傳感器技術與應用

教

案

（第二版）

2014.2.14

第1章傳感器技術基礎

1.1自動測控系統與傳感器

世界是由物質組成的，表征物質特性或其運動形式的參數很多，根據物質的電特性，可分為電量和

非電量兩類。

非電量不能直接使用一般電工儀表和電子儀器測量，非電量需要轉換成與非電量有一定關系的電

量，再進行測量。實現這種轉換技術的器件叫傳感器。

自動檢測和自動控制系統處理的大都是電量，需通過傳感器對通常是非電量的原始信息進行精確

可靠的捕獲和轉換為電量。

1.1.1自動測控系統

自動檢測和自動控制技術是人們對事物的規律進行定性了解和定量掌握以及預期效果控制所從事

的一系列的技術措施。

自動測控系統是完成這一系列技術措施之一的裝置，它是檢測和控制器與研究對象的總和。

通常可分為開環與閉環兩種自動測控系統。

圖1-1開環自動測控系統

框圖

圖1-2閉環自動測控系統框圖

一個完整的自動測控系統，一般由傳感器、測量電路、顯示記錄裝置或調節執行裝置、電源四部

分組成。

1.1.2傳感器

傳感器的定義是：能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常

由敏感元件和轉換元件組成。

敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；

轉換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號的部分。

非電物

圖1-3傳感器組成框圖

壓電晶體、熱電偶、熱敏電阻、光電器件等是敏感元件與轉換元件兩者合二為一的傳感器

傳感器轉換能量的理論基礎都是利用物理學、化學學、生物學現象和效應來進行能量形式的變換。

被測量和它們之間的能量的相互轉換是各種各樣的。

傳感器技術就是掌握和完善這些轉換的方法和手段。是涉及：傳感器能量轉換原理、傳感器材料選

取與制造、傳感器器件設計、傳感器開發和應用等多項綜合技術。

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1.2傳感器的分類

1.2傳感器的分類

傳感器有許多分類方法，但常用的分類方法有兩種：一種是按被測輸入量來分；另一種是按傳感器

的工作原理來分。

1.2.1按被測量分類

這一種方法是根據被測量的性質進行分類，如：

溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、

流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、加速度傳感器，轉矩傳感器等。

這種分類方法把種類繁多的被測量分為：基本被測量和派生被測量兩類。

這種分類方法：

優點是：比較明確地表達了傳感器的用途，便于使用者根據其用途選用。

缺點是：沒有區分每種傳感器在轉換機理上有何共性和差異，不便使用者掌握其基本原理及分析方

法。

1.2.2按傳感器工作原理分類

這一種分類方法是以工作原理劃分，將物理、化學、生物等學科的原理、規律和效應作為分類的依

據。

這種分類法：

優點是：對傳感器的工作原理比較清楚，類別少，有利于傳感器專業工作者對傳感器的深入研究分

析。

缺點是：不便于使用者根據用途選用。

具體劃分為：

1.電學式傳感器

電學式傳感器是應用范圍較廣的一種傳感器，常用的有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感

器、磁電式傳感器及電渦流式傳感器等。

2.磁學式傳感器

磁學式傳感器是利用鐵磁物質的一些物理效應而制成。主要用于位移、轉矩等參數的測量。

3.光電式傳感器

光電式傳感器是利用光電器件的光電效應和光學原理而制成。

主要用于光強、光通量、位移、濃度等參數的測量。

4.電勢型傳感器

電勢型傳感器是利用熱電效應、光電效應、霍耳效應等原理而制成。

主要用于溫度、磁通、電流、速度、光強、熱輻射等參數的測量.

5.電荷傳感器

電荷傳感器是利用壓電效應原理而制成。

主要用于力及加速度的測量。

6.半導體傳感器

半導體傳感器是利用半導體的壓阻效應、內光電效應、磁電效應、半導體與氣體接觸產生物質變化

等原理而制成。

主要用于溫度、濕度、壓力、加速度、磁場和有害氣體的測量。

7.諧振式傳感器

諧振式傳感器是利用改變電或機械的固有參數來改變諧振頻率的原理而制成。

主要用來測量壓力。

8.電化學式傳感器

電化學式傳感器是以離子導電原理為基礎而制成，可分為電位式傳感器、電導式傳感器、電量式傳

感器、級^式傳感器和電解式傳感器等。

電化學式傳感器主要用于分析氣體成分、液體成分、溶于液體的固體成分、液體的酸堿度、電導率

及氧化還原電位等參數的測量。

還有：

按能量的關系分類，即將傳感器分為：有源傳感器和無源傳感器；

按輸出信號的性質分類，即將傳感器分為：模擬式傳感器和數字式傳感器。

數字式傳感器輸出為數字量，便于與計算機聯用，且抗干擾性較強，例如：盤式角度數字傳感器,

光柵傳感器等。

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1.3傳感器的數學模型

1.3傳感器的數學模型

傳感器作為感受被測量信息的器件，總是希望它能按照一定的規律輸出有用信號，因此，需要研究其輸

入-輸出之間的關系及特性，以便用理論指導其設計、制造、校準與使用

理論和技術上表征輸入-輸出之間的關系通常是以建立數學模型來體現，這也是研究科學問題的基本

出發點。

1.3.1傳感器的靜態數學模型

靜態數學模型是指在靜態信號作用下，傳感器輸出與輸入量間的一種函數關系。

如果不考慮遲滯特性和蠕動效應，傳感器的靜態數學模型一般可以用n次多項式來表

y=aO+a1x+a2x2+…+anxn

式中X為輸入量；y為輸出量；

aO為零輸入時的輸出，也叫零位輸出;

