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第 7 章 热电式传感器 温度 电信号（电阻、电压、电流等）

第 7 章 热电式传感器 温度 电信号（电阻、电压、电流等）. 热电阻 热电式传感器 PN 结型热电式传感器 热电偶. 7.1 热电阻. 温度 t 电阻 R t 热电阻：  金属热电阻（铂热阻、铜热阻等）  半导体热敏电阻（ PTC 、 NTC 、 CTR ）. 7.1.1 金属热电阻. 7.1.1.1 原理、结构和材料 原理：电阻 - 温度效应 — 大多数金属导体的电阻都随温度而变化。电阻 - 温度特性方程：

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第 7 章 热电式传感器 温度 电信号（电阻、电压、电流等）

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  1. 第7章 热电式传感器温度 电信号（电阻、电压、电流等） 热电阻 热电式传感器 PN结型热电式传感器 热电偶

  2. 7.1 热电阻 温度t 电阻Rt • 热电阻： 金属热电阻（铂热阻、铜热阻等） 半导体热敏电阻（PTC、NTC、CTR）

  3. 7.1.1 金属热电阻 7.1.1.1 原理、结构和材料 • 原理：电阻-温度效应—大多数金属导体的电阻都随温度而变化。电阻-温度特性方程： Rt=R0 (1 + t +t2 + … ) （7-1） • 热电阻感温元件—纯金属材料，其性能要求： 大则灵敏度高； 理化性能稳定； 恒定，以保证线性关系； 大，体积尺寸小； 复现性好。

  4. 7.1.1 金属热电阻 1．铂热电阻（WZP） 结构材料：φ0.02～0.07mm Pt丝绕在云母等绝缘骨架上（无感绕制），装入保护套管，接出引线；或箔式结构；薄膜式结构。 ＝0.0981×106·m ； 图7-1 铂热电阻的结构

  5. 7.1.1 金属热电阻 测温范围和应用： －259.34～630.74℃； 温度基准、标准用。 百度电阻比：W(100)—纯度； W(100)＝R100 / R0  基准铂热电阻：W(100)≥1.39256， 纯度99.9995％； 精度：0.001℃～0.0001℃  工业用标准热电阻：W(100)≥1.391， 精度：200℃～0℃，1℃； 0℃～100℃，0.5℃； 100℃～650℃，(0.5％)t

  6. 7.1.1 金属热电阻 电阻—温度关系： Rt=R0 (1+At+Bt2 ) 0℃≤t≤650℃ Rt=R0 (1+At+Bt2 +C(t100)t3 ) 200℃≤t≤0℃ 其中A、B、C与W(100)有关，见附表7-1。 在测温范围不大时，基本线性。 分度号： Pt100， （R0=100）； Pt50， （R0=50）； Pt1000，（R0=1000）； 等。 分度表：见附表7-1。

  7. 7.1.1 金属热电阻 2.铜热电阻（WZC） 结构材料：Cu丝绕制，＝(4.25～4.28) ×10-3 / ℃ ＝ 0.017×10-6·m； 测温范围和应用：50℃～100℃，工业用温度计； 百度电阻比：W(100)≥1.425， 精度：50℃～50℃，0.5℃， 50℃～100℃，(1％)t 电阻－温度特性：Rt=R0 (1 + t )，在测温范围内线性。 分度号：Cu100，Cu50，等。 分度表：见附表7-2 另外，铁、镍材料也可制作热电阻温度计。

  8. 7.1.1 金属热电阻 7.1.1.2 热电阻测量线路 直流电桥线路，主要考虑其引线电阻和接触电阻影响，常采用三线接法和四线接法。如图7-2、图7-3所示。 其次考虑工作电流的热效应影响，工作电流<10mA。 图7－2 热电阻测温电桥的三线连接法

  9. 7.1.1 金属热电阻 图7-3 热电阻测温电桥的四线连接法

  10. 7.1.1 金属热电阻 7.1.1.3 热电阻的应用 1．铂热电阻测温 恒压工作的铂热电阻测温电路如图7-4（a）所示。 热电阻选用TRRA1023B(Pt1000)，R0＝1000； 传感器工作电压UB＝10V＋e1。 测温电桥输出： 可得10mV/℃的电压灵敏度。 ；

  11. 7.1.1 金属热电阻 图7－4 恒压工作铂 热电阻测温电路 （a）测温电路； （b）直流/交流变换器电路

  12. 7.1.1 金属热电阻 恒流工作的铂热电阻测温电路如图7-5所示。传感器的工作电流约为1mA，此时传感器的灵敏度约为3mV/℃，一般运放都可选用。 图7-5恒流工作铂 热电阻测温电路

