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1、傳感器課程電子教案 哈爾濱工業(yè)大學光電信息與檢測技術研究所哈爾濱工業(yè)大學光電信息與檢測技術研究所第八章熱電式傳感器v第一節(jié)熱電偶傳感器 v第二節(jié) 熱電阻傳感器v第三節(jié) 熱敏電阻傳感器v第四節(jié)集成溫度傳感器下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫應用最廣的測溫傳感器應用最廣的測溫傳感器第一節(jié)熱電偶傳感器 v結構簡單：其主體實際上是由結構簡單：其主體實際上是由兩種不同性質(zhì)的導體兩種不同性質(zhì)的導體或半導體互相絕緣并將一端焊接在一起而成的或半導體互相絕緣并將一端焊接在一起而成的；v具有較高的準確度具有較高的準確度；v測量范圍測量范圍寬寬，常用的熱電偶，低溫可測到，常用的熱電偶，低溫可測到-50 C，高溫可以達

2、到高溫可以達到1600 C左右，配用特殊材料的熱電極，左右，配用特殊材料的熱電極，最低可測到最低可測到-180 C，最高可達到最高可達到+2800 C的溫度；的溫度；v具有良好的敏感度；具有良好的敏感度；v使用方便等。使用方便等。下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫v一、熱電偶的工作原理一、熱電偶的工作原理 1熱電效應熱電效應 將兩種不同性質(zhì)的導體將兩種不同性質(zhì)的導體A，B串接成一個閉合回串接成一個閉合回路，如果兩接合點處的溫度不同（路，如果兩接合點處的溫度不同（T0T），則在兩），則在兩導體間產(chǎn)生熱電勢，并在回路中有一定大小的電流，導體間產(chǎn)生熱電勢，并在回路中有一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效

3、應。這種現(xiàn)象稱為熱電效應。v閉合回路中兩種導體叫熱電極；v兩個結點中，一個稱工作端或熱端（T），另一個叫參比端或冷端（T0）。v由這兩種導體的組合并將溫度轉換成熱電動勢的傳感器叫做熱電偶。v熱電動勢是由兩種導體的接觸電勢和單一導體的溫差電動勢所組成。熱端熱端冷端冷端式中式中 k波爾茲曼常數(shù)，為波爾茲曼常數(shù)，為1.3810-23J/K；NA、NB 金屬金屬A、B的自由電子密度。的自由電子密度。下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫一、兩種導體的接觸電勢一、兩種導體的接觸電勢-珀耳帖珀耳帖(Peltier)電動勢電動勢 由式可見，當由式可見，當兩結點的溫度相同，兩結點的溫度相同，即即T=T0，AB材料相

4、材料相同時回路中總電勢同時回路中總電勢將為零。將為零。兩電勢兩電勢方向相反方向相反 T端端 T0端端+-AB二、單一導體的溫差電勢二、單一導體的溫差電勢（湯姆遜電勢）（湯姆遜電勢）圖圖8-6 溫差電勢溫差電勢T0T下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫結點溫度同，則溫差電勢為結點溫度同，則溫差電勢為0；A、B材料同，則溫差電勢也為材料同，則溫差電勢也為0。式中式中 AA導體的導體的湯姆遜湯姆遜系數(shù)，對于系數(shù)，對于確定的材料確定的材料來說是一來說是一常數(shù)常數(shù)。下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫對于兩種金屬（或半導體）對于兩種金屬（或半導體）A、B組成的熱電偶回路，組成的熱電偶回路，湯姆遜電勢湯姆遜電勢（