al為傳感器線性項系數也稱線性靈敏度，常用K或S表示；

a2,a3,…，an為非線性項系數，其數值由具體傳感器非線性特性決定。

傳感器靜態數學模型有三種有用的特殊形式：

1.理想的線性特性y=atx

通常是所希望的傳感器應具有的特性，只有具備這樣的特性才能正確無誤地反映被測的真值。

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2.僅有偶次非線性項y=axx+ayx+a4xH—

其線性范圍較窄，線性度較差，靈敏造為該曲線的斜率，一般傳感器設計很少采用這種特性。

3.僅有奇次非線性項y=axx+a3x'+a5x^H—

其線性范圍較寬，且相對坐標原點是對稱的，線性度較好，靈敏度為該曲線的斜率。

使用時一般都加以線性補償措施，可獲得較理想的線性特性。

1.3.2傳感器的動態數學模型

在實際測量中，大量的被測量是隨時間變化的動態信號。

傳感器的動態數學模型是指：在隨時間變化的動態信號作用下，傳感器輸出-輸入量間的函數關系,

通常稱為響應特性。

動態數學模型一般采用微分方程和傳遞函數描述。

1.微分方程

忽略了一些影響不大的非線性和隨機變量等復雜因素后，可將傳感器作為線性定常數系統來考慮,

因而其動態數學模型可以用線性常系數微分方程來表示，其解得到傳感器的暫態響應和穩態響應。

dnydn-'ydy

Cl------FCl].......-+…+勾---FV

"dtnfl_'dt'-'1dt°

,dmx,dm-'x,dx,

='"新+%+…+47+%%

dtm-'

式中：x(t)為輸入量，y(t)為輸出量。

…，/也也t，…也

2.傳遞函數

對上式兩邊取拉普拉斯變換，則得：

y(恤+a"T+...+%)=X(s)(b,F"+%$-+?..+4)

該系統的傳遞函數H(s)為：

,_Y()_b"l+b_"-'+-+b

1H7(5()-----S------m--S------m---l-S--:-----------0

X(s)a”s"+a“_]S"H----Fa。

等號右邊是一個與輸入無關的表達式，只與系統結構參數有關，

可見傳遞函數H⑸是描述傳感器本身傳遞信息的特性，即傳輸和變換特性。由輸入激勵和輸出響應

的拉普拉斯變換求得。

1.4傳感器的特性與技術指標

1.4傳感器的特性與技術指標

傳感器測量靜態量表現為靜態特性，測量動態量表現為動態特性。

1.4.1靜態特性

傳感器的靜態特性主要由下列幾種性能來描述。

由圖可見，除(a)為理想特性外，其它都存在非線性，都應進行線性處理。

常用的方法有：理論直線法、端點線法、割線法、最小二乘法和計算程序法等。

2.靈敏度

靈敏度是傳感器在穩態下輸出增量與輸入增量的比值。

對于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態特性的斜率，如圖1-6(a)所示，其sn=y/x

yy

圖1-6傳感器的靈敏度

非線性傳感器的靈敏度是一個隨工作點而變的變量，如圖1-6(b)所示，其sn=dy/dx=df(x)/dx

3.重復性

重復性是傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致性的程度，如圖1-7

所示。

傳感器輸出特性的不重復性主要由傳感器的機械部分的磨損、間隙、松動，部件的內磨擦、積塵，

電路元件老化、工作點漂移等原因產生。

圖1-7傳感器的重復性

不重復性極限誤差由下式表：EZ=AMAX/yFS-100%

4.遲滯現象

傳感器在正向行程(輸入量增大)和反向行程(輸入量減小)期間，輸出-輸入特性曲線不一致的程

度，如圖1-8所示。

在行程環中同一輸入量xi對應的不同輸出量yi和yd的差值叫滯環誤差，最大滯環誤差與滿量程輸

出值的比值稱為大滯環率EMAX：EMAX=Am/yFS100%

5.分辨力

傳感器的分辨力是在規定測量范圍內所能檢測的輸入量的最小變化量。有時也用該值相

對滿量程輸入值的百分數表示。

6.穩定性

穩定性有短期穩定性和長期穩定性之分。

傳感器常用長期穩定性，指在室溫條件下，經過相當長的時間間隔，如一天、一月或一

年，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異。通常又用其不穩定度來表征穩定程度。

7.漂移

傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發生與輸入量無關的不需要的變化。

漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等。

零點漂移和靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移。

時間漂移是指在規定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化；

溫度漂移為環境溫度變化而引起的零點或靈敏度的變化。

1.4.2動態特性

在動態(快速變化)的輸入信號情況下，要求傳感器能迅速準確地響應和再現被測信號

的變化。也就是說，傳感器要有良好的動態特性。

最常用的是通過幾種特殊的輸入時間函數，例如階躍函數和正弦函數來研究其響應特

性，稱為階躍響應法和頻率響應法。

1.階躍響應特性

給傳感器輸入一個單位階躍函數信號：小，/八

(1)最大超調量%,

⑵延遲時間td

⑶上升時間tr

(4)峰值時間tp

⑸響應時間

2.頻率響應特性

給傳感器輸入各種頻率不同而幅值相同初相位為零的正弦信號，其輸出的正弦信號的幅

值和相位與頻率之間的關系，則為頻率響應曲線。

例子：下圖為一彈簧阻尼器組成的機械壓力傳感器，分析該傳感器的頻率響應。

圖1-10機械壓力傳感器

系統輸入量為作用力，令其與彈簧剛度成正比，尸⑺二心⑺

系統輸出量為彈簧形變產生的位移》⑺

根據牛頓第三定律，作用力與阻尼器磨擦力、彈簧力的反作用力相等，即士

式中：九=3=c旦Dfk=Ky(t)

at

可得一階機械壓力傳感器動態數學模型：c生。+妗")=依⑺

dt

左右兩邊取拉普拉斯變換，移項后可得系統的傳遞函數："(s)=-^=，

cs+k窩+1

式中：2=%為時間常數。S=jCO

可得頻率響應函數、幅頻特性、相頻特性分別為：”(/&)=--一

7(/0)+1

1

A(0)=

Jl+(W)2

①(o)=-arctg{(DT)

