第12章熱電傳感器

1、主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：12. 1 溫度傳感器的分類及溫標(biāo)溫度傳感器的分類及溫標(biāo)感溫元件感溫元件轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換顯示顯示 1. 1. 溫度傳感器的種類很多，溫度傳感器按溫度傳感器的種類很多，溫度傳感器按價格和性能價格和性能可分為：可分為： 熱膨脹熱膨脹溫度傳感器溫度傳感器: 有液體、氣體的玻璃式溫度計有液體、氣體的玻璃式溫度計體溫體溫 計，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用較廣泛；計，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用較廣泛； 家電、汽車家電、汽車上使用的溫度傳感器測溫范圍小（環(huán)境溫度）、上使用的溫度傳感器測溫范圍小（環(huán)境溫度）、 成本低、價格便宜、用量大、性能差別不大；成本低、價格便宜、用量大、性能差別不大； 工業(yè)上使用工業(yè)上使用的溫度傳感器

2、，性能價格差別比較大，因?yàn)閭鞯臏囟葌鞲衅鳎阅軆r格差別比較大，因?yàn)閭?感器的精度直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量和控制過程，通常感器的精度直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量和控制過程，通常 價格比較價格比較昂貴昂貴。 2. 2. 溫度傳感器分類方法溫度傳感器分類方法F 根據(jù)所用測溫物質(zhì)的不同和測溫范圍不同有根據(jù)所用測溫物質(zhì)的不同和測溫范圍不同有煤油煤油溫度計、溫度計、酒精酒精溫度計、溫度計、水銀水銀溫度計、溫度計、氣體氣體溫度計、溫度計、電阻電阻溫度計、溫度計、溫差溫差溫度計、溫度計、輻射輻射溫度計、溫度計、光測光測溫度計、溫度計、紅外紅外等等。等等。2. 2. 溫度傳感器分類方法溫度傳感器分類方法測溫方法測溫方法測溫原理

3、測溫原理溫度傳感器溫度傳感器接接觸觸式式 固體熱膨脹固體熱膨脹體積變化體積變化 液體熱膨脹液體熱膨脹 氣體熱膨脹氣體熱膨脹雙金屬溫度計雙金屬溫度計玻璃管液體溫度計玻璃管液體溫度計氣體溫度計、壓力溫度計氣體溫度計、壓力溫度計電阻變化電阻變化金屬電阻溫度傳感器金屬電阻溫度傳感器半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻接接觸觸式式熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)貴金屬熱電偶貴金屬熱電偶普通金屬熱電偶普通金屬熱電偶非金屬熱電偶非金屬熱電偶頻率變化頻率變化石英晶體溫度傳感器石英晶體溫度傳感器光學(xué)特性光學(xué)特性光纖溫度傳感器；液晶溫度傳感器光纖溫度傳感器；液晶溫度傳感器聲學(xué)特性聲學(xué)特性超聲波溫度傳感器超聲波溫度傳感器非非接接觸觸式式

4、亮度法亮度法熱輻射熱輻射 全輻射法全輻射法 比色法比色法 紅外法紅外法光學(xué)高溫計光學(xué)高溫計全輻射高溫計全輻射高溫計比色高溫計比色高溫計紅外溫度傳感器紅外溫度傳感器氣流變化氣流變化射流溫度傳感器射流溫度傳感器3. 3. 各種熱電式傳感器各種熱電式傳感器液體膨脹液體膨脹3.3.各種熱電式傳感器各種熱電式傳感器固體膨脹溫度計固體膨脹溫度計氣體膨脹溫度計氣體膨脹溫度計熱電偶熱電偶熱電偶是工業(yè)上應(yīng)用熱電偶是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器最廣泛的溫度傳感器熱電阻和熱敏電阻熱電阻和熱敏電阻熱敏電阻是家用電器應(yīng)熱敏電阻是家用電器應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器用最廣泛的溫度傳感器在線高溫紅外測溫在線高溫紅外測溫甲型流感紅

5、外測溫甲型流感紅外測溫( )lnAABBNKTETeN 冷端冷端接觸電勢為接觸電勢為：00()lnAABBKTNETeN、式中：式中：A、B 代表不同材料；代表不同材料； T，T0 為兩結(jié)點(diǎn)端溫度；為兩結(jié)點(diǎn)端溫度； K波爾茲曼常數(shù)；波爾茲曼常數(shù)； e電子電荷量；電子電荷量； ,ABNN是是A、B 材料的電子濃度。材料的電子濃度。00( ,)lnAABBNKET TTTeN 對對單一金屬單一金屬如果兩邊溫度不同，兩端有溫度梯度也產(chǎn)生如果兩邊溫度不同，兩端有溫度梯度也產(chǎn)生溫差電動勢；溫差電動勢； 產(chǎn)生這個電勢是由于導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大產(chǎn)生這個電勢是由于導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動能

6、，會向低溫端擴(kuò)散，由于高溫端失去電子帶正電，的動能，會向低溫端擴(kuò)散，由于高溫端失去電子帶正電，低溫端得到電子帶負(fù)電。低溫端得到電子帶負(fù)電。 ( 2 ) 單一導(dǎo)體的溫差電勢（湯姆遜電勢）單一導(dǎo)體的溫差電勢（湯姆遜電勢） A、B 兩導(dǎo)體構(gòu)成閉合回路總的溫差電勢為兩導(dǎo)體構(gòu)成閉合回路總的溫差電勢為：000,()TABABTeT TeT TdT 、兩個導(dǎo)體的單一導(dǎo)體的溫差電勢分別為、兩個導(dǎo)體的單一導(dǎo)體的溫差電勢分別為 00,TBBTeT Tt dT式中：式中： 是澤貝克系數(shù)，是溫度和位置的函數(shù)。是澤貝克系數(shù)，是溫度和位置的函數(shù)。AB 00,TAATeT Tt dT 結(jié)論：結(jié)論：若熱電偶兩電極若熱電偶兩電