5、單一導體的溫差電勢）等于它的代數(shù)和，即（單一導體的溫差電勢）等于它的代數(shù)和，即兩種導體的接觸電勢兩種導體的接觸電勢（珀爾帖）（珀爾帖）單一導體的溫差電勢單一導體的溫差電勢（湯姆遜電勢）（湯姆遜電勢）總的熱電勢為總的熱電勢為二者之和。二者之和。不用記住，理解即可。不用記住，理解即可。下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫溫差電勢溫差電勢v 如果熱電偶兩電極材料相同，則雖兩端溫度不同，但如果熱電偶兩電極材料相同，則雖兩端溫度不同，但 總輸出電勢仍為零，也就是說總輸出電勢仍為零，也就是說只有兩種不同的材料才只有兩種不同的材料才 能構成熱電偶；能構成熱電偶；v 如果熱電偶兩結點溫度相同，則回路中的總電勢必然

6、如果熱電偶兩結點溫度相同，則回路中的總電勢必然 等于零。等于零。接觸電勢接觸電勢下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫 熱電勢的大小只與材料和結點的溫度有關，熱電勢的大小只與材料和結點的溫度有關，與熱電偶的尺寸、形狀及沿電極溫度分布無關與熱電偶的尺寸、形狀及沿電極溫度分布無關。結論：結論：2熱電偶基本定律 v（1）中間導體定律 如圖,A,B中接入第三導體C，當A、B結點溫度為T，其余結點溫度為T0，且TT0時，則回路中總熱電動勢為 v由于在由于在TT0的情況下回路中總電動勢為零的情況下回路中總電動勢為零 有有 v中間導體定律中間導體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的

7、導線，只要其兩端的溫度相等，第三導線的引入不會影響熱電偶的熱電動勢。v參考電極定律 圖中導體C接在A、B之間，形成三個熱電偶組成的回路。當結點溫度為T，T0時，用導體A、B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的代數(shù)和。這一規(guī)律稱為參考電極定律。v中間溫度定律 當熱電偶的兩個節(jié)點溫度為T，T1時,熱電勢為EAB（T,T1）；當熱電偶的兩個節(jié)點溫度為T1，T0時,熱電勢為EAB(T1,T0)；當熱電偶的兩個節(jié)點溫度為T，T0時,熱電勢為 對熱電偶的電極材料主要要求是對熱電偶的電極材料主要要求是：配制成的熱電偶應具有較大的熱電勢，并希望熱電配制成的熱電偶應具有較大的熱電勢，并希

8、望熱電勢與溫勢與溫 度之間成線性關系或近似線性關系。度之間成線性關系或近似線性關系。能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用。并且在長期工作后物能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用。并且在長期工作后物理化學性能與熱電性能都比較穩(wěn)定。理化學性能與熱電性能都比較穩(wěn)定。電導率要求高，電阻溫度系數(shù)要小。電導率要求高，電阻溫度系數(shù)要小。易于復制，工藝簡單，價格便宜。易于復制，工藝簡單，價格便宜。下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫二、常用熱電偶二、常用熱電偶v1鉑銠10鉑熱電偶 v2鎳鉻鎳硅熱電偶 v3鎳鉻考銅熱電偶 v4鎢錸5鎢錸20熱電偶 三、熱電偶溫度補償三、熱電偶溫度補償 v 熱電偶輸出的電動勢是兩結點溫度差的函數(shù)。熱電偶輸出

9、的電動勢是兩結點溫度差的函數(shù)。作為被測溫度端，作為被測溫度端，T0作為參比溫度端（冷端）通作為參比溫度端（冷端）通常要求常要求T0保持為保持為0，但在實際中做到這一點很困難，但在實際中做到這一點很困難，于是產(chǎn)生了熱電偶冷端補償問題。于是產(chǎn)生了熱電偶冷端補償問題。一、補償導線一、補償導線這是一種在工業(yè)中普遍應用的補償方法。這是一種在工業(yè)中普遍應用的補償方法。由于被測點與指示儀表之間常有很長的距離，這就要求由于被測點與指示儀表之間常有很長的距離，這就要求熱電偶有較長的尺寸，但是熱電偶材料較貴，采用較長的尺熱電偶有較長的尺寸，但是熱電偶材料較貴，采用較長的尺寸價格過高，這就限制了參考端接線位置（我們

