(11.2.1)--第2章温湿度传感器及应用.pdf

1、第 2章 温 湿 度 传 感 器 及 应 用在 工 业 生 产 和 日 常 生 活 中 ， 温 湿 度 通 常 是 需 要 测 量 和 控 制 的 重 要 参 数 之 一 。 温 湿 度 传 感 器在 工 业 生 产 、 汽 车 、 食 品 储 存 、 医 疗 卫 生 、 家 用 电 器 等 各 个 领 域 中 ， 根 据 需 要 被 广 泛 用 于 测量 、 监 测 、 控 制 等 场 合 。 本 章 内 容 通 过 对 温 湿 度 基 础 知 识 描 述 、 温 湿 度 测 量 和 控 制 系 统 的 设计 与 调 试 ， 让 读 者 对 温 湿 度 传 感 器 的 特 性 、 分 类 、

2、 结 构 、 工 作 原 理 和 测 试 方 法 有 一 定 的 理 解 ，并 初 步 具 备 电 子 产 品 设 计 、 制 作 、 调 试 与 故 障 的 排 查 能 力 。教 学 导 航 ：教 知 识 重 点 1.温 度 与 温 标 2.温 度 传 感 器 结 构 、 特 性 3.温 度 传 感 器 种 类 与 选用 4.热 敏 电 阻 原 理 5.热 电 阻 原 理 与 应 用 6.热 电 偶 原 理 及 应 用 6.集 成 温 度 传 感 器 7.湿 度 与 湿 度 传 感 器知 识 难 点 温 度 传 感 器 接 口 电 路 设 计推 荐 教 学 方 法 从 工 作 任 务 入 手

3、 ， 在 对 温 湿 度 传 感 器 所 涉 及 的 基 础 知 识 介 绍 的 基 础上 ， 通 过 引 入 不 同 的 温 湿 度 传 感 器 应 用 电 路 的 设 计 、 制 作 与 调 试 等项 目 训 练 ， 再 对 不 同 类 型 的 温 湿 度 传 感 器 分 类 、 特 性 与 工 作 原 理 进行 详 细 的 分 析 ， 遵 从 人 们 “ 从 感 性 到 理 性 ， 再 回 到 感 性 ” 的 认 识 规律 ， 使 读 者 逐 步 理 解 和 掌 握 温 湿 度 传 感 器 测 量 电 路 的 结 构 与 工 作 原理 ， 掌 握 其 制 作 与 测 试 的 基 本 技

4、能 。建 议 学 时 1420学 时学 推 荐 学 习 方 法 课 下 查 阅 资 料 ， 了 解 温 度 与 温 标 的 概 念 ， 掌 握 温 度 传 感 器 的 分 类 、结 构 、 特 性 及 典 型 应 用 技 术 ； 熟 悉 湿 度 概 念 与 湿 度 传 感 器 ； 进 行 温湿 度 测 量 电 路 的 排 版 布 线 和 元 器 件 焊 接 训 练 ， 课 上 进 行 电 路 测 试 与故 障 排 查 。必 须 掌 握 的 理 论 知 识 1.热 敏 电 阻 温 度 传 感 器 结 构 、 特 性 、 原 理 及 应 用 2. 热 电 阻 温 度传 感 器 结 构 、 特 性

5、、 原 理 及 应 用 3. 热 电 偶 温 度 传 感 器 结 构 、 特性 、 原 理 及 应 用 4.集 成 温 度 传 感 器 结 构 、 分 类 、 原 理 及 应 用 5.其他 类 温 度 传 感 器 6.湿 度 传 感 器 结 构 、 原 理 及 应 用 。必 须 掌 握 的 基 本 技 能 1. 常 用 温 度 传 感 器 识 别 与 质 量 鉴 别2. 常 用 仪 器 仪 表 的 正 确 使 用3. 焊 接 基 本 技 术3. 线 路 板 布 线 基 本 技 术4. 电 路 调 试 技 术技 能 目 标 温 湿 度 传 感 器 应 用 电 路 设 计 、 制 作 与 调 试2

6、.1 温 湿 度 传 感 器 基 础 知 识2.1.1 温 度 与 温 标一 、 温 度温 度 是 表 征 物 体 冷 热 程 度 的 物 理 量 ， 它 是 国 际 单 位 制 7个 基 本 量 之 一 。 温 度 以 热 平 衡 为基 础 ， 如 果 两 个 相 接 触 物 体 的 温 度 不 同 ， 它 们 之 间 就 会 产 生 热 交 换 ， 热 量 将 从 温 度 高 的 物 体向 温 度 低 的 物 体 传 递 ， 直 到 两 个 物 体 达 到 相 同 的 温 度 为 止 。二 、 温 标用 来 量 度 物 体 温 度 数 值 的 标 尺 称 为 温 标 。 它 规 定 了 温

