第二章熱電傳感器

第2章熱電傳感器2.1熱電勢式測溫傳感器2.2熱電阻式溫度傳感器2.3PN結(jié)型測溫傳感器2.4集成電路溫度傳感器2.5熱釋電式傳感器2.6熱電傳感器應用實例思考題與習題 2.1熱電勢式測溫傳感器

2.1.1工作原理

兩種不同的導體兩端相互緊密地連接在一起，組成一個閉合回路，如圖2.1所示，當兩接點溫度不等(T＞T0)時，回路中就會產(chǎn)生電動勢，從而形成熱電流。這一現(xiàn)象稱為熱電效應。回路中產(chǎn)生的電動勢稱為熱電勢。圖2.1熱電偶的結(jié)構示意圖通常把上述兩種不同導體的組合稱為熱電偶，稱A、B兩導體為熱電極。兩個接點中，一個為工作端或熱端(T)，測量時將它置于被測溫度場中；另一個叫自由端或冷端(T0)，一般要求恒定在某一溫度。

在圖2.1所示的熱電偶回路中，所產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成：接觸電勢和溫差電勢。

接觸電勢的成因是研究熱電偶的一個重點。

下面分析接觸電勢產(chǎn)生的原因。我們知道，不同導體的自由電子密度是不同的。當兩種不同的導體A、B緊密連接在一起時，在A、B的接觸處就會產(chǎn)生電子的擴散。設導體A的自由電子密度大于導體B的自由電子密度(NA＞NB)，那么,在單位時間內(nèi)，由導體A擴散到導體B的電子數(shù)要比導體B擴散到導體A的電子數(shù)多。這時，導體A因失去電子而帶正電，導體B因得到電子而帶負電，于是在接觸表面上便形成了一個電場，在A、B之間形成了一個電位差，即電動勢(見圖2.2)。這個電動勢將阻礙電子由導體A向?qū)wB的進一步擴散。當電子的擴散作用與阻礙擴散的作用相等時，接觸處自由電子的擴散便達到動態(tài)平衡。這種由于兩種導體自由電子密度不同而在其接觸處形成的電動勢，稱為接觸電勢。用符號eAB(T)和eAB(T0)表示導體A和導體B的兩處接觸點在溫度T和T0時形成的電位差。根據(jù)物理學上的推導，有圖2.2兩不同導體接觸處電子的擴散與靜電場的形成(2.1)(2.2)熱電偶熱電勢的另一個組成部分是溫差電勢。溫差電勢是在同一導體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。

實驗與理論均已證明，熱電偶回路的總電勢主要是由接觸電勢引起的。

在圖2.1中，若A為正極，B為負極，則所產(chǎn)生的總電勢為

EAB(T，T0)=eAB(T)－eAB(T0) (2.3)

通過熱電偶理論可以得到如下幾點結(jié)論：

(1)若熱電偶兩電極材料相同，則無論兩接點溫度如何,總熱電勢為零。

(2)若熱電偶兩接點溫度相同，則盡管A、B材料不同，回路中的總電勢等于零。(3)熱電偶產(chǎn)生的熱電勢只與材料和接點溫度有關，與熱電極的尺寸、形狀等無關。同樣材料的熱電極，其溫度和電勢的關系是一樣的。因此，熱電極材料相同的熱電偶可以互換。

(4)熱電偶A、B在接點溫度為T1、T3時的熱電勢，等于此熱電偶在接點溫度為T1、T2與T2、T3兩個不同狀態(tài)下的熱電勢之和，即

EAB(T1，T3)=EAB(T1，T2)+EAB(T2，T3)

=eAB(T1)－eAB(T2)+eAB(T2)－eAB(T3) =eAB(T1)－eAB(T3) (2.4)(5)當熱電極A、B選定后，熱電勢EAB(T，T0)是兩接點溫度T和T0的函數(shù)差，即

EAB(T，T0)=f(T)－f(T0) (2.5)

如果使冷端溫度T0保持不變，則f(T0)=C(常數(shù))。此時，EAB(T，T0)就成為T的單值函數(shù)，即

EAB(T，T0)=f(T)－C=φ(T) (2.6)

這個公式在實際測溫中得到了廣泛應用。當保持熱電偶自由端溫度T0不變時，只要用儀表測出總熱電勢，就可以求得工作端溫度T。2.1.2熱電偶中引入第三導體

在A、B材料組成的熱電偶回路中接入第三導體C，只要引入的第三導體兩端溫度相同，此導體的引入就不會改變總電勢EAB(T，T0)的大小。在實際應用中，熱電偶回路中需接入測量儀表，相當于在熱電偶回路中接入第三導體，如圖2.3所示。圖2.3熱電偶回路中引入第三導體在圖2.3(a)中，2、3兩點的溫度相同，回路中總電勢

EABC(T，T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0) (2.7)

當回路中各接點溫度相同時，總電勢為零，即

EABC(T0，T0)=eAB(T0)+eBC(T0)+eCA(T0)=0

eBC(T0)+eCA(T0)=－eAB(T0) (2.8)

將式(2.8)代入式(2.7)得

EABC(T,T0)=eAB(T)－eAB(T0)=EAB(T,T0) (2.9)

同理可證圖2.3(b)的情況。

由此可見，熱電偶的熱電勢在引入的第三導體兩端溫度相等時，不會因此而受到影響。如果引入的第三導體兩端溫度不相等，則熱電偶產(chǎn)生的電勢將會發(fā)生變化，其變化的大小取決于引入導體的性質(zhì)和兩接點的溫度差。由此可見，第三導體不宜采用與熱電極熱電性質(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。

2.1.3標準熱電極

如果兩種導體(A和B)分別與第三種導體(C)組成熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢已知，則由這兩個導體(A，B)組成的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢可由式(2.10)算得：

EAB(T，T0)=EAC(T，T0)－EBC(T，T0)(2.10)如圖2.4所示，AC、BC、AB為三個熱電偶，工作端溫度為T，冷端溫度為T0，則

EAC(T，T0)=eAC(T)－eAC(T0)

EBC(T，T0)=eBC(T)－eBC(T0)

將上面兩式相減得：

EAC(T,T0)－EBC(T,T0)=eAC(T)－eAC(T0)－eBC(T)+eBC(T0)

=［eAC(T)－eBC(T)］－［eAC(T0)－eBC(T0)］ (2.11)

由式(2.8)有

eBC(T0)－eAC(T0)=－eAB(T0)

eAC(T)－eBC(T)=eAB(T)于是式(2.11)可寫為

EAC(T，T0)－EBC(T，T0)=EAB(T，T0) (2.12)

由此可見，若任意幾個熱電極與一標準熱電極組成熱電偶產(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時的熱電勢。通常用純鉑(Pt)作為標準熱電極。圖2.4通過標準熱電極C求組合熱電偶的熱電勢2.1.4熱電偶冷端溫度誤差及其補償

