内大传感器与检测技术讲义第7章热电式传感器

第7章热电式传感器热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。它利用传感元件的电磁参数随温度变化的特征来达到测量的目的。通常将被测温度转换为敏感元件的电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可由电压、电流这些电参数的变化来表达所测温度的变化。将温度转换为电势大小的热电式传感器叫做热电偶，将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。目前这两种热电式传感器在工业生产中得到了广泛应用。7.1热电偶热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳定性及复现性，温度测量范围宽，在温度测量中占有重要的地位。1．热电效应两种不同的金属A和B构成如图7-1所示的闭合回路，如果将它们的两个接点中的一个进行加热，使其温度为T，而另一点置于室温T0中，则在回路中会产生热电势，用来表示，这一现象称为热电效应。通常把两种不同金属的这种组合叫做热电偶，A、B叫做热电极，温度高的接点叫做热端或工作端，而温度低的接点叫做冷端或自由端。图7-1热电效应原理图由理论分析知道，热电效应产生的热电式是由接触电势和温差电势两部分组成。 1）接触电势接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。如图7-2所示，两种不同金属A和B接触时，在接触处便发生电子的扩散。若金属图7-2接触电动势A的自由电子浓度大于金属B的自由电子浓度，则在同一瞬间由金属A扩散到金属B中去的电子将比由金属B扩散到A中去的电子多，因而金属A因失去电子而带正电，金属B因得到电子而带负电。由于正、负电荷的存在，在接触处便产生电场。该电场将阻碍扩散作用的进一步发生，同时引起反方向的电子转移。扩散和反扩散形成矛盾运动。上述过程的发展，直到扩散作用和阻碍其扩散的作用的效果相同时，也即由金属A扩散到金属B的自由电子与金属B扩散到金属A的自由电子（形成漂移电流）相等时，该过程便处于动态平衡。在这种动态平衡状态下，A和B两金属之间便产生一定的接触电势，该接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。两接点的接触电势eAB（T图7-2接触电动势 （7-1）式中，k为玻耳兹曼常数（k=1.38×1023J/K）；T为接触面的绝对温度；e为单位电荷量（e=1.6×10C）；NA为金属电极A的自由电子密度；NB为金属电极B的自由电子密度。 2）温差电势温差电势（又称汤姆逊电势）是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，因此，在导体两端便形成温差电势，其大小由下面公式给出： （7-2）式中，为汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。综上所述，在由两种不同金属组成的闭合回路中，当两端点的温度不同时，回路中产生的热电势等于上述电位差的代数和，如图7-3所示。图7-3热电偶回路的总热电势 （7-3）式中，、分别为温度T和下的接触电势；、为A和B的温差电势。当热电极A和B为同一种材料时，，，则。若热电偶两端处于同一温度下，即T=T0，则。所以热电势存在必须具备两个条件：一是两种不同的金属材料组成热电偶；二是它的两端存在温差。在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，热电偶的热电势可表示为 （7-4）对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定时，=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即 （7-5）因此就可以用测量到的热电势来得到对应的温度值T，热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料，以及冷热端的温度有关，与导体的粗细、长短及两导体接触面积无关。实际应用中，热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0℃时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系，表7-1至表7-4是几种常见热电偶的分度表。