傳感器技術(shù)_第二章

1、第二章第二章 熱電傳感器熱電傳感器熱電傳感器熱電傳感器2.1 溫度傳感器的分類溫度傳感器的分類 熱電傳感器熱電傳感器 接觸式溫度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，熱膨脹式溫度傳感器，熱電偶傳感器，熱電阻傳感器，PN結(jié)溫度傳感器，集成溫度傳感器等。結(jié)溫度傳感器，集成溫度傳感器等。 非接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器 光學(xué)高溫傳感器，熱輻射溫度傳感器等光學(xué)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、利用一些材料和元件的性能（熱膨脹，熱電勢、電阻、PN結(jié)特性、光學(xué)特性等）隨溫度而變化的特性，間接測結(jié)特性、光學(xué)特性等）隨溫度而

2、變化的特性，間接測量溫度的大小。量溫度的大小。熱電傳感器熱電傳感器2.2 熱電偶傳感器熱電偶傳感器2.2.1 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理TAT0B 兩種不同的導(dǎo)體（兩種不同的導(dǎo)體（A和和B）兩端相互緊密地連在一起，）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（組成一個閉合回路，當兩接點溫度不等（T T0）時，回路）時，回路中就會產(chǎn)生電動勢，從而形成電流。這一現(xiàn)象稱為中就會產(chǎn)生電動勢，從而形成電流。這一現(xiàn)象稱為熱電效熱電效應(yīng)應(yīng)，回路中產(chǎn)生的電動勢稱為，回路中產(chǎn)生的電動勢稱為熱電勢熱電勢。 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)熱電偶：不同導(dǎo)體的組合熱電偶：不同導(dǎo)體的組合熱電極：導(dǎo)體熱電極：導(dǎo)體A

3、和和B工作端（熱端）工作端（熱端）自由端（冷端）自由端（冷端）熱電傳感器熱電傳感器熱電勢熱電勢由兩部分組成：接觸電勢和溫差電勢由兩部分組成：接觸電勢和溫差電勢 接觸電勢接觸電勢 當兩種金屬連接在一起時，由于不同導(dǎo)體的自由電子密當兩種金屬連接在一起時，由于不同導(dǎo)體的自由電子密度不同，在接觸處就會發(fā)生電子遷移擴散。失去電子的金屬度不同，在接觸處就會發(fā)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，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。在兩種金屬的接觸處形成電勢，稱為接觸電勢。eAB (T)NBNAek0Tln

4、=eAB (T0)NBNAek0T0ln= 導(dǎo)體導(dǎo)體A、B在溫度在溫度T和和T0時的接觸電勢時的接觸電勢eAB（T）和）和eAB（T0）表示為：表示為： 接觸電動勢的大小與接點溫度的高低和導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。接觸電動勢的大小與接點溫度的高低和導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。熱電傳感器熱電傳感器 溫差電勢溫差電勢 在在同一導(dǎo)體同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。的兩端因其溫度不同而產(chǎn)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；電子濃度也不同，溫度高的一端濃度大，具有較大的動

5、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。子而帶負電，形成溫差電動勢。),(0TTeA),(0TTeB 溫差電動勢的大小取決于導(dǎo)體的材料和兩端的溫度，溫差電動勢的大小取決于導(dǎo)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接觸電動勢。熱電傳感器熱電傳感器 如果熱電偶兩電極材料相同，即如果熱電偶兩電極材料相同，即NA

6、NB，則無論兩接點則無論兩接點溫度如何，總熱電勢為零。因此，溫度如何，總熱電勢為零。因此，熱電偶必須采用兩種不熱電偶必須采用兩種不同材料作熱電極同材料作熱電極。 如果熱電偶兩接點溫度相同，盡管如果熱電偶兩接點溫度相同，盡管A和和B材料不同，回路材料不同，回路中總電勢等于零。中總電勢等于零。熱電偶回路的總電勢主要是由熱電偶回路的總電勢主要是由接觸電勢接觸電勢引起的：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熱電偶回路的總電勢主要是由接觸電勢接觸電勢引起的：引起的：