7、極材料相同材料相同（NA=NB、A=B），無論兩端點(diǎn)溫），無論兩端點(diǎn)溫度如何，總熱電勢度如何，總熱電勢EAB為零；為零；2. 如果熱電偶兩接點(diǎn)如果熱電偶兩接點(diǎn)溫度相同溫度相同（T = T0）時，）時，A、B 材料不同，材料不同，回路總電勢回路總電勢EAB為零；為零；3. 因此，熱電偶必須用因此，熱電偶必須用不同材料不同材料做電極，在做電極，在T、T0 兩端必須有兩端必須有溫差梯度溫差梯度，這是熱電偶產(chǎn)生熱電勢的必要條件。，這是熱電偶產(chǎn)生熱電勢的必要條件。000,ln()TAABABTBNKET TTTdTeN 根據(jù)兩導(dǎo)體的根據(jù)兩導(dǎo)體的接觸電勢接觸電勢和單一導(dǎo)體和單一導(dǎo)體溫差電勢溫差電勢， 熱電

8、偶熱電偶總的熱電勢總的熱電勢為為： 000,ABCABBCCAET TETETET：0TT設(shè)設(shè) 00ABCET000BCCAABETETET 則有：則有： 000,ABCABABABET TETETET TT測量儀器測量儀器 000,ABCABABABET TETETET T的代數(shù)和，的代數(shù)和， 0,0,ABABCabCET TET TET T 實(shí)際測量時，利用這一性實(shí)際測量時，利用這一性 質(zhì)，質(zhì)， 對對參考端溫度不為零度參考端溫度不為零度時的熱時的熱 電勢以及冷端延伸引線進(jìn)行修電勢以及冷端延伸引線進(jìn)行修 正和補(bǔ)償。正和補(bǔ)償。(2) 參參v 熱電偶可以測量上千度高溫，并且精度高、性能好，熱電偶

9、可以測量上千度高溫，并且精度高、性能好，這是其它接觸式溫度傳感器無法替代的。這是其它接觸式溫度傳感器無法替代的。 國際電工委員會國際電工委員會IEC (International Electro Technical Commission) 推薦種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件，具有統(tǒng)一的分度表。推薦種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件，具有統(tǒng)一的分度表。0R溫度溫度0 0101020203030404050506060707080809090熱熱 電電 動動 勢勢 mVmV0 00.0000.0000.3970.3970.7980.7981.2031.2031.6111.6112.0222

10、.0222.4362.4362.8502.8503.2663.2663.6813.6811001004.0954.0954.5084.5084.9194.9195.3275.3275.7335.7336.1376.1376.5396.5396.9396.9397.3387.3387.7377.7372002008.1378.1378.5378.5378.9388.9389.3419.3419.7459.74510.15110.15110.56010.56010.96910.96911.38111.38111.79311.79330030012.20712.20712.62312.62313.0

11、3913.03913.45613.45613.87413.87414.29214.29214.71214.71215.13215.13215.55215.55215.97415.97440040016.39516.39516.81816.81817.24117.24117.66417.66418.08818.08818.51318.51318.93818.93819.36319.36319.78819.78820.21420.21450050020.64020.64021.06621.06621.49321.49321.91921.91922.34622.34622.77222.77223.1

12、9823.19823.62423.62424.05024.05024.47624.47660060024.90224.90225.32725.32725.75125.75126.17626.17626.59926.59927.02227.02227.44527.44527.86727.86728.28828.28828.70928.70970070029.12829.12829.54729.54729.96529.96530.38330.38330.79930.79931.21431.21431.62931.62932.02432.02432.45532.45532.86632.8668008

13、0033.27733.27733.68633.68634.09534.09534.50234.50234.90934.90935.31435.31435.71835.71836.12136.12136.52436.52436.92536.92590090037.32537.32537.72437.72438.12238.12238.51938.51938.91538.91539.31039.31039.70339.70340.09640.09640.48840.48840.87940.8791000100041.26941.26941.65741.65742.04542.04542.43242

14、.43242.81742.81743.20243.20243.58543.58543.96843.96844.34944.34944.72944.7291100110045.10845.10845.48645.48645.86345.86346.23846.23846.61246.61246.98546.98547.35647.35647.72647.72648.09548.09548.46248.4621200120048.82648.82649.19249.19249.55549.55549.91649.91650.27650.27650.63350.63350.99050.99051.3

15、4451.34451.69751.69752.04952.0491300130052.39852.39852.74752.74753.09353.09353.43953.43953.78253.78254.12554.12554.46654.46654.80754.807鎳鉻鎳鉻鎳硅熱電偶鎳硅熱電偶(K型型)分度表分度表 （參考端溫度為（參考端溫度為0） 普通熱電偶，測量氣體、蒸汽、液體等，棒形結(jié)構(gòu)；普通熱電偶，測量氣體、蒸汽、液體等，棒形結(jié)構(gòu)； 薄膜熱電偶，用于火箭、飛機(jī)噴嘴溫度測量，結(jié)構(gòu)較??；薄膜熱電偶，用于火箭、飛機(jī)噴嘴溫度測量，結(jié)構(gòu)較??； 鎧裝熱電偶，用以測量狹小對象，結(jié)構(gòu)細(xì)長、可彎曲

