第4章热电传感技术.ppt

1、,第4章 热电传感技术,本章目的和要求,了解热电式传感技术的基本原理 掌握各种热电式传感器： 结构 特性 使用注意事项及应用 热电式传感器类型：热敏电阻、热电开关、热电阻、热电偶、温敏晶体管等。,概述,热电式传感技术是将温度变化转换为电量变化的一种技术，它所利用的传感器件就是热电式传感器。在各种传感器中，热电式传感器是应用最为广泛的一种。如家电、医疗、国防、科研、航天航空技术、工业生产等领域，凡是需要调温、控温、测温的地方都用到它。,热力学温度是国际上公认的最基本温度，我国目前实行的是1990年国际温标( ITS 90）(ITS90）定义:国际开尔文温度（T90）： 单位，开尔文（符号K）国际

2、摄氏温度（t90）： 单位，摄氏（符号 ）两者关系为：t90 / = T90 / K 273.15 或表示为 t / = T / K 273.15,为定量描述温度的高低，必须建立温度标尺（温标），各种温度计和温度传感器的温度数值均由温标确定。,补充： 温度单位,4.1 热敏电阻,热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测温的。半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，特别适于在 -50350之间测温。,热敏电阻的缺点是互换性较差，另外其热电特性是非线性的。,4.1.1 热敏电阻的结构形式,热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴

3、（Co）、锰（Mn）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高温烧结而成。其形状有珠状、片状、杆状、垫圈状等。,图4.1 热敏电阻结构形式,MF12型 NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,玻璃封装 NTC热敏电阻,大功率PTC热敏电阻,贴片式NTC热敏电阻,非标热敏电阻,热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数型(PTC)、负温度系数型(NTC)和临界温度系数型(CTR)。,可见CTR临界热敏电阻有一突变温度，此特性可用于自动控温和报警电路中，组成控制开关。温度测量中，使用PTC型和NTC型热敏电阻，使用最多的是NTC型热敏电阻。,4.1.2 热敏电阻的温度特性,NTC热敏电阻的阻值-温度关系为

4、：,1. NTC热敏电阻的电阻 温度特性,RT,R0-分别为温度T(K)和 T0(K)时的阻值 R0 -通常取标准阻值（标称电阻）：环境温度为25时的阻值，取决于热敏电阻材料、几何尺寸。 B 为热敏电阻的材料常数，一般B 为20006000K，高温下B 将增大。,或表示为：,NTC热敏电阻器的电阻-温度曲线,图中直线的斜率就是热敏电阻的材料常数B。,不同材料的B不同，右图为不同B的RT /R25T特性曲线,为了使用方便，常取环境温度为25作为参考温度（即T0=25），则NTC热敏电阻器的电阻 温度关系式可写成：,热敏电阻的温度系数,若定义,为热敏电阻的温度系数,则由,得,可见，T随温度降低而迅

5、速增大， T决定热敏电阻在全部工作范围内的温度灵敏度。,2. PTC热敏电阻的电阻 温度特性,PTC的电阻 温度特性是利用正温度系数热敏材料在居里点附近结构发生相变引起导电率突变获得的，如图所示。,PTC的电阻 温度曲线,由实验得到：在工作温度范围内，PTC的电阻 温度特性可近似用下面的公式表示：,对上式取对数得：,lnRT -T特性曲线,图线的斜率即为BP：,常用热敏电阻,热敏电阻型号 我国产热敏电阻是按部颁标准SJ1155-82来制定型号，由四部分组成。 第一部分：主称，用字母M表示 敏感元件。 第二部分：类别，用字母Z表示正温度系数热敏电阻器，或者用字母F表示负温度系数热敏电阻器。 第三

6、部分：用途或特征，用一位数字（0-9）表示。一般数字 1表示普通用途； 2表示稳压用途（负温度系数热敏电阻器）； 3表示微波测量用途（负温度系数热敏电阻器）； 4表示旁热式（负温度系数热敏电阻器）； 5表示测温用途； 6表示控温用途； 7表示消磁用途（正温度系数热敏电阻器）； 8表示线性型（负温度系数热敏电阻器）； 9表示恒温型（正温度系数热敏电阻器； 0表示特殊型（负温度系数热敏电阻器）。 第四部分：序号，也由数字表示，代表规格、性能。 往往厂家出于区别本系列产品的特殊需要，在序号后加派生序号，由字母、数字和-号组合而成。 例： M Z 1 1 序号 普通用途 正温度系数热敏电阻器 敏感元件

