第8章 热电式传感器

1、第第8 8章章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器是利用某些材料或元件的物理特是利用某些材料或元件的物理特性与温度有关这一性质，将性与温度有关这一性质，将温度的变化温度的变化转化为转化为电量的变化电量的变化。温度变化温度变化转换为转换为电阻变化电阻变化的称为的称为热电阻传感器热电阻传感器；将将温度变化温度变化转换为转换为热电势变化热电势变化的称为的称为热电偶传热电偶传感器感器。第一节第一节 热敏电阻式传感器热敏电阻式传感器几乎所有物质的电阻率都随其本身的温度而变几乎所有物质的电阻率都随其本身的温度而变化，这一物理现象称为化，这一物理现象称为热电阻效应热电阻效应。利用这一原理制成的

2、利用这一原理制成的温度敏感元件温度敏感元件称为热敏电称为热敏电阻阻(thermistor)，一般采用，一般采用导体导体和和半导体半导体材料。材料。式中：式中：R0 元件在元件在T0 时的电阻；时的电阻； a T0 时的电阻温度系数；时的电阻温度系数； RT 温度为温度为T 时元件的电阻值时元件的电阻值。 大多数金属导体的电阻，都具有随温度变化的特性。大多数金属导体的电阻，都具有随温度变化的特性。 温度系数温度系数a表征电阻的阻值表征电阻的阻值随温度变化的程度随温度变化的程度。 金属的温度系数为金属的温度系数为正正，即阻值随温度的，即阻值随温度的升高而增加升高而增加。 单晶半导体的单晶半导体的a

3、也是也是正正的，但随掺杂的的，但随掺杂的增加而减小增加而减小。 陶瓷半导体（热敏电阻）的陶瓷半导体（热敏电阻）的a为为负负，且，且非线性较大非线性较大。一、金属热电阻一、金属热电阻 对用于制造热电阻材料的要求：对用于制造热电阻材料的要求： 具有尽可能大和稳定的具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率电阻温度系数和电阻率 R-t关系关系最好成线性最好成线性 物理化学性能物理化学性能稳定稳定 容易加工、价格尽量容易加工、价格尽量便宜便宜等。等。 目前最常用的热电阻有目前最常用的热电阻有铂热电阻铂热电阻和和铜热电阻铜热电阻。 纯金属纯金属是热电阻的主要材料，是利用金属的电阻值随是热电阻的主要材料，是

4、利用金属的电阻值随温温度变化而变化度变化而变化的原理进行测温的。的原理进行测温的。(一一)金属热电阻工作原理金属热电阻工作原理铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示：铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示： 在在0660温度范围内温度范围内 在在-2000温度范围内温度范围内 式中式中 R0、Rt分别为分别为0和和t的电阻值；的电阻值； A常数常数(3.96310-3/)； B常数常数(-5.8610-7/2)； C常数常数(-4.2210-12/4)。 20(1)tRRAtBt2301(100)tRRAtBtC tt 铜在铜在-50150范围内铜电阻范围内铜电阻化学、物理

5、性能稳定化学、物理性能稳定，输出输入特性输出输入特性接近线性接近线性，价格低廉价格低廉。 铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为：铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为： 式中式中 A常量常量(4.28910-3/)； B常量常量(-2.13310-7/2)； C常量常量(1.23310-9/3)。 当温度高于当温度高于100时时易被氧化易被氧化，因此适用于，因此适用于温度较低温度较低和和没有浸蚀性没有浸蚀性的介质中工作。的介质中工作。230(1)tRRAtBtCt热电阻的作用原理热电阻的作用原理1.感温元件感温元件 2.铂丝铂丝 3.骨架骨架 4.引出线引出线 5.显示仪表显示仪表

6、热电阻实物图热电阻实物图 热电阻的结构比较简单，一般将电阻丝绕在云母、石英、陶热电阻的结构比较简单，一般将电阻丝绕在云母、石英、陶瓷、塑料等瓷、塑料等绝缘骨架绝缘骨架上，经过固定，外面再加上上，经过固定，外面再加上保护套管保护套管。热电阻的作用原理，感温元件热电阻的作用原理，感温元件1是以直径为是以直径为0.030.07mm的纯铂的纯铂丝丝2绕在有锯齿的云母骨架绕在有锯齿的云母骨架3上，再用两根直径约为上，再用两根直径约为0.51.4mm的的银导线作为引出线银导线作为引出线4引出，与显示仪表引出，与显示仪表5连接。连接。当感温元件上铂丝的温度变化时，感温元件的电阻值随温度而变当感温元件上铂丝的

