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第第8章章 热电式传感器热电式传感器 李正义李正义 热电式传感器热电式传感器是利用某些材料或元件的物是利用某些材料或元件的物理特性与温度有关这一性质，将理特性与温度有关这一性质，将温度的变温度的变化化转化为转化为电量的变化电量的变化。温度变化温度变化转换为转换为电阻变化电阻变化的称为的称为热电阻传热电阻传感器感器；将；将温度变化温度变化转换为转换为热电势变化热电势变化的称的称为为热电偶传感器热电偶传感器。热电传感器热电传感器 热能热能 电能电能 测量：温度、与温度有关的参量测量：温度、与温度有关的参量 热电偶热电偶 温度温度 电势电势 电阻电阻 金属金属 半导体半导体 热敏电阻热敏电阻 PN结型温度传感器结型温度传感器 第一节第一节 热敏电阻式传感器热敏电阻式传感器 几乎所有物质的电阻率都随其本身的温度几乎所有物质的电阻率都随其本身的温度而变化，这一物理现象称为而变化，这一物理现象称为热电阻效应热电阻效应。利用这一原理制成的利用这一原理制成的温度敏感元件温度敏感元件称为热称为热敏电阻敏电阻(thermistor)，一般采用，一般采用导体导体和和半导半导体体材料。材料。热敏电阻材料特点热敏电阻材料特点（1）高温度系数、高电阻率）高温度系数、高电阻率（2）较宽测量范围内具有稳定的物理和化学性质）较宽测量范围内具有稳定的物理和化学性质（3）良好的输出特性）良好的输出特性（4）良好工艺性）良好工艺性 材料材料 温度系数温度系数 （1/1/）比电阻比电阻 （.mm2/m）温度范围温度范围（）特特 性性 铂铂 3.9210-3 0.0981-200 +650 近线性近线性 铜铜 4.2510-3 0.0170-50 +150 线性线性 铁铁 6.5010-3 0.0910-50 +150 非线性非线性 镍镍 6.6010-3 0.1210-50 +100 非线性非线性 对用于制造热电阻材料的要求：对用于制造热电阻材料的要求：具有尽可能大和稳定的具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率电阻温度系数和电阻率 R-t关系关系最好成线性最好成线性 物理化学性能物理化学性能稳定稳定 容易加工容易加工、价格尽量价格尽量便宜便宜等等。目前最常用的热电阻有目前最常用的热电阻有铂热电阻铂热电阻和和铜热电阻铜热电阻。纯金属纯金属是热电阻的主要材料，是利用金属的电阻值随是热电阻的主要材料，是利用金属的电阻值随温温度变化而变化度变化而变化的原理进行测温的。的原理进行测温的。(一一)金属热电阻工作原理金属热电阻工作原理 一、金属热电阻一、金属热电阻 式中：式中：R0 元件在元件在T0 时的电阻；时的电阻；a T0 时的电阻温度系数；时的电阻温度系数；RT 温度为温度为T 时元件的电阻值时元件的电阻值。大多数金属导体的电阻，电阻率几乎都与温度成正比。大多数金属导体的电阻，电阻率几乎都与温度成正比。温度系数温度系数a表征电阻的阻值表征电阻的阻值随温度变化的程度随温度变化的程度。金属的温度系数为金属的温度系数为正正，即阻值随温度的，即阻值随温度的升高而增加升高而增加。单晶半导体的单晶半导体的a也是也是正正的，但随掺杂的增的，但随掺杂的增加而减小加而减小。陶瓷半导体（热敏电阻）的陶瓷半导体（热敏电阻）的a为为负负，且非，且非线性较大线性较大。铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示：铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示：在在0660温度范围内温度范围内 在在-2000温度范围内温度范围内 式中式中 R0、Rt分别为分别为0和和t的电阻值；的电阻值；A常数常数(3.96310-3/)；B常数常数(-5.8610-7/2)；C常数常数(-4.2210-12/4)。20(1)tRRAtBt2301(100)tRRAtBtC tt 铜在铜在-50150范围内铜电阻范围内铜电阻化学、物理性能稳定化学、物理性能稳定，输出输入特性输出输入特性接近线性接近线性，价格低廉价格低廉。铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为：铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为：式中式中 A常量常量(4.28910-3/)；B常量常量(-2.13310-7/2)；C常量常量(1.23310-9/3)。当温度高于当温度高于100时时易被氧化易被氧化，因此适用于，因此适用于温度较温度较低低和和没有浸蚀性没有浸蚀性的介质中工作。的介质中工作。230(1)tRRAtBtCt热电阻热电阻传感器传感器 电阻体绝缘套管接线盒电阻体绝缘套管接线盒 金属热电阻传感器实物 内部引线方式有两线制、三线制和四线制三种。二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。工业用铂电阻测温采用三线制或四线制。(二二)金属热电阻测量与接口电路金属热电阻测量与接口电路 当温度处于测量下限时，当温度处于测量下限时，RtRtmin，调节，调节e2使电使电桥平衡，桥平衡，U0，即，即 0434121min21min ERRRERrrRrrRUttERRRERrrRrrRtt 434121min21minERrrRRRERrrRrrRERrrRRrrRRERRRERrrRrrRUttttttt 2121min1121min21min121min21min43412121)(当温度上升，当温度上升，RtRtminRt，桥路失去平衡，有，桥路失去平衡，有 12TRRrr 因为因为r1、r2相等又接在相邻桥臂上，导线的电阻变化相等又接在相邻桥臂上，导线的电阻变化不影响电桥平衡。不影响电桥平衡。3、四线制测温四线制测温)1(0110tIRRRIRRRUftf运放采用斩波放大器ICL7650差动放大器。恒流源供电。四线式电阻测量电路四线式电阻测量电路 图图 四线式测量线路四线式测量线路 r1 r2 r3 r4 Rt IV IM EM 电压表电压表 恒流源恒流源 因因I IV VI IMM,I,IV V 0,0,又又E EMM=E+=E+I IV V（r r2 2+r+r3 3 ）由上式知引线电阻由上式知引线电阻r r1 1 r r4 4将不引起测量误差。电压表的将不引起测量误差。电压表的值值E EMM可认为是热电阻可认为是热电阻R Rt t上的压降，据此可计算出微小温上的压降，据此可计算出微小温度变化。度变化。MMVMVMtIEII)rr(IEIER32玻璃壳玻璃壳 热敏电阻热敏电阻 引引线线（a）珠状）珠状 （b）片状）片状 （c）杆状）杆状 （d）垫圈状）垫圈状 优点优点：（：（1）结构简单、体积小、可测点温度；）结构简单、体积小、可测点温度；（2）电阻温度系数大，灵敏度高（）电阻温度系数大，灵敏度高（10倍）；倍）；（3）电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。）电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。采用采用半导体材料半导体材料制成的温度传感器制成的温度传感器 二、半导体热敏电阻二、半导体热敏电阻 分类分类 负温度系数热敏电阻：负温度系数热敏电阻：NTC 正温度系数热敏电阻：正温度系数热敏电阻：PTC 临界温度系数热敏电阻：临界温度系数热敏电阻：CRT 0 40 80 120 160 200 106 104 102 100 温度温度 电阻电阻 CTR NTC PTC NTC热敏电阻的主要特性 1、NTC的的 电阻电阻-温度温度 特性：特性：TBTAeR 试验求试验求A、B 2211TTRTRT11TBTAeR22TBTAeR)211(211TTBTTeRR 对于对于NTC型热敏电阻，在一定温度内，热敏电型热敏电阻，在一定温度内，热敏电阻的阻的R-T特性符合指数规律，即特性符合指数规律，即 11TBTeRA 211221lnTTRRTTTTBT R 00expTBTBRRT0T0R 0 （273.15K）0 时的阻值时的阻值 