7、,1.线性化网络 对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串或并联构成电阻网络(常称为线性化网络)代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系。,4.1.3 热敏电阻输出特性的线性化处理,图中热敏电阻Rt与补偿电阻rc 串联,串联后的等效电阻R= Rt +rc ，只要rc 的阻值选择适当，可使温度在某一范围内与电阻的倒数成线性关系，所以电流I与温度T成线性关系。,串联补偿电路,并联补偿电路,图中热敏电阻Rt与补偿电阻rc并联，其等效电阻R= Rt / rc 。由图可知，R与温度的关系曲线便显得比较平坦。因此可以在某一温度范围内得到线性的输出特性。常由于电桥

8、测温电路：,当电桥平衡时，,电压U=0，这时对应一个温度T0,当温度变化时，RT将变化，电桥失去平衡，电压U0，对应了温度的变化,2.计算修正法在带有微处理器的测量系统中，可以用软件对传感器的线性进行处理。,3.利用温度-频率转换电路改善非线性,1. 温度补偿对一些仪表的重要元器件进行温度补偿。被补偿元器件具有正的温度系数。热敏电阻具有负的温度系数。,4.1.4 热敏电阻的应用,2. 家电控温RT为负温度系数热敏电阻，K1常开触点,若RT为正温度系数，,RW与RT对调即可。,热敏电阻应用举例：1. 温度控制,简易温度控制器,由继电器控制加热丝，继电器有电流通过时，触点闭合，加热丝通电开始加热。

9、LED为加热指示灯。,NTC型,利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关系可以测量流量、流速、风速等,热敏电阻流量计,热敏电阻应用举例：2. 流量测量,介质静止： 电桥平衡，桥路输出为0； 介质流动： 将Rt1的热量带走，致使Rt1阻值变化，桥路有相应的输出量。 介质从Rt1上带走的热量多少与介质流量有关。,4.2 热电开关,采用两种不同特性的材料（如金属片热膨胀或陶铁磁体热磁性）构成的热敏传感器，该传感器具有温度开关特性，因此又称热电开关或温控开关。,4.2.1 双金属片式热电开关,1. 双金属片的构成及其弯曲特性,构成：由两种膨胀系数不同的金属片轧制或锻压在一起而成的。 弯曲特性：1）常温：

10、平直2）受热：向膨胀系数小的一面弯曲变形。膨胀系数大的金属片伸长加多，而膨胀系数小的金属片伸长较少。3）温度下降：逐渐回弹平直，,双金属片的弯曲程度，可参考下列公式计算：,D偏位的大小 K双金属片特性常数 (T2-T1)温度变化 l双金属片的长度 h双金属片的厚度,通常灵敏度为0.01mm/oC0.03mm/oC,2. 双金属片的材料构成,3. 双金属片热电开关的类型,4. 双金属片热电开关自动控温原理,常闭式保温器（电饭锅）就是通过两个触点接通又脱开（即闭合-断开-闭合）的方式，达到了自动保温的目的。,双金属片控制恒温箱,双金属温度计敏感元件,4.2.2 陶铁磁体式热电开关,1.陶铁磁体式热

11、电开关的结构原理,主要由硬磁、软磁，动作弹簧、抵紧弹簧、拉杆、杠杆、银触点、操作按键等组成。特点：动作灵活、经久耐用、安全可靠，比双金属片式热电自动开关的控制性能好。,4.2.3 热电开关的应用举例,自动保温式电饭锅,电饭锅的恒温要求在600C800C，,工作原理： 当电源接通时：K1的常闭触点接通指示灯亮 煮饭时：K2按下当温度上升到700C时，K1跳开温度上升到1030C时，K2断开，电源断开。 温度下降到700C时：双金属恒温器K1复位，从而开始保温。,在磁钢控温系统中还有一种调整功率大小的电路，如图4.12所示。原理如下：煮饭时，按下按键开关使T1接通，磁钢控温器吸合；与此同时，T2断