7、温度变化时，感温元件的电阻值随温度而变化，并呈一定的函数关系。化，并呈一定的函数关系。 当外界条件改变时，传感器的阻值当外界条件改变时，传感器的阻值RT会有相应的变化，这时电会有相应的变化，这时电桥平衡破坏，桥路两端的电压桥平衡破坏，桥路两端的电压Vs也随之而变，由于也随之而变，由于Vs能反映出能反映出桥臂电阻的微小变化，因此通过测量桥臂电阻的微小变化，因此通过测量输出电压输出电压即可以检测即可以检测外界外界条件的变化条件的变化。(二二)金属热电阻测量与接口电路金属热电阻测量与接口电路 当温度处于测量下当温度处于测量下限时，限时， RtRtmin，调，调节节e2使电桥平衡，使电桥平衡，U0，即

8、，即0434121min21min ERRRERrrRrrRUttERRRERrrRrrRtt 434121min21minERrrRRRERrrRrrRERrrRRrrRRERRRERrrRrrRUttttttt 2121min1121min21min121min21min43412121)(当温度上升，当温度上升，RtRtminRt ，桥路失去平衡，有，桥路失去平衡，有12TRRrr 因为因为r1、r2相等又接在相等又接在相邻桥臂上，导线的电相邻桥臂上，导线的电阻变化不影响电桥平衡。阻变化不影响电桥平衡。 半导体热敏电阻是用半导体热敏电阻是用半导体材料半导体材料制成的温度传感器。按制成的温

9、度传感器。按物理特性物理特性，可分为三类：可分为三类：(1) 负温度系数负温度系数 (NTC)l具有很高的具有很高的负电阻温度系数负电阻温度系数，特别适用于，特别适用于-100300之间测温。之间测温。在点温、表面温度、温差、温场等测量中得到日益广泛的应用，在点温、表面温度、温差、温场等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。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。 (2) 正温度系数正温度系数 (PTC)；l主要采用主要采用BaTiO3系列的材料，当温度超过某一数值时，其电阻值系列的材料，当温度超过某一数值时，其电阻值朝朝正的方向快速变化正的

10、方向快速变化。其用途主要是彩电消磁，各种电器设备的。其用途主要是彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制也可以作为限流元件使用。过热保护，发热源的定温控制也可以作为限流元件使用。(3) 临界温度系数临界温度系数 (CTR)。l该类电阻器的电阻值在某个温度值上该类电阻器的电阻值在某个温度值上电阻值急剧变化电阻值急剧变化，其用途主，其用途主要用作温度开关。其主要材料是要用作温度开关。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。并添加一些金属氧化物。 二、半导体热敏电阻二、半导体热敏电阻(一一)NTC型半导体热敏电阻的主要特性型半导体热敏电阻的主要特性NTC型热敏电阻，在一定的温度范围内（在低

11、于型热敏电阻，在一定的温度范围内（在低于450）时，）时，有经验公式：有经验公式：eRRTTBT）（0110式中式中15.273 tT1.电阻电阻-温度特性温度特性RT、RT0温度为温度为T、T0（绝对（绝对温度）时热敏电阻器的电阻值。温度）时热敏电阻器的电阻值。B热敏电阻的材料系数。热敏电阻的材料系数。若已知TRRTT，和，00则可计算 ：）（）（）（）（tRRRRtTTBTT000027312731lnln11lnNTC电阻温度系数 TRRBdTdaTT21负电阻温度系数当流过热敏电阻的电流很小时，不足以使之加热。电阻值只决定于环境温当流过热敏电阻的电流很小时，不足以使之加热。电阻值只决定

