第3章 热电式传感器

第三章热电式传感器热电式传感器分接触式和非接触式两种：非接触式是测量物体热辐射发出的红外线而测物体的温度。接触式是温度传感器直接与被测物体接触测量。1本章内容：3.1

热电偶3.2热电阻3.3热敏电阻3.4PN结温度传感器3.5

热释电红外传感器

3.6热电式传感器应用23.1

热电偶特点：精度高、性能稳定；结构简单、易制作;互换性好；适于远传和多点切换；测温范围广－200～2000℃；6.多样型式，适应各种条件。

。3常用热电偶的结构

热电偶由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。12341－接线盒；2－保险套管3―绝缘套管4―热电偶丝43.1.1热电偶的工作原理热电势是由接触电势和温差电势共同作用的结果。TT0AB参考端（冷端）工作端（热端）当两种不同导体被连接成一闭合回路时,若两节点处的温度不同，则在两导体间就会产生热电势，回路中就会产生电流。这种现象为热电效应。两种导体的组合为热电偶。51.接触电势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=1.6×10-19C；

k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——导体A、B在温度为T时的电子密度。

当两种不同导体接触时，在接触面处发生电子扩散，形成接触电位差，电位差的大小与两种材料和接点的温度有关AB+++++++－eAB(T)6AeA(T,To)ToTσA——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σ=2μV/℃。eA(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；2.温差电势温差电势原理图∑

一根均质导体，若两端温度不同，则在两端会产生电动势。称为导体的温差电动势（称为汤姆逊电动势）。BTTo7由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：3.回路总电势NAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度；NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；σA

、σB——导体A和B的汤姆逊系数。T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB8总的热电势EAB（T、T0）可简化为EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=f(T)-C=g(T)通常温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。9结论：1.若热电偶两电极材料相同，即使两端温度T≠T0，总的热电势为零。2.若热电偶两端温度T=T0，则总的热电势为零。3.热电势的大小与材料和接点温度有关，与热电偶的尺寸，形状及端电极温度分布无关。104.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。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数。EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=f(T)-C=g(T)TT0ABEAB(T,T0)=EAB(T)＋EBA

(T0)5.热电偶总的热电势等于热电偶每个节点热电势的代数和。EAB(T,T0)=EAB(T)－EAB

(T0)11

由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。

3.1.2.热电偶的基本定律1.均质导体定律TT0AB122.中间导体定律在热电偶回路中引入第三种材料导体时，只要两端的温度T≠T0，热电偶回路中总热电势不变。ATBCCT013若T=T0则证明：ATBCCT014电位计接入热电偶回路

根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势.ATB

电位计CCT0153.中间温度定律

在热电偶回路中，若热电偶的中间温度发生变化只要两端温度T≠T0，热电偶总端电势依然不会因为中间温度的变化而改变。AB电位计T0T1T16二式相加证明：17T0TEAB(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)CB（4)标准电极定律若两种导体分别与第三种金属组成热电偶的热电势已知，则由这两种导体组成的热电偶的热电势也就可知。导体C称为标准电极（一般用铂制成）推导：18两式相减得：若一个热电偶由A、B、C三种导体组成，且回路中三个接点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即：

T0TBAT0TACT0TCB19或

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）-EBC（T,T0）20解：由标准电极定律，镍铬和考铜热电偶的热电动势应等于镍铬合金与纯铂热电偶与考铜与纯铂热电偶的热电动势的差，即例1热端为100℃、冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV213.1.3热电偶的常用材料（1）．铂—铂铑热电偶(S型)

分度号LB—3正极：铂铑合金丝,用90％铂和10％铑(重量比)冶炼而成。负极：铂丝。测量温度：长期：1300℃、短期：1600℃（2）．镍铬—镍硅(镍铝)热电偶(K型)分度号EU—2正极：镍铬合金(用88.4～89.7％镍、9～10％铬，0.6％硅，0.3％锰，0.4～0.7％钴冶炼而成)。负极：镍硅合金(用95.7～97％镍,2～3％硅,0.4～0.7％钴冶炼而成)。测量温度：长期1000℃，短期1300℃。（3）．镍铬—考铜热电偶(E型)

分度号为EA—2正极：镍铬合金负极：考铜合金（用56％铜，44％镍冶炼而成）。测量温度：长期600℃，短期800℃。（4）．铂铑30—铂铑6热电偶(B型)