表7-1S型（铂铑10-铂）热电偶分度表测量端温度/℃0102030405060708090热电动势/mV00.0000.0550.1130.1730.2350.2990.3650.4320.5020.5731000.6450.7190.7950.8720.9501.0291.1091.1901.2731.3562001.4401.5251.6111.6981.7851.8731.9622.0512.1412.2323002.2322.4142.5062.5992.6922.7862.8802.9743.0693.1644003.2603.3563.4523.5493.6453.7433.8403.9384.0364.1355004.2344.3334.4324.5324.6324.7324.8324.9335.0345.1366005.2375.3395.4425.5445.6485.7515.8555.9606.0646.1697006.2746.3806.4866.5926.6996.8056.9137.0207.1287.2368007.3457.4547.5637.6727.7827.8928.0038.1148.2258.3369008.4488.5608.6738.7868.8999.0129.1269.2409.3559.47010009.5859.7009.8169.93210.04810.16510.28210.40010.51710.635110010.75410.87210.99111.11011.22911.34811.46711.58711.70711.827120011.94712.06712.18812.30812.42912.55012.67112.79212.91313.034130013.15513.27613.39713.51913.64013.76113.88314.00414.12514.247140014.36814.48914.61014.73114.85214.97315.09415.21515.33615.456150015.57615.69715.81715.93716.05716.17616.29616.41516.53416.653160016.77116.89017.00817.12517.24517.36017.47717.59417.71117.826表7-2B型（铂铑30-铂铑6）热电偶分度表测量端温度/℃0102030405060708090热电动势/mV00.0000.0020.0030.0020.0000.0020.0060.0110.0170.0251000.0330.0430.0530.0650.0780.0920.1070.1230.1400.1592000.1780.1990.2200.2430.2660.2910.3170.3440.3720.4013000.4310.4620.4940.5270.5610.5960.6320.6690.7070.7464000.7860.8270.8700.9130.9571.0021.0481.0951.1431.1925001.2411.2921.3441.3971.4501.5051.5601.6171.6741.7326001.7911.8511.9121.9742.0362.1002.1642.2302.2962.3637002.4302.4992.5692.6392.7102.7822.8552.9283.0033.0788003.1543.2313.3083.3873.4663.5463.6263.7083.7903.8739003.9574.0414.1264.2124.2984.3684.4744.5624.6524.74210004.8334.9245.0165.1095.2025.2975.3915.4875.5835.68011005.7775.8755.9736.0736.1726.2736.3746.4756.5776.68012006.7836.8876.9917.0967.2027.3087.4147.5217.6287.73613007.8457.9538.0638.1728.2838.3938.5048.6168.7278.83914008.9529.0659.1789.2919.4059.5199.6349.7489.8639.979150010.09410.21010.32510.44110.55810.67410.79010.90711.02411.141160011.25711.37411.49111.60811.72511.84211.95912.07612.19312.310170012.42612.54312.65912.77612.89213.00813.12413.23913.35413.470180013.585表7-3K型（镍铬—镍硅）热电偶分度表测量端温度/℃0102030405060708090热电动势/mV00.0000.3920.7771.1561.5271.8892.2432.5862.9203.242+00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.3732008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.62932.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.51938.91539.31039.70340.09640.48840.897100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.36547.72648.09548.462120048.82849.