《第9章 熱電式傳感器》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《第9章 熱電式傳感器（19頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、 第第9 9章章 熱電式傳感器熱電式傳感器 9.1 9.1 熱電偶熱電偶 9.1.1 9.1.1 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理 9.1.2 9.1.2 熱電偶基本定律熱電偶基本定律 9.1.3 9.1.3 常用熱電偶常用熱電偶 9.2 9.2 熱電阻熱電阻 9.2.1 9.2.1 鉑電阻鉑電阻 9.2.2 9.2.2 銅電阻銅電阻 9.3 9.3 熱敏電阻熱敏電阻 9.3.1 9.3.1 導電機理導電機理 9.3.2 9.3.2 電阻與溫度關系電阻與溫度關系 9.4 9.4 熱釋電型溫度傳感器熱釋電型溫度傳感器 9.5 9.5 半導體集成溫度傳感器半導體集成溫度傳感器 熱電式傳感器是利用其

2、敏感元件的特征參數熱電式傳感器是利用其敏感元件的特征參數隨溫度變化的特性，對溫度及與溫度有關的參量隨溫度變化的特性，對溫度及與溫度有關的參量進行測量的裝置。進行測量的裝置。溫度量轉換為電阻和電勢是目前工業(yè)生產和溫度量轉換為電阻和電勢是目前工業(yè)生產和控制中應用最為普遍的方法控制中應用最為普遍的方法 將溫度變化轉換為電阻變化的稱為熱電阻傳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感器；將溫度變化轉換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。偶傳感器。半導體集成溫度傳感器及利用熱釋電效應制半導體集成溫度傳感器及利用熱釋電效應制成的感溫元件在測溫領域中也得到越來越多的重成的

3、感溫元件在測溫領域中也得到越來越多的重視。視。 9.1 9.1 熱電偶熱電偶9.1.1 9.1.1 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理 熱電偶偶是是利利用用導體體或或半半導體體材材料料的的熱電效效應將將溫溫度度的的變化化轉換為電勢變化化的的元件。元件。所所謂熱電效效應是是指指兩兩種種不不同同導體體A、B的的兩兩端端連接接成成如如圖所所示示的的閉合合回回路路。若若使使連接接點點分分別處于于不不同同溫溫度度場T0和和T（設TT0），則在在回回路路中中產生生由由于于接接點點溫溫度度差差（TT0）引引起起的的電勢差差。通通常常把把兩兩種種不不同同金金屬屬的的這種種組合合稱稱為熱電偶偶，A和和B稱稱為熱電

4、極極，溫溫度度高高的的接接點點稱稱為熱端端（或或工工作作端端），溫溫度度低低的的接接點點稱稱為冷端（或自由端）。冷端（或自由端）。 熱電效應也稱塞貝克效應，熱電偶回路中產生的電勢差為熱電效應也稱塞貝克效應，熱電偶回路中產生的電勢差為 從式可知，前一從式可知，前一項是由于兩種不同材料金屬是由于兩種不同材料金屬連接接時產生的接觸生的接觸電勢差，取決于材料的差，取決于材料的電子密度；而后一子密度；而后一項是由于同一種材料的均是由于同一種材料的均質導體，當兩端溫度不同體，當兩端溫度不同時產生的溫差生的溫差電勢，即所，即所謂湯姆姆遜效效應。但由于。但由于導體體湯姆姆遜效效應引起的引起的電勢差相比甚小，常

5、可忽略。于是當材料差相比甚小，常可忽略。于是當材料 A、B的特性（的特性（NA、NB）為已知已知時，并使一端溫度，并使一端溫度T0固定，固定，則待待測溫度溫度 T是是電動勢E（T，T0）的）的單值函數。函數。這給工程中用工程中用熱電偶偶測量溫度量溫度帶來來極大的方便。極大的方便。 為了了使使熱電偶偶冷冷端端溫溫度度T0固固定定，通通常常采采用用一一些些措措施施對冷冷端端進行行補償。常常用用的的方方法法是是將將冷冷端端置置于于冰冰內內或或恒恒溫溫槽槽中中，或或采采用用補償導線法法將將熱電極極冷冷端端延延伸伸，或或通通過補償電橋法法補償冷端的溫度冷端的溫度變化?；?。9.1.2 9.1.2 熱電偶基

