第6章熱電式傳感器

第六章熱電式傳感器簡介熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的傳感器。它是利用測溫敏感元件的電或磁的參數(shù)隨溫度變化而改變的特性，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化達到測量溫度的目的。熱電式傳感器所基于的物理原理主要有：熱電效應、熱阻效應、熱輻射、介電常數(shù)和導磁率隨溫度變化的特性。熱電偶-利用熱電效應將溫度轉(zhuǎn)換為電勢變化的熱電式傳感器。熱電阻-利用熱阻效應將溫度轉(zhuǎn)換為金屬材料的電阻變化的熱電式傳感器。熱敏電阻-利用熱阻效應將溫度轉(zhuǎn)換為半導體材料的電阻變化的熱電式傳感器。PN結(jié)型溫度傳感器-利用半導體PN結(jié)與溫度的關(guān)系制成。輻射高溫計-利用熱輻射原理制成。主要內(nèi)容6.1熱電偶6.2熱電阻6.3熱敏電阻6.4PN結(jié)溫度傳感器6.5熱電式傳感器的應用熱電效應及其熱電偶基本原理6.1熱電偶6.1.1熱電偶的工作原理

當有兩種不同的導體或半導體A和B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結(jié)點處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為T0

，稱為自由端（也稱參考端）或冷端，回路中將產(chǎn)生一個電動勢，該電動勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為“熱電效應”，兩種導體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電動勢則稱為“熱電勢”，用EAB(T,T0

)表示

。熱電勢由兩部分電勢組成，一部分是兩種導體的接觸電勢，另一部分是單一導體的溫差電勢。

（一）接觸電勢含義：由于兩種不同導體的自由電子密度不同,而在接觸處形成的電動勢。AB＋＋＋－－－eAB(T)機理：接觸面上自由電子密度不同發(fā)生電子擴散；電子擴散速率與兩導體的電子密度有關(guān)，并和接觸區(qū)的溫度成正比。若nA>nB,則在接觸面上由A擴散到B的電子比由B擴散到A的電子數(shù)多。導體A失去電子帶正電荷，導體B獲得電子而帶負荷，在A，B的接觸面便形成一個從A到B的靜電場。這個電場阻礙了電子的繼續(xù)擴散，當達到動態(tài)平衡時，在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢。

（一）接觸電勢兩接點的接觸電勢eAB(T)和eAB（T0）可表示為

eAB(T)，eAB(T0)——導體A、B節(jié)點在溫度T和T0時形成的接觸電動勢；e——電子電荷，e=1.6×10-19C；K——波爾茲曼常數(shù)，

K=1.38×10-23J/K；NAT、NBT

——導體A、B在溫度為T時的電子密度。接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關(guān)。(二)溫差電勢AeA(T,To)ToT溫差電勢原理圖eA(T，T0)——導體A兩端溫度為T、T0時形成的溫差電動勢；T，T0——高低端的絕對溫度；σA——湯姆遜系數(shù)，表示導體A兩端的溫度差為1℃時所產(chǎn)生的溫差電動勢，例如在0℃時，銅的σ=2μV/℃。含義：同一導體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢。大小表示：(二)溫差電動勢機理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，因而從高溫端向低溫端擴散的電子數(shù)比從低溫端擴散到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得電子而帶負電，從而形成一個靜電場。該電場阻礙了電子的繼續(xù)擴散，當達到動態(tài)平衡時，在導體兩端便形成溫差電動勢。（三）熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢NAT、NAT0——導體A在節(jié)點溫度為T和T0時的電子密度(m-3)；NBT、NBT0——導體B在節(jié)點溫度為T和T0時的電子密度(m-3)；σA

、σB——導體A和B的湯姆遜系數(shù)（V/℃）。由于在金屬中自由電子數(shù)目很多，溫度對自由電子密度的影響很小，故溫差電動勢可以忽略不計，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動勢。NAT和NAT0可記做NA，NBT和NBT0可記做NB

，則有在標定熱電偶時，一般使T0為常數(shù)，即EAB(T0)=f（T0）=C(常數(shù))，則(6-6)(6-5)結(jié)論當熱電偶回路的一個端點（冷端）保持溫度不變時，熱電偶回路總的熱電動勢EAB(T,T0)只隨另一端（熱端）的溫度的變化而變化。這樣，回路總的熱電動勢就可以看成為T的函數(shù)。對于各種不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢的函數(shù)關(guān)系是不一樣的。在工程應用中，常用實驗的方法得出不同熱電偶的溫度與熱電動勢的關(guān)系，并做成表格或繪制成曲線。一般稱為分度表。①熱電偶回路的熱電動勢只與組成熱電偶的材料及兩端接點的溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細、形狀無關(guān)。2.熱電偶基本性質(zhì)②只有用不同性質(zhì)的材料才能組合成熱電偶，相同材料不會產(chǎn)生熱電動勢。因為當A、B兩種導體是同一種材料時，ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。③只有當熱電偶兩端溫度不同時，不同材料組成的熱電偶才能有熱電動勢產(chǎn)生；當熱電偶兩端溫度相同時，不同材料組成的熱電偶也不產(chǎn)生熱電動勢，即EAB（T，T0）=0。④導體材料確定后，熱電動勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使eAB（T0）=常數(shù)，則回路熱電動勢EAB（T，T0