16、；鎧裝熱電偶，用以測量狹小對象，結(jié)構(gòu)細(xì)長、可彎曲； 表面熱電偶，用于弧形表面物體測溫；表面熱電偶，用于弧形表面物體測溫； 消耗式熱電偶，主要用于鋼水溫度測量。消耗式熱電偶，主要用于鋼水溫度測量。普通熱電偶：普通熱電偶：測量氣體、蒸汽、測量氣體、蒸汽、液體等液體等薄膜熱電偶：薄膜熱電偶：用于火箭、用于火箭、飛機(jī)噴嘴等飛機(jī)噴嘴等溫度測量溫度測量鎧裝熱電偶：鎧裝熱電偶：用以測量狹用以測量狹小對象，小對象，結(jié)構(gòu)細(xì)長、結(jié)構(gòu)細(xì)長、可彎曲?？蓮澢＿@種熱電偶，專門適用于測這種熱電偶，專門適用于測量高溫爐溫度分布，可反復(fù)量高溫爐溫度分布，可反復(fù)彎曲，耐溫可達(dá)彎曲，耐溫可達(dá)1250。熱電偶的插頭部分也可耐熱電偶

17、的插頭部分也可耐425的高溫，可以直接安裝的高溫，可以直接安裝在爐內(nèi)。在爐內(nèi)。Nanmac還提供與之匹配的接還提供與之匹配的接線盒，可以一起固定在爐內(nèi)。線盒，可以一起固定在爐內(nèi)。 熱電偶型號命名方法熱電偶型號命名方法00,0,0ABABABEtEt tEt00,0,0ABABABEtEt tEt0R溫度溫度0 0101020203030404050506060707080809090熱熱 電電 動動 勢勢 mVmV0 00.0000.0000.3970.3970.7980.7981.2031.2031.6111.6112.0222.0222.4362.4362.8502.8503.2663.2

18、663.6813.6811001004.0954.0954.5084.5084.9194.9195.3275.3275.7335.7336.1376.1376.5396.5396.9396.9397.3387.3387.7377.7372002008.1378.1378.5378.5378.9388.9389.3419.3419.7459.74510.15110.15110.56010.56010.96910.96911.38111.38111.79311.79330030012.20712.20712.62312.62313.03913.03913.45613.45613.87413.874

19、14.29214.29214.71214.71215.13215.13215.55215.55215.97415.97440040016.39516.39516.81816.81817.24117.24117.66417.66418.08818.08818.51318.51318.93818.93819.36319.36319.78819.78820.21420.21450050020.64020.64021.06621.06621.49321.49321.91921.91922.34622.34622.77222.77223.19823.19823.62423.62424.05024.050

20、24.47624.47660060024.90224.90225.32725.32725.75125.75126.17626.17626.59926.59927.02227.02227.44527.44527.86727.86728.28828.28828.70928.70970070029.12829.12829.54729.54729.96529.96530.38330.38330.79930.79931.21431.21431.62931.62932.02432.02432.45532.45532.86632.86680080033.27733.27733.68633.68634.095

21、34.09534.50234.50234.90934.90935.31435.31435.71835.71836.12136.12136.52436.52436.92536.92590090037.32537.32537.72437.72438.12238.12238.51938.51938.91538.91539.31039.31039.70339.70340.09640.09640.48840.48840.87940.8791000100041.26941.26941.65741.65742.04542.04542.43242.43242.81742.81743.20243.20243.5

22、8543.58543.96843.96844.34944.34944.72944.7291100110045.10845.10845.48645.48645.86345.86346.23846.23846.61246.61246.98546.98547.35647.35647.72647.72648.09548.09548.46248.4621200120048.82648.82649.19249.19249.55549.55549.91649.91650.27650.27650.63350.63350.99050.99051.34451.34451.69751.69752.04952.049

23、1300130052.39852.39852.74752.74753.09353.09353.43953.43953.78253.78254.12554.12554.46654.46654.80754.807鎳鉻鎳鉻鎳硅熱電偶鎳硅熱電偶(K型型)分度表分度表 （參考端溫度為（參考端溫度為0）0R貼片式貼片式薄膜式薄膜式 大功率大功率 -200-200OO +0+0850850 2301100tRRAtBtC tt201tRRAtBt式中：式中： 0RtR為溫度為溫度 00 C和和 0tC時的電阻值時的電阻值A(chǔ)、B、C 為常數(shù)，為常數(shù)，t值的大小與值的大小與有關(guān)有關(guān)為為 的公稱值的公稱值00 C

24、0R201tRRAtBt0010,100RR分度號分度號分別為：分別為：PtPt1010、PtPt100100 目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有兩種電阻有兩種公稱值公稱值： 國際溫標(biāo)國際溫標(biāo)ITS90ITS90標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)中中, A、B、C 常數(shù)規(guī)定為；常數(shù)規(guī)定為；3721243.9083 10/5.775 10/4.183 10/ACBCCC 2301100tRRAtBtC tt熱電阻型號命名方法熱電阻型號命名方法 PTCPTC 正正溫度系數(shù)特性型；溫度系數(shù)特性型； NTCNTC 負(fù)負(fù)溫度系數(shù)特性型溫度系數(shù)特性型；負(fù)溫度系數(shù)型負(fù)溫度系數(shù)型 熱敏電阻特性曲線熱敏電阻特性曲線 1

