第7章 熱電傳感器

第7章：熱電傳感器本章要求：1、掌握熱電效應、塞貝克效應、珀爾帖效應、湯姆遜效應、熱釋電效應及熱電勢產生的原因和熱電偶的基本定律；2、熟悉熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、溫敏二極管及三極管、溫控晶閘管、集成溫度傳感器的工作原理及測量電路；3、了解各種熱電式傳感器的結構及應用。本章重點：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、熱釋電紅外傳感器、溫敏二極管及三極管。本章難點：熱電偶的基本定律.7.1熱電偶傳感器

7.2熱電阻傳感器7.3熱敏電阻傳感器7.4PN結溫度傳感器7.5熱釋電紅外傳感器熱電傳感器—將溫度變化轉換為電量變化的裝置。熱電傳感器的種類：1、按測量方式不同分為接觸式測量和非接觸式測量兩種；2、按轉換電量不同分為發(fā)電式和參量式兩種。把溫度轉換為熱電勢輸出的熱電式傳感器叫做熱電偶。它是一種發(fā)電式傳感器，直接將熱能轉換為電能。把溫度轉換為電阻輸出的熱電式傳感器叫做熱電阻、熱敏電阻等；它們都是參量式傳感器。7.1、熱電偶傳感器7.1.1熱電效應（3）湯姆遜（Thomson）效應：由同一種導體或半導體組成閉合回路，保持回路兩側有一定的溫度差ΔT，并通以電流I時，回路的溫度轉折處將產生比例于I·ΔT的吸熱或放熱，這種現(xiàn)象稱為湯姆遜效應。（2）珀爾帖（peltier）效應：在兩種不同材料接成的閉合回路中，通入電流I時，則在一個結點上產生熱量Q，而另一個接點吸收熱量Q，這種現(xiàn)象稱為珀爾帖效應。（1）塞貝克（seeback）效應：兩種不同導體或半導體A與B組成閉合回路。如果兩結點之間存在溫度差時，則在回路內有電流產生，亦即在兩結點間產生電動勢，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應。熱電效應—由溫度引起電勢差的物理現(xiàn)象叫做熱電效應，俗稱溫差電效應實驗----熱電偶工作原理演示熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）左端稱為：測量端（工作端、熱端）熱電極B熱電勢AB從實驗到理論：熱電效應

1821年，德國物理學家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點（稱為結點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉（說明什么？），如果用兩盞酒精燈對兩個結點同時加熱，指南針的偏轉角反而減?。ㄓ终f明什么？）。顯然，指南針的偏轉說明回路中有電動勢產生并有電流在回路中流動，電流的強弱與兩個結點的溫差有關。

將兩種不同的導體（或半導體）A、B組合成閉合回路。若兩結點處溫度不同，則回路中將有電流流動，即回路中有熱電動勢存在。此電動勢的大小除了與材料本身的性質有關以外,還決定于結點處的溫差，這種現(xiàn)象稱為熱電效應或西拜克效應。熱電偶就是根據此原理設計制作的將溫差轉換為電勢量的熱電式傳感器。熱電效應產生的熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成的。托馬斯·約翰·塞貝克（也有譯做“西伯克”）1770年生于塔林（當時隸屬于東普魯士，現(xiàn)為愛沙尼亞首都）。塞貝克的父親是一個具有瑞典血統(tǒng)的德國人，也許正因為如此，他鼓勵兒子在他曾經學習過的柏林大學和哥廷根大學學習醫(yī)學。1802年，塞貝克獲得醫(yī)學學位。由于他所選擇的方向是實驗醫(yī)學中的物理學，而且一生中多半時間從事物理學方面的教育和研究工作，所以人們通常認為他是一個物理學家。畢業(yè)后，塞貝克進入耶拿大學，在那里結識了歌德。德國浪漫主義運動以及歌德反對牛頓關與光與色的理論的思想，使塞貝克深受影響，此后長期與歌德一起從事光色效應方面的理論研究。塞貝克的研究重點是太陽光譜，他在1806年揭示了熱量和化學對太陽光譜中不同顏色的影響，1808年首次獲得了氨與氧化汞的化合物。1812年，正當塞貝克從事應力玻璃中的光偏振現(xiàn)象時，他卻不曉得另外兩個科學家布魯斯特和比奧已經搶先在這一領域里有了發(fā)現(xiàn)。

1818年前后，塞貝克返回柏林大學，獨立開展研究活動，主要內容是電流通過導體時對鋼鐵的磁化。當時，阿雷格（Arago）和大衛(wèi)（Davy）才發(fā)現(xiàn)電流對鋼鐵的磁化效應，貝塞克對不同金屬進行了大量的實驗，發(fā)現(xiàn)了磁化的熾熱的鐵的不規(guī)則反應，也就是我們現(xiàn)在所說的磁滯現(xiàn)象。在此期間，塞貝克還曾研究過光致發(fā)光、太陽光譜不同波段的熱效應、化學效應、偏振，以及電流的磁特性等等。

1820年代初期，塞貝克通過實驗方法研究了電流與熱的關系。1821年，塞貝克將兩種不同的金屬導線連接在一起，構成一個電流回路。他將兩條導線首尾相連形成一個結點，他突然發(fā)現(xiàn)，如果把其中的一個結加熱到很高的溫度而另一個結保持低溫的話，電路周圍存在磁場。他實在不敢相信，熱量施加于兩種金屬構成的一個結時會有電流產生，這只能用熱磁電流或熱磁現(xiàn)象來解釋他的發(fā)現(xiàn)。在接下來的兩年里時間（1822～1823），塞貝克將他的持續(xù)觀察報告給普魯士科學學會，把這一發(fā)現(xiàn)描述為“溫差導致的金屬磁化”。

表7-1三種熱電效應的比較效應材料加溫情況外電源表現(xiàn)特外塞貝克金屬的兩種金屬兩端保持不同溫度無冷端產生熱電勢半導體的兩種半導體兩端保持不同溫度無冷端產生熱電勢珀爾帖金屬的兩種金屬整體為某溫度有接觸處產生焦耳熱以外的吸、放熱半導體的兩種半導體整體為某溫度有接觸處產生焦耳熱以外的吸、放熱湯姆遜金屬的兩條同種金屬絲兩金屬絲各保持不同溫度有溫度轉折處吸熱或放熱半導體的同種半導體兩端保持不同溫度有整體升溫或降溫三種效應的比較列于表7-1中。7.1.2熱電偶工作原理

熱電偶：兩種不同性質的導體A和B組成的閉合回路稱為熱電偶。如圖7-1示：其中導體A和B稱為熱電極，溫度高的一端T稱為熱端，或工作端、測量端；溫度低的一端T0稱為冷端，或自由端、參考端；熱電勢記為EAB(T,T0)兩種不同的導體或半導體A和B組合成如圖所示閉合回路，若導體A和B的連接處溫度不同（設T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應。熱電偶原理圖TT0AB