7、 度 读 数 的 起 点 （ 零 点 ） 和 测 量 温 度的 基 本 单 位 。目 前 国 际 上 规 定 的 温 标 有 摄 氏 温 标 （ C） 、 华 氏 温 标 (F)、 热 力 学 温 标 (K)和 国 际 实 用 温 标 。1. 摄 氏 温 标摄 氏 温 标 把 在 标 准 大 气 压 下 冰 的 熔 点 定 为 零 度 （ 0C） ， 把 水 的 沸 点 定 为 100 度 （ 100C） ，在 这 两 温 度 点 间 划 分 100等 份 ， 每 一 等 份 为 1摄 氏 度 。 国 际 摄 氏 温 标 的 符 号 为 t， 单 位 为 C。2. 华 氏 温 标华 氏 温 标

8、 把 在 标 准 大 气 压 下 冰 的 熔 点 定 为 32F， 水 的 沸 点 定 为 212F， 两 温 度 点 间 划 分180个 等 份 ， 每 一 等 份 为 1华 氏 度 ， 符 号 为 。 它 与 摄 氏 温 标 的 关 系 为 （ 2-1）例 如 ， 室 温 25C时 的 华 氏 温 度 为 =（ 1.8 25+32） F=77F。3. 热 力 学 温 标在 国 际 单 位 制 中 ， 以 热 力 学 温 标 作 为 基 本 温 标 ， 它 所 定 义 的 温 度 为 热 力 学 温 度 T， 单位 为 开 尔 文 ， 符 号 为 K。热 力 学 温 标 以 水 的 三 相

9、点 ， 即 水 的 固 、 液 、 汽 三 态 平 衡 共 存 时 的 温 度 为 基 本 定 点 ， 并规 定 其 温 度 为 273.15K。摄 氏 温 标 与 热 力 学 温 标 温 度 之 间 的 关 系 如 下 ：t/C=T/K-273.15或 t/K=t/C+273.15 （ 2-2）例 如 ， 100C时 的 热 力 学 温 度 为T=（ 100+273.15） K=373.15K4. 国 际 实 用 温 标国 际 实 用 温 标 （ InternationalPracticalTemperatureScaleof1968， 简 称 IPTS-68） ， 又 称 国际 温 标 。

10、 它 规 定 热 力 学 温 度 是 基 本 温 度 ， 用 t 表 示 ， 其 单 位 是 开 尔 文 ， 符 号 为 K。 1K 定 义 为水 三 相 点 热 力 学 温 度 的 1/273.16， 水 的 三 相 点 是 指 纯 水 在 固 态 、 液 态 及 气 态 三 项 平 衡 时 的 温度 ， 热 力 学 温 标 规 定 三 相 点 温 度 为 273.16K， 这 是 建 立 温 标 的 唯 一 基 准 点 。2.1.2 温 度 传 感 器 定 义 与 分 类一 、 温 度 传 感 器 定 义温 度 传 感 器 是 将 温 度 变 化 转 换 为 电 量 变 化 的 材 料 、

11、 器 件 或 装 置 ， 利 用 敏 感 元 件 电 参 数 随温 度 变 化 而 变 化 的 特 征 达 到 测 量 目 的 。二 、 温 度 传 感 器 分 类 32/8.1/ CtF 教 学 课 件 2-1温 度 传 感 器 基 础温 度 传 感 器 的 分 类 方 法 很 多 ， 例 如 按 照 用 途 可 分 为 基 准 温 度 计 和 工 业 温 度 计 ； 按 照 测 量方 法 可 分 为 接 触 式 温 度 传 感 器 和 非 接 触 式 温 度 传 感 器 ； 按 照 工 作 原 理 可 分 为 膨 胀 式 、 电 阻 式 、热 电 式 、 辐 射 式 等 温 度 传 感 器

12、 ； 按 照 输 出 信 号 类 型 可 分 为 模 拟 式 和 数 字 式 温 度 传 感 器 。对 接 触 式 温 度 传 感 器 ， 传 感 器 直 接 与 被 测 物 体 接 触 进 行 温 度 测 量 。 由 于 被 测 物 体 的 热 量传 递 给 传 感 器 ， 降 低 了 被 测 物 体 温 度 ， 特 别 是 被 测 物 体 热 容 量 较 小 时 ， 测 量 精 度 较 低 。 因 此 ，采 用 这 种 方 式 要 测 得 物 体 真 实 温 度 的 前 提 条 件 是 被 测 物 体 的 热 容 量 要 足 够 大 。对 非 接 触 式 温 度 传 感 器 ， 传 感 器

13、 主 要 是 利 用 被 测 物 体 热 辐 射 而 发 出 红 外 线 ， 从 而 测 量 物体 的 温 度 ， 可 进 行 遥 测 。 非 接 触 温 度 传 感 器 的 优 点 具 有 不 从 被 测 物 体 上 吸 收 热 量 、 不 会 干 扰被 测 对 象 的 温 度 场 、 连 续 测 量 不 会 产 生 消 耗 、 反 应 时 间 快 等 一 系 列 优 点 ， 但 其 制 造 成 本 较 高 ，测 量 精 度 却 较 低 。表 2-1为 常 用 温 度 传 感 器 按 照 物 理 原 理 的 不 同 进 行 的 分 类 及 对 应 特 点 。表 2-1 常 用 温 度 传 感