25、expTBRA TTTRA ， 與材料和形狀有關(guān)；與材料和形狀有關(guān)；B ， 常數(shù)。常數(shù)。， 溫度為溫度為T T 時的電阻值；時的電阻值； 2525/ 125TRRt0R 圖是一圖是一滯回特性滯回特性的的恒溫控制電路，恒溫控制電路，R RT T為熱敏電阻，為熱敏電阻，A A為比較器，為比較器，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到T T 時，由輸出信號實(shí)現(xiàn)調(diào)溫控制。時，由輸出信號實(shí)現(xiàn)調(diào)溫控制。1. 比較器同相端比較器同相端Vb 作為基準(zhǔn)電壓，由作為基準(zhǔn)電壓，由RP1、R2、R3（或穩(wěn)壓管）（或穩(wěn)壓管）確定分壓，確定分壓，RP1可調(diào)節(jié)比較器的比較電平，從而調(diào)節(jié)所需控制溫可調(diào)節(jié)比較器的比較電平，從而調(diào)節(jié)所需控

26、制溫度。度。輸入輸入端由端由R RT T、R2分壓。分壓。 輸出特性：輸出特性： Vb1、Vb2為門限電壓，傳輸為門限電壓，傳輸特性通過特性通過R4正反饋使轉(zhuǎn)換部分正反饋使轉(zhuǎn)換部分變陡變陡 VaVb1，U0 由正翻轉(zhuǎn)為負(fù)；由正翻轉(zhuǎn)為負(fù)； VaVb2，U0 由負(fù)翻轉(zhuǎn)為正。由負(fù)翻轉(zhuǎn)為正。0R熱敏電阻的恒溫控制電路熱敏電阻的恒溫控制電路復(fù)合管復(fù)合管作開關(guān)作開關(guān)- -+ +LM311比較器，反相端比較器，反相端- 3 ，同相端，同相端- 2；輸出；輸出- 1加加熱熱器器負(fù)特性負(fù)特性熱敏電阻熱敏電阻NTC 負(fù)負(fù)溫度系數(shù)特性熱敏電阻溫度系數(shù)特性熱敏電阻0R+ -0R+ -0R+ -0R+ -0R+ -0R

27、回轉(zhuǎn)窯無線測溫系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)窯無線測溫系統(tǒng)，采用無線通信技術(shù)，將熱電偶采用無線通信技術(shù)，將熱電偶測得的窯內(nèi)溫度無線傳送到控制室并在計算機(jī)上顯示。測得的窯內(nèi)溫度無線傳送到控制室并在計算機(jī)上顯示。同時可顯示窯頭、窯中和窯尾同時可顯示窯頭、窯中和窯尾12-24個通道的溫度；個通道的溫度；安裝在窯體上的發(fā)射裝置經(jīng)隔熱處理后可耐受安裝在窯體上的發(fā)射裝置經(jīng)隔熱處理后可耐受400以下表面溫度；以下表面溫度；發(fā)射系統(tǒng)采用高性能鋰電池供電，發(fā)射系統(tǒng)采用高性能鋰電池供電， 太陽能板隨時為電太陽能板隨時為電池充電；池充電；該系統(tǒng)具有溫度上下限超限報警，傳感器回路開路提該系統(tǒng)具有溫度上下限超限報警，傳感器回路開路提示，及

28、電池電壓過低報警功能。系統(tǒng)根據(jù)需要使用的示，及電池電壓過低報警功能。系統(tǒng)根據(jù)需要使用的熱電偶類型為（熱電偶類型為（SRBK）。）。 0R測溫發(fā)射裝置測溫發(fā)射裝置 USB接收裝置接收裝置USB接收與計算機(jī)顯示接收與計算機(jī)顯示4-20mA接收裝置接收裝置應(yīng)用現(xiàn)場應(yīng)用現(xiàn)場4-20mA接收柜接收柜現(xiàn)場隔熱箱現(xiàn)場隔熱箱現(xiàn)場室外轉(zhuǎn)窯現(xiàn)場室外轉(zhuǎn)窯 目前國內(nèi)外普遍應(yīng)用的目前國內(nèi)外普遍應(yīng)用的80年代問世的年代問世的集成溫集成溫度傳感器度傳感器 如如: AD590、AD592、TMP17、LM135等等. 模擬集成溫控模塊模擬集成溫控模塊是可編程的溫控開關(guān)模塊是可編程的溫控開關(guān)模塊.如如: LM56、AD2210

29、5等，等， 溫敏元件有熱敏電阻，熱敏二極管、三極管等溫敏元件有熱敏電阻，熱敏二極管、三極管等 集成溫度傳感器把集成溫度傳感器把熱敏晶體管熱敏晶體管和和外圍電路外圍電路、放大器放大器、偏置偏置 電路電路及及線性電路線性電路制作在同一芯片上，構(gòu)成一體化的專用集制作在同一芯片上，構(gòu)成一體化的專用集 成器件。是可以完成溫度測量及模擬信號輸出的成器件。是可以完成溫度測量及模擬信號輸出的專用專用IC。 集成溫度傳感器利用晶體管集成溫度傳感器利用晶體管PN結(jié)的電流結(jié)的電流、電壓電壓特性與特性與溫度溫度的關(guān)系進(jìn)行溫度測量，的關(guān)系進(jìn)行溫度測量，由于由于PN結(jié)受耐熱性能的限制，一般測量結(jié)受耐熱性能的限制，一般測量