12、于环境温度，伏安特性是度，伏安特性是直线直线，遵循欧姆定律，主要用来，遵循欧姆定律，主要用来测温测温。在大电流时，由于耗散功率的增加，使热敏电阻温度在大电流时，由于耗散功率的增加，使热敏电阻温度高于环境温度高于环境温度。同时。同时由于其温度系数为负值，故其由于其温度系数为负值，故其增量电阻减小增量电阻减小。最后，当电流足够大时，增量电阻最后，当电流足够大时，增量电阻下降到零下降到零（翻转点），然后变为负。（翻转点），然后变为负。2.伏安特性伏安特性热敏电阻是由一些热敏电阻是由一些金属氧化物金属氧化物，如钴（，如钴（Co）、锰）、锰（Mn）、镍（）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，）等的氧

13、化物采用不同比例配方，高高温烧结温烧结而成。其形状有而成。其形状有珠状、片状、杆状、垫圈状珠状、片状、杆状、垫圈状等。等。(三三)半导体热敏电阻的线性化与测量电路半导体热敏电阻的线性化与测量电路1.半导体热敏电阻的线性化半导体热敏电阻的线性化热敏电阻热敏电阻灵敏度高灵敏度高，适合测量微弱温度变动；但是，其，适合测量微弱温度变动；但是，其电阻值随温度变化呈指数规律，其电阻值随温度变化呈指数规律，其非线性严重非线性严重，当所需，当所需的温度量程较大时，电阻一温度特性的的温度量程较大时，电阻一温度特性的固有非线性固有非线性是比是比较麻烦的。所以，实际使用时要对其进行较麻烦的。所以，实际使用时要对其进

14、行线性化线性化处理。处理。具体的方法是采用具体的方法是采用温度系数很小温度系数很小的电阻与热敏电阻的电阻与热敏电阻串联或并串联或并联联构成电阻网络（常称为线性化网络）代替单个热敏电阻，构成电阻网络（常称为线性化网络）代替单个热敏电阻，使等效电阻与温度的关系在一定的温度范围内是线性的。使等效电阻与温度的关系在一定的温度范围内是线性的。 热敏电阻的电压为温度指示热敏电阻的电压为温度指示热敏电阻并联网络的线形化处理热敏电阻并联网络的线形化处理 经线性化后在测温范围的中间温度点处并联和串联的温经线性化后在测温范围的中间温度点处并联和串联的温度系数分别为度系数分别为pTiipRRTBdTdRR 1112

15、 TisisRRTBdTdGG 1112 其温度系数的其温度系数的绝对值有所下降绝对值有所下降，因此，线性化后的不利后果，因此，线性化后的不利后果是是温度系数减少温度系数减少。一、热电效应（温差电现象）一、热电效应（温差电现象）第二节第二节 热电偶式传感器热电偶式传感器两种不同导体两种不同导体A和和B组成闭合回路，如果两结点的温度不组成闭合回路，如果两结点的温度不同，在回路中就会产生电动势，有电流流过。这种现象称同，在回路中就会产生电动势，有电流流过。这种现象称为为热电效应热电效应或或塞贝克效应塞贝克效应。这两种导体的组合称为。这两种导体的组合称为热电偶热电偶，如图所示。如图所示。T与与T0的

16、温差越大，热电偶的的温差越大，热电偶的输出电动势就越大输出电动势就越大，因此，因此，可用热电动势衡量温度的大小。可用热电动势衡量温度的大小。热电偶原理图TT0AB回路中所产生的电动势，回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部叫热电势。热电势由两部分组成，即分组成，即温差电势和接温差电势和接触电势。触电势。1. 1. 接触电势接触电势BAABNNekTTeln)(eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势；e单位电荷， e =1.610-19C； k波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ；NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中

17、的电子密度有关。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。BAABNNekTTeln)(00 是由于不同金属的是由于不同金属的自由电子自由电子密度不同密度不同，接触时结点处发，接触时结点处发生生电子扩散电子扩散造成的，当触点造成的，当触点处电子扩散达到动态平衡时，处电子扩散达到动态平衡时，产生一个稳定的接触电势产生一个稳定的接触电势。 AeA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度； A汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的 =2V/。2. 2. 温差电势温差电势dTTTeTTAA0),(0对于单一金属对于单一

