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1、第四講 溫度傳感器及應(yīng)用 4.1 熱電偶溫度傳感器 4.2 熱敏電阻溫度傳感器 4.3 IC溫度傳感器 4.4 其他溫度傳感器 表示溫度大小的尺度是溫度的標(biāo)尺，簡(jiǎn)稱 溫標(biāo) 。 熱力學(xué) 溫標(biāo)、國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo) 為解決國(guó)際上溫度標(biāo)準(zhǔn)的同意及實(shí)用問(wèn)題，國(guó)際上協(xié)商 決定，建立一種既能體現(xiàn)熱力學(xué)溫度（即能保證一定的準(zhǔn)確 度），又使用方便、容易實(shí)現(xiàn)的溫標(biāo)，即國(guó)際實(shí)用溫標(biāo) International Practical Temperature Scale of 1968(簡(jiǎn) 稱 IPTS-68)，又稱國(guó)際溫標(biāo)。 1968年國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)規(guī)定熱力 學(xué)溫度是基本溫度，用 t表示，其單位是開(kāi)爾文，符

2、號(hào)為 K。 1K定義為水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的 1/273.16，水的三相點(diǎn)是指 純水在固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)三項(xiàng)平衡時(shí)的溫度，熱力學(xué)溫標(biāo)規(guī) 定三相點(diǎn)溫度為 273.16 K，這是建立溫標(biāo)的惟一基準(zhǔn)點(diǎn)。注 意：攝氏溫度的分度值與開(kāi)氏溫度分度值相同，即溫度間隔 1K=1 。 T0是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的融化溫度， T0 = 273.15 K。水的三相點(diǎn)溫度比冰點(diǎn)高出 0.01 K。 氫 氧 三相點(diǎn) 沸點(diǎn) 54.361 90.188 -218.798 -182.962 水 三相點(diǎn) 沸點(diǎn) 273.16 373.15 0.01 100.0 鋅 凝固點(diǎn) 692.73 419.58 銀 凝固點(diǎn) 1235.08 961.

3、93 金 凝固點(diǎn) 1337.58 1064.43 物質(zhì) 三相點(diǎn) 平衡狀態(tài) 溫 度 T68/K T68/ 13.81 7.042 20.8 27.102 -259.31 -256.108 -252.87 -246.048 沸點(diǎn) 25/76atm 沸點(diǎn) 沸點(diǎn) 國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)（ IPTS-68）的固定點(diǎn) 四個(gè)溫度段：規(guī)定各溫度段所使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器 低溫鉑電阻溫度計(jì) （ 13.81K 273.15K） ； 鉑電阻溫度計(jì) （ 273.15K 903.89K） ； 鉑銠 -鉑熱電偶溫度計(jì) （ 903.89K 1337.58K） ； 光測(cè)溫度計(jì) （ 1337.58K以上 ） 。 國(guó)際實(shí)用開(kāi)爾文溫度與國(guó)際實(shí)用攝氏

4、溫度分別用符號(hào) T68和 t68來(lái)區(qū)別（一般簡(jiǎn)寫為 T與 t）。 攝氏溫標(biāo) 是工程上最通用的溫度標(biāo)尺。攝氏溫標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn) 大氣壓 (即 101325Pa)下將水的冰點(diǎn)與沸點(diǎn)中間劃分一百個(gè)等份， 每一等份稱為攝氏一度 (攝氏度， )，一般用小寫字母 t表示。 與熱力學(xué)溫標(biāo)單位開(kāi)爾文并用。 攝氏溫標(biāo)與國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)溫度之間的關(guān)系如下： t=T-273.15 T=t+273.15 K 華氏溫標(biāo) 目前已用得較少，它規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的 融點(diǎn)為 32華氏度，水的沸點(diǎn)為 212華氏度，中間等分為 180份，每 一等份稱為華氏一度，符號(hào)用 ，它和攝氏溫度的關(guān)系如下： m=1.8n+32 n= 5/9 (m-3

5、2) 熱電偶、測(cè)溫電阻器、熱敏電阻、感溫鐵氧體、石英晶體振 動(dòng)器、雙金屬溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、玻璃制溫度計(jì)、輻射 傳感器、晶體管、二極管、半導(dǎo)體集成電路傳感器、可控硅 分 類 特 征 傳 感 器 名 稱 超高溫用 傳感器 1500 以上 光學(xué)高溫計(jì)、輻射傳感器 高溫用 傳感器 1000 1500 光學(xué)高溫計(jì)、輻射傳感器、 熱電偶 中高溫用 傳感器 500 1000 光學(xué)高溫計(jì)、輻射傳感器、 熱電偶 中溫用 傳感器 0 500 低溫用 傳感器 -250 0 極低溫用 傳感器 -270 -250 BaSrTiO3陶瓷 晶體管、熱敏電阻、 壓力式玻璃溫度計(jì) 見(jiàn)表下內(nèi)容 測(cè) 溫 范 圍 溫度傳感器分類

6、 (1) 分 類 特 征 傳 感 器 名 稱 測(cè)溫范圍寬、 輸出小 測(cè)溫電阻器、晶體管、熱電偶 半導(dǎo)體集成電路傳感器、 可控硅、石英晶體振動(dòng)器、 壓力式溫度計(jì)、玻璃制溫度計(jì) 線性型 測(cè)溫范圍窄、 輸出大 熱敏電阻 指數(shù)型 函數(shù) 開(kāi)關(guān)型 特性 特定溫度、 輸出大 感溫鐵氧體、雙金屬溫度計(jì) 測(cè) 溫 特 性 溫度傳感器分類 (2) 分 類 特 征 傳 感 器 名 稱 測(cè)定精度 0.1 0.5 鉑測(cè)溫電阻、石英晶體振動(dòng) 器、玻璃制溫度計(jì)、氣體溫 度計(jì)、光學(xué)高溫計(jì) 溫度 標(biāo)準(zhǔn)用 測(cè)定精度 0.5 5 熱電偶 、 測(cè)溫電阻器 、 熱敏電 阻 、 雙金屬溫度計(jì) 、 壓力式溫 度計(jì) 、 玻璃制溫度計(jì) 、 輻射

7、傳 感器 、 晶體管 、 二極管 、 半導(dǎo) 體集成電路傳感器 、 可控硅 絕對(duì)值 測(cè)定用 管理溫度 測(cè)定用 相對(duì)值 1 5 測(cè) 定 精 度 溫度傳感器分類 (3) 此外，還有 微波測(cè)溫溫度傳感器、噪聲測(cè)溫溫度傳 感器、溫度圖測(cè)溫溫度傳感器、熱流計(jì)、射流測(cè)溫計(jì)、 核磁共振測(cè)溫計(jì)、穆斯保爾效應(yīng)測(cè)溫計(jì)、約瑟夫遜效應(yīng) 測(cè)溫計(jì)、低溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)換測(cè)溫計(jì)、光纖溫度傳感器 等。這 些溫度傳感器有的已獲得應(yīng)用，有的尚在研制中。 4.1 熱電偶溫度傳感器 溫差熱電偶（簡(jiǎn)稱熱電偶）是目前溫度測(cè)量中使用最普遍 的傳感元件之一。它除具有 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍寬、準(zhǔn)確度高、 熱慣性小，輸出信號(hào)為電信號(hào) 便于遠(yuǎn)傳或信號(hào)轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)

8、外， 還能用來(lái)測(cè)量流體的溫度、測(cè)量固體以及固體壁面的溫度。微 型熱電偶還可用于快速及動(dòng)態(tài)溫度的測(cè)量。 一、熱電偶的工作原理 兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體 A和 B組合成 如圖所示 閉合回路， 若導(dǎo)體 A和 B的連接處溫度不同（設(shè) T T0），則在此閉合回路 中就有電流產(chǎn)生，也就是說(shuō)回路中有電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象叫 做 熱電效應(yīng) 。這種現(xiàn)象早在 1821年首先由西拜克（ See back） 發(fā)現(xiàn) ,所以又稱西拜克效應(yīng)。 回路中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，叫熱電 勢(shì)。熱電勢(shì)由兩部分組成，即 溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。 熱端 冷端 1. 接觸電勢(shì) + A B T eAB(T) - B A AB N N e kTTe ln)(