12、开，其大部分电流通过96.8的电热元件，开始加热，煮饭指示灯亮。,煮饭时对应的电路,煮饭的功率为,饭煮熟保温时对应的电路,当饭煮熟时，磁钢限温器脱扣，T1切断，T2复位闭合。,保温元件的功率为：,4.3 铂电阻,1. 铂电阻,铂电阻是铂热电阻的简称。是用导体的电阻随温度变化而变化的特性测量温度的。,铂电阻具有电阻温度系数稳定、电阻率高、线性度好、测量范围宽（-2000C8500C）等特点。 铂电阻广泛用作工业测温元件或作为温度标准。 按国际温标IPTS-68规定，在-259.34630.73温域内，以铂电阻温度计作基准器。,4.3.1 铂电阻与温度的关系,电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用

13、下式表示：,在0850范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为：,4.3.1 铂电阻与温度的关系 在-2000C00C以内为,:温度为t 0C时的电阻,:温度为0 0C时的电阻,:任意温度,:分度系数，,在ITS90 中，这些常数规定为,A=3.9684710-13/B=-5.8410-7/2C=-4.2210-12/4,铂电阻体结构,材料多为纯铂金属丝（0.030.07mm），也有铜、镍，绕制在云母板、玻璃或陶瓷线圈架上，构成热电阻。,带保护管的铂测温电阻元件,分度号：给各种热电偶和热电阻命名的统一代号，叫分度号。 是国际电工委员会【IEC】发表的相关技术标准国际温标，我国于1988年采用该标准

14、。分度表：以表格的形式，规定每种热电偶/热电阻在-271度-2300度每一个温度点上，各种热电偶/热电阻的输出参数。我国规定工业用铂热电阻有两种：R0=10和R0=100， 它们的分度号分别为：Pt10 和 Pt100， 其中以Pt100为常用。 铂热电阻的分度表：即Rt-t的关系表，铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。,例：已知铂热电阻温度计0时电阻为100, 100时电阻为139，当它与某热介质接触时，电阻值增至281，试确定该介质温度。,解： 已知：铂热电阻温度计0时电阻为100，即为Pt100，100时电阻为13

15、9； 可通过查表得：当电阻值增至281时，介质温度为500。,铜电阻成本低，在-50150范围内阻值变化呈线性。主要用于测量精度要求不高、温度范围不大的场合。,4.4 铜热电阻（铜电阻）,在-50150范围内,铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为：,式中， 温度为 时的电阻值； 温度为时的电阻值； 铜电阻温度系数=4.2510-34.2810-3/oC,4.4.1 铜电阻与温度的关系,4.4.2 铜电阻体结构,用直径0.1毫米的漆包线或丝包线双线绕制，再浸以酚醛树脂制成。用镀银铜线作引出线。 热电阻中，应用最多的是铂和铜，此外，还采用镍、锰和铑等材料制造热电阻，,4.4.2 铜电阻分度特

16、性表,我国以电阻 值在100 和50 的条件下，制成相应分度表作为标准。两种分度号：Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。,铜热电阻的分度表分度号：Cu50,4.4.2 铜电阻的缺点,铜电阻的缺点是电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性也较大，在100 以上易氧化，因此只能用于低温以及无侵蚀性的介质中。,4.5 热电偶,热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。 特点：结构简单，使用方便、精度高、热惯性小，可测局部温度和便于远距离传送，并可集中检测、自动记录。用来测量-18028000C范围内的温度。,4.5.1 热电偶的基本工作原理,在两种不同的金属所组成的闭合回路中见图 4

17、.15(a) ，当两接触点的温度不同时，回路中就要产生热电势。这个物理现象称为热电效应。,热端（测量端）,冷端(参考端）,4.5.1 热电偶的基本工作原理,热电偶由温差产生的热电势是随介质温度变化而变化的，其关系可由下式表示，即,式中，,:热电偶的热电势；,:温度为T时的热电势；,:温度为T0时的热电势；,当热电偶的材料均匀时，热电偶的热电势大小与电极的几何尺寸无关，仅与热电偶材料的成分和热、冷两端的温差有关。,4.5.1 热电偶的基本工作原理,热电偶测温的基本原理 在通常的测量中要求冷端的温度恒定，此时热电偶的热电势就是被测介质温度的单值函数，即,1. 中间导体定律 在热电偶回路中插入第3、

