第2章溫度傳感器

1、第第2章章 溫度傳感器溫度傳感器 2.1 溫度測量概述溫度測量概述 2.2 熱電偶傳感器熱電偶傳感器 2.3 金屬熱電阻傳感器金屬熱電阻傳感器 2.4 集成溫度傳感器集成溫度傳感器 2.5 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻 2.6 負溫度系數(shù)熱敏電阻負溫度系數(shù)熱敏電阻 2.7 溫度傳感器應用實例溫度傳感器應用實例 2.8 實訓實訓2.1 溫度測量概述溫度測量概述v2.1 溫度測量概述溫度測量概述v 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度是表征物體冷熱程度的物理量。 v 溫度不能直接測量，而是借助于某種物溫度不能直接測量，而是借助于某種物體的某種物理參數(shù)隨溫度冷熱不同而明顯變體的某種物理參數(shù)隨溫度冷熱

2、不同而明顯變化的特性進行間接測量?；奶匦赃M行間接測量。v 溫度的表示（或測量）須有溫度標準，溫度的表示（或測量）須有溫度標準，即溫標。理論上的熱力學溫標，是當前世界即溫標。理論上的熱力學溫標，是當前世界通用的國際溫標。通用的國際溫標。v 熱力學溫標確定的溫度數(shù)值為熱力學溫度熱力學溫標確定的溫度數(shù)值為熱力學溫度（符號為（符號為T），單位為開爾文（符號為），單位為開爾文（符號為K）。）。 熱力學溫度是國際上公認的最基本溫度。我熱力學溫度是國際上公認的最基本溫度。我國目前實行的為國際攝氏溫度（符號為國目前實行的為國際攝氏溫度（符號為t）。兩）。兩種溫標的換算公式為種溫標的換算公式為 t()=T（K

3、）-273.15K 進行間接溫度測量使用的溫度傳感器，通常進行間接溫度測量使用的溫度傳感器，通常是由感溫元件部分和溫度顯示部分組成，如圖是由感溫元件部分和溫度顯示部分組成，如圖2-1所示。所示。 圖2-1 溫度傳感器組成框圖 2.2 熱電偶傳感器熱電偶傳感器v2.2 熱電偶傳感器熱電偶傳感器v 熱電偶在溫度的測量中應用十分廣泛。熱電偶在溫度的測量中應用十分廣泛。它構(gòu)造簡單，使用方便，測溫范圍寬，并且它構(gòu)造簡單，使用方便，測溫范圍寬，并且有較高的精確度和穩(wěn)定性。有較高的精確度和穩(wěn)定性。v2.2.1 熱電偶測溫原理熱電偶測溫原理v1.熱電效應熱電效應v 如圖如圖2-2所示，兩種不同材料的導體組成所

4、示，兩種不同材料的導體組成一個閉合回路時，若兩接點溫度不同，則在一個閉合回路時，若兩接點溫度不同，則在該回路中會產(chǎn)生電動勢。這種現(xiàn)象稱為熱電該回路中會產(chǎn)生電動勢。這種現(xiàn)象稱為熱電效應，該電動勢稱為熱電勢。效應，該電動勢稱為熱電勢。 圖2-2 熱電效應 2.兩種導體的接觸電勢兩種導體的接觸電勢 假設(shè)兩種金屬假設(shè)兩種金屬A、B的自由電子密度分別為的自由電子密度分別為nA和和nB,且且nAnB。當兩種金屬相接時，將產(chǎn)生自由。當兩種金屬相接時，將產(chǎn)生自由電子的擴散現(xiàn)象。電子的擴散現(xiàn)象。 達到動態(tài)平衡時，在達到動態(tài)平衡時，在A、B之間形成穩(wěn)定的電之間形成穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢位差，即接觸電勢eAB，如

5、圖，如圖2-3所示。所示。 圖2-3 兩種導體的接觸電勢 3.單一導體的溫差電勢單一導體的溫差電勢 對于單一導體，如果兩端溫度分別為對于單一導體，如果兩端溫度分別為T、TO，且，且TTO，如圖，如圖2-4所示。所示。 圖2-4 單一導體溫差電勢v 導體中的自由電子，在高溫端具有較導體中的自由電子，在高溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴散，在導體兩大的動能，因而向低溫端擴散，在導體兩端產(chǎn)生了電勢，這個電勢稱為單一導體的端產(chǎn)生了電勢，這個電勢稱為單一導體的溫差電勢。溫差電勢。 勢電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢，由圖勢電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢，由圖2-5可知：可知： EAB(T,TO)=eAB(T)+eB