）就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的基本原理。⑤對于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，若各接點溫度分別為T1、T2……TN

，閉合回路總的熱電動勢為：3.熱電偶基本定律(1)均質(zhì)導體定律如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電動勢均為零；反之，如果有熱電動勢產(chǎn)生，兩個熱電極的材料則一定是不同的。根據(jù)這一定律，可以檢驗兩個熱電極材料的成分是否相同(稱為同名極檢驗法)，也可以檢查熱電極材料的均勻性。(2)中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種導體C，只要第三種導體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。右圖回路中的總電動勢為：T0T0BTAC如果回路中三個接點的溫度都相同，即T＝T0，則回路總電動勢必為零，即：即則如果按右圖接入第三種導體C，則回路中的總電動勢為：T1CT0T1TBA而所以(3)標準電極定律如果兩種導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就可知。T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC兩式相減得：——（6-13）若一個熱電偶由A、B、C三種導體組成，且回路中三個接點的溫度都相同，則回路總電動勢必為零，即：或即導體A與B組成的熱電偶的熱電動勢也可知。代入（6-13）式可得：解：由標準電極定律，鎳鉻和考銅熱電偶的熱電動勢應等于鎳鉻合金與純鉑熱電偶和考銅與純鉑熱電偶的熱電動勢的差，即例6-1熱端為100℃、冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為-4.0mV，求鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mVBBATnTT0

AAB(4)中間溫度定律熱電偶在兩接點溫度分別為T、T0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度分別為T、Tn和接點溫度分別為Tn、T0時的相應熱電動勢的代數(shù)和。證明：即：對于冷端溫度不是零度時，熱電偶如何制定分度表的問題提供了依據(jù)。

當Tn=0℃時，則：上式說明：只要A、B組成的熱電偶在冷端溫度為零時的“熱電動勢—溫度”關(guān)系已知，則它在冷端溫度不為零時的熱電動勢即可知。

中間溫度定律表明：當在原來熱電偶回路中分別引入與導體材料A、B相同熱電特性的材料C、D即引入所謂補償導線時，只要它們之間連接的兩點溫度相同，則總回路的熱電動勢與兩連接點溫度無關(guān)，只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。熱電偶補償導線接線圖ABTTnTnCDT0T0M由于A與C、B與D的熱電特性相同，由熱電偶的基本性質(zhì)可知：eAC（Tn）=eBD（Tn）=0，則回路總電動勢為:6.1.2常用熱電偶的結(jié)構(gòu)1.普通工業(yè)用裝配式熱電偶圖6-9工業(yè)用裝配式熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖接線盒保險套管絕緣套管熱電偶絲1322．鎧裝（或套管式）熱電偶的結(jié)構(gòu)由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為兩種形式如圖。圖６-1０鎧裝熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意圖1—

金屬套管;2—絕緣材料;3—熱電極(a)接殼式(b)絕緣式圖6-11接殼式與絕緣式熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意圖3．快速反應薄膜熱電偶用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜裝熱電偶。其熱接點極薄(0.01～0.lμm)。4123快速反應薄膜熱電偶1—熱電極;2—熱接點;3—絕緣基板;4—引出線特別適用于對壁面溫度的快速測量。反應時間僅為幾ms。

4．快速消耗微型熱電偶可測鋼水的溫度。用直徑為Φ0.05～0.lmm的鉑銠10一鉑銠30熱電偶裝在U型石英管中，再鑄以高溫絕緣水泥，外面再用保護鋼帽所組成。14235678911101—鋼帽；2—石英；3—紙環(huán)；4—絕熱泥；5—冷端；6—棉花；7—絕緣紙管；8—補償導線；9—套管；10—塑料插座；11—簧片與引出線6.1.3熱電偶材料用作熱電極的材料應具備下面的條件：①溫度測量范圍廣。要求在規(guī)定的溫度測量范圍內(nèi)有較高的測量精確度，有較大的熱電動勢。溫度與熱電動勢的關(guān)系是單值函數(shù)，最好是呈線性關(guān)系。②性能穩(wěn)定。要求在規(guī)定的溫度測量范圍內(nèi)使用時熱電性能穩(wěn)定，均勻性和復現(xiàn)性好。③物理化學性能好。要求在規(guī)定的溫度測量范圍內(nèi)有良好的化學穩(wěn)定性、抗氧化性或抗還原性能。滿足上述條件的熱電偶材料并不很多。我國把性能符合專業(yè)標準或國家標準并具有統(tǒng)一分度表的熱電偶材料稱為定型熱電偶材料。從1988年1月1日起，我國熱電偶和熱電阻的生產(chǎn)全部按國際電工委員會（IEC）的標準，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。但其中的R型（鉑銠13-鉑）熱電偶，因其溫度范圍與S型（鉑銠10-鉑）重合,我國沒有生產(chǎn)和使用。6.1.4熱電偶的種類1.標準型熱電偶(1)鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號B）它的正極是鉑銠絲(鉑70%，銠30%)，負極也是鉑銠絲(鉑94%，銠6%)，俗稱雙鉑銠。測量溫度最高長期可達1600℃，短期可達1800℃。優(yōu)點是材料性能穩(wěn)定，測量精度高，測溫上限高。缺點是在還原性氣體中易被侵蝕，成本高。鉑——pt78，性軟，易受機械處理，溶點1772℃

