第2章 热电传感器总结.ppt

各部分内容提纲
一 热电偶
热电偶（thermocouple）是目前温度测量中 使用最普遍的传感元件之一。
特点：结构简单，测量范围宽、准确度高、 热惯性小，输出信号为电信号，便于远传或 信号转换等优点，还能用来测量流体的温度、 测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶 还可用于快速及动态温度的测量。
铂热电阻的使用温度范围为-200～850℃ 精度高、稳定性好、 性能可靠；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℃
热敏电阻一般测温范围：－50 ~ ＋300℃ 1 结构简单、体积小、可测点温度； 2 电阻温度系数大，灵敏度高（10倍）；
100 71.40 73.54 75.68 77.83 79.98 82.13
铜热电阻的电阻温度系数较大、线性性好、价格便宜。 缺点：电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定
性较差，在100 ℃以上时容易氧化，因此只能用于低温及没 有浸蚀性的介质中。
热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线
3、标准热电极定律
如果两种导体(A,B)分别与第三种导体(C)组成热 电偶所产生的热电势已知，则由这两个导体组成的热 电偶在相同的冷热端温度下产生的热电势可表示为：
EAB(T, T0)= EAC(T, T0)－ EBC (T, T0)
(2.10)
例子
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，则镍铬和考铜组成的热电偶所产生 的热电动势应为：
理进行测温的。 PN结型测温传感器：半导体材料的电阻率对温度的依赖关
系和PN结温度特性。
2、测温范围及应用场合不同
热电偶结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出 信号为电信号，便于远传或信号转换等优点，还能用来测量 流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还 可用于快速及动态温度的测量。
1、什么叫热电效应？热电偶的热电势是如何形成的？ 2、热电偶工作的基本条件是什么 3、热电偶有哪些基本定律？并证明 4、为什么在实际应用中要对热电偶进行补偿，主要有哪些
补偿方法
5、试述热敏电阻的三种类型，它们的特点及应用范围 6、什么叫热电阻效应？
应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导 线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。
2、中间温度定律
在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，
热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t, t0)等于热 电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势eAB(t, tc)和
1.流量测量 基于流体流速（流量）与散热 关系，利用热敏电阻桥式电路测 流体流速（或流量），如图所示。
图热敏电阻流量计
2.温度控制 利用热敏电阻的温度控制电路如图所示。
图 温度控制电路
3．温度上、下限报警 热敏电阻温度上、下限报警电路如图所示。
图 温度上下限报警电路
4．温度测量 图7-20是利用NTC热敏电阻组成的0~100℃的测温电
温敏二极管
常用：砷化镓和硅温敏二极管
kT AT r
UF = Ug0 - ln( )
e
IF
IF一定，T ,UF
负温度系数
UF（mV）
700
600
IF 100uA
500
400
300
200
100
温度℃
0 -50 0 25 50 75 100 125 150
温敏二极管的基本特性（自学）
温敏二极管的缺陷:
路，相应的输出电压为0~5V，其灵敏度为50mV/℃。
图 温度测量电路
补充作业
1. 用K型热电偶测某设备的温度，测得的热电势为20.214mV，冷端 （室温）为25C，求设备的温度?如果改用S型热电偶来测温，在相同的 条件下，S型热电偶测得的热电势为多少?
2. 现用一支镍铬-铜镍热电偶测某换热器内的温度，其冷端温度为30℃， 显示仪表的机械零位在0℃时，这时指示值为400℃，则认为换热器内的 温度为430℃对不对?为什么?正确值为多少度
第二章 热电传感器
学习总结
分类
1 热电偶（thermocouple） 2 热电阻式温度传感器
金属测温电阻器和半导体热敏电阻器
3 PN结型测温传感器
温敏二极管 温敏三极管
4 集成电路温度传感器
区别
1、测温原理不同
热电偶测温原理:热电效应 热电阻：热电阻效应：导体的电阻值随温度变化而变化的原
在0～850℃的温度范围内
Rt = R0(1+At+Bt2)
铂电阻分度表
(2) 铜热电阻 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，
Rt=R0（1+αt） α=4.28×10-3/℃ 两种分度号：Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。
热电偶测温原理:热电效应
忽略温差电势，则总电势为：
EAB(T,T0)=eAB(T )-eAB(T0 )
几点结论 三个定律
1、中间导体定律
EABC(t,t0) EAB(t) EAB(t0) EAB(t,t0)
在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三 种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。
3 电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。
PN结型测温传感器：温敏二级管1-400K范围，强磁环境下 的低温测量，温敏三级管成本低，参数一致性和器件的互换 性好
集成电路温度传感器：
1、典型工作温度范围:-50——150 ℃ 2、分类：按照输出不同分为电压型和电流型。 新发展：频率输出型、数字型
eAB(tc, t0)的代数和，即
eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)
中间温度定律的应用
• 根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体
A′和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热
电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。
•该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。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。
制三种。
热敏电阻是利用半导体（某些金属氧化物如 NiO,MnO2, CuO,TiO2)的电阻值随温度显著变化这 一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温 度而显著变化。一般测温范围：－50 ~ ＋300℃
(1) 正温度系数热敏电阻器（PTC）
(2) 负温度系数热敏电阻器（NTC）
(3) 突变型临界温度系数热敏电阻器（CTR）
2.95－(－4.0)=6.95(mV)
二 热电阻式温度传感器
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。
热电阻广泛用来测量－200～850℃范围内的温度， 少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000℃。标 准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的 标准仪器。
优点:成本低，参数一致性和器件的互换性好。
问题：单个晶体管基极— 发射极之间的电压在恒 定集电极电流的条件下，可以认为与温度呈单值 线性关系，但仍存在非线性偏差，温度范围越大， 引起的非线性误差就越大。
措施：集成温度传感器采用对管差分电路，能进一 步减小这种非线性误差，使得在任何温度下，两 对管基极— 发射极电压之差ΔUbe与温度保持线 性关系。
目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻
(1) 铂热电阻