6、(T,TO)-eAB(TO)-eA(T,TO)或或 EAB(t,tO)=eAB(t)+eB(t,tO)-eAB(tO)-eA(t,tO) 式中：式中：EAB(T,TO): 熱電偶回路中的總電動勢；熱電偶回路中的總電動勢；eAB(T): 熱端接觸電勢；熱端接觸電勢；eB(T,TO): B導體溫差電勢；導體溫差電勢；eAB(TO): 冷端接觸電勢；冷端接觸電勢；eA(T,TO): A導體溫差電勢。導體溫差電勢。 圖2-5 接觸電勢示意圖v 在總電勢中，溫差電勢比接觸電勢小很多，可在總電勢中，溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的熱電勢可表示為忽略不計，則熱電偶的熱電勢可表示為v EAB(

7、T,TO)=eAB(T)-eAB(TO) v 對于已選定的熱電偶，當參考端溫度對于已選定的熱電偶，當參考端溫度TO恒定時，恒定時，EAB(TO)=c為常數(shù)，則總的熱電勢就只與溫度為常數(shù)，則總的熱電勢就只與溫度T成成單值函數(shù)關(guān)系，即：單值函數(shù)關(guān)系，即：v EAB(T,TO)=eAB(T)- c =f(T) v 實際應用時可通過熱電偶分度表查出溫度值。實際應用時可通過熱電偶分度表查出溫度值。v 分度表是在參考端溫度為分度表是在參考端溫度為00C時，通過實驗建時，通過實驗建立的熱電勢與工作端溫度之間的數(shù)值對應關(guān)系。立的熱電勢與工作端溫度之間的數(shù)值對應關(guān)系。 v.熱電偶的基本定律熱電偶的基本定律v(1

8、)中間導體定律中間導體定律v 在熱電偶回路中接入第三種導體，只要在熱電偶回路中接入第三種導體，只要該導體兩端溫度相等，則熱電偶產(chǎn)生的總該導體兩端溫度相等，則熱電偶產(chǎn)生的總熱電勢不變。熱電勢不變。v 如圖如圖2-6所示，可得回路總的熱電勢所示，可得回路總的熱電勢v EABC(T,TO)=eAB(T)-eAB(TO)=EAB(T,TO)v 根據(jù)這個定律，我們可采取任何方式焊根據(jù)這個定律，我們可采取任何方式焊接導線，將熱電勢通過導線接至測量儀表接導線，將熱電勢通過導線接至測量儀表進行測量，且不影響測量精度。進行測量，且不影響測量精度。 圖2-6 中間導體定律示意圖 v(2)中間溫度定律中間溫度定律v

9、 在熱電偶測量回路中，測量端溫度為在熱電偶測量回路中，測量端溫度為T，自由端溫度為自由端溫度為TO，中間溫度為，中間溫度為O，如圖，如圖2-7所示。則所示。則T，TO熱電勢等于熱電勢等于T，TO與與TO，TO熱電勢的代數(shù)和。即熱電勢的代數(shù)和。即vEAB(T,TO)=EAB(T,TO)+EAB(TO,TO)v 運用該定律可使測量距離加長，也可用運用該定律可使測量距離加長，也可用于消除熱電偶自由端溫度變化影響。于消除熱電偶自由端溫度變化影響。 圖2-7 中間溫度定律示意圖 v(3)參考電極定律（也稱組成定律）參考電極定律（也稱組成定律）v 如圖如圖2-8所示。所示。v 已知熱電極已知熱電極A、B與

10、參考電極與參考電極C組成的熱組成的熱電偶在結(jié)點溫度為電偶在結(jié)點溫度為(T，T0)時的熱電動勢分別時的熱電動勢分別為為EAC(T，T0)、EBC(T，T0)，v 則相同溫度下，由則相同溫度下，由A、B兩種熱電極配對后兩種熱電極配對后的熱電動勢的熱電動勢EAB(T，T0)可按下面公式計算：可按下面公式計算：v EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0) v 大大簡化了熱電偶選配電極的工作。大大簡化了熱電偶選配電極的工作。圖2-8 參考電極定律示意圖 v 例2.1 v 當T為100，T0為0時，鉻合金鉑熱電偶的E（100，0）=+3.13mV，鋁合金鉑熱電偶E（100，0）為-1.0

