热敏元件、温度传感器及其应用

1、第二章 热敏元件、温度传感器及其应用,热敏元件是一种对外界温度或辐射具有 响应和转换功能的敏感元件。 温度传感器能感受温度，并能转换成可 用输出信号的传感器,作为一个理想的温度传感器，应该具备各种条件，如：测温范围广，高精度，高可靠性，体积小，响应速度快，价格便宜等等。但同时满足以上所有条件的温度传感器是不存在的，应该按不同的用途灵活使用各种温度传感器。 温度传感器的种类很多，本章只介绍最常用的三种类型： 热电偶，热电阻，热敏电阻,2.1 热电偶 热电偶将温度变化量转换为电势变化的热电式传感器。 2.1.1 热电效应 1823年塞贝克（seebeck）发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，

2、当两接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，称为塞贝克电势。这个物理现象称为热电效应。如图2-1,两种不同材料的导体a和b，两端联接在一起，一端温度为t0，另一端为t（设t t0），这时在这个回路中将产生一个与温度t，t0以及导体材料性质有关的电势eab（t，t0），显然可以利用这个热电效应来测量温度,在测量技术中，把由两种不同材料构成的热电交换元件称为热电偶，称a，b导体为热电极。两个接点，一个为热端（t），又称工作端，另一个为冷端（t0），又称为自由端或参考端,1. 珀尔帖（peltier）效应,将同温度的两种不同的金属相互接触，如图2-2所示,由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属

3、a和b的接触处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属a扩散到密度小的金属b，使a失去电子带正电，b得到电子带负电，直至在接点处建立了强度充分的电场，能够阻止电子扩散达到平衡为止，两种不同金属的接点处产生的电动势称珀尔帖电势，又称接触电势。此电势eab(t)由两个金属的特性和接触点处的温度所决定,根据电子理论,式中： k：波尔兹曼常数，其值为1.381023j/k,tt0：接触处的绝对温度（）； ：电子电荷量，等于1.610-19c； na 、nb 分别为电极a、b的自由电子密度,由于,与,的方向相反，故回路的接触电势为,2-1,2. 汤姆逊（thomson）效应 假设在一匀质棒状导

4、体的一端加热，如图2-3所示,则沿此棒状导体有温度梯度。导体内自由电子将从温度高的一端向温度低的一端扩散，并在温度较低的一端积聚起来，使棒内建立起一电场，当这电场对电子的作用力与扩散力相平衡时，扩散作用即停止，电场产生的电势称为汤姆逊电势或温差电势,当匀质导体两端的温度分别是t、t0时，温差电势为,式中 称为汤姆逊系数，它表示温差为一度时所产生的电势值。 的大小与材料性质和导体两端的平均温度有关。是金属本身所具有的热电能。它是以铂等标准电极为基准进行测量的相对值。例如：铜和康铜的热电能在0100温度范围内的平均值分别为7.6v/和-3.5v/。 通常规定：当电流方向与导体温度降低的方向一致时，

5、则 为正值，当电流方向与导体温度升高方向一致时，则 取负值,当接触点温度tt0时，回路的温差电势等于导体温差电势的代数和，即,2-2,上式表明，热电偶回路的温差电势只与热电极材料a、b和两接点的温度tt0有关，而与热电极的几何尺寸和沿热电极的温度分布无关。如果两接点温度相同，则温差电势为零,综上所述，热电极a、b组成的热电偶回路，当接点温度tt0时，其总热电势为,图2-4 总热电势,式中：eab(t)：热端的分热电势； eab(t0)：冷端的分势电势,2-3,图2-4 总热电势,从上面的讨论可知：当两接点的温度相同时，则无温差电势，即,而接触电势大小,相等方向相反，所以,当两种相同金属,组成热

6、电偶时，两接点温度虽不同，但两个温差电势大小相等、方向相反，而两接点处的接触电势皆为零，所以回路总电势仍为零。因此： 如果热电偶二个电极的材料相同，二个接点温度虽不同， 不会产生电势； 如果二个电极的材料不同，但两接点温度相同，也不会产生电势； 当热电偶二个电极的材料不同，且a、b固定后，热电势便为二接点温度t和t0的函数，即,当t0保持不变，即eab(t0)为常数时，则热电势便为热电偶热端温度t的函数,2-4,由此可知， eab(t,t0)和t有单值对应关系，这是热电偶测温的基本公式。热电偶的分度表就是根据这个原理在热电偶冷端温度等于0的条件下测得的,分别为正极和高温，写在后面的b、to分别

7、为负极和低温。如果它们的前后位置互换，则热电势极性相反。如,判断热电势极性最可靠的方法是将热端稍加热，在冷端用直流电表辨别,热电极的极性： 测量端失去电子的热电极为正极，得到电子的热电极为负极,在热电势符号,规定写在前面的a、t,2.1.2 热电偶的基本法则 1. 均质导体法则 两种均质金属组成的热电偶，其电势大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。 如果材料不均匀，则当热电极上各处温度不同时，将产生附加热电势，造成无法估计的测量误差，因此，热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。 2. 中间导体法则 在热电偶回路中插入第三、第四种导体，只

