热电式热电阻集成温传感器实用教案

1、内容(nirng)回顾4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 热电偶热电偶常用热电偶及其结构常用热电偶及其结构热电偶的测温原理、基本定律及温度热电偶的测温原理、基本定律及温度(wnd)(wnd)补偿补偿热电偶的应用热电偶的应用被测量被测量(cling) (cling) 温度温度( () ) 电阻变化电阻变化( (R)R)、电势变化、磁导率变化、热膨胀变化。电势变化、磁导率变化、热膨胀变化。第1页/共40页第一页，共40页。内容(nirng)回顾1、常用热电偶的分类(fn li)及其结构 1）普通型热电偶 2）铠装热电偶 3）薄膜热电偶2、热电偶的测温原理？ 热电效应：将不同的导体或半导体组成闭

2、合回路。当两个接合点温度T 和 T0不同时，则在该回路中就会产生电动势。),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEABABABAB热电偶回路(hul)产生的电动势两种导体的接触电势单一导体的温差电势第2页/共40页第二页，共40页。内容(nirng)回顾3、热电偶基本定律：（1）均质导体定律：均匀导体（或半导体）组成的闭合(b h)回路不产生热电势；（2）中间导体定律： 接入导体和仪表测量热电势的条件和基础。（3）中间温度定律：参考温度计算修正法的理论依据，为热电势分度奠定理论基础（4）标准电极定律：),(),(00TTETTEABABC),(),(),(00TTETTETT

3、TEnABnABnAB),(),(),(0C0C0TTETTETTEBAAB第3页/共40页第三页，共40页。内容(nirng)回顾4、热电偶冷端补偿： 为什么要进行(jnxng)冷端补偿？ 冷端补偿的方法有哪些？不不稳稳定定(wndng)（1）冰点法）冰点法 （2）补偿导线法）补偿导线法（3）冷端补偿器法）冷端补偿器法（4）热电势修正法）热电势修正法 硬件法、软件法硬件法、软件法（5）采用集成电路）采用集成电路补补偿偿方方法法 热电偶测温原理：只有参比端温度恒定时，回路总热电势EAB(T,T0)才是温度T的单值函数！ 热电偶分度表中，热电势温度的对应值以T00为基础。第4页/共40页第四页，

4、共40页。2）补偿）补偿(bchng)导线法导线法补偿导线补偿导线0100 C AB0ABBQnQC0CP0PAnABnPQn0,ETTETETETETETET TET T， 如果(rgu)B、Q的性质相同，则 ；如果(rgu) A、P 的性质相同，则 ，所以 BQn0ETPA0nET AB0ABAB0ETTETET，内容内容(nirng)回回顾顾冷端温度补偿冷端温度补偿 补偿导线法又称冷端延长补偿导线法又称冷端延长法或延伸热电极法，远移至温法或延伸热电极法，远移至温度变化较平缓的环境中。度变化较平缓的环境中。 材料：热电性质与热电偶材料：热电性质与热电偶相近（相近（01000100 C C）

5、：）：第5页/共40页第五页，共40页。3）冷端补偿）冷端补偿(bchng)器法（补偿器法（补偿(bchng)电桥法）电桥法）不平衡不平衡(pnghng)电桥电桥R4（铜丝（铜丝(tn s)）R1=R2=R=1(锰铜锰铜丝丝(tn s)Rg（限流）（限流）0 C 恒温恒温T0=f (时间时间, 环境环境)内容回顾内容回顾冷端温度补偿冷端温度补偿调整Rg电阻 Uba=E(T0, 0),)0,()0,(),(),(000TETETTEUTTEEba说明：说明：当当T0变化时，由于冷端补偿器变化时，由于冷端补偿器的接入，仪表所指示的总电势的接入，仪表所指示的总电势E仍保仍保持为持为E(T,0)，相当

6、于热电偶冷端自动处于相当于热电偶冷端自动处于0 C。第6页/共40页第六页，共40页。4） 热电势修正热电势修正(xizhng)法法中间温度定律中间温度定律得得方法：测方法：测T0 查表查表EAB(T0, 0)测测EAB(T, T0) 计算计算EAB(T, T0, 0)查表求查表求T。) 0 ,(),() 0 ,(000TETTETTEABABAB),(),(),(00TTETTETTTEnABnABnAB冷端温度冷端温度(wnd)补偿补偿内容内容(nirng)回回顾顾第7页/共40页第七页，共40页。4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 热电偶热电偶4.3 4.3 热电阻热电阻热电阻的测温