11、2mV，求鉻合金鋁合金組成熱電偶的熱電勢E（100，0）。v解：v 設(shè)鉻合金為A，鋁合金為B，鉑為C。v即 EAC（100，0）=+3.13mVv EBC（100，0）=-1.02mVv則 EAB(100,0)=+4.15mVv2.2.2 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式和標準化熱電偶熱電偶的結(jié)構(gòu)形式和標準化熱電偶v1.普通型熱電偶普通型熱電偶v 普通型熱電偶一般由熱電極、絕緣套普通型熱電偶一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成。管、保護管和接線盒組成。v 普通型熱電偶按其安裝時的連接形式普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動法蘭連接、無

12、固定裝置等多種形式。動法蘭連接、無固定裝置等多種形式。v 如圖如圖2-9所示：所示： 1-熱電極;2-絕緣瓷管;3-保護管;4-接線座;5-接線柱;6-接線盒 圖2-9 直形無固定裝置普通工業(yè)用熱電偶 v 絕緣套管：v 熱電偶的工作端被焊接在一起，熱電極之間需要用絕緣套管保護。v 通常測量溫度在1000以下選用粘土質(zhì)絕緣套管，v 在1300以下選用高鋁絕緣套管，v 在1600以下選用剛玉絕緣套管。v 保護管保護管：v 保護管的作用是使熱電偶電極不直接與保護管的作用是使熱電偶電極不直接與被測介質(zhì)接觸，被測介質(zhì)接觸，v 它不僅可延長熱電偶的壽命，它不僅可延長熱電偶的壽命，v 還可起到支撐和固定熱電

13、極，增加其強還可起到支撐和固定熱電極，增加其強度的作用。度的作用。v 材料主要有金屬和非金屬兩類。材料主要有金屬和非金屬兩類。v2.鎧裝熱電偶（纜式熱電偶）鎧裝熱電偶（纜式熱電偶）v 鎧裝熱電偶也稱纜式熱電偶，是將熱鎧裝熱電偶也稱纜式熱電偶，是將熱電偶絲與電熔氧化鎂絕緣物溶鑄在一起，電偶絲與電熔氧化鎂絕緣物溶鑄在一起，外表再套不銹鋼管等構(gòu)成。外表再套不銹鋼管等構(gòu)成。v 這種熱電偶耐高壓、反應時間短、堅這種熱電偶耐高壓、反應時間短、堅固耐用。固耐用。v 如圖如圖2-10所示：所示： 1-熱電極;2-絕緣材料;3-金屬套管;4-接線盒;5-固定裝置 圖2-10 鎧裝熱電偶 3.薄膜熱電偶薄膜熱電偶

14、 用真空鍍膜技術(shù)或真空濺射等方法，用真空鍍膜技術(shù)或真空濺射等方法，將熱電偶材料沉積在絕緣片表面而構(gòu)成將熱電偶材料沉積在絕緣片表面而構(gòu)成的熱電偶稱為薄膜熱電偶。的熱電偶稱為薄膜熱電偶。 如圖如圖2-11所示：所示： 圖2-11 薄膜熱電偶 v4.標準化熱電偶和分度表標準化熱電偶和分度表v 為了準確可靠地進行溫度測量，必須對熱為了準確可靠地進行溫度測量，必須對熱電偶組成材料嚴格選擇。電偶組成材料嚴格選擇。v 常用的常用的4種標準化熱電偶絲材料為種標準化熱電偶絲材料為v 鉑銠鉑銠30鉑銠鉑銠6、鉑銠、鉑銠10鉑、鎳鉻鎳硅、鉑、鎳鉻鎳硅、v和鎳鉻銅鎳（我國通常稱為鎳鉻康銅）。和鎳鉻銅鎳（我國通常稱為鎳

15、鉻康銅）。v 組成熱電偶的兩種材料，寫在前面的為正組成熱電偶的兩種材料，寫在前面的為正極，寫在后面的為負極。極，寫在后面的為負極。v 熱電偶的熱電動勢與溫度的關(guān)系表，稱熱電偶的熱電動勢與溫度的關(guān)系表，稱之為分度表。之為分度表。v 熱電偶（包括后面要介紹的金屬熱電阻熱電偶（包括后面要介紹的金屬熱電阻及測量儀表）分度表是及測量儀表）分度表是IEC（國際電工委員（國際電工委員會）發(fā)表的相關(guān)技術(shù)標準（國際溫標）。會）發(fā)表的相關(guān)技術(shù)標準（國際溫標）。v 該標準以表格的形式規(guī)定各種熱電偶該標準以表格的形式規(guī)定各種熱電偶/阻在阻在-2712300每一個溫度點上的輸每一個溫度點上的輸出電動勢出電動勢（參考端溫

