第4章熱電式傳感器4.1熱電偶傳感器4.2熱電阻式溫度傳感器4.3

PN結(jié)型測(cè)溫傳感器

4.1熱電偶傳感器

4.1.1熱電偶工作原理

1.熱電效應(yīng)

將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B組成一個(gè)閉合回路，如圖

4-1所示，當(dāng)閉合回路的兩個(gè)接點(diǎn)分別置于不同的溫度場(chǎng)t和

t0時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的大小和方向與A、B兩種導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。

圖4-1熱電效應(yīng)

2.接觸電動(dòng)勢(shì)

當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時(shí)，在兩種導(dǎo)體的交界處，自由電子會(huì)進(jìn)行擴(kuò)散，由于兩導(dǎo)體內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同(即電子密度不同)，因此，在兩個(gè)方向上電子

擴(kuò)散的速率就不一樣。圖4-2接觸電動(dòng)勢(shì)形成的過(guò)程

3.溫差電動(dòng)勢(shì)

對(duì)于導(dǎo)體A或B，若將其兩端分別置于不同的溫度場(chǎng)t和

t0中，設(shè)t＞t0，在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端的自由電子具有較大的動(dòng)能，因此向冷端移動(dòng)，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負(fù)電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個(gè)由熱端指向冷端的靜電場(chǎng)。

4.熱電偶回路的總電動(dòng)勢(shì)

將導(dǎo)體A和B首尾相接組成回路，如果導(dǎo)體A的電子密度大于導(dǎo)體B的電子密度，且兩接點(diǎn)的溫度不相等，則在熱電偶回路中存在著4個(gè)電動(dòng)勢(shì)，即兩個(gè)接觸電動(dòng)勢(shì)和兩個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì)。勢(shì)電偶回路的總電動(dòng)勢(shì)為

EAB(t,t0)=eAB(t)－eAB(t0)－eA(t,t0)+eB(t,t0)

(4-1)

實(shí)踐證明，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動(dòng)勢(shì)，溫差電動(dòng)勢(shì)只占極小部分，可以忽略不計(jì)，故式(4-1)可以寫成

EAB(t,t0)=eAB(t)－eAB(t0)

(4-2)綜上所述，我們可以得出如下結(jié)論：

熱電偶回路中電動(dòng)勢(shì)的大小，只與組成熱電偶的材料和兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺寸無(wú)關(guān)。當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電動(dòng)勢(shì)便是兩接點(diǎn)溫度為t和t0時(shí)的

函數(shù)差,即

EAB(t,t0)=f(t)－f(t0)

如果使冷端溫度t0保持不變，則熱電動(dòng)勢(shì)便成為熱端溫度t的單一函數(shù)，即

EAB(t,t0)=f(t)－c=j(t)

(4-3)4.1.2熱電偶的基本定律

1.均質(zhì)導(dǎo)體定律

如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極材料相同，無(wú)論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電動(dòng)勢(shì)均為零。

根據(jù)這個(gè)定律，可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同(稱為同名檢驗(yàn)法)，也可以檢查熱電極材料的均勻性。

2.中間導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變。

在熱電偶AB回路中接入第三種導(dǎo)體C的情況如圖4-3中(a)、(b)所示。由于第三種導(dǎo)體的引入，給熱電偶回路又構(gòu)成了新的接點(diǎn)，如圖4-3(a)中的點(diǎn)3和點(diǎn)4，圖4-3(b)中的點(diǎn)2和點(diǎn)3，這樣引入第三種導(dǎo)體是否會(huì)影響熱電偶回路的熱電勢(shì)呢？圖4-3熱電偶接入第三種導(dǎo)體先來(lái)分析圖4-3(a)所示的電路，若3、4點(diǎn)的溫度相同(等于t1)，故總的熱電勢(shì)為

EABC(t,t1,t0)=eAB(t)+eBC(t1)+eCB(t1)+eBA(t0)

(4-4)

因?yàn)?/p>

eBC(t1)=－eCB(t1)

(4-5)

eBA(t0)=－eAB(t0)

(4-6)將式(4-5)和式(4-6)代入式(4-4)，得

EABC(t,t1,t0)=eAB(t)－eAB(t0)

(4-7)