18、4种导体，只要插入导体的两端温度相等，且插入的导体是匀质，则无论插入导体的温度分布如何，都不会影响原来热电偶的热电势的大小。,4.5.2 热电偶的基本定律概况材料、结点对温度的影响,图4.16 中间导体定律,实际意义？,2. 标准电极定律热电偶结点温度为T、T0时所产生的热电势，等于该热电偶的两个电极A、B分别与标准电极C组成的两个热电偶的热电势之差。这就是标准电极定律，又称为热电偶相配定律。,4.5.2 热电偶的基本定律,实际意义？,例,已知铂铑30-铂热电偶的EAC（1 084.5,0）=13.937（mV），铂铑6-铂热电偶的EBC（1 084.5,0）=8.354（mV）。求铂铑30-

19、铂铑6在相同温度条件下的热电动势。,解：,由标准电极定律可知，EAB（1 084.5,0）=EAC（1 084.5,0）EBC（1 084.5,0）=13.9378.354=5.583（mV）,3. 中间温度定律由两种材料的热电极组成的热电偶，在结点温度（T，T0）时所产生的热电势EAB（T，T0），等于该热电偶在温度（T，Tn）和(Tn,T0)时分别产生的热电势EAB（T，Tn)和EAB(Tn,T0)的代数和。这就是中间温度定律。,4.5.2 热电偶的基本定律,实际意义？,贵金属热电偶 铂铑铂铑（6001700）铂铑铂 （01600） 普通金属热电偶镍铬镍硅（-2001200）镍铬镍铜（-4

20、0750）铁 康铜 （0400）热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好，这是其它温度传感器无法替代的。,1. 热电偶种类,4.5.3 热电偶的种类和结构,国际电工委员会IEC (International Electro Technical Commission)推荐种标准化热电偶，已列入工业标准化文件，具有统一的分度表。,补充了解：,热电偶分为标准热电偶和非标准热电偶 标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。 国际电工委员会（IEC）共推荐了8种标准化热电偶,标准化热电

21、偶技术数据,标准化热电偶的特性,非标准化热电偶,1）普通热电偶,4.5.3 热电偶的种类和结构,2. 热电偶的结构 热电偶的种类虽然很多，但通常由金属热电极、绝缘子、保护套管及接线装置等部分组成。,普通热电偶，主要用于测量气体、蒸汽、液体等，外形有棒形、三角形、锥形等。,普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。,普通装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,普通装配型热电偶的 结构放大图,接线盒,引出线套管,固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）,热电偶工作端（热端）,不锈钢保护管,2） 铠装热电偶,4.5.3 热电偶的结构,铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由热电极

22、、绝缘材料和金属套管组合在一起，经拉伸加工而成的坚实组合体 .它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装型热电偶的主要优点是测温端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，适合于位置狭小部位的温度测量。,1接线盒 2金属套管 3固定装置 4绝缘材料 5热电极,铠装型热电偶外形,法兰,铠装型热电偶可 长达上百米,薄壁金属 保护套管（铠体）,铠装型热电偶横截面,3）薄膜热电偶,4.5.3 热电偶的结构,用真空蒸镀（或真空溅射）、化学涂层等工艺，将两种热电极材料蒸镀到绝缘基板上形成薄膜状热电极及热接点。 热电偶测量端既小又薄（厚度可达0.010.1m），其结构有片状、针状和把热电极材料直接蒸镀

23、在被测表面上等3种。 所用的电极类型有铁-康铜、铁-镍、铜-康铜、镍铬-镍硅等。 特点：热接点的热容量很小，反应快，可用于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度。测温范围为200300。,4.5.4 热电偶冷端的温度补偿,补偿原因：只有使冷端的温度恒定，热电势才是热端温度的单值函数。由于热电偶分度是以冷端温度为00C时测得的，因此在使用时要正确反映热端温度（被测温度），必须满足温度恒定为00C。实际中，热电偶的冷端靠近被测对象，且受到周围温度的影响，这时热电偶的输出并不代表被测环境温度。,. 冷端温度修正法冷端温度不等于00C，但能保持恒定不变的情况使用。 （）热电势修正法（计算法）根据中间温度