熱電偶的工作原理回路中所產生的電動勢，叫熱電勢。熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。熱端冷端1.接觸電勢接觸電勢原理圖+ABeAB(T)-eAB(T)——導體A、B結點在溫度T時形成的接觸電動勢；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；

k——波爾茲曼常數，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——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。

1.兩種不同金屬的接觸電勢兩種不同金屬導體的自由電子密度不同。設金屬導體A與B的自由電子密度分別為nA和nB，兩者接觸時，在接觸面上就會發(fā)生電子擴散。若nA＞nB則金屬A失去電子，金屬B獲得電子，在接觸區(qū)產生電勢差，稱做接觸電勢。達到動態(tài)平衡時，穩(wěn)定的接觸電勢為（7-5）式中eAB(T)是指在溫度T時，金屬A與B結點處的接觸電勢；q0為電子電荷量(q0＝1.6×10-19C)；K為玻爾茲曼常數(K＝1.38×10-23J／K)。AeA(T,To)ToTeA(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，表示導體A兩端的溫度差為1℃時所產生的溫差電動勢，例如在0℃時，銅的σ=2μV/℃。2.溫差電勢溫差電勢原理圖

3.金屬導體的溫差電勢金屬導體兩端溫度不等時，由熱電效應可知，高溫端的自由電子濃度高且具有較大的動能而向低溫端擴散，結果高溫端失去電子，低溫端獲得電子，高低溫兩端形成溫差電勢，又稱湯姆遜電勢，其值為（7-7）式中e(T，T0)是金屬導體高溫端絕對溫度T與低溫端絕對溫度T0形成的溫差電勢；τ為湯姆遜系數，表示導體兩端溫度相差1℃時溫差電勢的大小。不同材料的湯姆遜系數不同；同種材料不同溫度時的湯姆遜系數也不同。

金屬導體A與B組成熱電偶回路(圖7-3)時，其總的電勢為EAB(T，T0)＝［eAB(T)-eAB(T0)］＋［eB(T，T0)-eA(T,T0)］由導體材料A、B組成的閉合回路，其接點溫度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，回路總電勢：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路總電勢NAT、NAT0——導體A在結點溫度為T和T0時的電子密度；NBT、NBT0——導體B在結點溫度為T和T0時的電子密度；σA

、σB——導體A和B的湯姆遜系數。（3）熱電偶總的熱電勢如圖7-3所示：

2、熱電勢的組成及產生原因：熱電勢由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成（1）兩種不同金屬的接觸電勢（珀爾帖電勢）如圖7-2（a）所示：（2）單一導體的溫差電勢（湯姆遜電勢）。如圖7-2（b）所示：熱電偶三點結論P144：

①熱電偶必須采用兩種不同金屬材料作熱電極。

②熱電偶的兩結點必須存在溫度差。

③熱電偶的熱電勢大小只與兩結點溫度有關，而與材料A、B的中間各處溫度無關。

1、熱電勢性質：

（1）導體A與B在工作端（T）產生的接觸電勢可以寫成：

EAB(T)＝EA(T)－EB(T),EAB(T0)＝EA(T0)－EB(T0)

（2）同一導體的溫差電勢可以寫成：EA(T,T0)＝EA(T)－EA(T0)（3）接觸電勢下標A與B代表電壓方向。

EAB(T)＝－EBA(T)；

（4）溫差電勢括號中的溫度順序代表高溫到低溫。故溫差電勢中的溫度順序改變，其電勢值的正、負號也隨之改變。EA(T,T0)＝－EA(T0,T)（5）熱電勢大小只與熱電極材料性質及兩接點的溫度有關，而與熱偶形狀和大小無關。7.1.3熱電偶基本定律2、熱電偶基本定律：（1）中間導體定律。在熱電偶中接入不同性質的第三導體C，只要保證C兩端的溫度相等，則接入第三導體C后熱電偶的總熱電勢不變。如圖7-5所示：EABC(T,T0)＝EAB(T,T0)對于圖(a)：EABC(T,T0)＝EAB(T)+EBA(T0)+EAC(T1)+ECA(T1)

＝

EAB(T)-EAB(T0)對于圖(b)：EABC(T,T0)＝EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0)

＝

EAB(T)-EAB(T0)

E總=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三種不同導體組成的熱電偶回路TABCTT1.中間導體定律一個由幾種不同導體材料連接成的閉合回路，只要它們彼此連接的接點溫度相同，則此回路各接點產生的熱電勢的代數和為零。如圖，由A、B、C三種材料組成的閉合回路，則兩點結論：

l）將第三種材料C接入由A、B組成的熱電偶回路，如圖，則圖a中的A、C接點2與C、A的接點3，均處于相同溫度T0之中，此回路的總電勢不變，即同理，圖b中C、A接點2與C、B的接點3，同處于溫度T0之中，此回路的電勢也為：T2T1AaBC23EABaAT023ABEABT1T2

CT0EAB（T1,T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三種材料接入熱電偶回路圖ET0T0TET0T1T1T電位計接入熱電偶回路用途

根據上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計E，只要保證電位計與連接熱電偶處的接點溫度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢，接入的方式見下圖所示。2、熱點偶基本定律：（2）中間溫度定律。在熱電偶回路中，如果存在一個中間溫度Tn，則熱電偶總熱電勢等于該熱電偶在（T,Tn）時熱電勢EAB(T,Tn)與同一熱電偶在（Tn,T0）時熱電勢EAB（Tn,T0）的代數和。EAB(T,T0)＝EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)2.中間溫度定律

如果不同的兩種導體材料組成熱電偶回路,其接點溫度分別為T1、T2(如圖所示)時,則其熱電勢為EAB(T1,T2)；當接點溫度為T2、T3時，其熱電勢為EAB(T2,T3)；當接點溫度為T1、T3時，其熱電勢為EAB(T1,T3)，則BBA

T2

T1

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）用途：制定熱電式分度表奠定理論基礎，參考溫度0度中間溫度定律的實用價值在于：

(1)當熱電偶自由端(冷端)不為0℃時，可利用該定律及分度表(詳見附錄)求得工作端溫度T；

(2)熱電偶長度不夠時，可據此定律選用適當的補償導線。實際測溫時，由于熱電偶的長度有限，熱電偶冷端溫度將直接受到被測介質溫度和周圍環(huán)境的影響。為了保證正常工作，通常可在一定的條件和溫度范圍內(一般在0～100℃)加入與熱電偶的熱電性能相似的廉價補償導線，以滿足檢測要求。