10、希望參考端寸價格過高，這就限制了參考端接線位置（我們希望參考端溫度穩(wěn)定）。溫度穩(wěn)定）。冷端延長線法冷端延長線法可以解決這個問題。可以解決這個問題。Tn現(xiàn)場（環(huán)境溫度現(xiàn)場（環(huán)境溫度不穩(wěn)定場所）不穩(wěn)定場所）T0現(xiàn)場空調(diào)室（環(huán)境現(xiàn)場空調(diào)室（環(huán)境溫度穩(wěn)定場所）溫度穩(wěn)定場所）下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫二、冷端溫度修正法二、冷端溫度修正法下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫 把冰屑和清潔的水相混合，放在保溫瓶中，并使水把冰屑和清潔的水相混合，放在保溫瓶中，并使水面略低于冰屑面，然后把熱電偶的參考端置于其中，在面略低于冰屑面，然后把熱電偶的參考端置于其中，在一個大氣壓的條件下，即可使冰水保持在一個大氣壓的

11、條件下，即可使冰水保持在0，這時熱，這時熱電偶輸出的熱電勢與分度值一致。實驗室中通常使用這電偶輸出的熱電勢與分度值一致。實驗室中通常使用這種辦法。近年來，已生產(chǎn)一種半導體致冷器件，可恒定種辦法。近年來，已生產(chǎn)一種半導體致冷器件，可恒定在在0。三、三、0恒溫法恒溫法 比較常用的是電位補償法,即在熱電偶回路中串入一個自動補償?shù)碾妱觿?。如圖四、補償電橋法四、補償電橋法四、熱電偶測溫電路四、熱電偶測溫電路(補充）補充）一一、熱電偶直接與指示儀表配用、熱電偶直接與指示儀表配用v熱電偶與動圈式儀表連接。這時流過儀表的電流不僅與熱電熱電偶與動圈式儀表連接。這時流過儀表的電流不僅與熱電勢大小有關，而且與測溫回

12、路的總電阻有關，因此要求回路勢大小有關，而且與測溫回路的總電阻有關，因此要求回路總電阻必須為恒定值，即總電阻必須為恒定值，即 Rr+Rc+RG=常數(shù)常數(shù)下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫式中：式中：Rr熱電偶電阻；熱電偶電阻；Rc 連接導線電阻；連接導線電阻；RG 指示儀表的內(nèi)阻指示儀表的內(nèi)阻RrRcRG這種線路結構簡單，價格便宜，常用于測溫精度要求不高場合這種線路結構簡單，價格便宜，常用于測溫精度要求不高場合。二、熱電偶正向串聯(lián)二、熱電偶正向串聯(lián) 為了提高測量精度和靈敏度，也可將為了提高測量精度和靈敏度，也可將n支型號相同的熱支型號相同的熱電偶依次串接，如下圖所示：電偶依次串接，如下圖所示：下

13、頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫這時線路的總電勢為這時線路的總電勢為 式中的式中的E1、E2、,En為單支熱電偶的熱電勢。顯然總為單支熱電偶的熱電勢。顯然總電勢比單支熱電偶的熱電勢增大電勢比單支熱電偶的熱電勢增大n倍。倍。靈敏度提高靈敏度提高 所有的熱電偶為同型號，且單支熱電偶的絕對誤差為所有的熱電偶為同型號，且單支熱電偶的絕對誤差為E，則整個串聯(lián)線路的絕對誤差為則整個串聯(lián)線路的絕對誤差為串聯(lián)后總的相對誤差為：串聯(lián)后總的相對誤差為：串聯(lián)前的相對誤差串聯(lián)前的相對誤差優(yōu)點：優(yōu)點：1、靈敏度提高（輸出熱電勢值大）；、靈敏度提高（輸出熱電勢值大）；2、相對誤差減小。、相對