7、原理热电阻的测温原理热电阻的种类及特点热电阻的种类及特点热电阻测温电桥热电阻测温电桥4.4 4.4 集成集成(j chn)(j chn)温度传感器温度传感器集成集成(j chn)(j chn)温度传感器基本原理温度传感器基本原理集成集成(j chn)(j chn)温度传感器举例（温度传感器举例（AD590AD590） 第8页/共40页第八页，共40页。4.3 热电阻热电阻测温原理热电阻测温原理原理：利用导体或半导体的电阻值原理：利用导体或半导体的电阻值(z zh)随随温度的变化而改变的性质来测量温度。温度的变化而改变的性质来测量温度。实验证明：实验证明： 多数金属导体在温度升高多数金属导体在温

8、度升高1时，阻值时，阻值(z zh)变化变化 0.4% 0.6%； 多数具有负温度系数的半导体在温度升高多数具有负温度系数的半导体在温度升高1时，阻值时，阻值(z zh)变化变化 3% 6%； 多数导体或半导体电阻值多数导体或半导体电阻值(z zh)随温度变化随温度变化的关系式为：的关系式为：测温范围：测温范围： -200500 01TTRtR第9页/共40页第九页，共40页。1、热电阻的材料、热电阻的材料 电阻温度系数要大：单位电阻温度系数要大：单位1/，定义为：，定义为： 越大越大制成的温度计的灵敏度越高制成的温度计的灵敏度越高测量结果测量结果(ji gu)越准确；越准确； 一般非常数，一

9、般非常数， 不同温度数值不同不同温度数值不同 =f(T) ； 材料越纯材料越纯,越大。越大。 要求有较大的电阻率：因为电阻率越大要求有较大的电阻率：因为电阻率越大电电阻体积越小阻体积越小热容量和热惯性越小热容量和热惯性越小温度变化温度变化的响应越快的响应越快。 在测温范围内，要求物理化学性质稳定。在测温范围内，要求物理化学性质稳定。 复现性好、复制性强、易得到纯净物质。复现性好、复制性强、易得到纯净物质。 电阻值与温度间近似为线性关系，便于测温的电阻值与温度间近似为线性关系，便于测温的分度和读数。分度和读数。 价格低。价格低。综上所述：铂、铜、铁、镍和一些半导体材料比综上所述：铂、铜、铁、镍和

10、一些半导体材料比较适合做热电阻。较适合做热电阻。dTdRRdTRdR1第10页/共40页第十页，共40页。 热电阻按材料分类热电阻按材料分类（1） 铂热电阻铂热电阻特点：精度高、稳定性好、性能可靠、易于提纯、复制特点：精度高、稳定性好、性能可靠、易于提纯、复制(fzh)性好、具有良好的工艺性、可以制成极细的铂丝、性好、具有良好的工艺性、可以制成极细的铂丝、电阻率较高；在电阻率较高；在0C 以上，其电阻与温度的关系接近于直以上，其电阻与温度的关系接近于直线线(其电阻温度系数为其电阻温度系数为3.9103/C )。作用：工业测量，温度的基准、标准仪器。作用：工业测量，温度的基准、标准仪器。ITS-

11、90国际温国际温标规定，在标规定，在13.81K961.78的标准仪器为铂电阻温度计。的标准仪器为铂电阻温度计。缺点：电阻温度系数小；在还原气氛中，特别是在高温下，缺点：电阻温度系数小；在还原气氛中，特别是在高温下，易被污染变脆；价格昂贵。易被污染变脆；价格昂贵。常用铂电阻分度号：常用铂电阻分度号： Pt1000，Pt100和和 Pt10热电阻的种类(zhngli)及特点第11页/共40页第十一页，共40页。铂电阻的阻值与温度铂电阻的阻值与温度(wnd)(wnd)之间的关系之间的关系: :在在0 0850850范围范围(fnwi)(fnwi)内内: :2t01RRAtBt在在 -200 -20