1.0℃恒溫法

將熱電偶的冷端保持在0℃器皿中，如圖2.5所示。此法適用于實驗室，它能使冷端溫度誤差得到完全的克服。圖2.5冷端0℃恒溫

2.冷端恒溫法

將熱電偶的冷端置于一恒溫器內(nèi)，如恒定溫度為T0℃，則冷端誤差Δ為

Δ=EAB(T，T0)－EAB(T，0)=－EAB(T0，0)

由上式可見，它雖不為零，但為一個定值。只要在回路中加入相應的修正電壓，或調(diào)整指示裝置的起始位置，即可達到完全補償?shù)哪康摹?/p>

3.冷端補償器法

工業(yè)上，常采用冷端補償器法。冷端補償器是一個四臂電橋，其中三個橋臂電阻的溫度系數(shù)為零，另一橋臂采用銅電阻RCu(其值隨溫度變化)，放置于熱電偶的冷接點處，如圖2.6所示。通常，取T0=20℃時電橋平衡(R1=R2=R3=RCu=20℃)。此時，若不考慮Rs和四臂電橋的負載影響，則圖2.6冷端補償器法的原理當T0上升(如T0=Tn)時，RCu上升，

，ΔUab上升。由于

U=ΔUab+eAB(T)－eAB(20)－eAB(Tn－20)

而補償器選擇的RCu產(chǎn)生的ΔUab=eAB(Tn－20)，因此U維持公式：

U=eAB(T)－eAB(20)

冷端補償器所產(chǎn)生的不平衡電壓正好補償了由于冷端溫度變化引起的熱電勢變化值，儀表便可指示出正確的溫度測量值。

4.補償導線法

當熱電偶冷端的溫度由于受熱端溫度的影響在很大范圍內(nèi)變化時，直接采用冷端溫度補償法將很困難。此時，應先采用補償導線法(對于廉價熱電偶，可以采用延長熱電極的方法)將冷端遠移至溫度變化比較平緩的環(huán)境中，再采用上述補償方法進行補償。

5.采用不需要冷端補償?shù)臒犭娕?/p>

目前已經(jīng)知道，鎳鈷-鎳鋁熱電偶在300℃以下，鎳鐵-鎳銅熱電偶在50℃以下，鉑銠30-鉑銠6熱電偶在50℃以下的熱電勢均非常小。只要實際的冷端溫度在其范圍內(nèi)，使用這些熱電偶就可以不考慮冷端誤差。

6.補正系數(shù)修正法

工程上經(jīng)常采用補正系數(shù)法來實現(xiàn)補償。設冷端溫度為tn，工作端測得溫度場的溫度為t1，其實際溫度應為

t=t1+ktn

式中：k為補正系數(shù)，可從表2.1所示的補正系數(shù)表中查得。表2.1熱電偶補正系數(shù)2.1.5常用熱電偶的特性

雖說許多金屬相互結(jié)合都會產(chǎn)生熱電效應，但是能做成適于測溫的實用熱電偶者為數(shù)不多。目前常用熱電偶的種類及特性見表2.2，部分對應的分度表見表2.3～表2.9。ITS-90是根據(jù)第18屆國際計量大會(CGPM)及第77屆國際計量委員會(CIPM)的決議于1989年通過，并于1990年1月1日生效且在國際上正式采用的，用其替代“1968年國際實用溫標(IPTS-68)”和“1976年0.5～30K暫行溫標(EPT-76)”。從1994年1月1日起，我國全面施行ITS-90。表2.2常用熱電偶的種類及特性表2.3鉑熱電阻Pt100分度表(ITS-90)表2.4銅熱電阻Cu100分度表(ITS-90)表2.5鉑銠10-鉑熱電偶(S型)分度表(ITS-90)表2.6鉑銠30-鉑銠6熱電偶(B型)分度表(ITS-90)表2.7鎳鉻-鎳硅-熱電偶(K型)分度表(ITS-90)表2.8鐵-銅鎳(康銅)熱電偶(J型)分度表(ITS-90)表2.9銅-銅鎳(康銅)熱電偶(T型)分度表(ITS-90)由于熱電偶能直接進行溫度-電勢轉(zhuǎn)換，而且體積小，測溫范圍廣，因此獲得了廣泛的應用。熱電偶的結(jié)構除普通型外，還有具有保護外套的鎧裝(也叫纜式)熱電偶、薄膜熱電偶等。薄膜熱電偶是用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極金屬蒸鍍到絕緣基板上，兩者牢固地結(jié)合在一起，形成薄膜狀熱接點。在輻射檢測器中，常采用多個熱電偶組成熱電堆，構成熱量型檢測器，實現(xiàn)將輻射熱轉(zhuǎn)換為相應的電信號。

熱電偶有各種各樣的規(guī)格，且形狀各異。圖2.7～圖2.9給出了包頭永華儀器儀表有限公司生產(chǎn)的幾種熱電偶/阻。圖2.10所示為無錫惠鑫熱工儀表有限公司生產(chǎn)的小型熱電偶。圖2.7防爆熱電偶/阻圖2.8裝配熱電偶/阻圖2.9鎧裝熱電偶/阻圖2.10無錫惠鑫熱工儀表有限公司生產(chǎn)的小型熱電偶2.1.6熱電偶的測量電路

熱電偶的輸出電壓很小，通常每度只有數(shù)十微伏(μV),要求測量用的運算放大器的漂移必須很小，有關元件也需認真選擇。圖2.11所示為日本K型熱電偶的測量電路和元件表。實際中應注意濾波器的電容C1，若其漏電流大，則會產(chǎn)生很大的偏移電壓。例如，C1的漏電流若為0.1μA，電阻R3為1kΩ，就會產(chǎn)生0.1μA×1kΩ=100μV的偏移電壓。圖2.11K型熱電偶的測量電路和元件表表2.10給出了K、J、E、T型熱電偶產(chǎn)生的相對于基準點冷端(0℃)的溫差電勢。由表2.10可知，K型熱電偶在0℃時輸出為0mV，600℃時輸出為24.902mV。如果放大器的增益由電位器RP1調(diào)整為240.94倍，則0℃時輸出為0V，600℃時輸出為6.000V。表2.10K、J、E、T型熱電偶產(chǎn)生的相對于基準點冷端(0℃)的溫差電勢以600℃的輸出作為滿刻度，繪出其非線性誤差曲線，如圖2.12所示。圖2.12K型熱電偶的非線性誤差線性校正電路有多種實現(xiàn)方法，這里介紹高次多項式線性校正電路的實現(xiàn)。