18、金属A，如果两端温度不同，则在两端也会产生温差电动，如果两端温度不同，则在两端也会产生温差电动势。其形成原因是导体势。其形成原因是导体高温端的高温端的自由电子具有自由电子具有较大动能较大动能，向低温，向低温端端扩散扩散。高温端失去电子带正电，低温端获得电子带负电，其电。高温端失去电子带正电，低温端获得电子带负电，其电位差为：位差为：dTTTeTTBB 0),(0 由导体材料由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势回路总电势： BANNekTln

19、 BANNekTln0dTTTBA0)(T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3. 3. 回路总电势回路总电势),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABABNA、NB导体导体A和导体和导体B的电子密度；的电子密度；A 、 B导体导体A和和B的汤姆逊系数。的汤姆逊系数。温差电现象由两种相互独立的效应组成。第一种效应温差电现象由两种相互独立的效应组成。第一种效应是是珀耳帖珀耳帖发现的，它是由于两种不同的金属相接触和发现的，它是由于两种不同的金属相接触和接点温度所产生的一种电动势，称为接点温度所产生的一种电动势，称为接触电势接触电势。它与。

20、它与温度和两金属的电子密度有关。净的珀耳帖电动势近温度和两金属的电子密度有关。净的珀耳帖电动势近似地与两接点的似地与两接点的温度差成正比温度差成正比。第二种效应是沿着导体的温度梯度所产生的，称为第二种效应是沿着导体的温度梯度所产生的，称为汤汤姆逊效应姆逊效应。由此产生的电动势。由此产生的电动势(称为汤姆逊电动势称为汤姆逊电动势)与与导体两端的温度导体两端的温度T和和T0的的平方差成正比平方差成正比。）。）。为二次热电偶常数（为二次热电偶常数（）为一次热电偶常数（为一次热电偶常数（2/;/CVCV 导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果

21、使端的温度有关。如果使E EABAB( (T T0 0)=)=常数，则回路热常数，则回路热电势电势E EABAB( (T T，T T0 0) )就只与温度就只与温度T T有关，而且是有关，而且是T T的单的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。值函数，这就是利用热电偶测温的原理。只有当热电偶两端温度不同只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。料不同时才能有热电势产生。热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。只有用不同性质的导体只有用不同

22、性质的导体(或半导体或半导体)才能组合成热才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势。电偶；相同材料不会产生热电势。 二、热电偶的基本定则二、热电偶的基本定则1. 1. 均质回路定律均质回路定律由由相同成分材料相同成分材料的热电极组成回路，若只受到温度的作用，的热电极组成回路，若只受到温度的作用，不论导体的截面、长度，以及各处的温度分布如何，不论导体的截面、长度，以及各处的温度分布如何，都不产都不产生热电势生热电势。1、如果热电偶的两根热电极是由均质导体组成，那么，热电偶的热电势仅与两端温度有关，而与热电极的温度分布无关。2、用于检验两根热电极A，A材料成分是否相同。作用：作用：),(),(00

23、TTTTEEABABC 根据这个定律，可将第三种导根据这个定律，可将第三种导体换成测试仪或连接导线。只要体换成测试仪或连接导线。只要保持两结点温度相同，就可以对保持两结点温度相同，就可以对热电势进行测量。热电势进行测量。2、中间金属定、中间金属定则则 将将A、B构成的热电偶的构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导端断开，接入第三种导体体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。后对回路总电动势无影响。ABCCT0T0作用：3、中间温度定则、中间温度定则),(),(),(00TTETTETTEaABaABAB 在热电偶回路中，两接

24、点温度为在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为动势，等于该热电偶在接点温度为T、Ta和和Ta、T0时热时热电动势的代数和。电动势的代数和。热电偶补偿导线法就是这个定律的实际应用。热电偶补偿导线法就是这个定律的实际应用。作用：证明：（中间温度定则证明）dTNNekTNNekTTTeTTeTeTeTTETTBABAaBAaBaAaABABaABa )(lnln),(),()()(),( dTNNekTNNekTTTeTTeTeTeTTEaTTBABABAaaBaAABaABaAB 0)(lnln),(),()()(),(00000 ),()(lnln),