16、度為（參考端溫度為0），v 各種熱電偶各種熱電偶/阻命名統(tǒng)一代號，稱為分阻命名統(tǒng)一代號，稱為分度號。度號。v 我國于我國于1988年年1月月1日起采用該標準日起采用該標準（以前用的稱之為舊標準），（以前用的稱之為舊標準），v 我國指定我國指定S、B、E、K、R、J、T七七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。偶。v5幾種標準化熱電偶性能幾種標準化熱電偶性能v1）鉑銠）鉑銠10鉑熱電偶（分度號為鉑熱電偶（分度號為S，也稱為，也稱為單鉑銠熱電偶，舊分度號為單鉑銠熱電偶，舊分度號為LB3）v 特點是性能穩(wěn)定，精度高，抗氧化性強，特點是性能穩(wěn)定，精度高，抗氧化性強，長

17、期使用溫度可達長期使用溫度可達1300。v2）鉑銠）鉑銠13鉑熱電偶（分度號為鉑熱電偶（分度號為R，也稱為，也稱為單鉑銠熱電偶）單鉑銠熱電偶）v 同同S型相比，它的熱電動勢率大型相比，它的熱電動勢率大15%左右，左右，其它性能幾乎相同。其它性能幾乎相同。v3）鉑銠）鉑銠30鉑銠鉑銠6熱電偶（分度號為熱電偶（分度號為B，也，也稱為雙鉑銠熱電偶，舊分度號為稱為雙鉑銠熱電偶，舊分度號為LL2）v 在室溫下，其熱電動勢很小，故在測量在室溫下，其熱電動勢很小，故在測量時一般不用補償導線，可忽略冷端溫度變時一般不用補償導線，可忽略冷端溫度變化的影響?；挠绊?。v 長期使用溫度為長期使用溫度為1600，短期

18、為，短期為1800，因熱電動勢較小，故需配用靈敏，因熱電動勢較小，故需配用靈敏度較高的顯示儀表。度較高的顯示儀表。v 即使在還原氣氛下，其壽命也是即使在還原氣氛下，其壽命也是R或或S型的型的1020倍。缺點是價格昂貴。倍。缺點是價格昂貴。v4）鎳鉻鎳硅（鎳鋁）熱電偶（分度號為）鎳鉻鎳硅（鎳鋁）熱電偶（分度號為K，舊分度號為，舊分度號為EU2）v 是抗氧化性較強的賤金屬熱電偶，可測是抗氧化性較強的賤金屬熱電偶，可測量量01300溫度。溫度。v 熱電動勢與溫度的關(guān)系近似線性，價格熱電動勢與溫度的關(guān)系近似線性，價格便宜，是目前用量最大的熱電偶。便宜，是目前用量最大的熱電偶。v5）銅銅鎳熱電偶（分度號

19、為）銅銅鎳熱電偶（分度號為T，舊分度，舊分度號為號為CK）v 價格便宜，使用溫度是價格便宜，使用溫度是-200350。v6）鐵銅鎳熱電偶（分度號為）鐵銅鎳熱電偶（分度號為J）v 價格便宜價格便宜,適用于真空、氧化或惰性氣氛適用于真空、氧化或惰性氣氛中，溫度范圍為中，溫度范圍為-200800。v7）鎳鉻銅鎳熱電偶（分度號為）鎳鉻銅鎳熱電偶（分度號為E，舊分，舊分度號為度號為EA2）v 是一種較新的產(chǎn)品，是一種較新的產(chǎn)品，裸露式結(jié)構(gòu)無保護裸露式結(jié)構(gòu)無保護管，管，在常用的熱電偶中，其熱電動勢最大。在常用的熱電偶中，其熱電動勢最大。適用于適用于0400溫度范圍。溫度范圍。v常用熱電偶分度表常用熱電偶分