7、，eAB (T0)NBNAek0T0ln=EAB（T, T0） = eAB (T) eAB (T0) eAB (T)NBNAek0Tln=熱電傳感器熱電傳感器 熱電偶產(chǎn)生的熱電勢只與熱電偶產(chǎn)生的熱電勢只與材料材料和和接點溫度接點溫度有關(guān)，與熱電有關(guān)，與熱電極尺寸、形狀等無關(guān)。極尺寸、形狀等無關(guān)。 當兩個電極選定后，熱電勢是兩接點溫度的函數(shù)，當兩個電極選定后，熱電勢是兩接點溫度的函數(shù)， 即即EAB（T, T0）= f（T） f（T0）。）。 熱電傳感器熱電傳感器2.2.2 中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 在在A、B材料組成的熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體材料組成的熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體C，只要引入的第

8、三導(dǎo)體兩端溫度相同，則此導(dǎo)體的引入不會只要引入的第三導(dǎo)體兩端溫度相同，則此導(dǎo)體的引入不會改變總電勢改變總電勢EAB的大小。的大小。TCAT0BT0 若從若從T0端斷開接入第三種導(dǎo)體端斷開接入第三種導(dǎo)體CEABC（T, T0）= eAB (T) eBC (T0) eCA (T0)當回路中各接點溫度相同，都為當回路中各接點溫度相同，都為T0時，時，則：則： EABC（T0, T0）= eAB (T0)eBC (T0)eCA (T0) = 0， eBC (T0)eCA (T0) = eAB (T0) 所以，所以，EABC（T, T0）= eAB (T) eAB (T0) = EAB（T, T0） 熱

9、電傳感器熱電傳感器ATBT0BCT1T1 若從材料若從材料B中間斷開接入第三種導(dǎo)體中間斷開接入第三種導(dǎo)體CEABC（T, T0）= eAB (T) eBC (T1) eCB (T1) eBA (T0 ) 由于由于eBC (T1) = eCB (T1) ， eAB (T0 ) = eBA (T0 )所以，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(dǎo)體熱電偶的熱電勢在引入的第三種導(dǎo)體兩端溫度相等兩端溫度相等時，時，不會因此受到影響。第三種導(dǎo)體不宜采用與熱電極熱電性不會因此受到影響。第三種導(dǎo)體不宜采用與熱電極熱電性質(zhì)相差很

10、遠的材料。否則一旦溫度發(fā)生變化，熱電偶的熱質(zhì)相差很遠的材料。否則一旦溫度發(fā)生變化，熱電偶的熱電勢將會受到很大影響。電勢將會受到很大影響。熱電傳感器熱電傳感器2.2.3 標準熱電極標準熱電極ACBCABTTTT0T0T0 如果兩種導(dǎo)體（如果兩種導(dǎo)體（A和和B）分別與第三種導(dǎo)體（）分別與第三種導(dǎo)體（C）組成熱）組成熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢已知，則由這兩個導(dǎo)體（電偶所產(chǎn)生的熱電勢已知，則由這兩個導(dǎo)體（A，B）組成）組成的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢為：的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢為：EAB（T, T0）= EAC（T, T0） EBC（T, T0）熱電傳感器熱電傳感器以上兩式相減得：以上兩式相減得： EAC（T, T0）

11、EBC（T, T0） = eAC (T) eAC (T0) eBC (T)eBC (T0) = e AC (T) eBC (T) eAC (T0)eBC (T0) 由于由于eBC (T0)eAC (T0) = eAB (T0) ， eAC (T ) eBC (T) = eAB (T )所以，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為三個為三個熱電偶，則熱電偶，則由此可知，若任意幾個熱電極與一個標準熱

12、電極組成熱電偶產(chǎn)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。熱電傳感器熱電傳感器2.2.4 中間溫度定律中間溫度定律 熱電偶在接點溫度為熱電偶在接點溫度為T、T0時的熱電勢等于該熱電偶時的熱電勢等于該熱電偶在接點溫度為在接點溫度為T、Tn和和Tn、T0時相應(yīng)熱電勢的代數(shù)和。時相應(yīng)熱電勢的代數(shù)和。EAB（T, Tn）= eAB (T) eAB (Tn)， EAB（ Tn, T0 ）= eAB (Tn) eAB (T0)BBA AABTT0Tn熱電傳感器熱電傳感器BBA AABTT0Tn以上兩式相加得：以上兩式相加得： EAB（T, Tn） EAB（

13、Tn, T0） = eAB (T) eAB (Tn) eAB (Tn) eAB (T0) = eAB (T) eAB (T0) = EAB（T, T0）所以，所以， EAB（T, T0）= EAB（T, Tn） EAB（ Tn, T0）， Tn稱為中間溫度。稱為中間溫度。 當當T0 = 0，則有，則有EAB（T, 0）= EAB（T, Tn） EAB（ Tn, 0）熱電傳感器熱電傳感器2.2.5 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的種類和結(jié)構(gòu) 熱電極材料的基本性能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；熱電勢要足夠大，測量范圍寬，線性好； 熱電特性穩(wěn)定，即熱電勢與溫度對應(yīng)關(guān)系保持恒定；