，化學性質(zhì)穩(wěn)定，但溶于王水（硝酸和鹽酸1：3混合）。鉑族元素：釕、鋨、銠、銥、鈀、鉑，溶點都在1500℃以上，性質(zhì)穩(wěn)定，在自然界中多以游離態(tài)存在。金——AU79，延展性強，比重19.32,熔點1064℃

，在空氣中極穩(wěn)定，不溶于酸或堿，溶于王水及氯化鉀、氯化鈉溶液中。(2)鉑銠10-鉑熱電偶（分度號S）正極是鉑銠絲(鉑90%，銠l0%)，負極是純鉑絲。測量溫度最高長期可達1300℃，短期可達1600℃，一般用來測量1000℃以上的高溫。優(yōu)點是材料性能穩(wěn)定；測量準確度較高，可做成標準熱電偶或基準熱電偶；抗氧化性強，宜在氧化性、惰性氣氛中工作。缺點是在高溫還原性氣體中（如氣體中含CＯ、H2等）易被侵蝕，需要用保護套管；另外其熱電極材料屬貴金屬，成本較高，熱電勢也較弱。國際溫標中規(guī)定它為630.74~1064.43℃溫度范圍內(nèi)復現(xiàn)溫標的標準儀器。正極是鎳鉻合金(88.4～89.7％鎳、9～10％鉻，0.6％硅，0.3％錳，0.4～0.7％鈷)，負極為鎳硅(鎳95.7～97％鎳,2～3％硅,0.4～0.7％鈷)。測溫范圍為-200~+1300℃。優(yōu)點是測溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關(guān)系近似線性、熱電動勢大、高溫下抗氧化能力強、價格低，所以在工業(yè)上應用廣泛。(3)鎳鉻-鎳硅熱電偶（分度號K）缺點是熱電動勢的穩(wěn)定性和精度較B型或S型熱電偶差，在還原性氣體和含有SO2、H2S等氣體中易被侵蝕。測量溫度長期可達1000℃，短期可達1300℃。(4)鎳鉻-銅鎳熱電偶（分度號E）正極是鎳鉻合金，負極是銅鎳合金(銅55%，鎳45%)。測溫范圍為-200~+1000℃。優(yōu)點是熱電動勢較其他常用熱電偶大。適宜在氧化性或惰性氣氛中工作。正極是鐵，負極是銅鎳合金。測溫范圍為-200℃~+1300℃。其特點是價格低、熱電動勢較大（僅次于E型熱電偶）、靈敏度高（約為53μV/℃）、線性度好、價格便宜，可在800℃以下的還原介質(zhì)中使用。主要缺點是鐵極易氧化。(5)鐵-銅鎳熱電偶（分度號J）正極是銅，負極是銅鎳合金，測溫范圍為-200℃~+400℃，熱電勢略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43μV/℃。優(yōu)點是精度高、復現(xiàn)性好、穩(wěn)定性好、價格便宜。缺點是銅極易氧化，故在氧化性氣氛中使用時，一般不能超過300℃。(6)銅-銅鎳熱電偶（分度號T）在0~-100℃范圍內(nèi)，銅-銅鎳熱電偶已被定為三級標準熱電偶，用以檢測低溫儀表的精度，誤差不超過0.1℃。熱電偶類別代號分度號測溫范圍允許誤差鉑銠30-鉑銠6WRRLL-2或B0～1800℃≤800℃，±4.0℃>800℃±0.5%t鉑銠10-鉑WRPLB-3或S0～1600℃≤600℃，±3.0℃>600℃±0.5%t鎳鉻-鎳硅WRNEU-2或K0～1300℃≤400℃，±3.0℃>400℃±0.75%t鎳鉻-考銅

