7-热电式传感器

7.1.1 金属热电阻
7.1.1.3 热电阻的应用
1．铂热电阻测温
恒压工作的铂热电阻测温电路如图7-4（a）所示。 热电阻选用TRRA1023B(Pt1000)，R0＝1000 ； 传感器工作电压UB＝10V＋e1。 测温电桥输出： R1R U B A2 U out ； ( R1 R0 R)(R1 R0 ) 可得10mV/℃的电压灵敏度。

7.1.1 金属热电阻
1．铂热电阻（WZP）
结构材料：φ0.02～0.07mm Pt丝绕在云母等绝缘骨架上 （无感绕制），装入保护套管，接出引线；或箔式结构；薄 膜式结构。 ＝0.0981×106 · ； m
图铂热电阻的结构
7.1.1 金属热电阻
测温范围和应用： －259.340)＝R100 / R0 基准铂热电阻：W(100)≥1.39256， 纯度99.9995％；
1．标称电阻值RH，(25±0.2℃)时的电阻值，又称冷电阻。 2．电阻温度系数，温度变化1℃时，热敏电阻阻值的变化 率（％/℃）。 3．耗散系数H，热敏电阻温度与周围介质温度相差1℃时所 耗散的功率(W/℃)。 4．热容c，热敏电阻温度变化1℃时所需吸收或释放的热量 （J/℃）。 5．能量灵敏度G＝(H/)×100，使热敏电阻的阻值变化1% 时所需耗散的功率(W)。 6．时间常数＝cH，温度为T0的热敏电阻突然置于温度为T 的介质中，热敏电阻的温度增量T=0.632(TT0)时所需的时间 (s)。
图7-17 热敏电阻流量计
7.1.2 半导体热敏电阻
2.温度控制 利用热敏电阻的温度控制电路如图7-18所示。
图7-18 温度控制电路
7.1.2 半导体热敏电阻
3．温度上、下限报警 热敏电阻温度上、下限报警电路如图7-19所示。
图7-19 温度上下限报警电路
7.1.2 半导体热敏电阻
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 路，相应的输出电压为0~5V，其灵敏度为50mV/℃。
3．A/D转换器比例工作的热电阻温度测量电路
测温电路如图7-11、图7-12所示。
图7-12 铂电阻A/D转换测温电路
7.1.2 半导体热敏电阻
热敏电阻的类型：
PTC，温度控制，限流元件； NTC，温度测量，补偿元件； CTR，温度开关元件。 热敏电阻温度曲线如图7-13所示。
图7-13 热敏电阻特性曲线
7.2 p－n结型温度传感器
Ube1和Ube2反极性串接施加在电阻R上，则R上电压为：
U T U be U be 2 U be1 kT 8J 1 kT ln ln 8 179T (V ) q J1 q
通过R的电流 I R I1 179 / R ，IT ＝2I1，若取R＝358， T 则 kT＝IT/T＝2×179/358＝1(A/K) 所以 IT＝kT· T
7.1.1 金属热电阻
7.1.1.2 热电阻测量线路
直流电桥线路，主要考虑其引线电阻和接触电阻影响， 常采用三线接法和四线接法。如图7-2、图7-3所示。 其次考虑工作电流的热效应影响，工作电流<10mA。
图7－2 热电阻测温电桥的三线连接法
7.1.1 金属热电阻
图7-3 热电阻测温电桥的四线连接法
7.2 p－n结型温度传感器
7.2.4 集成温度传感器的典型应用
1．测量温度 AD590远程温度测量 如图7-25所示。
图7-25 AD590摄氏温度测量电路
7.2 p－n结型温度传感器
数字温度计 如图7-26所示。
图7-26 XSW-1型数字温度计
7.2 p－n结型温度传感器
2.测量温差 如图7-27所示。 I=IT1IT2＝kT( T1T2)； U0＝IR3＝kTR3(T1T2)＝f( T1T2 )
7.1.2 半导体热敏电阻
7.1.2.3 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。 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7-17 所示。
第7章 热电式传感器
温度 电信号（电阻、电压、电流等）
热电式传感器
热电阻 PN结型热电式传感器 热电偶
7.1 热电阻
温度t