14、熱電特性穩(wěn)定，即熱電勢與溫度對應(yīng)關(guān)系保持恒定； 熱電勢與溫度有單值關(guān)系，最好呈線性，或簡單函數(shù)關(guān)系；熱電勢與溫度有單值關(guān)系，最好呈線性，或簡單函數(shù)關(guān)系； 電阻溫度系數(shù)和電阻率要小，否則熱電偶的電阻將隨工作端電阻溫度系數(shù)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(jié)果的準確性；的溫度不同而有較大的變化，而影響測量結(jié)果的準確性； 物理性能穩(wěn)定，化學(xué)成分均勻，不易氧化和腐蝕；物理性能穩(wěn)定，化學(xué)成分均勻，不易氧化和腐蝕； 材料易加工，復(fù)制性好，機械強度好；材料易加工，復(fù)制性好，機械強度好； 價格低廉。價格低廉。熱電傳感器熱電傳感器 常用熱電偶材料常用熱電偶材料 從從19

15、88年年1月月1日起，我國熱電偶和熱電阻的生產(chǎn)全日起，我國熱電偶和熱電阻的生產(chǎn)全部按國際電工委員會部按國際電工委員會 (IEC) 標準，并指定標準，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。用于制造鉑熱電偶的用于制造鉑熱電偶的各種鉑熱電偶絲各種鉑熱電偶絲 B: 鉑銠鉑銠30-鉑銠鉑銠6， R: 鉑銠鉑銠13-鉑，鉑， S: 鉑銠鉑銠10-鉑，鉑， K: 鎳鎳-鎳硅，鎳硅， E: 鎳鉻鎳鉻-銅鎳，銅鎳， J: 鐵鐵-銅鎳，銅鎳， T: 銅銅-銅鎳銅鎳 熱電傳感器熱電傳感器幾種常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢幾種常用熱電偶的測溫范圍

16、及熱電勢 分度號分度號 名稱名稱 測量溫度范圍測量溫度范圍 1000 C熱電勢熱電勢/ mVB鉑銠鉑銠30鉑銠鉑銠6501820 C4.834R鉑銠鉑銠13鉑鉑-501768 C10.506S鉑銠鉑銠10鉑鉑-501768 C9.587K鎳鉻鎳鉻鎳鉻鎳鉻 (鋁鋁) -2701370 C41.276E鎳鉻銅鎳鎳鉻銅鎳 (康康 銅銅)270800 C 熱電傳感器熱電傳感器熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線分析熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系曲線分析S型：鉑銠型：鉑銠-鉑熱電偶鉑熱電偶K型：鎳鉻型：鎳鉻-鎳鋁熱電偶鎳鋁熱電偶T型：銅型：銅-康銅熱電偶康銅熱電偶E型：鎳鉻型：鎳鉻-考銅熱電偶考銅熱電偶B型：鉑銠

17、型：鉑銠30-鉑銠鉑銠6R型：鉑銠型：鉑銠13-鉑鉑J型：鐵型：鐵-康銅熱電偶康銅熱電偶N型：鎳鉻硅型：鎳鉻硅-鎳硅熱電偶鎳硅熱電偶熱電傳感器熱電傳感器 熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法。熱電偶的線性較差，多數(shù)情況下采用查表法。 我國從我國從1991年開始采用國際計量委員會規(guī)定的年開始采用國際計量委員會規(guī)定的“1990年國際溫標年國際溫標”（簡稱（簡稱ITS-90）的新標準。按此標準，制定）的新標準。按此標準，制定了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對應(yīng)。了相應(yīng)的分度表，并且有相應(yīng)的線性化集成電路與之對應(yīng)。 不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同不同金屬組成的熱電偶，溫

18、度與熱電動勢之間有不同的函數(shù)關(guān)系。一般通過實驗的方法來確定，并將不同溫度的函數(shù)關(guān)系。一般通過實驗的方法來確定，并將不同溫度下測得的結(jié)果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對照表，下測得的結(jié)果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對照表，即即分度表分度表。 直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關(guān)系時的約直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關(guān)系時的約束條件是：束條件是：自由端（冷端）溫度必須為自由端（冷端）溫度必須為0 C。 熱電偶的分度表熱電偶的分度表熱電傳感器熱電傳感器 熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶的結(jié)構(gòu) 普通熱電偶普通熱電偶1. 熱電極，熱電極，2. 絕緣套管，絕緣套管，3. 保護套管，保護套管，4. 接線盒，接線