25、(),(0000TTEdTNNekTNNekTTTETTEABTTBABABAaABaAB 由三种不同材料的热电极由三种不同材料的热电极A A、B B、C C各自组成的三各自组成的三对热电偶回路，如果热电极对热电偶回路，如果热电极A A和和B B分别与分别与C C组成的热电组成的热电偶回路所产生的热电势已知，则热电极偶回路所产生的热电势已知，则热电极A A和和B B组成的热组成的热电偶回路的热电势为电偶回路的热电势为)T,T()T,T()T,T(0BC0AC0ABEEEA A T T T =BBCCT0T0T0 若已知各种金属对标准电极的热电势，即可方便地求出各若已知各种金属对标准电极的热电势

26、，即可方便地求出各种金属搭配成热电偶时的热电势。种金属搭配成热电偶时的热电势。作用：4、组成定则、组成定则证明：),()(lnln)()()lnln(lnln)(lnln()(lnln),(),(0000000000000TTEdTNNekTNNekTdTdTNNekTNNekTNNekTNNekTdTNNekTNNekTdTNNekTNNekTTTETTEABTTBABABATTCBTTCACBCACBCATTCBCBCBTTCACACABCAC （标准热电极定律证明） 三、热电偶的种类三、热电偶的种类任意两种导体（或半导体）都可以配制成热电偶作为测温任意两种导体（或半导体）都可以配制成热电

27、偶作为测温的元件，但实用中总是希望配制成的热电偶的的元件，但实用中总是希望配制成的热电偶的热电势较大热电势较大、热电势与被测温度之间尽量地呈热电势与被测温度之间尽量地呈线性单值关系线性单值关系，且，且测温的测温的范围较宽范围较宽。热电动势大，测温范围宽，线性好。热电动势大，测温范围宽，线性好。化学、物理性能稳定，不易氧化、变形及腐蚀。化学、物理性能稳定，不易氧化、变形及腐蚀。电阻温度系数电阻温度系数小，电阻率小，电阻率小。小。易加工，易复制，工艺性和互换性好。易加工，易复制，工艺性和互换性好。2 2、 热电极材料类型热电极材料类型（1）一般金属一般金属：镍铬镍硅，铜康铜，镍铬镍铝等：镍铬镍硅，

28、铜康铜，镍铬镍铝等；（2）贵金属贵金属：铂铑铂：铂铑铂1 1、对热电偶材料的要求、对热电偶材料的要求（3）结构形式结构形式：普通热电偶，铠装热电偶等：普通热电偶，铠装热电偶等方法方法u 冰浴法冰浴法u 补偿导线法补偿导线法u 补正系数修正法补正系数修正法u 补偿电桥法补偿电桥法原因原因l热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；冷端温度保持恒定； 四、热电偶的冷端补偿四、热电偶的冷端补偿把热电偶的参比端置于把热电偶的参比端置于冰水混合物冰水混合

29、物容器里，使容器里，使T0=0。这种办法仅限于。这种办法仅限于科学实验中科学实验中使用。为了避使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。绝缘。1、冰浴法、冰浴法2、 补偿导线法补偿导线法在实际测温时在实际测温时, 需要把热电偶输出的电势信号传输到远需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表。离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表。热电热电偶一般做得较短偶一般做得较短，需要用导线将热电偶的，需要用导线将热电偶

30、的冷端延伸出来冷端延伸出来。工程中采用一种工程中采用一种补偿导线补偿导线, 它通常由它通常由两种不同性质两种不同性质的廉的廉价金属导线制成价金属导线制成, 而且在而且在0100温度范围内温度范围内, 要求使用要求使用的的补偿导线的冷端热电特性和热电偶冷端的热电特性相补偿导线的冷端热电特性和热电偶冷端的热电特性相同同。),(),(0101TTETTECDAB 3、补正系数修正法：、补正系数修正法：实际使用时实际使用时：CT00 室室温温nkTTT 1则则指示值指示值 查表（修正系数）查表（修正系数）实际温度实际温度实际冷端温度实际冷端温度（室温）（室温）nT例：用镍铬例：用镍铬-康铜热电偶测得未