12、000范围范围(fnwi)(fnwi)内内: :32t01100RRAtBtC t 式中，式中， 为温度为为温度为 t t 时的铂电阻的阻值；时的铂电阻的阻值； 为温度为为温度为00时时的铂电阻的阻值；的铂电阻的阻值； A A、B B、C C 均为常数，且均为常数，且 /， /， /。tR0R33.940 10A75.802 10B 124.274 10C 33.940 10 对满足上述关系的热电阻，其温度系数约为 /。由上式可见，电阻值Rt与 t 及R0有关，当R0 值不同时，即使在同样的温度下其Rt 的值也不同。因此作为测量用热电阻必须规定R0值。 热电阻的种类及特点第12页/共40页第十

13、二页，共40页。 铂电阻铂电阻(dinz)(dinz)材料的纯度通常用百度电阻材料的纯度通常用百度电阻(dinz)(dinz)比比 W(100) W(100) 来表示，即来表示，即 1000100RWR 式中式中, , 表示表示(biosh)(biosh)水沸点水沸点 (100) (100) 时的铂电阻的电阻时的铂电阻的电阻值；值； 表示表示(biosh)(biosh)水冰点（水冰点（00）时的铂电阻的电阻值。）时的铂电阻的电阻值。 100R0R 目前目前(mqin)(mqin)技术水平已达到技术水平已达到 W(100) =1.3930 W(100) =1.3930 ，与之相应的铂纯度，与之相

14、应的铂纯度为为 99.9995 % 99.9995 %，工业用铂电阻纯度为，工业用铂电阻纯度为 。1001.387 1.390W热电阻的种类及特点第13页/共40页第十三页，共40页。（2） 铜热电阻铜热电阻优点：线性度好，电阻温度系数大、价格低、精度优点：线性度好，电阻温度系数大、价格低、精度(jn d)适中；适中；缺点：机械强度较差，热惯性大，缺点：机械强度较差，热惯性大， 100时，易被时，易被氧化；氧化；测温范围：测温范围：-50+150。常用铜电阻分度号：常用铜电阻分度号：Cu100和和Cu50铜电阻的电阻温度(wnd)特性方程为：23t01RRAtBtCt由于(yuy)B、C 比

15、A 小得多，所以可以简化为：t01RRAt34.28 10A式中， 为常数。热电阻的种类及特点第14页/共40页第十四页，共40页。 001ttRtR热电阻名称热电阻名称分度号分度号0时阻值时阻值()测温范围（测温范围（）特点特点铜电阻铜电阻Cu50500.05-50150线性好，价格低，线性好，价格低，适用于无腐蚀性介适用于无腐蚀性介质质Cu1001000.1铂电阻铂电阻Pt50500.003-200850精度高，价格贵，精度高，价格贵，适用于中性和氧化适用于中性和氧化性介质，但线性度性介质，但线性度差差Pt1001000.006第15页/共40页第十五页，共40页。热电阻的种类(zhngl

16、i)及特点第16页/共40页第十六页，共40页。热电阻的种类(zhngli)及特点（3 3）其他）其他(qt)(qt)类型热电阻类型热电阻 上述两种热电阻对于低温和超低温测量性能不理想，而铟、锰、碳上述两种热电阻对于低温和超低温测量性能不理想，而铟、锰、碳等热电阻材料却是测量低温和超低温的理想材料。等热电阻材料却是测量低温和超低温的理想材料。 铟电阻用铟电阻用 99.999 99.999 高纯度的铟丝绕成电阻，可在室温至高纯度的铟丝绕成电阻，可在室温至 4.2K 4.2K 温温度范围内使用。实验证明：在度范围内使用。实验证明：在 4.215K 4.215K 温度范围内，灵敏度比铂电阻高温度范围

17、内，灵敏度比铂电阻高1010倍；缺点倍；缺点(qudin)(qudin)是材料软，复制性差。锰电阻测温范围为是材料软，复制性差。锰电阻测温范围为 263K 263K，电阻随温度变化大、灵敏度高。但材料脆，难拉成丝。碳电阻适合用液氦电阻随温度变化大、灵敏度高。但材料脆，难拉成丝。碳电阻适合用液氦温域的温度测量，价廉，对磁场不敏感，热稳定性较差。温域的温度测量，价廉，对磁场不敏感，热稳定性较差。 另外，常用一定比例的锰、镍、铜、钛、镁的另外，常用一定比例的锰、镍、铜、钛、镁的氧化物氧化物混合制成混合制成半导体热电阻半导体热电阻热敏电阻热敏电阻。第17页/共40页第十七页，共40页。2、 热电阻的结