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.398表7-4E型（镍铬—铜镍）热电偶分度表测量端温度/℃0102030405060708090热电动势/mV00.0000.581101511.709202542.7873.3063.8114.3014.777+00.0000.5911.1921.8012.4193.0473.6834.3294.9835.6461006.3196.9967.6338.3779.0789.78710.50111.22211.94912.68120013.41914.16114.90915.66116.41717.17817.94218.71019.48120.25630021.03321.81422.59723.38324.17124.96125.75426.54927.34528.14340028.94329.74430.54631.35032.15532.96033.76734.57435.38236.19050036.99937.80838.61739.42640.23641.04541.85342.66243.47044.27860045.08545.89146.69747.50248.30649.10949.91150.71351.51352.31270053.11053.90754.70355.49856.29157.08357.87358.66359.45160.27380061.0222．热电偶基本定律 用热电偶测温，还要掌握热电偶基本定律。下面引述几个常用的热电偶定律。1）中间导体定律利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间导体定律说明，在热电偶测温回路内，接入第3种导体，只要其两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。接入第3种导体回路如图7-4所示。由于温差电势可忽略不计，则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和，即 （7-6）当T=T0时，有 （7-7）将式（7-7）代入式（7-6）得 （7-8）同理，加入第4种、第5种导体后，只要加入的导体两端温度相等，同样不影响回路中的总热电势。但是，如果接入第3种材料的两端温度不等，热电偶回路的总热电势将会发生变化，其变化大小取决于材料的性质和接点的温度。因此，接入第3种材料不宜采用与热电极的热电性质相差很远的材料，否则，一旦温度发生变化，热电偶的电势变化将会很大，从而影响测量精度。 2）参考电极定律如图7-5所示，当结点温度为T、T0时，用导体A、B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和，即 （7-9）参考电极的实用价值在于，它可大大简化热电偶的选配工作。实际测温中，只要获得有关热电极与参考电极配对时的热电势值，那么任何两种热电极配对时的热电势均可按公式而无须再逐个去测定。用做参考电极（标准电极）的材料，目前主要为纯铂丝材，因为铂的熔点高，易提纯，且在高温与常温时的物理、化学性能都比较稳定。图7-4热电偶中加入第3种材料图7-5参考电极定律原理图 3）中间温度定律在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电势，等于该热电偶在接点T、Ta和Ta、T0时的热电势之和，如图7-6所示。图7-6中间温度定律示意图由图7-6可得 （7-10）根据这一定律，只要给出自由端0℃时的热电势和温度关系，就可求出冷端为任意温度T0的热电偶电动势。它是制定热电偶分度表的理论基础。在实际热电偶测温回路中，利用热电偶这一性质，可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。3．热电偶的结构形式为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装热电偶和薄膜热电偶等。 1）普通型热电偶普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成，其结构如图7-7所示。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。图7-7普通型热电偶结构 2）铠装热电偶铠装热电偶又称为套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体，如图7-8所示。它可以做得很细、很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工业领域中。图7-8铠装热电偶图7-9薄膜热电偶 3）薄膜热电偶薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料，用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上面而制成的一种特殊热电偶，如图7-9所示。薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.01～0.1m），具有热容量小，反应速度快等的特点，图7-9薄膜热电偶4．热电偶温度补偿方法热电偶的热电势的大小不仅与热端温度有关，而且与冷端温度有关。只有当冷端温度恒定，才可通过测量热电势的大小得到热端温度。热电偶电路中最大的问题是冷端的问题，即如何选择测温的参考点。经常采用的冷端方式有如下3种。 