幅頻特性、相頻特性如圖1T1所示。由圖可見，時間常數T越小，頻率特性越好。時間

常數T很小時，幅頻特性為常數，相頻特性與頻率成線性關系。

在時間常數T很小時，輸出位移能真實地反應輸入作用力的變化規律，與作用力頻率無

關。

恤）

COT

（a）幅頻特性（b）相頻特性

圖LU一階傳感器的頻率特性

1.5傳感器的材料與制造

1.5傳感器的材料與制造

傳感器是利用材料的固有特性或開發的二次功能特性，再經過精細加工而成的。傳感器的材料和

制造是傳感器性能和質量的關鍵。

1.5.1傳感器的材料

1.半導體材料（1）單晶硅（2）多晶硅（3）非晶體硅（4）硅藍寶石（5）化合物半導體

2.陶瓷材料

3.石英材料

4.金屬氧化物及合金材料（1）ZnO薄膜（2）非晶態磁性合金材料（3）形狀記憶合金材料

5.無機材料

6.有機材料

7.生化材料

8.高分子敏感材料

9.合成材料

10.智能材料（1）能夠檢測并且可以識別外界或內部的刺激強度的感知功能；

?（2）能夠響應外界變化的驅動功能；

（3）能夠按照設定的方式選擇和控制響應；

?（4）反應比較靈敏、及時和恰當：

（5）當外部刺激消除后，能夠迅速恢復到原始狀態。

1.5.2傳感器制造技術

傳感器制造技術主要是微系統技術，也叫微機械加工技術。不僅微系統的部件是用微機械加工

制成，而且用這些部件組合成系統也是用微機械加工的。

1.部件及子系統加工

2.系統的集成包括底盤、組裝和連線加工

3.Z半導體敏感元件的加工

Z半導體元件輸出數字信號（準確地說是脈沖信號），無需前置放大和A/D轉換就可與計算

機直接通信，特別適合研制新一代三端數字傳感器。

1.6提高傳感器性能的方法

1.6提高傳感器性能的方法

1.6.1傳感器性能指標

決定傳感器性能的指標很多，要求一個傳感器具有全面良好的性能指標，不僅給設計、制造造成

困難，而且在實用上也沒有必要。

因此，應根據實際的需要與可能，在確保主要性能指標實現的基礎上，放寬對次要性能指標的要

求，以求得高的性能價格比。

1.6.2提高性能指標的方法

1.采用線性化技術

2.差動技術

3.平均技術

4.零位法、微差法和閉環技術

5.補償與校正技術

6.集成化和智能化

7.屏蔽、隔離和抑制干擾

8.穩定性處理

1.7傳感器的標定與校準

1.7傳感器的標定與校準

1.7.1標定與校準的方法

利用某種標準器具對新研制或生產的傳感器進行全面的技術檢定和標度，稱為標定

對傳感器在使用中或儲存后進行的性能復測，稱為校準。

標定和校準的基本方法是：利用標準儀器產生已知的非電量，輸入到待標定的傳感器中，然后將傳感

器輸出量與輸入的標準量作比較，獲得一系列校準數據或曲線。

1.7.2靜態標定

指輸入信號不隨時間變化的靜態標準條件下，對傳感器的靜態特性如靈敏度、非線性、滯后、重復性

等指標的檢定.

1.7.3動態標定

對被標定傳感器輸入標準激勵信號，測得輸出數據，做出輸出值與時間的關系曲線。

由輸出曲線與輸入標準激勵信號比較可以標定傳感器的動態響應時間常數、幅頻特性、相頻特性等。

2.1溫度測量概述

2.1溫度測量概述

溫度是表征物體冷熱程度的物理量。

溫度不能直接測量，而是借助于某種物體的某種物理參數隨溫度冷熱不同而明顯變化的特性進行間接

測量。

溫度的表示（或測量）須有溫度標準，即溫標。理論上的熱力學溫標，是當前世界通用的國際溫標。

熱力學溫標確定的溫度數值為熱力學溫度（符號為T）,單位為開爾文（符號為K）。

熱力學溫度是國際上公認的最基本溫度。我國目前實行的為國際攝氏溫度（符號為t）。兩種溫標的換

算公式為：

t（℃）=T（K）-273.15K

進行間接溫度測量使用的溫度傳感器，通常是由感溫元件部分和溫度顯示部分組成，如圖2-1所示。

t—?感溫元件溫度顯示

圖2-1溫度傳感器組成框圖

2.2熱電偶傳感器

2.2熱電偶傳感器

熱電偶在溫熹的測量中應用十分廣泛。它構造簡單，使用方便，測溫范圍寬，并且有較

高的精確度和穩定性。

2.2.1熱電偶測溫原理

1.熱電效應

如圖2-2所示，兩種不同材料的導體組成一個閉合回路時，若兩接點溫度不同，則在該

回路中會產生電動勢。這種現象稱為熱電效應，該電動勢稱為熱電勢。

T

圖2-2熱電效應

2.兩種導體的接觸電勢

設兩種金屬A、B的自由電子密度分別為nA和nB,且nA>nB。當兩種金屬相接時，將產生自由電子

的擴散現象。

達到動態平衡時，在A、B之間形成穩定的電位差，即接觸電勢eAB,如圖2-3所示。

?AB

圖2-3兩種導體的接觸電勢

3.單一導體的溫差電勢

對于單一導體，如果兩端溫度分別為T、TO,且T>TO,如圖2-4所示。

圖2-4單一導體溫差電勢

導體中的自由電子，在高溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴散，在導體兩端產生了

電勢，這個電勢稱為單一導體的溫差電勢。

勢電偶回路中產生的總熱電勢，由圖2-5可知：

EAB(T,TO)=eAB(T)+eB(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO)