9、 eAB(T) 導(dǎo)體 A、 B結(jié)點(diǎn)在溫度 T 時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)； e 單位電荷， e =1.6 10-19C； k 波爾茲曼常數(shù)， k =1.38 10-23 J/K ； NA、 NB 導(dǎo)體 A、 B在溫度為 T 時(shí)的電子密度。 接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。 A eA(T,To) To T eA(T， T0) 導(dǎo)體 A兩端溫度為 T、 T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì)； T， T0 高低端的絕對(duì)溫度； A 湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體 A兩端的溫度差為 1 時(shí)所產(chǎn)生的溫 差電動(dòng)勢(shì)，例如在 0 時(shí)，銅的 =2 V/ 。 2. 溫差電勢(shì) dTTTe T T AA 0 ),( 0 溫差電勢(shì)原理圖

10、 由導(dǎo)體材料 A、 B組成的閉合回路 ， 其接點(diǎn)溫度分別為 T、 T0, 如果 T T0， 則必存在著兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì) ， 回路總 電勢(shì)： BT AT N N e kT ln 0 0ln0 BT AT N N e kT dTTT BA 0 )( 3. 回路總電勢(shì) ),(),()()(),( 0000 TTeTTeTeTeTTE BAABABAB NAT、 NAT0 導(dǎo)體 A在結(jié)點(diǎn)溫度為 T和 T0時(shí)的電子密度； NBT、 NBT0 導(dǎo)體 B在結(jié)點(diǎn)溫度為 T和 T0時(shí)的電子密度； A 、 B 導(dǎo)體 A和 B的湯姆遜系數(shù)。 在工程應(yīng)用中，常用實(shí)驗(yàn)的方法得出溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系并 做成表格，

11、以供備查。由公式可得： EAB(T, T0)= EAB(T)-EAB(T0) = EAB(T)-EAB(0)-EAB(T)-EAB(T0) = EAB(T， 0)-EAB(T0， 0) 熱電偶的熱電勢(shì)，等于兩端溫度分別為 T 和零度以及 T0和 零度的熱電勢(shì)之差。 結(jié)論： 1、 熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端 溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)無(wú)關(guān)。 2、 只有用不同性質(zhì)的 導(dǎo)體 (或半導(dǎo)體 )才能組合成熱電偶；相同材料不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)， 因?yàn)楫?dāng) A、 B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)， ln(NA/NB)=0，也即 EAB(T， T0)=0。 3、 只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同 ,熱電偶的兩導(dǎo) 體

12、材料不同時(shí)才能有熱電勢(shì)產(chǎn)生。 4、 導(dǎo)體材料確定后，熱電勢(shì) 的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使 EAB(T0)=常數(shù)，則 回路熱電勢(shì) EAB(T， T0)就只與溫度 T有關(guān)，而且是 T的單值函數(shù)， 這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。 對(duì)于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路 ， 接點(diǎn)溫度分別 為 T1、 T2 、 、 Tn ， 冷端溫度為零度的熱電勢(shì) 。 其熱電勢(shì)為 E= EAB（ T1） + EBC（ T2） + +ENA（ Tn） 二 、 熱電偶回路的性質(zhì) 1. 均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路 ， 不論其導(dǎo)體是否存在溫 度梯度 ， 回路中沒(méi)有電流 (即不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) )；反之 ， 如果

13、有電 流流動(dòng) ， 此材料則一定是非均質(zhì)的 ， 即熱電偶必須采用兩種不 同材料作為電極 。 2. 中間導(dǎo)體定律 一個(gè)由幾種不同導(dǎo)體材料連接成的閉合回路，只要它們彼 此連接的接點(diǎn)溫度相同，則此回路各接點(diǎn)產(chǎn)生的熱電勢(shì)的代數(shù) 和為零。 如圖，由 A、 B、 C三種材料組成的閉合回路，則 E總 =EAB（ T） +EBC（ T） +ECA（ T） = 0 T A B C T T 兩點(diǎn)結(jié)論： l） 將第三種材料 C接入由 A、 B組成的熱電偶回路 ， 如圖 ， 則圖 a 中的 A、 C接點(diǎn) 2與 C、 A的接點(diǎn) 3， 均處于相同溫度 T0之中 ， 此回路 的總電勢(shì)不變 ， 即 同理 ， 圖 b中 C、 A

14、接點(diǎn) 2與 C、 B的接點(diǎn) 3， 同處于溫度 T0之中 ， 此 回路的電勢(shì)也為： EAB（ T1, T2） =EAB（ T1） -EAB（ T2） EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（ T2） T2 T 1 A a B C 2 3 EAB a A T0 2 3 A B EAB T1 T2 C T0 (a) (b) T0 T0 第三種材料 接入熱電偶 回路圖 E T0 T0 T E T 0 T1 T1 T 根據(jù)上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計(jì) E，只要保 證電位計(jì)與連接熱電偶處的接點(diǎn)溫度相等，就不會(huì)影響回路中 原來(lái)的熱電勢(shì)，接入的方式見(jiàn)下圖所示。 EAB（ T, T0） = EA

15、C（ T, T0） + ECB（ T, T0） 2）如果任意兩種導(dǎo)體材料的熱電勢(shì)是已知的，它們的冷 端和熱端的溫度又分別相等，如圖所示，它們相互間熱電勢(shì) 的關(guān)系為： 3. 中間溫度定律 如果不同的兩種導(dǎo)體材料組成熱電偶回路 ,其接點(diǎn)溫度分別 為 T1、 T2(如圖所示 )時(shí) ,則其熱電勢(shì)為 EAB(T1, T2)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為 T2、 T3時(shí) ， 其熱電勢(shì)為 EAB(T2, T3)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為 T1、 T3時(shí) ， 其 熱電勢(shì)為 EAB(T1, T3)， 則 B B A T2 T 1 T3 A A B EAB（ T1, T3） =EAB（ T1, T2） +EAB（ T2, T3） EAB（

16、T1,T3） =EAB（ T1, 0） +EA B（ 0, T3） =EAB（ T1, 0） -EAB（ T3, 0） =EAB（ T1） -EAB（ T3） A B T1 T2 T2 A B T0 T0 熱電偶補(bǔ)償 導(dǎo)線接線圖 E 對(duì)于冷端溫度不是零度時(shí)，熱電偶如何分度表的問(wèn)題提供了依據(jù)。 如當(dāng) T2=0 時(shí)，則： 只要 T1、 T0不變，接入 AB后不管接點(diǎn)溫度 T2如何變化，都不影 響總熱電勢(shì)。這便是引入補(bǔ)償導(dǎo)線原理。 EAB=EAB(T1)EAB(T0) 說(shuō)明：當(dāng)在原來(lái)熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料 A、 B同樣熱 電特性的材料 A、 B(如圖 )即引入所謂補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，當(dāng) EAA(T2

17、)=EBB(T2)，則回路總電動(dòng)勢(shì)為 三 、 熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu) 熱電偶材料應(yīng)滿足： 物理性能穩(wěn)定 ， 熱電特性不隨時(shí)間改變； 化學(xué)性能穩(wěn)定 ， 以保證在不同介質(zhì)中測(cè)量時(shí)不被腐蝕； 熱電勢(shì)高 ， 導(dǎo)電率高 ， 且電阻溫度系數(shù)??； 便于制造； 復(fù)現(xiàn)性好 ， 便于成批生產(chǎn) 。 （ 一 ） 熱電偶常用材料 1 鉑 鉑銠熱電偶 (S型 ) 分度號(hào) LB 3 工業(yè)用熱電偶絲： 0.5mm， 實(shí)驗(yàn)室用可更細(xì)些 。 正極：鉑銠合金絲 ,用 90 鉑和 10 銠 (重量比 )冶煉而成 。 負(fù)極：鉑絲 。 測(cè)量溫度：長(zhǎng)期： 1300 、 短期： 1600 。 特點(diǎn)：材料性能穩(wěn)定 ， 測(cè)量準(zhǔn)確度較高；可做成標(biāo)