30、溫度范圍在溫度范圍在150以下。以下。 特點(diǎn)：集成溫度傳感器具有體積小、反特點(diǎn)：集成溫度傳感器具有體積小、反應(yīng)快、線性好、價格低等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)快、線性好、價格低等優(yōu)點(diǎn)。q （PTATPTAT）絕對溫度比例電路）絕對溫度比例電路 Proportiond to absolute temperatureProportiond to absolute temperature 集成溫度傳感器集成溫度傳感器（PTATPTAT）基本電路原理圖基本電路原理圖 絕對溫度比例絕對溫度比例電路，由電路，由V1、V2兩兩只互相匹配、性能完全相同的只互相匹配、性能完全相同的溫溫敏晶體管敏晶體管構(gòu)成差分對管；構(gòu)成差分對管；

31、集電極電流分別為集電極電流分別為I1、I2是由恒是由恒流源（晶體管）提供；流源（晶體管）提供； 電阻電阻R上的電壓上的電壓Vbe是兩個晶體是兩個晶體管發(fā)射結(jié)電壓差。管發(fā)射結(jié)電壓差。 PN PN 結(jié)伏安特性方程結(jié)伏安特性方程/1Tu usIIeIs 反向飽和電流；反向飽和電流；u 外加電壓；外加電壓；uT =KT/q 溫度電壓當(dāng)量；溫度電壓當(dāng)量；t =300K （室溫（室溫300K-273.15=26.85）時）時, UT 26mV 所謂所謂絕對溫度比例是，絕對溫度比例是，利用兩個晶體管發(fā)射極的電流密度利用兩個晶體管發(fā)射極的電流密度在恒定比率下工作時，基極在恒定比率下工作時，基極發(fā)射極之間發(fā)射極

32、之間電壓電壓VBE的差與的差與溫度呈線性關(guān)系。溫度呈線性關(guān)系。01122lnCBEBEBECK TIVVVqIPN PN 結(jié)伏安特性方程結(jié)伏安特性方程/1Tu usIIePN PN 結(jié)加正向電壓時結(jié)加正向電壓時PN PN 結(jié)加反向電壓時結(jié)加反向電壓時/,1,TTu uu uTsuueII e?/,1,Tu uTsuueII =根據(jù)晶體管伏安方程式得：根據(jù)晶體管伏安方程式得：01122lnCBEBEBECK TIVVVqI式中式中: : K K0 0 波爾滋蔓常數(shù)；波爾滋蔓常數(shù)； T T 絕對溫度絕對溫度; ; 電子電荷量；電子電荷量； V V1 1、V V2 2 發(fā)射極面積比。發(fā)射極面積比。

33、q 正比于絕對溫度正比于絕對溫度 T T，只要保證，只要保證 的比恒定，的比恒定， 就可以使就可以使 與溫度與溫度T T 為單值函數(shù)。為單值函數(shù)。 BEVBEV12/II由方程式可見：由方程式可見：01122lnCBEBEBECK TIVVVqI1212/CCCCIIJJ 因?yàn)榧姌O因?yàn)榧姌O電流比電流比可等于集電極可等于集電極電流密度比：電流密度比：F 只要保證兩只晶體管的集電極電流密度比不變，只要保證兩只晶體管的集電極電流密度比不變，電阻電阻R上的電壓上的電壓 就可以正比于熱力學(xué)溫度就可以正比于熱力學(xué)溫度T。BEVBEV VT2的發(fā)射極設(shè)計成條形，的發(fā)射極設(shè)計成條形，VT1用同用同樣條形并

34、聯(lián)，可嚴(yán)格控制結(jié)的面積，樣條形并聯(lián)，可嚴(yán)格控制結(jié)的面積，兩管兩管面積比變?yōu)楹唵蔚臈l數(shù)比面積比變?yōu)楹唵蔚臈l數(shù)比；電路核心是使兩只管子的電路核心是使兩只管子的集電極電流密集電極電流密度比不隨溫度變化度比不隨溫度變化；實(shí)際制作時，特意將實(shí)際制作時，特意將V1、V2發(fā)射結(jié)面積發(fā)射結(jié)面積作的作的不相等不相等，面積比為，面積比為，電阻電阻R上的電壓差上的電壓差 取決與發(fā)射結(jié)面取決與發(fā)射結(jié)面積比積比。01122lnCBEBEBECK TIVVVqI 022lnBEVKTInRqR12012222CCCCCBECIIIIIIVRI 電路輸出總電流用條數(shù)比表示電路輸出總電流用條數(shù)比表示電路輸出總電流與溫度系數(shù)有

35、關(guān)，與電路輸出總電流與溫度系數(shù)有關(guān)，與電流無關(guān)；電流無關(guān)；而面積比而面積比n n的大小決定了靈敏度的大小決定了靈敏度大小。大小。0ln( )BEK TVnq VT1面積面積 VT2面積面積 0lnBEK TVq1011lnBERK TVIRqR電路輸出為：電路輸出為： 0201lnK TRURqv 可見輸出電壓可見輸出電壓U0 與絕對溫度與絕對溫度T成正比關(guān)系成正比關(guān)系BEV1222lnBETVTKIIRqR若若R=358，得電路輸出溫度系數(shù)為，得電路輸出溫度系數(shù)為 2ln1/TTdIKCA KdTqR電流輸出型電路電流輸出型電路 典型溫度傳感器典型溫度傳感器AD590AD590 典型電流輸出