1、NTC的的 电阻电阻-温度温度 特性：特性：NTC热敏电阻的主要特性 2、NTC的伏安特性的伏安特性 NTC热敏电阻的主要特性 3、NTC的温度系数的温度系数 TdTdRRT1dTAedAeTBTB)(12TB.constT 低温段比高温段灵敏低温段比高温段灵敏 TT：灵敏度比金属热电阻高（灵敏度比金属热电阻高（10倍）倍）NTC热敏电阻的主要特性 在任意温度下温度变化1C时的电阻变化率 1 1、半导体热敏电阻的线性化、半导体热敏电阻的线性化 在精密温度测量中在精密温度测量中,热敏电阻非线性温度特性影响热敏电阻非线性温度特性影响测温精度。测温精度。在一定温度范围内在一定温度范围内,有两种方法线性化：有两种方法线性化：用用恒流源供电，热敏电阻两端电压作温度指示，热敏电阻两端电压作温度指示,则用一适当的电阻则用一适当的电阻RpRp与热敏电阻与热敏电阻R RT T并联进行线性化。以以恒压源供电,把热敏电阻的电流作为温度指把热敏电阻的电流作为温度指示示,在在R RT T上上串联电导Gs进行线性化。半导体热敏电阻的线性化与测量电路 线性化线性化 (a)(a)并联电阻并联电阻 (b)(b)串联电导串联电导 在曲线的拐点附近，曲线近似为线性，因此在曲线的拐点附近，曲线近似为线性，因此把把测量温度范围的中点测量温度范围的中点TiTi设在拐点处设在拐点处。根据拐点处热敏电阻根据拐点处热敏电阻R RT T的值，选择并联电阻的值，选择并联电阻RpRp，RpRp计算公式推导：计算公式推导：由于由于R RT T =R=R0 0 e eB B/T/T ,故故 上式求两阶导数并使之等于零得到：上式求两阶导数并使之等于零得到：即：即：式中式中R RTiTi为热敏电阻在中点温度为热敏电阻在中点温度TiTi的阻值的阻值 类似地类似地,很容易求出所需串联电阻的阻值很容易求出所需串联电阻的阻值RsRs:其中其中G GTiTi为热敏电阻在中点温度为热敏电阻在中点温度TiTi的电导的电导 线性化将使温度系数减小：并联后的温度系数为并联后的温度系数为P P ,通过对通过对R R式微分可得式微分可得出：出：与并联前比较，温度系数与并联前比较，温度系数P P减小了减小了1/(1+R1/(1+RTiTi/R/RP P)倍倍 在高精度测温中在高精度测温中,用数字技术进行线性化。用数字技术进行线性化。2.2.热敏电阻测温电路热敏电阻测温电路 R Rt t 为热敏电阻，为热敏电阻，RsRs 用于电导用于电导-温度特性线性化温度特性线性化 W W1 1 50mV50mV电压源调节电压源调节 W W2 2 温度温度00时使输出为零时使输出为零 输出电压输出电压U U0 0与与RsRs和和R Rt t串联的电导成正比串联的电导成正比 热敏电阻在生物医学测量中的应用热敏电阻在生物医学测量中的应用 在生物医学测量中在生物医学测量中,如口腔型，表面型和注射针型如口腔型，表面型和注射针型探头等以半导体热敏电阻为温度敏感元件。探头等以半导体热敏电阻为温度敏感元件。呼吸传感器：用胶布固定在病人鼻孔出口处：用胶布固定在病人鼻孔出口处,进行进行呼吸率的连续检查呼吸率的连续检查 第二节第二节 热电偶传感器热电偶传感器 thermocouple M ABT0T热电偶、热电极、热端、冷端热电偶、热电极、热端、冷端 将两种不同材料组成一个闭合回路，如果两个结点将两种不同材料组成一个闭合回路，如果两个结点的温度不同，则回路中将产生一定的电流（电势），的温度不同，则回路中将产生一定的电流（电势），其大小与材料性质及结点温度有关，称这种物理现其大小与材料性质及结点温度有关，称这种物理现象为象为温差电现象温差电现象，这个电势称作，这个电势称作热电势热电势 先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 结论结论：当两个结点温度不相同时，回路中将：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。产生电动势。热电极热电极A A 右端称为：右端称为：自 由 端自 由 端（参考端参考端、冷端冷端）左端称为：左端称为：测量端测量端（工作端工作端、热端