熱電偶的溫差電勢可近似表示為

EAB(T1，0)=a0+a1T+a2T2+…+aNTN

其中，T為溫度；a0、…、aN為系數(shù)。因此高次冪運算電路就能作為線性校正電路。電路運算次數(shù)越高，線性精度也越高，但價格、響應時間等將隨之提高。一般只考慮到2次，此時已能將線性校正到很高的精度。

對于溫差電勢的近似表達式，可由切比雪夫(Chebyshev)展開式求得。只要自編或從程序庫(有關程序資料)中找到該程序，上機運行，輸入Uj(熱電偶的溫差電勢)、Yi(溫度)(i=1,2,…,N；j=1,2,…,N)，如輸入K型熱電偶溫度Y1=0,Y2=100等,再輸入對應的U1=0mV,U2=4.095mV等,所得結(jié)果為

Uout=－0.776+24.9952Ui－0.0347334U2i(mV)

此處僅取2次。

在600℃時，溫差電勢Ui=E=24.902mV，代入上式得輸出為600mV。要得到6V(=6000mV)，上式應增大10倍，于是

Uout=－7.76+249.952Ui－0.347334U2i(mV)

由上式不難驗證，在300℃時，E=12.207mV,Uout=2991.6mV(相當299.2℃)；在600℃時，E=24.902mV，Uout=6001.2mV(相當600.1℃)?？梢姡敵霰恍Ｕ?。上述只是理論上的校正分析，實現(xiàn)方法之一還要靠平方電路。集成模擬乘法器就能完成這一功能。

現(xiàn)使用AD538構成校正電路。這種集成電路有三個輸入UX、UY、UZ，且滿足如下函數(shù)關系式：

用AD538作為平方電路既簡單又方便。AD538的特性參數(shù)如表2.11所示。表2.11AD538的特性參數(shù)(Us=+15V,Ta=25℃)AD538的內(nèi)部結(jié)構框圖如圖2.13所示。圖2.13AD538的內(nèi)部結(jié)構框圖圖2.14所示為由AD538構成的線性校正電路，由R1～R4確定一次系數(shù)和二次系數(shù)的增益。AD538的4腳輸出10V基準電壓。如圖連接時，函數(shù)關系式中的m=1,UY=UZ=Ua，UX=10V。

Uout=－7.76+249.952Ui－5.56×10－6×(249.952Ui)2

=－7.76+Ua－5.56×10－6U2a(mV)

式中，Ua=249.952Ui，一次系數(shù)為1，二次系數(shù)為5.56×10－6。

AD538的 ，故

Uout=－7.76+Ua－0.0556Uo(mV)圖2.14K型熱電偶的線性校正電路和元件表校正與不校正，其結(jié)果大不一樣，如圖2.15所示。在沒有線性校正電路時，有近1%的非線性誤差，而有校正電路時只有約0.1%～0.2%的非線性誤差。圖2.15K型熱電偶校正前后溫度誤差特性比較 2.2熱電阻式溫度傳感器

2.2.1金屬測溫電阻器

1.電阻與溫度的關系

大多數(shù)金屬導體的電阻隨溫度而變化的關系可由式(2.13)表示：

Rt=R0［1+α(t－t0)］ (2.13)

式中：Rt,R0——分別為熱電阻在t℃和t0℃時的電阻值；

α——熱電阻的電阻溫度系數(shù)(1／℃)；

t——被測溫度(℃)。由式(2.13)可見，只要α保持不變(常數(shù))，金屬電阻Rt就將隨溫度線性地增加，其靈敏度S為

由此可見，α越大，S就越大。純金屬的電阻溫度系數(shù)α為(0.3～0.6)%／℃。但是，絕大多數(shù)金屬導體的α并不是常數(shù)，它也隨溫度的變化而變化，只能在一定的溫度范圍內(nèi)把它近似地看做一個常數(shù)。對于不同的金屬導體，α保持常數(shù)所對應的溫度不相同，而且這個范圍均小于該導體能夠工作的溫度范圍。通常采用的金屬感溫(或稱測溫)電阻有鉑、銅和鎳。由于鉑具有很好的穩(wěn)定性和測量精度，因此人們主要把它用于高精度的溫度測量和標準測溫裝置。

按照國際電工委員會IEC751國際標準，溫度系數(shù)TCR=0.003851,Pt100(R0=100Ω)、Pt1000(R0=1000Ω)為統(tǒng)一設計型鉑電阻，且 。Pt100和Pt1000在0℃和100℃時的標準電阻值R0和R100見表2.12。表2.12Pt100和Pt1000在0℃和100℃時的標準電阻值如圖2.16所示，鉑電阻與溫度的關系如下：

當－200℃<t<0℃時，

Rt=R0［1+At+Bt2+C(t－100)t3］

當0℃<t<850℃時，

Rt=R0(1+At+Bt2)

式中：Rt——在t℃時的電阻值；

R0——在0℃時的電阻值。圖2.16鉑電阻與溫度的曲線TCR=0.003851時的系數(shù)值如表2.13所示。

鉑電阻Pt100分度表見表2.3，銅電阻Cu100分度表見表2.4。

主要金屬感溫電阻器的性能如表2.14所示。表2.13TCR=0.003851時的系數(shù)表2.14主要金屬感溫電阻器的性能1)裝配式鉑電阻

裝配式鉑電阻由外保護管、延長導線、測溫電阻、氧化鋁裝配而成，產(chǎn)品結(jié)構簡單，適用范圍廣，成本較低，絕大部分測溫場合使用的產(chǎn)品均屬裝配式，其結(jié)構如圖2.17所示。圖2.17裝配式鉑電阻2)鎧裝式鉑電阻

鎧裝式鉑電阻由電阻體、引線、絕緣氧化鎂及保護套管整體拉制而成，頂部焊接鉑電阻，產(chǎn)品結(jié)構復雜，價格較高，比普通裝配式鉑電阻的響應速度更快，抗振性能更好，測溫范圍更寬，并且長度方向可以彎曲，適用于剛性保護管不能插入或需要彎曲測量的部位測溫，但必須注意的是由于頂部是測溫元件所在位置，因此其端部300mm是不得彎曲的，其結(jié)構如圖2.18所示。

圖2.18鎧裝式鉑電阻該公司提供的鉑電阻實物如圖2.19所示。圖2.19鉑感溫電阻傳感器

2.使用時的注意事項

工業(yè)上廣泛應用金屬感溫電阻器進行－200℃～+600℃范圍的溫度測量。它的特點是精度高，適于測低溫。但在使用中需要注意以下兩點：

1)自熱誤差

在用感溫電阻器測量時，電阻總要消耗一定的電功率，它同樣會造成電阻值的變化，但這種變化是不希望的。在使用中應盡量減小由于電阻器通電產(chǎn)生的自熱而引起的誤差。一般做法是限制電流，規(guī)定其值應不超過6mA。2)引線電阻的影響