18、準(zhǔn)熱電偶 或基準(zhǔn)熱電偶 。 用途：實(shí)驗(yàn)室或校驗(yàn)其它熱電偶 。 測(cè)量溫度較高 ， 一般用來(lái)測(cè)量 1000 以上高溫 。 在高溫還原性氣體中 （ 如氣體中 含 Co、 H2等 ） 易被侵蝕 ， 需要用保護(hù)套管 。 材料屬貴金屬 ， 成本 較高 。 熱電勢(shì)較弱 。 2 鎳鉻 鎳硅 (鎳鋁 )熱電偶 (K型 ) 分度號(hào) EU 2 工業(yè)用熱電偶絲： 1.22.5mm， 實(shí)驗(yàn)室用可細(xì)些 。 正極：鎳鉻合金 (用 88.4 89.7 鎳 、 9 10 鉻 ， 0.6 硅 ， 0.3 錳 ， 0.4 0.7 鈷冶煉而成 )。 負(fù)極：鎳硅合金 (用 95.7 97 鎳 ,2 3 硅 ,0.4 0.7 鈷冶 煉而

19、成 )。 測(cè)量溫度：長(zhǎng)期 1000 ， 短期 1300 。 特點(diǎn)：價(jià)格比較便宜 ， 在工業(yè)上廣泛應(yīng)用 。 高溫下抗氧化能 力強(qiáng) ， 在還原性氣體和含有 SO2， H2S等氣體中易被侵蝕 。 復(fù) 現(xiàn)性好 ， 熱電勢(shì)大 ， 但精度不如 WRLB。 3 鎳鉻 考銅熱電偶 (E型 ) 分度號(hào)為 EA 2 工業(yè)用熱電偶絲 :1.2 2mm， 實(shí)驗(yàn)室用可更細(xì)些 。 正極：鎳鉻合金 負(fù)極：考銅合金 （ 用 56 銅 ， 44 鎳冶煉而成 ） 。 測(cè)量溫度：長(zhǎng)期 600 ， 短期 800 。 特點(diǎn)：價(jià)格比較便宜 ， 工業(yè)上廣泛應(yīng)用 。 在常用熱電偶中它產(chǎn) 生的熱電勢(shì)最大 。 氣體硫化物對(duì)熱電偶有腐蝕作用 。

20、考銅易氧 化變質(zhì) ， 適于在還原性或中性介質(zhì)中使用 。 4 鉑銠 30 鉑銠 6熱電偶 (B型 ) 分度號(hào)為 LL 2 正極：鉑銠合金 （ 用 70 鉑 ， 30 銠冶煉而成 ） 。 負(fù)極：鉑銠合金 （ 用 94 鉑 ， 6 銠冶煉而成 ） 。 測(cè)量溫度：長(zhǎng)期可到 1600 ， 短期可達(dá) 1800 。 特點(diǎn)：材料性能穩(wěn)定 ， 測(cè)量精度高 。 還原性氣體中易被侵蝕 。 低溫?zé)犭妱?shì)極小 ， 冷端溫度在 50 以下可不加補(bǔ)償 。 成本高 。 （ 二 ） 常用熱電偶的結(jié)構(gòu)類型 1 工業(yè)用熱電偶 下圖為典型工業(yè)用熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖。它由熱電偶絲、絕緣 套管、保護(hù)套管以及接線盒等部分組成。實(shí)驗(yàn)室用時(shí)，也可不

21、裝 保護(hù)套管，以減小熱慣性。 工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖 1接線盒； 2保險(xiǎn)套管 3 絕緣套管 4 熱電偶絲 1 2 3 4 (a) (b) (c) (d) 1 3 2 2鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶） 斷面如圖所示。它是由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者 拉細(xì)組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為四種型式 如圖。 優(yōu)點(diǎn)是小型化（直徑從 12mm到 0.25mm）、壽命、熱慣性 小，使用方便。 測(cè)溫范圍在 1100 以下的有：鎳鉻 鎳硅、鎳 鉻 考銅鎧裝式熱電偶。 圖 3.2-12 鎧裝式熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意圖 1 金屬套管 ; 2絕緣材料 ; 3熱電極 (a)碰底型 ; (b)不碰底型 ;

22、(c)露頭型 ; (d)帽型 3快速反應(yīng)薄膜熱電偶 用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成 薄膜裝熱電偶。如圖，其熱接點(diǎn)極薄 (0.01 0.l m)。因此，特 別適用于對(duì)壁面溫度的快速測(cè)量。安裝時(shí) ,用粘結(jié)劑將它粘結(jié)在 被測(cè)物體壁面上。目前我國(guó)試制的有鐵 鎳、鐵 康銅和銅 康 銅三種 ,尺寸為 60 6 0.2mm;絕緣基板用云母、陶瓷片、玻璃 及酚醛塑料紙等；測(cè)溫范圍在 300 以下；反應(yīng)時(shí)間僅為幾 ms。 4 1 2 3 快速反應(yīng)薄膜熱電偶 1 熱電極 ; 2 熱接點(diǎn) ; 3 絕緣基板 ; 4 引出線 4 快速消耗微型熱電偶 下圖為一種測(cè)量鋼水溫度的熱電偶。它是用直徑為 0

23、.05 0.lmm的鉑銠 10一鉑銠 30熱電偶裝在 U型石英管中，再鑄以高溫絕 緣水泥，外面再用保護(hù)鋼帽所組成。這種熱電偶使用一次就焚化 ，但它的優(yōu)點(diǎn)是熱慣性小，只要注意它的動(dòng)態(tài)標(biāo)定，測(cè)量精度可 達(dá)土 5 7 。 1 4 2 3 5 6 7 8 9 11 10 快速消耗微型 1剛帽； 2石英； 3紙環(huán)； 4絕熱泥； 5冷端； 6棉花； 7絕緣紙管； 8補(bǔ)償導(dǎo)線； 9套管； 10塑料插座； 11簧片與引出線 四、冷端處理及補(bǔ)償 原因 熱電偶熱電勢(shì)的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為 保證輸出熱電勢(shì)是被測(cè)溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持 恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢(shì)是以冷端溫度 0 為依據(jù)，

24、否則會(huì)產(chǎn)生誤差。 方法 冰點(diǎn)槽法 計(jì)算修正法 補(bǔ)正系數(shù)法 零點(diǎn)遷移法 冷端補(bǔ)償器法 軟件處理法 m V A B A B T C C 儀 表 銅 導(dǎo) 線 試管 補(bǔ) 償 導(dǎo) 線 熱電 偶 冰點(diǎn)槽 冰水溶 液 T0 1. 冰點(diǎn)槽法 把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里 ， 使 T0=0 。 這 種辦法僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用 。 為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連 接點(diǎn)短路 ， 必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里 ， 浸入同一 冰點(diǎn)槽 ， 使相互絕緣 。 2.計(jì)算修正法 用普通室溫計(jì)算出參比端實(shí)際溫度 TH， 利用公式計(jì)算 例 用銅 -康銅熱電偶測(cè)某一溫度 T， 參比端在室溫環(huán)境 TH中 ， 測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì) EA