6、本定律熱電偶基本定律（1）組成成熱電偶偶回回路路的的兩兩種種導體體材材料料相相同同時，無無論兩兩接接點點的的溫溫度度如如何何，回回路路總熱電勢為零；零；（2）若）若熱電偶兩接點溫度相等，即偶兩接點溫度相等，即T=T0，回路，回路總熱電勢仍仍為零；零；（3）熱電偶偶的的熱電勢輸出出只只與與兩兩接接點點溫溫度度及及材材料料的的性性質有有關關，與與材材料料A、B的中的中間各點的溫度、形狀及大小無關。各點的溫度、形狀及大小無關。（4）在在熱電偶偶中中插插入入第第三三種種材材料料，只只要要插插入入材材料料兩兩端端的的溫溫度度相相同同，對熱電偶的偶的總熱電勢沒有影響。沒有影響。這一定律稱之一定律稱之為中中

7、間導體定律。體定律。 中中間導體定律體定律 9.1.3 9.1.3 常用熱電偶常用熱電偶 1熱電偶的材料熱電偶的材料 目目前前，常常用用熱熱電電極極材材料料分分貴貴金金屬屬和和普普通通金金屬屬兩兩大大類類，貴貴金金屬屬熱熱電電極極材材料料有有鉑鉑銠銠合合金金和和鉑鉑；普普通通金金屬屬熱熱電電極極材材料料有有鐵鐵、銅銅、康康銅銅、考考銅銅、鎳鎳鉻鉻合合金金、鎳鎳硅硅合合金金等等，還還有有銥銥、鎢鎢、鋅鋅等等耐耐高高溫溫材材料料，這這些些材材料料在在國國內內外外都都已已經經標標準準化化。不不同同的的熱熱電電極極材材料料的的測測量量溫溫度度范范圍圍不不同同，一一般般可可將熱電偶用于將熱電偶用于018

8、00范圍的溫度測量。范圍的溫度測量。貴金屬熱電偶電極直徑大多在貴金屬熱電偶電極直徑大多在0.130.65mm范圍內，普通金屬熱范圍內，普通金屬熱電偶電極直徑為電偶電極直徑為0.53.2mm。熱電極有正、負之分，在其技術指標中。熱電極有正、負之分，在其技術指標中會有說明，使用時應注意到這一點。會有說明，使用時應注意到這一點。2.熱電偶的結構熱電偶的結構 9.2 9.2 熱電阻熱電阻 導體體（或或半半導體體）的的電阻阻值隨隨溫溫度度變化化而而改改變，通通過測量量其其電阻阻值推推算算出出被被測物物體體的的溫溫度度，這就就是是電阻阻溫溫度度傳感感器器的的工工作作原原理理。電阻阻溫溫度度傳感感器器主主要

9、要用用于于測量量-200500范范圍內內的的溫溫度度。純金金屬屬是是熱電阻阻的的主主要要制制造造材材料料，熱電阻的材料阻的材料應具有以下特性：具有以下特性：（1）電阻阻溫溫度度系系數數要要大大而而且且穩(wěn)定定，電阻阻值與與溫溫度度之之間應具有良好的具有良好的線性關系；性關系；（2）電阻率高，阻率高，熱容量小，反容量小，反應速度快；速度快；（3）材料的復）材料的復現性和工性和工藝性好，價格低；性好，價格低；（4）在）在測溫范溫范圍內化學物理性能內化學物理性能穩(wěn)定。定。 9.2.1 9.2.1 鉑電阻鉑電阻 鉑電阻與溫度之間的關系接近于線性，在鉑電阻與溫度之間的關系接近于線性，在0630.74范圍內