36、型集成溫度傳感器有典型電流輸出型集成溫度傳感器有 AD590-美國美國AD公司生產(chǎn)；公司生產(chǎn)； SG590 -國內(nèi)同類產(chǎn)品國內(nèi)同類產(chǎn)品。測溫范圍測溫范圍-50-50+150+150；器件電源電壓；器件電源電壓4 430V30V；小于小于3V3V時靈敏度隨外加電壓增加而增加，所以電時靈敏度隨外加電壓增加而增加，所以電源源必須大于必須大于4V4V。+ +- -AD590封裝V VI/AI/A1 2 3 41 2 3 4 +150 +150 +25 +25 -55 -55AD590視為電流源視為電流源AD590 引腳和內(nèi)部電路原理圖+ +- -AD590封裝AD590用電流源表示1 1+ +2 2-

37、 -3 3GNDGND AD590在攝氏溫度在攝氏溫度25（298.15K）時，）時， 理想輸出為理想輸出為298.15A，實(shí)際存在誤差；，實(shí)際存在誤差； 可通過電位器調(diào)整，使輸出電壓滿足可通過電位器調(diào)整，使輸出電壓滿足 1mV/K （的關(guān)系。的關(guān)系。AD590 AD590 定標(biāo)方法定標(biāo)方法一點(diǎn)校正法一點(diǎn)校正法，僅對某點(diǎn)溫度進(jìn)行校準(zhǔn)，僅對某點(diǎn)溫度進(jìn)行校準(zhǔn)，AD590在在25時，輸出電流并非時，輸出電流并非298.15A時，調(diào)節(jié)時，調(diào)節(jié)R電阻，使輸出值為電阻，使輸出值為298.15mV。一點(diǎn)校正法一點(diǎn)校正法 兩點(diǎn)校正法兩點(diǎn)校正法先對先對AD590在在0 溫度調(diào)節(jié)，溫度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R1，使輸出使

38、輸出VOUT =0；再將再將AD590置于置于100溫度，溫度，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R2，使使VOUT = 10V；使輸出電壓溫度系數(shù)值為使輸出電壓溫度系數(shù)值為100mV / 。兩點(diǎn)校正法兩點(diǎn)校正法T 時比較器時比較器LM311的的3腳電壓腳電壓；輸出端跳為低電平；輸出端跳為低電平- -+ +AD590 典型應(yīng)用溫控電路典型應(yīng)用溫控電路AD590 AD590 典型應(yīng)用典型應(yīng)用測量攝氏溫度電路測量兩點(diǎn)溫差電路AD590 AD590 典型應(yīng)用典型應(yīng)用ICL7107（7106） 帶帶LED（LCD）驅(qū)動的）驅(qū)動的A/D轉(zhuǎn)換大規(guī)模集成芯片轉(zhuǎn)換大規(guī)模集成芯片 顯示精度顯示精度31/2（BCD） 輸入電壓量程：輸入電

39、壓量程：0 02V2V，0 020V20V，0 0200V200VICL7107（7106）A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路ICL7107（7106）LED（LCD）驅(qū)動電路）驅(qū)動電路 顯示精度顯示精度31/2（BCD）AD590 AD590 典型應(yīng)用典型應(yīng)用 紅外輻射俗稱紅外輻射俗稱紅外線，紅外線，是一種不可見光，其光譜位于是一種不可見光，其光譜位于可見可見光中紅色光中紅色以外，所以稱以外，所以稱紅外線紅外線，波長約，波長約 0.751000m?？梢姽饪梢姽饧t外線紅外線微波微波760nm400nm 可見光可見光 電電 磁磁 波波 譜譜紅外線紅外線 紫外線紫外線 射射 線線X射線射線長波無線電波長波無線

40、電波61010101410181022102104108101210161020102410010頻率頻率Hz1610810波長波長m4104100108101210短波無線電波短波無線電波電磁波譜電磁波譜cm1.0m1034nm400nm760760nmnm10655nmnm4000.04nmnm5nm04.0無線電波無線電波可可 見見 光光紅紅 外外 線線紫紫 外外 光光x 射射 線線 射射 線線 電磁波譜波長范圍電磁波譜波長范圍 工程上把工程上把紅外線紅外線占據(jù)在電磁波譜中的波段分為占據(jù)在電磁波譜中的波段分為: : 近紅外近紅外、中紅外中紅外、遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紅外四個波段。四個

41、波段。紅外紅外 紅外線和電磁波一樣，以波的形式在空間傳播，紅外線和電磁波一樣，以波的形式在空間傳播， 紅外線在通過大氣層時有三個波段通過率最高：紅外線在通過大氣層時有三個波段通過率最高： 22.6m, 35m, 814m紅外紅外紅外線紅外線熱、光熱、光電能電能 紅外探測器主要有兩大類型紅外探測器主要有兩大類型：1 1） （熱電型）（熱電型）熱探測器熱探測器 包括有：包括有：熱釋電元件熱釋電元件、熱敏電阻、熱電偶等；、熱敏電阻、熱電偶等；2 2） （量子型）（量子型）光子探測器光子探測器 利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的照射下產(chǎn)生光電子利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的照射下產(chǎn)生光電子效應(yīng)，使材料電學(xué)