25、B(T， TH)=1.999mV， 又用室溫計(jì)測(cè)出 TH=21 , 查 此種熱電偶的分度表可知 ， EAB(21,0)=0.832mV， 故得 EAB(T， 0)=EAB(T， 21)+EAB(21， T0)=1.999+0.832=2.831(mV) 再次查 分度表 ， 與 2.831mV對(duì)應(yīng)的熱端溫度 T=68 。 注意 :既不能只按 1.999mV查表，認(rèn)為 T=49 ，也不能把 49 加上 21 ， 認(rèn)為 T=70 。 EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0) 3. 補(bǔ)正系數(shù)法 把參比端實(shí)際溫度 TH乘上系數(shù) k， 加到由 EAB(T， TH)查分度表 所得的溫度上

26、 ， 成為被測(cè)溫度 T。 用公式表達(dá)即 式中： T 為未知的被測(cè)溫度； T 為參比端在室溫下熱 電偶電勢(shì)與分度表上對(duì)應(yīng)的某個(gè)溫度； TH 室溫； k 為補(bǔ)正系數(shù) ， 其它參數(shù)見(jiàn)下表 。 例 用鉑銠 10鉑熱電偶測(cè)溫 ， 已知冷端溫度 TH=35 ， 這 時(shí)熱電動(dòng)勢(shì)為 11.348mV 查 S型熱電偶的分度表 ， 得出與此相應(yīng) 的溫度 T =1150 。 再?gòu)南卤碇胁槌?， 對(duì)應(yīng)于 1150 的補(bǔ)正系 數(shù) k=0.53。 于是 ， 被測(cè)溫度 T=1150+0.53 35=1168.3（ ） 用這種辦法稍稍簡(jiǎn)單一些，比計(jì)算修正法誤差可能大一點(diǎn)，但 誤差不大于 0.14。 T T k T H 溫度

27、T/ 補(bǔ)正系數(shù) k 鉑銠 10-鉑 (S) 鎳鉻 -鎳硅（ K） 100 0.82 1.00 200 0.72 1.00 300 0.69 0.98 400 0.66 0.98 500 0.63 1.00 600 0.62 0.96 700 0.60 1.00 800 0.59 1.00 900 0.56 1.00 1000 0.55 1.07 1100 0.53 1.11 1200 0.53 1300 0.52 1400 0.52 1500 0.53 1600 0.53 熱電偶補(bǔ)正系數(shù) 4. 零點(diǎn)遷移法 應(yīng)用領(lǐng)域：如果冷端不是 0 ，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或 有空調(diào)的場(chǎng)所）。 實(shí)質(zhì)： 在測(cè)量

28、結(jié)果中人為地加一個(gè)恒定值 ，因?yàn)槔涠藴囟?穩(wěn)定不變，電動(dòng)勢(shì) EAB(TH,0)是常數(shù)，利用指示儀表上 調(diào)整零點(diǎn) 的辦法，加大某個(gè)適當(dāng)?shù)闹刀鴮?shí)現(xiàn)補(bǔ)償。 例 用動(dòng)圈儀表配合熱電偶測(cè)溫時(shí)，如果把儀表的機(jī)械零 點(diǎn)調(diào)到室溫 TH的刻度上 ,在熱電動(dòng)勢(shì)為零時(shí)，指針指示的溫度值 并不是 0 而是 TH。而熱電偶的冷端溫度已是 TH,則只有當(dāng)熱端 溫度 T=TH時(shí)，才能使 EAB(T,TH)=0，這樣，指示值就和熱端的實(shí) 際溫度一致了。 這種辦法非常簡(jiǎn)便，而且一勞永逸，只要冷端溫度總保持 在 TH不變，指示值就永遠(yuǎn)正確。 5. 冷端補(bǔ)償器法 利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢(shì)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引 起熱電勢(shì)的變化

29、值 。 不平衡電橋由 R1、 R2、 R3(錳銅絲繞制 )、 RCu( 銅絲繞制 )四個(gè)橋臂和橋路電源組成 。 設(shè)計(jì)時(shí)，在 0 下使電橋平衡 (R1=R2=R3=RCu)，此時(shí) Uab=0 ，電橋?qū)?儀表讀數(shù)無(wú)影響。 冷端補(bǔ)償器的作用 注意：橋臂 RCu必須和熱電偶的冷 端靠近 ， 使處于同一溫度之下 。 mV EAB(T,T0) T0 T0 T A B + + - a b U Uab RCu R1 R2 R3 R 6. 軟件處理法 對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，不必全靠硬件進(jìn)行熱電偶冷端處理。例 如冷端溫度恒定但不為 0 的情況，只需在采樣后加一個(gè)與冷 端溫度對(duì)應(yīng)的常數(shù)即可。 對(duì)于 T0經(jīng)常波動(dòng)的情況，可

30、利用熱敏電阻或其它傳感器把 T0信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，按照運(yùn)算公式設(shè)計(jì)一些程序，便能自動(dòng)修 正。后一種情況必須考慮輸入的采樣通道中除了熱電動(dòng)勢(shì)之外 還應(yīng)該有冷端溫度信號(hào)，如果多個(gè)熱電偶的冷端溫度不相同， 還要分別采樣，若占用的通道數(shù)太多，宜利用補(bǔ)償導(dǎo)線把所有 的冷端接到同一溫度處，只用一個(gè)冷端溫度傳感器和一個(gè)修正 T0的輸入通道就可以了。冷端集中，對(duì)于提高多點(diǎn)巡檢的速度 也很有利。 1. 熱電偶的選擇 、 安裝使用 熱電偶的選用應(yīng)該根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的溫度 、 壓力 、 介質(zhì)性質(zhì) 、 測(cè)溫時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)選擇 熱電偶和保護(hù)套管 。 其 安裝地點(diǎn)要有代表 性 ， 安裝方法要正確 ， 圖 3.2-17是安裝在管道上

31、常用的兩種方 法 。 在工業(yè)生產(chǎn)中 ， 熱電偶常與毫伏計(jì)連用 （ XCZ型動(dòng)圈式儀表 ） 或與電子電位差計(jì)聯(lián)用 ， 后者精度較高 ， 且能自動(dòng)記錄 。 另 外也可 通過(guò)與溫度變送器經(jīng)放大后再接指示儀表 ， 或作為控制 用的信號(hào) 。 圖 3.2-17 熱電偶安裝圖 五、熱電偶的選擇、安裝使用和校驗(yàn) 熱電偶 分度號(hào) 校驗(yàn)溫度 / 熱電偶允許偏差 / 溫度 偏差 溫度 偏 差 LB3 600， 800， 1000， 1200 0 600 2.4 600 占所測(cè)熱電勢(shì) 的 0.4% EU2 400， 600， 800， 100 0 400 4 400 占所測(cè)熱電勢(shì) 的 0.75% EA2 300， 4

32、00， 600 0 300 4 300 占所測(cè)熱電勢(shì) 的 1% 2.熱電偶的定期校驗(yàn) 校驗(yàn)的方法是用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被校驗(yàn)熱電偶裝在同一校驗(yàn)爐 中進(jìn)行對(duì)比 ， 誤差超過(guò)規(guī)定允許值為不合格 。 圖為熱電偶校驗(yàn)裝 置示意圖 ， 最佳校驗(yàn)方法可由查閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)獲得 。 工業(yè)熱電偶的 允許偏差 ， 見(jiàn)下表 。 工業(yè)熱電偶允許偏差 7 8 5 6 4 3 2 1 穩(wěn) 壓 電 源 220V 熱電偶校驗(yàn)圖 1-調(diào)壓變壓器； 2-管式電爐； 3標(biāo)準(zhǔn)熱電偶； 4-被校熱電偶； 5-冰瓶； 6-切換開(kāi)關(guān)； 7-測(cè)試儀表； 8-試管 4.2 熱敏電阻溫度傳感器 熱敏電阻是利用某種半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的 性質(zhì)