14、誤差減小。缺點：缺點：1、只要有一支熱電偶發(fā)生斷路，則整個線路不能正常工作；、只要有一支熱電偶發(fā)生斷路，則整個線路不能正常工作；2、如若熱電偶短路則顯示值低，誤差加大。、如若熱電偶短路則顯示值低，誤差加大。下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫v下圖為測兩點溫度差的線路。兩支型號相同的熱電偶配用相下圖為測兩點溫度差的線路。兩支型號相同的熱電偶配用相同的同的補償導線補償導線，并，并反串連接反串連接，使兩熱電勢相減，從而測出，使兩熱電勢相減，從而測出T1和和T2的溫度差。的溫度差。下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫三、反向串聯(lián)三、反向串聯(lián)測溫差測溫差四、熱電偶并聯(lián)四、熱電偶并聯(lián) 用若干個熱電偶并聯(lián)，用若干

15、個熱電偶并聯(lián)，測出各點溫度的算術平均值測出各點溫度的算術平均值。R0R0R0下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫如果如果n支同型號的熱電偶，則并聯(lián)電路總熱電勢為：支同型號的熱電偶，則并聯(lián)電路總熱電勢為：平均熱電勢。平均熱電勢。并聯(lián)之后的熱電勢?。ㄏ喈斢趩沃В钥梢圆捎眠@樣的并聯(lián)之后的熱電勢?。ㄏ喈斢趩沃В钥梢圆捎眠@樣的電路電路優(yōu)點：優(yōu)點：某一支熱電偶斷路不中斷整個并聯(lián)線路的工作。某一支熱電偶斷路不中斷整個并聯(lián)線路的工作。缺點：缺點：若熱電偶發(fā)生斷路則不易發(fā)現(xiàn)。若熱電偶發(fā)生斷路則不易發(fā)現(xiàn)。下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫第二節(jié) 熱電阻傳感器一一 概述概述v金屬熱電阻傳感器（簡稱熱電阻傳感器

16、）是利用導體的電阻隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關的參數(shù)進行檢測的裝置。v主要優(yōu)點是：測量精度高；有較大的測量范圍，尤其在低溫方面；易于使用在自動測量和遠距離測量中；與熱電偶相比，它沒有參比端誤差問題。熱電阻傳感器之所以有較高的測量精度，主要是一些材料的電阻溫度特性穩(wěn)定，復現(xiàn)性好。二、熱電阻材料和常用熱電阻二、熱電阻材料和常用熱電阻熱電阻材料必須具有以下特點：v高且穩(wěn)定的溫度系數(shù)和大的電阻率，以便提高靈敏度和保證測量精度；v良好的輸出特性，即電阻溫度的變化接近于線性關系；v在使用范圍內(nèi)，其化學、物理性能應保持穩(wěn)定；v良好的工藝性，以便于批量生產(chǎn)，降低成本。材料的電阻率與溫度的關系一般都可近

17、似用一個二次方程描述 v 電阻率；v T溫度；v a、b、c 由實驗確定的常量。1鉑熱電阻特點：精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠特點：精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠在一定的溫度范圍內(nèi)可以表示為在一定的溫度范圍內(nèi)可以表示為 R=R0（1+T+T2）R0是是0的電阻，的電阻，和和與材料性質(zhì)有關與材料性質(zhì)有關v常用的熱電阻的名義阻值常用的熱電阻的名義阻值R0有有10，100，用符，用符號號Pt10和和Pt100表示。現(xiàn)在已有表示?，F(xiàn)在已有R0為為300、500的熱電阻市售，但使用較少。的熱電阻市售，但使用較少。2銅熱電阻v在一些精度要求不高的場合應用 R=R0（1+T）v特點：價格便宜、線性好、易氧化、不適合

