第4章

熱電式傳感器4.1

熱電阻式傳感器4.2熱電偶傳感器4.3PN結(jié)溫度傳感器本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：將被測量變化轉(zhuǎn)換成熱生電動(dòng)勢變化的傳感器，稱為熱電式傳感器。熱電式傳感器可將溫度或與溫度相關(guān)的信號轉(zhuǎn)化為電量輸出。溫度是用來定量描述物體冷熱程度的物理量，在科研、生產(chǎn)和日常生活中，物體的許多物理現(xiàn)象和化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)，許多生產(chǎn)過程都是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，溫度是需要測量和控制的重要參數(shù)之一。因此溫度測量的場合極其廣泛，對溫度測量的準(zhǔn)確度有更高的要求。溫度傳感器，尤其是熱電式溫度傳感器，其種類和數(shù)量在傳感器中居于首位。第4章

熱電式傳感器隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得測溫技術(shù)迅速發(fā)展，如測溫范圍不斷拓寬，測溫精度不斷提高，新的測溫傳感器不斷出現(xiàn)，如光纖溫度傳感器、微波溫度傳感器、超聲波溫度傳感器、核磁共振（NQR）溫度傳感器等新穎傳感器在一些領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。第4章

熱電式傳感器溫度測量方法裝滿熱水后圖案變得清晰可辨示溫涂料（變色涂料）CPU散熱風(fēng)扇溫度升高后變?yōu)榧t色體積膨脹式不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比溫度測量方法紅外溫度計(jì)溫度測量方法利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度變化的特性制成的傳感器稱為熱電阻式傳感器。它主要用于對溫度或和溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測，其測溫范圍主要在中、低溫區(qū)域（-200～850oC）。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在低溫方面?zhèn)鞲衅饕殉晒Φ貞?yīng)用于1～3K的溫度測量，而在高溫方面，也出現(xiàn)了多種用于測量1000～1300oC的電阻溫度傳感器。一般把由金屬導(dǎo)體制成的測溫元件稱為熱電阻，把由半導(dǎo)體材料制成的測溫元件稱為熱敏電阻。4.1熱電阻式傳感器

對測溫用的熱電阻材料的要求：電阻值與溫度變化具有良好的線性關(guān)系；電阻溫度系數(shù)要大，便于精確測量；電阻率高，熱容小，響應(yīng)速度快；在測溫范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能；材料質(zhì)量要純，容易加工復(fù)制，價(jià)格便宜。目前使用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅。4.1.1常用熱電阻

1.熱電阻的特性1）鉑熱電阻鉑熱電阻主要用于高精度的溫度測量和標(biāo)準(zhǔn)測溫裝置，性能非常穩(wěn)定，測量精度高，其測溫范圍為-200～850oC。鉑的純度通常用百度電阻比W（100）=R100／R0來表示，其中R100和R0分別代表在100oC和0oC時(shí)的電阻值。工業(yè)上常用的鉑電阻其W（100）=1.380～1.387，標(biāo)準(zhǔn)值為1.385。鉑電阻的電阻值與溫度之間的關(guān)系可用下式表示：Rt=R0（1+At+Bt2）0～850oCRt=R0[1+At+Bt2+Ct3（t-100）]-200～0℃式中，Rt和R0分別為溫度為t℃和0℃時(shí)的電阻值；A、B、C為常數(shù)，A=3.96847×10-3／oC，B=-5.847×10-7／oC2，C=-4.22×10-12／℃4。（4–

1）2）銅熱電阻銅熱電阻價(jià)格便宜，易于提純，復(fù)制性較好，在-50～150oC測溫范圍內(nèi)，線性較好，電阻溫度系數(shù)比鉑高，但電阻率較鉑小，在溫度稍高時(shí)易于氧化，測溫范圍較窄，體積較大。所以，銅熱電阻適用于對測量精度和敏感元件尺寸要求不是很高的場合。銅電阻的阻值與溫度間的關(guān)系為Rt=R0（1+αt）（4–

2）式中，α為電阻溫度系數(shù)，一般取α=4.25×10-3～4.28×10-3／℃。鉑和銅熱電阻目前都已標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，選用較方便。2.熱電阻的結(jié)構(gòu)形式1）普通熱電阻普通熱電阻一般由測溫元件（電阻體）、保護(hù)套管和接線盒3部分組成。銅熱電阻的感溫元件通常用φ0.1mm的漆包線或絲包線采用雙線并繞在塑料圓柱形骨架上，再浸入酚醛樹脂（起保護(hù)作用）。鉑熱電阻的感溫元件一般用φ0.03～φ0.07mm的鉑絲繞在云母絕緣片上，云母片邊緣有鋸齒缺口，鉑絲繞在齒縫內(nèi)以防短路。2）鎧裝熱電阻鎧裝熱電阻由金屬保護(hù)管、絕緣材料和感溫元件組成。其感溫元件用細(xì)鉑絲繞在陶瓷或玻璃骨架上制成。其熱惰性小、響應(yīng)速度快；具有良好的力學(xué)性能，可以耐強(qiáng)烈振動(dòng)和沖擊，適合于高壓設(shè)備測溫以及有振動(dòng)的場合和惡劣環(huán)境中使用。3）薄膜及厚膜型鉑熱電阻薄膜及厚膜型鉑熱電阻由感溫元件、絕緣基板、接頭夾和引線4部分組成。1—工作端；2—絕緣基板；3—接頭夾；4—引線這種結(jié)構(gòu)主要用于平面物體的表面溫度和動(dòng)態(tài)溫度的檢測，也可部分代替線繞型鉑熱電阻用于測溫和控溫，其測溫范圍一般為-70～600℃。小型鉑熱電阻防爆型鉑熱電阻