鎳鉻-銅鎳WRK

WREEA-2或E0～800℃

0～1000℃≤300℃，±3.0℃>300℃±1.0%t幾種常用熱電偶的測溫范圍及精確度①銥和銥合金熱電偶：如銥50銠—銥10釕、銥銠40-銥、銥銠60-銥熱電偶。它能在氧化環(huán)境中測量高達2100℃的高溫，且熱電動勢與溫度關(guān)系線性好。2.非標準型熱電偶②鎢錸熱電偶：60年代發(fā)展起來的，是目前一種較好的高溫熱電偶，可使用在真空惰性氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中，但高溫抗氧能力差。國產(chǎn)鎢錸3-鎢錸25、鎢錸-鎢錸20熱電偶使用溫度范圍在300～2000℃，分度精度為1％。主要用于鋼水連續(xù)測溫、反應堆測溫等場合。③金鐵—鎳鉻熱電偶：主要用在低溫測量，可在2～273K范圍內(nèi)使用，靈敏度約為10μV／℃。④鈀—鉑銥15熱電偶：是一種高輸出性能的熱電偶，在1398℃時的熱電勢為47.255mV，比鉑銠10—鉑熱電偶在同樣溫度下的熱電勢高出3倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應用于航空工業(yè)。思考與討論常用熱電偶的結(jié)構(gòu)有哪些？熱電偶有哪些種類？為什么要補償？

熱電偶測量溫度時，要求其冷端（測量端為熱端，通過引線與測量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測量時，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴重影響測量的準確性。在冷端采取一定措施補償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補償。6.1.5熱電偶的冷端補償方法

怎樣補償？

1.冷端恒溫法(1)冰點槽法將熱電偶的冷端置于冰點槽內(nèi)(冰水混合物)，使冷端溫度處于0℃，如圖6-13所示。為了避免冰水導電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。這種裝置通常用于實驗室或精密的溫度測量。mVABT銅導線銅導線試管補償導線熱電偶冰點槽冰水溶液T0儀表補償導線圖6-13冰點槽法(2)其他恒溫器將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持溫度恒定，避免由于環(huán)境溫度的波動而引入誤差。這類恒溫器可以是盛有變壓器油的容器，利用變壓器油的熱惰性恒溫；也可以是電加熱的恒溫器。這類恒溫器的溫度不是0℃，所以最后還需對熱電偶進行冷端溫度修正。2.補償導線法利用補償導線，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所(如儀表室)。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶的兩個熱電極分別與兩補償導線的接點溫度一致，就不會影響熱電動勢的輸出。例6-2采用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量爐溫。熱端溫度為800℃，冷端溫度為50℃。為了進行爐溫的調(diào)節(jié)與顯示，必須將熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢信號送到儀表室，儀表室的環(huán)境溫度恒為20℃。首先由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出它在冷端溫度為0℃，熱端溫度分別為800℃、50℃、20℃時的熱電動勢：E(800，0)＝33.277mV；如果熱電偶與儀表之間直接用銅導線連接，根據(jù)中間導體定律，輸入儀表的熱電動勢為：E(50，0)＝2.022mV；E(20，0)=0.798mV。E(800，50)=E(800，0)-E(50，0)

=(33.277-2.022)mV

=31.255mV查分度表知，對應31.255mV的溫度是751℃。與爐內(nèi)真實溫度相差49℃。如果在熱電偶與儀表之間用補償導線連接，相當于將熱電極延伸到儀表室，輸入儀表的熱電動勢為E(800，20)=E(800，0)-E(20，0)

=(33.277-0.798)mV

=32.479mV查分度表知，對應32.479mV的溫度是781℃，與爐內(nèi)真實溫度相差19℃。若冷端溫度恒定，但并非0℃，要使測出的熱電動勢只反映熱端的實際溫度，則必須對溫度進行修正。修正公式如下：3.計算修正法例6-3用鎳鉻-鎳硅熱電偶測某一水池內(nèi)水的溫度，測出的熱電動勢為2.436mV。再用溫度計測出環(huán)境溫度為30℃(且恒定)，求池水的真實溫度。解：由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表查出E(30，0)=1.203mVE(T，0)=E(T，30)+E(30，0)=2.436mV+1.203mV=3.639mV所以：查分度表知其對應的實際溫度為T=88℃。即池水的真實溫度是88℃。4.電橋補償（又稱冷端補償器）法圖6-14補償電橋T0I2I1+ERSRTR3R1R2－ATT0BU回路輸出電壓為:U=E（T，T0）+(UT－U3)只要能滿足下式即可達到自動補償?shù)哪康?/p>