20、度表v2.2.3 熱電偶測溫及參考端溫度補償熱電偶測溫及參考端溫度補償v1.熱電偶測溫基本電路熱電偶測溫基本電路v 如圖如圖2-12所示，所示，v圖（圖（a）表示了測量某點溫度連接示意圖。）表示了測量某點溫度連接示意圖。v圖（圖（b）表示兩個熱電偶并聯(lián)測量兩點平均）表示兩個熱電偶并聯(lián)測量兩點平均溫度。溫度。v圖（圖（c）為兩熱電偶正向串聯(lián)測兩點溫度之）為兩熱電偶正向串聯(lián)測兩點溫度之和。和。v圖（圖（d）為兩熱電偶反向串聯(lián)測量兩點溫差。）為兩熱電偶反向串聯(lián)測量兩點溫差。圖2-12 常用的熱電偶測溫電路示意圖 v 熱電偶串、并聯(lián)測溫時，應注意兩點：熱電偶串、并聯(lián)測溫時，應注意兩點：v 第一，必須應

21、用同一分度號的熱電偶；第一，必須應用同一分度號的熱電偶；v 第二，兩熱電偶的參考端溫度應相等。第二，兩熱電偶的參考端溫度應相等。v2.熱電偶參考端的補償熱電偶參考端的補償v 熱電偶分度表給出的熱電勢值的條件是熱電偶分度表給出的熱電勢值的條件是參考端溫度為參考端溫度為0。v 如果用熱電偶測溫時自由端溫度不為如果用熱電偶測溫時自由端溫度不為0，必然產(chǎn)生測量誤差。，必然產(chǎn)生測量誤差。v 應對熱電偶自由端（參考端）溫度進行應對熱電偶自由端（參考端）溫度進行補償。補償。 v例如：用例如：用K型（鎳鉻型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶測爐溫時，鎳硅）熱電偶測爐溫時，參考端溫度參考端溫度t0=30，v 由分度表可查得由

22、分度表可查得 E(30,0)=1.203mv，v 若測爐溫時測得若測爐溫時測得E(t,30)=28.344mv，v 則可計算得則可計算得vE(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=29.547mvv 由由29.547mv再查分度表得再查分度表得t=710，是，是爐溫。爐溫。2.3 金屬熱電阻傳感器金屬熱電阻傳感器v2.3 金屬熱電阻傳感器金屬熱電阻傳感器v 金屬熱電阻傳感器一般稱作熱電阻傳感金屬熱電阻傳感器一般稱作熱電阻傳感器，是利用金屬導體的電阻值隨溫度的變化器，是利用金屬導體的電阻值隨溫度的變化而變化的原理進行測溫的。而變化的原理進行測溫的。v 金屬熱電阻的主要材料是鉑、銅、鎳。金屬熱

23、電阻的主要材料是鉑、銅、鎳。v 熱電阻廣泛用來測量熱電阻廣泛用來測量-220+850范圍內(nèi)范圍內(nèi)的溫度，的溫度，v 少數(shù)情況下，少數(shù)情況下，v 低溫可測量至低溫可測量至1K（-272），高溫可測），高溫可測量至量至1000。 最基本的熱電阻傳感器由熱電阻、連接最基本的熱電阻傳感器由熱電阻、連接導線及顯示儀表組成，如圖導線及顯示儀表組成，如圖2-14所示。所示。圖圖2-14 金屬熱電阻傳感器測量示意圖金屬熱電阻傳感器測量示意圖 v2.3.1 熱電阻的溫度特性熱電阻的溫度特性v1.鉑熱電阻的電阻鉑熱電阻的電阻溫度特性溫度特性v 鉑電阻的特點是測溫精度高，穩(wěn)定性好，得到鉑電阻的特點是測溫精度高，穩(wěn)定

24、性好，得到了廣泛應用，應用溫度范圍為了廣泛應用，應用溫度范圍為-200+850。v 鉑電阻的電阻鉑電阻的電阻溫度特性，溫度特性，v-200t0 Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3 v0t850 Rt=R0（1+At+Bt2）v系數(shù)：系數(shù)： A=3.90802X10-3； B=-5.802X10-7； C=-4.27350X10-12。v2.銅熱電阻的電阻溫度特性銅熱電阻的電阻溫度特性v 由于鉑是貴金屬，在測量精度要求不高，溫度由于鉑是貴金屬，在測量精度要求不高，溫度范圍在范圍在-50+150時普遍采用銅電阻。銅電阻與時普遍采用銅電阻。銅電阻與溫度間的關(guān)系為溫度間的關(guān)系為v Rt=