鎧裝熱電阻汽車用水溫傳感器銅熱電阻可設(shè)定溫度的溫度控制箱旋轉(zhuǎn)式機(jī)械設(shè)定開關(guān)撥碼式設(shè)定開關(guān)4.1.2熱電阻傳感器的測量電路和應(yīng)用1.溫度的測量工業(yè)上廣泛應(yīng)用熱電阻傳感器進(jìn)行溫度測量，測量電路常采用惠斯通電橋電路。在實(shí)際應(yīng)用中，熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，感受被測介質(zhì)的溫度變化，而測量電路則隨測量儀表安裝在遠(yuǎn)離現(xiàn)場的控制室內(nèi)，故熱電阻的引出線較長，引出線的電阻會(huì)對測量結(jié)果造成較大影響，容易形成測量誤差。因此，常采用三線單臂電橋電路。在這種電路中，熱電阻器的兩根引線長度相同，引線的電阻值相等（即R’1=R’2），并被分配在兩個(gè)相鄰的橋臂中，因此引線長度的變化以及環(huán)境溫度變化引起的引線電阻值變化所造成的誤差就可以相互抵消。2.流量的測量熱電阻傳感器還可測量流量。例如，熱導(dǎo)式流量計(jì)就是根據(jù)發(fā)熱元件耗散熱量與流速的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)流量測量的。一般是將置于流體中很細(xì)的金屬絲通過電流加熱，由于流體流動(dòng)將迫使熱絲冷卻，并且被冷卻的程度是隨流速而變化的，因此可以通過測量熱絲電阻值的變化求出流速和流量。1.三線式鉑電阻測溫電路鉑熱電阻RT與高精度電阻R1～R3組成橋路，R3的一端通過導(dǎo)線接地。RW1、RW2和RW3是導(dǎo)線等效電阻。4.1.3熱電阻傳感器的應(yīng)用實(shí)例流經(jīng)傳感器的電流路徑為UT→R1→RW1→RT→RW3→地，流經(jīng)R3的電流路徑為UT→R2→R3→RW2→RW3→地。如果電纜中導(dǎo)線的種類相同，則導(dǎo)線電阻RW1和RW2相等，溫度系數(shù)也相同，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度補(bǔ)償。由于流經(jīng)RW3的兩電流也都相同，因此不會(huì)影響測量結(jié)果。在傳感器信號放大電路中經(jīng)常采用三運(yùn)放構(gòu)成儀表放大器，以提高輸入阻抗和共模抑制比（CMRR）。經(jīng)放大器放大的信號，一般要由折線近似的模擬電路或A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成數(shù)據(jù)表，進(jìn)行線性化。由于R1的阻值比RT大得多，所以RT變動(dòng)的非線性對溫度特性影響非常小，因此本電路未設(shè)線性化電路。調(diào)整時(shí)，只要調(diào)整基準(zhǔn)電源UT，使R2兩端電壓為準(zhǔn)確的20V即可。2.熱電阻風(fēng)速測量電路

LT1014為4運(yùn)算放大器，打?號的電阻精度為1%。A1與VT1構(gòu)成熱電阻的恒流源電路，使熱電阻保持恒溫。A2與VT2構(gòu)成對數(shù)放大器，A3與VT4構(gòu)成反對數(shù)放大器，A4為電壓跟隨器。風(fēng)速變化引起熱電阻溫度變化，恒溫電路將改變電流輸出。變化的電流通過A1、A2放大，A4輸出的電壓與風(fēng)速成正比。本電路按國外標(biāo)準(zhǔn)，熱電阻采用去掉玻璃封裝的328#燈泡中的熱電阻絲，輸出電壓為0～10V，對應(yīng)風(fēng)速為0～1000ft/min（即0～304.8m/min）。4.1.4熱敏電阻

