第八章 热电式传感器

二、热电偶的种类和结构 1．热电极材料的基本要求 热电势足够大，测温范围宽、线性好； 热电特性稳定； 理化性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀； 电阻温度系数α 、电阻率ρ小； 易加工、复制性好； 价廉。
2、热电偶的结构
热电偶电极的 绝缘方法
（a）裸线热电偶； （b）珠形绝缘热电偶； （c）双孔绝缘子热电偶（d）石棉绝缘管热电偶
二、半导体热敏电阻
热敏电阻温度曲线
①负温度系数（NTC）型，是 由某些金属氧化物的混合物高 温烧结而成。其电阻值随温度 增加而下降，色标标记为绿色。 用于温度测量、补偿元件； ②正温度系数（PTC）型，由钛酸钡和钛酸锶的混合物高温烧结 而成。其电阻值随温度增加而增加，色标标记为红色。用于温度控 制、限流元件； ③临界负温度系数（CTR）型，其电阻值随温度增加而下降，当温 度超过某一临界温度后，其阻值随温度增加而急剧下降，色标标记 为白色。温度开关元件。
T
回路中总的汤姆逊电势：
E A (T T0 )－EB (T T0 ) （ A B )dT
T0
A-----导体A的汤姆逊系数；表示导体A两端的温度差 为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，铜的σ =2μV/℃。 B-----导体B的汤姆逊系数。
综合考虑两种效应，当T≠T0时，总的热电势为
GTi——热敏电阻在Ti时的电导。 Ti----测温中点。
6、热敏电阻测温电路
（0~100℃输出电压为0~5V，其灵敏度为50mV/℃。）
7、热敏电阻在生物医学中的应用 （1）测温探头
口腔型探头 表面型探头 注射针型探头
（2） 测量呼吸曲线 和呼吸次数的热敏电 阻传感器
（3）电子体温计
第二节 一、工作原理
k-----波尔兹曼常数； e-----电子电荷量； nA、nB-----A、B两种材料的电子密度。
（2）汤姆逊效应 导体A中的汤姆逊电势：
E A (T T0 ) A dT
T0
T
To A eA(T,To)
导体B中的汤姆逊电势：
E B (T T0 ) B dT
T0
T
T
（1）珀尔帖效应 ：
A
+
-
B
T
eAB(T)
接触点T处接触电势： 接触点T0处接触电势： 总接触电势：
k e
k T0 n A E AB (T0 ) ln e nB
nA nB
k T nA E AB (T ) ln e nB
E AB (T ) E AB (T0 ) (T T0 ) ln
E AB (T，T0 ) －E BA (T，T0 ) E AB (T0，T )
2、热电偶的基本定则 （1）中间导体定则
（2）中间温度定则
E AB (T，T0 ) E AB (T，Tn )＋E AB (Tn，T0 )
E AB (T， ) E AB (T，Tn )＋E AB (Tn，) 0 0
E AB T , Tn 0.465 mV
T=75℃ ； k=0.82
查修正系数表 此时该热电偶的 而 Tn =21℃
则实际温度
T=75+0.82×21=92.2℃
热电偶修正系数表
（3）冷端温度自动补偿法
利用中间温度定则：
E AB (T，) E AB (T，Tn 标准（参考）电极定则
E AB (T，T0 ) E AC (T，T0 ) E BC (T，T0 )
以C作为标准电极，一般C为铂，构建热电偶A、B。
例：
E铜,铂 100， （ 0）＝0.76 mV
E康铜 ,铂 100， （ 0）＝－3.5mV
E铜康铜 100， （ 0）＝0.76－（－3.5）＝4.26 mV
2
Rt-----温度为t℃时的金属电阻值； R0-----温度在0℃时的金属电阻值； 、 -----与材料有关的常数。 大则灵敏度高； 恒定，以保证线性关系； 大，体积尺寸小； 性能要求： 良好的稳定性； 重复性好。 适宜制作热电阻的材料有：铂、铜、镍、铁等。 最常用的金属热电阻材料是铂和铜。
A 4.29 10 ( C )
A、B、C为常数
3 0
1
B 2.13 10 ( C )
C 1.23 10 ( C )
9 0
7 0
2
3
金属热电阻的结构形式：棒式、笼式、薄片式等。
桥式测量电路：
测量误差源： ①引线电阻： 三导线接法 ②接触电阻： 接触点恒温；交流电源激励 ③自热效应------电流流过电阻元件产生。工作电 流<10mA 。
5、热敏电阻的线性化
①并联（恒流源） ②串联（恒压源）
R R p // RT
RT R0 e B 2Ti R p RTi ( B 2Ti )
0
1 B ( T T1 )
1 Rs
G s GTi (
B 2Ti B 2Ti
)
RTi----热敏电阻在中点温度Ti的阻值； Ti----测温中点。
I S T e