33、制成的 。熱敏電阻發(fā)展最為迅速，由于其性能得到不斷改 進(jìn)，穩(wěn)定性已大為提高，在許多場(chǎng)合下（ -40 350 ）熱敏 電阻已逐漸取代傳統(tǒng)的溫度傳感器。 一 、 熱敏電阻的特點(diǎn)與分類 （ 一 ） 熱敏電阻的特點(diǎn) 1 電阻溫度系數(shù)的范圍甚寬： 有正 、 負(fù)溫度系數(shù)和在某 一特定溫度區(qū)域內(nèi)阻值突變的三種熱敏電阻元件 。 電阻溫度 系數(shù)的絕對(duì)值比金屬大 10 100倍左右 。 2 材料加工容易 、 性能好： 可根據(jù)使用要求加工成各種 形狀 ， 特別是能夠作到小型化 。 目前 ， 最小的珠狀熱敏電阻 其直徑僅為 0.2mm。 3 阻值在 1 10M之間可供自由選擇： 使用時(shí) ， 一般可不 必考慮線路引線電

34、阻的影響；由于其功耗小 、 故不需采取冷 端溫度補(bǔ)償 ， 所以適合于遠(yuǎn)距離測(cè)溫和控溫使用 。 4穩(wěn)定性好： 據(jù)報(bào)道，在 0.01 的小溫度范圍內(nèi)，其穩(wěn)定性 可達(dá) 0.0002 的精度。 5原料資源豐富，價(jià)格低廉： 燒結(jié)表面均已經(jīng)玻璃封裝。故 可用于較惡劣環(huán)境條件；另外由于熱敏電阻材料的遷移率很小， 故其性能受磁場(chǎng)影響很小，這是十分可貴的特點(diǎn)。 （ 二 ） 熱敏電阻的分類 熱敏電阻的種類很多 ， 分類方法也不相同 。 按熱敏電阻 的阻值與溫度關(guān)系這一重要特性可分為： 1 正溫度系數(shù)熱敏電阻器 （ PTC） ： 電阻值隨溫度升高 而增大的電阻器 。 它的主要材料是摻雜的 BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷 。

35、 2 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器 （ NTC） ： 電阻值隨溫度升高 而下降的熱敏電阻器 。 它的材料主要是一些過(guò)渡金屬氧化物半 導(dǎo)體陶瓷 。 3 突變型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器 （ CTR） ： 該類電阻器 的電阻值在某特定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而降低 3 4個(gè)數(shù)量級(jí) ， 即具有很大 負(fù)溫度系數(shù) 。 其主要材料是 VO2并添加一些金屬氧 化物 。 熱敏電阻材料的分類（ 1） 大分類 小分類 代表例子 NTC 單晶 金剛石、 Ge、 Si 金剛石熱敏電阻 多晶 遷移金屬氧化物復(fù)合燒 結(jié)體 、無(wú)缺陷形金屬氧 化燒結(jié)體多結(jié)晶單體 、 固溶體形多結(jié)晶氧化物 SiC系 Mn、 Co、 Ni、 Cu、 Al氧化 物

36、燒結(jié)體 、 ZrY氧化物燒結(jié) 體 、 還原性 TiO3、 Ge、 Si Ba、 Co、 Ni氧化物 濺射 SiC薄膜 玻璃 Ge 、 Fe、 V等氧化物 硫硒碲化合物 玻璃 V、 P、 Ba氧化物 、 Fe、 Ba、 Cu氧化物 、 Ge、 Na、 K氧 化物 、 （ As2Se3 ） 0.8 、 （ Sb2SeI） 0.2 有機(jī)物 芳香族化合物 聚酰亞釉 表面活性添加劑 液體 電解質(zhì)溶液 熔融硫硒碲化合物 水玻璃 As、 Se、 Ge系 熱敏電阻材料的分類（ 2） PTC 無(wú)機(jī)物 BaTiO3系 Zn、 Ti、 Ni氧化物系 Si系、硫硒碲化合物 （ Ba、 Sr、 Pb） TiO3燒結(jié) 體

37、 有機(jī)物 石墨系 有機(jī)物 石墨 、 塑料 石臘 、 聚乙烯 、 石墨 液體 三乙烯醇混合物 三乙烯醇 、 水 、 NaCl CTR V、 Ti氧化物系、 Ag2S、 （ AgCu）、（ ZnCdHg） BaTiO3單晶 V、 P、 （ BaSr） 氧化物 Ag2SCuS 大分類 小分類 代表例子 二 、 熱敏電阻的基本參數(shù) 1.標(biāo)稱電阻 R25（ 冷阻 ） ： 在 25 0.2 時(shí)的阻值 。 2.材料常數(shù) BN：表征負(fù)溫度系數(shù) (NTC)熱敏電阻器材料的物 理特性常數(shù) 。 BN值決定于材料的激活能 E,具有 BN=E 2k的函 數(shù)關(guān)系 ， 式中 k為波爾茲曼常數(shù) 。 一般 BN值越大 ， 則電

38、阻值越大 ， 絕對(duì)靈敏度越高 。 在工作溫度范圍內(nèi) ， BN值并不是一個(gè)常數(shù) ， 而是隨溫度的升高略有增加的 。 3.電阻溫度系數(shù) （ %/ ） ： 溫度變化 1 時(shí)電阻值的變化 率 。 4.耗散系數(shù) H：溫度變化 1 所耗散的功率變化量 。 在工作 范圍內(nèi) ， 當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí) ,H值隨之變化 ,其大小與熱敏電阻的 結(jié)構(gòu) 、 形狀和所處介質(zhì)的種類及狀態(tài)有關(guān) 。 5.時(shí)間常數(shù) 熱敏電阻器在零功率測(cè)量狀態(tài)下 ， 當(dāng)環(huán)境溫度突變時(shí)電阻 器的溫度變化量從開(kāi)始到最終變量的 63.2 所需的時(shí)間 。 它與 熱容量 C和耗散系數(shù) H之間的關(guān)系 H C 6.最高工作溫度 Tmax 熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件

39、下長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許的最高溫 度： T0 環(huán)境溫度； PE 環(huán)境溫度為 T0時(shí)的額定功率； H 耗散系數(shù) 7.最低工作溫度 Tmin 熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下能長(zhǎng)期連續(xù)工作的最低溫度 。 8.轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度 Tc 熱敏電阻器的電阻一溫度特性曲線上的拐點(diǎn)溫度 ， 主要指正電 阻溫度系數(shù)熱敏電阻和臨界溫度熱敏電阻 。 HPTT E 0m a x 9額定功率 PE熱敏電阻器在規(guī)定的條件下，長(zhǎng)期連續(xù)負(fù)荷工作所 允許的消耗功率。在此功率下 ,它自身溫度不應(yīng)超過(guò) Tmax。 10.測(cè)量功率 P0熱敏電阻器在規(guī)定的環(huán)境溫度下 ,受到測(cè)量電流 加熱而引起的電阻值變化不超過(guò) 0.1 時(shí)所消耗的功率 11.工作點(diǎn)

40、電阻 RG在規(guī)定的溫度和正常氣候條件下 ， 施加一定的 功率后使電阻器自熱而達(dá)到某一給定的電阻值 。 tn HP 10000 G GG RUP 2 13.功率靈敏度 KG 熱敏電阻器在工作點(diǎn)附近消耗功率 lmW時(shí)所引起電阻的變化 ， 即： 在工作范圍內(nèi)， KG隨環(huán)境溫度的變化略有改變。 14. 穩(wěn)定性 熱敏電阻在各種氣候、機(jī)械、電氣等使用環(huán)境中，保持原有特性 的能力。它可用熱敏電阻器的主要參數(shù)變化率來(lái)表示。最常用 的是以電阻值的年變化率或?qū)?yīng)的溫度變化率來(lái)表示。 KG R/P 15. 熱電阻值 RH 指旁熱式熱敏電阻器在加熱器上通過(guò)給定的工作電流時(shí) ,電阻器達(dá) 到熱平衡狀態(tài)時(shí)的電阻值。 12.