如果熱電偶的冷端溫度變化范圍為0~+50℃，熱電偶選用鉑銠10-鉑。查分度表得出△E為0.299mV，因此補償電阻Rt的阻值可以根據(jù)上式求出。5.顯示儀表零位調(diào)整法當熱電偶通過補償導線連接顯示儀表時，如果熱電偶冷端溫度不是0℃，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調(diào)的場所），可預先將有零位調(diào)整器的顯示儀表的指針從刻度的初始值調(diào)至已知的冷端溫度值上，這時顯示儀表的示值即為被測量的實際溫度值。6.軟件處理法對于計算機系統(tǒng)，不必全靠硬件進行熱電偶冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為0℃的情況，只需在采樣后加一個與冷端溫度對應的常數(shù)即可。對于T0經(jīng)常波動的情況，可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號輸入計算機，按照運算公式設計一些程序，便能自動修正。思考與討論熱電偶的冷端補償方法有哪些？利用了什么原理？6.1.6熱電偶測溫線路1.測量某一點的溫度流過測溫毫伏表的電流為:圖6-15單點測溫線路TnT0T0TnCDMRLEABT2.測量兩點之間的溫度差圖6-16測兩點溫差線路AT2儀表BT1CDT0’T0BAC回路內(nèi)的總電動勢為:因為故3.熱電偶并聯(lián)線路圖6-17并聯(lián)測量線路T1R1T0T2R2T0’T3R3T0’’儀表ABABAB每只熱電偶的輸出為：回路總的熱電動勢為:4.熱電偶串聯(lián)線路圖6-18串聯(lián)測量線路T0DCCT0DT1T2儀表T3ABDCABAB因為所以熱電阻是利用導體材料的電阻隨溫度變化而變化的特性來實現(xiàn)對溫度的測量的。6.2熱電阻熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。應用于-200~600℃范圍內(nèi)的溫度測量熱電阻＝電阻體＋絕緣套管＋接線盒熱電阻的材料要求：電阻溫度系數(shù)要大；電阻率盡可能大，熱容量要小，在測量范圍內(nèi)，應具有穩(wěn)定的物理和化學性能；電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性；應有良好的可加工性，且價格便宜。6.2.1熱電阻的類型1.裝配式熱電阻2.鎧裝熱電阻3.端面熱電阻4.隔爆型熱電阻6.2.2常用的幾種熱電阻1.鉑熱電阻鉑電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可以近似用下式表示：在0～630.74℃范圍內(nèi)，金屬鉑的電阻值與溫度的關(guān)系為：在-190～0℃范圍內(nèi)，金屬鉑的電阻值與溫度的關(guān)系為：0℃時的電阻值t℃時的電阻值A、B、C分度系數(shù)其中：A=3.96847×10-2/℃；

B=-5.847×10-7/℃2；

C=-4.22×10-12/℃3)可以看出，它們的高次項很小。鉑電阻在0~100℃時的最大非線性偏差小于0.5℃；R0不同，Rt與t的關(guān)系也不同。鉑容易提純，其物理、化學性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定。鉑電阻的輸出—輸入特性接近線性，且測量精度高，所以它能用作工業(yè)測溫元件和作為溫度標準。按國際溫標IPTS-68規(guī)定，在-259.34℃~630.73℃溫域內(nèi)，以鉑電阻溫度計作基準器。溫度/℃0102030405060708090電阻值/Ω-2007.95-10027.4425.5423.6321.7219.7917.8515.9013.9311.959.96-046.0044.1442.3440.5038.5636.8034.9433.0834.2129.33046.004708249.6451.4553.2655.0656.8658.6560.4362.2110063.9965.7667.5269.2871.0372.7874.5276.2677.9979.7120081.4383.1584.8686.5688.2689.9691.6493.3395.0096.6830098.34100.01101.66103.31104.96106.60108.23109.86111.84113.10400114.72116.32117.93119.52121.11122.70124.28125.86127.94128.99500130.55132.10133.65135.20136.73138.27139.79141.32142.83144.34600145.85147.35148.84150.33151.81153.30

WZB型鉑電阻分度表R0=46Ω規(guī)定分度號BA-1分度系數(shù)A=3.39648710-2/℃；

B=-5.84710-7/℃2；C=-4.2210-12/℃4溫度/℃0102030405060708090電阻值/Ω-20017.28-10059.6555.5251.3847.2143.0238.8034.5630.2925.9821.65-0100.0096.0392.0488.0484.0380.1075.9671.9167.8463.750100.00103.96107.91110.85115.78119.70123.60127.49131.37135.24100139.10142.95146.78150.6054.41158.21162.00165.78169.54173.29200177.03180.75186.48188.10191.88195.56159.23202.89206.53210.07300213.79217.40221.00224.59228.17231.76235.29238.83242.36245.88400249.38252.88256.36259.83263.29266.78270.18272.60277.01280.41500283.86287018290.55293.91297.25300.58303.90307.21310.50313.79600317.06320.22323.57326.80330.03333.25WZB型鉑電阻分度表R0=100Ω規(guī)定分度號BA-2分度系數(shù)A=3.39648710-2/℃；

