8-2热电式传感器.ppt

1、热电阻是利用导体材料的电阻随温度变化而变化的特性来实现对温度的测量的。,8.2 热电阻,热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。,热电阻广泛应用于-200850范围内的温度测量。,热电阻的材料要求： 电阻温度系数要大，电阻率尽可能大，热容量要小； 在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能； 电阻与温度的关系最好接近于线性； 应有良好的可加工性，且价格便宜。,8.2.1 常用的几种热电阻,1. 铂热电阻,在2000范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为：,在0850范围内，金属铂

2、的电阻值与温度的关系为：,在-50150范围内，铜电阻化学、物理性能稳定，输出 输入特性接近线性，价格低廉。,2. 铜热电阻,铜电阻的缺点是电阻率低，体积大，热惯性大，在100以上时易氧化。,0时的电阻值,t时的电阻值, 铟电阻 铟电阻用99.999%高纯度的铟丝绕成电阻，适宜在-269-258温度范围内使用。实验证明，在4.2K15K范围内，铟电阻灵敏度比铂电阻高10倍。 铟电阻的缺点是材料软，复制性差。,3. 其他热电阻, 锰电阻 锰电阻适宜在-271-210温度范围内使用。其优点是在2K63K温度范围内电阻随温度变化大，灵敏度高。锰电阻的缺点是材料脆，难拉成丝。, 碳电阻 碳电阻适宜在-

3、273-268.5温度范围内使用。其优点是热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便。但是碳电阻的热稳定性较差。,8.2.2 热电阻的结构,+15V,-15V,+15V,+4.3V,+0.7V,2DW7C,3k,3k,3k,3k,1k,100k,R12=3.3k,5.1k,1k,2CK11,2CK11,2,3,1,4,10,a,b,100,0.1,电位差Uab为0.73mV/。Uab经比例放大器放大，其增益为A/D转换器所需的05V直流电压。D3、D4是放大器的输入保护二极管；R12用于调整放大倍数。放大后的信号经A/D转换成相应的数字信号，可与微机接口。,D3,D4,8.2.3 热电阻测量线路,

4、Rt为热电阻, r1 、r2、 r3为引线电阻, R1 、 R2为两桥臂电阻, R1=R2，R3为调整电 桥的精密电阻。电压表M内阻很大，故电流近似为零。当UA=UB时电桥平衡。若使r1=r2 ,则R3=Rt，就可消除引线电阻的影响。,1. 三线式电桥连接法,图8-19 三线接法,2. 四线式电阻测量电路,图8-20 四线式测量线路,因IVIM,IV0, 又EM=E+IV（ r2+r3 ）,由上式知引线电阻r1 r4将不引起测量误差。电压表的值EM可认为是热电阻Rt上的压降，据此可计算出微小温度变化。,8.3 热敏电阻,热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测温的。半导体

5、热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，特别适于在-100300之间测温。,热敏电阻的缺点是互换性较差，同一型号的产品特性参数有较大差别；另外其热电特性是非线性的，给使用带来不便。,8.3.1 热敏电阻的结构,热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（Co）、锰（Mn）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高温烧结而成。其形状有珠状、片状、杆状、垫圈状等。,图8-21 热敏电阻的结构类型,108,102,104,106,0,热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数型(PTC)、负温度系数型(NTC)、和临界温度系数型(CTR)。,可见CTR临界热敏电阻有

6、一突变温度，此特性可用于自动控温和报警电路中。,8.3.2 热敏电阻的主要特性,图8-22 三类热敏电阻的温度特性,温度（）,电阻（）,NTC,CTR,PTC,40,80,120,160,180,NTC热敏电阻的阻值-温度关系为：,1. NTC热敏电阻的电阻 温度特性,BN 为热敏电阻的材料常数，一般BN 为2000600000，高温下BN 将增大。,或表示为：,图8-23 NTC热敏电阻器的电阻-温度曲线,图中直线的斜率就是热敏电阻的材料常数BN。,2. PTC热敏电阻的电阻 温度特性,PTC的电阻 温度特性是利用正温度系数热敏材料在居里点附近结构发生相变引起导电率突变获得的，如图所示。,图

7、8-25 PTC的电阻温度曲线,由实验得到：在工作温度范围内，PTC的电阻-温度特性可近似用下面的公式表示：,对上式取对数得：,图8-26 lnRT -T特性曲线,图线的斜率即为BP：,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或并联构成电阻网络(常称为线性化网络)代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系。,8.3.4 热敏电阻输出特性的线性化处理,图中热敏电阻Rt与补偿电阻Rx 串联,串联后的等效电阻R = Rt +Rx ，只要Rx 的阻值选择适当，可使温度在某一范围内与电阻的倒数成线性关系，所以电流I与温度T成线性关系。,串联补偿电路,并联补偿电路