熱敏電阻一般是由金屬氧化物陶瓷半導(dǎo)體材料，經(jīng)成型、高溫?zé)Y(jié)等工藝制成的測溫元件，還有一部分熱敏電阻由碳化硅材料制成。熱敏電阻的測溫范圍一般為-50℃～+300℃（高溫?zé)崦綦娮杩蓽y+700℃，低溫?zé)崦綦娮杩蓽y到-250℃），特性呈非線性，使用時(shí)一般需要線性補(bǔ)償。熱敏電阻在性能的一致性和互換性方面存在較大差異，使批量使用熱敏電阻測溫的精確性受到影響。1.熱敏電阻的結(jié)構(gòu)熱敏電阻主要由熱敏探頭、引線和外殼組成，有多種結(jié)構(gòu)形式。其中，圓柱形熱敏電阻的外形與一般玻璃封裝的二極管一樣，這種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝成熟、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)量大而價(jià)格低，是熱敏電阻的主流產(chǎn)品。珠粒形熱敏電阻，由于體積小、熱時(shí)間常數(shù)小，適合進(jìn)行點(diǎn)溫度測量。2.熱敏電阻的特性熱敏電阻主要有三種類型，即正溫度系數(shù)型（PTC）、負(fù)溫度系數(shù)型（NTC）和臨界溫度系數(shù)型（CTR）。它們的電阻特性如右圖所示。由圖可見，NTC熱敏電阻測溫范圍較寬，PTC熱敏電阻測溫范圍較窄。熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制熱敏電阻外形聚脂塑料封裝熱敏電阻玻璃封裝NTC熱敏電阻帶安裝孔的熱敏電阻大功率PTC熱敏電阻其它熱敏電阻熱敏電阻在工業(yè)上的用途很廣，在家用電器中用途也十分廣泛，如空調(diào)與干燥器、熱水取暖器、電烘箱體內(nèi)溫度檢測等都用到熱敏電阻。根據(jù)產(chǎn)品型號不同，其適用范圍也各不相同。具體有以下三方面：1．溫度測量熱敏電阻一般結(jié)構(gòu)較簡單，價(jià)格較低廉。沒有外面保護(hù)層的熱敏電阻只能應(yīng)用在干燥的地方。密封的熱敏電阻不怕濕氣的侵蝕，可以應(yīng)用在較惡劣的環(huán)境下。由于熱敏電阻的阻值較大，故其連接導(dǎo)線的電阻和接觸電阻可以忽略。因此熱敏電阻可以在長達(dá)幾千米的遠(yuǎn)距離測量溫度中應(yīng)用。測量電路多采用電橋電路。4.1.5熱敏電阻傳感器的應(yīng)用

熱敏電阻體溫表熱敏電阻溫度面板表熱敏電阻LCD熱敏電阻用于CPU的溫度測量2．溫度補(bǔ)償熱敏電阻可在一定溫度范圍內(nèi)對某些元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。例如，動(dòng)圈式表頭中的動(dòng)圈由鋼線繞制而成。溫度升高，電阻增大，引起測量誤差?？稍趧?dòng)圈回路中串入由負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò)，從而抵消由于溫度變化所產(chǎn)生的誤差。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻與錳銅絲電阻并聯(lián)后再與被補(bǔ)償元件串聯(lián)。在三極管電路、對數(shù)放大器中也常使用熱敏電阻補(bǔ)償電路，補(bǔ)償由于溫度引起的漂移誤差。3．溫度控制將CRT熱敏電阻埋設(shè)在被測物中，并與繼電器串聯(lián)，給電路加上恒定電壓。當(dāng)周圍介質(zhì)溫度升到某一定數(shù)值時(shí)，電路中的電流可以由十分之幾毫安變?yōu)閹资涟?，因此繼電器動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制或過熱保護(hù)。開關(guān)型熱敏電阻繼電輸出型溫控開關(guān)1.汽車空調(diào)溫度控制器電路電路中R1、Rt、R2、R3及溫度設(shè)定電位器RP構(gòu)成溫度檢測電橋。4.1.6熱敏電阻傳感器的應(yīng)用實(shí)例

當(dāng)被控溫度高于RP設(shè)定的溫度時(shí)，Rt阻值較小，A點(diǎn)電位低于B點(diǎn)電位，A2輸出為高電平到A1的同相輸入端，致使A1的反相輸入端電位低于同相輸入端電位，也輸出高電平，晶體管V飽和導(dǎo)通，繼電器KA吸合，動(dòng)合觸點(diǎn)KAl閉合，汽車離合器得電工作，帶動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)制冷。隨著被控溫度逐漸降低，Rt阻值增大，A點(diǎn)電位逐漸升高，當(dāng)被控溫度達(dá)到或低于RP設(shè)定溫度時(shí)，A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)電位，A2輸出低電平，A1也輸出低電平，VT截止，繼電器KA釋放，KAl斷開，離合器失電，壓縮機(jī)停止工作。循環(huán)以上過程，可保汽車內(nèi)溫度控制在由RP設(shè)定的溫度附近。2.溫度上下限光報(bào)警電路電路中，溫度傳感器為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，A為運(yùn)算放大器，晶體管VTl和VT2為驅(qū)動(dòng)電路，電源為±6V。熱敏電阻與電位器及兩個(gè)電阻構(gòu)成電橋電路。電橋的輸出兩端分別接運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端。日本NDH5D472A型熱敏電阻的R25＝4700Ω，電阻溫度系數(shù)為-4.4％／oC。在25oC時(shí)電橋平衡，放大器輸出為0，VTl、VT2均不導(dǎo)通，LEDl、LED2都不發(fā)光。當(dāng)溫度升高，電橋輸出a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位，并使放大器輸出電壓大于0.7V時(shí)，VTl導(dǎo)通，LEDl發(fā)光；當(dāng)溫度降低．電橋輸出a點(diǎn)電位低于b點(diǎn)電位，并使放大器輸出電壓低于-0.7V時(shí)，VT2導(dǎo)通，LED2發(fā)光。放大器的放大倍數(shù)約為100，因此電橋的輸出電壓上下限約為±7mV。由此可以推出溫度的上下限范圍。4.2熱電偶傳感器