24、定律，将电势换算到冷端为时应为,4.5.4 热电偶冷端的温度补偿,冷端温度,热端温度,4.5.4 热电偶冷端的温度补偿,. 冷端温度修正法,（）热电势修正法例题4.1 用镍铬-镍硅热电偶测炉温，当冷端温度为300C且为恒定时，测出热端温度为t时的热电动势为39.17mV,求炉子的真实温度。解：,由T0=0，查镍铬-镍硅热电偶分度表， E（30，0）=1.203mV，又知E（T，30）=39.17mV 所以E（T，0）= E（T，30）+ E（30，0） =1.203mV+39.17mV=40.373mV。 再用40.373mV反查分度表得977，即被测介质的实际温度。,分度表,（2）温度修正法

25、 令 为仪表的指示温度，为冷端温度，则被测的真实温度为T = T + k T0,4.5.4 热电偶冷端的温度补偿,k为热电偶的修正系数，决定于热电偶类型和被测温度范围。例4.中测得炉温为9460C(39.17mV)，冷端温度为300C，查表k=1.00，则,. 电桥补偿法电桥补偿法是用电桥的不平衡电压（补偿电势）去消除冷端温度变化的影响，这种装置称为冷端温度补偿器。,4.5.4 热电偶冷端的温度补偿,图4.23 冷端温度补偿电路图,Rs、R1、R2、R3锰铜丝绕制，阻值几乎不随温度变化 RCu：阻值随温度升高而增大,4.5.4 热电偶冷端的温度补偿,. 电桥补偿法电桥平衡点温度或补偿温度：在某

26、一温度下，设 计电桥处于平衡状态，则电桥输出为0，该温度称为电桥平衡点温度或补偿温度。当环境温度变化时，冷端温度随之变化，热电偶的电势值随之变化E1；与此同时Rcu的电阻值也随环境温度变化，使电桥失去平衡，有不平衡电压E2 输出。设法设计E1 和E2 数值相等极性相反，即可起到冷端温度变化自动补偿的作用。,3. 热电偶冷端温度恒温法（冰浴法）,适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。,热电偶一般做得较短， 一般为3502000mm。 在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样, 冷端温度t0比较稳定。,补充：热电偶补偿导线,解决办法：

27、工程中采用一种补偿导线。在0100温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。,常用补偿导线,4.6 温敏二极管,4.6.1 温敏二极管工作原理,根据 结理论，对于理想二极管，只要其正向电压 UF 大于几个 ，其正向电流IF与正向电压UF 和温度之间的关系即可表示为,一定电流模式下，PN结的正向电压与温度之间具有很好的线性关系。,(4.18式)两边除以Is ，取对数得：,所以,上式表明：在一定电流下，二极管正向电压随温度的升高而降低，呈负温度系数。 （只要它们工作在PN结空间电荷区中的复合电流和表面漏电流可以忽略） 经研究表明，对于锗和硅二极管，在相当宽的一个温度范国内其正向电压与

28、温度之间的关系与上式吻合。,对于不同的工作电流，温敏二极管的 UF-关系是不同的；但是 UF-之间总是线性关系。例如2DWMl型硅温敏二极管，在恒流下， UF-T 在-50+150范围内呈很好的线性关系。,4.6.2 温敏二极管的基本特性（UF -T）关系,另外：温敏二极管的温度特性对扩散电流成立，但实际二极管的正向电流还包括空间电荷区中的复合电流和表面复合电流。故实际二极管的电压 温度特性是偏离理想情况的。由此引入温敏三极管。,利用三极管发射结正向电压UBE随温度上升而下降的原理。由于在发射结正向偏置下，虽然发射结电流也包括扩散电流、空间电荷的复合电流和表面复合电流三种成分，但只有其中的扩散

29、电流能够到达集电极形成集电极电流Ic，而另两种电流则作为基极电流漏掉。因此，晶体管的IcUBE关系比二极管的IFUF关系更符合理想情况，所以表现出更好的电压 温度线性关系。,4.7.1 温敏三极管的基本原理,根据晶体管的有关理论可以证明，晶体管的基极发射极电压与温度 和 Ic的函数关系为,式中，,若Ic恒定，则UBE仅随温度 成单调单值函数变化。,4.7.1 温敏三极管的基本原理,4.7.2 温敏三极管测温的基本电路,温敏三极管测温的最常用的电路如图所示。,图4.25 温敏三极管的基本电路,温敏晶体管作为负反馈元件跨接在运算放大器的反相输入端和输出端，基极接地。如此连接的目的是使发射结为正偏。