分度号为LL—2正极：铂铑合金（用70％铂，30％铑冶炼而成）。负极：铂铑合金（用94％铂，6％铑冶炼而成）。测量温度：长期可到1600℃，短期可达1800℃。221.冰点槽法

把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。mVABA’B’TCC’仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液3.1.4冷端处理及补偿T0232.补偿导线法补偿导线是根据中间温度定律而实现温度检测的。当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A′、B′即引入所谓补偿导线。

ABTT1T1A’B’T0T0利用补偿导线，可将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所。EEAA΄(T1)=EBB΄(T1)=0，则回路总电动势为只要T、T0不变，接入AˊBˊ后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理（依据中间温度定律为补偿导线法提供了理论依据）EAB(T,T0)=EAB(T)－EAB

(T0)24例2采用镍铬-镍硅热电偶测量炉温。热端温度为800℃，冷端温度为50℃。为了进行炉温的调节与显示，必须将热电偶产生的热电动势信号送到仪表室，仪表室的环境温度恒为20℃。首先由镍铬-镍硅热电偶分度表查出它在冷端温度为0℃，热端温度分别为800℃、50℃、20℃时的热电动势：E(800，0)＝33.277mV；E(50，0)＝2.022mV；E(20，0)=0.798mV。25(1)冷端温度为50℃热电偶与仪表之间直接用铜导线连接，根据中间导体定律，输入仪表的热电动势为：根据E(800，50)=E(800，0)-E(50，0)

=(33.277-2.022)mV

=31.255mV查分度表知，对应31.255mV的温度是751℃。与炉内真实温度相差49℃。EAB(T,T0)=EAB(T)－EAB

(T0)则：26(2)冷端温度为20℃如果在热电偶与仪表之间用补偿导线连接，相当于将热电极延伸到仪表室，输入仪表的热电动势为E(800，20)=E(800，0)-E(20，0)

=(33.277-0.798)mV

=32.479mV查分度表知，对应32.479mV的温度是781℃，与炉内真实温度相差19℃。结论：冷端温度越接近0℃，所测的温度误差越小。27若冷端温度恒定，但并非0℃，要使测出的热电动势只反映热端的实际温度，则必须对温度进行修正。修正公式如下：3.计算修正法28例3用镍铬-镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的热电动势为2.436mV。再用温度计测出环境温度为30℃(且恒定)，求池水的真实温度。解：由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E(30，0)=1.203mVE(T，0)=E(T，30)+E(30，0)=2.436mV+1.203mV=3.639mV所以：查分度表知其对应的实际温度为T=88℃。即池水的真实温度是88℃。注意:既不能只按2.436mV查表，认为T=60℃，也不能把60℃加上30℃，认为T=90℃。294.冷端电路补偿法

热敏电阻电位补偿法V+RtR1R2TT0Vo=Va+VABaABTRtUa热敏电阻补偿法温敏电阻选正的温度系数30T0EAB(T,T0)U=EAB（T，T0）+UbaTRCaUba在0℃下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3R温敏电阻选负的温度系数315.显示仪表零位调整法当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端温度不是0℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所），可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值。ABT1T2T2A’B’T0T0E326.软件处理法对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。333.1.4热电偶的测量电路1.单点测量电路2.两点间温差测量电路ATBCCT0ACAT2T1mVBBDmVT0T0343.串联测量电路ACDT1T2mVT1T2mVT3BABBBBAAACDT04.并联测量电路35热电偶接线端子tt1

二次仪表t0补偿导线补偿导线0℃＋＋T0变成了中间温度，0℃

补偿不起作用热电偶接线端子tt1

二次仪表t0补偿导线普通导线0℃＋＋冰水0℃补偿，中间温度定律363.2热电阻3.2.1工作原理 热电阻采用金属材料是铜和铂。金属中的原子是由原子核和自由电子组成，自由电子可在晶格中自由运动。当有电场存在时，自由电子在电场作用下定向运动便形成电流。

当金属温度升高时，核热运动加强，自由电子与其碰撞的机会增多，形成电子波散射，阻碍了电子的定向运动，金属的导电能力降低，电阻增加。金属导体具有正的温度特性373.2.2热电阻数学的表达式电阻值与温度之间有良好的线性关系。铂电阻在0―630℃范围内可用下式表示 Rt＝R0（1+At+Bt2） 在－190――0℃范围内为: Rt＝R0（1+At+Bt2+Ct3）式中，R0、Rt分别为0℃及t℃时铂电阻的电阻值，A、B、C为常数：A＝3.9684×10-3/℃B=-5.847×10-7/℃C=－4.22×10-12/℃。38铜电阻铜电阻在－50―150℃的温度范围内的关系式为