25、R0(1+1t+2t2+3t3)v由于由于2、3比比1小得多，所以可以簡化為小得多，所以可以簡化為v RtR0(1+1t)v2.3.2 熱電阻熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu)傳感器的結(jié)構(gòu)v 熱電阻傳感器由電阻體、絕緣管、保護套熱電阻傳感器由電阻體、絕緣管、保護套管、引線和接線盒等組成，如圖管、引線和接線盒等組成，如圖2-15所示。所示。 圖2-15 熱電阻結(jié)構(gòu) 2.4 集成溫度傳感器集成溫度傳感器v2.4 集成溫度傳感器集成溫度傳感器v 集成溫度傳感器具有體積小、線性好、反應靈敏等優(yōu)點，所以應用十分廣泛。v 是把感溫元件（常為PN結(jié)）與有關(guān)的電子線路集成在很小的硅片上封裝而成。v 由于PN結(jié)不能耐高溫，所以

26、集成溫度傳感器通常測量150以下的溫度。v 按輸出量不同可分為：電流型、電壓型和頻率型（輸出信號為振蕩信號，其頻率隨測量溫度而變化）三大類。 2.4.1 集成溫度傳感器基本工作原理集成溫度傳感器基本工作原理 圖2-16為集成溫度傳感器原理示意圖。 其中V1、V2為差分對管，由恒流源提供的I1、I2分別為V1、V2的集電極電流，則Ube為)ln(21IIqKTUbe 只要I1/I2為一恒定值，則Ube與溫度T為單值線性函數(shù)關(guān)系。 這就是集成溫度傳感器的基本工作原理。 圖2-16 集成溫度傳感器基本原理圖 2.4.2 電壓輸出型集成溫度傳感器電壓輸出型集成溫度傳感器 如圖2-17所示。 V1、V2

27、為差分對管，調(diào)節(jié)電阻R1，可使I1=I2，當對管V1、V2的值大于等于1時，電路輸出電壓UO為 21220RRURIUbe 由此可得由此可得: ln210qKTRRUUbe R1、R2不變則U0與T成線性關(guān)系。若R1=940，R2=30K，=37，則輸出溫度系數(shù)為：10mV/K。 圖2-17 電壓輸出型原理電路圖 2.4.3 電流輸出型集成溫度傳感器電流輸出型集成溫度傳感器 如圖2-18所示: 對管V1、V2作為恒流源負載，V3、V4作為感溫元件，V3、V4發(fā)射結(jié)面積之比為，此時電流源總電流IT為 ln2221qRKTRUIIbeT 當R、為恒定量時,IT與T成線性關(guān)系。若R=358，=8，則

28、電路輸出溫度系數(shù)為 1A/K。 圖2-18 電流輸出型原理電路圖 2.5 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻v2.5 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻v 半導體熱敏電阻簡稱熱敏電阻，是一種新型的半導體測溫元件。v 熱敏電阻是利用某些金屬氧化物或單晶鍺、硅等材料，按特定工藝制成的感溫元件。熱敏電阻可分為三種類型，即：v 正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻v 負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻v 在某一特定溫度下電阻值會發(fā)生突變的臨界溫度電阻器（CTR）。 2.5.1 熱敏電阻的（熱敏電阻的（Rtt）特性）特性 1-突變型NTC；2-負指數(shù)型NTC；3-線性型PTC；4-突變型PTC 圖2-19 各種熱敏電阻的特性曲線

29、 v結(jié)論：v（1）熱敏電阻的溫度系數(shù)值遠大于金屬熱電阻，所以靈敏度很高。v（2）同溫度情況下，熱敏電阻阻值遠大于金屬熱電阻。所以連接導線電阻的影響極小，適用于遠距離測量。v（3）熱敏電阻Rtt曲線非線性十分嚴重，所以其測量溫度范圍遠小于金屬熱電阻。 v2.5.2 熱敏電阻溫度測量非線性修正熱敏電阻溫度測量非線性修正v 由于熱敏電阻Rtt曲線非線性嚴重，為保證一定范圍內(nèi)溫度測量的精度要求，應進行非線性修正。v（1）線性化網(wǎng)絡v 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，使網(wǎng)絡電阻RT與溫度成單值線性關(guān)系。v 其一般形式如圖2-20所示。 圖2-20 線性化網(wǎng)絡 v（2）

