第四章熱電式-熱電阻-集成溫度傳感器2013

第四章熱電式-熱電阻-集成溫度傳感器2013第一頁，共41頁。內(nèi)容回顧第四章熱電式傳感器4.1概述4.2熱電偶4.2.1常用熱電偶及其結(jié)構(gòu)4.2.2熱電偶的測溫原理、基本定律及溫度補償4.2.3熱電偶的應用被測量溫度()電阻變化(R)、電勢變化、磁導率變化、熱膨脹變化。第二頁，共41頁。內(nèi)容回顧1、常用熱電偶的分類及其結(jié)構(gòu)1）普通型熱電偶2）鎧裝熱電偶3）薄膜熱電偶2、熱電偶的測溫原理？熱電效應：將不同的導體或半導體組成閉合回路。當兩個接合點溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢。熱電偶回路產(chǎn)生的電動勢兩種導體的接觸電勢單一導體的溫差電勢第三頁，共41頁。內(nèi)容回顧3、熱電偶基本定律：（1）均質(zhì)導體定律：均勻?qū)w（或半導體）組成的閉合回路不產(chǎn)生熱電勢；（2）中間導體定律：

—接入導體和儀表測量熱電勢的條件和基礎(chǔ)。（3）中間溫度定律：—參考溫度計算修正法的理論依據(jù)，為熱電勢分度奠定理論基礎(chǔ)（4）標準電極定律：第四頁，共41頁。內(nèi)容回顧4、熱電偶冷端補償：為什么要進行冷端補償？冷端補償?shù)姆椒ㄓ心男?？不穩(wěn)定（1）冰點法（2）補償導線法（3）冷端補償器法（4）熱電勢修正法

硬件法、軟件法（5）采用集成電路補償方法熱電偶測溫原理：只有參比端溫度恒定時，回路總熱電勢EAB(T,T0)才是溫度T的單值函數(shù)！熱電偶分度表中，熱電勢—溫度的對應值以T0＝0℃為基礎(chǔ)。第五頁，共41頁。2）補償導線法補償導線0~100C如果B、Q的性質(zhì)相同，則；如果A、P的性質(zhì)相同，則，所以內(nèi)容回顧冷端溫度補償

補償導線法又稱冷端延長法或延伸熱電極法，遠移至溫度變化較平緩的環(huán)境中。材料：熱電性質(zhì)與熱電偶相近（0~100C）：第六頁，共41頁。3）冷端補償器法（補償電橋法）不平衡電橋R4（銅絲）R1=R2=R３=1Ω(錳銅絲)Rg（限流）0C恒溫T0=f(時間,環(huán)境)內(nèi)容回顧冷端溫度補償調(diào)整Rg電阻→Uba=E(T0,0),說明：當T0變化時，由于冷端補償器的接入，儀表所指示的總電勢E仍保持為E(T,0)，相當于熱電偶冷端自動處于0C。第七頁，共41頁。4）熱電勢修正法中間溫度定律得方法：測T0→查表EAB(T0,0)→測EAB(T,T0)→計算EAB(T,T0,0)→查表求T。冷端溫度補償內(nèi)容回顧第八頁，共41頁。第四章熱電式傳感器4.1概述4.2熱電偶4.3熱電阻4.3.1熱電阻的測溫原理4.3.2熱電阻的種類及特點4.3.3熱電阻測溫電橋4.4集成溫度傳感器4.4.1集成溫度傳感器基本原理4.4.2集成溫度傳感器舉例（AD590）