31、修正的介质温度为康铜热电偶测得未修正的介质温度为600 ，此时冷端温度此时冷端温度Tn=30，查表得，查表得k=0.78，则实际温度为，则实际温度为 CCCT 4 .6233078. 06004、补偿电桥法：、补偿电桥法：补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压不平衡电压来自动补来自动补偿热电偶因偿热电偶因冷端温度变化冷端温度变化而引起的热电动势变化值。而引起的热电动势变化值。热电偶的冷端与电桥电阻热电偶的冷端与电桥电阻R1、R2、R3、RT处于同一环境温处于同一环境温度中度中，RT是由是由温度系数较大温度系数较大的铜丝绕制而成的的铜丝绕制而成的。设电桥在设电

32、桥在0时处于平衡，时处于平衡，此时，桥路此时，桥路输出电压输出电压Ubd=0，电桥，电桥无补偿作用无补偿作用。假设环境温度升高，热电假设环境温度升高，热电偶的偶的冷端温度也随之升高冷端温度也随之升高，此时，热电偶的热电动势此时，热电偶的热电动势就有所就有所降低降低。由于。由于Rcu与冷与冷端处于同一环境温度中，端处于同一环境温度中，使使Ubd增大增大，对热电势的减，对热电势的减小起到小起到补偿作用补偿作用。bdbdYYY 5EURRR 并并并并并并123123()()cucuRRRRRRRRR 并并215231()cuRRERRRRRRR 并并并并1232135123123123()()()(

33、)() ()()cucucucucuRRRRR RR RER RRRRRRRRRRRR 2135123123()()()cucucuR RR RER RRRRRRRR 2205123123()()()cucucucuR RR RER RRRRRRRR 第三节第三节 晶体管与集成温度传感器晶体管与集成温度传感器利用利用PN结的结的伏安特性与温度有关伏安特性与温度有关这一特性实现对温这一特性实现对温度的检测、控制和补偿等功能。经典的度的检测、控制和补偿等功能。经典的PN结温度传结温度传感器有感器有二极管温度传感器二极管温度传感器、三极管温度传感器三极管温度传感器和和集成集成温度传感器温度传感器。这

34、种传感器的测温范围为这种传感器的测温范围为-50至至150，与其他的温，与其他的温度传感器相比有较好的线性度，且尺寸小、响应快、度传感器相比有较好的线性度，且尺寸小、响应快、灵敏度高、热时间常数小，因此用途较广。灵敏度高、热时间常数小，因此用途较广。一、晶体管温度传感器一、晶体管温度传感器由二极管的伏安特性曲线知，当流由二极管的伏安特性曲线知，当流过二极管的过二极管的电流电流IF恒定恒定时，随着时，随着温温度的升高度的升高，二极管两端的，二极管两端的电压电压近似近似线性地降低线性地降低。温度。温度 T 每升高每升高1，电，电压压VF 降低约降低约2mV。 工作于恒流源情况下的工作于恒流源情况下

35、的Ge、Si二极管温度特性二极管温度特性只要满足正向电压只要满足正向电压UF大于几个大于几个kT/q，其正，其正向电流向电流IF与与UF及温度及温度T之间的关系可表示为：之间的关系可表示为：）（）（）（）（FgogoFFgoFSSFFITqkTqEkTEqkTITqkTIkTETqkTIIqkTIIqkTV ln(lnexp(ln(lnln kTqVIIFSF ln 从上式可见只要通过从上式可见只要通过PN结上的结上的正向电流正向电流IF恒定恒定，则，则PN结结的正向压降的正向压降VF是温度的缓变函数，是温度的缓变函数，在一定电流下在一定电流下，二极，二极管正向电压随温度的升高而降低，呈管正向

36、电压随温度的升高而降低，呈负温度系数负温度系数。只要选择合适的掺杂浓度，就可认为在不太宽的温度范围只要选择合适的掺杂浓度，就可认为在不太宽的温度范围内内近似常数近似常数，因此，正向压降，因此，正向压降VF与温度与温度 T 成成线性关系线性关系。这就是这就是PN结温度传感器的基本原理。结温度传感器的基本原理。 0(lnlnln)gFFEkTVTIqq lnT是温度的缓变函数，其变化对于是温度的缓变函数，其变化对于T的变化来说可以忽略的变化来说可以忽略不计，可近似认为是一个常数。不计，可近似认为是一个常数。二极管作为温度传感器虽然工艺简单，但线性差，为扩大二极管作为温度传感器虽然工艺简单，但线性差