B=-5.84710-7/℃2；C=-4.2210-12/℃4在-50～150℃范圍內(nèi)，銅電阻化學、物理性能穩(wěn)定，輸出—輸入特性接近線性，價格低廉。2.銅熱電阻銅電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可近似表示為：銅電阻的缺點是電阻率低，體積大，熱慣性大，在100℃以上時易氧化。⑴銦電阻銦電阻用99.999%高純度的銦絲繞成電阻，適宜在-269～-258℃溫度范圍內(nèi)使用。實驗證明，在4.2K~15K范圍內(nèi)，銦電阻靈敏度比鉑電阻高10倍。銦電阻的缺點是材料軟，復制性差。3.其他熱電阻⑵錳電阻錳電阻適宜在-271℃～-210℃溫度范圍內(nèi)使用。其優(yōu)點是在2K~63K溫度范圍內(nèi)電阻隨溫度變化大，靈敏度高。錳電阻的缺點是材料脆，難拉成絲。⑶碳電阻碳電阻適宜在-273℃～-268.5℃溫度范圍內(nèi)使用。其優(yōu)點是熱容量小，靈敏度高，價格低廉，操作簡便。但是碳電阻的熱穩(wěn)定性較差。

Rt為熱電阻,r1

、r2、r3為引線電阻,R1

、R2為兩橋臂電阻,R1=R2,R3為調(diào)整電橋的精密電阻。M表內(nèi)阻很大，故電流近似為零。當UA=UB時電橋平衡。若使r1=r2,則R3=Rt,就可消除引線電阻的影響。1.三線式電橋連接法6.2.3熱電阻測量電路R1R2R3Rtr1r3r2EABM圖6-19三線接法2.四線式電阻測量電路圖6-20四線式測量線路r1r2r3r4RtIVIMEM電壓表恒流源因IVIM,IV0,又EM=E+IV（r2+r3

）由上式知引線電阻r1~r4將不引起測量誤差。電壓表的值EM可認為是熱電阻Rt上的壓降，據(jù)此可計算出微小溫度變化。思考與討論常用熱電阻有哪些？熱電阻的測量電路有哪幾種？6.3熱敏電阻熱敏電阻是利用半導體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實現(xiàn)測溫的。半導體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動態(tài)特性好，特別適于在-100℃～300℃之間測溫。熱敏電阻的缺點是互換性較差，另外其熱電特性是非線性的。6.3.1熱敏電阻的結(jié)構(gòu)熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷（Co）、錳（Mn）、鎳（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高溫燒結(jié)而成。其形狀有珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等。（b）片狀（c）桿狀（d）墊圈狀圖6-21熱敏電阻的結(jié)構(gòu)類型（a）珠狀玻璃殼熱敏電阻引線6.3.2熱敏電阻的基本參數(shù)1.標稱電阻RH標稱電阻值是熱敏電阻在25±0.2℃、零功率時的阻值，也叫冷電阻。2.材料常數(shù)BN材料常數(shù)是表征負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器材料的物理特性常數(shù)。BN值決定于材料的激活能?E，它們之間滿足下面的函數(shù)關(guān)系式3.電阻溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度每變化1℃時電阻值的變化率叫做熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)。即：4.耗散系數(shù)H熱敏電阻器溫度每變化1℃所耗散的功率變化量。5.時間常數(shù)τ熱敏電阻器在零功率測量狀態(tài)下，當環(huán)境溫度突變時電阻器的溫度變化量從開始到最終變量的63.2％所需的時間稱為熱敏電阻的時間常數(shù)6.最高工作溫度Tmax熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下長期連續(xù)工作所允許的最高溫度。

熱敏電阻主要有三種類型，即正溫度系數(shù)型(PTC)、負溫度系數(shù)型(NTC)、和臨界溫度系數(shù)型(CTR)。CTR臨界熱敏電阻有一突變溫度，此特性可用于自動控溫和報警電路中。6.3.3熱敏電阻的主要特性1081021041060圖6-22三類熱敏電阻的溫度特性溫度（℃）電阻（Ω）NTCCTRPTC4080120160180NTC熱敏電阻的阻值-溫度關(guān)系為：1.NTC熱敏電阻的電阻—溫度特性BN

為熱敏電阻的材料常數(shù)，一般BN

為2000~600K，高溫下BN

將增大?；虮硎緸椋簣D6-23NTC熱敏電阻器的電阻--溫度曲線-101/T(oC-1)10510410310201030507085100120LnRT圖中直線的斜率就是熱敏電阻的材料常數(shù)BN。不同材料的BN不同，右圖為不同BN的RT/R25—T特性曲線RT/R2502550751250.51.522.531(1，25oC)T（oC）100為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25℃作為參考溫度（即T0=25℃），則NTC熱敏電阻器的電阻—溫度關(guān)系式可寫成：2.PTC熱敏電阻的電阻—溫度特性PTC的電阻—溫度特性是利用正溫度系數(shù)熱敏材料在居里點附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相變引起導電率突變獲得的，如圖6-25所示。圖6-25PTC的電阻—溫度曲線T225010001000010010020015010050T（℃）T1電阻（Ω）由實驗得到：在工作溫度范圍內(nèi)，PTC的電阻—溫度特性可近似用下面的公式表示：對上式取對數(shù)得：圖6-26lnRT