41、 工作點(diǎn)耗散功率 PG 電阻值達(dá)到 RG時(shí)所消耗的功率。 UG 電阻器達(dá)到熱平衡時(shí)的 端電壓。 18. 標(biāo)稱工作電流 I 指在環(huán)境溫度 25 時(shí)，旁熱式熱敏電阻器的電阻值被穩(wěn)定在某 一規(guī)定值時(shí)加熱器內(nèi)的電流。 19. 標(biāo)稱電壓 它是穩(wěn)壓熱敏電阻器在規(guī)定溫度下標(biāo)稱工作電流所對(duì) 應(yīng)的電壓值。 20. 元件尺寸 指熱敏電阻器的截面積 A、電極間距離 L和直徑 d。 17. 最大加熱電流 Imax 指旁熱式熱敏電阻器上允許通過(guò)的最大電流 。 16. 加熱器電阻值 Rr 指旁熱式熱敏電阻器的加熱器，在規(guī)定環(huán)境溫度條件下的電阻 值。 三 、 熱敏電阻器主要特性 （ 一 ） 熱敏電阻器的電阻 溫度特性 （

42、RT T） 1 2 3 4 鉑絲 40 60 120 160 0 10 0 101 102 103 104 105 106 R T/ 溫度 T/C 熱敏電阻的電阻 -溫度特性曲線 1-NTC； 2-CTR； 3-4 PTC TT與 RTT特性曲線一致。 RT、 RT0溫度為 T、 T0時(shí)熱敏電阻器的電阻值； BN NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。 由測(cè)試結(jié)果表明 ， 不管是由氧化物材料 ， 還是由單晶體材料制成 的 NTC熱敏電阻器 ， 在不太寬的溫度范圍 （ 小于 450 ） ， 都能 利用該式 ， 它僅是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式 。 1 負(fù)電阻溫度系數(shù) (NTC)熱敏電阻器的溫度特性 0 11e x p 0

43、 TT BRR NTT NTC的電阻 溫度關(guān)系的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 0 ln11ln 0 TNT RTTBR 如果以 lnRT、 1/T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，則上式是一條斜率 為 BN ，通過(guò)點(diǎn) (1/T， lnRT)的一條直線 ,如圖。 105 104 103 102 0 -10 10 30 50 70 85 100 120 T/C 電 阻 / NTC熱敏電阻器的電阻 -溫度曲線 材料的不同或配方的比例和方法不同 ， 則 BN也不同 。 用 lnRT 1/T表示負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻 溫度特性 ， 在實(shí)際應(yīng)用中比 較方便 。 為了使用方便 ， 常取環(huán)境溫度為 25 作為參考溫度 （ 即 T

44、0=25 ） ， 則 NTC熱敏電阻器的電阻 溫度關(guān)系式： 2 9 811e x p 25 T BRR NT RT/R25BN關(guān)系如下表 。 0 25 50 75 100 125 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 (25C,1) RT / RT0-T特性曲線 RT/R25 T RT R25 BN系數(shù)表 RT R25 BN R50 R25 2200 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 5000 0.565 0.500 0.483 0.458 0.435 0.413 0.392 0.372 0.354 0.273 3.175 4.720 5.3

45、19 5.993 6.751 7.609 8.6571 9.660 10.88 19.77 1.963 2.221 2.362 2.512 2.671 2.840 3.020 3.211 3.414 4.642 0.347 0.288 0.259 0.236 0.214 0.194 0.176 0.160 0.146 0.092 0.227 0.173 0.149 0.132 0.115 0.101 0.088 0.077 0.067 0.034 0.113 0.076 0.062 0.051 0.042 0.034 0.028 0.023 0.019 0.007 R0 R25 R75 R25

46、 R-20 R25 R150 R25 R100 R25 2.正電阻溫度系數(shù) （ PTC） 熱敏電阻器的電阻 溫度特性 其特性是利用正溫度熱敏材料 ， 在居里點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相 變引起導(dǎo)電率突變來(lái)取得的 ， 典型特性曲線如圖 10000 1000 100 10 0 50 100 150 200 250 R20=120 R20=36.5 R 20=12.2 PTC熱敏電阻器的電阻 溫度曲線 T/C 電 阻 / Tp1 Tp2 Tc=175 C PTC熱敏電阻的工作溫度范圍較窄，在工作區(qū)兩端，電阻 溫度 曲線上有兩個(gè)拐點(diǎn)： Tp1和 Tp2。當(dāng)溫度低于 Tp1時(shí)，溫度靈敏度低； 當(dāng)溫度升高到 Tp1后

47、，電阻值隨溫度值劇烈增高（按指數(shù)規(guī)律迅速 增大）；當(dāng)溫度升到 Tp2時(shí)，正溫度系數(shù)熱敏電阻器在工作溫度范 圍內(nèi)存在溫度 Tc，對(duì)應(yīng)有較大的溫度系數(shù) tp 。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在工作溫度范圍內(nèi)，正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電 阻 溫度特性可近似用下面的實(shí)驗(yàn)公式表示： 式中 RT、 RT0溫度分別為 T、 T0時(shí)的電阻值； BP正溫度系數(shù)熱敏電阻器的材料常數(shù) 。 若對(duì)上式取對(duì)數(shù) ， 則得： 0e x p0 TTBRR PTT 0lnln 0 TPT RTTBR 以 lnRT、 T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，便得到下圖。 ） 可見(jiàn)： 正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻溫度系數(shù) tp ，正好等于 它的材料常數(shù) BP的值。

48、lnRr1 lnRr2 BP mR BP=tg =mR/mr T1 T2 lnRr0 mr lnRTT 表示的 PTC熱敏電阻器電阻 溫度曲線 lnRr T PPT PTPT T tp BTTBR TTBRB dT dR R 0 0 e x p e x p1 0 0 若對(duì)上式微分，可得 PTC熱敏電阻的電阻溫度系數(shù) tp a b c d Um U0 I0 Im U/V I/mA NTC熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性 （ 二 ） 熱敏電阻器的伏安特性 （ U I） 熱敏電阻器伏安特性表示加在其兩端的電壓和通過(guò)的電流 ， 在 熱敏電阻器和周圍介質(zhì)熱平衡 （ 即加在元件上的電功率和耗散 功率相等 ） 時(shí)的互

49、相關(guān)系 。 1.負(fù)溫度系數(shù) （ NTC） 熱敏電阻器的伏安特性 該曲線是在環(huán)境溫度為 T0時(shí)的靜態(tài)介 質(zhì)中測(cè)出的靜態(tài) U I曲線 。 熱敏電阻的端電壓 UT和通過(guò)它的電流 I有如下關(guān)系： 0 0 0 0 e x p 11e x p TT TBIR TTBIRIRU NNTT T0 環(huán)境溫度； T 熱敏電阻的溫升。 2正溫度系數(shù)（ PTC）熱敏電阻器的伏安特性 曲線見(jiàn)下圖，它與 NTC熱敏電阻器一樣，曲線的起始段為直 線，其斜率與熱敏電阻器在環(huán)境溫度下的電阻值相等。這是因?yàn)?流過(guò)電阻器電流很小時(shí)，耗散功率引起的溫升可以忽略不計(jì)的緣 故。當(dāng)熱敏電阻器溫度超過(guò)環(huán)境溫度時(shí)，引起電阻值增大，曲線 開(kāi)始彎