或EAB(t,tO)=eAB(t)+eB(t,tO)-eAB(tO)-eA(t,tO)

式中：

EAB(T,TO):熱電偶回路中的總電動勢；

eAB(T):熱端接觸電勢；

eB(T,TO):B導體溫差電勢；

eAB(TO):冷端接觸電勢；

eA(T,TO):A導體溫差電勢。

?AB（T）

6AB

圖2-5接觸電勢示意圖

在總電勢中，溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的熱電勢可表示為：

EAB(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)

對于已選定的熱電偶，當參考端溫度TO恒定時，EAB(TO尸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：

?EAB(T,TO)=eAB(T)-c=f{T)

實際應用中，熱電勢與溫度之間的關系是通過熱電偶分度表來確定。

分度表是在參考端溫度為00C時，通過實驗建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數值

對應關系。

4.熱電偶的基本定律

(1)中間導體定律

在熱電偶回路中接入第三種導體，只要該導體兩端溫度相等，則熱電偶產生的總熱電勢

不變。

如圖2-6所示，可得回路總的熱電勢

EABC(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)=EAB(T,TO)

根據這個定律，我們可采取任何方式焊接導線，將熱電勢通過導線接至測量儀表進行測

量，且不影響測量精度。

?AB(T)

—I1

圖2-6中間導體定律示意圖

(2)中間溫度定律

在熱電偶測量回路中，測量端溫度為T,自由端溫度為TO,中間溫度為TO,,如圖2-7

所示。則T,TO熱電勢等于T,TO'與TO',TO熱電勢的代數和。即

EAB(T,TO)=EAB(T,TOz)+EAB(TO,,TO)

運用該定律可使測量距離加長，也可用于消除熱電偶自由端溫度變化影響。

圖2-7中間溫度定律示意圖

(3)參考電極定律(也稱組成定律)

如圖2-8所示。

已知熱電極A、B與參考電極C組成的熱電偶在結點溫度為(T,TO)時的熱電動勢分別為EAC(T,TO)、

EBC(T,TO),則相同溫度下，由A、B兩種熱電極配對后的熱電動勢EAB(T,TO)可按下面公式計算：

EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,TO)參考電極定律大大簡化了熱電偶選配電極的工作。

圖2-8參考電極定律示意圖

例2.1

當T為100℃,TO為0℃時，金各合金一伯熱電偶的E(100℃,0℃)=+3.13mV,鋁合金一的熱電偶E

(100℃,0℃)為-1.02mV,求金各合金一鋁合金組成熱電偶的熱電勢E(100℃,0℃)?

解：設谿合金為A,鋁合金為B,伯為C。

即EAC(100℃,0℃)=+3.13mV

EBC(100℃,0℃)=-1.02mV

則EAB(100℃,0℃尸+4.15mV

2.2.2熱電偶的結構形式及熱電偶材料

1.普通型熱電偶

普通型熱電偶一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成。普通型熱電偶按其安裝時的連接形

式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動法蘭連接、無固定裝置等多種形式。

如圖2-9所示：

1-熱電極2絕緣瓷管;3-保護管;4-接線座;5-接線柱;6-接線盒

圖2-9直形無固定裝置普通工業用熱電偶

2.鎧裝熱電偶(纜式熱電偶)