10、可范圍內可用下式表示用下式表示 在在-1900范圍內為范圍內為 由以上兩式看出，當由以上兩式看出，當R0值不同不同時，在同，在同樣溫度下其溫度下其Rt值也不同。目也不同。目前國內前國內統(tǒng)一一設計的一般工的一般工業(yè)用用標準準鉑電阻阻R0值有有100W W和和500W W兩種兩種，并，并將將電阻阻值Rt與溫度與溫度t的相的相應關系關系統(tǒng)一列成表格，稱其一列成表格，稱其為鉑電阻的分度表，阻的分度表，分度號分分度號分別用用pt100和和pt500表示，但表示，但應注意與我國注意與我國過去用的老去用的老產品的分品的分度號相區(qū)分。度號相區(qū)分。 9.2.2 銅電阻銅電阻 在測量精度要求不高，且測溫范圍比較小

11、的情況下，可采用銅做在測量精度要求不高，且測溫范圍比較小的情況下，可采用銅做熱電阻材料代替鉑電阻。熱電阻材料代替鉑電阻。在在-50150的溫度范圍內，銅電阻與溫度呈線性關系，其電的溫度范圍內，銅電阻與溫度呈線性關系，其電阻與溫度的函數表達式為阻與溫度的函數表達式為 銅電阻只能用在低溫及無浸蝕性的介質中銅電阻只能用在低溫及無浸蝕性的介質中.R0值在值在50和和100條件下，制成相應分度表作為標準條件下，制成相應分度表作為標準9.3 9.3 熱敏電阻熱敏電阻 熱熱敏敏電電阻阻是是利利用用半半導導體體的的電電阻阻值值隨隨溫溫度度變變化化這這一一特特性性制制成成的的一一種種熱熱敏元件。其主要特點是：敏

12、元件。其主要特點是：（1）靈靈敏敏度度高高。一一般般金金屬屬當當溫溫度度變變化化 l時時，其其阻阻值值變變化化0.4左左右右，而半導體熱敏電阻變化可達而半導體熱敏電阻變化可達36；（2）體體積積小小。珠珠形形熱熱敏敏電電阻阻的的探探頭頭的的最最小小尺尺寸寸達達0.2mm，能能測測熱熱電電偶偶和和其其它它溫溫度度計計無無法法測測量量的的空空隙隙、腔腔體體、內內孔孔等等處處的的溫溫度度，如如人人體體血血管內的溫度等；管內的溫度等；（3）使使用用方方便便。熱熱敏敏電電阻阻阻阻值值范范圍圍在在102105W W之之間間可可任任意意挑挑選選，熱熱慣慣性性小小，而而且且不不像像熱熱電電偶偶需需要要冷冷端端

13、補補償償，不不必必考考慮慮線線路路引引線線電電阻阻和和接線方式，容易實現遠距離測量，功耗小。接線方式，容易實現遠距離測量，功耗小。熱熱敏敏電電阻阻一一般般可可分分為為負負溫溫度度系系數數（NTC）熱熱敏敏電電阻阻器器，正正溫溫度度系系數數（PTC）熱敏電阻器和臨界溫度電阻器（）熱敏電阻器和臨界溫度電阻器（CTR）三類。）三類。9.3.1 9.3.1 導電機理導電機理 熱熱敏敏電電阻阻的的導導電電性性能能主主要要是是由由內內部部的的載載流流子子（電電子子和和空空穴穴）密密度度和和遷遷移移率率所所決決定定的的，當當溫溫度度升升高高時時外外層層電電子子在在熱熱激激發(fā)發(fā)下下，大大量量成成為為載載流流子