19、盒，5.接線盒蓋接線盒蓋 主要用于測量氣體、蒸汽和液體等介質(zhì)的溫度。主要用于測量氣體、蒸汽和液體等介質(zhì)的溫度。熱電傳感器熱電傳感器 鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶（a）碰底型）碰底型,（b）不碰底型）不碰底型,（c）露頭型）露頭型,（d）帽型）帽型 特點：內(nèi)部熱電偶絲與外界空氣隔絕，具有良好的抗高溫氧化、抗特點：內(nèi)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、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(yōu)點。

20、超長等優(yōu)點。熱電傳感器熱電傳感器熱容量小，動態(tài)響應(yīng)熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快，適宜測量微小面快，適宜測量微小面積和瞬時變化的溫度。積和瞬時變化的溫度。 薄膜熱電偶薄膜熱電偶 表面熱電偶表面熱電偶 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。塊、壁爐、橡膠筒等固體表面溫度。熱電傳感器熱電傳感器 侵入式熱電偶侵入式熱電偶 特殊熱電偶特殊熱電偶 主要用來測量鋼水、銅水、鋁水以及熔融合金的溫度。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(tài)金屬中進行測量。其主要特點是可以直接插入液態(tài)金屬中進行測量。

21、 例如測量火箭固態(tài)推進劑燃燒波溫度分布、燃燒表面例如測量火箭固態(tài)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(nèi)壁溫度的溫度以及溫度梯度的一次性熱電偶；測量火炮內(nèi)壁溫度的針狀熱電偶等。針狀熱電偶等。熱電傳感器熱電傳感器2.2.6 熱電偶的冷端溫度補償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(shù)，只有在冷熱電偶輸出的熱電勢是兩接點溫度差的函數(shù)，只有在冷端溫度端溫度T0保持不變的條件下，其熱電勢才是工作端溫度的保持不變的條件下，其熱電勢才是工作端溫度的單值函數(shù)。單值函數(shù)。2. 熱電偶的標準分度表是在其冷端為熱電偶的標準分度表是在其冷端為0時，測得的電勢值

22、。時，測得的電勢值。在實際測溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度而變化，這樣在實際測溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度而變化，這樣T0不不但不是但不是0 ，而且也不恒定，這將會對測量產(chǎn)生誤差。，而且也不恒定，這將會對測量產(chǎn)生誤差。3. 一般情況下，冷端溫度均高于一般情況下，冷端溫度均高于0 ，熱電勢總是偏小。，熱電勢總是偏小。應(yīng)想辦法消除或補償熱電偶的冷端損失應(yīng)想辦法消除或補償熱電偶的冷端損失 。 必要性：必要性： 0 恒溫法恒溫法 將熱電偶的冷端置于冰水混合物的將熱電偶的冷端置于冰水混合物的0 恒溫器內(nèi)，可恒溫器內(nèi)，可保證冷端溫度保證冷端溫度T0為為0 。此法只適用于實驗室。此法只適用于實驗室。mVABT銅導(dǎo)

23、線銅導(dǎo)線銅導(dǎo)線銅導(dǎo)線試試管管熱電偶熱電偶冰點槽冰點槽冰水溶液冰水溶液T0儀表儀表熱電傳感器熱電傳感器熱電傳感器熱電傳感器 冷端恒溫法冷端恒溫法 熱電偶實際測溫時，由于冷端溫度熱電偶實際測溫時，由于冷端溫度T0 0，而是某一溫度，而是某一溫度Tn，則熱電偶工作在溫度（，則熱電偶工作在溫度（T，Tn）之間，測得的熱電勢是）之間，測得的熱電勢是EAB（T, Tn）。利用中間溫度定則，）。利用中間溫度定則， EAB（T, 0）= EAB（T, Tn） EAB（ Tn ,0）例如：例如：用鉑銠用鉑銠10-鉑熱電偶測某一溫度鉑熱電偶測某一溫度T，參考端在室溫環(huán)境，參考端在室溫環(huán)境Tn中，測得熱電勢中，測得