37、，为扩大VF与与T的线性关系范围，可采用的线性关系范围，可采用特性相同的差分对管特性相同的差分对管，如果，如果一个二极管的工作电流为一个二极管的工作电流为IF1，而另一个二极管的工作电流，而另一个二极管的工作电流为为IF2，则两只二极管的电位差为：，则两只二极管的电位差为： 式中式中与温度无关的常数，但与结面积和基区宽度有关；与温度无关的常数，但与结面积和基区宽度有关； 常数，取决于基区中少数载流子迁移率对温度的依赖性，其值一般在常数，取决于基区中少数载流子迁移率对温度的依赖性，其值一般在 35之间；之间； Eg0绝对温度时硅的外推禁带宽度，常取绝对温度时硅的外推禁带宽度，常取1.205eV。

38、式中，式中，Vg0=Eg0/q，如果，如果 Ic 为常数，则为常数，则 VBE 仅仅随温度单调和单值变化随温度单调和单值变化。在恒流工作状态下，在恒流工作状态下，VBE与与T的关系只是的关系只是近似线性近似线性；在宽温度范围和高精；在宽温度范围和高精度测温时，必须进行度测温时，必须进行线性化补偿线性化补偿，常用的方法如，常用的方法如差分对管法差分对管法。 温敏晶体管作为负反馈元件跨接在运算放大器的反温敏晶体管作为负反馈元件跨接在运算放大器的反相输入端和输出端，基极接地。如此连接的目的是相输入端和输出端，基极接地。如此连接的目的是使发射结为正偏。而集电结几乎为零偏。使发射结为正偏。而集电结几乎为

39、零偏。集电极电流集电极电流CCCCRVI 只要只要Vcc不变，则不变，则Ic恒恒定，从而保证三极管定，从而保证三极管工作在恒流状态。工作在恒流状态。式中式中 n Q1和和Q2三极管发射板的面积比；三极管发射板的面积比； k波尔兹曼常数；波尔兹曼常数； T被测温度；被测温度； q电子电荷。电子电荷。集成电路温度传感器的感温元件采用集成电路温度传感器的感温元件采用差分对晶体三极管差分对晶体三极管，它产生与，它产生与绝对温绝对温度成正比的电压和电流度成正比的电压和电流，这部分常称为，这部分常称为PTAT。 集成温度传感器按输出类型可分为集成温度传感器按输出类型可分为模拟输出模拟输出型、数字输出型型、

40、数字输出型和和开关输出型开关输出型。( (一一) ) 模拟输出型温度传感器模拟输出型温度传感器( (二二) ) 数字输出型温度传感器数字输出型温度传感器稳压管稳压管D2钳制了由电源提供的电流电压钳制了由电源提供的电流电压，经可调电阻，经可调电阻R7调节后，保持调节后，保持VP=2.73V。稳压管稳压管D1的作用是使的作用是使AD590在在稳定的工作电压范围下工作稳定的工作电压范围下工作。调节可调。调节可调电阻电阻R3为为10 k，由稳压管，由稳压管D1稳压后，用以保证稳压后，用以保证A点电压。点电压。适当地改变适当地改变R8以及以及R9的电阻值可以改的电阻值可以改变输出变输出电压的放大倍数电压

41、的放大倍数。根据根据AD590特性可知，流过器件特性可知，流过器件的电流与温度关系为：的电流与温度关系为：实验中输出电流是以绝对温度零实验中输出电流是以绝对温度零度度(- 273)为基准。因此，图为基准。因此，图2中中A点的电压值为：点的电压值为：VA=I0R=(273+T)uA10 k（T为被测温度的摄氏表示值）为被测温度的摄氏表示值）输出电压为：输出电压为：美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS1820，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列号，所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS182