--T特性曲線

mRTLnRT2LnRT1T2T1lnRrBPβLnRT0mr圖線的斜率即為BP：對熱敏電阻進行線性化處理的最簡單方法是用溫度系數(shù)很小的精密電阻與熱敏電阻串或并聯(lián)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(常稱為線性化網(wǎng)絡)代替單個熱敏電阻，其等效電阻與溫度呈一定的線性關(guān)系。6.3.4熱敏電阻輸出特性的線性化處理

圖中熱敏電阻Rt與補償電阻Rx串聯(lián),串聯(lián)后的等效電阻R=Rt+Rx

，只要Rx的阻值選擇適當，可使溫度在某一范圍內(nèi)與電阻的倒數(shù)成線性關(guān)系，所以電流I與溫度T成線性關(guān)系。ERxRt串聯(lián)補償電路RxRt+RxRt溫度電阻Rt//RxRxRt電阻溫度并聯(lián)補償電路RxRt圖中熱敏電阻Rt與補償電阻Rx并聯(lián)，其等效電阻R=Rt//Rx

。由圖可知，R與溫度的關(guān)系曲線便顯得比較平坦。因此可以在某一溫度范圍內(nèi)得到線性的輸出特性。型號用途標準阻值25°C(kΩ)額定功率

(W)時間常數(shù)

(s)耗散系數(shù)mw/°CMF-11溫度補償0.01~150.5605MF-13溫度補償0.82~3000.25804MF-16溫度補償10~10000.51157~7.6RRC2測控溫6.8~10000.4207~7.6RRC7B測控溫3~1000.030.57~7.6RRP7~8作可變電阻器30~600.250.40.25RRW2穩(wěn)定振幅6.8~5000.030.50.2常用熱敏電阻思考與討論熱敏電阻有哪幾種類型？解釋它們的電阻——溫度特性。6.4

PN結(jié)溫度傳感器利用PN結(jié)的結(jié)電壓隨溫度成近似線性變化這一特性實現(xiàn)對溫度的檢測、控制和補償?shù)裙δ?。可直接用半導體二極管或?qū)雽w三極管接成二極管做成PN結(jié)溫度傳感器。這種傳感器的測溫范圍為-50℃至150℃，與其他的溫度傳感器相比有較好的線性度，且尺寸小、響應快、靈敏度高、熱時間常數(shù)小，因此用途較廣。6.4.1溫敏二極管、三極管1.溫敏二極管的工作原理理想二極管的伏安特性可近似表示為：只要滿足正向電壓UF大于幾個kT/q，其正向電流IF與UF及溫度T之間的關(guān)系可表示為：兩邊除以Is

，取對數(shù)得：所以上式表明：在一定電流下，二極管正向電壓隨溫度的升高而降低，呈負溫度系數(shù)。（只要它們工作在PN結(jié)空間電荷區(qū)中的復合電流和表面漏電流可以忽略）經(jīng)研究表明，對于鍺和硅二極管，在相當寬的一個溫度范國內(nèi)．其正向電壓與溫度之間的關(guān)系與上式吻合。對于不同的工作電流，溫敏二極管的UF-T關(guān)系是不同的；但是UF-T

之間總是線性關(guān)系。例如2DWMl型硅溫敏二極管，在恒流下，UF-T

在-50~+150℃范圍內(nèi)呈很好的線性關(guān)系。另外：上式只對擴散電流成立，但實際二極管的正向電流還包括空間電荷區(qū)中的復合電流和表面復合電流。故實際二極管的電壓—溫度特性是偏離理想情況的。2.溫敏三極管的工作原理利用三極管發(fā)射結(jié)正向電壓Ube隨溫度上升而下降的原理。由于在發(fā)射結(jié)正向偏置下，雖然發(fā)射結(jié)電流也包括擴散電流、空間電荷的復合電流和表面復合電流三種成分，但只有其中的擴散電流能夠到達集電極形成集電極電流Ic，而另兩種電流則作為基極電流漏掉。因此，晶體管的Ic—Ube關(guān)系比二極管的IF—UF關(guān)系更符合理想情況，所以表現(xiàn)出更好的電壓—溫度線性關(guān)系。NPN晶體管的基極—發(fā)射極電壓與溫度T和Ic的函數(shù)關(guān)系為：若Ic恒定，則Ube僅隨溫度T成單調(diào)單值函數(shù)變化?；緶y溫電路溫敏晶體管作為負反饋元件跨接在運算放大器的反相輸入端和輸出端，基極接地。如此連接的目的是使發(fā)射結(jié)為正偏。而集電結(jié)幾乎為零偏。C虛地RVA+-ERC-Ube圖6-28溫敏晶體管測溫電路零偏的集電結(jié)使得集電結(jié)電流中不需要的空間電荷的復合電流和表面復合電流為零，而發(fā)射結(jié)電流中的發(fā)射結(jié)空間電荷復合電流和表面漏電流作為基極電流流入地。因此，集電極電流完全由擴散電流成分組成。集電極電流Ic只取決于集電極電阻RC和電源E，保證了溫敏晶體管的Ic恒定。電容C的作用是防止寄生振蕩。

將溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一芯片的集成化溫度傳感器。其最大優(yōu)點是直接給出正比于絕對溫度的理想的線性輸出，另外，體積小、成本低廉。因此，它是現(xiàn)代半導體溫度傳感器的主要發(fā)展方向之一。目前，已經(jīng)廣泛用于-50~+150℃溫度范圍內(nèi)的溫度監(jiān)測、控制和補償?shù)脑S多場合。6.4.2集成溫度傳感器晶體管的Ube在Ic恒定條件下，認為與溫度呈線性關(guān)系；但實際上關(guān)系式中仍然存在非線性項，另外這種關(guān)系也不直接與任何溫標(絕對、攝氏、華氏等)相對應。此外溫敏晶體管Ube值在同一生產(chǎn)批量中，可能有±100mv的離散性。1.基本原理因此集成溫度傳感器中均采用一對非常匹配的差分對管作為溫度敏感元件，采用下圖的電路形式，使其直接給出正比于絕對溫度的嚴格的線性輸出。電路中ＶＴ1、ＶＴ2是結(jié)構(gòu)和性能完全相同的晶體管，它們分別在不同的集電極電流IＣ1和IＣ2下工作。由圖可見，R１的電壓應為ＶＴ1和ＶＴ2的基極發(fā)射極電壓差。圖6-29差分對管電路IC2VＴ1R1+EΔUbeR2IC1VＴ2由于兩管集電極面積相等，因此，集電極電流比應等于集電極電流密度比，即：故只要保持兩管的集電極電流密度之比不變，R１上的電壓ΔUbe將正比于絕對溫度T。若兩管增益很高，則基極電流可以忽略不計，那么集電極電流等于發(fā)射極電流，則即Ic2T。因此R2上的電壓也正比于絕對溫度T。又因為Ic１/Ic2保持不變，則Ic１T，于是電路總電流I=（Ic１+Ic2）T。

集成溫度傳感器按輸出信號可分為電壓型和電流型兩種。電壓型的溫度系數(shù)約為10mV/℃；電流型的溫度系數(shù)約為1μA/℃。這就很容易從它們輸出信號的大小換算成絕對溫度，而且其輸出電壓或電流與絕對溫度成線性關(guān)系。2.集成溫度傳感器的信號輸出方式右圖所示電路常被稱為電流鏡PTAT核心電路。該電路是在差分對管電路的基礎上，用兩只PNP管分別與ＶT1和ＶT2串聯(lián)組成所謂的電流鏡，兩PNP管具有完全相同的結(jié)構(gòu)和性能，且發(fā)射極偏壓相同，故流過ＶT1和ＶT2的集電極電流在任何溫度下始終相等。(1)電流型集成溫度傳感器圖6-30電流輸出型電路VＴ4+-VＴ3R1I1I2VＴ1VＴ2若PTAT核心電路中兩管增益無窮大，則可忽略Ic隨集電極電壓Ube變化和基極電流的影響。為使ＶT1和ＶT2工作在不同的Jc下，兩管必須采用不同的發(fā)射極面積。設ＶT1和ＶT2發(fā)射極面積之比γ＝８，則兩管的電流密度比為其面積的反比。只要在電路的兩端施加高于2Ube的電壓，R1上得到的電壓為：故流過該電路的總電流為：若電阻R1的溫度系數(shù)為零，則電路的總電流正比于絕對溫度。若取R1=358Ω，代入上式可求得電路的輸出靈敏度為1μA/K。美國AD公司生產(chǎn)的AD590、我國產(chǎn)的SG590都是典型的電流輸出型溫度傳感器。它們的基本電路與圖6-30一樣，只是還增加了一些附加電路以提高其性能。AD590和AD592是電流輸出，二端子IC溫度傳感器，測溫范圍為-55℃~+150℃，靈敏度為1μA/K，Vcc為+4V~+30V。AD590是利用溫度系數(shù)很小的電阻把PTAT電壓變換成PTAT電流。利用晶體管的阻抗變換特性使集電極獲取高阻抗電流輸出，從而可串接阻抗很大的負載把信號放大，使電路的總電流與溫度系數(shù)很小的電阻中的電流成固定比例關(guān)系，而與其制造工藝無關(guān)