用于測量的感溫電阻器總得有連接導線，但由于金屬電阻器本身的電阻值很小，所以引線的電阻值及其變化就不能忽略。比如對于50Ω的測溫電阻，1Ω的導線電阻將產(chǎn)生約5℃的誤差，這是不允許的。為此，測量電阻的引線通常采用三線式或四線式接法。

圖2.20中，Rt為熱電阻，r1、r2、r3為引線電阻。在三線式連接法中，一根引線接到電源對角線上，另外兩根分別接到電橋相鄰的兩個臂。這樣，引線電阻值及其變化對儀表讀數(shù)的影響可以互相抵消一部分。圖2.21所示的二線式接法中,兩根引線完全加到一個橋臂上，引線電阻值及其變化將引起電橋輸出變化，造成測溫誤差。圖2.20三線式接法圖2.21二線式接法2.2.2半導體熱敏電阻器

1.分類及特性

半導體熱敏電阻按半導體電阻隨溫度變化的典型特性分為三種類型，即負電阻溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)、正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)和在某一特性溫度下電阻值會發(fā)生突變的臨界溫度電阻(CTR)。它們的特性曲線如圖2.22所示。

由圖2.22可見，使用CTR組成熱控制開關是十分理想的。但在溫度測量中，主要采用NTC，其溫度特性如式(2.14)所示：(2.14)圖2.22三種類型熱敏電阻的典型特性若定義 為熱敏電阻的溫度系數(shù)α，則由式(2.14)有

可見，α隨溫度降低而迅速增大。如B值為4000K，當T=293.15K(20℃)時，用上式可求得α=4.7%/℃，約為鉑電阻的12倍，因此，這種測溫電阻靈敏度高。R0的常用范圍是幾百歐到一百千歐，所以，這種測溫電阻的引線電阻影響小,可以忽略。體積小是半導體熱敏電阻的又一個特點。由于有這些特點，它非常適合于測量微弱的溫度變化、溫差以及溫度場的分布。(2.15)

2.使用時的注意事項

在使用熱敏電阻時，也要注意自熱效應問題，但是，必須特別注意的有如下兩點。

1)熱敏電阻溫度特性的非線性

由式(2.14)可知，熱敏電阻隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律。也就是說，其非線性是十分嚴重的。當需要進行線性轉(zhuǎn)換時，就應考慮其線性化處理。常用的線性化方法有如下幾種。

(1)線性化網(wǎng)絡。該法是利用包含有熱敏電阻的電阻網(wǎng)絡(常稱線性化網(wǎng)絡)來代替單個的熱敏電阻，其一般形式如圖2.23所示。圖2.23熱敏電阻的線性化網(wǎng)絡根據(jù)Rt的實際特性和要求的網(wǎng)絡特性RT(t)，通過計算或圖解方法確定網(wǎng)絡中的電阻R1、R2、R3。目前這種方法用得較多。為了提高設計的準確度，可利用計算機進行。

(2)利用電子裝置中其他部件的特性進行綜合修正。圖2.24是一個溫度-頻率轉(zhuǎn)換電路。它實際是一個三角波-方波變換器，電容C的充電特性是非線性的。適當?shù)剡x取線路中的電阻r和R，加上Rt，可以在一定的溫度范圍內(nèi)得到近似于線性的溫度-頻率轉(zhuǎn)換特性。該電路中：(3)計算修正法。在帶有微處理機(或微型計算機)的測量系統(tǒng)中，當已知熱敏電阻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儲器內(nèi)。計算機根據(jù)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)熱敏電阻器特性的穩(wěn)定性和老化問題

早期熱敏電阻器的應用曾因其特性的不穩(wěn)定、分散性、缺乏互換性和老化問題而受到限制。近十幾年來，隨著半導體工藝水平的提高，產(chǎn)品性能已得到很大的改善?，F(xiàn)在已研制出精度優(yōu)于熱電偶，并具有互換性的熱敏電阻，而且還能制造出300℃以下可忽略老化影響的產(chǎn)品。但不同廠家的產(chǎn)品質(zhì)量差異還比較大，使用時仍應認真選擇。一般地，正溫度系數(shù)熱敏電阻器和臨界溫度熱敏電阻器特性的均勻性要差于負溫度系數(shù)熱敏電阻器。

在輻射熱檢測器中，人們采用薄膜式金屬電阻和熱敏電阻薄膜構成熱量型檢測器，將輻射熱轉(zhuǎn)換成電阻的變化。

3.應用舉例

電動機過熱保護裝置組成電路原理如圖2.25所示。圖2.25電動機過熱保護裝置組成電路原理下面分析圖2.25的工作原理。

設圖中的繼電器為常開型電磁式繼電器，線圈不通電時兩觸點是斷開的，通電后，兩個觸點S就閉合。

把三只特性相同的負溫度系數(shù)熱敏電阻(如RRC6型)(經(jīng)過測試，阻值在20℃時為10kΩ，在100℃時為1kΩ，在110℃時為0.6kΩ)放置在電動機內(nèi)繞組旁，緊靠繞組，每相各放置一只，用萬能膠固定。當電動機正常運轉(zhuǎn)時，溫度較低，熱敏電阻阻值較高，三極管V1截止，繼電器K不動作。當電動機過負荷、斷相或一相通地時，電動機溫度急劇上升,熱敏電阻阻值急劇減小，小到一定值，使三極管V完全導通,繼電器K動作，使S閉合，紅燈亮，從而起到報警保護的作用。熱敏電阻的型號很多，表2.15列出了幾種常用型號，圖2.26～圖2.41給出了南京時恒電子科技有限公司生產(chǎn)的幾種NTC、PTC熱敏電阻實物，供讀者參閱。表2.15常用熱敏電阻圖2.26MF72功率型NTC熱敏電阻器圖2.27MF73超大功率型NTC熱敏電阻器圖2.28MF74超大功率型NTC熱敏電阻器圖2.29MF11、MF12補償型NTC熱敏電阻器圖2.30MF57測溫型NTC熱敏電阻器圖2.31MF51玻封測溫型NTC熱敏電阻器圖2.32MF52珠狀測溫型NTC熱敏電阻器圖2.33MF58玻殼精密型NTC熱敏電阻器圖2.34MF51E測溫型(電子體溫計專用)NTC熱敏電阻系列圖2.35CMF貼片式NTC熱敏電阻器圖2.36MF55系列絕緣薄膜型NTC熱敏電阻器圖2.37CWF精密型NTC溫度傳感器圖2.38MF53-1型NTC測溫用傳感器圖2.39MZ11B型PTC熱敏電阻器圖2.40MZ12A型PTC熱敏電阻器圖2.41MZ11A型系列燈絲預熱用PTC熱敏電阻器 2.3PN結(jié)型測溫傳感器