熱電偶傳感器是將溫度轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢的一種測溫傳感器。它與其他測溫裝置比較具有精度高、測溫范圍寬（-50oC～+2800oC）、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便和可遠(yuǎn)距離測量等優(yōu)點(diǎn)。在輕工、冶金、機(jī)械及化工等工業(yè)領(lǐng)域中被廣泛用于溫度的測量、調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制等方面。熱處理溫控系統(tǒng)動(dòng)畫演示4.2.1熱電偶傳感器的工作原理

1.熱電效應(yīng)將兩種不同材料的導(dǎo)體構(gòu)成一閉合回路，若兩個(gè)接點(diǎn)處溫度不同，則回路中會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，從而形成電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。把A、B兩種導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。導(dǎo)體A、B稱為熱電極，與被測介質(zhì)接觸的接點(diǎn)（T）稱為熱端，也稱工作端或測量端；另一接點(diǎn)（T0）稱為冷端，也稱自由端或參考端。熱電勢效應(yīng)動(dòng)畫演示熱電偶的熱電動(dòng)勢由兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢和單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢組成。熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電動(dòng)勢為（4–

3）由于溫差電動(dòng)勢很小，可忽略不計(jì)，則熱電偶的總熱電動(dòng)勢可表示為（4–

4）由此可見，熱電偶熱電勢的大小只與導(dǎo)體A、B的材料和冷、熱端的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體的粗細(xì)、長短及兩導(dǎo)體接觸面積無關(guān)。如果使冷端溫度T0保持不變，則EAB（T0）=C（常數(shù)）。此時(shí)，EAB（T,T0）就成為T的單值函數(shù)，即（4–

5）由式（4–

5）可知，當(dāng)保持熱電偶自由端溫度T0不變時(shí)，只要用儀表測出總熱電勢，就可由求得EAB（T），便可以求得工作端溫度T。2．熱電偶的基本定律1）中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體C，只要該導(dǎo)體兩端溫度相同，則熱電偶產(chǎn)生的總熱電動(dòng)勢不變。根據(jù)這一定律，可將第三種導(dǎo)體換成測試儀表或連接導(dǎo)線即可對熱電勢進(jìn)行測量。中間導(dǎo)體定律的實(shí)用價(jià)值CABtt0mVCC利用這個(gè)定律，還可使用開路熱電偶測量液態(tài)金屬和金屬壁面的溫度。液態(tài)金屬溫度測量金屬壁面溫度測量開路熱電偶2）參考電極定律當(dāng)接點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)，用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢的代數(shù)和，即導(dǎo)體C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極（一般由鉑制成）。（4–

6）右圖為參考電極定律示意圖，圖中標(biāo)準(zhǔn)電極C接在A、B之間，形成三個(gè)熱電偶組成的回路。對于AC熱電偶，有熱電動(dòng)勢EAC（T,T0）；對于CB熱電偶，有熱電動(dòng)勢ECB（T,T0）。由此可見，若任意幾個(gè)熱電極與一標(biāo)準(zhǔn)熱電極組成熱電偶產(chǎn)生的熱電勢已知時(shí)，就可很方便地求出這些熱電極彼此任意組合時(shí)的熱電勢，大大簡化了熱電偶的選配工作。通常，由于純鉑絲的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，熔點(diǎn)較高，又易提純，所以用純鉑（Pt）作為標(biāo)準(zhǔn)熱電極。參考電極定律的實(shí)用價(jià)值國家計(jì)量檢定規(guī)程對熱電偶統(tǒng)—規(guī)定了冷端溫度T0=0℃時(shí)熱電勢與熱端溫度的對應(yīng)關(guān)系，即分度表。當(dāng)用熱電偶測溫時(shí)，若使冷端保持在0℃，則測得熱電勢后通過查分度表即可直接得到被測溫度值。例4.1已知鉻合金-鉑熱電偶的E（100oC，0℃）=+3.13mV，鋁合金-鉑熱電偶的E（100oC，0oC）=-1.02mV，求鉻合金-鋁合金組成熱電偶材料的熱電動(dòng)勢E（100oC，0oC）。解：設(shè)鉻合金為A，鋁合金為B，鉑為C，即