24、熱電勢EAB（T, Tn）= 0.465 mV，又用室溫計測，又用室溫計測得得Tn = 21 ，查此熱電偶分度表知，查此熱電偶分度表知EAB（21, 0）= 0.119 mV，則則EAB（T, 0）= EAB（T, 21） EAB（21, 0） = 0.465 0.119 = 0.584 mV 再用再用0.584 mV查分度表得查分度表得T = 92 ，即實際溫度為，即實際溫度為92 。熱電傳感器熱電傳感器 補償導(dǎo)線法補償導(dǎo)線法 利用補償導(dǎo)線，將熱電偶的冷端遠移至溫度恒定的利用補償導(dǎo)線，將熱電偶的冷端遠移至溫度恒定的場所（如儀表室）。場所（如儀表室）。 補正系數(shù)法補正系數(shù)法 設(shè)冷端溫度為設(shè)冷端

25、溫度為tn，此時測得的溫度為，此時測得的溫度為t1，其實際溫度為，其實際溫度為 t = t1k tn。 其中其中k為為 補正系數(shù)，可從補正系數(shù)表中查得。補正系數(shù)，可從補正系數(shù)表中查得。熱電傳感器熱電傳感器2.3 熱電阻傳感器熱電阻傳感器 2.3.1 金屬熱電阻金屬熱電阻 大多數(shù)金屬導(dǎo)體電阻隨溫度變化的關(guān)系可由下式表示：大多數(shù)金屬導(dǎo)體電阻隨溫度變化的關(guān)系可由下式表示： Rt = R0 1 + ( t t0 ) ，式中：式中： Rt，R0 分別為熱電阻在分別為熱電阻在t 和和 t0 時的電阻值；時的電阻值； 熱電阻的電阻溫度系數(shù)（熱電阻的電阻溫度系數(shù)（1 ）；）； t 被測溫度（被測溫度（ ）。）

26、。靈敏度靈敏度S = = = R0dRtdt1R0R0 1 電阻與溫度的關(guān)系電阻與溫度的關(guān)系 金屬熱電阻材料的特點金屬熱電阻材料的特點熱電傳感器熱電傳感器 電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù) 大，靈敏度高；大，靈敏度高； 電阻率電阻率 盡可能大，以便在相同靈敏度下減小熱電阻材料盡可能大，以便在相同靈敏度下減小熱電阻材料的體積；的體積； 在熱電阻使用范圍內(nèi)，材料的物理、化學(xué)性能保持穩(wěn)定；在熱電阻使用范圍內(nèi)，材料的物理、化學(xué)性能保持穩(wěn)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(chǎn)、降低成本。良好的工藝性，以便批量生產(chǎn)、降低成本。熱

27、電傳感器熱電傳感器三種金屬的電阻與溫度的關(guān)系三種金屬的電阻與溫度的關(guān)系 常用的金屬熱電阻常用的金屬熱電阻NiPtCu熱電傳感器熱電傳感器主要金屬溫度傳感器的性能主要金屬溫度傳感器的性能熱電傳感器熱電傳感器2.3.2 半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻 熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻電阻隨隨溫度溫度變化而變化而變化的性質(zhì)制成的一種熱敏元件。按照熱敏電阻的電變化的性質(zhì)制成的一種熱敏元件。按照熱敏電阻的電阻與溫度關(guān)系的變化特性，分為正溫度系數(shù)（阻與溫度關(guān)系的變化特性，分為正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻、負溫度系數(shù)熱敏電阻（熱敏電阻、負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和臨界溫度）和臨界溫度

28、熱敏電阻（熱敏電阻（CTR）。）。 PTC：電阻隨溫度增加而增加：電阻隨溫度增加而增加 NTC：電阻隨溫度增加而減?。弘娮桦S溫度增加而減小 CTR：在某一特性溫度下，電阻會發(fā)生突變：在某一特性溫度下，電阻會發(fā)生突變熱電傳感器熱電傳感器2.3.2.1 熱敏電阻的分類熱敏電阻的分類熱電傳感器熱電傳感器2.3.2.2 PTC熱敏電阻熱敏電阻 PTC是一種正溫度特性很強的熱敏電阻，主要是由是一種正溫度特性很強的熱敏電阻，主要是由BaTiO3（或或SrTiO3或或PbTiO3）為主要成分的燒結(jié)體）為主要成分的燒結(jié)體。BaTiO3陶瓷是一種典型的鐵電材料，常溫電阻率大于陶瓷是一種典型的鐵電材料，常溫電阻率