可見(jiàn)總的熱電勢(shì)與沒(méi)有接入第三種導(dǎo)體C時(shí)的一樣。

再來(lái)分析圖4-3(b)所示的電路，設(shè)導(dǎo)體A和B接點(diǎn)處的溫度為t，C與A、B兩接點(diǎn)處的溫度相同且為t0，則回路中的總電動(dòng)勢(shì)為

EABC(t,t0)=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0)

(4-8)

根據(jù)能量守恒原理：多種金屬組成的閉合回路中，盡管它們的材料不同，只要各接點(diǎn)的溫度相同，則此閉合回路內(nèi)的總電勢(shì)等于零。若將A、B、C3種金屬組成一個(gè)閉合回路，在各接點(diǎn)的溫度相同時(shí)(都等于t0)，則回路的總熱電勢(shì)等于零,即

eAB(t0)+eBC(t0)+eCA(t0)=0

或者

eBC(t0)+eCA(t0)=－eAB(t0)

(4-9)

將式(4-9)代入式(4-8)，可得

EABC(t,t0)=eAB(t)－eAB(t0)

(4-10)

可見(jiàn)總的熱電勢(shì)與沒(méi)有接入第三種導(dǎo)體C時(shí)的也一樣。

3.標(biāo)準(zhǔn)電極定律

如圖4-4所示，導(dǎo)體A、B分別與標(biāo)準(zhǔn)電極C組成熱電偶，若已知它們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)，即

EAC(t,t0)=eAC(t)－eAC(t0)

EBC(t,t0)=eBC(t)－eBC(t0)

那么，導(dǎo)體A與B組成的熱電偶，其熱電動(dòng)勢(shì)可由下式求得:

EAB(t,t0)=EAC(t,t0)－EBC(t,t0)

(4-11)圖4-4

3種導(dǎo)體分別組成的熱電偶例如，熱端為100℃,冷端為0℃時(shí)，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為2.95mV,而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為－4.0mV，則鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所

產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為

2.95mV－(－4.0mV)＝6.95mV

4.中間溫度定律

熱電偶在兩接點(diǎn)溫度分別為t、t0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度分別為t、tn和tn、t0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，即

EAB(t,t0)=EAB(t,tn)+EAB(tn,t0)

(4-12)4.1.3熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)及種類

1.熱電偶的材料

根據(jù)金屬的熱電效應(yīng)原理，理論上任意兩種不同材料的導(dǎo)體都可以作為熱電極組成熱電偶，但在實(shí)際應(yīng)用中，用作熱電極的材料應(yīng)具備以下幾方面的條件：溫度測(cè)量范圍廣，要求在規(guī)定的溫度測(cè)量范圍內(nèi)具有較高的測(cè)量精確度，有較大的熱電動(dòng)勢(shì)，溫度與熱電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系是單值函數(shù)，最好呈線性關(guān)系；物理穩(wěn)定性要高，要求在規(guī)定的溫度測(cè)量范圍內(nèi)使用時(shí)熱電性能穩(wěn)定；化學(xué)穩(wěn)定性要高，在溫度測(cè)量范圍內(nèi)有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，抗氧化或抗還原性能，即在高溫下不被氧化和腐蝕；材料組織要均勻，有韌性，便于加工成絲；復(fù)現(xiàn)性好，這樣便于成批生產(chǎn)，而且在應(yīng)用上也可保證良好的互換性。但是，要全面滿足以上條件是有困難的。

2.熱電偶結(jié)構(gòu)

1)普通工業(yè)熱電偶的結(jié)構(gòu)

熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護(hù)套管和接線盒等幾個(gè)主要部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖4-5所示。圖4-5普通工業(yè)熱電偶的結(jié)構(gòu)1—接線盒；2—保護(hù)套管；3—絕緣管；4—熱電極

2)鎧裝熱電偶的結(jié)構(gòu)

鎧裝熱電偶是將熱電極、絕緣材料和保護(hù)套管一起經(jīng)過(guò)復(fù)合拉制而成的堅(jiān)實(shí)纜狀組合體，然后將端部偶絲焊接成光滑的球狀結(jié)構(gòu)。絕緣材料為氧化鎂，保護(hù)套管通常是不銹鋼管。根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的溫度高低、化學(xué)性質(zhì)以及所需時(shí)間常數(shù)的大小，其測(cè)量端有露端型、接殼型和絕緣型3種形式。