EAC（100oC，0oC）=+3.13mV

EBC（100oC，0oC）=-1.02mV則EAB（100oC，0oC）=EAC（100oC，0oC）-EBC（100oC，0oC）=4.15mV（3）中間溫度定律熱電偶在接點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)的熱電動(dòng)勢EAB（T,T0）等于該熱電偶在（T，Tn）與（Tn，T0）時(shí)的熱電動(dòng)勢EAB（T,Tn）與EAB（Tn,T0）的代數(shù)和，其中Tn稱為中間溫度，即（4–

7）熱電偶分度表是在冷端為0oC時(shí)熱端溫度與熱電動(dòng)勢之間的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)這一定律，當(dāng)熱電偶冷端不等于0℃時(shí)，也可以使用分度表。中間溫度定律為在工業(yè)測量溫度中使用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論基礎(chǔ)。只要選配與熱電偶熱電特性相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，便可使熱電偶的自由端延長，使之遠(yuǎn)離熱源到達(dá)一個(gè)溫度相對穩(wěn)定的地方而不會(huì)影響測溫的準(zhǔn)確性。中間溫度定律的實(shí)用價(jià)值例4.2用鎳鉻-鎳硅熱電偶測爐溫時(shí)，其冷端溫度T0

=30oC，在直流電位計(jì)上測得的熱電動(dòng)勢E（T,T0）=30.839mV，求爐溫T。解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得，EAB（30℃，0oC）=1.203mV。EAB（T，0oC）=E（T，30oC）+EAB（30oC，0℃)=30.839mV+1.203mV=32.042mV再查分度表得，T=770℃。1.熱電偶的種類1）普通型熱電偶普通型熱電偶主要用于測量氣體、蒸汽和液體等介質(zhì)的溫度，由熱電極、絕緣套管、外保護(hù)套管和接線盒組成。4.2.2熱電偶的結(jié)構(gòu)形式與材料

接線盒引出線套管固定螺紋工作端不銹鋼保護(hù)管貴重金屬熱電極直徑不大于0.5mm，廉價(jià)金屬熱電極直徑一般為0.5～3.2mm；絕緣套管一般為單孔或雙孔瓷管；外保護(hù)套管要求氣密性好，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，還要求導(dǎo)熱性好和物理化學(xué)特性穩(wěn)定，最常用的材料為銅及銅合金、鋼和不銹鋼及陶瓷材料等。整支熱電偶的長度由安裝條件和插入深度決定，一般為350～2000mm。其安裝時(shí)的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動(dòng)法蘭連接、無固定裝置等多種形式。普通熱電偶的外形2）鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶是將熱電偶絲、絕緣材料（氧化鎂粉等）和金屬保護(hù)套管三者組合裝配后，經(jīng)拉伸加工而成的一種堅(jiān)實(shí)的組合體。它的外徑一般為0.5～8mm，其長度可以根據(jù)需要截取，特別適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如狹小彎曲管道內(nèi)）的溫度測量。（a）外形圖（b）徑向剖面圖1—內(nèi)電極；2—絕緣材料；3—薄壁金屬保護(hù)套管；4—屏蔽層鎧裝型熱電偶可長達(dá)上百米鎧裝型熱電偶外形3）薄膜熱電偶薄膜熱電偶是用真空鍍膜的方法，把熱電極材料蒸鍍在絕緣基板上而制成的，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4–

19所示。其測溫范圍為-200～500oC，測量端既小又薄，熱容小，響應(yīng)速度快，適用于測量微小面積上的瞬變溫度。1—工作端；2—熱電板；3—絕緣基板；4—引線接頭；5—引出線（同材料的熱電偶）4）表面熱電偶表面熱電偶主要用于現(xiàn)場流動(dòng)的測量，廣泛用于紡織、印染、造紙、塑料及橡膠工業(yè)。表面熱電偶的探頭有各種形狀（弓形、薄片形等），以適用于不同物體表面測溫。在其把手上裝有動(dòng)圈式儀表，讀數(shù)方便。其測量溫度范圍有0～250oC和0～600oC兩種。5）防爆熱電偶在石油、化工、制藥工業(yè)中，生產(chǎn)現(xiàn)場有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體，這時(shí)需要采用防爆熱電偶。它采用防爆型接線盒，有足夠的內(nèi)部空間、壁厚及機(jī)械強(qiáng)度，其橡膠密封圈的熱穩(wěn)定性符合國家的防爆標(biāo)準(zhǔn)。因此，即使接線盒內(nèi)部爆炸性混合氣體發(fā)生爆炸時(shí)，其壓力也不會(huì)破壞接線盒，其產(chǎn)生的熱能不能向外擴(kuò)散傳爆，可達(dá)到可靠的防爆效果。除上述以外，還有專門測量鋼水和其他熔融金屬溫度的快速熱電偶等。小形K型熱電偶其他熱電偶外形2.標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶及熱電偶的組成材料所謂標(biāo)準(zhǔn)化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)化文件中的熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶互換性好，具有統(tǒng)一的分度表，并有與其配套的顯示儀表可供選用。國際電工委員會(huì)（IEC）共推薦了8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。組成熱電偶的兩種材料正極寫在前面，負(fù)極寫在后面。我國生產(chǎn)的符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶有6種，目前工業(yè)上常用的4種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶材料分別是鉑銠30-鉑銠6、鉑銠10-鉑、鎳鉻-鎳硅、鎳鉻-康銅，它們的特性如表4–