29、大于1012 cm，為絕緣體。經(jīng)過半導(dǎo)體化摻雜后，表現(xiàn)出強，為絕緣體。經(jīng)過半導(dǎo)體化摻雜后，表現(xiàn)出強烈的烈的PTC效應(yīng)效應(yīng)常溫電阻值很低。隨溫度的升高，電阻常溫電阻值很低。隨溫度的升高，電阻值在值在居里點居里點附近發(fā)生突變，產(chǎn)生幾個數(shù)量級的變化。附近發(fā)生突變，產(chǎn)生幾個數(shù)量級的變化。 PTC熱敏電阻熱敏電阻采用一般陶瓷工藝成形、高溫燒結(jié)而采用一般陶瓷工藝成形、高溫燒結(jié)而成。其溫度系數(shù)及居里點溫度隨組分及燒結(jié)條件（尤其成。其溫度系數(shù)及居里點溫度隨組分及燒結(jié)條件（尤其是冷卻溫度）不同而變化。是冷卻溫度）不同而變化。熱電傳感器熱電傳感器 工作原理工作原理 由于存在由于存在晶界勢壘晶界勢壘，當溫度，當溫度

30、在居里點在居里點TC以下時，高阻的晶以下時，高阻的晶界具有鐵電性，介電常數(shù)很大，界具有鐵電性，介電常數(shù)很大，勢壘高度低，電子容易越過勢勢壘高度低，電子容易越過勢壘，因而材料電阻??；壘，因而材料電阻??； 當溫度高于當溫度高于TC時，材料的晶時，材料的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，鐵電性消失，鐵電性消失，介電常數(shù)急劇減小，隨之勢壘介電常數(shù)急劇減小，隨之勢壘增高，電子難以越過勢壘，相增高，電子難以越過勢壘，相應(yīng)材料的電阻率急劇上升。應(yīng)材料的電阻率急劇上升。 PTC效應(yīng)效應(yīng)熱電傳感器熱電傳感器 特性特性 電阻與溫度的關(guān)系電阻與溫度的關(guān)系T TP1: 負負電阻溫度系數(shù)，電阻溫度系數(shù)， 溫度靈敏度不高

31、溫度靈敏度不高; T = TP1: 電阻值開始隨溫電阻值開始隨溫 度指數(shù)增大；度指數(shù)增大； TP1 T TP2: 正正電阻溫度電阻溫度 系數(shù)，且值較大。系數(shù)，且值較大。最大工作溫度最大工作溫度熱電傳感器熱電傳感器 PTC熱敏電阻性能改善的方法熱敏電阻性能改善的方法TC向高溫方向移動：摻入向高溫方向移動：摻入Pb；TC向低溫方向移動：摻入向低溫方向移動：摻入Sr或或Sn；提高提高PTC電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)：摻入：摻入Mn、Fe、Cu等；等；提高提高PTC工藝穩(wěn)定性：摻入工藝穩(wěn)定性：摻入Al、Si、Ti等；等；對對BaTiO3主體材料要求：高純（主體材料要求：高純（99.599.95 ） 超細

32、（超細（ 0.1 1.5 m） 具有化學(xué)活性具有化學(xué)活性設(shè)計考慮設(shè)計考慮熱電傳感器熱電傳感器2.3.2.3 NTC熱敏電阻熱敏電阻 NTC熱敏電阻大多數(shù)是由一些過渡金屬氧化物（熱敏電阻大多數(shù)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、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。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(shù)不同的獲得測溫范圍、阻值及溫度系數(shù)

33、不同的NTC熱敏電阻。熱敏電阻。 工作原理工作原理 金屬金屬 =（0.3 0.6） 10-2 -1 NTC =（3 6） 10-2 -1 半導(dǎo)體中參加導(dǎo)電的載流子數(shù)半導(dǎo)體中參加導(dǎo)電的載流子數(shù)目比金屬的自由電子數(shù)目少得多，目比金屬的自由電子數(shù)目少得多，所以它的電阻率較大。所以它的電阻率較大。 當溫度升高時，半導(dǎo)體將產(chǎn)生當溫度升高時，半導(dǎo)體將產(chǎn)生新新的電子、空穴對，極大地貢獻了的電子、空穴對，極大地貢獻了載流子的數(shù)目，載流子的數(shù)目，導(dǎo)致電阻率減小。導(dǎo)致電阻率減小。 載流子數(shù)目增加隨溫度按指數(shù)規(guī)載流子數(shù)目增加隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升，它的電阻率也成指數(shù)規(guī)律上升，它的電阻率也成指數(shù)規(guī)律下降。律下降。 熱電