第九頁，共41頁。4.3熱電阻4.3.1熱電阻測溫原理原理：利用導體或半導體的電阻值隨溫度的變化而改變的性質(zhì)來測量溫度。實驗證明：

多數(shù)金屬導體在溫度升高1℃時，阻值變化0.4%~0.6%；

多數(shù)具有負溫度系數(shù)的半導體在溫度升高1℃時，阻值變化3%~6%；多數(shù)導體或半導體電阻值隨溫度變化的關(guān)系式為：測溫范圍：

-200~500℃第十頁，共41頁。4.3.2熱電阻的種類及特點1、熱電阻的材料①電阻溫度系數(shù)要大：單位1/℃，定義為：α越大制成的溫度計的靈敏度越高測量結(jié)果越準確；一般非常數(shù)，不同溫度數(shù)值不同α=f(T)；材料越純,α越大。②要求有較大的電阻率：因為電阻率越大↑→電阻體積越小↓→熱容量和熱慣性越小↓→溫度變化的響應越快↑。③在測溫范圍內(nèi)，要求物理化學性質(zhì)穩(wěn)定。④復現(xiàn)性好、復制性強、易得到純凈物質(zhì)。⑤電阻值與溫度間近似為線性關(guān)系，便于測溫的分度和讀數(shù)。⑥價格低。綜上所述：鉑、銅、鐵、鎳和一些半導體材料比較適合做熱電阻。第十一頁，共41頁。熱電阻按材料分類（1）鉑熱電阻特點：精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠、易于提純、復制性好、具有良好的工藝性、可以制成極細的鉑絲、電阻率較高；在0C以上，其電阻與溫度的關(guān)系接近于直線(其電阻溫度系數(shù)為3.9×10－3/C)。作用：工業(yè)測量，溫度的基準、標準儀器。ITS-90國際溫標規(guī)定，在13.81K~961.78℃的標準儀器為鉑電阻溫度計。缺點：電阻溫度系數(shù)??；在還原氣氛中，特別是在高溫下，易被污染變脆；價格昂貴。常用鉑電阻分度號：Pt1000，Pt100和Pt104.3.2熱電阻的種類及特點第十二頁，共41頁。鉑電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系:在0～850℃范圍內(nèi):在-200～0℃范圍內(nèi):式中，為溫度為t℃時的鉑電阻的阻值；為溫度為0℃時的鉑電阻的阻值；A、B、C均為常數(shù)，且/℃，/℃，/℃。對滿足上述關(guān)系的熱電阻，其溫度系數(shù)約為/℃。由上式可見，電阻值Rt與t及R0有關(guān)，當R0

值不同時，即使在同樣的溫度下其Rt的值也不同。因此作為測量用熱電阻必須規(guī)定R0值。4.3.2熱電阻的種類及特點第十三頁，共41頁。鉑電阻材料的純度通常用百度電阻比

W(100)

來表示，即式中,表示水沸點(100℃)時的鉑電阻的電阻值；表示水冰點（0℃）時的鉑電阻的電阻值。目前技術(shù)水平已達到W(100)=1.3930，與之相應的鉑純度為99.9995%，工業(yè)用鉑電阻純度為。4.3.2熱電阻的種類及特點第十四頁，共41頁。（2）銅熱電阻優(yōu)點：線性度好，電阻溫度系數(shù)大、價格低、精度適中；缺點：機械強度較差，熱慣性大，

>100℃時，易被氧化；測溫范圍：-50~+150℃。常用銅電阻分度號：Cu100和Cu50銅電阻的電阻溫度特性方程為：由于B、C

比A小得多，所以可以簡化為：式中，為常數(shù)。4.3.2熱電阻的種類及特點第十五頁，共41頁。熱電阻名稱分度號0℃時阻值(Ω)測溫范圍（℃）特點銅電阻Cu5050±0.05-50—150線性好，價格低，適用于無腐蝕性介質(zhì)Cu100100±0.1鉑電阻Pt5050±0.003-200—850精度高，價格貴，適用于中性和氧化性介質(zhì)，但線性度差Pt100100±0.006第十六頁，共41頁。4.3.2熱電阻的種類及特點思考：如果用分度號為Pt100的鉑電阻測溫，在計算時錯用了Cu100的分度表，查得的溫度為200℃，則實際溫度比200℃大？還是小？說明原因。第十七頁，共41頁。4.3.2熱電阻的種類及特點（3）其他類型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，而銦、錳、碳等熱電阻材料卻是測量低溫和超低溫的理想材料。