1所示。表4–

1常用熱電偶名稱型號分度號測溫范圍/oC100oC時(shí)熱電動(dòng)勢/mV特點(diǎn)鉑銠30-鉑銠6①WRRB（LL-2）②0～18000.033使用溫度高，范圍廣，性能穩(wěn)定，精度高；易在氧化和中性介質(zhì)中使用；但價(jià)格貴，熱電動(dòng)勢小，靈敏度低鉑銠10-鉑WRPS（LB-3）0～16000.645使用溫度范圍廣，性能穩(wěn)定，精度高，復(fù)現(xiàn)性好。但熱電勢較小，高溫下銠易升華，污染鉑極，價(jià)格貴，一般用于較精密的測溫中鎳鉻-鎳硅WRNK（EU-2）-200～13004.095熱電動(dòng)勢大，線性好，價(jià)廉，但材質(zhì)較脆，焊接性能及抗輻射性能較差鎳鉻-考銅WRKEA-20～3006.95熱電動(dòng)勢大，線性好，價(jià)廉，測溫范圍小，考銅易受氧化而變質(zhì)注：①鉑銠30表示該合金包含70%鉑及30%銠，以下類推；②括號內(nèi)為我國舊的分度號熱電偶的分度表及配套的顯示儀表都要求冷端溫度恒定為0oC，否則將產(chǎn)生測量誤差。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于熱電偶的冷、熱端距離通常很近，冷端受熱端及環(huán)境溫度波動(dòng)的影響，溫度很難保持穩(wěn)定，因此必須進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。常用的冷端補(bǔ)償方法有以下幾種：1.補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線是指在一定的溫度范圍內(nèi)（0～150oC），其熱電性能與相應(yīng)熱電偶的熱電性能相同的廉價(jià)導(dǎo)線。采用補(bǔ)償導(dǎo)線，可將熱電偶的冷端延伸到遠(yuǎn)離高溫區(qū)的地方，從而使冷端的溫度相對穩(wěn)定。4.2.3熱電偶的冷端補(bǔ)償

由此可見，使用補(bǔ)償導(dǎo)線可以節(jié)約大量的貴重金屬，減小熱電偶回路的電阻，而且補(bǔ)償導(dǎo)線柔軟易彎，便于敷設(shè)。但必須指出，使用補(bǔ)償導(dǎo)線僅能延長熱電偶的冷端，對測量電路不起任何溫度補(bǔ)償作用。常用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的特性如表4–

2所示。使用補(bǔ)償導(dǎo)線必須注意兩個(gè)問題：一是兩根補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶兩個(gè)熱電極的接點(diǎn)必須具有相同的溫度；二是各種補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號的熱電偶配用，而且必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用，極性切勿接反。表4–2常用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的特性配用熱電偶正-負(fù)補(bǔ)償導(dǎo)線正-負(fù)導(dǎo)線外皮顏色100oC熱電動(dòng)勢/mV150oC熱電動(dòng)勢/mV20oC時(shí)的電阻率/（×10-6Ω·m）正負(fù)鉑銠10-鉑銅-銅鎳①紅綠0.645±0.0231.029＜0.0484鎳鉻-鎳硅銅-康銅紅藍(lán)4.095±0.156.137±0.20＜0.634鎳鉻-考銅鎳鉻-考銅紅黃6.95±0.3010.69±0.38＜1.25鎢錸5-鎢錸20銅-銅鎳②紅藍(lán)1.337±0.045--注：①99.4%Cu，0.6%Ni；②98.2%～98.3%Cu，1.8%～1.7%Ni。A’B’屏蔽層保護(hù)層補(bǔ)償導(dǎo)線外形圖2.冷端溫度補(bǔ)償1）機(jī)械零位調(diào)整法當(dāng)冷端溫度比較穩(wěn)定時(shí)，工程上常用儀表機(jī)械零位調(diào)整法。如動(dòng)圈式儀表的使用，可在儀表未工作時(shí)，直接將儀表機(jī)械零值調(diào)整至冷端溫度處，儀表直接指示出熱端溫度T。使用儀表機(jī)械零位調(diào)整法簡單方便，但冷端溫度發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)斷電，重新調(diào)整儀表機(jī)械零位，使之指示到新的冷端溫度上。指針被預(yù)調(diào)到室溫（40