Rt＝R0（1+αt）

温度系数α＝4.28899×10-3/℃

铜电阻与铂电阻相比，铜电阻的线性好、便宜，缺点是在100℃以上易氧化,铂电阻在高温下特性好、稳定，但价格高。铟电阻测温范围为－269―-258℃锰电阻测温范围为－271―-210℃碳电阻测温范围为－273―-268℃

393.3热敏电阻热敏电阻是采用金属氧化物分为正温度系数热敏电阻PTC(PositiveTemperatureCoefficientThermistor)负温度系数温敏电阻NTC(NegativeTemperatureCoefficientThermistor)，40

3.3.1热敏电阻的工作原理

1.PTC热敏电阻

PTC热敏电阻采用钛酸钡材料（BaTiO3），常温下电阻率在106Ω.M以上，为绝缘体。当掺入微量（约0.1—0.3％）的稀土类金属氧化物，高温烧结后，电阻率为0.1――10Ωn型半导体。它在某一温度Tc（居里点）附近，电阻率从负温度系数转变为正温度系数，且电阻率急剧增大103－107倍。具有正温度系数.表达式为RT、RT0分别为T、T0时热敏电阻阻值。Bp为材料常数。温度升高阻值升高为正温度系数412.NTC热敏电阻

NTC热敏电阻采用的是半导体金属氧化物材料。具有p型半导体的特性.对于一般半导体材料，电阻率随温度的变化主要依赖于载流子浓度。迁移率随温度的变化可以相对忽略。但对金属氧化物则不同,电离能很小，在室温范围内基本上电离，即载流子浓度基本上于温度无关。迁移率随温度的变化可以相对不能忽略。电阻随温度的变化表达式为Bn为NTC热敏电阻的材料常数.温度升高阻值下降为负温度系数温度

上升迁移率随着增加导电能力增强42

3.3.2热敏电阻的温度特性

如果纵坐标用RT/R25表示，横坐标用T表示，PTC，NTC热敏电阻温度特性曲线都通过（25oC、1）这一点。RT/R25To(25,1)Tc12543

3.3.3热敏电阻的主要参数

1.标称电阻值R25（Ω） 标称电阻是热敏电阻25oC时的阻值。如果环境温度不是25oC，而在25－27oC，则按下式计算：R25、Rt分别是温度为25oC、toC时的热敏电阻值；α25为25oC时电阻的温度系数。442.电阻温度系数αt 单位温度变化下（指在规定的温度）热敏电阻值的相对变化率，其表达式

例如：25oCR2550oCR503.时间常数τ(S)

表示热敏电阻加热或冷却的响应速度，其表达式为热容量C与耗散系数之比即τ＝C/H。455.最高工作温度

热敏电阻在规定的技术条件下，长期工作所允许的温度为热敏电阻最高工作温度。其表达式 Tm＝T0+（PE/H） PE表示环境温度为T0时的额定功率。 PE/H热敏电阻耗散的功率引起的温度变化

PE是关键参数4.耗散系数H（mw/℃）耗散系数表示温度变化1℃时，热敏电阻耗散的功率。463.3.4测量电路热敏电阻测量电路最常用的是电桥电路实际使用，热电阻测温点与二次仪表要有相当一段距离。用导线连接，导线电阻与热电阻串连，相当于增加了热电阻的电阻值，会引起较大的测量误差。47

当现场待测温度距离仪表较远时，连接导线较长，其导线电阻Rx大。在线短、0℃时电桥已平衡，但接长导线后，同样是0℃，由于增加了两个导线电阻Rx，电桥不却平衡了，a点电位低于c点，电表有高于0℃的假指示（相当于系统误差）。

接线电阻2Rx＝0.5Ω，零点将漂移多少？48例1.Cu50热电阻，α＝4.28×10－3/℃，Rt0＝50Ω

接线电阻2Rx＝0.5Ω,

求该热电阻测量0℃时，显示仪表的指示值偏差多少？解：49热电阻实际值：热电阻桥臂电阻值：由：得指示值：在100℃时可见，偏差2.34℃一直存在。如果连接线的电阻增为1Ω，则偏差为4.67℃连接导线长度变，偏差也跟着变。50mVRtR1R3R2RnVrr三线制可以消除导线电阻引起的测量误差由于测点的远近、导线长短、线径等的随机性，2Rx是不确定的，因此不能在显示表内进行补偿。想办法在外电路进行补偿。51