1）冰水保温瓶方式（冰点器方式）将热电偶的冷端置于冰水保温瓶中，获得热电偶冷端的参考温度。 2）恒温槽方式 即将冷端置于恒温槽中，如恒定温度为T0℃，则冷端的误差为 （7-11）式中，T为被测温度。由式（7-11）可见，虽然≠0，但是一个定值。只要在回路中加入相应的修正电压，或调整指示装置的初始位置，即可达到完全补偿的目的。常用的恒温温度有50℃和0℃等。 3）冷端自动补偿方式（补偿电桥法）补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号，来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为0℃或变化而引起热电势的变化值。如图7-10所示，不平衡电桥由3个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻R1、R2、R3，电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻RCu和稳压电源组成。补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温度，但由于RCu的阻值随环境温度变化而变化，如果适当选择桥臂电阻和桥路电流，就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于参考端温度变化引起的热电势EAB（T，T0）变化量，从而达到自动补偿的目的。图7-10冷端补偿器原理图5．热电偶测温电路热电偶测温时，它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、数字表等）配套使用，也可与温度变送器配套，转换成标准电流信号，图7-11所示为典型的热电偶测温线路。若用一台显示仪表显示多点温度时，可按图7-12连接，这样可节约显示仪表和补偿导线。特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且参考端应在同一温度下。如热电偶正向串联，可获得较大的热电势输出和提高灵敏度。在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联。利用热电偶并联可以测量平均温度。热电偶串、并联线路如图7-13所示。图7-11热电偶测温典型电路图7-12多点测温电路图7-13热电势串并联线路7.2热电阻传感器热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻传感器的测量精度高；有较大的测量范围，它可测量200～500℃的温度；易于使用在自动测量和远距离测量中。热电阻由电阻体、保护套和接线盒等部件组成，其结构形式可根据实际使用制作成各种形状。1．常用热电阻用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率，Rt关系最好成线性，物理化学性能稳定，复现性好等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。 1）铂电阻铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IPTS-68标准，在259.34～+630.74℃温域内，以铂电阻温度计作为基准器。铂热电阻的温度特性，在0～630.74℃以内为 （7-12）在190～0℃以内为（7-13）B为分度系数，取5.84×107/℃2；C为分度系数，取4.22×1012/℃4。热电阻在温度t时的电阻值与R0有关。目前我国规定工业用铂热电阻有R0=50和R0=100两种，它们的分度号分别为Pt50和Pt100，其中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号也有相应分度表，即Rt—t的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。表7-5是Pt100热电阻的分度特性表。表7-5WZB型铂热电阻分度特性表R0=100规定分度号BA-2分度系数A=3.96847×102/℃，B=5.847×107/℃2，C=4.22×1012/℃4温度（℃）0102030405060708090电阻值（）20017.2810059.6555.5251.3847.2143.0238.8034.5630.2925.9821.650100.0096.0392.0488.0484.0380.1075.9671.9167.8463.75续表温度（℃）0102030405060708090电阻值（）0100.00103.96107.91110.85115.78119.70123.49127.49131.37135.24100139.10142.95146.78150.60154.41158.21162.00165.78169.54173.29200177.03180.75186.48188.10191.88195.56159.23202.89206.53210.07300213.79217.40221.00224.59228.17231.76235.29238.83242.36245.88400249.38252.88256.36259.83263.29266.78270.18272.60277.01280.41500283.86287.18290.55293.91297.25300.58303.90307.21310.50313.79600317.06320.22323.57326.80330.80333.25铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比W100表示，它是铂热电阻在100℃时电阻值R100与0℃时电阻值R0之比。