3)表面型熱電偶

這種薄膜熱電偶通常利用真空鍍膜法把兩電極材料蒸鍍?cè)诮^緣基底上，專門用來(lái)測(cè)量物體表面的溫度，其特點(diǎn)是反應(yīng)速度極快、熱慣性極小。

4)快速熱電偶

它是測(cè)量高溫熔融物體的一種專用熱電偶，整個(gè)熱電偶元件的尺寸很小，稱為消耗式熱電偶。

實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)熱電偶的用途和安裝位置來(lái)選用其結(jié)構(gòu)形式。在熱電偶選型時(shí)，要注意3個(gè)方面：熱電極的材料；保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)、材料及耐壓強(qiáng)度；保護(hù)套管的插入深度。

3.熱電偶種類及特性

1)標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶

所謂標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶，是指制造工藝比較成熟，應(yīng)用廣泛，能成批生產(chǎn)，性能優(yōu)良而穩(wěn)定，并已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中的那些熱電偶。由于標(biāo)準(zhǔn)化文件對(duì)同一型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)型

熱電偶規(guī)定了統(tǒng)一的熱電極材料及其化學(xué)成分、熱電性質(zhì)和允許偏差，故同一型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶互換性好，具有統(tǒng)一的分度表，并有與其配套的顯示儀表可供選用。

2)非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶

非標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶包括鉑銠系、銥銠系及鎢錸系熱電

偶等。4.1.4熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的選用

從熱電效應(yīng)的原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)與兩端溫度有關(guān)。所以，只有將冷端的溫度恒定時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)才是熱端的單值函數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于熱電偶的工作端(熱端)

與冷端距離很近，而且冷端又暴露在空間，易受到周圍環(huán)境溫度波動(dòng)的影響，因而冷端溫度難以保持恒定。在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，要注意型號(hào)的匹配，極性

不能接錯(cuò)，熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線連接點(diǎn)處的溫度不應(yīng)超過(guò)100℃，幾種型號(hào)熱電偶所配用的補(bǔ)償導(dǎo)線的材料列于表

4-2。Ⅰ類型補(bǔ)償導(dǎo)線的材料通常和所配用熱電極的合金材

料相同；Ⅱ類型補(bǔ)償導(dǎo)線的材料通常和所配熱電極的合金

材料不相同。4.1.5熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償

1.冷端恒溫法

0℃恒溫器：將熱電偶的冷端置于溫度為0℃的恒溫器內(nèi)(如冰水混合物)，使冷端溫度處于0℃。這種裝置通常用于實(shí)驗(yàn)室或精密的溫度測(cè)量。

2.計(jì)算修正法

在使用熱電偶測(cè)溫時(shí)，如果冷端溫度不為0℃，則測(cè)出的熱電動(dòng)勢(shì)不能正確地反映熱端的實(shí)際溫度。但是，如果知道了冷端的溫度值，就可以通過(guò)計(jì)算修正的方法得到熱端的實(shí)際溫度值。若冷端溫度為t1，實(shí)際溫度為t，測(cè)得的熱電勢(shì)為EAB(t,t1)，為求得t的實(shí)際溫度值，可根據(jù)中間溫度定律,利用下式進(jìn)行修正：

EAB(t,0)=EAB(t,t1)+EAB(t1,0)

(4-13)由此可知，計(jì)算修正的方法是把測(cè)得的熱電勢(shì)EAB(t,t1)，加上熱端溫度為t1,冷端溫度為0℃時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)EAB(t1,0)，得到實(shí)際溫度下的標(biāo)準(zhǔn)熱電勢(shì)EAB(t,0)。

例如，用鎳鉻—鎳硅熱電偶測(cè)爐溫，當(dāng)冷端溫度為30℃

(且為恒定時(shí))，測(cè)出熱端溫度為t時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為39.17mV，求爐子的真實(shí)溫度。

由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表可查出E(30，0)=1.20mV，根據(jù)式(4-13)計(jì)算出