42、性質(zhì)發(fā)生變化；效應(yīng)，使材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化； 其中有：光敏電阻、光敏管、光電池等。其中有：光敏電阻、光敏管、光電池等。 q 量子型光子探測器與光電傳感器原理相同，量子型光子探測器與光電傳感器原理相同， 本節(jié)主要介紹本節(jié)主要介紹熱電型紅外探測器熱電型紅外探測器。 光量子型紅外探測器是利用光電效應(yīng)，通過改變電子能量的光量子型紅外探測器是利用光電效應(yīng)，通過改變電子能量的狀態(tài)引起電學(xué)現(xiàn)象，光量子型傳感器有：狀態(tài)引起電學(xué)現(xiàn)象，光量子型傳感器有： 光電導(dǎo)型光電導(dǎo)型（PC），電阻受光照后引起電阻變化；），電阻受光照后引起電阻變化； 光電型光電型（PV），由于光照產(chǎn)生光生電子），由于光照產(chǎn)生光生電子空穴對；空

43、穴對； 光電磁型光電磁型（PEM），利用光電磁），利用光電磁PEM效應(yīng)，器件加電場效應(yīng)，器件加電場 和磁場的同時產(chǎn)生與光照成正比的感應(yīng)電荷；和磁場的同時產(chǎn)生與光照成正比的感應(yīng)電荷； 肖特基型肖特基型（ST），金屬與半導(dǎo)體接觸形成肖特基勢壘），金屬與半導(dǎo)體接觸形成肖特基勢壘 隨光照而變化。隨光照而變化。光量子型探測器光量子型探測器與與熱探測器熱探測器的的區(qū)別區(qū)別： 光量子型光量子型光電探測器探測的光電探測器探測的波長較窄，波長較窄，與器件材料有關(guān)；與器件材料有關(guān)； 熱探測器熱探測器幾乎可以探測幾乎可以探測整個紅外波長整個紅外波長范圍范圍 熱探測器利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測器吸收輻射能后熱探測器利

44、用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測器吸收輻射能后引起溫度升高，使其它物理量變化；引起溫度升高，使其它物理量變化；首先將光輻射能變成材料自身的溫度，首先將光輻射能變成材料自身的溫度， 利用器件對溫度的敏感特性將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號；利用器件對溫度的敏感特性將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號； 包括了包括了光光熱熱電電，兩次信息變換過程。，兩次信息變換過程。光光熱熱階段，物質(zhì)吸收光能，溫度升高；階段，物質(zhì)吸收光能，溫度升高；熱熱電電階段，利用某種效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)換為電信號階段，利用某種效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)換為電信號光光熱熱電電 熱釋電材料熱釋電材料 晶體、陶瓷、塑料等晶體、陶瓷、塑料等鐵電體鐵電體。 鐵電體鐵電體- -壓電體、熱電

45、體、透明的光電晶體。壓電體、熱電體、透明的光電晶體。 熱釋電元件結(jié)構(gòu)熱釋電元件結(jié)構(gòu) 把具有熱釋電效應(yīng)的晶體薄片兩把具有熱釋電效應(yīng)的晶體薄片兩面鍍上電極，將透明電極涂上黑面鍍上電極，將透明電極涂上黑色膜使晶體有利于吸收紅外線。色膜使晶體有利于吸收紅外線。P黑色膜黑色膜電極電極透明電極透明電極P 晶體本身具有一定晶體本身具有一定極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度P； 當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體表面時，薄片溫度體表面時，薄片溫度T升高，表面升高，表面釋放釋放部分電荷，電荷減少，使極化部分電荷，電荷減少，使極化強(qiáng)度降低強(qiáng)度降低P，所以，所以稱熱釋電稱熱釋電。PPTT/自自發(fā)發(fā)極極化化

46、(介質(zhì)）（電導(dǎo)率）溫度一定時，溫度一定時，極化產(chǎn)生的電荷被附極化產(chǎn)生的電荷被附集在外表的自由電荷慢慢中和掉，集在外表的自由電荷慢慢中和掉，不顯電性不顯電性；要讓熱釋電材料要顯示出電特性，要讓熱釋電材料要顯示出電特性，必需用必需用光調(diào)制器光調(diào)制器，使溫度變化；，使溫度變化；光調(diào)制器光調(diào)制器的入射光的入射光頻率頻率必須大于必須大于 電荷中合時間的頻率。電荷中合時間的頻率。 1f 為中和的平均時間為中和的平均時間P黑色膜黑色膜電極電極透明電極透明電極P鐵電體在鐵電體在溫度變化溫度變化時時極化強(qiáng)度發(fā)生變化極化強(qiáng)度發(fā)生變化，無論溫度上升，無論溫度上升還是下降，介質(zhì)從帶電到不帶電有一個還是下降，介質(zhì)從帶電