銦電阻用99.999％高純度的銦絲繞成電阻，可在室溫至4.2K溫度范圍內(nèi)使用。實驗證明：在4.2~15K溫度范圍內(nèi)，靈敏度比鉑電阻高10倍；缺點是材料軟，復制性差。錳電阻測溫范圍為2~63K，電阻隨溫度變化大、靈敏度高。但材料脆，難拉成絲。碳電阻適合用液氦溫域的溫度測量，價廉，對磁場不敏感，熱穩(wěn)定性較差。另外，常用一定比例的錳、鎳、銅、鈦、鎂的氧化物混合制成半導體熱電阻——熱敏電阻。第十八頁，共41頁。2、熱電阻的結(jié)構(gòu)類型（1）普通型熱電阻感溫元件保護套管接線盒與熱電偶類似4.3.2熱電阻的種類及特點第十九頁，共41頁。（2）鉑熱電阻玻璃燒結(jié)式陶瓷架式云母管架式昂貴雙線無感繞制4.3.2熱電阻的種類及特點第二十頁，共41頁。（3）鎧裝熱電阻力學性好熱電阻+保護套管+絕緣材料封裝4.3.2熱電阻的種類及特點它比裝配式鉑電阻直徑小，易彎曲，適宜安裝在管道狹窄和要求快速反應、微型化等特殊場合。第二十一頁，共41頁。（4）薄膜熱電阻陶瓷鉑真空鍍膜法熱慣性?。『衲ぁ?μm薄膜——2μm4.3.2熱電阻的種類及特點優(yōu)點：體積細小，響應時間快，一致性好，機械性能好抗震、抗振動，精度高，價格便宜等。第二十二頁，共41頁。4.3.2熱電阻的種類及特點3、半導體熱敏電阻半導體熱電阻——熱敏電阻。材料：常用一定比例的錳、鎳、銅、鈦、鎂的氧化物混合制成。負溫度系數(shù)NTC正溫度系數(shù)PTC臨界溫度系數(shù)CTR測溫特點：近似線性關(guān)系變化劇烈變化劇烈第二十三頁，共41頁。(1)半導體熱敏電阻的形狀片狀、柱狀和珠狀4.3.2熱電阻的種類及特點第二十四頁，共41頁。(2)半導體熱敏電阻實物照片應用范圍：適用于大功率的轉(zhuǎn)換電源、開關(guān)電源、UPS電源及各類大功率照明燈具、電加熱器的浪涌電流抑制。MF74超大功率型NTC熱敏電阻器應用范圍：廣泛應用于空調(diào)設(shè)備、暖氣設(shè)備、電子體溫計、液位傳感、汽車、電子臺歷、手機電池。MF52珠狀測溫型NTC熱敏電阻器4.3.2熱電阻的種類及特點第二十五頁，共41頁。應用范圍：半導體集成電路、液晶顯示、晶體管及移動通訊設(shè)備用石英振蕩器的溫度補償、可充電電池的溫度探測、計算機微處理器的溫度探測、需溫度補償?shù)母鞣N電路。CMF貼片式NTC熱敏電阻器應用范圍：電腦、打印機、家用電器等。