E(t，0)=(39.17+1.20)mV=40.37mV

再通過(guò)分度表查出其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度

t=977℃

3.電橋補(bǔ)償法

計(jì)算修正法雖然很精確，但不適合于連續(xù)測(cè)溫。為此，有些儀表的測(cè)溫線路中帶有補(bǔ)償電橋，利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度波動(dòng)引起的熱電動(dòng)勢(shì)的變化。電橋補(bǔ)償法原理圖如圖4-6所示。圖4-6電橋補(bǔ)償法原理圖圖中，在熱電偶回路串接一個(gè)補(bǔ)償電橋，電橋的四臂電阻由R1、R2、R3和Rt組成，其中R1、R2、R3的溫度系數(shù)為

0、用錳銅絲繞制，阻值穩(wěn)定；Rt是用漆包銅絲繞制的銅電阻，和熱電偶冷端置于同一溫度處，其阻值隨著熱電偶冷端溫度的升高而增加。

回路輸出電壓U為熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)e(t,t0)、橋臂電阻Rt的壓降Uac及另一橋臂電阻R3上的壓降Ucb三者的代數(shù)和，即

U=e(t,t0)+Uac+Ucb

當(dāng)熱電偶的熱端溫度一定，冷端溫度升高時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)e(t,t0)將會(huì)減??；與此同時(shí)，銅電阻Rt的阻值將會(huì)增大，從而使Uac增大，由此達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康?。在橋路設(shè)計(jì)時(shí)，使R1=R2，R3等于溫度為0℃式的Rt值，

并使得I1=I2=I/2=0.5mA，則自動(dòng)補(bǔ)償?shù)臈l件應(yīng)為

Δe=I1RtαΔt

(4-14)現(xiàn)假設(shè)熱電偶的冷端溫度變化范圍為0～＋50℃,材料采用鉑銠10—鉑，查分度表得出Δe為0.299mV，因此補(bǔ)償電阻

Rt的阻值可以根據(jù)式(4-14)求出

用同樣的方法可以求出采用鎳鉻—鎳硅熱電偶時(shí)Rt約

為20Ω。

4.顯示儀表零位調(diào)整法

當(dāng)熱電偶通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線連接顯示儀表時(shí)，如果熱電偶冷端溫度已知且恒定時(shí)，可預(yù)先將有零位調(diào)整器的顯示儀表的指針從刻度的初始值調(diào)至已知的冷端溫度值上，這時(shí)顯示儀表的示值即為被測(cè)量的實(shí)際溫度值。4.1.6多個(gè)熱電偶的連接使用

多個(gè)熱電偶使用時(shí)常見(jiàn)的連接有串、并聯(lián)兩種方法。

1.串聯(lián)

兩支相同型號(hào)的熱電偶可以組成同向串聯(lián)測(cè)量電路和反向串聯(lián)測(cè)量電路，如圖4-7(a)、(b)所示。圖4-7熱電偶的串聯(lián)在圖4-7(a)中，回路總的熱電動(dòng)勢(shì)等于兩個(gè)熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)之和，即

E=E1+E2

同理，將n個(gè)相同型號(hào)的熱電偶依次按正負(fù)極相串聯(lián)，回路的總熱電動(dòng)勢(shì)等于n個(gè)熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)之和，即

E=E1+E2+…+En

(4-15)

從式(4-15)可以看出，在熱電偶熱電特性近似線性的情況下利用熱電偶的同向串聯(lián)可以測(cè)量各點(diǎn)的溫度之和。在圖4-7(b)中，兩個(gè)熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)方向相反，故輸入儀表的是其差值，即

E=E1－E2

(4-16)

這一差值正反映了兩支熱電偶熱端的溫差。所以在熱電偶熱電特性近似線性的情況下利用熱電偶的反向串聯(lián)可以測(cè)量?jī)牲c(diǎn)的溫度之差。為了減少測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度，要盡可能選用熱電特性一致的熱電偶，同時(shí)要保證兩熱電偶的冷端溫度相同。

2.熱電偶并聯(lián)

有些大型設(shè)備，需測(cè)量多點(diǎn)的平均溫度，可以通過(guò)與熱電偶并聯(lián)的測(cè)量電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。將n個(gè)相同型號(hào)的熱電偶正極和負(fù)極分別連在一起的方法稱為熱電偶并聯(lián)。圖4-8所示為3個(gè)相