18、构热电阻的结构(jigu)类型类型（1） 普通型热电阻普通型热电阻感温元件感温元件(yunjin)保护保护(boh)套套管管接线盒接线盒与热电偶与热电偶类似类似热电阻的种类及特点第18页/共40页第十八页，共40页。（2） 铂热电阻铂热电阻玻璃玻璃(b l)烧结式烧结式陶瓷陶瓷(toc)架式架式云母云母(ynm)管架式管架式昂贵昂贵双线双线无感无感绕制绕制热电阻的种类及特点第19页/共40页第十九页，共40页。（3） 铠装铠装(ki zhun)热电阻热电阻力学力学(l xu)(l xu)性好性好热电阻热电阻+ +保护保护(boh)(boh)套管套管+ +绝缘材料绝缘材料封装封装热电阻的种类及特

19、点 它比装配式铂电阻直径小，易弯曲，适宜安装在管道狭窄和它比装配式铂电阻直径小，易弯曲，适宜安装在管道狭窄和要求快速反应、微型化等特殊场合。要求快速反应、微型化等特殊场合。 第20页/共40页第二十页，共40页。（4） 薄膜热电阻薄膜热电阻陶瓷陶瓷(toc)(toc)铂铂真空镀真空镀膜法膜法热惯性热惯性(gunxng)小！小！厚膜厚膜7m7m薄膜薄膜2m2m热电阻的种类(zhngli)及特点优点：体积细小 ，响应时间快 ，一致性好 ，机械性能好抗震、抗振动 ，精度高 ，价格便宜 等。第21页/共40页第二十一页，共40页。热电阻的种类(zhngli)及特点3、 半导体热敏电阻半导体热敏电阻半导

20、体热电阻半导体热电阻热敏热敏电阻。电阻。材料：常用一定比例的材料：常用一定比例的锰、镍、铜、钛、镁的锰、镍、铜、钛、镁的氧化物混合制成。氧化物混合制成。 负温度负温度(wnd)系数系数NTC 正温度正温度(wnd)系数系数PTC 临界温度临界温度(wnd)系数系数CTR测温特点：测温特点：近似近似(jn s)线线性关系性关系变化剧烈变化剧烈变化剧烈变化剧烈第22页/共40页第二十二页，共40页。(1) 半导体热敏电阻半导体热敏电阻(r mn din z)的形状的形状 片状、柱状和珠状片状、柱状和珠状热电阻的种类(zhngli)及特点第23页/共40页第二十三页，共40页。(2) 半导体热敏电阻

21、实物半导体热敏电阻实物(shw)照片照片应用范围应用范围(fnwi)：适用于大功率：适用于大功率的转换电源、开关电源、的转换电源、开关电源、UPS电电源及各类大功率照明灯具、电加源及各类大功率照明灯具、电加热器的浪涌电流抑制。热器的浪涌电流抑制。MF74超大功率型超大功率型NTC热敏电阻热敏电阻(r mn din z)器器应用范围：应用范围：广泛应用于空调设备、暖气广泛应用于空调设备、暖气设备、电子体温计、液位传感、汽车、设备、电子体温计、液位传感、汽车、电子台历、手机电池。电子台历、手机电池。MF52珠状测温型珠状测温型NTC热敏电阻器热敏电阻器 热电阻的种类及特点第24页/共40页第二十四

22、页，共40页。应用范围：半导体集成电路、液晶显示、应用范围：半导体集成电路、液晶显示、晶体管及移动通讯设备用石英晶体管及移动通讯设备用石英(shyng)振荡器的温度补偿、可充电电池的温度振荡器的温度补偿、可充电电池的温度探测、计算机微处理器的温度探测、需探测、计算机微处理器的温度探测、需温度补偿的各种电路。温度补偿的各种电路。 CMF贴片式贴片式NTC热敏电阻热敏电阻(r mn din z)器器应用范围：电脑应用范围：电脑(dinno)、打印机、打印机、家用电器等。家用电器等。 MF55系列绝缘薄膜型系列绝缘薄膜型NTC热敏电阻器热敏电阻器热电阻的种类及特点第25页/共40页第二十五页，共40