［例7-1］用鎳鉻-鎳硅熱電偶測爐溫時，其冷端溫度T0＝30℃，在直流電位計上測得熱電勢EAB(T，30℃)為32.074mV，試求爐溫為多少℃?解：(1)查鎳鉻-鎳硅熱電偶K分度表，得：P311

EAB(T0，0℃)＝EAB(30℃，0℃)＝1.200mV

(3)

再查K分度表，得

EAB(T，0℃)＝33.274的溫度T為801℃。TACCBT0EAB(T,T0)圖7-7參考電極定律示意圖

3.參考電極定律(也叫組成定律)

在導體A與B組成的兩結點溫度為T與T0的熱電偶中間接入參考電極C，形成兩個熱電偶組成的回路，如圖7-7所示。由

(2)EAB(T，0℃)＝EAB(T，30℃)＋EAB(30℃，0℃)

＝32.074＋1.200＝33.274(mV)(3)參考電極定律。如圖7-7所示：如果A、B兩種不同材料的導體分別與參考導體C組成的熱電偶所產生的熱電勢已知，那么A、B導體所組成的熱電偶的熱電勢也可知。2、熱點偶基本定律：EAB(T,T0)＝EAC(T,T0)-EBC(T,T0)有根據式(7-7)有則

即（5-15）式(7-16)說明：兩種金屬構成熱電偶的熱電勢，可以用這兩種金屬分別與第三種金屬構成的熱電偶的熱電勢之差來表示，稱之為參考電極定律。由于純鉑絲的物理化學性能穩(wěn)定，熔點較高，易提純，所以，工程上常用鉑作為參考電極。參考電極定律大大簡化了熱電偶選配電極的工作，只要獲得有關熱電極與參考電極配對的熱電勢，即可方便地求出各種金屬搭配構成熱電偶時的熱電勢，而不要逐個進行測定。［例7-2］

鉻合金鉑熱電偶的E(100℃，0℃)＝＋3.13(mV)，鋁合金鉑熱電偶E(100℃，℃)＝－1.02mV，試求鉻合金鋁合金組成熱電偶的熱電勢E(100℃，0℃)。解：

設鉻合金為A，鋁合金為B，鉑為C因為EAC(100℃，0℃)＝＋3.13(mV)；

EBC(100℃，0℃)＝－1.02mV，則由參考電極定律，得

EAB(100℃，0℃)＝EAC(100℃，0℃)－EBC(100℃，0℃)

＝3.13－(－1.02)＝4.15mV1、熱電偶的結構：普通熱電偶由四部分組成：(1)熱電極；它是熱電偶的核心。(2)絕緣套；防止電極之間以及電極與保護管之間短路，由絕緣材料制成。(4)接線盒。供熱電偶與引線連接用。一船用鋁合金制成。(3)保護管。使熱電極與被測介質溫度隔離，使之免受化學侵蝕或機械損傷。要求它有良好的導熱性并久耐用。7.1.4熱電偶的結構與種類熱電極熱端絕緣套管保護套管熱線盒圖7-8熱電偶結構

1.熱電偶的結構各種熱電偶盡管外形有所不同，但其基本結構通常均由熱電極、絕緣套管、保護管、接線盒等主要部件構成，如圖7-8所示?，F(xiàn)將各部分的構造和要求說明如下：

(1)熱電極組成熱電偶的兩根熱偶絲稱為熱電極。熱電偶通常以熱電極材料種類來定名，例如鉑銠-鉑熱電偶，鎳鉻-鎳硅熱電偶、鎳鉻-康銅熱電偶等。為了保證工程技術中的可靠性，以及足夠的測量精度，并非所有材料都可組成熱電偶，一般需滿足以下要求：①在測量范圍內，物理、化學性能穩(wěn)定，不易被氧化和腐蝕；

②電阻溫度系數小，電導率高，組成熱電偶后產生的熱電勢要大，并與溫度變化呈線性或近似線性關系；③有足夠的機械強度及較好的耐振、耐熱沖擊性能；

④工藝性、復制性好，便于制造與互換應當指出，實際上沒有一種材料能同時滿足上述全部要求，因此在設計選用熱電偶的電極材料時，要根據測量的具體條件來加以選擇。目前常用的熱電極材料分為貴金屬和普通金屬兩大類，這些材料在國內外都已經標準化。貴金屬熱電極多采用直徑為0.13～0.65mm的細導線，普通金屬熱電極的直徑為0.5～3.2mm。熱電偶的。長度由安裝條件，特別是工作端在介質中的插入深度來決定，通常為350～2000mm，最長可達3500mm。熱電極的工作端(熱端)通常用電弧焊焊接在一起。

(2)絕緣套管絕緣套管又叫絕緣子，用來防止兩根熱電極短路。絕緣子一般做成圓形或橢圓型，中間有一個、二個或四個小孔，孔的大小由熱電極的直徑而定，絕緣材料主要根據測溫范圍及絕緣性能要求來選擇，一般選橡皮、塑料(60～80℃)、玻璃絲、玻璃管(＜500℃)、石英管(0～1300℃)、陶瓷管(1400℃)和氧化鋁管(1500～1700℃)作絕緣材料。最常用的氧化鋁和耐火陶瓷等。

(3)保護套管

保護套管的作用是使電極和待測溫度介質隔離，使之免受化學侵蝕和機械損傷。熱電極套上絕緣套后再裝入保護管內。對保護管的要求是必須有優(yōu)良的傳熱性能與經久耐用。前者指的是有良好的導熱性，以改善熱電極對被測溫度變化的響應速度，減少滯后；后者指的是能耐高溫、耐急冷急熱，耐腐蝕，不分解出對電極有害的氣體，有足夠的機械強度。常用的套管材料有兩大類：金屬和非金屬。金屬常用鋁、銅、銅合金、炭鋼、不銹鋼、鎳等高溫合金材料；非金屬材料有石英、高溫陶瓷、氧化鋁(鎂)等。具體使用時應根據熱電偶類型、測溫范圍和使用條件選擇套管材料。

(4)接線盒

熱線盒供連接熱電偶和測量儀表之用，它固定在熱電偶保護套管上，一般用鋁合金制成，分為普通式和密封式(防濺式)兩種。（2）根據測溫范圍分類：有三類：①高溫熱電偶，11000C——16000C；②中溫熱電偶，5000C——10000C③低溫熱電偶，低于5000C以下。2、熱電偶的種類：（P148）（1）根據熱電極材料分類：有四類：①難熔熱電極材料：銥、鎢、錸；②貴金屬熱電極材料：鉑、鉑銠合金；③普通金屬熱電極材料：鐵、銅、康銅、考銅、鎳鉻合金、鎳鋁合金④非金屬熱電極材料：炭、石墨、碳化硅。（3）根據用途分類：有兩類：①標準熱電偶；②工業(yè)用熱電偶。工業(yè)熱電偶結構示意圖1－接線盒；2－保險套管3―絕緣套管4―熱電偶絲1234