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。
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按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围为-200～850℃。铂热电阻的
特性方程为：

在-200～0℃的温度范围内
Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］
PN结在恒定电流条件下，正向电压与温度之间的 线性关系对扩散电流成立。实际上，二极管电流 成分还包含空间电荷区中的复合电流和表面漏电 流成分，影响特性，偏离理想情况。
温敏三极管
采用温敏三极管，在发射结正向偏置情况下，只有 扩散电流能够到达集电极形成集电极电流，其他成 分作为基极电流漏掉。电压与温度特性更符合理想 情况。
三 PN结型测温传感器
理论基础：半导体材料的电阻率对温度的依赖 关系和PN结温度特性。
(1)当PN结的正向压降或反向压降保持不变时，正 向电流和反向电流都随着温度的改变而改变；
(2)当正向电流保持不变时，PN结的正向压降随温 度的变化近似于线性变化，大约以-2mV/℃的斜率随 温度变化。
集成电路温度传感器： PTAT核心电路
对管差分的原理性电路可以给出正比于绝对 温度的电压,亦可给出正比于绝对温度的电流
热敏电阻的应用
热敏电阻的优点：温度系数大，灵敏度高；热容量小， 响应快，分辨率高；价格便宜等。缺点：互换性差，热电 特性非线性大等。主要用于温度的测量、控制，温度补 偿，流速（或流量）测量等。
铜热电阻的分度表 分度号：Cu50
R0 50
温度
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
/℃
电阻/Ω
－0 50.00 47.85 45.70 43.55 41.40 39.24
0 50.00 52.14 45.28 56.42 58.56 60.70 62.84 64.98 67.12 69.26
3、用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30℃，测得热
电势eAB（t，t0）为38.893mV, 求加热炉温度。
4、用分度号为PT100铂电阻测量温度，在计算时错 用了CU100分度表，查得的温度为140度，问实际 温度是多少？
5、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，则镍铬和考铜 组成的热电偶所产生的热电动势应为多少？