电阻Rt
热电阻： 金属热电阻（铂热阻、铜热阻等） 半导体热敏电阻（PTC、NTC、CTR）
1.7.1.1 金属热电阻
7.1.1.1 原理、结构和材料
原理：电阻-温度效应—大多数金属导体的电阻都 随温度而变化。电阻-温度特性方程： Rt=R0 (1 + t +t2 + … ) （7-1） 热电阻感温元件—纯金属材料，其性能要求： 大则灵敏度高； 理化性能稳定； 恒定，以保证线性关系； 大，体积尺寸小； 复现性好。
dT q ln IS const
7.2 p－n结型温度传感器
7.2.2 晶体管温度传感器
将NPN型晶体管的bc结短接，利用be结作为感温器件， 接近PN结理想特性，如图7-21所示—测温原理。
图7-21 晶体管温度传感器
7.2 p－n结型温度传感器
7.2.3 集成温度传感器
一只晶体管发射极电流密度Je 1 J e J s (e qU / kT 1) a 通常a1，JeJs，则 kT aJ e
7.1.2 半导体热敏电阻
7.1.2.1 热敏电阻主要特性(NTC热敏电阻) 1．电阻－温度特性
RT Ae
B /T
R0e
1 1 B( ) T T0
T1T0 R0 B ln T1 T0 R1
A R0 e B T0
图7-14 NTC热敏电阻温度特性 R B 1365ln 20 ＝(2000～6000)K R100
7.1.1 金属热电阻
图7－4 恒压工作铂 热电阻测温电路 （a）测温电路； （b）直流/交流变换器电路
7.1.1 金属热电阻
恒流工作的铂热电阻测温电路如图7-5所示。传感器的工作 电流约为1mA，此时传感器的灵敏度约为3mV/℃，一般运放 都可选用。
图7-5 恒流工作铂 热电阻测温电路
7.1.1 金属热电阻
图7-29 AD590温度控制系统
7.3 热电偶
7.3.1 热电偶的工作原理
7.2 p－n结型温度传感器
AD590电流型集成温度传感器（图7-23）
测温原理： 晶体管对T3T4使IT分为I1=I2 ，起恒流作用；T1, T2起感温 作用； T1由8只与T2相同的晶体 管并联而成，因此，T2中的电流 密度J2为T1中的电流密度J1的8 倍，即 J2＝8J1
图7-23 输出电流正比于绝对温度的AD590温度敏感电路
若：
T0＝20℃(＝293K) R0=R20 (额定电阻)； T1＝T＝100℃ R1＝R100 ；
B—热敏电阻常数。
热敏电阻温度系数：
＝
1 dRT B 2 RT dT T
若B＝4000K，T＝323K(50℃)，则＝3.8％/℃，大！
7.1.2 半导体热敏电阻
2.伏-安特性
在稳态下，通过热敏电阻的电流I与其两端之间的电压U的 关系，称为热敏电阻的伏-安特性。如图7-15所示。 当电流很小时，不足以使热敏电阻产生温升，则其电阻 值只决定于环境温度，伏-安特性 呈线性，遵循欧姆定律，主要用 于测温。 当电流增大到一定值时， 使热敏电阻产生温升，会出 现负阻特性。
7.1.1 金属热电阻
2.铜热电阻（WZC）
结构材料：Cu丝绕制，＝(4.25～4.28) ×10-3 / ℃ ＝ 0.017×10-6 · m； 测温范围和：50℃～50℃，0.5℃， 50℃～100℃，(1％)t 电阻－温度特性：Rt=R0 (1 + t )，在测温范围内线性。 分度号：Cu100，Cu50，等。 分度表：见附表7-2 另外，铁、镍材料也可制作热电阻温度计。
图7-27 AD590温差测量电路
7.2 p－n结型温度传感器
3．测最低温度 AD590串连，如图7-28所示； 4．测平均温度 AD590并连，如图7-28所示。
图7－28 AD590测最低温度、平均温度
7.2 p－n结型温度传感器
5.温度控制 AD590作为温度控制的感温元件，如图7-29所示
7.2 p－n结型温度传感器
AD590的特性：
1）伏安特性 当U=4～30V时，理想恒流源，电流只随温度T变化； 2）温度特性 55℃～150℃，IT与T有较好的线性，输出电流灵敏度kI ＝1A/K；非线性误差为T＝(0.3～3)℃； 3）精度：可达0.5℃
图7-24 AD590基本特性曲线
图7-20 温度测量电路
5．热电偶温度冷端补偿 后面介绍。
7.2 p－n结型温度传感器
7.2.1 二极管温度传感器(恒流正向应用)
PN结伏安特性：
I I S (e qU / kT 1) I S e qU / kT
则
kT I U ln q IS
式中，I—PN结正向电流；U—PN结正向压降；Is—PN结 反向饱和电流；q—电子电量（1.61019C）；T—绝对温度； k—玻尔兹曼常数（1.3810-23J/K）。 保持I恒定，则U与T成线性关系，这就是PN结的测温 原理，其灵敏度 dU k I
图7-15 热敏电阻伏安特性
7.1.2 半导体热敏电阻
3．安-时特性
热敏电阻的电流-时间曲线如图7-16所示，表示热敏电阻 在不同的外加电压下，电流达到稳定最大值所需要时间。 这是一热平衡过程，一般为0.5～1s。
图7-16 热敏电阻安-时特性
7.1.2 半导体热敏电阻