2.熱電偶的種類

(1)普通型熱電偶普通型熱電偶已做成標準形式，主要有棒形、錐形、角形等，其固定方式有螺紋固定、法蘭盤固定等，如圖7-8所示。普通型熱電偶主要用于測量氣體、蒸汽和液體等介質的溫度。測溫端保護套管固定法蘭接線盒圖7-8普通熱電偶外形圖

(2)鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶是由金屬保護套管、熱電極、絕緣材料三者組合成一體的特殊結構形式的熱電偶。它可以做得很細很長，且可以彎曲。套管外徑最細能達0.25～12mm，長度可達100m以上。這種熱電偶有雙芯和單芯之分，如圖7-9所示。套管兼外電極內電極套管絕緣材料圖5-11鎧裝電偶外形圖

鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點是測溫端熱容量小、動態(tài)響應快、撓性好、強度高、壽命長及適應性強，適用位置狹小部位的溫度測量，在航空及原子能工業(yè)中使用較多。

(3)薄膜熱電偶

為適應快速測量壁面溫度，人們采用真空蒸鍍工藝，把兩種熱電極材料鍍在絕緣基板上，二者牢固地結合在一起，形成薄膜狀熱電極及熱接點，如圖7-9所示。為了防止熱電極氧化并與被接頭夾熱電極熱接點絕緣基板引出線圖7-9薄膜熱電偶測物絕緣，在薄膜熱電偶表面再涂上一層SiO2保護層。它的測量端既小又薄(厚度可達0.01～10μm)，熱容量很小，響應速度很快，適用于測量微小面積上的瞬變溫度。我國研制成功的鐵鎳薄膜熱電偶的靈敏度為0.032mv／℃，時間常數τ＜0.01s，薄膜厚度在3～6μm之間，測溫范圍在0～300℃。

除上述種類的熱電偶之外，尚有一些專用的熱電偶，如專測固體表面溫度的表面熱電偶、專測鋼水及其它熔融狀態(tài)金屬溫度的快速測溫熱電偶等。

1、鉑銠10—鉑熱電偶。型號WRLB、分度號LB―32、鉑銠13―鉑熱電偶，工業(yè)用0～1600OC。3、鉑銠30―鉑銠6熱電偶，工業(yè)用高溫熱電偶0～1700OC。4、鎳鉻―鎳鋁熱電偶，型號WREV，分度號EV-25、鎳鉻―鎳硅熱電偶：測溫范圍－50OC～＋1312OC。其熱電性能比鎳鉻－鎳鋁熱電偶更好，有取代之勢。6、鎳鉻―考銅熱電偶：型號：WREA分度號：EA-2，它是宜于還原性氣體中使用，短時可測800OC，長時間可測600OC以下，但復制性差。7、銅―康鋼熱電偶：屬低溫熱電偶，測溫范圍－200OC～＋400OC，3、常用熱電偶：（P149）（1）結構簡單，制造容易，使用方便，其電極不受大小和形狀的限制，可按照需要進行配制。（2）因為它的輸出信號為電勢，因而測量時不必外加電源，室溫下的輸出電壓為mV級，輸出靈敏度一般在μV/0C。（3）測量精度高，熱電偶與被對象直接接觸，不受中間介質的影響。（4）測量范圍寬，從-2690C至18000C。（5）便于遠距離測量、自動記錄及多點測量。

4、熱電偶的特點：（P151）如果保持自由端溫度T0＝0OC，則熱電勢大小僅與工作端溫度T成對應關系。這就是熱電偶測溫原理。

7.1.5熱電偶測溫原理在實際使用中，各種熱電偶都附有分度表。只要測得被測點的熱電勢值，可根據分度表直接查出被測點的溫度，或者直接用溫度刻度，可在儀表上直接讀出被測點的溫度值。

1、測量單點溫度的基本測溫電路(如圖7-10a)圖中A,B為熱電偶.C,D為補償導線,E為銅導線,冷端溫度為T0,M為毫伏計.7.1.6熱電偶實用測量電路測溫毫伏計的電流：RZ,RC,RM分別為熱電偶、導線和儀表電阻.

熱電勢為：

由于RZ,RC很小故U＝UAB（T，T0）存在測量誤差，采用圖7-10電電位差計實際測量電路。

2、測量兩點之間溫差

（如圖7-11）兩個熱電偶反向連接.使二者產生的熱電勢相反.則回路內總電勢為7.1.6熱電偶實用測量電路ET=EAB(T1)+EBD(T0)+EDB(T’0)+EBA(T2)+EAC(T’0)+ECA(T0)EBD(T0)=EDB(T’0)=0EAC(T’0)=ECA(T0)=0ET=EAB(T1)+EBA(T2)=EAB(T1)-EAB(T2)3、測量平均溫度的電路（如圖7-12）它利用幾只同型號的熱電偶并聯(lián)在一起，圖中R1、R2、R3為串接在三只熱電偶線路中的均衡電阻.4、測量溫度和的電路（如圖7-13）同類型的熱電偶串聯(lián)來求溫度和5、K型熱電偶測量電路（如圖7-14）

在溫度測量中，大多使用各種等級的熱電偶作為溫度傳感器。通常熱電偶的標定都是以0℃作為基準點的，即冷端溫度為0℃。而在室溫下測量時，冷端環(huán)境溫度要造成誤差。這就需要對冷端溫度進行適當處理，常用的處理方法補償方法有下列幾種補償方式：1、恒定00C法;2、冷端恒溫法

;3、修正系數法;4、補償導線法

;5、電橋補償法;6、電位補償法7.1.7熱電偶冷端溫度誤差及其補償1、恒定00C法。即將熱電偶冷端浸入冰水保溫瓶或冰點恒溫槽中，保證冷端溫度恒定在00C，如圖7-15(a)：2、冷端恒溫法。將冷端置于恒溫槽內。根據中間溫度定律：EAB(T,0)＝EAB(T,Tn)＋EAB(Tn,0)3、修正系數法。t=t1+ktn4、補償導線法（又稱冷端延長法或延伸熱電極法）如圖7-15(b)：1.冰點槽法把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于科學實驗中使用。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。mVABA’B’TC’C儀表銅導線試管補償導線熱電偶冰點槽冰水溶液冷端處理及補償T02.冷端恒溫法用普通室溫計算出參比端實際溫度TH，利用公式計算例用銅-康銅熱電偶測某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測得熱電動勢EAB(T，TH)=2.191mV，又用室溫計測出TH=20℃,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(20,0)=0.789mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，20)+EAB(20，T0)=2.191+0.789=2.980(mV)再次查分度表，與2.980mV對應的熱端溫度T=70℃。注意:既不能只按2.191mV查表，認為T=55℃，也不能把55℃加21℃，認為T=76℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)3.修正系數法把參比端實際溫度TH乘上系數k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的溫度上，成為被測溫度T。用公式表達即

