06 热电传感器

3 PN结型温度传感器
典型应用：
这是一个简易温度调节器，用于液氮气流式恒温器中 77~300K范围内的温度调节器。
3 PN结型温度传感器
二、温敏三极管
二极管作为温敏器件是利用PN结在恒定的正向电流下，其 正向电压与温度之间的近似线性关系。实际上温敏二极管 电压—温度特性的线性度是很差的，原因是正向电流中除 了PN结的扩散电流之外，还应包括漂移电流及空间电荷区 的复合电流，而在上述分析中只考虑扩散电流。采用晶体 管代替二极管时，由于晶体管发射结正向偏置条件下，虽 然发射极电流也包括上述三种成份，但只有扩散电流到达 集电极形成集电极电流，而另两个电流成分则作为基极电 流漏掉，对集电极电流无影响，使得发射结偏压与集电极 电流之间有较好的线性关系，并因此能表现出更好的电 压—温度特性。
N A NB T T0
N AT0 N AT ln 0, ln 0 N BT N BT0
kT N AT kT 0 N AT0 E AB (T , To ) ln ln 0 q N BT q N BT0
1 热电偶
当热电偶两接触点处的温度相等时，尽管组成热电偶 的两导体材料不同，热电偶回路总电势为零。
1750年
温度和温标
热力学温标：建立在热力学第二定律基础上的一种和 测温质无关的理想温标。与测温物质的性质无关。 规定分子运动停止时的温度为0K，水的三相点， 即液、固、气状态共存时的温度为273.15K。 摄氏温标与热力学温标的关系：
t T 273 .15
1848年，英国物理学家威廉· 汤姆逊提出
1 热电偶
（2）标准电极定律
金属A和B之间的电动势等于金属A、C和C、B组成热电 偶的热电动势之和。（C为标准电极）
E AB (T , T0 ) E AC (T ,T 0) ECB (T , T0 )
导体C被称为标准电极，通常用纯铂（Pt）作标准电极
1 热电偶
（3）中间温度定律 热电偶在接触点温度为T、T0时的回路电势，等于该热电 偶在接触点温度为T、Tn和Tn、T0时回路电势之代数和。
3 PN结型温度传感器
二、温敏三极管
集电极电流Ic是与温度基本无关的多数载流子扩散运动形 成的电流，因而当IC恒定时，UBE与T呈单调和单值变化。 且UBE随T的升高而近似线性下降，其下降幅度约为 2.2mv/℃。
温敏晶体管具有成本低、性能好、使用方便等优点，因而 比温敏二级管应用范围广，可用于测某一点的温度、测两 点的温差，或用于过程监视或控制场合。
N A NB
T T0
E AB (T ) E AB (T ) 0
E AB (T , To ) E AB (T ) E AB (T0 )
由热电效应原理分析可知，无论是哪一种类型的热电
偶，产生回路电势的必要充分条件是：
N A NB
T T0
1 热电偶
2、基本定律 （1）中间导体定律 当插入第三种金属时，只要两端温度相同，就不会使 热电偶的电动势发生变化。 A C T0 mV E AB (T , T0 ) E ABC (T , T0 ) T T0 C B
1 热电偶
2、冷端温度补偿的方法 延伸导线法
采用不需要冷端补偿的热电偶
冷端温度在300℃以下的镍钴—镍铝热电偶，50℃ 以下的镍铁—镍铜热电偶及铂铑30—铂铑6热电偶
1 热电偶
2、冷端温度补偿的方法 冷端温度的智能补偿
利用单片机或计算机，可以实现温 度监测、控制、误差修正与冷端温 度补偿一体化和智能化。 用集成温度传感器AD590作为冷端补偿元件
3 PN结型温度传感器
三、集成电路式温度传感器
集成温度传感器是将作为感温器件的温敏晶体管及外围电 路集成在同一单片上的集成化温度传感器。 优点：小型化、使用方便和成本低廉。 电压型：直接输出电压，且输出阻抗低，易于读出或控 制电路接口。 电流型：输出阻抗极高，可以简单地使用双股绞线进行数 百米远的精密温度遥感或遥测，不必考虑长馈线上引起的 信号损失和噪声问题。也可用于多点温度测量系统中，而 不必考虑开关或多路转换开关或多路转换器引入的接触电 阻造成的误差。 频率输出型：具有与电流输出型相似的特点。
在实际测温中，把冷端置于某一恒温下 此时冷端接触电势： 回路总电势
E AB (T0 ) C
E AB (T , To ) E AB (T ) C f (T )
回路总电势是T的单值函数
1 热电偶
二、热电偶的工作特性
1、基本特性 当组成热电偶的两导体性能相同时，则无论接触点处 温度如何，热电偶回路总电势为零。
E AB (T , T0 ) E AB (T ,T n) E AB (Tn , T0 )
E AB (T ,0) E AB (T ,T n) E AB (Tn ,0)
测量环境温度 查分度表
若T0＝0，则有
1 热电偶