14、 器 种 类 及 特 点物 理 原 理 传 感 器 类 型 测 温 范 围 （ C） 特 点体 积 热 膨 胀 玻 璃 管 水 银 温 度 计气 体 温 度 计双 金 属 温 度 计液 体 压 力 温 度 计 -50350-2501000-50350-200350 不 需 电 源 ， 耐 用 ； 感 温部 件 体 积 大接 触 热 电 势 热 电 偶 K热 电 偶 B热 电 偶 S热 电 偶 E热 电 偶 J热 电 偶 T热 电 偶 R热 电 偶 N -20012000170001600-200900-200750-2003500130001200 自 发 电 型 ， 标 准 化 程 度高 ，

15、 品 种 多 ； 需 要 注 意冷 端 温 度 补 偿电 阻 变 化 热 敏 电 阻铂 热 电 阻铜 热 阻 -50300-2008500200 标 准 化 程 度 高 ， 但 需 要接 入 桥 路 才 能 得 到 电压 输 出PN结 结 电 压 变 化 硅 半 导 体 二 极 管（ 半 导 体 集 成 电 路 温度 传 感 器 ） -50150 体 积 小 ， 线 性 好 ， 但 测温 范 围 小温 度 -颜 色 示 温 涂 料液 晶 -5013000100 面 积 大 ， 可 得 到 温 度 图像 ， 但 易 衰 老 ， 精 度 低光 辐 射热 辐 射 红 外 辐 射 温 度 计光 学 高

16、 温 温 度 计热 释 电 温 度 计光 子 探 测 器 -50150050030000100003500 非 接 触 测 量 ， 反 应 快 ；但 易 受 环 境 及 被 测 物体 表 面 状 态 影 响 ， 标 定困 难2.1.3 湿 度 定 义 与 分 类一 、 湿 度 的 定 义湿 度 是 指 大 气 中 水 蒸 气 的 含 量 。 它 表 征 了 大 气 的 干 燥 程 度 。二 、 湿 度 的 分 类湿 度 通 常 可 分 为 绝 对 湿 度 、 相 对 湿 度 两 大 类 。绝 对 湿 度 ： 在 一 定 温 度 和 压 力 条 件 下 ， 单 位 空 间 内 混 合 气 体 中

17、 所 含 水 蒸 气 的 质 量 ， 用 AH表 示 。 （ 2-3）式 中 ， mV为 待 测 空 气 中 水 蒸 气 的 质 量 ； V 为 待 测 空 气 的 总 体 积 ； AH 为 待 测 空 气 的 绝 对 湿 度 ，单 位 为 g/m3（ 克 /每 立 方 米 ） 。 VAH vm相 对 湿 度 ： 被 测 混 合 气 体 中 的 水 蒸 气 压 和 该 气 体 在 相 同 温 度 下 饱 和 水 蒸 气 气 压 的 百 分 比 ，用 RH 表 示 。 （ 2-4）式 中 ， PV为 温 度 T 时 混 合 气 体 中 的 水 蒸 气 分 压 ， PW为 被 测 空 气 在 相

18、同 温 度 T 下 的 饱 和 水 蒸气 压 。实 际 使 用 中 多 使 用 相 对 湿 度 来 表 示 。应 用 实 例 3 PN结 温 度 测 量 电 路 制 作 与 调 试任 务 描 述 ：利 用 PN结 作 温 度 传 感 器 设 计 制 作 数 字 式 温 度 表 ， 加 深 了 解 PN二 极 管 的 温 度 特 性 ， 掌 握 利用 PN结 二 极 管 作 为 温 度 传 感 器 制 作 温 度 测 量 电 路 的 方 法 。 要 求 对 训 练 用 电 子 元 器 件 、 集 成 电路 等 进 行 正 确 识 别 与 质 量 检 测 ， 在 万 能 板 上 焊 接 一 个 P

19、N结 温 度 测 量 电 路 。要 求 测 温 范 围 ： 0100C， 测 量 精 度 为 1C。器 材 准 备 ：开 关 二 极 管 IN4148， 运 算 放 大 器 LM358， 数 字 式 电 压 表 （ 或 温 度 显 示 仪 表 ） ， 电 阻 若 干 ，直 流 稳 压 电 源 一 台 ， 温 控 源 一 台 （ 或 冰 水 混 合 物 1杯 ， 电 热 水 壶 1只 ） ， 水 银 温 度 计 1只 。设 计 制 作 与 调 试 过 程 ：PN结 温 度 测 量 电 路 由 PN结 温 度 传 感 器 、 信 号 调 理 电 路 、 显 示 模 块 等 组 成 。 具 体 电