式中：T——為未知的被測溫度；T′——為參比端在室溫下熱電偶電勢與分度表上對應的某個溫度；TH——室溫；k——為補正系數，其它參數見下表。例用鉑銠10－鉑熱電偶測溫，已知冷端溫度TH=35℃，這時熱電動勢為11.348mV．查S型熱電偶的分度表，得出與此相應的溫度T′=1150℃。再從下表中查出，對應于1150℃的補正系數k=0.53。于是，被測溫度

T=1150+0.53×35=1167.3（℃）用這種辦法稍稍簡單一些，比計算修正法誤差可能大一點，但誤差不大于0.14％。

T＝

T′＋

kTH溫度T′/℃補正系數k鉑銠10-鉑(S)鎳鉻-鎳硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.53—13000.52—14000.52—15000.53—16000.53—熱電偶補正系數5、電橋補償法，如圖7-16：6、電位補償法，原理如圖7-17：5、電橋補償法工業(yè)上常采用冷端自動補償方式。自動補償方式是在熱電偶和測量儀表間接入一個直流不平衡電橋(又稱為冷端溫度補償器)，如圖7-16所示。當熱電偶自由端(冷端)溫度升高，導致回路總電勢降低時，補償器感受到自由端的變化，產生一個電位差，其值正好等于熱電偶降低的電勢，兩者互相抵消以達到自動補償的目的。

電橋四臂由R1、R2、R3和RCu組成，其中R1、R2、R3的溫度系數為0，用錳銅絲燒制；RCu為銅電阻，置于熱電偶的冷端處，讓其感受熱電偶冷端同樣的溫度。設計時使電橋在20℃處于平衡(Uab＝0)，電橋對儀表的讀數無影響。當溫度不等于20℃時，電橋失衡，產生一個失衡電壓Uab與熱端電勢疊加，共同輸入測量儀表。如果設計出的冷端補償器所產生的不平衡電壓正好補償由于冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值，儀表便可正確讀出被測溫度。需要注意的是：由于電橋是在20℃平衡，應把儀表的機械零位調到20℃處，不同型號的冷端補償器應與所用的熱電偶配套。5.電橋補償器法利用不平衡電橋產生熱電勢補償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個橋臂和橋路電源組成。設計時，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時Uab=0，電橋對儀表讀數無影響。冷端補償器的作用注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3RT0UaUabEAB(T,T0)供電4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范圍起補償作用。注意，不同材質的熱電偶所配的冷端補償器，其中的限流電阻R不一樣，互換時必須重新調整。6、電位補償法它是在熱電偶回路中串加一個起自動補償作用的電勢，修正冷端溫度不為0℃時的電勢，使輸出電勢恒為冷端溫度相當于0℃時的熱電勢。具體地講，H是熱端，T為工作溫度，冷端放在補償器C中，溫度為Tn。外加電源電壓U為一恒定電壓，電位器R1與電阻R2調整分壓比。在補償器C中并聯(lián)電阻R3和可調的具有正溫度系數的熱敏電阻Rt；經A點給熱電偶加一個經修正的電勢E(Tn，T0)，式中T0＝0℃。當冷端溫度為Tn時，輸出熱電勢EAB(T，T0)＝EAB(T，Tn)＋EAB(Tn，T0)當環(huán)境溫度Tn變高時，EAB(T，Tn)下降，但EAB(Tn，T0)變高，因此保持EAB(T，T0)不變。

7.2熱電阻傳感器熱電阻傳感器有兩大類：①金屬熱電阻——俗稱熱電阻；②半導體熱電阻——俗稱熱敏電阻

熱電阻效應——物質的電阻率隨溫度變化的現(xiàn)象。

熱電式傳感器是利用轉換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關的參量進行檢測的裝置。其中將溫度變化轉換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器；將溫度變化轉換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導體熱電阻式兩大類，前者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電阻。

熱電阻傳感器7.2熱電阻傳感器利用電阻溫度變化的特性制成的傳感器叫熱電阻傳感器。熱電阻分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩大類。一般地金屬熱電阻稱為熱電阻，而把半導體熱電阻稱為熱敏電阻。

物質的電阻率隨溫度變化的現(xiàn)象稱為熱電阻效應。當溫度變化時，導體或半導體的電阻值隨之變化，對于金屬來說，溫度上升時，其電阻值將增大。因此，在一定溫度范圍內，可以通過測量電阻值的變化而感知溫度的變化。

利用熱電阻的上述轉換原理，不僅可應用于溫度測量，還可用于流量、速度、濃度和密度等非電量的測量。7.2.1熱電阻材料的特點①電阻溫度系數α要盡可能大，且穩(wěn)定；②電阻率ρ要高；③比熱小，亦即熱慣性小④電阻值隨溫度變化關系最好是線性關系；⑤在較寬的測量范圍內具有穩(wěn)定的物理化學性質；⑥良好的工藝性，即特性的復現(xiàn)性好，便于批量生產7.2.2電阻與溫度的關系大多數金屬導體的電阻隨溫度而變化的關系可由下式表示Rt=R0[1+α(t-t0)]Rt、R0為tOC和t0OC時的電阻值

α為熱電阻的電阻溫度系數t為被測溫度常用金屬熱電阻的性能見P158表7-67.2.3常用熱電阻

熱電阻傳感器由熱電阻絲、絕緣骨架、引出線組成。其中電阻絲是熱電阻的主體。目前最廣泛使用的熱電阻材料是銅熱電阻和鉑熱電阻。1、鉑熱電阻：型號為WZB，分度號為BA-1、R0＝46Ω和BA-2、R0＝100Ω。

常用熱電阻熱電阻傳感器由熱電阻絲、絕緣骨架、引出線等部件組成，其中熱電阻絲是熱電阻的主體。因此，對其提出較高要求：(1)電阻溫度系數要大，以利于提高熱電阻傳感器的靈敏度；(2)電阻率盡可能大，以便減小電阻體尺寸；(3)熱容量要小，以便提高熱電阻的響應速度；(4)在測量范圍內，應具有穩(wěn)定的物理、化學性能；(5)電阻與溫度的關系最好接近于線性；(6)應具有良好的可加工性，價格要低。