同型號(hào)的熱電偶的并聯(lián)。如果n個(gè)熱電偶的電阻均相等，則并聯(lián)后回路總的熱電動(dòng)勢(shì)等于n個(gè)熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)的平均值，即

(4-17)圖4-8熱電偶并聯(lián)4.1.7熱電偶測(cè)量電路

1.基本測(cè)量電路

在被測(cè)溫度比較高、溫度測(cè)量范圍不是很大的情況下可直接將溫度指示儀表接入熱電偶回路。圖4-9所示為采用熱電偶的基本測(cè)量電路，圖中A、B為熱電偶，A′、B′為補(bǔ)償導(dǎo)線，冷端溫度為t0，C為銅導(dǎo)線(在實(shí)際使用時(shí)，可把補(bǔ)償導(dǎo)線一直延伸到配用儀表的接線端子，這時(shí)冷端溫度即為儀表接線端子所處的環(huán)境溫度)，M為配用的毫伏計(jì)。圖4-9熱電偶基本測(cè)量電路

2.熱電偶放大電路

熱電偶的輸出電壓很小，通常每度只有幾十微伏(μV),需要進(jìn)行一定的放大，在放大電路中，要求測(cè)量用的運(yùn)算放大器的漂移必須很小，有關(guān)元件也需認(rèn)真選擇。圖4-10是K型熱電偶放大電路。圖4-10

K型熱電偶放大電路熱電偶的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系為非線性關(guān)系。圖4-11所

示為K型熱電偶以600℃的輸出作為滿刻度，所繪出的非線性誤差曲線。圖4-11

K型熱電偶的非線性誤差

3.線性校正電路

線性校正電路有多種實(shí)現(xiàn)方法，這里介紹一種高次冪級(jí)數(shù)多項(xiàng)式線性校正電路的實(shí)現(xiàn)。設(shè)熱電偶對(duì)應(yīng)溫度的熱電勢(shì)為ut，通過(guò)線性化后熱電偶對(duì)應(yīng)溫度的熱電勢(shì)為uout，則uout和ut的關(guān)系可用高次冪級(jí)數(shù)多項(xiàng)式來(lái)近似表示，即以K型熱電偶為例，uout和ut的線性化近似表達(dá)式為

在600℃時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)ut＝24.902mV，代入上式得輸出

uout=600mV。若要得到uout＝6000mV，上式應(yīng)增大10倍，

于是

(4-18)

AD538內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4-12所示，這種集成電路有3個(gè)輸入U(xiǎn)X、UY和UZ,可組成Uo=UY(UZ/UX)m的函數(shù)關(guān)系，不用外接元件，即可構(gòu)成平方運(yùn)算的電路；片內(nèi)設(shè)有高精度的基準(zhǔn)電壓源，為相關(guān)應(yīng)用提供了方便。圖4-12

AD538內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖圖4-13所示為由AD538構(gòu)成的線性化校正電路，由R4～

R7確定一次系數(shù)和二次系數(shù)的增益，AD538的第4腳輸出10V基準(zhǔn)電壓。如圖連接時(shí)，函數(shù)關(guān)系式中的m=1，UY=UZ=uk，UX＝10V。圖4-13采用AD538的線性化校正電路若調(diào)整RP2使放大電路uk對(duì)ut的增益為249.952，即uk=249.952ut，則式(4-18)可以寫為

考慮到

所以

(4-19)4.2熱電阻式溫度傳感器

4.2.1金屬熱電阻傳感器

1.測(cè)溫原理

金屬熱電阻傳感器是利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。其電阻值與溫度關(guān)系如下式：

(4-20)

(4-21)

2.工業(yè)常用熱電阻

1)鉑電阻(WZP新型號(hào)，WZB舊型號(hào))

金屬鉑易于提純，在氧化性介質(zhì)中，其在高溫下的物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定；但在還原性介質(zhì)中，特別是在高溫下很容易被沾污，使鉑絲變脆，并改變其電阻與溫度間的關(guān)系。因此，要特別注意保護(hù)。在0～650℃的溫度范圍內(nèi)，鉑電阻與溫度的關(guān)系為

Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)

(4-22)

式中，Rt為溫度為t℃的電阻值；R0為溫度為0℃時(shí)的電阻值；A、B、C是常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)求得：