C

）可補(bǔ)償冷端損失2）冰浴法實(shí)驗(yàn)室常采用冰浴法使冷端溫度保持為恒定0℃，即將熱電偶冷端置于存有冰水混合物的冰點(diǎn)恒溫槽內(nèi)。3）冷端補(bǔ)償器法（補(bǔ)償電橋法）冷端補(bǔ)償器是用來自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶的測量值隨冷端溫度的變化而變化的一種裝置。右圖是國產(chǎn)WBC型冷端溫度補(bǔ)償器的工作原理圖。由圖可知，它的內(nèi)部是一個(gè)不平衡電橋，其輸出端與熱電偶串聯(lián)。電橋的3個(gè)橋臂由電阻溫度系數(shù)極小的錳銅絲繞制而成，其電阻基本不隨溫度變化，且R1=R2=R3=1Ω；另一個(gè)橋臂電阻Rx由電阻溫度系數(shù)大的銅絲繞制而成，且20oC時(shí)Rx=1Ω，此時(shí)電橋平衡，沒有電壓輸出。選擇適當(dāng)?shù)南蘖麟娮鑂S后，電橋的電壓輸出特性與所配用的熱電偶的熱電特性相似，電橋電壓的增加量（減小量）等于熱電偶熱電勢的減小量（增加量），從而起到了熱電偶冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖饔?。使用這種冷端溫度補(bǔ)償器時(shí)，必須把儀表的零點(diǎn)調(diào)到20oC。XT－WBC熱電偶冷端補(bǔ)償器4.2.4熱電偶測溫電路圖（a）為基本測溫電路。圖（b）為熱電偶反向串聯(lián)測量溫差電動(dòng)勢的連接示意圖。（a）（b）圖（c）為兩個(gè)熱電偶并聯(lián)測量平均溫度的連接示意圖。圖（d）為熱電偶正向串聯(lián)測量多點(diǎn)溫度之和的連接示意圖，這樣可獲得較大的熱電動(dòng)勢輸出，提高了測試靈敏度。（c）（d）1．OP07熱電偶檢測放大電路OP07為低漂移（最大電壓漂移25μV、最大溫漂0.6μV/oC）、低噪聲（最大0.6μVP-P）、超穩(wěn)定性（最大0.6μV／oC·月）、寬電源電壓范圍（±3～±18V）的高性能運(yùn)算放大器。4.2.5熱電偶傳感器的應(yīng)用實(shí)例OP07構(gòu)成的高穩(wěn)定熱電偶測溫放大電路如右圖所示。由于R3／Rl=R4／R2，因此，OP07構(gòu)成差分放大器，測溫部分為“測溫”熱電偶和“參考”熱電偶，后者置于環(huán)境中，前者置于被測物體上，“測溫”熱電偶上的溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢，經(jīng)放大后輸出電壓。2．熱電偶光隔離溫度監(jiān)視器電路熱電偶光隔離溫度監(jiān)視器電路如圖4–

23所示，可用于溫度數(shù)據(jù)采集、控制和計(jì)量、遙測和監(jiān)視等場合。電路中的J型熱電偶工作溫度范圍為0～500℃，靈敏度為52μA／℃；LT1025A為小功率熱電偶冷端補(bǔ)償器，對熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償；LTC1050為具有內(nèi)電容的斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器，產(chǎn)生誤差小于0.1℃；光隔離電路用于溫度控制儀表，在光隔離接口中產(chǎn)生兩個(gè)信號，用兩線接至LTC1292的l腳（）和7腳（CLK）。圖4–

23熱電偶光隔離溫度監(jiān)視器電路高電平模擬信號在CLKIN端，用0.1μF電容去耦，使為高電平，復(fù)位A／D用于下一個(gè)變換。當(dāng)CLKIN開始觸發(fā)時(shí)，變?yōu)榈碗娖?，并持續(xù)到下一個(gè)CLKIN為高電平時(shí)。LTC1292是單片12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。內(nèi)置采樣和保持電路，單電源5V工作，直接3線接口適用于大部分MPU串行口和全部MPU并行口，通過信息最大速率為60kHz，分辨率為12位，轉(zhuǎn)換時(shí)間在工作溫度范圍內(nèi)最大為12μs，低電源電流僅6.0mA。LT1019-2.5為2.5V精密基準(zhǔn)電壓源，為LTC1292提供2.5V的VREF。

LTC1292管腳說明：1腳為片選，2腳+IN為正輸入，3腳-IN為負(fù)輸入，4腳GND為接地，5腳VREF為基準(zhǔn)源，6腳DOUT為輸出端，7腳CLK為時(shí)鐘端，8腳VCC為電源端。LTC1292的最大絕對額定值：電源電壓（VCC）為12V；模擬和基準(zhǔn)輸入電壓為-0.3～VCC+0.3V；數(shù)字輸入電壓為-0.3～12V；數(shù)字輸出電壓為-0.3V～VCC+0.3V；功耗為500mW。注意：LTC系列產(chǎn)品和LT系列產(chǎn)品見LINEAR公司產(chǎn)品手冊說明。XMZ系列智能數(shù)字顯示儀表外形圖4.3PN結(jié)溫度傳感器

4.3.1PN結(jié)溫度傳感器的工作原理

PN結(jié)溫度傳感器，即利用PN結(jié)測溫的溫度傳感器。PN結(jié)溫度傳感器是一種較新的測溫手段，具有線性好、靈敏度高、輸出阻抗低的特點(diǎn)，適用于-50℃～+150℃范圍內(nèi)的溫度測量。PN結(jié)溫度傳感器是利用二極管的PN結(jié)或晶體管發(fā)射結(jié)正向電流和溫度的關(guān)系，得到外加電壓與溫度的近似關(guān)系，來檢測溫度的。PN結(jié)的正向電壓UF與溫度T的關(guān)系為式中，γ、K、g、Ugo、B為常數(shù)；J為電流密度。（4–