34、傳感器熱電傳感器熱電傳感器熱電傳感器 特性特性 Rt = R0 eB (1/T1/T0) 電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù) = = RtdRtdT1T2B 隨溫度降低而迅速增大，靈敏度高。隨溫度降低而迅速增大，靈敏度高。 電阻與溫度的關(guān)系電阻與溫度的關(guān)系Rt、R0 分別為分別為T K和和T0 K時的電阻值；時的電阻值；B 熱敏電阻的材料常數(shù)，熱敏電阻的材料常數(shù)， 通常通常 B = 2000 6000 K。 熱敏電阻特點熱敏電阻特點 靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10100倍以上，倍以上，能檢測出能檢測出610的溫度變化；的溫度變化； 工作溫度范圍寬，常溫器件適

35、用于工作溫度范圍寬，常溫器件適用于55315，高溫，高溫器件適用溫度高于器件適用溫度高于315，低溫器件適用于，低溫器件適用于27355； 體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；生物體內(nèi)血管的溫度； 使用方便，電阻值可在使用方便，電阻值可在0.1100 k 間任意選擇；間任意選擇； 易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)； 穩(wěn)定性好、過載能力強。穩(wěn)定性好、過載能力強。 熱電傳感器熱電傳感器2.3.2.4 熱敏電阻的主要參數(shù)熱敏電阻的主要參數(shù)熱電傳感器熱電傳感器 標稱電阻值標稱電阻值R熱敏電

36、阻在熱敏電阻在250.2時的阻值，又稱冷電阻。時的阻值，又稱冷電阻。 電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù) 熱敏電阻的溫度變化熱敏電阻的溫度變化1 時電阻值的變化率。時電阻值的變化率。 耗散系數(shù)耗散系數(shù)H 熱敏電阻的溫度與周圍環(huán)境溫度相差熱敏電阻的溫度與周圍環(huán)境溫度相差1 時所耗散的時所耗散的功率。功率。在工作范圍內(nèi)，當環(huán)境溫度變化時，在工作范圍內(nèi)，當環(huán)境溫度變化時，H值隨之變化，值隨之變化，其大小與熱敏電阻的結(jié)構(gòu)、形狀和所處介質(zhì)的種類及狀態(tài)其大小與熱敏電阻的結(jié)構(gòu)、形狀和所處介質(zhì)的種類及狀態(tài)有關(guān)。有關(guān)。 時間常數(shù)時間常數(shù) 表示熱敏電阻對冷或熱的響應(yīng)速度。當環(huán)境溫度突變表示熱敏電阻對冷或熱的響應(yīng)速度。當環(huán)境

37、溫度突變時，熱電阻的變化量從開始到最終變量的時，熱電阻的變化量從開始到最終變量的63.2 所需的時所需的時間。它與熱容量間。它與熱容量C和耗散系數(shù)和耗散系數(shù)H之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：HC= = 額定功率額定功率PS（使用功率）（使用功率） 熱敏電阻器在規(guī)定的條件下，長期連續(xù)負荷工作所允熱敏電阻器在規(guī)定的條件下，長期連續(xù)負荷工作所允許的消耗功率。許的消耗功率。 熱敏電阻在各種氣候、機械、電氣等使用環(huán)境中，保持熱敏電阻在各種氣候、機械、電氣等使用環(huán)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?qū)?yīng)的原有特性的能力。最常用的是以電阻值的年變化率或?qū)?yīng)的溫度變化率來表示。溫度變化率來表示。

38、穩(wěn)定性穩(wěn)定性熱電傳感器熱電傳感器熱電傳感器熱電傳感器2.3.2.5 熱敏電阻的結(jié)構(gòu)熱敏電阻的結(jié)構(gòu)柱形熱敏電阻柱形熱敏電阻（a）珠狀）珠狀;（b）探頭式）探頭式;（c）片狀）片狀2.4 PN結(jié)溫度傳感器結(jié)溫度傳感器 熱電傳感器熱電傳感器 通常利用晶體管通常利用晶體管PN結(jié)的正向電壓與溫度呈現(xiàn)的較好的結(jié)的正向電壓與溫度呈現(xiàn)的較好的線性關(guān)系這一特征，將半導(dǎo)體器件用作線性關(guān)系這一特征，將半導(dǎo)體器件用作PN結(jié)溫度傳感器，結(jié)溫度傳感器，實現(xiàn)了對溫度的檢測，控制或補償功能。實現(xiàn)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與熱電偶、熱電阻相比，它的輸出特性線性好并具有很高