50、曲。 當(dāng)電壓增至 Um時(shí)，存在一個(gè)電流最大值 Im；如電壓 繼續(xù)增加，由于溫升引起電阻值增加速度超過(guò)電壓增加的速度， 電流反而減小，即曲線斜率由正變負(fù)。 104 103 102 101 105 Um 101 102 103 100 10-1 Im PTC熱敏電阻器的靜態(tài)伏安特性 （三）功率 -溫度特性（ PTT） 描述熱敏電阻器的電阻體與外加 功率之間的關(guān)系，與電阻器所處 的環(huán)境溫度、介質(zhì)種類和狀態(tài)等 相關(guān)。 當(dāng)熱敏電阻器由溫度 T0增加到 TU時(shí)，其電阻值 RTr隨時(shí)間 t 的變化規(guī)律為： 式中 RTt 時(shí)間為 t時(shí)，熱敏電阻的阻值； T0 環(huán)境溫度； Tu 介質(zhì)溫度 (TuT0); RTa

51、 溫度 Ta時(shí) ,熱敏電阻器的電 阻值； t 時(shí)間。 當(dāng)熱敏電阻由溫度 Tu冷卻 T0時(shí) ， 其電阻值 RTt與時(shí)間的關(guān)系 為： Ta a n uu n Tt RT B tTT BR ln )/e x p()T(ln 0 Ta a n u n Tt RT B tT BR ln )/e x p()T(ln 0 （ 四 ） 熱敏電阻器的動(dòng)態(tài)特性 熱敏電阻器的電阻值的變化完全是由熱現(xiàn)象引起的 。 因此 ， 它的變化必然有時(shí)間上的滯后現(xiàn)象 。 這種電阻值隨時(shí)間變化 的特性 ， 叫做熱敏電阻器的動(dòng)態(tài)特性 。 動(dòng)態(tài)特性種類： 周圍溫度變化所引起的加熱特性；周圍溫 度變化所引起的冷卻特性；熱敏電阻器通電加熱

52、所引起的自熱 特性 。 伏安特性 的位置 在儀器儀表中的應(yīng)用 U m 的左邊 溫度計(jì) 、 溫度差計(jì) 、 溫度補(bǔ)償 、 微小溫度檢測(cè) 、 溫度報(bào)警 、 溫度繼電器 、 濕度計(jì) 、 分子量測(cè)定 、 水分計(jì) 、 熱計(jì) 、 紅外 探測(cè)器 、 熱傳導(dǎo)測(cè)定 、 比熱測(cè)定 U m的附近 液位測(cè)定 、 液位檢測(cè) U m的右邊 流速計(jì) 、 流量計(jì) 、 氣體分析儀 、 真空計(jì) 、 熱導(dǎo)分析 旁熱型 熱敏電阻器 風(fēng)速計(jì) 、 液面計(jì) 、 真空計(jì) （一）檢測(cè)和電路用的熱敏電阻器 （ U m 峰值電壓） 檢測(cè)用 的熱敏電阻在儀表中的應(yīng)用 四、熱敏電阻器的應(yīng)用 電路元件 熱敏電阻器在儀表中應(yīng)用分類 在儀器儀表中的應(yīng)用 U

53、m 的左邊 偏置線圖的溫度補(bǔ)償 、 儀表溫度補(bǔ)償 、 熱電偶溫度補(bǔ)償 、 晶體管溫度補(bǔ)償 U m的附近 恒壓電路 、 延遲電路 、 保護(hù)電路 U m的右邊 自動(dòng)增益控制電路 、 RC振蕩器 、 振幅穩(wěn)定電路 測(cè)溫用的熱敏電阻器 ， 其工作點(diǎn)的選取 ， 由熱敏電阻的伏 安特性決定 。 伏安特性 的位置 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) 6 5 4 3 2 1 1 2 D0.20.5 A型 B型 ( j ) 溫度檢測(cè)用的各種熱敏電阻器探頭 1熱敏電阻； 2鉑絲； 3銀焊； 4釷鎂絲； 5絕緣柱； 6玻璃 （ 二 ） 測(cè)溫用的熱敏電阻器 1、 各種熱敏電阻傳感器

54、結(jié)構(gòu) 2、 測(cè)表面電阻用的熱敏電阻器安裝方法 圖為測(cè)表面溫度用的熱敏電阻器的各種安裝方式 。 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) 油 測(cè)量物體表面溫度時(shí)熱敏電阻器的安裝方式 1 2 3 4 1 2 3 4 5 Ir/mA U/V UR=IT0R U R=IT1R UR=IT2R UR=IT0R0 UR=IT1R1 U R=IT2R2 IT0 IT1 IT2 自熱電橋測(cè)量溫線路 3、 熱敏電阻測(cè)溫電橋 mA Ir R UR E Rr UT 自熱電橋及其等效電路 RT R5 R6 R3 (R1) En + + U2 UT R IT E UR Rr (a) (b) (c)

55、 R1 En A R1 R2 R4 R3 U + （ 三 ） 熱敏電阻作溫度補(bǔ)償用 由熱敏電阻器 RT和與溫度無(wú)關(guān)的線性 電阻器 R1和 R2串并聯(lián)組成 ， 補(bǔ)償溫度范圍 為 T1 T2。 對(duì)于晶體管低頻放大器和功率 放大器電路的溫度補(bǔ)償 ， 可用下列公式確 定熱敏電阻器的型號(hào)： R(T) R1 R2 Rr 溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 021 2120 0T 221 2122 2T 121 2121 1T )(TR )(TR )(TR TRrr rrrTR TRrr rrrTR TRrr rrrTR )11(e x p)()( 01 01 TTBTRTR NTT )11(e x p)()( 02 02 TT

56、BTRTR NTT T025 時(shí)的溫度 tn=-BN/T2 4.3 IC溫度傳感器 設(shè)計(jì)原理：利用半導(dǎo)體 PN結(jié)的電流電壓與溫度有關(guān)的特性。 優(yōu)點(diǎn)：輸出線性好、測(cè)量精度高 , 傳感驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路 等都與溫度傳感部分集成在一起 ,因而封裝后的組件體積非常小 , 使用方便 ,價(jià)格便宜 ,故在測(cè)溫技術(shù)中越來(lái)越得到廣泛應(yīng)用。 一、 IC溫度傳感器的分類 電壓型 IC溫度傳感器 ； 電流型 IC溫度傳感器 ， 數(shù)字輸出型 IC溫度傳感器。 電壓型 IC溫度傳感器是將溫度傳感器基準(zhǔn)電 壓、緩沖放大器集成在同一芯片上 ,制成一四端器件。因器件有 放大器；故輸出電壓高、線性輸出為 10mV ；另外 ,

57、由于其具 有輸出阻抗低的特性；抗干擾能力強(qiáng)，故不適合長(zhǎng)線傳輸。這 類 IC溫度傳感器特別適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。 電流型 IC溫度傳感器是把線性集成電路和與之相容的薄膜 工藝元件集成在一塊芯片上 ,再通過(guò)激光修版微加工技術(shù) ,制造 出性能優(yōu)良的測(cè)溫傳感器。這種傳感器的輸出電流正比于熱力 學(xué)溫度，即 1 A/K；其次，因電流型輸出恒流，所以傳感器具 有高輸出阻抗。其值可達(dá) 10M。這為遠(yuǎn)距離傳輸深井測(cè)溫提供 了一種新型器件。 二 、 IC溫度傳感器的測(cè)溫原理 電流型 IC溫度傳感器的測(cè)溫原理 ， 是基于晶體管的 PN結(jié)隨 溫度變化而產(chǎn)生漂移現(xiàn)象研制的 。 眾所周知 ， 晶體管 PN結(jié)的這 種溫漂 ，