根據上述要求及金屬材料的性能，目前最廣泛使用的熱電阻絲材料是銅、鉑(隨著低溫和超低溫測量技術的發(fā)展，開始采用錳、銦和碳等作為熱電阻的材料)。圖5-13給出了銅、鉑材料的電阻率與溫度的關系曲線，縱坐標為電阻率ρ(Ω·m×10－8)，橫坐標為溫度(℃)

1.鉑熱電阻鉑熱電阻的電阻體是用直徑0.02mm～0.07mm的鉑絲，按一定規(guī)律繞在云母、石英或陶瓷支架上而制成的。鉑絲繞組的端頭與銀線相焊，并套以瓷管加以絕緣保護。鉑熱電阻是國際公認的成熟產品，它的性能穩(wěn)定，重復性好，測量精度高，其電阻值與溫度之間的關系近似線性。所以在工業(yè)用傳感器中得到了廣泛的應用。其缺點是電阻溫度系數小，價格較貴。它的測溫范圍一般為－190～＋660℃。特性方程為PtCu403020100020080060040012001000-200溫度T℃圖7-13鉑﹑銅材料的電阻率-溫度關系曲線電阻率(Ωcm×10-6)當－190℃<=t<=0℃時Rt＝R0［1＋At＋Bt2＋Ct3(t－100)］(7-28)當0℃<=t<=660℃時Rt＝R0［1＋At＋Bt2］(7-27)

式中，Rt為鉑熱電阻在t℃時的電阻值；R0為鉑熱電阻熱電阻在0℃時的電阻值；分度系數A＝3.96847×10－3／℃、B＝－5.847×10－7／℃2、C＝－4.22×10－12／℃4。

鉑熱電阻值中的鉑絲純度高達99.995～99.9995%，100℃時的電阻值R100與0℃時的電阻值R0的比值用W(100)表示。一般工業(yè)用鉑熱電阻要求W(100)＝1.387～1.390，標準用熱電阻要求W(100)1.3925。

應用鉑熱電阻的特性方程式，每隔1℃求取一個相應的Rt，便可得到鉑熱電阻的分度表，因而在實際測量中，只要測得其Rt，便可以在分度表中查知對應的溫度值。工業(yè)用鉑熱電阻體的結構如圖7-18所示。絕緣套管鉑熱電阻絲絕緣支架引出導線圖7-18工業(yè)用鉑熱電阻體結構

工業(yè)用標準鉑熱電阻的R0值有100Ω，50Ω，46Ω等幾種。

2.銅熱電阻在測量精度不太高、測量范圍不大的情況下，可以采用銅熱電阻來代替鉑電阻熱，以降低成本(因為鉑是貴重金屬)。銅熱電阻的測溫范圍一般為－50～＋150℃。在此測溫范圍內，銅熱電阻的阻值與溫度呈線性關系，其特性方程為Rt＝R0(1＋αcut)

(7-29)

式中，Rt為溫度t℃時的電阻值；R0為溫度0℃時的電阻值；αcu為銅電阻溫度系數，一般為4.25×10－3／℃～4.28×10－3／℃。

國際銅熱電阻R0值有100Ω，53Ω，50Ω等幾種。引出線補償線阻銅熱阻絲圖7-19銅熱電阻體結構

銅熱電阻體的結構如圖7-19所示。通常用直徑0.1mm的漆包線或絲包線分層雙向繞制在圓形骨架上(消除銅電阻的自感)。為了防止松散，整個元件要經過酚醛樹脂浸漬后，在溫度為120℃的烘箱內保持24小時，然后自然冷卻至常溫而成為一個可以使用的銅熱電阻體，再用鍍銀銅線作引出線，并套以絕緣套管。

銅熱電阻的工藝性好，價格便宜，但它易氧化，電阻率小，測溫范圍小，不適于在腐蝕性介質或高溫下工作。2、銅熱電阻：

型號為WZG，分度號為G，R0＝53Ω銅熱電阻的優(yōu)點：①電阻率小，僅為鉑的1／6，故體積大，熱慣性大。②當溫度高于100OC時，易氧化、測量范圍小，不適于在腐蝕性介質或高溫下工作。

3、鎳熱電阻在-50～200OC范圍內，鎳的電阻與溫度的關系一般可寫成4、其他熱電阻P160①銦熱電阻②錳熱電阻③碳熱電阻④鐵熱電阻鎳熱電特性的線性較差，只有在溫度不超過100OC時才能得到較好的線性關系。

4.其他熱電阻上述兩種熱電阻對于低溫和超低溫測量性能不理想，近年來在低溫或超低溫測量方面，開始采用一些較為新穎的熱電阻，如銦電阻、錳電阻、碳電阻等。

(1)銦熱電阻用99.999%高度提純的銦絲繞制成的高精度低溫熱電阻，實驗證明：在4.2～15K溫度范圍內，其靈敏度比鉑電阻高10倍；其缺點是材料軟，重復性差。

(2)錳熱電阻在2～63K溫度范圍內，電阻隨溫度變化大，靈敏度高，其缺點是材料脆，難拉成絲。

(3)碳熱電阻適合于液氦溫區(qū)的溫度測量，價格低廉，對磁場不敏感，但熱穩(wěn)定性較差。1、三線制測量電路。如P160圖7-20（a）

2、四線制測量電路。如P160圖7-20（b）

7.2.4熱電阻的測溫電路在實際測溫中，常用直流電橋作為熱電阻測量電路。但是，由于熱電阻的本身的阻值很小，所以必須考慮導體電阻的影響。為了消除引線的影響，常采用三線制、四線制電路。1、三線制測量電路。如P160圖7-20（a）

線路。由于熱電阻的阻值很小，導線電阻值將帶來不可忽視的測量誤差。為此，可采用如圖7-20所示的電橋連接測量電路。r1RtMr2r3BR1R3R2A（a）三線連接的測溫電橋（b）四線電阻測溫電路r1r2恒流源Ⅰ電壓表ⅤEmr3Rtr4IVImE圖7-20熱電阻的測溫電路

圖7-20(a)中Rt為熱電阻，r1、r2、r3為引線電阻；R1、R2為兩橋臂電阻,取R1＝R2；R3為調整電橋的精密電阻。由于測量儀表M的內阻很大，流過r2的電流接近于0，當VA＝VB時，電橋平衡，調節(jié)R3，使r1＋Rt＝r3＋R3，可消除引線電阻的影響。圖7-20(b)是為高精度地測量溫度而設計的四線式測量電路，圖中r1～r4是導線電阻，Rt為熱電阻。因為電壓表V內阻很大(IV<<IM)，則可視為IV≈0。又因EM＝E＋IV(r2＋r3)，所以（7-26）由此可知，引線電阻r1～r4將不引入測量誤差。2、四線制測量電路。如P160圖7-20（b）