A＝3.950×10-3/℃；

B＝－5.850×10－7/(℃)2；

C＝－4.22×10－22/(℃)3

工業(yè)上用的鉑電阻有兩種，一種是R0＝10Ω，對(duì)應(yīng)的

分度號(hào)為Pt10。另一種是R0＝100Ω,對(duì)應(yīng)的分度號(hào)為Pt100

(見(jiàn)表4-3)。

2)銅電阻(WZC為新型號(hào)，WZG為舊型號(hào))

在－50～＋150℃的范圍內(nèi)，銅電阻與溫度的關(guān)系是線性的，即

Rt=R0［1+a(t－t0)］

(4-23)

式中，a為銅的電阻溫度系數(shù)(4.25×10－3/℃)，其他符號(hào)與式(4-20)的相同。

工業(yè)上用的銅電阻有兩種，一種是R0＝50Ω，對(duì)應(yīng)的分度號(hào)為Cu50(見(jiàn)表4-4)；另一種是R0＝100Ω，對(duì)應(yīng)的分度號(hào)

為Cu100(見(jiàn)表4-5)。它的電阻比R100/R0＝1.428。

3.熱電阻的結(jié)構(gòu)

熱電阻的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電阻、鎧裝熱電阻和薄膜型熱電阻3種。

4.使用時(shí)的注意事項(xiàng)

(1)自然誤差的影響：在用感溫電阻器測(cè)量時(shí)，由于電阻總要消耗一定的電功率，這樣就會(huì)造成電阻值的變化，但這種變化是不希望的。使用中應(yīng)盡量減小由于電阻器通電產(chǎn)生的自熱而引起的誤差。通常應(yīng)限制其電流，規(guī)定其值應(yīng)不超過(guò)6mA。

(2)引線電阻的影響：在實(shí)際的溫度測(cè)量中，金屬熱電阻常置于現(xiàn)場(chǎng)，總要與導(dǎo)線連接，由于熱電阻的電阻值很小，所以導(dǎo)線電阻不可忽視。例如，50Ω的鉑電阻，若導(dǎo)線電阻為1Ω,將會(huì)產(chǎn)生5℃的測(cè)量誤差，為了解決這一問(wèn)題，可采用三線式或四線式測(cè)量電路。

5.熱電阻測(cè)量電路

在測(cè)量中，熱電阻的端子接線有3種不同的連接方式，

即2線式、3線式和4線式，如圖4-14所示。圖4-14熱電阻的不同接線方式圖4-15所示是2線式鉑熱電阻溫度測(cè)量電路實(shí)例，用來(lái)檢測(cè)電路印制板上功率晶體管周圍的溫度，如果超過(guò)60℃就輸出信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)溫。圖4-15

2線式鉑熱電阻溫度測(cè)量電路實(shí)例圖4-16所示是3線式鉑熱電阻溫度測(cè)量電路實(shí)例。電路中，鉑熱電阻Rt與高精度電阻R1～R3組成橋路，而且R3的一端通過(guò)導(dǎo)線接地，r1、r2和r3是導(dǎo)線等效電阻。由于放大電路的輸入阻抗很高，所以流經(jīng)傳感器的電流路徑為→R1→r1→Rt→

r3→地；流經(jīng)R3的電流路徑為E→R2→R3→r2→r3→地。圖4-16

3線式鉑熱電阻溫度測(cè)量電路實(shí)例圖4-17所示是4線式鉑熱電阻溫度測(cè)量電路實(shí)例。對(duì)于這種方式，回路中要采用線性好的恒流源電路。圖4-17

4線式鉑熱電阻溫度測(cè)量電路實(shí)例

6.熱電阻應(yīng)用舉例

采用鉑熱電阻可以測(cè)量氣體或液體的流量，其原理電路如圖4-18所示。熱電阻Rt1的探頭放在氣體或液體通路中，而另一只熱電阻Rt2的探頭則放置在溫度與被測(cè)介質(zhì)相同，但不受介質(zhì)流速影響的連通室內(nèi)。圖4-18熱電阻式流量計(jì)原理電路熱電阻式流量計(jì)是根據(jù)介質(zhì)內(nèi)部熱傳導(dǎo)現(xiàn)象制成的。如果將溫度為tn的熱電阻放入溫度為t0的介質(zhì)內(nèi)，設(shè)熱電阻與介質(zhì)相接觸的面積為A，則熱電阻耗散的熱量Q可用下式描述：