30、利用電阻測量裝置中其它部件的特性進行綜合修正。v 圖2-21是一個溫度-頻率轉(zhuǎn)換電路，把熱敏電阻Rt隨溫度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙軨的充、放電頻率的變化輸出。v 雖然電容C的充、放電特性是非線性特性，但適當?shù)剡x取線路中的電阻R2和R，可以在一定的溫度范圍內(nèi)，得到近于線性的溫度-頻率轉(zhuǎn)換特性。 圖2-21 溫度-頻率轉(zhuǎn)換器原理圖 v（3）計算修正法v 在帶有微處理機（或微計算機）的測量系統(tǒng)中，v 當已知熱敏電阻器的實際特性和要求的理想特性時，v 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)。v 計算機將根據(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。 2.6 負溫度系數(shù)

31、熱敏電阻負溫度系數(shù)熱敏電阻v2.6 負溫度系數(shù)熱敏電阻負溫度系數(shù)熱敏電阻v2.6.1 負溫度系數(shù)熱敏電阻性能負溫度系數(shù)熱敏電阻性能v 負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻是一種氧化物的復合燒結(jié)體，v 其電阻值隨溫度的增加而減小 。v 負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻特點：v（1）電阻溫度系數(shù)大，約為金屬熱電阻的10倍。v（2）結(jié)構(gòu)簡單、體積小，可測點溫。v（3）電阻率高，熱慣性小，適用于動態(tài)測量。v（4）易于維護和進行遠距離控制。v（5）制造簡單、使用壽命長。v（6）互換性差，非線性嚴重。圖2-22 負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻結(jié)構(gòu)2.6.2 負溫度系數(shù)熱敏電阻溫度方程負溫度系數(shù)熱敏電阻溫度方程 熱敏電阻

32、值 RT和R0與溫度TT和T0的關(guān)系為 )(00TBTBTTeRR v2.6.3 負溫度系數(shù)熱敏電阻主要特性負溫度系數(shù)熱敏電阻主要特性v（1）標稱阻值v 廠家通常將熱敏電阻25時的零功率電阻值作為R0 ，稱為額定電阻值或標稱阻值，記作R25 ，85時的電阻值R85作為RT 。v 標稱阻值常在熱敏電阻上標出。v R85也由廠家給出。 （2）B值 將熱敏電阻25時的零功率電阻值R0和85時的零功率電阻值RT ，以及25和85的絕對溫度T0298K和TT358K代入負溫度系數(shù)熱敏電阻溫度方程，可得： 8525ln1778RRB B值稱為熱敏電阻常數(shù)，是表征負溫度系數(shù)熱敏電阻熱靈敏度的量。 B值越大，

33、負溫度系數(shù)熱敏電阻的熱靈敏度越高。 （3）電阻溫度系數(shù) 熱敏電阻在其自身溫度變化1時，電阻值的相對變化量稱為熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)。 2TB 可知：熱敏電阻的溫度系數(shù)為負值。溫度減小，電阻溫度系數(shù)增大。 在低溫時，負溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬熱電阻絲高得多，故常用于低溫測量 （100300）。 （4）額定功率 額定功率是指負溫度系數(shù)熱敏電阻在環(huán)境溫度為25，相對濕度為4580。大氣壓為0.871.07bar的條件下，長期連續(xù)負荷所允許的耗散功率。（5）耗散系數(shù) 耗散系數(shù)是負溫度系數(shù)熱敏電阻流過電流消耗的熱功率（W）與自身溫升值（TT0）之比，單位為W1。 0TTW v（6）熱時間常數(shù)v

34、負溫度系數(shù)熱敏電阻在零功率條件下放入環(huán)境溫度中，不可能立即變?yōu)榕c環(huán)境溫度同溫度。v 熱敏電阻本身的溫度在放入環(huán)境溫度之前的初始值和達到與環(huán)境溫度同溫度的最終值之間改變63.2%所需的時間叫做：v 熱時間常數(shù)，用表示。 2.7 溫度傳感器應用實例溫度傳感器應用實例v2.7 溫度傳感器應用實例溫度傳感器應用實例v2.7.1 雙金屬溫度傳感器的應用雙金屬溫度傳感器的應用v1.雙金屬溫度傳感器室溫測量的應用v 雙金屬溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，刻度清晰，使用方便，耐振動。v 常用于駕駛室、船艙，糧倉等室內(nèi)溫度測量。v 圖2-23為盤旋形雙金屬溫度計。 圖2-23 盤旋形雙金屬溫度計 v2.雙金屬溫度