三、热电偶的冷端温度补偿
1、冷端温度补偿的原因 在测温时，冷端温度T0随着环境温度变化，因而产生 测量误差，故应采取补偿措施。 分度表是在T0＝0℃时测得的，使用时，只有满足T0 ＝0℃的条件才能使用分度表。
T T ' kTH
k——为热电偶温度修正系数，其值决定于热电 偶种类和被测的温度范围 。
1 热） 利用不平衡电桥产生的电势来补 偿热电偶因冷端温度变化而引起 的热电势 。
令ΔUab＝ΔEAB（T0）
得U0＝EAB（T）－EAB（20℃）
U0＝EAB（T）－〔EAB（T0）+ΔEAB（T0）〕+ΔUab
温度系数大，灵敏度高； 结构简单，可测点温度； 电阻率高，热惯性小，适合动态测量； 阻值与温度变化呈非线性； 稳定性与互换性较差。
热敏电阻随温度变化的典型特性分为三种类型：
负温度系数热敏电阻（NTC） 正温度系数热敏电阻（PTC） 临界温度电阻器（CTR）： 在某一特定温度下电 阻值会发生突变。
2 热电阻和热敏电阻
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传感与检测技术
热电传感器
罗璠
主要内容
热电偶的工作原理 热电偶的特性
热电偶的冷端补偿
测量电路
温度和温标
温度：表征物体冷热程度的物理量，只能通过物体 随温度变化的某些特征来间接测量。
温标：是用来量度物体温度数值的标尺，规定了温度 的读数起点和测量温度的基本单位。
温度和温标
经验温标：利用物质的体积膨胀与温度的关系，认为 在两个易于实现且稳定的温度点之间所选定的测温物 质体积的变化与温度呈线性关系。
2 热电阻和热敏电阻
一、热电阻
3、热电阻接线
热电阻阻值较小，导线阻值不能忽略。 R1 Uo R2 50Ω的测温电桥，1Ω的导线导致的误 差为5℃。 三线制接法： 三根线长度、线直径、材质相等 消除了接线电阻的影响
R4
Rline
Rline
Rt
Rline 四线制接法？
2 热电阻和热敏电阻
二、热敏电阻 热敏电阻的特点：
2 热电阻和热敏电阻
一、热电阻
2、铜热电阻
主要用于-50~150℃范围内温度测量，在此范围接近线性。 温度系数比铂高 价格比铂低
电阻率低，体积较大 易氧化
Rt R0 (1 t )
α=4.25~4.28 ×10-3/ ℃ 工业铜电阻精度 -500~50 ℃ ± 0.5℃ 50~150 ℃ ± 1% ×t
3 PN结型温度传感器
三、集成电路式温度传感器
AD590型温度传感器简介
美国ＡＤ公司，电流输出型集成温度传感器。 其输出电流与绝对温度成正比（1μ A/K），具有恒流特性。 测温范围50℃~+150℃。 电源电压为4～30Ｖ。 在电源电压4～30Ｖ内，该器件为温控电流源，其电流
华氏温标： 德国玻璃工华伦海特
1709-1714年 冰、水、氯化铵的混合物平衡温度定为 0℉，人体温度定为96℉，其间温度分为 96格。 1724年 摄氏温标： 又把水的沸点定为212℉。 瑞典物理学家、天学家摄尔修斯 水的沸点和冰的熔点分别定为0℃和100℃ ，其间分为100格。 对调。
1742年
1 热电偶
（2）珀尔贴效应（ Peltier Effect） 1834年， Peltier在铜丝的两端各接一根铋丝 ，铋丝接直流电源的正负极，通电后，一个 接头变冷，一个变热。
接触电势EAB
电子 空穴
NA大
NB小
kT N AT E AB (T ) In q N BT
1 热电偶
（3）汤姆逊效应（ Tomson Effect） 从理论上预言：当电流在温度不均匀的导体中流过时， 导体除产生不可逆转的焦耳热之外，还要吸收或放出一 定的热（汤姆逊热）。当一根金属棒的两端温度不同时 ，棒两端会形成温差电势差。
kT N AT kT 0 N AT0 E AB (T ) E AB (To ) ln ln q N BT q N BT0
1 热电偶
2、测温原理
当热电偶导体A和B材料一定时，回路总电动势成为热 端和冷端的温度的函数。
E AB (T , T0 ) E AB (T ) E AB (To )
热电极A
左端称为 ：测量
热电势
A
热电极B
右端称为 ：自由
端（工
作端、 热端）
端（参
考端、 冷端）
B
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势 。
1 热电偶
一、基本原理
1、热电效应 （1）塞贝克效应（Seebeck Effect） 1821年， Seebeck发现，在两种不同金属 组成的闭合线路中，如果两接触点的温度 不同，其周围使指南针磁铁偏转。
1 热电偶
2、冷端温度补偿的方法
冰浴法 将热电偶冷端置于冰水中，使冷端保持恒定的0℃， 它可以使冷端温度误差完全消失。