18、在腐蝕或者高溫環(huán)境工作第三節(jié) 熱敏電阻傳感器 一、熱敏電阻的工作原理一、熱敏電阻的工作原理 半導體熱敏電阻（簡稱熱敏電阻）工作原理同金屬熱電阻一樣，也是利用電阻隨溫度變化的特性測量溫度。不同的熱敏電阻材料，具有不同的電阻溫度特性，按溫度系數(shù)的正負，將其分為正溫度系數(shù)熱敏電阻，負溫度系數(shù)熱敏電阻和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻。各熱電阻的溫度特性曲線如圖所示 v負溫度系數(shù)熱敏電阻（負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）其電阻隨溫度升高而）其電阻隨溫度升高而降低，具有負的溫度系數(shù)，通常將降低，具有負的溫度系數(shù)，通常將NTC稱為熱敏電稱為熱敏電阻阻v正溫度系數(shù)的熱敏電阻器（正溫度系數(shù)的熱敏電阻器（PTC）其電阻隨溫度增

19、）其電阻隨溫度增加而增加加而增加v臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）其特點是在某一溫）其特點是在某一溫度時，電阻急劇降低，因此可作為溫度開關。度時，電阻急劇降低，因此可作為溫度開關。v熱敏電阻特點熱敏電阻特點相對于一般的金屬熱電阻而言，熱敏電阻主要有如下特點：相對于一般的金屬熱電阻而言，熱敏電阻主要有如下特點：v(1)電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻大電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻大10100倍。倍。v(2)結構簡單，體積小，可以測量點溫度。結構簡單，體積小，可以測量點溫度。v(3)電阻率高，熱慣性小，適宜動態(tài)測量。電阻率高，熱慣性小，適宜動態(tài)測量。v(4)

20、阻值與溫度變化呈非線性關系。阻值與溫度變化呈非線性關系。v(5)穩(wěn)定性和互換性較差。穩(wěn)定性和互換性較差。熱敏電阻的熱敏電阻的優(yōu)點優(yōu)點：尺寸小、響應速度快、阻值大、靈敏度高。：尺寸小、響應速度快、阻值大、靈敏度高。熱敏電阻的熱敏電阻的缺點缺點：互換性差，每一支熱敏電阻都必須單獨分：互換性差，每一支熱敏電阻都必須單獨分度。度。v二、熱敏電阻的結構二、熱敏電阻的結構 熱敏電阻主要由熱敏探頭熱敏電阻主要由熱敏探頭1、引線、引線2、殼體、殼體3構成。電阻構成。電阻一般做成二端器件，但也有構成三端或四端的。根據(jù)不同的一般做成二端器件，但也有構成三端或四端的。根據(jù)不同的要求，可以把熱電阻做成不同的形狀結構要

21、求，可以把熱電阻做成不同的形狀結構，如圖，如圖v 日本Shibaura Electronics Co,Ltd.的市場分析表明v家用電器，如空調(diào)、微波爐、電飯燙、熱水器、烘拷面包設備和電池充電器等用的熱敏電阻器占公司總熱敏電阻器銷售量的58。v第二位是信息處理和辦公設備占21。v用于汽年空凋，冷卻系統(tǒng)的熱敏電阻器占9。v高精度的熱敏電阻器可用于激光打印機、普通紙復印機探測固定色劑滾形加熱器的表面溫度。使用熱敏電阻器可根據(jù)室溫調(diào)整電流，使墨水噴射印刷機的墨水保持最佳溫度。第四節(jié)集成溫度傳感器一、概述一、概述 隨著半導體技術的發(fā)展，各種集成溫度傳感器件越來越隨著半導體技術的發(fā)展，各種集成溫度傳感器件越來越多地應多地應 用于各種溫度計量、溫度控制領域。按照輸出信號的用于各種溫度計量、溫度控制領域。按照輸出信號的形式，集成溫度傳感器可分為電流、電壓和數(shù)字三類。形式，集成溫度傳感器可分為電流、電壓和數(shù)字三類。主要特點有：主要特點有：v 靈敏度高靈敏度高v 線性較好線性較好v 重復性好重復性好v 溫度范圍較窄溫度范圍較窄v 準確度較低準確度較低二、集成溫度傳感器應用舉例二、集成溫度傳感器應用舉例v AD590v DS1820