鎧裝熱電偶也稱纜式熱電偶，是將熱電偶絲與電熔氧化鎂絕緣物溶鑄在一起，外表再

套不銹鋼管等構成。

這種熱電偶耐高壓、反應時間短、堅固耐用。

如圖2-10所示：

^5^333

1-熱電極2絕緣材料;3.金屬套管;4-接線盒;5-固定裝置

圖2-10鎧裝熱電偶

3.薄膜熱電偶

用真空鍍膜技術或真空濺射等方法，將熱電偶材料沉積在絕緣片表面而構成的熱電偶

稱為薄膜熱電偶。

如圖2-11所示：

圖2-11薄膜熱電偶

4.熱電偶組成材料及分度表

為了準確可靠地進行溫度測量，必須對熱電偶組成材料嚴格選擇。

目前工業上常用的四種標準化熱電偶材料為:伯銘30—鉗錢6、伯健10一伯、鍥銘一鍥

硅、銀格一銅銀（我國通常稱為銀格一康銅）。

組成熱電偶的兩種材料寫在前面的為正極，后面的為負極。

熱電偶的熱電動勢與溫度之關系表，稱之為分度表。

2.2.3熱電偶測溫及參考端溫度補償

1.熱電偶測溫基本電路

如圖2-12所示，

圖（a）表示了測量某點溫度連接示意圖。

圖（b）表示兩個熱電偶并聯測量兩點平均溫度。圖（c）為兩熱電偶正向串聯測兩點溫

度之和。

圖（d）為兩熱電偶反向串聯測量兩點溫差。

熱電偶串、并聯測溫時，應注意兩點：第一，必須應用同一分度號的熱電偶；

第二，兩熱電偶的參考端溫度應相等。

圖2-12常用的熱電偶測溫電路示意圖

2.熱電偶參考端的補償

熱電偶分度表給出的熱電勢值的條件是參考端溫度為0℃。如果用熱電偶測溫時自由端

溫度不為0℃,必然產生測量誤差。應對熱電偶自由端(參考端)溫度進行補償。

例如：用K型(鍥銘-銀硅)熱電偶測爐溫時，參考端溫度tO=3OC,

由分度表可查得E(30℃,0℃)=1.203mv,

若測爐溫時測得E(t,30℃)=28.344mv,

則可計算得

E(t,0℃)=E(t,30℃+E(30℃,0℃)=29.547mv

由29.547mv再查分度表得t=710℃,是爐溫。

2.3金屬熱電阻傳感器

2.3金屬熱電阻傳感器

金屬熱電阻傳感器一般稱作熱電阻傳感器，是利用金屬導體的電阻值隨溫度的變化而變化的原理

進行測溫的。

金屬熱電阻的主要材料是伯和銅。

熱電阻廣泛用來測量-220?+850℃范圍內的溫度，少數情況下，低溫可測量至1K(-272℃),高

溫可測量至1000℃?

最基本的熱電阻傳感器由熱電阻、連接導線及顯示儀表組成，如圖2-14所示。

顯示

儀表

圖2-14金屬熱電阻傳感器測量示意圖

2.3.1熱電阻的溫度特性

熱電阻的溫度特性，是指熱電阻Rt隨溫度變化而變化的特性。

1.伯熱電阻的電阻一溫度特性

?伯電阻的特點是測溫精度高，穩定性好，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應用。伯電阻的應用

范圍為-200?+850°C。

?伯電阻的電阻一溫度特性方程，在-200?0℃的溫度范圍內為：Rt=RO[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]

?在0?+850℃的溫度范圍內為：Rt=RO(l+At+Bt2)

2.銅熱電阻的電阻溫度特性

?由于伯是貴金屬，在測量精度要求不高，溫度范圍在-50?+150℃時普遍采用銅電阻。銅電阻

與溫度間的關系為:Rt=R0(l+alt+a2t2+a3t3)

?由于a2、a3比al小得多，所以可以簡化為Rt=?R0(l+aIt)

?2.3.2熱電阻傳感器的結構

?熱電阻傳感器由電阻體、絕緣管、保護套管、引線和接線盒等組成，如圖2-15所示。

圖2-15熱電阻結構

2.4集成溫度傳感器

2.4集成溫度傳感器

集成溫度傳感器具有體積小、線性好、反應靈敏等優點，所以應用十分廣泛。

集成溫度傳感器是把感溫元件(常為PN結)與有關的電子線路集成在很小的硅片上封裝而成。

由于PN結不能耐高溫，所以集成溫度傳感器通常測量150℃以下的溫度。

集成溫度傳感器按輸出量不同可分為：電流型、電壓型和頻率型三大類。

2.4.1集成溫度傳感器基本工作原理

圖2-16為集成溫度傳感器原理示意圖。

其中VI、V2為差分對管，由恒流源提供的II、12分別為VI、V2的集電極電流，則AUbe為:

.KT/,

TT——ln（U/）

qh

只要11/12為一恒定值，則AUbe與溫度T為單值線性函數關系。這就是集成溫度傳感器的基本

工作原理。

2.4.2電壓輸出型集成溫度傳感器

圖2-17所示電路為電壓輸出型溫度傳感器。VI、V2為差分對管，調節電阻R1,可使11=12,

當對管VI、V2的B值大小等于1時，電路輸出電壓U0為：==組比七

.—r/H.U°&KT

由此可得：△(/加=—=——In/

&q

Rl、R2不變則U0與T成線性關系。若Rl=940Q,R2=30KQ,/=37,則電路輸出溫度系數為

10mV/Ko

圖2-17電壓輸出型原理電路圖

2.4.3電流輸出型集成溫度傳感器

如圖2-18所示：

對管VI、V2作為恒流源負載，V3、V4作為感溫元件，V3、V4發射結面積之比為Y，此時電流

源總電流IT為：11=2人=生％=絲口勺

1RqR

當R、Y為恒定量時,IT與T成線性關系。若R=358Q,丫=8,則電路輸出溫度系數為1uA/K。

圖2-18電流輸出型原理電路圖

2.5半導體熱敏電阻

2.5半導體熱敏電阻

半導體熱敏電阻簡稱熱敏電阻，是一種新型的半導體測溫元件。

熱敏電阻是利用某些金屬氧化物或單晶褚、硅等材料，按特定工藝制成的感溫元件。熱敏電阻可分

為三種類型，即：

正溫度系數（PTC）熱敏電阻

負溫度系數（NTC）熱敏電阻

在某一特定溫度下電阻值會發生突變的臨界溫度電阻器（CTR）。

2.5.1熱敏電阻的（Rt—t）特性

1-突變型NTC；2-負指數型NTC；3-線性型PTC；4-突變型PTC

圖2-19各種熱敏電阻的特性曲線

結論：

（1）熱敏電阻的溫度系數值遠大于金屬熱電阻，所以靈敏度很高。

（2）同溫度情況下，熱敏電阻阻值遠大于金屬熱電阻。所以連接導線電阻的影響極小，適用于遠距離

測量。

（3）熱敏電阻Rt—t曲線非線性十分嚴重，所以其測量溫度范圍遠小于金屬熱電阻。

2.5.2熱敏電阻溫度測量非線性修正

由于熱敏電阻Rt—t曲線非線性嚴重，為保證一定范圍內溫度測量的精度要求，應進行非線性修正。

（1）線性化網絡

利用包含有熱敏電阻的電阻網絡（常稱線性化網絡）來代替單個的熱敏電阻，使網絡電阻RT與

溫度成單值線性關系。其一般形式如圖2-20所示。

圖2-20線性化網絡

（2）利用電阻測量裝置中其它部件的特性進行綜合修正。

圖2-21是一個溫度-頻率轉換電路，

雖然電容C的充電特性是非線性特性，但適當地選取線路中的電阻r和R,可以在一定的溫度范

圍內，得到近于線性的溫度-頻率轉換特性。

圖2-21溫度-頻率轉換器原理圖

(3)計算修正法

在帶有微處理機(或微計算機)的測量系統中，當已知熱敏電阻器的實際特性和要求的理想特性

時，可采用線性插值法將特性分段，并把各分段點的值存放在計算機的存貯器內。計算機將根據熱

敏電阻器的實際輸出值進行校正計算后，給出要求的輸出值。

2.6負溫度系數熱敏電阻

2.6負溫度系數熱敏電阻

2.6.1負溫度系數熱敏電阻性能

負溫度系數(NTC)熱敏電阻是一種氧化物的復合燒結體，其電阻值隨溫度的增加而減小。

其特點是：(1)電阻溫度系數大，約為金屬熱電阻的10倍。

(2)結構簡單、體積小，可測點溫。

(3)電阻率高，熱慣性小，適用于動態測量。

(4)易于維護和進行遠距離控制。

(5)制造簡單、使用壽命長。

(6)互換性差，非線性嚴重。

=)=…-1二極管形破/封狀

圖2-22負溫度系數(NTC)熱敏電阻結構

2.6.2負溫度系數熱敏電阻溫度方程

熱敏電阻值RT和R0與溫度TT和TO的關系為：RT=

2.6.3負溫度系數熱敏電阻主要特性

(1)標稱阻值

廠家通常將熱敏電阻25℃時的零功率電阻值作為R0,稱為額定電阻值或標稱阻值，記作R25,85℃

時的電阻值R85作為RT。標稱阻值常在熱敏電阻上標出。R85也由廠家給出。

(2)B值

將熱敏電阻25℃時的零功率電阻值R0和85℃時的零功率電阻值RT,以及25℃和85℃的絕對溫度TO

=298K和TT=358K代入負溫度系數熱敏電阻溫度方程，可得：B=17781n公

區85

B值稱為熱敏電阻常數，是表征負溫度系數熱敏電阻熱靈敏度的量。

B值越大，負溫度系數熱敏電阻的熱靈敏度越高。

(3)電阻溫度系數。

熱敏電阻在其自身溫度變化1℃可知：

①熱敏電阻的溫度系數為負值。

②溫度減小，電阻溫度系數。增大。

在低溫時，負溫度系數熱敏電阻的溫度系數比金屬熱電阻絲高得多，故常用于低溫測量(-100?

300℃)?時，電阻值的相對變化量稱為熱敏電阻的電阻溫度系數。。＜7=一條

(4)額定功率

額定功率是指負溫度系數熱敏電阻在環境溫度為25℃,相對濕度為45?80%。大氣壓為0.87?1.07bar

的條件下，長期連續負荷所允許的耗散功率。

(5)耗散系數8

耗散系數6是負溫度系數熱敏電阻流過電流消耗的熱功率(W)與自身溫升值(T—T0)之比，單位

W

為WC-1。3=-----

f

(6)熱時間常數T

負溫度系數熱敏電阻在零功率條件下放入環境溫度中，不可能立即變為與環境溫度同溫度。

熱敏電阻本身的溫度在放入環境溫度之前的初始值和達到與環境溫度同溫度的最終值之間改變

63.2%所需的時間叫做：熱時間常數，用T表示.

2.7溫度傳感器應用實例

2.7溫度傳感器應用實例

2.7.1雙金屬溫度傳感器的應用

1.雙金屬溫度傳感器室溫測量的應用

雙金屬溫度傳感器結構簡單，價格便宜，刻度清晰，使用方便，耐振動。

常用于駕駛室、船艙，糧倉等室內溫度測量。

圖2-23為盤旋形雙金屬溫度計。

圖2-23盤旋形雙金屬溫度計

2.雙金屬溫度傳感器在電冰箱中的應用

電冰箱壓縮機溫度保護繼電器內部的感溫元件是一片碟形的雙金屬片，如圖2-24所示。

在雙金屬片上固定著兩個動觸頭。在碟形雙金屬片的下面還安放著一根電熱絲。該電熱絲與這兩個常

閉觸點串聯連接。

壓縮機電機中的電流過大時，這一大電流流過電熱絲后，使它很快發熱，放出的熱量使碟形雙金屬片

溫度迅速升高到它的動作溫度，碟形雙金屬片翻轉，帶動常閉觸點斷開，切斷壓縮機電機的電源，保護

全封閉式壓縮機不至于損環。

(a)外形

碟形雙金屬片

觸點2

觸點1

金屬板2

金屬板

_熱絲1

(接電動機)鎖緊螺母」寸金屬板3

調節螺釘

(接電源線)