2.3.1溫敏二極管及其應用

1.工作原理

由PN結(jié)理論可知，對于理想二極管，只要UF大于幾個k0T／q，其正向電流IF與正向電壓UF和溫度T之間的關系就可表示為(2.16)對式(2.16)兩端取對數(shù)，可得作為溫度和電流函數(shù)的正向電壓，即

式(2.17)給出了二極管的正向電壓UF與溫度T之間的關系。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)。

溫度傳感器總是從某一溫度起開始工作。如果在某已知的溫度(如室溫)T1下，工作電流為IF1，那么，相應的正向電壓UF1應滿足式(2.17)，即(2.17)

由式(2.17)減去式(2.18)，整理得(2.18)(2.19)

2.基本特性

1)UF-T關系

對于不同的工作電流，溫敏二極管的UF-T關系也將不同。圖2.42給出了國產(chǎn)2DWM1型(遼寧寬甸晶體管廠生產(chǎn))硅溫敏二極管恒流下的UF-T特性。由圖2.42可以看出，在－50℃～+150℃范圍內(nèi)，其UF-T之間具有良好的線性關系。圖2.422DWM1型硅溫敏二極管的UF-T特性2)靈敏度特性

溫敏二極管的靈敏度定義為正向電壓對溫度的變化率。將式(2.19)對T求偏導，可得靈敏度表達式：

由式(2.20)可知，溫敏二極管的靈敏度為負值，且與常數(shù)r、溫度T及電流IF有關。

當IF=IF1時，靈敏度表達式為(2.21)(2.20)從式(2.21)中不難看出，當IF恒定不變時，|S|隨溫度增加而緩慢遞增。

當T=T1時，式(2.21)變?yōu)?/p>

由式(2.22)可知，對于給定的溫敏二極管，只要工作在恒定電流下，在某已知溫度T1下的靈敏度S1就僅取決于電流IF1(或正向電壓UF1)的大小。(2.22)3)自熱特性

溫敏二極管工作時總要通過一定的電流，因此自熱是不可避免的，會致使其結(jié)溫TJ高于環(huán)境溫度TA。研究表明，在穩(wěn)定狀態(tài)下，自熱溫升由式(2.23)給出：

ΔT=TJ－TA=RthP=RthIFUF (2.23)

式中：P——消耗的電功率。

自熱溫升正比于功耗，其比例系數(shù)為熱阻Rth。

將式(2.19)代入式(2.23)，得(2.24)由此可知，對于一定的熱阻Rth，自熱溫升取決于IF和T。顯然，在一定的溫度范圍內(nèi)，對于不同的工作電流，自熱溫升是不同的。

當T=T1，IF=IF1時，由式(2.24)可知，自熱溫升為

可見，隨著IF1的增加，自熱溫升將迅速增加；隨著T1的降低,自熱溫升將增加。對于低溫測量，恒定工作電流一般取10～50μA。在室溫下，對于硅和砷化鎵溫敏二極管，當工作電流大約超過300μA時，就應考慮自熱溫升。然而，對于某些溫度測量，往往有意加大工作電流，使溫敏二極管工作在自熱狀態(tài)下，利用環(huán)境條件的變化對溫敏二極管溫度的影響，實現(xiàn)對某些非溫度量如流體流速和液面位置等的檢測。(2.25)

3.典型應用

利用溫敏二極管的UF-T關系及其自熱特性，已制成了各種溫度傳感器、換能器以及溫度補償器等。圖2.43給出了一個典型應用實例。這是一種簡易溫度調(diào)節(jié)器，用于液氮氣流式恒溫器中77～300K范圍的溫度調(diào)節(jié)控制。V是溫度檢測元件，采用鍺溫敏二極管。調(diào)節(jié)RP1，可使流過V的電流保持在50μA左右。比較器采用集成運算放大器μA741，其輸入電壓為Ur和Ux。Ur為參考電壓，由RP2調(diào)整給定。所要設定的溫度也由Ｕr給定。Ux隨溫敏二極管的溫度變化而變化，而比較器的輸出按差分電壓的變化而變化，并驅(qū)動由晶體管構成的電流控制器，控制加熱器加熱。該溫度調(diào)節(jié)器在30min內(nèi)，控溫精度約為±0.1℃。圖2.43簡易溫度調(diào)節(jié)器2.3.2溫敏晶體管及其應用

1.簡單原理和基本電路

二極管作為溫敏器件是利用了PN結(jié)在恒定電流條件下其正向電壓與溫度之間的近似線性關系，這種關系對擴散電流成立。但是，對于實際的二極管，其正向電流除擴散電流成分外，還包括空間電荷區(qū)中的復合電流成分和表面復合電流成分。后兩個電流成分與溫度的關系不同于擴散電流成分與溫度的關系，因此，實際二極管的電壓-溫度特性將偏離理想情況。采用晶體管代替二極管作為溫敏器件可以很容易地解決這個問題。在發(fā)射結(jié)正向偏置的條件下，雖然發(fā)射極電流包括上述三種成分，但只有其中的擴散電流成分能夠到達集電極而形成集電極電流，另兩個電流成分則作為基極電流漏掉，并不到達集電極。正是由于這個原因，晶體管的Ic-Ube關系比二極管的IF-UF關系更符合理想情況，并因此表現(xiàn)出更好的電壓-溫度特性。

根據(jù)晶體管的有關理論可以證明，NPN型晶體管的基極-發(fā)射極電壓與變量T和Ic的函數(shù)關系為

如果電流Ic為常數(shù)，則式(2.26)給出的Ube僅隨溫度作單調(diào)和單值變化。

(2.26)圖2.44(a)給出了一種最常用的溫敏晶體管的基本電路。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，同時基極接地。電路的這種接法使得發(fā)射結(jié)為正偏，而集電結(jié)幾乎為零偏，因為集電極與“虛地”的反相輸入端相接。零偏的集電結(jié)使得集電極電流中不需要的成分——集電結(jié)空間電荷區(qū)中的生成電流、反向飽和電流及表面漏電流為零，而發(fā)射極電流中的發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復合電流和表面漏電流作為基極電流流入地內(nèi)，因此，集電極電流完全由擴散電流成分組成。集電極電流Ic的大小僅取決于集電極電阻Rc和電源電壓Ucc，與溫度無關，從而保證了溫敏晶體管處于恒流工作狀態(tài)。電容C1的作用在于防止寄生振蕩。圖2.44(b)給出了這個電路的輸出，即Ube與溫度T的關系的實驗

結(jié)果。圖2.44(b)中，三條曲線對應著不同的集電極電流值，且小電流對應著較大的電壓溫度系數(shù)。由圖還可以看出，溫度系數(shù)對電流的依賴性并不十分強烈，這是因為Ube是Ic的對數(shù)函數(shù)。圖2.44溫敏晶體管的基本電路及其輸出特性