20、路 如 图2-1 所 示 。在 图 2-1中 ， 温 度 传 感 器 选 用 硅 开 关 二 极 管 IN4148。 由 R1、 R2、 D、 RP1组 成 测 温 电 桥 ，其 输 出 信 号 接 差 动 放 大 器 A1； A2接 成 电 压 跟 随 器 ， 与 RP2配 合 可 调 节 放 大 器 A1的 增 益 。经 放 大 后 的 信 号 输 入 数 字 万 用 表 （ 或 温 度 显 示 仪 表 ） 进 行 显 示 。图 2-1PN结 温 度 传 感 器 测 量 电 路在 电 路 板 上 按 照 图 2-1所 示 电 路 进 行 元 件 排 图 2-2PN结 温 度 测 量 电 路

21、 识 别 图版 、 布 线 与 焊 接 ， 电 路 焊 接 样 板 如 图 2-2所 示 。检 查 无 误 后 接 通 电 源 。 首 先 进 行 电 路 调 零 ， 将 PN结 温 度 传 感 器 IN4148接 入 到 0C温 控源 或 放 入 到 冰 水 混 合 （ 0C） 的 玻 璃 杯 中 2min， 调 节 RP1使 电 路 输 出 所 接 的 数 字 万 用 表 显 示 为0V（ 或 温 度 显 示 仪 表 显 示 为 0） ； 再 进 行 电 路 满 度 调 整 ， 将 PN结 温 度 传 感 器 IN4148接 入 到100C温 控 源 或 加 热 玻 璃 杯 中 的 冰 水

22、 混 合 物 ， 使 水 沸 腾 （ 100C） 2min， 同 时 用 水 银 温 度 计 监%100 WVPPRH 微 视 频 2-1PN结 温 度 测 量 电 路 制作 与 调 试AR体 验 2-1扫 描 二 维 码 下 载 驱 动程 序 ， 安 成 功 后 扫 描 左侧 “ PN 结 温 度 测 量 电路 识 别 图 ” 进 行 AR 体验PN结 温 度 测 量测 ， 调 节 电 位 器 RP2使 电 路 输 出 所 接 的 数 字 万 用 表 显 示 为 1V（ 或 温 度 显 示 仪 表 显 示 为 100） 。调 节 温 控 源 的 温 度 ， 使 温 度 变 化 为 0100C

23、之 间 的 任 意 值 大 小 ， 观 察 数 字 万 用 表 或 温 度显 示 仪 表 上 的 显 示 值 大 小 ， 并 与 水 银 温 度 计 显 示 的 温 度 值 进 行 比 较 。要 求 ： 记 录 测 量 数 据 ， 并 初 步 计 算 测 量 误 差 的 大 小 。问 题 思 考 ：（ 1） 运 算 放 大 器 A2的 作 用 是 什 么 ？（ 2） 在 温 度 上 升 与 下 降 过 程 中 ， 测 量 电 路 所 得 温 度 数 据 与 标 准 温 度 计 显 示 值 之 间 的 误 差是 否 为 恒 定 值 ？2.2 PN结 温 度 传 感 器 相 关 知 识2.2.1P

24、N结 的 温 度 特 性采 用 不 同 的 掺 杂 工 艺 ， 通 过 扩 散 作 用 将 P型 半 导 体 与 N型 半 导 体 制 作 在 同 一 块 半 导 体 基片 上 ， 在 它 们 的 交 界 面 形 成 的 空 间 电 荷 区 称 为 PN结 。PN结 最 主 要 的 特 性 是 具 有 单 向 导 电 性 ， 即 PN结 加 正 向 电 压 时 导 通 ， 加 反 向 电 压 时 截 止 。但 晶 体 二 极 管 或 三 极 管 PN结 的 结 电 压 也 具 有 随 温 度变 化 而 变 化 的 特 性 。 例 如 硅 管 PN结 的 结 电 压 在 温 度每 升 高 1C时

25、 ， 下 降 大 约 -2mV。典 型 的 硅 材 料 PN结 温 度 曲 线 如 图 2-3所 示 。 利 用 这种 温 度 特 性 ， 一 般 可 以 直 接 采 用 二 极 管 （ 如 玻 璃 封 装的 硅 开 关 二 极 管 IN4148） 或 采 用 硅 三 极 管 （ 可 将 集电 极 和 基 极 短 接 ） 接 成 二 极 形 式 来 做 PN结 温 度 传 感器 。 2.2.2PN结 温 度 传 感 器 特 点 与 应 用PN结 温 度 传 感 器 具 有 较 小 的 线 性 度 ， 尺 寸 小 ， 热 时 间 常 数 小 ， 灵 敏 度 高 （ 约 -2mV/C） ，测 温