  13. 7.1.1 金属热电阻 2．热电阻数字温度计 热电阻数字温度计测温电路如图7-7所示。测温电桥输出信号经MAX138A/D转换，数字显示。 MAX138A/D转换器与ICL7106比较，增加了如下功能： 片内设置有负电源转换器，因此可以单电源供电； 工作电源电压范围宽（2.5~7V）； 片内设置有振荡电路。 图7-7 热电阻数字温度计电路

  14. 7.1.1 金属热电阻 • 差动输出传感器信号适宜与MAX138等A/D转换连接，实现 数字测量。MAX138、ICL7106、ICL7107等A/D转换器的转 换精度是三位半，与二进制 10位A/D转换器的转换精 度相当。 线性化测温电路如图 7-10所示。 图7-10 线性化测温电路

  15. 7.1.1 金属热电阻 3．A/D转换器比例工作的热电阻温度测量电路 测温电路如图7-11、图7-12所示。 图7-11 A/D转换比例工作电路 图7-12 铂电阻A/D转换测温电路

  16. 7.1.2 半导体热敏电阻 热敏电阻的类型： PTC，温度控制，限流元件； NTC，温度测量，补偿元件； CTR，温度开关元件。 热敏电阻温度曲线如图7-13所示。 图7-13 热敏电阻特性曲线

  17. T0＝20℃(＝293K) R0=R20 (额定电阻)； T1＝T＝100℃R1＝R100 ； 7.1.2 半导体热敏电阻 7.1.2.1 热敏电阻主要特性(NTC热敏电阻) 1．电阻－温度特性 若： 图7-14 NTC热敏电阻温度特性 ＝(2000～6000)K B—热敏电阻常数。 热敏电阻温度系数： 若B＝4000K，T＝323K(50℃)，则＝3.8％/℃，大！

  18. 7.1.2 半导体热敏电阻 2.伏-安特性 在稳态下，通过热敏电阻的电流I与其两端之间的电压U的 关系，称为热敏电阻的伏-安特性。如图7-15所示。 当电流很小时，不足以使热敏电阻产生温升，则其电阻 值只决定于环境温度，伏-安特性 呈线性，遵循欧姆定律，主要用 于测温。 当电流增大到一定值时， 使热敏电阻产生温升，会出 现负阻特性。 图7-15 热敏电阻伏安特性

  19. 7.1.2 半导体热敏电阻 3．安-时特性 热敏电阻的电流-时间曲线如图7-16所示，表示热敏电阻 在不同的外加电压下，电流达到稳定最大值所需要时间。 这是一热平衡过程，一般为0.5～1s。 图7-16 热敏电阻安-时特性

  20. 7.1.2 半导体热敏电阻 7.1.2.2 热敏电阻的主要技术参数 1．标称电阻值RH，(25±0.2℃)时的电阻值，又称冷电阻。 2．电阻温度系数，温度变化1℃时，热敏电阻阻值的变化 率（％/℃）。 3．耗散系数H，热敏电阻温度与周围介质温度相差1℃时所 耗散的功率(W/℃)。 4．热容c，热敏电阻温度变化1℃时所需吸收或释放的热量 （J/℃）。 5．能量灵敏度G＝(H/)×100，使热敏电阻的阻值变化1% 时所需耗散的功率(W)。 6．时间常数＝cH，温度为T0的热敏电阻突然置于温度为T 的介质中，热敏电阻的温度增量T=0.632(TT0)时所需的时间 (s)。

  21. 7.1.2 半导体热敏电阻 7.1.2.3 热敏电阻的应用 热敏电阻的优点：温度系数大，灵敏度高；热容量小， 响应快，分辨率高；价格便宜等。缺点：互换性差，热电 特性非线性大等。主要用于温度的测量、控制，温度补 偿，流速（或流量）测量等。 1.流量测量 基于流体流速（流量）与散热 关系，利用热敏电阻桥式电路测 流体流速（或流量），如图7-17 所示。 图7-17 热敏电阻流量计

  22. 7.1.2 半导体热敏电阻 2.温度控制 利用热敏电阻的温度控制电路如图7-18所示。 图7-18 温度控制电路

  23. 7.1.2 半导体热敏电阻 3．温度上、下限报警 热敏电阻温度上、下限报警电路如图7-19所示。 图7-19 温度上下限报警电路

  24. 7.1.2 半导体热敏电阻 4．温度测量 图7-20是利用NTC热敏电阻组成的0~100℃的测温电 路，相应的输出电压为0~5V，其灵敏度为50mV/℃。 图7-20 温度测量电路 5．热电偶温度冷端补偿 后面介绍。