2.典型應用

由于溫敏晶體管成本低，參數(shù)的一致性和器件的互換性好，因此其應用越來越廣。這方面應用的例子很多，由于篇幅受限，這里給出一種應用實例。由兩個溫敏晶體管組成的溫差傳感器電路如圖2.45所示。該電路的輸出反映兩個待測點的溫差，經(jīng)常用于過程監(jiān)視或控制場合。與數(shù)字電壓表相接，可構成溫差計。與適當?shù)目刂齐娐废嘟樱梢酝瓿珊銣鼗蛞好嫖恢每刂乒δ?，也可用于報警器。圖2.45溫差測量電路該電路使用性能相同的兩個溫敏晶體管MTS102作為測溫探頭，分別置于待測溫差的兩個位置。兩個反映各自溫度的Ube分別經(jīng)過運算放大器A1和A3緩沖之后，加到運算放大器A2的輸入端進行差分放大。在兩個溫敏晶體管溫度相同的條件下，也就是說兩點溫差為零時，調(diào)節(jié)100kΩ電位器,使A2的輸出Uo為零。這一單點定標保證了傳感器的輸出Uo正比于兩點溫差。

下面我們對差分放大進行簡單分析。考慮到UA=UB，因為I+=0，所以

如果 ，則 。

靈敏度由Rf和R1值決定。該傳感器適用于0℃～150℃范圍內(nèi)的溫差檢測和控制，其精度為±0.5℃。 2.4集成電路溫度傳感器

2.4.1基本原理及PTAT核心電路

如前所述，晶體管的基極-發(fā)射極電壓在恒定集電極電流的條件下可以認為與溫度呈線性關系。但是，嚴格地說，這種線性關系是不完全的，即關系式中存在非線性項。另一方面，這種關系也不直接與任何溫標(絕對、攝氏、華氏或其他溫標)相對應。實際上，隨著溫度升高，基極-發(fā)射極電壓反而下降。此外，即使是同一型號同一批次的晶體管，其基極-發(fā)射極電壓值也可能有±100mV的分散性。鑒于上述原因，集成化的溫度傳感器幾乎無一例外地采用對管差分電路，這種電路給出直接正比于絕對溫度的線性輸出。圖2.46給出了這種對管差分電路的原理圖。V1和V2是結(jié)構和性能上完全相同的晶體管，它們分別在不同的集電極電流Ic1和Ic2下工作。由圖2.46可見，Ube2+ΔUbe－Ube1=0，即電阻R1上得到的電壓為兩管基極-發(fā)射極電壓之差：(2.27)圖2.46對管差分電路的原理圖由于兩管集電極面積相等，因此集電極電流比等于集電極電流密度比，所以式(2.27)可改寫為

由此可見，只要設法保持兩管的集電極電流密度之比不變，電阻R1上的電壓ΔUbe就將正比于絕對溫度。ΔUbe是集成電路溫度傳感器的基本溫度信號，在此基礎上可以得到所要求的與溫度呈線性關系的電壓或電流輸出。(2.28)設兩管增益極高，因此基極電流可以忽略，即集電極電流等于發(fā)射極電流，故有

ΔUbe=R1Ic2 (2.29)由此可知，V2的集電極電流Ic2也正比于絕對溫度，因此使R2上的電壓也正比于絕對溫度。為使兩管集電極電流(或電流密度)之比保持不變，電流源給出的流過V1的電流Ic1也必須正比于絕對溫度，因此電路總電流(Ic1+Ic2)正比于絕對溫度。由此可見，圖2.46所示的原理性電路可以給出正比于絕對溫度的電壓，亦可給出正比于絕對溫度的電流。作為溫度傳感器的感溫部分，常稱該原理性電路為PTAT(ProportionalToAbsoluteTemperature)核心電路。對于PTAT核心電路，關鍵在于保證兩管的集電極電流密度之比不隨溫度變化。因為只有實現(xiàn)了這一點，電路才會有正比于溫度的電壓或電流輸出。式(2.28)充分說明了這一點。為此，可采用圖2.47所示的電流鏡PTAT核心電路。該電路由兩對晶體管組成。其中，NPN晶體管V1和V2是基本的溫敏差分對管，給出溫度信號；與它們分別串聯(lián)的PNP晶體管V3和V4組成所謂的電流鏡。由于它們具有完全相同的結(jié)構和特性，且發(fā)射結(jié)偏壓又相同，所以使得流過V1和V2的集電極電流在任何溫度下始終相等。實際上,在這里我們做了晶體管的輸出阻抗和電流增益均為無窮大的假設，因此可以忽略集電極電流隨集電極電壓Uce的變化及基極電流的影響。為使V1和V2工作在不同的集電極電流密度下，兩管采用不同的發(fā)射極面積。設其面積比為n，則兩管的電流密度比為面積的反比，因此，只要在電路的“+”和“-”端加上高于兩倍Ube的電壓，在電阻R1上將得到兩管的基極-發(fā)射極電壓差：

由式(2.30)可見，在電流鏡PTAT核心電路中，ΔUbe的溫度系數(shù)僅取決于兩管的發(fā)射極面積之比n，而n與溫度無關。由式(2.30)可以算得流過這個電路的左、右兩支路的電流為(2.30)

于是由“+”端到“-”端流過電路的總電流為

I0=2I=2(k0T／qR1)lnn (2.32)

可見，如果電阻R1不隨溫度變化，即其電阻溫度系數(shù)為零，則電路的總電流正比于絕對溫度。這樣，利用圖2.47所示的電路就得到了一種基本的電流輸出型溫度傳感器。(2.31)在圖2.47所示的PTAT核心電路的基礎上附加一個由與V3、V4相同的PNP晶體管V5和電阻R2組成的支路，就構成了電壓輸出型溫度傳感器基本電路，如圖2.48所示。V5的發(fā)射結(jié)電壓與V3和V4的相同，又具有相同的發(fā)射極面積，于是流過V5和R2支路的電流與另兩條支路電流相等，所以輸出電壓：

由式(2.33)可見，只要兩電阻比為常數(shù)，就可以得到正比于絕對溫度的輸出電壓Uo，而輸出電壓的溫度靈敏度可由電阻比R2／R1與V1和V2的發(fā)射極面積比來調(diào)整。(2.33)圖2.47電流鏡PTAT核心電路圖2.48電壓輸出型PTAT核心電路2.4.2電壓輸出型

1.四端電壓輸出型

1)框圖

最早研制的電壓輸出型溫度傳感器是四端傳感器，其框圖如圖2.49所示。它由PTAT核心電路、參考電壓源和運算放大器三部分組成，其四個端子分別為U+、U－、輸入和輸出。這類傳感器包括LX5600/5700、LM3911、μPC616A/C和μPC3911等型號。四端電壓輸出型傳感器的最大工作溫度范圍是－40℃～125℃，靈敏度是10mV／K，線性偏差為(0.5～2)%，長期穩(wěn)定性和重復性為0.3%，精度為±4K。圖2.49四端電壓輸出型傳感器框圖2)典型應用