Q＝KA(tn－t0)

式中，K為熱傳導(dǎo)系數(shù)。4.2.2半導(dǎo)體熱敏電阻

熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性制成的測(cè)溫元件。其種類繁多，按阻值隨溫度變化的大小程度和變化速度分，有緩變型和突變型兩種。按受熱方式分，有直熱式和旁熱式兩種。直熱式熱敏電阻一般是將金屬氧化物粉料擠壓成片狀、桿狀等熱敏電阻的阻體，經(jīng)過(guò)1000～1500℃高溫烘結(jié)后，在阻體的兩端或兩表面燒結(jié)銀電極，然后焊接電極引線和涂防護(hù)層，而制成的熱敏電阻，常用的直熱式熱敏電阻外形如圖4-19所示。

各類熱敏電阻的電阻—溫度特性如圖4-20所示。圖4-19熱敏電阻外形結(jié)構(gòu)圖圖4-20熱敏電阻的電阻—溫度特性

1.NTC型熱敏電阻

NTC是應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體瓷熱敏電阻，是按一定比例把Mn、Co、Ni、Fe等金屬氧化物混合，經(jīng)過(guò)陶瓷工藝制成的，使用溫度分低溫(-60～300℃)、中溫(300～600℃)和高溫(＞600℃)3種。Rt—t特性在不太寬的溫度范圍內(nèi)(小于450℃)可以用如下公式描述：

(4-24)

若定義為熱敏電阻的溫度系數(shù)a(即溫度變化

1℃時(shí)電阻值的相對(duì)變化量)，則由上式得

(4-25)熱敏電阻的伏安特性也是十分重要的。由圖4-21可見(jiàn)，開(kāi)始時(shí)電流與電壓成較好的比例關(guān)系，這時(shí)在電阻上消耗的功率小，不會(huì)發(fā)生自身發(fā)熱現(xiàn)象，熱敏電阻的這個(gè)冷態(tài)電阻完全由外界溫度決定。隨著電流的增加，電阻釋放熱量并自身發(fā)熱，阻值下降，其兩端電壓也就不再按比例隨電流增大而增大。圖4-21熱敏電阻的伏安特性

2.熱敏電阻的特點(diǎn)

熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)大、靈敏度高。由于溫度變化引起的阻值變化大，因此測(cè)量引線電阻的影響小，它與簡(jiǎn)單的二次儀表結(jié)合，就能檢測(cè)出1×10－3℃的溫度變化，與電子儀表組成測(cè)溫計(jì)可完成精確的溫度測(cè)量，非常適合測(cè)量微弱的溫度變化。

3.線性化處理

1)線性化網(wǎng)絡(luò)

對(duì)熱敏電阻進(jìn)行線性化處理的最簡(jiǎn)單的方法是用溫度系數(shù)很小的精密電阻與熱敏電阻串、并聯(lián)構(gòu)成的電阻網(wǎng)絡(luò)(常稱為線性化網(wǎng)絡(luò))代替單個(gè)熱敏電阻，其等效電阻與溫度呈一定的線性關(guān)系。圖4-22所示為兩種最簡(jiǎn)單的線性化方法。圖4-22常用補(bǔ)償電路圖4-23并聯(lián)補(bǔ)償?shù)碾姌驕y(cè)量電路

2)計(jì)算修正法

在帶有微處理機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)中，可以用軟件對(duì)傳感器進(jìn)行處理。

3)利用溫度—頻率轉(zhuǎn)換電路改善非線性

圖4-24是一個(gè)溫度—頻率轉(zhuǎn)換電路。該電路實(shí)際上是

一個(gè)三角波—方波變換器，電容C的充電特性是非線性的。圖4-24溫度—頻率轉(zhuǎn)換電路適當(dāng)?shù)剡x取線路中的電阻r和R，加上Rt，可以在一

定的溫度范圍內(nèi)得到近似于線性的溫度-頻率轉(zhuǎn)換特性。

該電路

4.應(yīng)用舉例

利用熱敏電阻可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的過(guò)熱保護(hù)功能，其保護(hù)裝置的原理電路如圖4-25所示。圖4-25電動(dòng)機(jī)過(guò)熱報(bào)警裝置原理電路