  25. 7.2 p－n结型温度传感器 7.2.1 二极管温度传感器(恒流正向应用) PN结伏安特性： 则 式中，I—PN结正向电流；U—PN结正向压降；Is—PN结反向饱和电流；q—电子电量（1.61019C）；T—绝对温度；k—玻尔兹曼常数（1.3810-23J/K）。 保持I恒定，则U与T成线性关系，这就是PN结的测温原理，其灵敏度

  26. 7.2 p－n结型温度传感器 7.2.2 晶体管温度传感器 将NPN型晶体管的bc结短接，利用be结作为感温器件， 接近PN结理想特性，如图7-21所示—测温原理。 图7-21 晶体管温度传感器

  27. 7.2 p－n结型温度传感器 7.2.3 集成温度传感器 一只晶体管发射极电流密度Je 通常a1，JeJs，则 若图7-22中，Js1＝Js2, a1＝a2，则图中 图7-22 集成温度感温点电路 只要Je1，Je2（I1，I2）均为恒流，则Ube与T成线性关系—测温原理。

  28. 7.2 p－n结型温度传感器 集成温度传感器主要类型： 电压型，三线制，ku＝10mV/℃， LM34/35，LM135/235，…； 电流型，两线制，kI＝1A/K， AD590/592，LM134/234，…； 数字输出型，TMP03/04，AD7416, …； 电阻可编程温度控制器，AD22105，TMP01，…； 等。

  29. 7.2 p－n结型温度传感器 AD590电流型集成温度传感器（图7-23） 测温原理： 晶体管对T3T4使IT分为I1=I2，起恒流作用；T1, T2起感温 作用； T1由8只与T2相同的晶体 管并联而成，因此，T2中的电流 密度J2为T1中的电流密度J1的8 倍，即 J2＝8J1 图7-23 输出电流正比于绝对温度的AD590温度敏感电路

  30. 7.2 p－n结型温度传感器 Ube1和Ube2反极性串接施加在电阻R上，则R上电压为： 通过R的电流 ，IT ＝2I1，若取R＝358，则 kT＝IT/T＝2×179/358＝1(A/K) 所以 IT＝kT·T

  31. 7.2 p－n结型温度传感器 AD590的特性： 1）伏安特性 当U=4～30V时，理想恒流源，电流只随温度T变化； 2）温度特性 55℃～150℃，IT与T有较好的线性，输出电流灵敏度kI ＝1A/K；非线性误差为T＝(0.3～3)℃； 3）精度：可达0.5℃ 图7-24 AD590基本特性曲线

  32. 7.2 p－n结型温度传感器 7.2.4 集成温度传感器的典型应用 1．测量温度 AD590远程温度测量 如图7-25所示。 图7-25 AD590摄氏温度测量电路

  33. 7.2 p－n结型温度传感器 数字温度计 如图7-26所示。 图7-26 XSW-1型数字温度计

  34. 7.2 p－n结型温度传感器 2.测量温差 如图7-27所示。 I=IT1IT2＝kT( T1T2)； U0＝IR3＝kTR3(T1T2)＝f( T1T2 ) 图7-27 AD590温差测量电路

  35. 7.2 p－n结型温度传感器 3．测最低温度 AD590串连，如图7-28所示； 4．测平均温度 AD590并连，如图7-28所示。 图7－28 AD590测最低温度、平均温度

  36. 7.2 p－n结型温度传感器 5.温度控制 AD590作为温度控制的感温元件，如图7-29所示 图7-29 AD590温度控制系统

  37. 7.3 热电偶 7.3.1 热电偶的工作原理 热电效应：将两种不同的导体（金属或合金）A和B组成 一个闭合回路（称为热电偶，见图7-30 ），若两接触点温度 (T,T0)不同，则回路中有一定大小电流，表明回路中有电势 产生，该现象称为热电动势效应或塞贝克(Seebeck)效应。回 路中的电势称为热电势或塞贝克电势，用EAB(T ,T0)或 EAB(t, t0)表示。 EAB(T ,T0)= EAB(t, t0) 热电效应 热电势EAB(T,T0)或EAB(t , t0) 热电偶： 热电极（导体A、B）； 测量端（热端或工作端）T(t)； 参考端（冷端或自由端）T0(t0)。 图7-30 热电效应

  38. 7.3.1热电偶的工作原理 1．Peltier效应——接触电势 自由电子密度不同的两种金属接触处，由于电子的扩散 现象在接触点处形成接触电势或Peltier电势，此现象称为 Peltier效应。接触电势为 总接触电势： 图7-31 热电效应示意图