58、 會(huì)給電路的調(diào)整帶來(lái)極大的麻煩 。 但是 ， 利用 PN結(jié)的 溫漂特性來(lái)測(cè)量溫度 ， 可研制成半導(dǎo)體溫度傳感元件 。 IC溫度 傳感器就是依據(jù)半導(dǎo)體的溫漂特性 ， 經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)而制造出來(lái) 的集成化線性較好的溫度傳感器件 。 利用電流 I與 Tk的正比關(guān) 系 ， 通過(guò)電流的變化來(lái)測(cè)量溫度的大小 。 三 、 IC溫度傳感器的主要特性 （ 一 ） 電壓輸出型集成溫度傳感器 AN6701S是日本松下公司生產(chǎn)的電壓輸出型集成溫度傳感器 ，它有四個(gè)引腳，三種連線方式： (a)正電源供電， (b)負(fù)電源 供電， (c)輸出極性顛倒。電阻 RC用來(lái)調(diào)整 25 下的輸出電壓， 使其等于 5V， RC的阻值在 3

59、30k范圍內(nèi)。這時(shí)靈敏度可達(dá) 109110mV/ ，在 -1080 范圍內(nèi)基本誤差不 1 。 輸出 AN67 01 (a) 1 2 4 3 RC 515V AN67 01 輸出 (c) 10k RC 3 1 2 4 515V - + + 100k 10k 100k AN670 1 (b) 2 1 3 輸 出 4 5 15V RC 在 -1080 范圍內(nèi)， RC的值與輸出特性的關(guān)系如下圖。 AN6701S有很好的線性，非線性誤差不超過(guò) 0.5%。若在 25 時(shí)借助 RC將輸出電壓調(diào)整到 5V，則 RC的值約在 330k間， 相應(yīng)的靈敏度為 109110mV/ 。校準(zhǔn)后，在 -1080 范圍 內(nèi)，

60、基本誤差不超過(guò) 1 。這種集成 傳感器在靜止空氣中 的時(shí)間常數(shù)為 24s，在流動(dòng)空氣中為 11s。電源電壓在 515V 間變化，所引起的測(cè)溫誤差一般不超過(guò) 2 。整個(gè)集成電 路的電流值一般為 0.4mA，最大不超過(guò) 0.8mA（ RL=時(shí)）。 輸 出 電 壓 /V 0 2 4 6 8 10 12 20 0 20 40 60 80 RC=100k R C=10k RC=1k 溫度 /C AN6701S的輸入特性 （ 二 ） 電流型溫度傳感器 1 伏安特性 工作電壓： 4V 30V， I 為一恒流值輸出 ， I Tk， 即 KT 標(biāo)定因子 ， AD590的標(biāo)定因子為 1 A/ I = KT TK

61、4V 30V 0 I/A U/V AD590伏安特性曲線 -55 +25 +150 218 298 423 55 0 150 273.2A I/ A TC / C AD590溫度特性曲線 2 溫度特性 其溫度特性曲線函數(shù)是以 Tk為變量的 n階多項(xiàng)式之和 ， 省略 非線性項(xiàng)后則有 : Tc 攝氏溫度； I 的單位為 A。 可見(jiàn) ， 當(dāng)溫度為 0 時(shí) ， 輸出電流為 273.2 A。 在常溫 25 時(shí) ， 標(biāo)定輸出電流為 298.2 A。 I=KTTc 273.2 在實(shí)際應(yīng)用中 ， T 通過(guò)硬件或軟件進(jìn)行補(bǔ)償校正 ， 使測(cè)溫精度 達(dá) 0.1 。 其次 ， AD590恒流輸出 ， 具有較好的抗干擾

62、抑制比和 高輸出阻抗 。 當(dāng)電源電壓由 5V向 10V變化時(shí) ， 其電流變化僅 為 0.2 A/V。 長(zhǎng)時(shí)間漂移最大為 0.1 ， 反向基極漏電流小于 10pA。 3 AD590的非線性 55 100 ， T遞增， 100 150 則是遞降。 T最大可 達(dá) 3 ，最小 T 0.3 ，按檔級(jí)分等。 150 55 T/C 0.3 0.3 0 T/C AD590 非線 性誤差曲線 （ 三 ） 數(shù)字輸出型 IC溫度傳感器 美國(guó) DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器 DS1820， 可 把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理 。 由于每片 DS1820含有唯一的串行序列號(hào) ， 所以在一條總線上

63、可掛接任意 多個(gè) DS1820芯片 。 從 DS1820讀出的信息或?qū)懭?DS1820的信息 ， 僅需要一根口線 （ 單總線接口 ） 。 讀寫及溫度變換功率來(lái)源于 數(shù)據(jù)總線 ， 總線本身也可以向所掛接的 DS1820供電 ， 而無(wú)需額 外電源 。 DS1820提供九位溫度讀數(shù) ， 構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)而 無(wú)需任何外圍硬件 。 、 DS1820的特性 單線接口：僅需一根口線與 MCU連接；無(wú)需外圍元件；由 總線提供電源；測(cè)溫范圍為 -55 125 ，精度為 0.5 ；九 位溫度讀數(shù)； A/D變換時(shí)間為 200ms；用戶可以任意設(shè)置溫度上、 下限報(bào)警值，且能夠識(shí)別具體報(bào)警傳感器。 DS 1820

64、1 2 3 GND I/O VDD (a) PR 35封裝 DS1820的管腳排列 DS1820 1 2 3 4 5 6 7 8 I/O GND (b) SOIC封裝 NC NC NC NC VDD NC 2、 DS1820引腳及功能 GND：地； VDD：電源電壓 I/O：數(shù)據(jù)輸入輸出腳 (單線接口，可作寄生供電 ) 存儲(chǔ)器控制邏輯 64bit ROM 和單線 接口 電 源 檢 測(cè) 溫度傳感器 高溫觸發(fā)器 低溫觸發(fā)器 8位 CRC觸發(fā)器 存 儲(chǔ) 器 DS1820內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 3 、 DS1820的工作原理 圖為 DS1820的內(nèi)部框圖，它主要包括 寄生電源 、 溫度傳感 器 、 64位激光 R

65、OM單線接口 、 存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器 （內(nèi) 含便箋式 RAM），用于存儲(chǔ)用戶設(shè)定的溫度上下限值的 TH和 TL 觸發(fā)器存儲(chǔ)與控制邏輯、 8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC）發(fā)生器等 七部分。 (1)寄生電源 寄生電源由兩個(gè)二極管和寄生電容組成。電源檢測(cè)電路用 于判定供電方式。寄生電源供電時(shí) ,電源端接地，器件從總線上 獲取電源。在 I/O線呈低電平時(shí)，改由寄生電容上的電壓繼續(xù)向 器件供電。寄生電源兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)遠(yuǎn)程溫度時(shí)無(wú)需本地電源； 缺少正常電源時(shí)也能讀 ROM。若采用外部電源 ,則通過(guò)二極管向 器件供電。 DS1820內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào) f0， 高溫度系數(shù)振蕩器則將

66、被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào) f。當(dāng)計(jì)數(shù)門打開(kāi) 時(shí)， DS1820對(duì) f0計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)門開(kāi)通時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。 芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對(duì)頻率的非線性予以補(bǔ)償。測(cè)量結(jié) 果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應(yīng)為 9位（符號(hào)點(diǎn) 1 位），但因符號(hào)位擴(kuò)展成高 8位，故以 16位補(bǔ)碼形式讀出，表 3.4-1 給出了 DS1820溫度和數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 溫度 / 輸出的二進(jìn)制碼 對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制碼 +125 0000000011111010 00FAH +25 0000000000110010 0032H +1/2 0000000000000001 0001H 0 0000000000000000 0000H -1/2 1111111111111111 FFFFH -25 1111111111001110 FFCEH -55 1111111110010010 FF92H DS1820溫度與數(shù)字量對(duì)應(yīng)關(guān)系表 溫度測(cè)量電路 斜率累加器 計(jì)數(shù)器 1 計(jì)數(shù)器 2 低溫度系數(shù)晶振 高溫度系數(shù)晶振 =0 =0 預(yù)置 溫度寄存器 預(yù)置 比較 停止 置位 / 清零 加 1 (2) 溫度測(cè)量原理 DS182