26、范 围 为 -50+150C。 但 同 一 型 号 的 二 极 管 或 三 极 管 相 应 的 特 性 也 不 同 ， 互 换 性 较 差 。 另外 ， 通 过 PN结 的 电 流 不 能 过 大 ， 否 则 会 因 为 电 流 过 大 引 起 自 身 温 升 而 影 响 测 量 精 度 。PN结 温 度 传 感 器 可 用 作 温 度 报 警 电 路 使 用 ， 也 可 与 数 字 显 示 表 头 组 合 构 成 数 字 显 示 温度 测 量 仪 表 ， 还 可 与 单 片 机 组 合 （ 需 接 入 A/D转 换 电 路 ） 构 成 温 度 自 动 测 量 与 控 制 系 统 。小 常 识

27、 ： PN结 温 度 传 感 器 使 用 技 巧由 于 PN结 温 度 传 感 器 在 0 时 的 输 出 电 压 并 不 是 0mV， 而 是 700 mV左 右 ， 并 会 随温 度 升 高 而 降 低 ， 因 此 在 电 路 设 计 中 需 要 采 用 反 相 放 大 器 进 行 零 点 迁 移 ， 并 按 照 后 续 连接 数 字 显 示 表 头 量 程 的 不 同 选 择 不 同 的 放 大 倍 数 。 若 利 用 二 极 管 制 作 温 度 上 下 限 报 警 电路 ， 可 直 接 利 用 比 较 器 电 路 实 现 报 警 功 能 。理 论 上 ， 流 过 PN结 的 电 流 在

28、 固 定 不 变 时 ， 才 能 得 到 温 度 与 电 压 之 间 的 线 性 关 系 。在 实 际 应 用 中 常 用 一 个 大 电 阻 与 PN结 串 联 方 式 来 实 现 。 为 既 避 免 电 流 过 小 被 外 界 干 扰 ，又 要 防 止 电 流 过 大 加 大 传 感 器 的 自 然 温 升 ， 通 常 将 流 过 二 极 管 的 电 流 选 在 100300uA之间 。 不 同 的 工 作 电 流 仅 对 f-T直 线 起 到 平 移 关 系 ， 不 会 影 响 其 线 性 度 。 教 学 课 件 2-2PN 结 温 度 传 感器应 用 实 例 4 热 敏 电 阻 温 度

29、 上 下 限 报 警 电 路 制 作 与 测 试任 务 描 述 ：利 用 PTC/NTC热 敏 电 阻 传 感 器 ， 分 别 设 计 制 作 成 温 度 上 下 限 报 警 电 路 。 通 过 该 项 目 设 计 与制 作 ， 进 一 步 理 解 PTC/NTC热 敏 电 阻 的 工 作 特 性 及 典 型 应 用 方 法 。 要 求 对 训 练 用 电 子 元 器 件 、集 成 电 路 、 PTC/NTC热 敏 电 阻 进 行 正 确 识 别 与 质 量 检 测 ， 在 万 能 板 上 焊 接 一 个 温 度 上 下 限 报 警电 路 。 通 过 调 节 电 路 元 件 参 数 ， 当 温

30、 度 在 设 定 温 度 范 围 内 时 ， 红 绿 色 发 光 二 极 管 均 不 亮 ， 当温 度 高 于 某 一 设 定 值 时 上 限 报 警 发 光 二 极 管 亮 ， 当 温 度 低 于 某 一 设 定 值 时 下 限 报 警 发 光 二 极管 亮 。 通 过 该 项 目 训 练 ， 掌 握 电 子 产 品 电 路 的 设 计 与 调 试 方 法 。器 材 准 备 ：正 温 系 数 热 敏 电 阻 (10k)、 负 温 系 数 热 敏 电 阻 (10k)、 运 算 放 大 器 、 红 色 与 绿 色 发 光 二 极管 ， 电 阻 若 干 ， 直 流 稳 压 电 源 一 台 。设 计

31、 制 作 与 调 试 过 程 ：温 度 上 下 限 报 警 电 路 主 要 由 热 敏 电 阻 恒 流 源 驱 动 电 路 、 差 分 放 大 器 、 比 较 器 电 路 、 发 光二 极 管 报 警 指 示 电 路 等 组 成 。 由 正 温 系 数 热 敏 电 阻 组 成 的 温 度 上 下 限 报 警 电 路 如 图 2-4所 示 。在 图 2-4中 ， 热 敏 电 阻 PTC由 运 放 LMV358构 成 的 恒 流 源 来 驱 动 。 当 PTC热 敏 电 阻 表 面 温 度 升高 时 ， 阻 值 增 大 ， TP1处 电 压 增 加 ， TP9处 电 压 减 小 ， 当 温 度 上