8、要插入导体的两端温度相等，且插入导体是均质的，则无论插入导体的温度分布如何，都不会影响原来热电偶的热电势的大小,因此，我们可以将毫伏表（用铜线）接入热电偶回路，并保证两个结点温度一致，就可对热电势进行测量，而不影响热电偶的输出,a、b、c三个金属导体的自由电子密度分别为na、nb、nc，热端的a、b导体接点温度为t，冷端的a和c、b和c接点的温度为t0，则根据式（2-1）知三个接点的接触电势分别为,故回路总的接触电势为,与式（2-1）相同,很显然，带有中间导体的热电偶回路的温差电势与不带中间导体的热电偶回路相同。由此得出，回路总的热电势的大小与冷端第三导体无关,3. 中间温度法则 热电偶在接点

9、温度为t，t0时的热电势等于该热电偶在接点温度为t，tn和tn，t0时相应的热电势的代数和，即,若t0=0，则有,2-5,4. 标准热电极法则 由三种材料成分不同的热电极a、b、c分别组成三对热电偶回路，如图2-6所示，如果热电极a和b分别与热电极c配对组成的热电偶回路所产生的热电势已知，则由热电极a和b配对组成的热电偶回路的热电势，可用计算法求出,设这三对热电偶测量端的温度都是t，而参比端温度都是t0，则热电偶ac、bc的热电势分别为,以上两式相减得,由上式可看出，热电偶ab的热电势可由热电偶ac和热电偶bc的热电势通过计算求得。热电极c称为标准电极，它通常用纯度很高、物理化学性能非常稳定的

10、铂制成，即标准铂热电极,2.1.3 热电偶冷端温度及其补偿 热电偶热电势的大小与热电极材料及两接点的温度有关。只有在热电极材料一定，其冷端温度t0保持不变的情况下，其热电势才是其工作端温度t的单值函数。热电偶的分度表是在热电偶冷端温度等于0的条件下测得的，所以使用时，只有满足t0=0的条件，才能直接应用分度表或分度曲线。 在工程测量中，冷端温度常随环境温度的变化而变化，将引入测量误差，因此必须采取以下的修正或补偿措施,1. 冷端温度修正法 对于冷端温度不等于0，但能保持恒定不变的情况，可采用修正法。 1）热电势修正法 在工作中，由于冷端不是0而是某一恒定温度tn,当热电偶工作在温差（t，tn）

11、时，其输出电势为e(t,tn),如果不加修正，根据这个电势查标准分度表，显然对应较低的温度。 根据中间温度定律，将电势换算到冷端为0时应为,2-6,也就是说，在冷端温度为不变的tn时，要修正到冷端为0的电势，应再加上一个修正电势，即这个热电偶工作在0和tn之间的电势值e(tn，0,例：用镍铬镍硅热电偶测炉温。当冷端温度t0=30时，测得热电势为 e(t，t0) = 39.17mv, 则实际炉温是多少度？ 由t0=30查分度表得 e(30,0)=1.2mv 则： e(t,0) = e(t,30) + e(30,0) = 39.17 + 1.2 = 40.37mv 再用 40.37mv 查分度表得

12、977， 即实际炉温为977。 若直接用测得的热电势 39.17mv 查分度表，则其值为946，比实际炉温低31，产生-31的测量误差,式中 k 为热电偶的修正系数，决定于热电偶种类和被测温度范围,2）温度修正法 令 t 为仪表的指示温度，t0为冷端温度，则被测的真实温度t 为,2-7,例：上例中测得炉温为 946（39.17mv），冷端温度为30 查表得 k=1.00, 则： t = t+ kt0 = 946 + 130 = 976 与用热电势修正法所得结果相比，只差1，因而这种方法在工程上应用较为广泛,冷端温度自动补偿法,热电偶在实际测量中，冷端一般暴露在空气中，受到周围介质温度波动的影响

13、，它的温度不可能恒定或保持0不变，不宜采用修正法，可用电势补偿法。产生补偿电势的方法很多，主要介绍电桥补偿和pn结补偿法。 1）电桥补偿法 电桥补偿法是用电桥的不平衡电压（补偿电势）去消除冷端温度变化的影响，这种装置称为冷端温度补偿器。图2-7为冷端温度补偿器线路图,冷端补偿器内有一个不平衡电桥，其输出端串联在热电偶回路中。桥臂电阻r1，r2，r3和限流电阻rs的电阻值几乎不随温度变化。rcu为铜电阻，其阻值随温度升高而增大，电桥由直流稳压电源供电,在某一温度下，设计电桥处于平衡状态，则电桥输出为0,该温度称为电桥平衡点温度或补偿温度。此时补偿电桥对热电偶回路的势电势没有影响。当环境温度变化时