(c)工作正常，觸點閉合(d)工作異常，觸點斷開

圖2-24碟形雙金屬溫度傳感器工作過程

2.7.2熱敏電阻溫度傳感器的應用

1.熱敏電阻在汽車水箱溫度測量中的應用

圖2-25所示為汽車水箱水溫監測電路。其中Rt為負溫度系數熱敏電阻。

2.熱敏電阻在空調器控制電路中的應用

春蘭牌KFR-20GW型冷熱雙向空調中熱敏電阻的應用,如圖2-26所示。

Rzi16+12V

3925

3834

37事43

52

6061

IC26170

36—89

+5V

16

75028

25

26

圖2-26熱敏電阻在空調控制電路中的應用

2.7.3晶體管溫度傳感器的應用

1.熱敏二極管溫度傳感器應用舉例

半導體二極管正向電壓與溫度的關系如圖2-27所示。可將溫度轉換成電壓，完成溫度傳

感器的功能。

800

600

400

200

O

-40O4080

漏度(。

圖2-27二極管正向電壓一溫度特性曲線

圖2-28是采用硅二極管溫度傳感器的測量電路，其輸出端電壓值隨溫度而變化。溫度每

變化1℃,輸出電壓變化量為0.1V。

2.熱電偶參考端的補償

熱電偶分度表給出的熱電勢值的條件是參考端溫度為0℃。如果用熱電偶測溫時自由端

溫度不為0C,必然產生測量誤差。應對熱電偶自由端(參考端)溫度進行補償。

例如：用K型(鍥格-鎮硅)熱電偶測爐溫時，參考端溫度t0=30℃,

由分度表可查得E(30℃,0℃尸L203mv,

若測爐溫時測得E(t,30℃)=28.344mv,

則可計算得

E(t,0℃)=E(t,30℃+E(30℃,0℃)=29,547mv

由29.547mv再查分度表得t=710℃,是爐溫。

2.3金屬熱電阻傳感器

2.3金屬熱電阻傳感器

金屬熱電阻傳感器一般稱作熱電阻傳感器，是利用金屬導體的電阻值隨溫度的變化

而變化的原理進行測溫的。

金屬熱電阻的主要材料是粕和銅。

熱電阻廣泛用來測量-220?+850C范圍內的溫度，少數情況下，低溫可測量至1K

(-272C),高溫可測量至1000C。

最基本的熱電阻傳感器由熱電阻、連接導線及顯示儀表組成，如圖2-14所示。

X顯示

Rt儀表

T

圖2-14金屬熱電阻傳感器測量示意圖

2.3.1熱電阻的溫度特性

熱電阻的溫度特性，是指熱電阻Rt隨溫度變化而變化的特性。

1.伯熱電阻的電阻一溫度特性

銷電阻的特點是測溫精度高，穩定性好，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應用。伯

電阻的應用范圍為-200?+850C。

粕電阻的電阻一溫度特性方程，在-200?0°C的溫度范圍內為：

Rt=RO[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]

在0?+850℃的溫度范圍內為：Rt=RO(l+At+Bt2)

2.銅熱電阻的電阻溫度特性

由于鉗是貴金屬，在測量精度要求不高，溫度范圍在-50?+150C時普遍采用銅電阻。

銅電阻與溫度間的關系為：Rt=R0(l+alt+a2t2+a3t3)

由于a2、a3比al小得多，所以可以簡化為Rt七R0(l+aIt)

2.3.2熱電阻傳感器的結構

熱電阻傳感器由電阻體、絕緣管、保護套管、引線和接線盒等組成，如圖2-15所示。

安裝固定件

電阻體不銹鋼套管

接線盒

瓷絕緣套管

芯柱嘉

電阻絲保護膜引線端

(b)