32、 升 到 一 定 值 时 ， TP9处 电 压 小 于TP5处 电 压 ， 比 较 器 将 输 出 低 电 平 ， 红 色 发 光 二 极 管 D1将 被 点 亮 ， 说 明 温 度 大 于 设 定 的 上 限 温度 。 当 PTC表 面 温 度 下 降 时 ， 热 敏 电 阻 阻 值 减 小 ， TP1处 电 压 较 小 ， TP9处 电 压 增 加 ， 当 温 度下 降 到 一 定 值 时 ， TP9处 电 压 大 于 TP6处 电 压 ， 比 较 器 输 出 高 电 平 ， 绿 色 发 光 二 极 管 D2将 被 点亮 ， 说 明 温 度 小 于 设 定 的 下 限 温 度 。 当 PT

33、C表 面 温 度 介 于 设 定 的 上 限 温 度 和 下 限 温 度 之 间 时 ，发 光 二 极 管 D1、 D2均 不 亮 。图 2-4 PTC温 度 上 下 限 报 警 电 路小 贴 士 : PN结 温 度 传 感 器 使 用 技 巧在 标 准 大 气 压 的 条 件 下 ， 水 的 沸 腾 温 度 为 100 C； 在 冰 与 水 共 溶 的 条 件 下 其 温 度 为 0C。 因 此 ， 可 将 100 C及 0 C两 个 温 度 值 作 为 标 准 温 度 来 标 定 温 度 与 二 极 管 管 压 降 之 间 的定 量 关 系 ， 即 确 定 二 极 管 的 测 温 灵 敏

34、度 。为 避 免 二 极 管 两 引 脚 在 水 中 导 电 影 响 测 量 精 度 ， 可 预 先 将 二 极 管 两 引 脚 分 别 用 塑 料 套管 或 其 他 绝 缘 材 料 封 装 好 后 再 放 入 水 中 。 微 视 频 2-2热 敏 电 阻 温 度 报 警电 路 制 作 与 调 试由 负 温 系 数 热 敏 电 阻 组 成 的 温 度 上 下 限 报 警 电 路 如 图 2-5所 示 。在 图 2-5中 ， 热 敏 电 阻 NTC由 运 放 LMV358构 成 的 恒 流 源 来 驱 动 。 当 NTC热 敏 电 阻 表 面 温度 升 高 时 ， 阻 值 减 小 ， TP10处

35、 电 压 减 小 ， TP11处 电 压 增 加 ， 当 温 度 上 升 到 一 定 值 时 ， TP11处电 压 大 于 TP8处 电 压 ， 比 较 器 将 输 出 高 电 平 ， 红 色 发 光 二 极 管 D3将 被 点 亮 ， 说 明 温 度 大 于 设 定的 上 限 温 度 。当 NTC热 敏 电 阻 表 面 温 度 下 降 时 ， 热 敏 电 阻 阻 值 增 大 ， TP10处 电 压 增 高 ， TP11处 电 压 减 小 ，当 温 度 下 降 到 一 定 值 时 ， TP11处 电 压 小 于 TP7处 电 压 ， 比 较 器 输 出 低 电 平 ， 绿 色 发 光 二 极

36、管 D4将 被 点 亮 ， 说 明 温 度 小 于 设 定 的 下 限 温 度 。 当 NTC表 面 温 度 介 于 设 定 的 上 限 温 度 和 下 限 温 度 之间 时 ， 发 光 二 极 管 D3、 D4均 不 亮 。图 2-5 NTC温 度 上 下 限 报 警 电 路分 别 按 照 图 2-4、 图 2-5 给 定 电 路 参 数 及 设 计 选 择 电 阻 参 数 在 电 路 板 上 排 版 并 焊 接电 路 ， 焊 接 电 路 样 板 如 图 2-6所 示 。检 查 无 误 后 接 通 电 源 ， 观 察 上 下 限 报 警 发 光二 极 管 的 工 作 状 态 。在 图 2-6

37、中 的 PTC位 置 处 接 入 正 温 系 数 热 敏电 阻 。 在 室 温 条 件 下 ， 使 用 万 用 表 测 量 并 记 录 TP1、TP9、 TP5、 TP6处 电 压 ， 调 节 电 位 器 RP2， 使 TP5处 电 压 略 低 于 TP9 处 电 压 ， 此 时 上 限 指 示 发 光 二极 管 D2是 熄 灭 状 态 ； 调 节 电 位 器 RP1， 使 TP6处电 压 低 于 TP9处 电 压 ， 此 时 下 限 指 示 发 光 二 极 管D1亮 起 。 图 2-6 热 敏 电 阻 温 度 上 下 限 报 警 电 路 识 别 图使 用 温 控 源 ， 提 高 PTC热 敏

38、 电 阻 表 面 的 温度 ， 观 察 发 光 二 极 管 的 亮 暗 变 化 。 随 着 温 度 升 高 ， D1熄 灭 ， 再 升 高 一 定 温 度 ， D2亮 起 。调 整 TP5与 TP6的 电 压 ， 重 复 上 述 步 骤 ， 观 察 实 验 现 象 。在 图 2-6中 的 NTC位 置 处 接 入 负 温 系 数 热 敏 电 阻 。 在 室 温 条 件 下 ， 使 用 万 用 表 测 量 并 记录 TP10、 TP11、 TP7、 TP8处 电 压 ， 调 节 电 位 器 RP8， 使 TP8处 电 压 略 高 于 TP11 处 电 压 ， 此 时上 限 指 示 发 光 二 极