按IEC标准，工业使用的铂热电阻的W100>1.3850。Pt100具有正温度系数，通常用白金线绕制完成后，会放入保护管中，保护管可由玻璃，不锈钢等材料制成，为了配合不同的测试环境，可使用不同的长度与外径，保护管内空隙以氧化物陶瓷及黏合剂填充。图7-14所示为几种常见的包装。图7-14Pt100几种常见的包装保护管的主要目的是使传感器能适用于各种恶劣的测试环境，如强酸、强碱、高温或低温。但保护管本身有热阻存在，测试温度必须经过一段时间才能到达Pt100，所以测试时必须注意这种现象。 2）铜电阻由于铂是贵重金属材料，因此在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，它的测量范围为50～150℃。铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为 （7-14）式中，Rt为温度为t时的阻值；R0为温度为0℃时的阻值；为铜电阻温度系数，=4.25×103～4.28×103/℃。铜热电阻线性好，价格便宜，但它电阻率较低，且在100℃以下易氧化，不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。铜热电组的两种分度号为Cu50(R0=50)和Cu100(R100=100)。Cu50分度表见表7-6。表7-6WZB型铜热电阻分度特性表R0=53规定分度号G分度系数=4.25×103/℃温度（℃）0102030405060708090电阻值（）5041.74053.0050.7548.5046.2443.99053.0055.2557.5059.7562.0164.2666.5268.7771.0273.2710075.5277.7880.0382.2884.5486.792.热电阻传感器的引线方式热电阻测温精度高，适于测低温。传感器的测量电路经常使用电桥，其中精度较高的是自动电桥。由于热电阻的电阻值很小，所以导线电阻值不可忽略。热电阻传感器内部引线方式有两线制、三线制和四线制3种，如图7-15所示。两线制中引线电阻对测量影响大，用于测温精度不高场合。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响，用于高精度温度检测。工业用铂电阻测温常采用三线制和四线制连接法。图7-16和图7-17所示分别为三线制和四线制电桥连接测量电路。以图7-17为例，G是检流计，R1、R2、R3是固定电阻，r1、r2、r3是引线电阻，Ra是零位调节电阻，Rt是热电阻。当UA=UB时，电桥平衡，调节Ra，可消除引线电阻的影响。图7-15内部引线方式图7-16热电阻测温电桥的三线制法图7-17热电阻测温电桥的四线制法3．几种常用的热电阻传感器测量电路当2.55mA的电流流经Pt100，则其两端的电压降为而Pt100两端的电压所代表的意义与温度成正比，即UA的数值相当于温度（T°C）×1mV再加上255mV的抵补电压。图7-18Pt100转换电路图7-18所示为Pt100的转换电路，其输出转换率为100mV/℃。图中的VD1，VD2，R1，R2，R3，VT1组成2.55mA的恒流源电路。流经Pt100的电流当UCR1=UBE时，所以调整R2可改变恒流源电流的大小。U1是一个电压增益为10[Av=(1+R7/R6)(R5/(R4+R5))]的非反相放大器，所以U1的输出电压为Ub=10Ua=（2550+10TmV。而U2为一个差动放大器，调整R14可使得U3的输出电压Uf1=2.55V=2550mV，使得转换电路的输出(Uo27)电压为因此，其转换率为100mV／°C。本实验为了消除2.55mA的电流，流经Pt100所产生的抵补电压不从U1流过，而从U2流过，这是为了减少误差，使得电源电压漂移影响减至最低程度。由UVD3所产生的齐纳电压，经R13、R14和R15分压，再经U3的电压随耦器缓冲，可使得Uf1消除，电压非常稳定。2）恒电流工作方式下TRRA102B铂电阻的基本测量电路（1）基本电路：选用标称阻值为1k的TRRA102B铂电阻，以1mA的恒定电流流经铂电阻。图7-19所示为铂电阻恒电流工作电路。eOUTeOUT图7-19铂电阻恒电流工作电路假设基准电压UR=2V，运算放大器U1A的反向输入端电压为e1，那么流经传感器的电流Iin=(URe1)/R1,eout=e2(URe1)×RT/R1。要使运算放大器能够正常工作，反向输入电压e1必须与非反向输入电压e2相等。而电压e2是由基准电压UR经过R2，VR1，R3的分压得到的。假设e2=1V，则Iin=（2V1V/1k=1mA。传感器中可以流过1mA的电流。而这个1mA电流在0℃的传感器上的电压降为1k×1mA=1V，eout就被这个电压所偏置，这是非常不合适的。倘若传感器的电阻在0℃时阻值为0，那就不存在任何问题了，然而这种现象至少是现在无法做到的。