圖2-15熱電阻結構

2.4集成溫度傳感器

2.4集成溫度傳感器

集成溫度傳感器具有體積小、線性好、反應靈敏等優點，所以應用十分廣泛。

集成溫度傳感器是把感溫元件(常為PN結)與有關的電子線路集成在很小的硅片上封

裝而成。

由于PN結不能耐高溫，所以集成溫度傳感器通常測量150c以下的溫度。

集成溫度傳感器按輸出量不同可分為：電流型、電壓型和頻率型三大類。

2.4.1集成溫度傳感器基本工作原理

圖2-16為集成溫度傳感器原理示意圖。

其中VI、V2為差分對管，由恒流源提供的II、12分別為VI、V2的集電極電流，則

△Ube為：只要11/12為一恒定值，則aube與溫度T為單值線性函數關系。

這就是集成溫度傳感器的基本工作原理。

圖2-16集成2.4.2電壓輸出型集成溫度傳感器

圖2-17所示電路為電壓輸出型溫度傳感器。VI、V2為差分對管，調節電阻R1,可使11=12,

當對管VI、V2的B值大于等于1時，電路輸出電壓UO為：

溫度傳感器基本原理圖由此可得：=，2凡=A%6

l

由此可得：MJhe=^=—\ny

為q

Rl、R2不變則U0與T成線性關系。若Rl=940Q,R2=30KQ,y=37,則電路輸出溫度系數為

lOmV/Ko

圖2-17電壓輸出型原理電路圖

2.4.3電流輸出型集成溫度傳感器

如圖2-18所示：

對管VI、V2作為恒流源負載，V3、V4作為感溫元件，V3、V4發射結面積之比為丫，此時電

流源總電流IT為：/7=2/1=竺%=也足/

'RqR

當R、Y為恒定量時,IT與T成線性關系。若R=358Q,丫=8,則電路輸出溫度系數為1uA/K。

2.5半導體熱敏電阻

2.5半導體熱敏電阻

半導體熱敏電阻簡稱熱敏電阻，是一種新型的半導體測溫元件。

熱敏電阻是利用某些金屬氧化物或單晶楮、硅等材料，按特定工藝制成的感溫元件。

熱敏電阻可分為三種類型，即：正溫度系數（PTC）熱敏電阻，溫度系數（NTC）熱敏電阻

在某一特定溫度下電阻值會發生突變的臨界溫度電阻器（CTR）o

2.5.1熱敏電阻的（Rt—t）特性

1-突變型NTC；2-負指數型NTC；3-線性型PTC；4-突變型PTC

圖2-19各種熱敏電阻的特性曲線

結論：(1)熱敏電阻的溫度系數值遠大于金屬熱電阻，所以靈敏度很高。

(2)同溫度情況下，熱敏電阻阻值遠大于金屬熱電阻。所以連接導線電阻的影響極

小，適用于遠距離測量。

(3)熱敏電阻Rt—t曲線非線性十分嚴重，所以其測量溫度范圍遠小于金屬

2.5.2熱敏電阻溫度測量非線性修正

由于熱敏電阻Rt—t曲線非線性嚴重，為保證一定范圍內溫度測量的精度要求，應

進行非線性修正。

(1)線性化網絡

利用包含有熱敏電阻的電阻網絡(常稱線性化網絡)來代替單個的熱敏電阻，使網

絡電阻RT與溫度成單值線性關系。

其一般形式如圖2-20所示。

圖2-20線性化網絡

?：?（2）利用電阻測量裝置中其它部件的特性進行綜合修正。

圖2-21是一個溫度-頻率轉換電路，

雖然電容C的充電特性是非線性特性，但適當地選取線路中的電阻r和R,

可以在一定的溫度范圍內，得到近于線性的溫度-頻率轉換特性。

圖2-21溫度-頻率轉換器原理圖

(3)計算修正法

在帶有微處理機(或微計算機)的測量系統中，當已知熱敏電阻器的實際特性和要求

的理想特性時，可采用線性插值法將特性分段，并把各分段點的值存放在計算機的存

貯器內。計算機將根據熱敏電阻器的實際輸出值進行校正計算后，給出要求的輸出值。

2.6負溫度系數熱敏電阻

2.6負溫度系數熱敏電阻

2.6.1負溫度系數熱敏電阻性能

負溫度系數(NTC)熱敏電阻是一種氧化物的復合燒結體，其電阻值隨溫度的增加而減

小。

其特點是：(1)電阻溫度系數大，約為金屬熱電阻的10倍。

(2)結構簡單、體積小，可測點溫。

(3)電阻率高，熱慣性小，適用于動態測量。

(4)易于維護和進行遠距離控制。

(5)制造簡單、使用壽命長。

(6)互換性差，非線性嚴重。

松葉狀珠狀

圖2-22負溫度系數(NTC)熱敏電阻結構

2.6.2負溫度系數熱敏電阻溫度方程

熱敏電阻值RT和R0與溫度TT和T0的關系為：肉=

2.6.3負溫度系數熱敏電阻主要特性

(1)標稱阻值

廠家通常將熱敏電阻25℃時的零功率電阻值作為R0,稱為額定電阻值或標稱阻值，記

作R25,85c時的電阻值R85作為RT。標稱阻值常在熱敏電阻上標出。R85也由廠家給

出。

(2)B值

熱敏電阻25℃時的零功率電阻值R0和85℃時的零功率電阻值RT,以及25℃和85℃的

絕對溫度T0=298K和TT=358K代入負溫度系數熱敏電阻溫度方程，可得：B=17781n^i

%5

B值稱為熱敏電阻常數，是表征負溫度系數熱敏電阻熱靈敏度的量。

B值越大，負溫度系數熱敏電阻的熱靈敏度越高。

(3)電阻溫L度系數。

熱電阻在其自身溫度變化1C時，電阻值的相對變化量稱為熱敏電阻的電阻溫度系數

可知：

①熱敏電阻的溫度系數為負值。

②溫度減小，電阻溫度系數。增大。

在低溫時，負溫度系數熱敏電阻的溫度系數比金屬熱電阻絲高得多，故常用于低溫測量

(-100-300℃)o

(4)額定功率

額定功率是指負溫度系數熱敏電阻在環境溫度為25℃,相對濕度為45?80%。大氣壓

為0.87~1.07bar的條件下，長期連續負荷所允許的耗散功率。

(5)耗散系數3

耗散系數6是負溫度系數熱敏電阻流過電流消耗的熱功率(W)與自身溫升值(T-T0)

W

之比，單位為w℃—l。3^——

T-T0

(6)熱時間常數T

負溫度系數熱敏電阻在零功率條件下放入環境溫度中，不可能立即變為與環境溫度同

溫度O

熱敏電阻本身的溫度在放入環境溫度之前的初始值和達到與環境溫度同溫度的最終值

之間改變63.2%所需的時間叫做：

熱時間常數，用T表示。

2.7溫度傳感器應用實例

2.7溫度傳感器應用實例

2.7.1雙金屬溫度傳感器的應用

1屬溫度傳感器室溫測量的應用

雙金屬溫度傳感器結構簡單，價格便宜，刻度清晰，使用方便，耐振動。

常用于駕駛室、船艙，糧倉等室內溫度測量。

圖2-23為盤旋形雙金屬溫度計。

圖2-23盤旋形雙金屬溫度計

2.雙金屬溫度傳感器在電冰箱中的應用

一電冰箱壓縮機溫度保護繼電器內部的感溫元件是一片碟形的雙金屬片，如圖2-24所

zj\0

在雙金屬片上固定著兩個動觸頭。在碟形雙金屬片的下面還安放著一根電熱絲。該

電熱絲與這兩個常閉觸點串聯連接。

壓縮機電機中的電流過大時，這一大電流流過電熱絲后，使它很快發熱，放出的熱

量使碟形雙金屬片溫度迅速升高到它的動作溫度，碟形雙金屬片翻轉，帶動常閉觸點

斷開，切斷壓縮機電機的電源，保護全封閉式壓縮機不至于損環。

(a)外形

碟形雙金屬片

(接電動機)鎖緊螺母書由金屬板3

調節螺寸L.______

(接電源線)

(c)工作正常，觸點閉合(d)工作異常，觸點斷開

圖2-24碟形雙金屬溫度傳感器工作過程

2.7.2