8、,图中热敏电阻Rt与补偿电阻Rx并联，其等效电阻R=Rt/Rx 。由图可知，R与温度的关系曲线便显得比较平坦。因此可以在某一温度范围内得到线性的输出特性。,8.3.5 热敏电阻的主要用途,8.4 PN结温度传感器,利用PN结的结电压随温度成近似线性变化这一特性实现对温度的检测、控制和补偿等功能。可直接用半导体二极管或将半导体三极管接成二极管（将晶体管的集电极与基极短接，利用be结作为感温器件）做成PN结温度传感器。这种传感器的测温范围为-50至150，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、灵敏度高、热时间常数小，因此用途较广。,8.4.1 温敏二极管、三极管,1. 温敏二极管

9、,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。,2. 温敏三极管,利用三极管发射结正向电压Ube随温度上升而下降的原理。晶体管比二极管表现出更好的电压 温度线性关系。,2. 温敏晶体管基本测温电路 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。如此连接的目的是使发射结为正偏。而集电结几乎为零偏。,图8-28 温敏晶体管测温电路,集电极电流Ic只取决于电阻RC和电源E，保证了温敏晶体管的Ic恒定。电容C的作用是防止寄生振荡。,将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。 其最大优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出，另外，体积小、成

10、本低廉。因此，它是现代半导体温度传感器的主要发展方向之一。目前，已经广泛用于-50+150温度范围内的温度监测、控制和补偿的许多场合。,8.4.2 集成温度传感器,晶体管的Ube在Ic恒定条件下，认为与温度呈线性关系；但实际上关系式中仍然存在非线性项，另外这种关系也不直接与任何温标(绝对、摄氏、华氏等)相对应。此外温敏晶体管Ube值在同一生产批量中，可能有100mv的离散性。,1. 基本原理,因此集成温度传感器中均采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件，采用下图的电路形式，使其直接给出正比于绝对温度的严格的线性输出。,电路中1、2是结构和性能完全相同的晶体管，它们分别在不同的集电极电流I1

11、和I2下工作。由图可见，R的电压应为1和2的基极发射极电压差。,图8-29 差分对管电路,式中： K波尔兹曼常数； q电子电荷量； T绝对温度； V1和V2管发射结的面积之比。 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。,集成温度传感器按输出信号可分为电压型和电流型两种。 电压型的温度系数约为10mV/K； 电流型的温度系数约为1A/K。 这就很容易从它们输出信号的大小换算成绝对温度，而且其输出电压或电流与绝对温度成线性关系。,2. 集成温度传感器的信号输出方式,(1) 电压

12、输出型集成温度传感器,当电流I1恒定时，通过改变R1的阻值，可实现I1=I2，当晶体管的1时，电路的输出电压可由下式确定：,若取R1=940，R2=30 k，=37，则电路输出的温度系数为,图8-30 电压输出型 原理电路图,(2) 电流输出型集成温度传感器,在差分对管电路的基础上，用两只PNP管V1、V2分别与V3、V4串联组成所谓的电流镜，V1、V2具有完全相同的结构和性能，且发射极偏压相同，故流过3和4的集电极电流在任何温度下始终相等。流过电路的总电流IT为,若取R为358，=8，则电路输出的温度系数为,图8-31 电流输出型 原理电路图,美国AD公司生产的AD590、我国产的SG590

13、都是典型的电流输出型温度传感器。它们的基本电路与图8-31一样，只是还增加了一些附加电路以提高其性能。,8.4.3 集成温度传感器的典型应用 集成温度传感具有体积小、热惰性小、反应快、测量精度高、稳定性好、校准方 便、价格低等特点，因而获得广泛的应用。目前IC温度传感器应用较多的有AD590，AD592，AN6701，LM35，LM3911，PC616C和PC3911C等。,主要由电流温度传感器AD590、ICL7106和显示器组成。,AD590的典型应用,摄氏和华氏数字温度计,ICL7106包括模/数转换器、时钟发生器、参考电压源、BCD的七段译码和显示驱动器等，它与AD590和几个电阻及液晶显示器构成了一个数字温度计，而且能实现两种定标制的温度测量和显示。对摄氏和华氏两种温度均采用同一参考电