从上面的分析可以看出，只要将偏置电压减小1V，就可以使传感器在0℃时输出电压变为0V。此时的输出电压eout=e2(URe1)×RT/R1=1V(2V1V)RT/1k。RT的展开式为RT=1000（1+3.90802×103×T5.80195×106×T2）。由于e2的加入使得即使在温度升高时，输出电压也会减小，因此在下一级极性反转的运算放大器U1B中还应当将输出电压放大到应有的大小。eout在测温范围为0～100℃时，具有3.850mV/℃的温度灵敏度；而在测温范围为0～500℃时，具有3.618mV/℃的温度灵敏度。这个数值为热电偶的50倍以上，因此它所使用的运算放大器只需要选用通用型的就足够了。这里选用LM358。为了使运算放大器U1B的输出电压Uout能够达到10mV/℃的输出灵敏度，该运算放大器U1B在0～100℃的测温范围内必须具有10/3.85=2.597倍的增益，而在0～500℃的测温范围内，则应当具有10/3.618=2.764倍的增益。在图7-19中，就是靠24k的电阻R5和电位器VR2保障在0～500℃的温度范围内具有所必须的2.764倍增益。（2）非线性误差与线性化电路：铂电阻在测温范围为100℃时，非线性误差为0.4%（0.4℃）；时，非线性误差为2%（10℃）。由于在测温范围为500℃时，非线性误差高达10℃，因此在使用铂电阻进行高精度的温度测量时，需要对非线性误差进行补偿。为了消除非线性误差，需要采用线性化电路。在线性化过程中，由于只使用到二次项为止，因此远没有热电偶那么麻烦。一般情况下，使用的都是如图7-20所示的正反馈型线性化电路。在该正反馈型线性化电路中，将传感器的输出电压eout再反馈到输入端。而且，由于经过运算放大器U2A后极性再次发生反转，因而成为正反馈。这就使500℃附近的输出达到饱和状态。又因为是正反馈，所以在满刻度附近放大倍数增加得更多一些，而在0℃附近放大倍数几乎不增加，由此实现了比较好的线性化。线性化后的输出电压eout=1mA×RT+K×RT×eout，即eout=1mA×RT(1K×RT)。在使用铂电阻TRRA102B的情况下，假设K=0.041/k，那么就可以将原来的2%的非线性误差改善到0.1%的程度，见表7-7。eOUTReOUTRL图7-20铂电阻的线性化电路该电路的调整方法如下所述。①用相当于0℃时电阻值为1k的电阻取代图中的铂电阻，用电位器VR1进行电路零点调整。②用相当于100℃时电阻值为1.385k的电阻取代图中的铂电阻，用电位器VR3进行增益调整。③用相当于500℃时电阻值为2.809k的电阻取代图中的铂电阻，用电位器VR2进行线性度调整。④每进行一次上述的各种调整后，其他值也会受到影响，因此需要多次反复调整，直到在0～500℃的范围内全部准确为止。表7-7K=0.041时的输出电压（计算值）温度/表7-7K=0.041时的输出电压（计算值）温度/℃eout/V（eout+1.043）/V非线性/%01.043001001.4680.4250.072001.8950.8520.042502.1081.0650.055003.1752.1320表7-8假负载电阻值温度/℃电阻值/0100050119410013852001758.42501940.750028093）恒电压工作方式下TRRA102B铂电阻的基本测量电路（1）基本电路：恒电压工作电路是铂电阻实用电路中除恒电流工作电路以外的又一种常用电路，如图7-21所示。铂电阻位于电桥电路的一个桥臂中，调节VR1的大小可用对电桥进行调零。设铂电阻在零摄氏度时的电阻为R0，测量温度下电阻的相对变化为∆R，则该电路的输出电压为由于分母中存在R项，因此在恒电压工作时除了铂电阻本身的非线性误差外，还会产生恒电压工作电路的固有误差，从而使整个电路的系统误差变大。这说明恒电压工作电路比恒电流工作电路更需要线性化电路。（2）输出电压：在恒电压工作的情况下，R1=22k，Uin=10V，在测温范围为0～100℃时，输出电压为1.575mV/℃；而在测温范围为0～500℃时，输出电压为1.395mV/℃。因此，为了得到10mV/℃的输出电压，作为运算放大器的增益，在测温范围为0～100℃时，应当具有6.349倍的增益；而在测温范围为0～500℃时，应当具有7.168倍的增益。（3）线性化电路：当测温范围为0～500℃时，最大误差有4%。恒电压工作时的非线性误差要比恒电流工作时的非线性误差大很多。它是在传感器本身非线性误差的基础上又增加了恒电压工作的非线性误差。如果不采取某种措施进行补偿，将无法进行高精度的测量。图7-21恒电压工作电路图7-22所示为采用正反馈电路进行线性化的恒电压工作的电路。在该电路中，运算放大器U1B的输出电压Uout部分地反馈到输入电压Uin。其反馈量取决于R3、VR3和R4，而且因为是与输入电压Uin相串联的，所以属于正反馈。也就是说，如果Uout变大，加在铂电阻上的电压UB就跟着变大，从而使Uout变得更大。其变化的大小为图7-22恒电压工作电路如果令则这样做之后，原来4%的非线性误差改善为0.1%。4）电流为4～20mA的铂电阻环形测量电路在需要测量温度的位置与测量仪器放置的位置相距较远的情况下，使用下述电流输出方式的测温电路是非常方便的。即使传输导线比较长，传输线的电阻比较大，也不会影响测量结果，这是因为输出的是电流。通常使用的输出电流为4～20mA，其中的4mA属于电路内部使用的电流值，而剩余的16mA则属于信号电流的分量。