8）當(dāng)電流密度J保持不變時(shí)，PN結(jié)正向電壓UF隨著溫度T的上升而下降，近似于線性關(guān)系。對于硅二極管，溫度每升高1oC，正向電壓下降約2mV。二極管溫度傳感器正是利用PN結(jié)正向電壓與溫度關(guān)系的特性而制作的。式中，C為常數(shù)，與PN結(jié)電流密度和工藝參數(shù)有關(guān)。利用這種關(guān)系，可以將晶體管用作溫度傳感器。但要求晶體管UBE的誤差在±3%以內(nèi)，在使用中還可以通過調(diào)節(jié)集電極電流以減小UBE的誤差。假設(shè)集電極電流為常數(shù)，晶體管的基極-發(fā)射極電壓UBE與溫度T近似于線性關(guān)系（4–

9）單個(gè)晶體管溫度傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是成本低，有較高的準(zhǔn)確性。但在高溫下UBE有較大的起始值，即失調(diào)電壓較大。另外，測試系統(tǒng)較復(fù)雜，而且不適合遠(yuǎn)距離測量。當(dāng)電流固定時(shí)，PN結(jié)電壓與溫度的關(guān)系在正伏安特性區(qū)具有良好的線性，對于硅二極管和晶體管在溫度為-25～125oC時(shí)，為2～2.5mV/oC。下圖為各種結(jié)構(gòu)的晶體管溫度傳感器。4.3.2PN結(jié)溫度傳感器的應(yīng)用

PN結(jié)溫度傳感器與熱敏電阻一樣具有體積小、反應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。此外，線性較好而且價(jià)格低廉，在許多儀表里用來進(jìn)行溫度補(bǔ)償。特別適合對電子儀器或家用電器的過熱保護(hù)，也常用于簡單的溫度顯示和控制。1.硅二極管溫度傳感器的應(yīng)用電路左下圖為采用硅二極管溫度傳感器的溫度檢測電路，其輸出靈敏度為0.1V/oC。2.晶體管溫度傳感器的應(yīng)用電路右下圖為晶體管溫度傳感器的一種測溫電路，靈敏度為0.1V/oC。

3.晶閘管溫度傳感器的應(yīng)用電路晶閘管由PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)成三個(gè)PN結(jié)，具有溫度開關(guān)的功能。當(dāng)陽極加負(fù)向電壓時(shí)與反向二極管有一樣的特性，加正向電壓時(shí)在發(fā)生正向轉(zhuǎn)折之前無電流流通，若超過轉(zhuǎn)折電壓就進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。晶閘管的轉(zhuǎn)折電壓隨溫度而改變，因此，可作為實(shí)用的溫度開關(guān)。特別是在低溫度時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折，熱產(chǎn)生的載流子增多，電流放大系數(shù)也很大。另外，可通過門極電阻RGA由外部電路對開關(guān)溫度進(jìn)行控制。如圖4–

28所示為熱敏晶閘管溫度傳感器的工作特性。圖（a）表示在RGA一定時(shí)開關(guān)電壓與開關(guān)溫度的關(guān)系，開關(guān)溫度越高，開關(guān)電壓越低。圖（b）表示開關(guān)電壓一定時(shí)，RGA與開關(guān)溫度的關(guān)系，RGA越大，開關(guān)溫度越低。熱敏晶閘管的平均導(dǎo)通電流為100mA，浪涌電流為2A。(a)開關(guān)電壓與開關(guān)溫度的關(guān)系(b)RGA與開關(guān)溫度的關(guān)系圖4–

28熱敏晶閘管溫度傳感器的工作特性下圖所示為用晶閘管溫度傳感器VS1（TT201）驅(qū)動(dòng)普通晶閘管VS2（CR2AM-6），從而控制大功率負(fù)載的電路實(shí)例。4.3.5PN結(jié)溫度傳感器的應(yīng)用實(shí)例1.PN結(jié)溫度計(jì)電路如右圖所示為用PN結(jié)制作的溫度計(jì)電路原理圖。該溫度計(jì)電路簡單，使用方便，容易制作，測量溫度范圍為-25～100oC，測量誤差小于±0.6oC。圖中，VT1用作溫度傳感器；VT2和VT3差動(dòng)電路與電流表頭PA1組成直流電壓表，按攝氏溫度刻度；晶體管VT4構(gòu)成電流源，當(dāng)電源電壓降至6.5V時(shí)，保證不降低溫度計(jì)的測量精度。在室溫下調(diào)節(jié)電位器RP1，使流過VT1的電流為100μA，則UBE1與溫度成正比。該電壓加至直流電壓表，其中傳感器的信號加到VT2的基極，而VT3基極電壓由分壓器RP3和R6決定，其電壓值為4.9～5.