在Rt增加了2Rx的同时，R2也跟着增加了2Rx，不论导线多长，电桥都能平衡。从二次仪表引出4根线，也称4线制。523.3.5．线性化P133

原理：平均选点法0TRTTc-Tb=Tb-TaTaTbTcRbRaRcTa、Tb、Tc对应的是Ra、Rb、Rc若线性Ra-Rb=Rb-Rc若非线性Ra-Rb≠

Rb-Rc要使上式相等，可选用一个固定的电阻R与RT并联53R=？RRTRTRT0RaRbRcT543.4PN结温度传感器

3.4.1温敏二极管的工作原理 温敏二极管是利用二极管正向压降与温度的关系实现温－电转换。对于一个理想的p－n结，正向电流表达式为：

若考虑n+P结则55将上式可改写为式中B为表示与温度无关的因素，Tr为与温度有关项。3.4.2温敏三极管

在前面分析中只考虑二极管的扩散电流，忽略了空间电荷区的复合电流成分和表面复合电流成分，这两种电流也与温度有关，因此温敏二极管电压与T之间是偏离理想情况的。而温敏三极管将克服这两种电流的影响，这两个电流成分作为基极电流漏掉，温敏三极管的温度特性只考虑集电极电流与温度之间的关系。在一定电流下，二极管正向电压随温度的升高而降低，呈负温度系数。56

1。温敏三极管的线性化

利用Ic电流的变化，实现线性化，电路不好调整,通常利用温敏差分对管线性化 利用两只结构和性能晶体管的Vbe之差△Vbe与温度之间关系实现线性化57

I0I1I1I1I1I0T1T3T2T4mR583.4.3集成温度传感器1.电流型集成温度传感器（AD590）T1，T3发射区面积是T6二倍，T9发射区是T10，T118倍，T1和T3发射区相等，Ic1＝Ic3，Ib1＋Ib3通过T6流向T7，并不加入Ic1，Ic3，T1和T3的集电极电流相等.T6的集电极电流为T3集电极的电流为1/2.因此流入T7的电流为I1/2，T8，T7的发射面积相同.I0I1I1I1I1I0T1T9T3T112R82T6T8T10T759T8的电流也为I1/2，T10集电极电流为I1，另外，T7和T8处于平衡状态，T7、T8的基极电流也不会改变左右两支电流的对称性。由于Ic1＝Ic3，所以Ic9＝Ic11,,.T9的发射区面积为T11的8倍:

总电流

I0I1I1I1I1I0T1T9T3T112R682T6T8T10T760

若取R6＝538欧姆，则I0/T＝1uA/K，绝对温度每升高1K，总电流变化1uA，实现温度测量。GNDV0Vcc61

2.电压型集成温度传感器

T1T2T3发射区面积相等，I1＝I2=I3I1I2I1I1I3T1T5T2T4γR1V0R2T3+1.基本原理62PTATV-V+V+V－电压型集成温度传感器其线路由基准电压、温度传感器和运算放大器组成。温度传感器是核心电路，输出电压与温度成正比。若将图中的输入与输出短接，电压跟随器起缓冲作用，输出为10mV/K·T，即是PTAT的输出值。OUTOUTININ633.数字式集成温度传感器.

DS18B20采用DALLAS公司独特的单线总线技术，通过串行通信接口（I/O）直接输出被测温度值.适配各种单片机或系统机。64为了保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，用一个MOS管和89C51的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。 DS18B20的应用65多片DS18B20与单片机的接线DS18B20与单片机通信分三步完成:系统通过反复操作，搜索DS1820的序列号启动在线DS1820做温度变换.读出在线DS1820变换后的温度数据，从而实现温度测量。663.5热释电红外传感器3.7.1热释电效应 对于某些极化晶体，随着温度变化时，引起表面极化值变化的现象，称为热释电效应，这些晶体称为热释电晶体（铁电体），例如BaTiO3等。。任何物体，只要它的温度高于绝对零度，就会有红外线向周围空间辐射，利用某些材料的热释电效应来探测红外线辐射能量的器件为热释电红外传感器67

3．7．2热释电效应的表达式当红外线照射到已极化的铁电晶体薄片上时，引起薄片的温度升高。表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，释放的电荷可用放大器转变成输出电压。如果红外辐射继续，薄片的温度升高到新的平衡值，表面电荷达到新的平衡浓度，不再释放电荷，也无输出信号，即在稳