23、页。(3) 热敏电阻的特点热敏电阻的特点测温范围：测温范围：-100300优点：优点： 电阻温度系数大，灵敏度高，约为电阻温度系数大，灵敏度高，约为 电阻率大，利于小型化，连接导线的影响可以忽略；电阻率大，利于小型化，连接导线的影响可以忽略； 结构简单、体积小，可以用于测量点温度；结构简单、体积小，可以用于测量点温度； 热惯性小，适用于表面温度及快速热惯性小，适用于表面温度及快速(kui s)变化温变化温度。度。不足：热敏电阻温度特性分散、互换性差、非线性严重。不足：热敏电阻温度特性分散、互换性差、非线性严重。 进一步的发展依赖于半导体技术的发展和制造工艺进一步的发展依赖于半导体技术的发展和制

24、造工艺水平的提高。水平的提高。热电阻的种类(zhngli)及特点)/1 (10)63(2C第26页/共40页第二十六页，共40页。热电阻测温电桥热电阻测温电桥说明：为了消除金属说明：为了消除金属(jnsh)热电阻（几欧热电阻（几欧几十欧范围）中的引线电阻和连接导线电阻几十欧范围）中的引线电阻和连接导线电阻受温度变化而改变其阻值大小，从而影响热受温度变化而改变其阻值大小，从而影响热电阻测温。电阻测温。测温电桥测温电桥两线制、三线制、四线制接法。两线制、三线制、四线制接法。热电阻测温电桥(din qio)第27页/共40页第二十七页，共40页。不平衡不平衡(pnghng)电桥电桥tltracRRR

25、rrRR2)(2RlRl热电阻测温电桥(din qio)工业用常用线路工业用常用线路 两线制两线制特点：特点： 接入一个桥臂；接入一个桥臂； 引线引线(ynxin)与连接导线随环境温度变化与连接导线随环境温度变化全部加全部加 入到热电阻的变化之中；入到热电阻的变化之中； 简单，仍有应用；简单，仍有应用； 引出线的电阻值特性：铜：引出线的电阻值特性：铜：=0.2(R0)； 铂铂: = 0.1(R0) 。Rt：热电阻；：热电阻； r：引线：引线(ynxin)； r：连：连接导线；接导线； Rr：调整电阻：调整电阻第28页/共40页第二十八页，共40页。 三线制三线制方法：方法： 热电阻有三个引线；

26、热电阻有三个引线； 其中两根其中两根+连接导线的电阻分别加连接导线的电阻分别加到电桥相临两桥臂中；到电桥相临两桥臂中； 第三根接到电源线上；第三根接到电源线上； 电源与电桥的连接点电源与电桥的连接点a从仪表内从仪表内部部(nib)的桥路上移到热电阻附的桥路上移到热电阻附近。近。效果：引线与连接导线电阻变化影效果：引线与连接导线电阻变化影响减小。响减小。rtacRrrRRradRrrRR1RlRlRl热电阻测温电桥(din qio)第29页/共40页第二十九页，共40页。4.4 集成(j chn)温度传感器 集成电路温度传感器是将作为感温器件的温敏晶体管及其外围电集成电路温度传感器是将作为感温器

27、件的温敏晶体管及其外围电路集成在同一芯片上的集成化温度传感器（路集成在同一芯片上的集成化温度传感器（integrated temperature integrated temperature sensorsensor）。）。 优点：是测温精度高、复现性好、线性优良、体积小、热容量小、优点：是测温精度高、复现性好、线性优良、体积小、热容量小、稳定性好、输出电信号大、使用方便和成本低廉等。稳定性好、输出电信号大、使用方便和成本低廉等。 缺点：是测量范围仅为缺点：是测量范围仅为 -80 150 -80 150。 因此因此(ync)(ync)，在最近十年内集成电路温度传感器得到了迅速发展，在最近十年内集成电路温度传感器得到了迅速发展，成为半导体温度传感器的主要发展方向之一。目前，商品化的集成电成为半导体温度传感器的主要发展方向之一。目前，商品化的集成电路温度传感器已经广泛用于温度检测、控制、补偿等场合。路温度传感器已经广泛用于温度检测、控制、补偿等场合。 4.4 4.4 集成集成(j chn)(j chn)温温度传感器度传感器第30页/共40页第三十页，共40页。4.4 集成(j chn)温度传感器第31页/共40页第三十一页，共40页。4.4 集成(j chn)温度传感器第32页/共40