14、，冷端温度随之变化，热电偶的电势值随之变化e1；同时，rcu的电阻值也随环境温度变化，使电桥失去平衡，有不平衡电压e2输出。如果设计的e1与e2数值相等极性相反，则迭加后互相抵消，因而起到冷端温度变化自动补偿的作用。这就相当于将冷端恒定在电桥平衡点温度,2）pn结冷端温度补偿法,图2-8 pn结冷端温度补偿器,根据中间温度定律,e(t,to)=e(t,o)+e(o,to,e(t,o)-e(to,o,等效电路图,v,设e(t0,0)=k1 t0，式中k1为热电偶在0附近的灵敏度，则热电偶测量回路的电势为,代入上式得,而,式中：d为二极管d的pn结端电压 0：pn结在0时的端电压（对硅材料为700

15、mv） n: 电位器rw的分压比 将,令,调节rw可得不同的n 值,整理上式可得回路电势为,回路电势与冷端温度变化无关。 只要用0/n作相应的修正，就可得到真实的热电偶热电势e(t,0)。便可得到适用的分度表。 对于不同的热电偶，由于它们在0附近的灵敏度k1不同，则应有不同的n值，可用rw调整,利用集成温度传感器ad590作为冷端补偿元件,ad590是一个两端器件，其输出电流与绝对温度成正比（1a/k）。当25（298.2k）时，能输出298.2 a的电流。它相当于一个温度系数为1a/k的高阻恒流源。其输出电流通过1k电阻转换为1mv/k的电压信号,2.2 热电阻 由于在500以下的温度，热电

16、偶产生的热电势较小，例如： 铂铑10铂热电偶 4.22 mv 500 镍铬镍硅热电偶 20.65 mv 500 镍铬考铜热电偶 40.15 mv 500 铂铑30铂铑6热电偶 1.242 mv 500 因而，测量精确度较低。因此，工业上广泛应用电阻温度传感器测量-200500范围内的温度。而且，电阻温度计不存在冷端问题，信号便于传送。其缺点是受导线电阻的影响。 大多数金属导体和半导体的电阻率都随温度发生变化，都称为热电阻。 其工作原理是根据导体或半导体的电阻值随温度变化而改变，然后通过测量其电阻值从而推算出被测物体的温度,2.2.1 铂热电阻 铂热电阻的阻值与温度之间的关系接近于线性。 在08

17、50范围内： rt=r0(1+at+bt2) （2-6) 在-2000范围内： rt= r01+ at+ bt2+c(t-100)t3 （2-7) 式中：r0，rt 温度为0及t时铂电阻的电阻值； a、b、c 常数，由实验法求出： a=3.908310-3/, b=-5.77510-7/2, c=-4.18310-12/4 由以上两式看出，当r0值不同时，在同样温度下其rt值不同。目前国内统一设计的一般工业用标准铂电阻，r0值有10和100两种，并将电阻值rt与温度t的相应关系统一列成表格，称其为铂电阻的分度表，分度号分别用pt10和pt100表示,2.2.2 铜热电阻 铂是贵金属，在测量精度

18、要求不高时，测温范围比较小的情况下（-50150），可采用铜做热电阻材料，价格便宜，电阻温度函数表达式为： rt= r0（1+ t） （2-8) 式中： =4.2810-3/, r0，rt为温度为0和t时铜的电阻值。 我国目前统一设计分度号为cu50(r0=50)和cu100(r0=100)，故在应用铜电阻分度表时，应注意区别，以防止相互混淆,2.2.3 其它热电阻 近年来，在低温和超低温测量中，开始采用新的热电阻，如锢、锰、碳等。 锢电阻：在4.215温域内，其测温灵敏度比铂电阻高10倍，是一种高准确度低温热电阻，其缺点是材料很软，复制性差。 锰电阻：在26.3的温度范围内的电阻随温度变化很

19、大，灵敏度高；在216的温度范围内，电阻率与温度平方成正比。磁场对锰电阻影响不大，其缺点是很脆，难以控制成形。 碳电阻：在低温下灵敏度高，热容量小，对磁场不敏感，适合作液氢温域（04.55）的温度计，其缺点是热稳定性较差,2.3 热敏电阻 热敏电阻是利用半导体的电阻随温度变化这一特性制成的一种热敏元件。对于一般金属，当温度变化1时，其电阻值变化0.4%左右，而半导体热敏电阻变化可达3%6%。 热敏电阻一般可分为负温度系数（ntc）、正温度系数(ptc) 和临界温度系数电阻器（ctr）三类。 ntc热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于-100300之间测温。在点温、表面温度、温差、温场等

20、测量中得到日益广泛的应用，同时也广泛地应用在自动控制及电子线路的热补偿线路中。因而，通常讲的热敏电阻一般是指ntc热敏电阻器,2.3 .1 ntc热敏电阻的温度特性 热敏电阻的基本特性是电阻与温度之间的关系，其曲线是一条指数曲线： rt=aeb/t （2-9) 式中：rt温度为t时的电阻值； a与热敏电阻尺寸、形成、以及它的半导体物理性能有关的常数； b与半导体物理性能有关的常数（热敏电阻材料常数）； t热敏电阻的绝对温度。 若测得两个温度点t1和t2的电阻值r1和r2，便可求出a、b两个常数,图2-9 ntc 热敏电阻的温度特性,2-10,2-11,将a值代入（2-9)式,2-12,若测得温度为t1、t2时的电阻值r1、r2为,解上式得,rt=aeb