4.3

PN結(jié)型測(cè)溫傳感器

4.3.1溫敏二極管傳感器

在對(duì)晶體管特性的分析中，人們發(fā)現(xiàn)在一定的電流模式下，PN結(jié)的正向電壓與溫度之間的關(guān)系表現(xiàn)出良好的線性

關(guān)系。

1.工作原理

由PN結(jié)特性可知，對(duì)于理想二極管，只要UF大于幾個(gè)k0t/q，其正向電流IF與正向電壓UF和溫度t之間的關(guān)系可表示

為

(4-26)對(duì)式(4-26)兩邊除以IS

并取對(duì)數(shù)，整理后得

(4-27)

2.基本特性——(UF—t)關(guān)系

對(duì)于不同的工作電流，溫敏二極管的UF—t關(guān)系也將不同。圖4-26給出了國(guó)產(chǎn)2DWM1型(遼寧寬甸晶體管廠生產(chǎn))硅溫敏二極管恒流下的UF—t特性。可以看出，在－50～＋150℃范圍內(nèi)，其UF—t之間具有良好的線性關(guān)系。圖4-26

2DWM1型硅溫敏二極管的UF—t特性

3.應(yīng)用舉例

利用溫敏二極管的UF—t關(guān)系可以制成各種溫度傳感器、換能器和溫度補(bǔ)償器等。圖4-27給出了用溫敏二極管做成的一種簡(jiǎn)易溫度調(diào)節(jié)器，用于液氮?dú)饬魇胶銣仄髦?7～300K范圍的溫度調(diào)節(jié)控制。圖4-27簡(jiǎn)易溫度調(diào)節(jié)器電路4.3.2溫敏三極管傳感器

1.基本原理

根據(jù)晶體管的有關(guān)理論可以證明，NPN型晶體管的基極—發(fā)射極電壓與變量t和Ic的函數(shù)關(guān)系為

(4-28)

2.測(cè)量電路

圖4-28(a)給出了一種最常用的溫敏晶體管基本電路。

圖4-29是采用硅三極管溫敏傳感器的測(cè)量電路，硅三極

管的基極與發(fā)射極間電壓Ube與溫度成正比，溫度系數(shù)為

－2.3mV/℃。Ube電壓輸入到電壓跟隨器A1的同向輸入端，由基準(zhǔn)電源提供電流。

圖4-28溫敏晶體管基本電路及輸出特性圖4-29采用硅三極管溫敏傳感器測(cè)量電路圖4-30所示是采用MTS102三極管溫敏傳感器的實(shí)用測(cè)量電路。圖4-30采用MTS102三極管溫敏傳感器實(shí)用測(cè)量電路4.3.3集成電路溫度傳感器

1.基本原理及PTAT核心電路

圖4-31給出了這種對(duì)管差分電路的原理圖。圖4-31對(duì)管差分電路原理圖由圖可見(jiàn)，Ube2+ΔUbe－Ube1=0，即電阻R1上得到的電壓為兩管基極—發(fā)射極電壓之差，即

(4-29)由于兩管集電極面積相等，因此集電極電流之比等于集電極電流密度之比，所以上式可改寫為

(4-30)設(shè)兩管增益極高，因此基極電流可以忽略，即集電極電流等于發(fā)射極電流，故有

(4-31)對(duì)于PTAT核心電路，關(guān)鍵在于保證兩管的集電極電流密度之比不隨溫度變化，因?yàn)橹挥袑?shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，電路才會(huì)有正比于溫度的電壓或電流輸出，式(4-30)充分說(shuō)明了這一點(diǎn)。為此，可采用圖4-32所示的電流鏡PTAT核心電路。圖4-32電流鏡PTAT核心電路為使VT1和VT2工作在不同的集電極電流密度下，兩管采用不同的發(fā)射極面積，設(shè)兩管面積之比為n，由于兩管的電流密度之比與面積成反比，因此，只要在電路的“＋”端和“-”端施加高于兩倍的Ube的電壓，就可以在電阻R1上得到兩管的基極—發(fā)射極電壓差：

(4-32)根據(jù)式(4-32)可以求