35、傳感器在電冰箱中的應用v 電冰箱壓縮機溫度保護繼電器內(nèi)部的感溫元件是一片碟形的雙金屬片，如圖2-24所示。v 在雙金屬片上固定著兩個動觸頭。在碟形雙金屬片的下面還安放著一根電熱絲。該電熱絲與這兩個常閉觸點串聯(lián)連接。v 壓縮機電機中的電流過大時，這一大電流流過電熱絲后，使它很快發(fā)熱，v 放出的熱量使碟形雙金屬片溫度迅速升高到它的動作溫度，v 碟形雙金屬片翻轉(zhuǎn)，帶動常閉觸點斷開，v 切斷壓縮機電機的電源，保護全封閉式壓縮機不至于損環(huán)。圖2-24 碟形雙金屬溫度傳感器工作過程 v2.7.2 熱敏電阻溫度傳感器的應用熱敏電阻溫度傳感器的應用v1.熱敏電阻在汽車水箱溫度測量中的應用v 圖2-25所示為汽

36、車水箱水溫監(jiān)測電路。其中Rt為負溫度系數(shù)熱敏電阻。圖2-25 汽車水箱測溫電路 v2.熱敏電阻在空調(diào)器控制電路中的應用v 春蘭牌KFR-20GW型冷熱雙向空調(diào)中熱敏電阻的應用，如圖2-26所示。圖2-26 熱敏電阻在空調(diào)控制電路中的應用 2.7.3 晶體管溫度傳感器的應用晶體管溫度傳感器的應用1.熱敏二極管溫度傳感器應用舉例 半導體二極管正向電壓與溫度的關(guān)系如圖2-27所示?？蓪囟绒D(zhuǎn)換成電壓，完成溫度傳感器的功能。 圖2-27 二極管正向電壓溫度特性曲線 圖2-28是采用硅二極管溫度傳感器的測量電路，其輸出端電壓值隨溫度而變化。溫度每變化1，輸出電壓變化量為0.1V。 2-28 二極管溫度傳

37、感器的溫度監(jiān)測電路 2.晶體管溫度傳感器應用舉例 NPN型熱敏晶體管在IC恒定時，基極發(fā)射極間電壓Ube隨溫度變化曲線如圖2-29所示。 圖2-29 硅晶體管UBE與溫度之間的關(guān)系圖2-30 晶體管溫度傳感器的溫度測量電路 圖2-30為晶體管溫度傳感器的一種溫度測量電路，溫度變化1，輸出電壓變化0.1V。 2.7.4 集成溫度傳感器應用舉例集成溫度傳感器應用舉例1.AD590集成溫度傳感器應用電路圖2-31 簡單測溫電路 集成溫度傳感器用于熱電偶參考端的補償電路如圖2-32所示，AD590應與熱電偶參考端處于同一溫度下。 圖2-32 熱電偶參考端補償電路 v2LM26集成溫度傳感器的應用v L

38、M26是美國國家半導體公司生產(chǎn)的電壓輸出型微型模擬溫度傳感器，輸出可驅(qū)動開關(guān)管，帶動繼電器和電風扇等負載。v LM26工作電壓2.75.5V，測量溫度范圍為55110。v 4腳接電源正極，2腳接地，3腳為溫度傳感輸出，輸出電壓與溫度的關(guān)系為v U03.479106（t30）21.082102（t30）1.8015 Vv 按芯片內(nèi)部的控制溫度基準電平設(shè)定（例如85），5腳輸出高、低（1、0）電平信號，可直接驅(qū)動負載。v LM26有A、B、C、D共4種序號，v A、C為高于控制溫度關(guān)斷5腳輸出信號（輸出低電平）；v B、D為低于控制溫度關(guān)斷5腳輸出信號。v LM26A型內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖2-33（a）所示。圖2-33（a） LM26A內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)v 圖2-33（b）為用LM26A控制的風扇自動控制電路。v 當高于設(shè)定的控制溫度時， LM26A 中的溫度傳感器輸出電壓低于基準電壓，運算放大器輸出高電平，耗盡型N溝道MOS場效應管導通，5腳輸出低電平信號，使