42、0的信息，仅需要一根口线（单总线接口）。DS1820引脚及功能引脚及功能 GND：地； VDD：电源电压 I/O：数据输入输出脚DS1820的特性的特性u 采用采用单总线专用技术单总线专用技术，既可通过串行口线，也，既可通过串行口线，也可通过其它可通过其它I/O 口线与微机接口，口线与微机接口，无须经过其它变无须经过其它变换电路换电路，直接输出被测温度值（，直接输出被测温度值（9 位二进制数，含位二进制数，含符号位）符号位）u 测温范围为测温范围为-55125，精度为，精度为0.5；u A/D变换时间为变换时间为200ms；u 用户可以任意设置用户可以任意设置温度上、下限报警值温度上、下限报警

43、值，且能，且能够识别具体报警传感器。够识别具体报警传感器。 温度检测系统原理温度检测系统原理 由于单线数字温度传感器DS1820具有在一条总线上可同时挂接多片的显著特点，可同时测量多点的温度，而且DS1820的连接线可以很长，抗干扰能力强，便于远距离测量，因而得到了广泛应用。 采用寄生电容供电的温度检测系统 89C51DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2TxRx+5VGNDVDDP1.1作输出口用，相当于TxP1.2作输入口用，相当于Rx一、石英晶体温度传感器及测温技术一、石英晶体温度传感器及测温技术工作原理 l 利用石英晶体的固有振荡频率随温度变化的特性，把温度转换成

44、频率。 l谐振频率的温度特性方程： 第四节第四节 其他类型的温度传感器其他类型的温度传感器热辐射测温方法就是基于物体的热辐射测温方法就是基于物体的热辐射能量热辐射能量随其温度的随其温度的变化而变化变化而变化的特的特性来检测其温度的，是一种性来检测其温度的，是一种非接触式非接触式的测温方法。的测温方法。 自然界中的一切物体，只要它的温度自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对温度高于绝对温度(-273)就存在就存在分子和原子分子和原子无规则的运动无规则的运动，其表面就不断地，其表面就不断地发出红外辐射能量发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布物体的红外辐射能量的大小及其按波长

45、的分布与它的与它的表面温表面温度度有着十分密切的关系。有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量红外能量的测量，便能准确地，便能准确地测定测定它的表面温度它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。二、热释电传感器二、热释电传感器 热释电效应热释电效应某些晶体在温度变化时会发生电极某些晶体在温度变化时会发生电极化。加热和冷却时产生的电荷变化相反。其电荷密度化。加热和冷却时产生的电荷变化相反。其电荷密度等于自发极化强度等于自发极化强度PS。 （1）热释电探测器）热释电探测器工作原理工作原理 静态条件静态条件下

46、，即热幅射恒定，测不出下，即热幅射恒定，测不出PS（产生的电荷产生的电荷被中和）被中和） 动态条件动态条件下，热幅射按一定频率变化，能测出下，热幅射按一定频率变化，能测出PS（产产生的电荷来不及被中和）生的电荷来不及被中和） 可见：热释电材料的输出电信号只与材料的可见：热释电材料的输出电信号只与材料的温度变化率有温度变化率有关关，与，与温度本身无关温度本身无关。就是说热释电探测器只能探测到就是说热释电探测器只能探测到运动目标运动目标或或温度不断变化温度不断变化的目标的目标，对静物，则需要对入射辐射进行调制。，对静物，则需要对入射辐射进行调制。温度是人体最紧密的可以控制的变量之一。像所有的调整系统一样，温度是人体最紧密的可以控制的变量之一。像所有的调整系统一样，热控制也是依靠热控制也是依靠负反馈负反馈机制。它必须包括一个机制。它必须包括一个参考量参考量(用来决定用来决定“起起始点始点”)，温度传感元件温度传感元件(皮肤上冷和热的感受器件皮肤上冷和热的感受器件)，激励者激励者(能够产能够产生或者散发热量的组织：肌肉，皮肤，肺等等生或者散发热量的组织：肌肉，皮肤，肺等等)，以及，以及中央控制模块中央控制模块(视丘下部视丘下部)。身体身体(近体内近体内)体温体温测试是一种传统，常规的诊断方法。测试是一种传统，常规的诊断方法。发烧发烧是有毒是有毒物质或者病毒和细菌引起的病影响视丘