（1）运算放大器采用AD693AD：AD693AD的内部有放大器、基准电压源、U-I转换器，所以用一个集成电路就可以构成4～20mA的电流输出电路。放大器的典型不平衡电压为40V，最大不平衡电压为200V；温度漂移的典型值为1V/℃，最大值为2.5V/℃，性能相当好。（2）AD693AD的基本电路与性能：图7-23所示的是AD693AD与铂电阻组成的基本电路。由于在AD693AD的内部有100的基准电阻，因此在图7-23的结构中可以将辅助放大器作为恒电流电路使用。设恒定电流为Iin=75mV/100=0.75mA。所以铂电阻输出电压的表达式Us=Iin·RT=0.75mA×RT。CNCN图7-23用铂电阻制作的4～20mA的环路器电路铂电阻在0℃时的阻值为100，此时的电压降为150mV，因此需要向放大用的运算放大器的SIG端输入150mV的电压。放大用的运算放大器的输入电压极限为30mV时，温度则为104℃。如果将集成电路的P1脚与P2脚连接起来，输入电压的极限就会变为60mV，温度的测量范围也将会扩大。在对AD693AD进行零点调整和测温范围调整时，再接上VR1、VR2、R1和R2。零点调整使用电位器VR1，测温范围调整使用电位器VR2。通过这种调整，零点误差和测温范围误差都可以变为0；但是，铂电阻本身的非线性误差却被保留了下来，这种非线性误差约为0.4℃。当铂电阻采用三线式连接使用时，连接线的布线电阻就不易对测温结果产生不利的影响。5）测温范围为0～600℃的带有线性化电路的环形电流电路在上一个电路中，由于没有线性化电路而使得铂电阻的非线性误差保留下来，所以要增加线性化电路。（1）铂电阻在恒电压工作电路中的应用：由于AD693AD的输入极限为30mV（当将P1、P2间短路时为60mV），为了能够使它与各种测温范围相对应，使用恒电压工作电路是非常方便的。图7-24所示的是恒电压工作电路，AD693AD内部的6.2V的基准电源作为铂电阻的驱动电源。该电路的输出电压Us为其中，R1=27k，UR=6.2V。图7-24用于铂电阻的测温范围为0～600℃的4～20mA电流环形电路0℃时的铂电阻阻值为100，600℃时的铂电阻阻值变化R=317.28100=217.28，所以600℃时的输出电压约50mV。因此，即使在线性化电路中采用正反馈电路，在AD693AD的60mV输入极限内也不会产生什么问题。（2）用输出电流进行线性化：在AD693AD的COM端，只要增加一个线性化电路就可以轻而易举地实现线性化，其原理也极其简单。输出电流在这个用于线性化的电阻上产生电压降，该电压降与铂电阻的6.2V驱动电压相串联，在0℃时使得铂电阻的实际驱动电压变为6.2V+（VR2×4mA），而在600℃时的实际驱动电压变为6.2V+（VR2×20mA）。也就是说，随着温度的升高，铂电阻的驱动电压越来越℃的测温范围内，VR2约为43。图7-25铂电阻的三线式连接法将图7-21与图7-24相比较，可以发现铂电阻的位置与基准电阻R1的位置是颠倒的。这是因为如果按图7-21那样配置铂电阻，线性化电压的成分就会偏置到AD693AD图7-25铂电阻的三线式连接法（3）调整方法：①利用与0℃时的铂电阻阻值相当的100假负载电阻，取代铂电阻接入电阻，通过电位器VR1进行零点调整，使得输出电流成为4mA；②利用与100℃时铂电阻阻值相当的139.16假负载电阻器取代铂电阻接入电路，通过电位器VR3进行增益调整，使得输出电流成为4+16×（1/6）=6.667mA；③利用与600℃时铂电阻阻值相当的317.28假负载电阻，取代铂电阻接入电路，通过电位器VR2进行线性化调整，使得输出电流变为20mA；④每次调整都会使电路参数或多或少地偏离原来的数值，因此需要多次重复步骤①至步骤③的调整过程。经过调整后的特性如图7-26所示。电源电压改变时的特性见表7-9。表7-9表7-9图7-25电路的特性值UCC/VUout(0)/VUout(FS)/V160.99905.000241.00005.000321.00105.001图7-26电路的非线性误差7.3热敏电阻7.1节和7.2节的热电偶和热电阻分别是利用金属导体的热电效应和热阻效应制成的两种热电式传感器。本节介绍半导体的电阻值随温度变化的一种热敏元件（热敏电阻）。热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴、锰、镍等的氧化物，采用不同比例的配方，经高温烧结而成，然后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状。热敏电阻具有以下优点：①电阻温度系数大，灵敏度高；②结构简单；③电阻率高，热惯性小。但它阻值与温度变化呈非线性，且稳定性和互换性较差。1．热敏电阻的温度特性按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型，即负电阻温度系数热敏电阻（NTC），正电阻温度系数热敏电阻（PTC）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR）。它们的特性曲线如图7-27所示。由图7-27可见，使用CTR型热敏电阻组成控制开关是十分理想的。在温度测量中，则主要采用NTC或PTC型热敏电阻，但使用最多的是NTC型热敏电阻。