14、子，使使載載流流子子的的密密度度大大大大增增加加，活活動動能能力力加加強強，從而導致其阻值的急劇下降。從而導致其阻值的急劇下降。9.3.2 9.3.2 電阻與溫度關系電阻與溫度關系熱敏敏電阻的阻阻的阻值和溫度的關系不是和溫度的關系不是線性的，可由下面性的，可由下面經驗公式表示公式表示R RT T、R R0 0溫度溫度 T T、T T0 0時的阻值；時的阻值；B B 熱敏電阻的材料常數，常取熱敏電阻的材料常數，常取200020006000K6000K；T T 熱力學溫度；熱力學溫度；T T0 0 通常指通常指00或室溫?；蚴覝亍?若定義若定義 為熱敏電阻的電阻溫度系數為熱敏電阻的電阻溫度系數 ，

15、則得，則得 可可見，是隨溫度降低而迅速增大，它是決定是隨溫度降低而迅速增大，它是決定熱敏敏電阻在全部工阻在全部工作范作范圍內的溫度靈敏度。內的溫度靈敏度。熱敏敏電阻的阻的測溫靈敏度比金屬溫靈敏度比金屬絲的高很多。的高很多。 9.4 9.4 熱釋電型溫度傳感器熱釋電型溫度傳感器 壓電晶體類中的極性晶體本身具有自發(fā)極化特性，其自發(fā)極化強度壓電晶體類中的極性晶體本身具有自發(fā)極化特性，其自發(fā)極化強度Ps是溫度的函數。當環(huán)境溫度變化時，單疇晶體通過晶格吸收紅外線而是溫度的函數。當環(huán)境溫度變化時，單疇晶體通過晶格吸收紅外線而使溫度升高，在其居里溫度以下，自發(fā)極化強度隨溫度升高而下降，這使溫度升高，在其居里

16、溫度以下，自發(fā)極化強度隨溫度升高而下降，這種變化導致在垂直于自發(fā)極化強度方向的晶體外表面上極化電荷的變化，種變化導致在垂直于自發(fā)極化強度方向的晶體外表面上極化電荷的變化，即晶體兩端出現隨溫度變化的開路電壓，這種現象稱為熱釋電效應即晶體兩端出現隨溫度變化的開路電壓，這種現象稱為熱釋電效應 在在熱釋電體體相相對的的兩兩個個面面上上制制作作電極極，并并在在電極極間用用線連接接，則可可取取出出電流流或或電壓。通通過檢測由由此此而而產生生的的熱釋電電流流或或電壓而而測量量溫溫度度的的傳感感器器稱稱為熱釋電型溫度型溫度傳感器。感器。熱釋電型型傳感感器器多多用用于于紅外外（熱輻射射）探探測，應注注意意它它是

17、是一一種種交交流流或或瞬瞬時響響應的的器器件件，若若熱釋電體體的的溫溫度度處于于恒恒定定狀狀態(tài)，則檢測不不到到輸出出，即即熱釋電型型傳感器感器對穩(wěn)定或不定或不變的的輻射不作響射不作響應。 9.5 9.5 半導體集成溫度傳感器半導體集成溫度傳感器 半半導導體體集集成成溫溫度度傳傳感感器器是是利利用用半半導導體體PN結結的的正正向向壓壓降降隨隨溫溫度度升升高高而而近近乎乎線線性性下下降降的的特特性性制制成成的的。其其溫溫度度靈靈敏敏度度高高、線線性度好。但測溫范圍僅為性度好。但測溫范圍僅為-80+150。利利用用集集成成電電路路工工藝藝已已制制成成的的半半導導體體集集成成溫溫度度傳傳感感器器有有：1脈脈沖沖信信號號型型，如如SWC，其其靈靈敏敏度度為為10個個脈脈沖沖/；2電電壓壓型型，如如ICL8073，其其靈靈敏敏度度為為1mV/；3電電流流型型，如如AD590，其其靈敏度為靈敏度為1m mA/。當當保保持持PN結結電電流流或或晶晶體體管管的的基基極極射射極極電電流流不不變變時時，采采用用二極管或晶體管也能得到比較理想的測溫效果。二極管或晶體管也能得到比較理想的測溫效果。