MF55系列絕緣薄膜型NTC熱敏電阻器4.3.2熱電阻的種類及特點第二十六頁，共41頁。(3)熱敏電阻的特點測溫范圍：-100~300℃優(yōu)點：①電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，約為②電阻率大，利于小型化，連接導線的影響可以忽略；③結(jié)構(gòu)簡單、體積小，可以用于測量點溫度；④熱慣性小，適用于表面溫度及快速變化溫度。不足：熱敏電阻溫度特性分散、互換性差、非線性嚴重。進一步的發(fā)展依賴于半導體技術(shù)的發(fā)展和制造工藝水平的提高。4.3.2熱電阻的種類及特點第二十七頁，共41頁。4.3.3熱電阻測溫電橋說明：為了消除金屬熱電阻（幾歐~幾十歐范圍）中的引線電阻和連接導線電阻受溫度變化而改變其阻值大小，從而影響熱電阻測溫。測溫電橋——兩線制、三線制、四線制接法。4.3.3熱電阻測溫電橋第二十八頁，共41頁。不平衡電橋RlRl4.3.3熱電阻測溫電橋工業(yè)用常用線路①兩線制特點：接入一個橋臂；引線與連接導線隨環(huán)境溫度變化全部加入到熱電阻的變化之中；簡單，仍有應用；引出線的電阻值特性：銅：<=0.2％(R0)；鉑:<=0.1％(R0)。Rt：熱電阻；r’：引線；

r：連接導線；

Rr：調(diào)整電阻第二十九頁，共41頁。②三線制方法：熱電阻有三個引線；其中兩根+連接導線的電阻分別加到電橋相臨兩橋臂中；第三根接到電源線上；

≡電源與電橋的連接點a從儀表內(nèi)部的橋路上移到熱電阻附近。效果：引線與連接導線電阻變化影響減小。RlRlRl4.3.3熱電阻測溫電橋第三十頁，共41頁。4.4集成溫度傳感器

集成電路溫度傳感器是將作為感溫器件的溫敏晶體管及其外圍電路集成在同一芯片上的集成化溫度傳感器（integratedtemperaturesensor）。優(yōu)點：是測溫精度高、復現(xiàn)性好、線性優(yōu)良、體積小、熱容量小、穩(wěn)定性好、輸出電信號大、使用方便和成本低廉等。

缺點：是測量范圍僅為-80~150℃。

因此，在最近十年內(nèi)集成電路溫度傳感器得到了迅速發(fā)展，成為半導體溫度傳感器的主要發(fā)展方向之一。目前，商品化的集成電路溫度傳感器已經(jīng)廣泛用于溫度檢測、控制、補償?shù)葓龊稀?.4集成溫度傳感器第三十一頁，共41頁。4.4集成溫度傳感器（1）模擬集成溫度傳感器時間：20世紀80年代問世；工藝：硅半導體集成工藝制作而成信號輸出：模擬電壓或電流。特點：測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等,適合遠距離測溫、控溫,不需要進行非線性校準,外圍電路簡單。應用范圍：最普遍典型產(chǎn)品：AD590、AD592、TMP17、LM35等。第三十二頁，共41頁。4.4集成溫度傳感器（2）智能溫度傳感器時間：20世紀90年代中期問世；名稱：亦稱數(shù)字溫度傳感器。是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動檢測技術(shù)(ATE)的結(jié)晶構(gòu)成：溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路等集成在一片芯片上。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、CPU。特點：測溫范圍<150℃;輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量；在硬件的基礎(chǔ)上，通過軟件實現(xiàn)測試功能,其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。發(fā)展新趨勢：進入21世紀后,向高精度、多功能、高可靠性及安全性、總線標準化、虛擬傳感器和網(wǎng)絡傳感器等高科技的方向迅速發(fā)展

典型產(chǎn)品：DS18B20第三十三頁，共41頁。4.4.1集成溫度傳感器的基本原理集成溫度傳感器的基本原理：

利用PN結(jié)構(gòu)的伏安特性與溫度之間關(guān)系研制成的一種固態(tài)傳感器。式中U0——T=0℃時的Ube值，K——波爾茲曼常數(shù)；T——發(fā)射結(jié)所處的溫度；q——電子電量；Ie——集電極電流；A——為與溫度、結(jié)構(gòu)、材料等多種因素有關(guān)的函數(shù)。NPN三極管的結(jié)電壓是溫度的函數(shù)：第三十四頁，共41頁。4.4.1集成