负温度系数的热敏电阻的阻值与温度的关系可表示为 （7-15）式中，RT、R0为温度T、T0时的阻值；T为热力学温度；B为热敏电阻材料常数，一般取2000～6000K。若定义为热敏电阻的温度系数，则由式（7-14）得 （7-16）B和值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高。但热敏电阻非线性严重，所以实际使用时要对其进行线性化处理。2．热敏电阻输出特性的线性化处理由式（7-14）可知，热敏电阻值随温度变化呈指数规律，其非线性非常严重。线性变换常用的方法有以下两种。 1）线性化网络对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系。图7-28所示的是两种最简单的线性化方法。图7-27各种热敏电阻的特性图7-28常见补偿电路 2）计算修正法大部分传感器的输出特性都存在非线性，因此实际使用时都必须对其进行线性化处理，其方法有硬件（电子线路）法和软件（程序）法。在带有微处理器的测量系统中，就可以用软件对传感器进行处理。当已知热敏电阻的实际特性和要求的理想特性时，可以用线性插值等方法将特性分段并把分段点的值存放在计算机的内存中，计算机将根据热敏电阻的实际输出值进行校正计算，给出要求的输出值。7.4集成温度传感器集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流电压特性与温度的关系，把感温PN结及有关电子线路集成在一个小硅片上，构成一个小型化、一体化的专用集成电路片。集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点，由于PN结受耐热性能和特性范围的限制，它只能用来测150℃以下的温度。1．基本工作原理 目前在集成温度传感器中，都采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件。图7-29所示的是集成温度传感器基本原理图。其中VT1和VT2是互相匹配的晶体管，I1和I2分别是VT1和VT2管的集电极电流，由恒流源提供。VT1和VT2的两个发射极和基极电压之差Ube可用下式表示，即 （7-17）式中，k为玻耳兹曼常数；q为电子电荷量；为VT1和VT2管发射结的面积之比。从式中看出，如果保证I1/I2恒定，则Ube就与温度T成单值线性函数关系。这就是集成温度传感器的基本工作原理。在此基础上可设计出各种不同电路，以及不同输出类型的集成温度传感器。2．集成温度传感器的信号输出方式 1）电压输出型电压输出型集成温度传感器原理电路图如图7-30所示。当电流I1恒定确定，即图7-29集成温度传感器基本原理图7-30电压输出型电路原理图 （7-18）若取R1=940，R2=30k，=37，则电路输出的温度系数为 2）电流输出型图7-31所示为电流输出型集成温度传感器的原理电路图。VT1和VT2是结构对称的两个晶体管，作为恒流源负载；VT3和VT4管是测温用的晶体管，其中VT3管的发射结面积是VT4管的8倍，即=8。流过电路的总电流IT为 （7-19）式中，当R和一定时，电路的输出电流与温度有良好的线性关系。若取R为358，则电路输出的温度系数为典型的电流输出型集成温度传感器有美国AD公司生产的AD590，我国产的SG590也属于同类型产品。基本电路与图7-31一样，只是增加了一些启动电路，防止电源反接，以及使左、右两支路对称的附加电路，以进一步地提高性能。AD590的电源电压4～30V，可测温度范围50～+150℃。3．AD590集成温度传感器应用实例AD590是应用广泛的一种集成温度传感器。由于它内部有放大电路，再配上相应外电路，可方便地构成各种应用电路。下面介绍几种简单的AD590应用线路。 1）温度测量电路图7-32所示的是一个简单的测温电路。AD590在25℃（298.2K）时，理想输出电流为298.2A，但实际上存在一定误差，可以在外电路中进行修正。将AD590串联一个可调电阻，在已知温度下调整电阻值，使输出电压UT满足1mV/K的关系（如25℃时，UT应为298.2mV）。调整好以后，固定可调电阻，即可由输出电压UT读出AD590所处的热力学温度。图7-31电流输出型电路原理图图7-32简单的测量电路 2）控温电路简单的控温电路如图7-33所示。AD311为比较器，它的输出控制加热器电流，调节R1可改变比较电压，从而改变了控制温度。AD581是稳压器，为AD590提供一个合理的稳定电压。 3）热电偶参考端补偿电路该种补偿电路如图7-34所示。AD590应与热电偶参考端处于同一温度下。AD580是一个三端稳压器，其输出电压Uout=2.5V。电路工作时，调整电阻R2使得：1—AD311；2—加热元件图7-33简单的温控电路图7-34热电偶参考端补偿电路这样，在电阻R1上产生一个随参考端温度t0变化的补偿电压U1=I1R1。当热电偶参考端温度为t0，其热电势EAB（t0，0）≈St0，S为塞贝克系数（v/℃）。补偿时应使U1与EAB（t0，0）近似相等，即R1与塞贝克系数相等，不同分度号的热电偶，R1的阻值也不同。这种补偿电路灵敏、准确、可靠、调整方便，温度变化在15～35℃范围内，可获得±5℃的补偿精度。7.5热电式传感器的应用1．基于热电偶的温度计1）用J型热电偶制作温度计用J型热电偶制作温度计，使其具有两个量程，分别为0～300℃和