39、 管 D3是 熄 灭 状 态 ； 调 节 电 位 器 RP7， 使 TP7处 电 压 高 于 TP11 处 电 压 ， 此 时下 限 指 示 发 光 二 极 管 D4亮 起 。使 用 温 控 源 ， 提 高 NTC热 敏 电 阻 表 面 的 温 度 ， 观 察 发 光 二 极 管 的 亮 暗 变 化 。 随 着 温 度 升高 ， D4熄 灭 ， 再 升 高 一 定 温 度 ， D3亮 起 。AR体 验 2-2扫 描 二 维 码 下 载 驱 动程 序 ， 安 成 功 后 扫 描 左侧 “ 热 敏 电 阻 温 度 报 警识 别 图 ” 进 行 AR 体 验测 温 电 路热 敏 电 阻 温 度 报

40、警调 整 TP7与 TP8的 电 压 ， 重 复 上 述 步 骤 ， 观 察 发 光 二 极 管 D3、 D4变 化 情 况 。问 题 思 考 ：（ 1） 如 果 在 实 训 过 程 中 上 下 限 报 警 发 光 二 极 管 同 时 被 点 亮 ， 该 如 何 解 决 ？（ 2） 在 实 训 电 路 中 ， 如 果 不 采 用 恒 流 源 驱 动 热 敏 电 阻 ， 而 是 直 接 由 热 敏 电 阻 与 固 定 电阻 分 压 方 式 取 得 温 度 变 化 引 起 的 电 压 变 化 ， 对 实 训 结 果 将 会 产 生 怎 样 的 影 响 ？2.3 热 敏 电 阻 相 关 知 识通 常

41、 ， 将 利 用 导 体 或 半 导 体 材 料 电 阻 值 随 温 度 变 化 而 变 化 的 特 性 制 成 的 传 感 器 称 为 电 阻式 温 度 传 感 器 。 电 阻 式 温 度 传 感 器 主 要 包 括 热 敏 电 阻 和 热 电 阻 两 大 类 。2.3.1 热 敏 电 阻 种 类 与 特 性热 敏 电 阻 是 利 用 半 导 体 材 料 的 电 阻 率 随 温 度 变 化 而 变 化 的 性 质 制 成 的 ， 是 一 种 半 导 体 测温 元 件 。按 照 热 敏 电 阻 的 温 度 特 性 可 将 热 敏 电 阻 分 为 正 温 度 系 数 热 敏 电 阻 （ Posi

42、tiveTemperatureCoefficient， PTC） 、 负 温 度 系 数 热 敏 电 阻 （ Negative， NTC） 和 临 界 温 度 热 敏 电 阻 （ CriticalTemperatureResistor， CTR)三 大 类 。(1) 正 温 度 系 数 热 敏 电 阻电 阻 值 随 温 度 升 高 而 增 大 的 电 阻 称 为 正 温 系 数 热 敏 电 阻 ， 简 称 为 PTC热 敏 阻 。 它 的 主 要材 料 是 掺 杂 的 BaTiO3半 导 体 陶 瓷 ， 最 高 温 度 一 般 不 超 过 140 。(2) 负 温 度 系 数 热 敏 电 阻电

43、 阻 值 随 温 度 升 高 而 下 降 的 热 敏 电 阻 称 为 负 温 度 系 数 热 敏 电 阻 ， 简 称 为 NTC热 敏 电 阻 。它 的 材 料 主 要 是 一 些 过 渡 金 属 氧 化 物 半 导 体 陶 瓷 ， 一 般 用 于-50300 的 温 度 测 量 。(3) 临 界 温 度 热 敏 电 阻该 类 电 阻 器 的 电 阻 值 在 某 特 定 温 度 范 围 内 随 温 度 升 高 而降 低 3 4个 数 量 级 ， 即 具 有 负 的 温 度 系 数 。 其 主 要 材 料 是 二氧 化 钒 （ VO2） 并 添 加 一 些 金 属 氧 化 物 ， 由 于 其 电

44、 阻 变 化 只 在临 界 温 度 附 近 ， 因 此 不 适 于 较 宽 温 度 范 围 的 测 量 。各 种 热 敏 电 阻 的 特 性 曲 线 如 图 2-7所 示 。由 图 2-7可 见 ， PTC、 NTC热 敏 电 阻 适 用 于 在 一 定 范 围 内的 温 度 测 量 ， CTR因 特 性 变 化 陡 峭 更 适 用 于 组 成 温 度 开 关 。 图 2-7各 种 热 敏 电 阻 特 性 曲 线小 知 识 ： 比 较 器 工 作 原 理对 比 较 器 ， 当 同 相 端 电 位 高 于 反 向 端 电 位 时 ， 其 输 出 为 高 电 平 ； 当 同 相 端 电 位 低 于