1、自熱誤差熱電阻自身消耗功率，產生熱量，引起誤差。使用時需限制電流，不超過6mA。7.2.5使用熱電阻的注意事項2、引線電阻的影響熱電阻本身電阻很小，不能忽略引線電阻及其變化。使用時采樣三線制式或四線制式。7.3熱敏電阻傳感器前面討論的熱電偶和熱電阻分別是利用金屬導體的熱電效應和熱電阻效應制成的兩種熱電式傳感器，下面將要介紹的熱敏電阻是半導體的電阻值隨溫度變化的一種熱敏元件。熱敏電阻的特點P161

（1）電阻溫度系數大，靈敏度高（2）結構簡單，體積?。?）電阻率高，熱慣性小。適宜動態(tài)測量（4）不需考慮引線電阻和接線方式，適合遠距測量（5）阻值與溫度變化呈非線性關系（6）但穩(wěn)定性較差7.3.1熱敏電阻的工作原理金屬的電阻值隨溫度的升高而增大，但半導體的電阻值隨溫度的升高而急劇減小，并呈非線性，如圖7-21所示?？芍?，在溫度變化相同時，熱敏電阻的阻值變化約為鉑熱電阻的10倍，因此可用它來測量0.01℃或更小的溫度差異。半導體熱敏電阻鉑熱電阻溫度（℃）電阻（Ω）圖7-21金屬鉑盒熱敏電阻的溫度特性曲線

半導體的這種溫度特性是由半導體的導電方式所決定的(半導體中的載流子為自由電子和空穴兩種異性電荷)。由于半導體載流子的數目遠遠少于金屬中自由電子的數目，所以它的電阻率很大。隨著溫度的升高，半導體中參加導電的載流子數目將顯著增多，其電導率隨之增加，即電阻率隨之下降。7.3.2熱敏電阻的結構形式與基本類型1、熱敏電阻的結構形式熱敏電阻采用不同的封裝形式可分為珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等。如P162圖7-22

熱敏電阻成分：由鈷、鎳、錳等金屬氧化物，采用不同比例配方，經高溫燒結而成，然后制成各種形狀，加上殼體和引線，便構成熱敏電阻。(a)珠狀(b)片狀(c)桿狀(d)墊圈狀圖5-17熱敏電阻結構形式2、熱敏電阻基本類型如P162圖7-23。①負溫度系數熱敏電阻（NTC）②正溫度系數熱敏電阻（PTC）③臨界溫度系數熱敏電阻（CTR）

1.NTC（負溫度系數）熱敏電阻

NTC熱敏電阻的溫度特性符合指數規(guī)律：（7-31）式中RT、R0分別熱敏為電阻在絕對溫度T和T0時的阻值(Ω)；T、T0分別為介質的絕對變化溫度和起始溫度(K)；B為熱敏電阻的材料常數。一般情況下，B＝2000～6000K。在高溫下，B值將增大。

若定義為熱敏電阻的溫度系數αT，則由式(7-31)得(7-32)

可見，αT隨溫度降低而迅速增大。αT決定熱敏電阻在全部工作范圍內的溫度靈敏度。

［例7-3］

某NTC型熱敏電阻的B值為4000K，當T＝293.15K(20℃)時，求其溫度系αT

。解：

αT＝－B/T2

＝－4000/293.152＝－4.7%／K

NTC熱敏電阻具有精度高、可靠性好、體積小、響應快、成本低等特點，因而使其在工業(yè)、農業(yè)、科技、醫(yī)學、通信、家電等領域得到了廣泛的應用。

2.CTR（臨界溫度）熱敏電阻

CTR熱敏電阻是以三氧化二釩與鋇、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱還原氣氛中混合燒結而成，呈現(xiàn)半玻璃狀，具有負溫度系數。通常，CTR熱敏電阻用樹脂包封成珠狀或厚膜形使用，其阻值在1KΩ～10MΩ之間。它隨溫度變化的特性屬劇變型，具有開關特性，不能像NTC熱敏電阻那樣用于寬范圍的溫度控制，可在特定的溫區(qū)內實現(xiàn)溫度控制。

3.PTC（正溫度系數）熱敏電阻

PTC熱敏電阻是以鈦酸鋇摻合稀土元素燒結而成的半導體陶瓷元件，具有正溫度系數?？衫闷渥钥刈饔茫龀筛鞣N恒溫器、限流保護元件或溫控開關；還可以組成發(fā)熱元件，功率一般為幾瓦到數百瓦。

在溫度測量中，主要采用NTC或PTC型熱敏電阻，但使用最多的是NTC型。CTR型熱敏電阻組成控制開關是十分理想的。7.3.3熱敏電阻的主要參數熱敏電阻除前述的材料常數B外，還有以下主要參數：

1.標稱阻值RtRt一般指20℃時熱敏電阻的阻值，其大小決定于熱敏電阻使用的材料和它的幾何尺寸。

2.電阻溫度系數αT

αT表示溫度變化1℃(或K)時的阻值變化率，單位為1／℃或1／K。

3.時間常數τ

時間常數τ是描述熱敏電阻熱慣性的參數。如果設0℃及100℃時熱敏電阻阻值分別為R0和R100，當把0℃時的熱敏電阻放入溫度為100℃的介質中，熱敏電阻阻值則以R0減小到(R0－R100)×60%所需要的時間，稱為熱敏電阻的時間常數。τ越小，表明熱敏電阻的熱惰性越小。

4.額定功率指在標準壓力(750mmHg)和規(guī)定的最高環(huán)境溫度下，熱敏電阻長期連續(xù)使用所允許的耗散功率。在實際使用時，熱敏電阻所消耗的功率不得超過其額定功率。其它參見P164

。7.3.3熱敏電阻的主要參數和特性

2、熱敏電阻的主要特性

（1）電阻-溫度特性（R-T）

（2）伏安特性（圖7-24）線性區(qū)非線性正阻區(qū)非線性負阻區(qū)（3）電流-時間特性（圖7-25）7.3.4熱敏電阻輸出特性的線性化處理

1、線性化網絡采用精密電阻與熱敏電阻串聯(lián)或并聯(lián)構成電阻網絡。如圖7-26。2、計算修正法3、利用溫度—頻率轉換電路改善非線性7.4PN結溫度傳感器PN結溫度傳感器種類：①、溫敏二極管；②、溫敏三極管③、溫控晶閘管。7.4.1溫敏二極管

1、工作原理

P1682、基本特性

（1）UF—T特性（2）靈敏度特性（3）自熱特性

7.4.1溫敏二極管

1.工作原理根據PN結理論，對于理想二極管，只要正向電壓Uf大于kT/q0幾個，其正向電流If與正向電壓Uf和溫度T之間的關系可簡化表示為（7-42）兩邊取對數，得（7-43）由于則（5-31b）的正向電壓Uf隨溫度T的升高而降低，呈現(xiàn)負的溫度系數。利用這一特性可以進行溫度的測量。