  39. 7.3.1热电偶的工作原理 2．Thomson效应——温差电势 均质导体，两端温度不相等时，由于体内自由电子从高 温端向低温端的扩散，在其两端形成的电势称为温差电势 或Thomson电势，此现象称为Thomson效应。 导体A中的Thomson电势： 导体B中的Thomson电势： 回路中总的Thomson电势： 式中，A、B分别为导体A、B中的Thomson系数。

  40. 7.3.1热电偶的工作原理 • 综合考虑A、B组成的热电偶回路，当T≠T0时，总的热电势为 讨论： 如果热电偶两电极材料相同(nA＝nB，A=B),两接点温度不同，不会产生热电势； 如果两电极材料不同，但两接点温度相同(T=T0)，也不会产生热电势； 热偶工作产生热电势的基本条件：两电极材料不同，两接点温度不同。 热电势大小与热电极的几何形状和尺寸无关。 当两热电极材料不同，且A、B固定（即nA、nB、 A、B为常数），热电势便为两接点温度（T，T0）的函数 （T0恒定） 这就是热电偶的测温原理。 热电势的极性：热端失去电子为正，获得电子为负，且有

  41. 7.3.2热电偶的基本定律 1.均质导体定律 要求热电极材质均匀，克服因热电极上各点温度不同时造 成附加误差。 2.中间导体定律 热偶回路断开接入第三种导体C，若C两端温度相同，则 回路热电势不变，这为热电势的测量（接入测量仪表，第 三导体）奠定理论基础，见图7-32。 图7-32 热电偶测温 电路原理图

  42. 7.3.2热电偶的基本定律 3.中间温度定律 若T0＝0℃， 4.标准（参考）电极定律 标准电极定律原理如图7-33所示。 图7-33 标准电极定律示意图 以C作为标准电极(一般C为铂)，构建热偶A、B。 例 ： 则

  43. 7.3.3 热电偶的种类和结构 7.3.3.1 热电极材料和类型 1．热电极材料的基本要求 热电极是感温元件，物理性质见表7-1，基本要求： 热电势足够大，测温范围宽、线性好； 热电特性稳定； 理化性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀； 电阻温度系数 、电阻率小； 易加工、复制性好； 价廉 2 ．热电偶类型 标准化热电偶及其参数表7-2， 分度表及计算公式：见附表3~附表6

  44. 7.3.3 热电偶的种类和结构 7.3.3.2 热电偶的结构 热电偶接点焊接要求和焊接方法（不引入第三种材料， 接点大小适当）；电极之间绝缘。见图7-34。 图7-34 热电偶电极的绝缘方法 （a）裸线热电偶；（b）珠形绝缘热电偶； （c）双孔绝缘子热电偶；（d）石棉绝缘管热电偶

  45. 7.3.3 热电偶的种类和结构 1.普通型热电偶 普通型热电偶结构见图7-35。 图7-35 普通型热电偶结构

  46. 7.3.3 热电偶的种类和结构 2．铠装热电偶 铠装热电偶结构见图7-36。 图7-36 铠装热电偶工作端结构 （a）单芯结构；（b）双芯碰底型；（c）双芯不碰底型； （d）双芯露头型；（e）双芯帽型

  47. 7.3.3热电偶的种类和结构 3．薄膜热电偶 薄膜热电偶电极为厚度0.01~0.1m薄膜构成，见图7-37 图7-37 铁-镍薄膜热电偶

  48. 7.3.4 热电偶的冷端补偿及处理 • 热偶标准分度表是以T0＝0℃为参考温度条件下测试制定的，若T0≠0℃，则应进行冷端补偿，其补偿方法： 1. 延长导线法 利用补偿导线代替热电极，引到温度较稳定的T0端测 试。 要求：在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电偶 具有相同或相近的热电特性。 2. 0℃恒温法 将热电偶冷端置于冰水混合物的0℃恒温器内，使其工作 与分度状态达到一致。

  49. 7.3.4 热电偶的冷端补偿及处理 • 图7-38是延长导线法和0℃恒温法的一个实例。 图7-38 冷端处理的延长导线法和0℃恒温法

  50. 7.3.4 热电偶的冷端补偿及处理 3.冷端温度修正法 （1）热电势修正法 利用中间温度定律 式中，Tn热电偶测温时的是环境温度；EAB(T，Tn）是实测热电势；EAB(Tn，0)是冷端修正值。 例如：铂铑10—铂热电偶测温，参考冷端温度为室21℃，测得 查表 ，则 由此查分度表 T＝92℃ 若直接用0.465mV查表，则T＝75℃。 也不能将75℃＋21℃＝96℃作为实际温度。

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