45、 反 向端 电 位 时 ， 其 输 出 为 低 电 平 。对 由 运 放 构 成 的 比 较 器 ,其 输 出 高 电 平 约 为 电 源 电 压 ， 实 为 （ VCC-1.5） V左 右 ； 若 使 用 专用 比 较 器 芯 片 （ 如 LM311等 ） ， 由 于 其 输 出 端 为 OC门 结 构 ， 必 须 在 输 出 端 与 电 源 之 间 接 入 上 拉电 阻 ， 此 时 的 输 出 高 电 平 接 近 于 电 源 电 压 。 教 学 课 件 2-3热 敏 电 阻2.3.2 热 敏 电 阻 结 构 与 参 数常 用 热 敏 电 阻 的 外 形 结 构 与 电 路 符 号 如 图

46、2-8所 示 。（ a） 外 形 结 构 （ b） 电 路 符 号图 2-8热 敏 电 阻 外 形 结 构 与 电 路 符 号热 敏 电 阻 的 主 要 技 术 参 数 包 括 标 称 阻 值 、 温 度 系 数 、 额 定 功 率 、 时 间 常 数 、 温 度 范 围 、最 大 电 压 等 。 各 参 数 的 主 要 含 义 如 表 2-2所 示 。表 2-2 热 敏 电 阻 主 要 参 数 含 义主 要 参 数 含 义标 称 阻 值 指 热 敏 电 阻 在 25 时 的 电 阻 值温 度 系 数 指 当 温 度 变 化 时 将 会 导 致 电 阻 的 相 对 变 化 值额 定 功 率 指

47、 允 许 热 敏 电 阻 正 常 工 作 的 最 大 功 率 。时 间 常 数 指 当 温 度 变 化 时 ， 热 敏 电 阻 的 阻 值 变 化 到 最 终 值 63.2%时 所 需 的 时 间 。温 度 范 围 指 允 许 热 敏 电 阻 正 常 工 作 的 温 度 范 围 。 一 般 的 工 作 温 度 范 围 为 -55315 。最 大 电 压 指 在 规 定 环 境 温 度 下 ， 热 敏 电 阻 正 常 工 作 时 所 允 许 连 续 施 加 的 最 高 电 压 值 。应 用 实 例 5 热 电 阻 温 度 测 量 电 路 制 作 与 调 试任 务 描 述 ：利 用 热 电 阻 传

48、 感 器 ， 设 计 制 作 一 种 温 度 测 量 电 路 。 通 过 该 项 目 设 计 与 制 作 ， 进 一 步 理 解热 电 阻 的 工 作 特 性 及 典 型 应 用 方 法 。 要 求 对 训 练 用 电 子 元 器 件 、 集 成 电 路 、 热 电 阻 进 行 正 确识 别 与 质 量 检 测 ， 并 在 万 能 板 上 焊 接 一 个 热 电 阻 温 度 测 量 电 路 ， 并 能 够 进 行 数 值 显 示 。 通 过该 项 目 训 练 ， 掌 握 电 子 产 品 电 路 的 设 计 与 调 试 方 法 。器 材 准 备 ：PT100热 电 阻 、 运 算 放 大 器 ，

49、 电 阻 若 干 ， 数 字 万 用 表 （ 或 温 度 显 示 仪 表 ） ， 直 流 稳 压 电 源一 台 。设 计 制 作 与 调 试 过 程 ：热 电 阻 温 度 测 量 电 路 主 要 由 热 电 阻 、 恒 流 源 驱 动 电 路 、 仪 表 放 大 器 、 电 压 跟 随 器 、 零 点调 节 电 路 和 显 示 电 路 等 组 成 。 具 体 参 考 电 路 如 图 2-9所 示 。 微 视 频 2-3热 电 阻 温 度 测 量 电路 制 作 与 调 试 应 用图 2-9热 电 阻 温 度 测 量 电 路PT100热 电 阻 采 用 恒 流 源 驱 动 。 当 PT100表 面

50、 温 度 发 生 改 变 时 ， PT100阻 值 会 发 生 变 化 ，TP1处 的 电 压 则 能 反 应 出 PT100的 阻 值 变 化 ， 通 过 由 U12高 精 密 仪 表 放 大 器 AD8237电 路 调理 之 后 ， 被 送 入 后 级 的 电 压 跟 随 器 ， 以 适 合 在 数 字 显 示 表 中 显 示 。按 照 图 2-9给 定 电 路 参 数 及 设 计 选 择 电 阻 参 数 ， 在 电 路 板 上 排 版 并 焊 接 电 路 ， 电 路 样 板如 图 2-10所 示 。检 查 无 误 后 接 通 电 源 ， 观 察 数 字 万 用 表 显 示 的 电 压 值