(1)基本應用電路?；緫秒娐啡鐖D2.50所示。圖2.50(a)和圖2.50(b)分別給出了使用正電源和負電源的接法。由于輸入端和輸出端短接，作為三端器件，傳感器在U+端和輸出端之間給出正比于絕對溫度的電壓輸出Uo，其溫度靈敏度是10mV／K。在內(nèi)部參考電壓的箝位作用下，U+和U－端之間的電壓保持為6.85V，傳感器實際上是一個電壓源，所以傳感器必須和一個電阻R1串聯(lián)，而所加電壓Ucc要大于6.85V，常取±15V。傳感器電路電流通常選在1mA左右，因此R1值可由下式確定：圖2.50基本應用電路(2)攝氏溫度檢測電路。圖2.51給出了用輸出電壓直接表示攝氏溫度的檢測電路。圖2.51(a)和圖2.51(b)所示的兩種電路都是把傳感器本身的參考電壓分壓取出2.73V作為偏置電壓，使輸出電平移動－2.73V，即使其在273K(0℃)時輸出為零，于是補償后的輸出Uo將直接指示攝氏溫度，而不再是絕對溫度。輸出電壓的靈敏度為10mV／℃，而且輸出是對地而言的。圖2.51(b)中的放大器可采用通用型運算放大器，若要求精度高，則可使用高精度運算放大器。外部定標可在任何已知溫度下進行，例如0℃或25℃，只要調(diào)節(jié)電位器RP，使輸出為0或250mV即可。圖2.51攝氏溫度檢測電路

2.三端電壓輸出型

1)性能特點

LM135／LM235／LM335系列是一種精密的、易于定標的三端電壓輸出型集成電路溫度傳感器。當它作為兩端器件工作時，相當于一個Zener二極管，其擊穿電壓正比于絕對溫度，靈敏度為10mV／K。作為一個電壓源，當工作電流在0.4～5mA范圍內(nèi)變化時，并不影響傳感器的性能，因為它的動態(tài)電阻低于1Ω。如果在25℃下定標，則在100℃寬的溫度范圍內(nèi)誤差小于1℃，具有良好的輸出線性。LM135、LM235和LM335的工作溫度范圍分別是－55℃～150℃、－40℃～125℃和－10℃～100℃。圖2.52給出了LM135系列封裝接線圖。這種傳感器內(nèi)部電路的基本部分是一個PTAT核心電路和一個運算放大器。外部一個端子接U+，一個端子接U－，第三個端子為調(diào)整端，供傳感器作外部定標時使用。圖2.52LM135系列封裝接線圖2)典型應用

(1)基本溫度檢測。把傳感器作為一個兩端器件與一個電阻串聯(lián)，加上適當?shù)碾妷?，就可以得到靈敏度為10mV／K、直接正比于絕對溫度的輸出電壓Uo，如圖2.53所示。實際上，這時傳感器可以看做溫度系數(shù)為10mV／K的電壓源。傳感器的工作電流由電阻R和電源電壓Ucc決定：

由上式可以看出，工作電流隨溫度變化，但是LM135系列作為電壓源其內(nèi)阻極小，所以電流變化并不影響輸出電壓。圖2.53基本測溫電路圖2.54可定標的傳感器測溫電路(2)可定標的傳感器。圖2.54給出了可以進行外部定標的傳感器電路。這時傳感器作為三端器件工作，通過對10kΩ電位器的調(diào)節(jié)完成定標，以減小工藝偏差產(chǎn)生的誤差。例如，在25℃下，調(diào)節(jié)電位器，使輸出電壓Uo=2.982V。經(jīng)過定標，傳感器的靈敏度達到設計值10mV／K，從而提高了傳感器的精度。

(3)空氣流速檢測。如果使傳感器在自熱條件下工作,即通過較大電流，使其溫度高于環(huán)境溫度，那么在周圍空氣為靜止或流動兩種情況下，傳感器有兩種輸出。因為空氣流動會加速傳感器的散熱過程，所以傳感器的溫度將不相同，輸出電壓也不相同?？諝饬魉僭酱螅瑐鞲衅鞯纳崮芰υ綇?，溫度越低，輸出電壓越低，這就是空氣流速檢測器的工作原理。在圖2.55所示的電路中，采用兩個溫度傳感器LM335。上面的一個工作在自熱條件下，電流約為10mA；下面的一個在小電流下工作，其自熱溫升可以忽略，即工作在環(huán)境溫度條件下。零點定標一般在靜止空氣中進行，調(diào)10kΩ電位器使放大器輸出為零。注意，在定標和測量時，均應保持兩個傳感器在相同的環(huán)境溫度下。圖2.55空氣流速檢測電路2.4.3電流輸出型

1.性能特點

電流輸出型集成電路溫度傳感器是繼電壓輸出型傳感器之后發(fā)展的一種新型傳感器，其典型代表是AD590。這種傳感器以電流作為輸出量指示溫度，其典型的電流溫度靈敏度是1μA／K。它是一種兩端器件，使用非常方便。作為一種高阻電流源，這種傳感器沒有電壓輸出型傳感器遙測或遙控應用的長饋線上的電壓信號損失和噪聲干擾問題，故特別適合遠距離測量或控制。出于同樣的理由，AD590也特別適用于多點溫度測量系統(tǒng)，而不必考慮選擇開關或CMOS多路轉(zhuǎn)換器所引入的附加電阻造成的誤差。由于電路結(jié)構獨特，且利用薄膜電阻激光微調(diào)技術作最后定標，因此電流輸出型比電壓輸出型精度更高。另外，電流輸出可通過一個外加電阻很容易地變?yōu)殡妷狠敵觥?/p>

AD590具有如下特點：

(1)線性電流輸出：1μA／K。

(2)工作溫度范圍：－55℃～155℃。

(3)兩端器件：電壓輸入，電流輸出。

(4)激光微調(diào)使定標精度達±0.5℃(AD590)。

(5)整個工作溫度范圍內(nèi)非線性誤差小于±0.5℃(AD590)。

(6)工作電壓范圍：4～30V。

(7)器件本身與外殼絕緣。

2.典型應用

1)基本溫度檢測

把AD590與一個1kΩ電阻串聯(lián)，即得基本溫度檢測電路，如圖2.56所示。在1kΩ電阻上得到正比于絕對溫度的電壓輸出，其靈敏度為1mV／K?？梢?，利用這樣一個簡單的電路很容易把傳感器的電流輸出變換為方便的電壓輸出。由于AD590內(nèi)阻極高，所以適合遠距離測量，而且饋線可采用一般雙絞合線。圖2.56基本溫度檢測電路2)攝氏和華氏數(shù)字溫度計