［例7-4］

設硅半導體材料的Ugo＝1.172V，Uf＝0.65，T＝300K，η＝3.5。通過計算說明其溫度特性。

解：

將給定數據代入(5－33)式，有即溫度每升高一度K，PN結的正向壓降Uf下降2mV。

2.基本特性—Uf－T關系對于不同的工作電流，溫敏二極管的Uf-T的關系是不同的；但Uf－T總是近似線性關系。圖7-29給出了2DWM1型硅溫敏二極管在恒流If＝100mA下的Uf－T關系曲線，其測溫范圍為－50℃～150℃，呈現(xiàn)很好的線性關系。

(7-45)

7.4.2溫敏三極管工作原理：晶體管發(fā)射結上的正向電壓隨溫度上升而近似成線性下降。7.4.3溫控晶閘管1、工作原理：當溫度升高時，使溫控晶閘管從阻塞變?yōu)閷?，相當于在控制極上加了觸發(fā)電壓。2、用途：應用于溫度控制及過熱保護等。7.4.2溫敏三極管

1.工作原理溫敏二極管的溫度特性只對擴散電流有效，但實際二極管的正向電流中，除擴散電流外，還包括空間電荷區(qū)的復合電流和表面復合電流成分。后兩種復合電流成分將使溫敏二極管的實際Uf-T特性偏離理想曲線，線性誤差較大，使其應用范圍受到限制。利用溫敏三極管可以彌補這一缺陷。因為溫敏三極管在正向工作狀態(tài)下，雖然發(fā)射極電流也包含上述三個部分，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，因此，溫敏三If=100μAUf（mV）－5002550100150100200300400500600700T（℃）圖7-292DWM型溫敏二極管Uf-T特性極管的Uf-T特性較之于溫敏二極管更接近理想狀態(tài)，具有良好的線性度。根據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UBE與溫度T和集電極電流IC的函數關系為溫敏晶體管C-+ARc虛地RUBE

E（a）基本電路溫度T（℃）0100200300－10000.20.40.60.81.0Ic＝50μA(b)輸出特性圖7-30溫極三極管的基本測溫電路及其輸出特性

(7-52)

式中各符號的含義類同于前。若IC恒定，則UBE僅隨溫度T成單調單值函數變化。

2.基本測溫電路圖7-30(a)給出一種常用的溫敏三極管測溫電路圖。溫敏三極管作為負反饋元件跨接在運算放大器的反相輸入端，同時使基極接地。這樣使得發(fā)射結成為正向偏置，而集電結幾乎為零偏置。零偏的集電結使得集電結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，集電極電流IC只取決于集電極電阻RC和電源E，保證了溫敏三極管的IC恒定(IC＝E／RC)，與溫度無關，此時將得到運算放大器的輸出電壓為UBE，且有

(7-52)

式中，UBE為發(fā)射結壓降；IE為發(fā)射極電流；IES為發(fā)射極的反向飽和電流。顯然，可以根據這個關系通過UBE來進行溫度的測量。當IE一定時，溫敏三極管UBE和溫度的關系如圖7-30(b)所示。

溫敏三極管雖然測溫范圍較窄(只有-50℃～＋150℃)，但由于它的線性度較好，易批量生產，故也得到了較為廣泛的應用。7.4.3溫控晶閘管溫控晶閘管是一個新的溫敏半導體器件，主要用于溫度控制及過熱保護等。其結構與一般晶閘管相同，是由P1N1P2N2四層疊合半導體構成的，在每對P、N型半導體之間形成一個PN結，因此，共有三個PN結(J1、J2、J3)以及分別以P1、N2和P2引出的三個電極(陽極Ap1n1p2n2GGKSiO2AKIUROIHISUHUSU(a)原理結構圖（b）工藝結構圖（c）伏安特性曲線圖7-31溫控晶閘管結構圖及伏安特性曲線A、陰極K和控制極G)。因此它是一個四層三端半導體器件，如圖7-31(a)、(b)所示，其伏安特性曲線如圖7-31(c)所示，由此可知溫控晶閘管具有以下特性：(1)給器件兩端A、K之間加正向電壓時，雖然J1、J3為正向偏置，但J2為反向偏置，故它處于正向高阻阻塞狀態(tài)；(2)當未加觸發(fā)信號，正向電壓增至US時，曲線發(fā)生正向轉折出現(xiàn)負阻區(qū)，至UH處突然導通，US稱為開關電壓，UH稱為保持電壓；(3)當陽極加反向電壓時，只要反向電壓不超過反向擊穿電壓URO，器件將處于反向阻塞狀態(tài)。

由晶閘管的導通原理可知，可以通過給控制極加觸發(fā)信號來改變控制極電流的大小，使它在不同的陽極電壓下由阻塞狀態(tài)的導通。溫控晶閘管和一般晶閘管的區(qū)別在于：當溫度升高時，會使它產生更多的電子空穴對，并被J2結所收集，相當于在控制極加上了觸發(fā)電壓，使溫控晶閘管從阻塞變?yōu)閷ā?.5熱釋電紅外傳感器

一、熱釋電效應——晶體受熱時，由于溫度變化使其原子排列發(fā)生變化，晶體自然極化，在其兩端表面產生電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應。根據熱釋電式紅外光敏元件的原理，熱釋電材料應滿足以下要求：（1）對紅外光有極強的吸收能力；（2）對已接收的能量產生較大的溫升；（3）由于溫度變化而引起的極化電荷量變化應當盡量大；（4）元件本身電容小，以使表面的極化電荷量變化所引起的輸出電壓信號較大；（5）介電損失應盡量小，以減少元件誤差。

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熱釋電紅外傳感器是利用強電介質溫度變化時，使自發(fā)極化產生變化，表面電荷產生微小變化這種熱釋電效應制成的傳感器。其結構及內部電路如圖7-32所示。因熱釋電元件的電阻很高，應配有高輸入阻抗的場效應管(FET)前置放大器。另外，它還有濾光片、熱電元件PZT、電阻、二極管等部件并由外殼封裝。其中裝在窗口處的濾光片為6μm多層膜干涉濾光片，它對于太陽光和熒光燈光的短波長(約5μm以下)具有高反射率，而對于6μm以上的紅外線熱源具有穿透性，其光譜特性見圖7-33所示。阻抗變換用的結型場效應管FET和電路元件放置在管底部。熱電元件選用PZT壓電陶瓷，其溫度性能比較穩(wěn)定，且適合批量生產，成本低，可靠性高。除上述熱釋電紅外傳感器外，還有供測溫使用的熱釋電紅外傳感器，其工作電壓為3～15V，