47、到不帶電有一個中合時間中合時間；要使電荷表現(xiàn)出來，必須使晶體處于要使電荷表現(xiàn)出來，必須使晶體處于冷熱交替冷熱交替變化的工變化的工作狀態(tài)，表面才能產(chǎn)生電荷。作狀態(tài)，表面才能產(chǎn)生電荷。升溫升溫或或降溫降溫時時電荷極性相反電荷極性相反。TTONOFF自發(fā)極化被中合，自發(fā)極化被中合，T P ，中合，中合， T P ， 中合中合 熱釋電傳感器只能檢測變化的信號，檢測時輻射源必須熱釋電傳感器只能檢測變化的信號，檢測時輻射源必須晃動晃動才有信號輸出。才有信號輸出。 通常采用菲涅爾透鏡對移動信號進(jìn)行放大，菲涅爾透鏡通常采用菲涅爾透鏡對移動信號進(jìn)行放大，菲涅爾透鏡相當(dāng)于光柵作用可放大移動信號；相當(dāng)于光柵作用可放

48、大移動信號；菲涅爾透鏡在很多時菲涅爾透鏡在很多時候相當(dāng)于紅外線及可見光的凸透鏡，候相當(dāng)于紅外線及可見光的凸透鏡，與一般的放大鏡不同，它的表面布滿了微小的條紋，在它旋渦狀條與一般的放大鏡不同，它的表面布滿了微小的條紋，在它旋渦狀條紋中包含著許多凸透鏡（簡稱圓環(huán)狀），使得穿過它的光線彎曲即紋中包含著許多凸透鏡（簡稱圓環(huán)狀），使得穿過它的光線彎曲即產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，從而形成放大的影像。產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，從而形成放大的影像。2. 熱釋電元件及等效電路熱釋電元件及等效電路熱釋電元件可視為電流源，熱釋電材料只有在熱釋電元件可視為電流源，熱釋電材料只有在溫度變化溫度變化時才產(chǎn)生電流：時才產(chǎn)生電流：dPdTISS g

49、dtdt熱熱釋釋電電元元件件式中：式中：S S 元件面積；元件面積； g g 熱釋電系數(shù)；熱釋電系數(shù)； P P 極化強(qiáng)度。極化強(qiáng)度。2. 熱釋電元件及等效電路熱釋電元件及等效電路0dPUI ZSZdt 輸出電壓：輸出電壓：熱釋電元件等效電路熱釋電元件等效電路熱釋電元件熱釋電元件絕緣電阻很高，幾十幾百絕緣電阻很高，幾十幾百兆歐，容易引入噪聲，熱釋電元件的電兆歐，容易引入噪聲，熱釋電元件的電荷要形成電壓輸出，要求有荷要形成電壓輸出，要求有較高的輸入較高的輸入電阻電阻，還需用，還需用FETFET進(jìn)行阻抗變換。進(jìn)行阻抗變換。通常熱釋電傳感器已經(jīng)將前極的場效應(yīng)通常熱釋電傳感器已經(jīng)將前極的場效應(yīng)管管FET

50、FET和輸入電阻安裝在管殼中。和輸入電阻安裝在管殼中。2. 熱釋電元件等效電路熱釋電元件等效電路熱釋電元件等效電路熱釋電元件等效電路OUTOUT+V+VGNDGNDR Rs sRgRg 熱釋電元件因紅外線照射產(chǎn)生熱量，材料本身熱釋電元件因紅外線照射產(chǎn)生熱量，材料本身與波長無關(guān)與波長無關(guān)，利用元件的，利用元件的窗口窗口選用不同材料做選用不同材料做濾光器，通過波長選擇確定選擇波長。濾光器，通過波長選擇確定選擇波長。材料有鈮酸鍶鋇、鉭酸鋰，工作溫度材料有鈮酸鍶鋇、鉭酸鋰，工作溫度-40-40+85+85，工作，工作視角視角8585。 紅外傳感器主要用于紅外傳感器主要用于紅外測溫、遙控器、紅外監(jiān)控報警

51、器；紅外測溫、遙控器、紅外監(jiān)控報警器；紅外攝象機(jī)、夜視鏡；紅外攝象機(jī)、夜視鏡；控制裝置：自動門、干手機(jī)、自動水龍頭等；控制裝置：自動門、干手機(jī)、自動水龍頭等；紅外無損檢測：通過測量熱流或熱量來檢測、紅外無損檢測：通過測量熱流或熱量來檢測、 鑒定金屬或非金屬材料的質(zhì)量和內(nèi)部缺陷；鑒定金屬或非金屬材料的質(zhì)量和內(nèi)部缺陷；紅外成像技術(shù)，紅外變像管成像、紅外攝像管紅外成像技術(shù)，紅外變像管成像、紅外攝像管成像、電荷耦合器件（成像、電荷耦合器件（CCD）成像。）成像。 熱釋電紅外報警控制電路熱釋電紅外報警控制電路 人體輻射紅外線波長大致為人體輻射紅外線波長大致為612m，溫度，溫度36 37 人活動的頻率范圍一般在人活動的頻率范圍一般在0.110Hz之間；之間； 熱釋電元件可檢測到熱釋電元件可檢測到10m距離距離，85的水平視角范圍；的水平視角范圍； 傳感器將傳感器將熱熱電電信號送運(yùn)放信號送運(yùn)放A放大，反饋電阻可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)；放大，反饋電阻可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)； 低通輸出一定幅值的直流信號驅(qū)動蜂鳴器告警。低通輸出一定幅值的直流信號驅(qū)動蜂鳴器告警。報警F 222hipp 111333通過菲涅爾透鏡放大了，通過菲涅爾透鏡放大了，可對微小移動進(jìn)行檢測?？蓪ξ⑿∫苿舆M(jìn)行檢測。 紅外報警電路紅外