Eg 0 KT
α----与温度无关的常数； γ----与迁移率有关的常数（一般γ=1.5～3）； Eg0----绝对零度（0K）下的材料禁带宽度。
④热电势大小与热电极的几何形状和尺寸无关。
E AB (T，T0 ) E (T ) E (T0 ) E (T ) C (T )
（TO恒定）
⑤当两热电极材料不同，且A、B固定（即nA、nB、 A、B为常数），热电势EAB(T，T0)便为两接点 温度（T，T0）的函数
这就是热电偶测温原理。 ⑥热电势的极性：热端失去电子为正，获得电子 为负，且有
线性范围较宽， 一 般 为 － 40 ～ １00℃。
工作于恒流源情况下的Ge、Si二极管电压温度特性
对于理想二极管，其正向电流IF与正向电压VF 和温度T的关系为： qVF
IF ISe
KT
K---- 玻 尔 兹 曼 常 数 （ 1.381023J/K ） ； q----- 电 子 电 荷 （ 1.61019C ） ； Is----PN结反向饱和电流。
1 ln RT ln R0 B( T T10 )
B
T0T T0 T
ln
RT R0
T
1 RT

dRT dT
TB2
NTC型热敏电阻的电阻温度系数与温度的平方成反比。
珠状热敏电阻的 电阻-温度特性
2、伏安特性
3、半导体热敏电阻的结构
玻璃封装的珠状热敏电阻
4、热敏电阻的主要技术参数 ⑴标称电阻值RH，（25±0.2℃）时的电阻值，又称冷 电阻。 ⑵电阻温度系数，温度变化1℃时，热敏电阻阻值的 变化率（％/℃）。 ⑶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/℃）。 ⑷热容c，热敏电阻温度变化1℃时所需吸收或释放的热 量（J/℃）。 ⑸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(T-T0)时 所需的时间（s）。
若维持两个接触点的温度差，这种回路就可 作为电源，称为温差电偶或温差电池。 温差电现象是可逆的 ：
可用作热制冷 。
温差电现象示意图：
（1）珀尔帖效应 —— 自由电子密度不同的两种金属接 触处，由于电子的扩散现象在接触 点处形成接触电势或珀尔帖电势， 这种电势还与接点温度有关。 （2）汤姆逊效应 —— 对于单一均质导体，当两端温 度不相等时，由于导体内自由电子 在低温端相对堆积的结果，在其两 端形成的电势称为温差电势或汤姆 逊电势。
NTC型热敏电阻 1、电阻-温度特性（低于450℃）
RT R0 e
1 B ( T T1 ) 0
RT ——温度T（绝对温度）时的阻值； R0 ——参考温度（绝对温度）时的阻值；
两边同取自然对数 则 电阻温度系数
B——热敏电阻的材料系数，常取2000～6000K； T——热力学温度，T=273+t（t为摄氏温度）。
㈠铂热电阻 电阻-温度关系： ①0～630℃范围内:
Rt R0 (1 At Bt )
2
②200～0℃内:
Rt R0 [1 At Bt C (t 100 )t ]
2 3
Rt——温度为t℃时的铂电阻值； R0——温度为0℃时的铂电阻值。
A 3.983 10 ( C )
（a)外露的接点 （b）隔离的接点 （c）接壳的接点 （d）微型热电偶
为了提高灵敏度， 增加输出电压，可把 许多热电偶串联起来， 使奇数的接触点都测 量同一温度，而使偶 数的接触点保持同一 参比温度，这样就可 以增加灵敏度。
铜-康铜热电偶分度表（自由端温度0℃）
四、热电偶冷端的温度补偿 热电偶标准分度表是以T0＝0℃为参考温度条 件下测试制定的，只有保持T0＝0℃，才能直接 应用分度表或分度曲线。 1、 0℃恒温法： 热电偶冷端置于冰水混合物的0℃恒温器内。
U E AB (T , T0 ) U ab
五、典型的医学应用
肿瘤受超声加热治疗时的热电偶测温装置示意图
第三节
PN结型温度传感器
分类
二极管温度传感器 三极管温度传感器 集成电路温度传感器 较好的线性度； 尺寸小； 响应快； 灵敏度高； 测温范围：－５０～１５０℃
特点
一、二极管温度传感器
直流 恒流源
热电偶式传感器
温差电现象或塞贝克效应 —— 将两种不同的导体（金属或合金）A和B组成一个闭 合回路（称为热电偶），若两接触点温度(T、T0)不同， 则回路中有一定大小电流流过。 热电势或塞贝克电势——
回路中的电势 ，用EAB （T,T0）或EAB（t , t0）表示。