39、的測量精度，在很多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。高的測量精度，在很多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。2.4 PN結(jié)溫度傳感器結(jié)溫度傳感器 熱電傳感器熱電傳感器 溫敏二極管溫敏二極管二極管二極管PN結(jié)伏安特性可用下式表示：結(jié)伏安特性可用下式表示： IF = IS (eqUF / kT1)在室溫時，在室溫時，kT/q = 26 mV, eqUF / kT 1 ，上式為：，上式為： I = IS eqU/kT 則則 UF = ln kTqIFIS 在一定的電流下，隨著溫度的升高，正向電壓將下降，在一定的電流下，隨著溫度的升高，正向電壓將下降，表現(xiàn)出負的溫度系數(shù)。表現(xiàn)出負的溫度系數(shù)。 溫敏晶體管溫敏晶體管熱電傳感器熱電傳感

40、器 對于溫敏晶體管，當處于正向工作狀態(tài)下，發(fā)射極電流對于溫敏晶體管，當處于正向工作狀態(tài)下，發(fā)射極電流包括擴散電流，包括擴散電流，PN結(jié)空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流和表面復(fù)合結(jié)空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流和表面復(fù)合電流。但是，其中只有擴散電流成分能夠到達集電極而形電流。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(fù)合電流則作為基極電流漏掉，成集電極電流，而另外兩個復(fù)合電流則作為基極電流漏掉，而不達到集電極。而不達到集電極。 因此，晶體管因此，晶體管ICUbe關(guān)系比二極管的關(guān)系比二極管的IF UF關(guān)系更具關(guān)系更具有有線性線性關(guān)系。關(guān)系。熱電傳感器熱電傳感器 當晶體管處于正向工作狀態(tài)，又

41、當晶體管處于正向工作狀態(tài)，又1，可忽略集電極反，可忽略集電極反向飽和電流向飽和電流。發(fā)射結(jié)電壓。發(fā)射結(jié)電壓Ube和發(fā)射極電流和發(fā)射極電流Ie有以下關(guān)系：有以下關(guān)系：因此，因此， 晶體管晶體管Ube的溫度特性的溫度特性 Ie = Ies (eqUbe / kT1) 在室溫下在室溫下kT/q = 26 mV, UbekT/q，此時，此時 Ie = Ies eqUbe / kT Ube = lnkTqIeIes可見，可見， Ie一定，一定， Ube與與T成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。熱電傳感器熱電傳感器2.5 熱釋電式傳感器熱釋電式傳感器 2.5.1 紅外輻射的基本特性紅外輻射的基本特性 紅外輻射就是紅外

42、光，俗稱紅外線。任何物體，只要它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。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(yīng)，而且它是光譜中最大光紅外光的特點是具有光熱效應(yīng)，而且它是光譜中最大光熱效應(yīng)區(qū)。紅外輻射的物理本質(zhì)是輻射。物體的溫度越高、熱效應(yīng)區(qū)。紅外輻射的物理本質(zhì)是輻射。物體的溫度越高、輻射出來的紅外光輻射出來的紅外光越多，輻射的能量就越強。越多，輻射的能量就越強。熱電傳感器熱電傳感器2.5.2 紅外傳感器的分類紅外傳感器的分類 紅外傳感器是能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的一種敏感紅外傳感器是能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的一種

43、敏感器件，常稱為紅外探測器。器件，常稱為紅外探測器。 熱型紅外傳感器熱型紅外傳感器 紅外光輻射到敏感元件上，使敏感元件的紅外光輻射到敏感元件上，使敏感元件的溫度溫度升高，同升高，同時它的物理參數(shù)也相應(yīng)發(fā)生變化。通過測量有關(guān)物理參數(shù)時它的物理參數(shù)也相應(yīng)發(fā)生變化。通過測量有關(guān)物理參數(shù)的變化來確定所吸收的紅外輻射。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。熱敏電阻型：過渡金屬氧化物。 熱釋電型熱釋電型：具有極化現(xiàn)象的鐵電體。：具有極化現(xiàn)象的鐵電體。響應(yīng)波段寬，可常溫下工作，使用方便。響應(yīng)波段寬，可常溫下工作，使用方便。熱電傳感器熱電傳感器 光子型紅外傳感器光子型紅外傳感器 在紅外光的照射下，某些半導(dǎo)體的在紅外光的照射下，某些半導(dǎo)體的