ICL7106是一種集成電路，包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、時鐘發(fā)生器、參考電壓源、BCD-七段譯碼器及自饋和顯示驅(qū)動器，把它和AD590連接，再加上液晶顯示器和幾個電阻，就可以組成一個數(shù)字溫度計，如圖2.57所示。UREF對攝氏和華氏兩種溫標均取500mV。攝氏溫度理論上最大讀數(shù)為199.9℃,實際受傳感器AD590的最高允許溫度限制。華氏溫度最大讀數(shù)為199.9(93.3℃)，實際受顯示器數(shù)字位數(shù)的限制。對于攝氏和華氏輸出，各電阻取值如表2.16所示。圖2.57攝氏和華氏數(shù)字溫度計電路表2.16對于攝氏和華氏輸出各電阻的取值2.4.4可編程集成數(shù)字溫度傳感器

1.DS18B20的內(nèi)部結(jié)構

DS18B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構框圖如圖2.58所示。圖2.58DS18B20的內(nèi)部結(jié)構框圖

2.DS18B20的特點

DS18B20具有如下特點：

(1)測溫范圍為－55℃～+125℃。測溫分辨力為0.5℃。

(2)使用中不需要任何外圍元件。

(3)可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為+3.0V～+5.5V。

(4)具有獨特的單線接口方式，即與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。

(5)通過編程可實現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀數(shù)方式。

(6)用戶可自行設定非易失性的報警上限值和下限值。

(7)支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。(8)具有負壓特性，即電源極性接反時，不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。

更詳細的資料和應用可參閱DS18B20技術手冊。 2.5熱釋電式傳感器

2.5.1熱釋電效應及其機理

當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應。

通常晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來自空氣中附集在晶體外表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電偶極矩不能顯示出來，晶體對外不顯電性。當溫度變化時，晶體結(jié)構中的正、負電荷重心產(chǎn)生相對位移，電偶極矩會發(fā)生變化，晶體表面的束縛電荷發(fā)生變化。能產(chǎn)生熱釋電效應的晶體稱為熱釋電體，又稱為熱電元件。熱電元件常用的材料有單晶(如鈮酸鋰、鉭酸鋰(LiTaO3)等)、熱釋電陶瓷(如鈦酸鋇(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛(PZT)等)及熱釋電塑料(如聚偏二氟乙烯(PVDF)等)。

2.5.2熱釋電紅外傳感器

紅外又稱為紅外光，它是太陽光譜紅光外面的不可見光，波長在0.7～1000μm之間。熱釋電紅外有如下特征：

(1)自然界中任何物體，只要它本身具有一定溫度(高于絕對零度，即高于－273.15℃)，都能輻射紅外光。例如，人體、電機、軸承、飛行器，甚至冰塊等都能產(chǎn)生紅外輻射。物體溫度越高，它輻射出來的能量越大。(2)紅外光和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。

(3)各種物體對紅外的作用各不相同。

金屬對紅外輻射衰減非常大，即基本不透明。多數(shù)半導體及一些塑料能透過紅外輻射。大多數(shù)液體對紅外輻射的吸收非常大。大氣對不同波長紅外輻射的穿透程度不同。

紅外輻射檢測實際上也是屬于光電轉(zhuǎn)換的一種類型，有些教材和文獻資料中把它歸類為光電傳感器。

這里所說的熱釋電紅外傳感器是指利用熱電元件的熱釋電效應探測人體等輻射的紅外光的紅外傳感器。它適用于防盜報警、來客告知及非接觸開關等紅外領域。

熱釋電紅外傳感器的結(jié)構及內(nèi)部電路如圖2.59所示。圖2.59熱釋電紅外傳感器的結(jié)構及內(nèi)部電路由圖2.59可見，傳感器主要由外殼、濾光片、PZT熱電元件、結(jié)場效應管、電阻、二極管等組成。其中，濾光片設置在窗口處，組成紅外線通過的窗口。濾光片為6μm多層膜干涉濾光片，這種濾光片對于太陽光和熒光燈光的短波(波長約5μm以下)具有高的反射率，而對6μm以上的從人體發(fā)出來的紅外線熱源(10μm)有高的穿透性，其光譜特性如圖2.60所示。阻抗變換用的結(jié)場效應管和電路元件放置在管底部分。熱電元件選用PZT壓電陶瓷，其居里點高，不會造成因環(huán)境溫度過高而影響其輸出性能。PZT材料也適合批量生產(chǎn)，成本低，且可靠性高。圖2.60濾光片的光譜特性熱釋電紅外傳感器的視野特性方向圖如圖2.61所示。

圖2.61視野特性方向圖表2.17給出了幾種常見的用來探測人體的熱釋電紅外傳感器的主要技術指標，供讀者參考。表2.17幾種常見的用來探測人體的熱釋電紅外傳感器的主要技術參數(shù)2.5.3熱釋電探測模塊

熱釋電紅外探測模塊是一種將熱釋電紅外傳感器、放大器、信號處理電路、延時電路和高低電平輸出電路集成于一體的新器件。它具有靈敏度高、抗干擾能力強、耐低溫(－30℃)及使用方便等特點，主要用來探測人體發(fā)射出的紅外線能量，適用于人體移動的探測報警系統(tǒng)。

圖2.62示出了一種常用的熱釋電紅外探測模塊HN911的外形。圖2.62HN911模塊的外形圖2.63示出了HN911模塊的內(nèi)部電路結(jié)構。通常，1端輸出低電平，2端輸出高電平。當有移動發(fā)熱體進入監(jiān)視范圍時，熱釋電紅外傳感器接收到紅外能量，并輸出檢測信號。該信號經(jīng)放大器放大，由比較器進行比較判斷，再由信號處理電路處理后輸出控制信號。此時，輸出端1變?yōu)楦唠娖?，輸出?變?yōu)榈碗娖?。在模塊的外部，可接增益調(diào)節(jié)電位器,以調(diào)節(jié)放大器的增益。放大器具有溫度補償功能，其主要作用是當環(huán)境溫度增高或背景紅外輻射能量增加時，可使放大器的增益隨著它們的增高而自動提升，從而保證整個電路的工作穩(wěn)定性。圖2.63HN911模塊的內(nèi)部電路結(jié)構HN911模塊的主要技術參數(shù)如表2.18所示。表2.18HN911模塊的主要技術參數(shù)菲涅耳透鏡是一種精密的光學系統(tǒng)，專門用來和熱釋電紅外傳感器配套使用，它可以將周圍的紅外能量聚集到傳感器的窗口，以提高傳感器的接收靈敏度，擴大監(jiān)視范圍。透鏡根據(jù)不同的使用要求，設計有不同的形狀和規(guī)格，它的主要技術指標是監(jiān)測距離和視野角度，一般監(jiān)測距