳感器

熱電傳感器

通常利用晶體管PN結的正向電壓與溫度呈現的較好的線性關系這一特征，將半導體器件用作PN結溫度傳感器，實現了對溫度的檢測，控制或補償功能。與熱電偶、熱電阻相比，它的輸出特性線性好并具有很高的測量精度，在很多領域中得到廣泛應用。2.4PN結溫度傳感器

熱電傳感器

溫敏二極管二極管PN結伏安特性可用下式表示：

IF=IS(eqUF/kT－1)在室溫時，kT/q=26mV,eqUF/kT1，上式為：

I=ISeqU/kT

則UF=lnkTqIFIS

在一定的電流下，隨著溫度的升高，正向電壓將下降，表現出負的溫度系數。

溫敏晶體管熱電傳感器

對于溫敏晶體管，當處于正向工作狀態下，發射極電流包括擴散電流，PN結空間電荷區中的復合電流和表面復合電流。但是，其中只有擴散電流成分能夠到達集電極而形成集電極電流，而另外兩個復合電流則作為基極電流漏掉，而不達到集電極。因此，晶體管IC－Ube關系比二極管的IF－UF關系更具有線性關系。熱電傳感器

當晶體管處于正向工作狀態，又1，可忽略集電極反向飽和電流。發射結電壓Ube和發射極電流Ie有以下關系：因此，

晶體管Ube的溫度特性

Ie=Ies

(eqUbe/kT－1)

在室溫下kT/q=26mV,UbekT/q，此時

Ie=Ies

eqUbe/kT

Ube=lnkTqIeIes可見，Ie一定，Ube與T成線性關系。熱電傳感器2.5熱釋電式傳感器2.5.1紅外輻射的基本特性

紅外輻射就是紅外光，俗稱紅外線。任何物體，只要它的溫度高于絕對零度，就會向周圍輻射紅外光。紅外光的特點是具有光熱效應，而且它是光譜中最大光熱效應區。紅外輻射的物理本質是輻射。物體的溫度越高、輻射出來的紅外光越多，輻射的能量就越強。熱電傳感器2.5.2紅外傳感器的分類

紅外傳感器是能將紅外輻射能轉換成電能的一種敏感器件，常稱為紅外探測器。

熱型紅外傳感器

紅外光輻射到敏感元件上，使敏感元件的溫度升高，同時它的物理參數也相應發生變化。通過測量有關物理參數的變化來確定所吸收的紅外輻射。

熱電偶型：熱電勢比較大的熱電偶。熱敏電阻型：過渡金屬氧化物。

熱釋電型：具有極化現象的鐵電體。響應波段寬，可常溫下工作，使用方便。熱電傳感器

光子型紅外傳感器

在紅外光的照射下，某些半導體的電學性質發生變化。通過測試電學性質的變化，可以確定紅外輻射的強度。利用光電效應制成的紅外探測器稱光子探測器。

光電導型：光電導效應，PbS，HgCdTe，熱敏電阻等。光電動勢型：光生伏特效應，InAs，InSn，HgCdTe等。光電磁型：光電磁效應。肖特基型：肖特基勢壘光電二極管熱電傳感器

熱型和光子型紅外傳感器性能比較