30、而集电结几乎为零偏。,零偏的集电结使得集电结电流中不需要的空间电荷的复合电流和表面复合电流为零，而发射结电流中的发射结空间电荷复合电流和表面漏电流作为基极电流流入地。因此，集电极电流完全由扩散电流成分组成。集电极电流Ic只取决于集电极电阻RC和电源E，保证了温敏晶体管的Ic恒定。电容C的作用是防止寄生振荡。,图4.25 温敏三极管输出特性,图4.25(b)表示在不同的IC情况下，温敏三极管的UBE电压与温度T的实际结果。,4.8 温敏晶闸管（可控硅）,温敏晶闸管（ 可控硅）是温敏闸流晶体管的简称。主要用作大电流、大功率的开关闸。它是一个四层 结构的三端半导体器件，如图4.26（）所示。,当晶闸

31、管处于正向工作过程时，阳极和阴极之间加正向电压，则J1和J3均为正偏，J处于反向偏置，它流过很小的电流 I，晶闸管处于高阻态，此状态被称为晶闸管的正向阻断状态 断态。,4.8.1 温敏晶闸管的工作原理,以P2为基极注入基极（栅极）电流为Ig，Ic2=2Ig，IB1=Ic2，Ic1=1IB1=12Ig注入IB2,正反馈过程。器件由正向阻断状态转变为正向导通状态通态,可见，在正向偏置下工作的晶闸管，通过控制栅极电流，可使晶闸管由断态变为通态。可作为理想的开关器件。,当晶闸管处于反向工作时，J1和J3处于反偏，由于J 3 两侧的区域是重掺杂区，则J1几乎承受所有的反向电压，因而流过很小的反向电流 ，

32、此时器件处于反向阻断状态,正向阻断状态 断态 正向导通状态通态 反向阻断状态 开关器件,实验发现，晶闸管的电流-电压特性随温度的变化而改变，如图4.28所示。,4.8.2 温敏晶闸管的温度特性,温度升高时，正向翻转电压下降，而反向电压则提高。 温度对晶闸管正向特性的影响意味着可用温度（开关温度）触发使其由断态变为通态。 利用这种热导通性实现温电转换。,1. 增大反向漏电流和直流增益-降低开关温度 降低开关温度的方法：采用氩离子注入技术-增大反向漏电流减小P型和N型基区的宽度-增大直流增益 2. 利用栅极分路电阻 升高或降低开关温度,4.8.3 温敏晶闸管的开关温度控制,开关温度在-30120o

33、C范围内变化。,（a）减小电流增益，导致开关温度升高 （c）增加电流增益，导致开关温度降低,1. 温度开关 温控晶闸管最简单的应用电路如图 4.30所示。,4.8.4 温敏晶闸管的应用,2. 火灾报警电路 图4.31所示为火灾报警电路。,4.9 集成温度传感器,集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一个芯片上的温度传感器。 最大的优点：输出结果与绝对温度成正比，即是理想的线性输出。同时，集成温度传感器体积小、成本低、使用方便，因此广泛用于温度检测、控制和许多温度补偿电路中。,温敏晶体管的缺点：Ube在Ic恒定条件下，与温度并非是绝对线性关系；另外这种关系也不直接与任何温标(绝对、摄氏

34、、华氏等)相对应。此外温敏晶体管Ube值在同一生产批量中，可能有100mv的离散性。 集成温度传感器采用：一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件。使其直接给出正比于绝对温度的严格的线性输出。,1. 基本原理,BG1、 BG 2是杂质分布种类完全相同的晶体管，它们分别在不同的集电极电流I1（I1）和I2 （I2）下工作。R的电压应为BG1、 BG 2的基极发射极电压差。,Ies1、 Ies2：BG1和BG2管的发射极反向饱和电流；Ae1、 Ae2：BG1和BG2管的发射极面积；Ies2/ Ies1= Ae2/ Ae1，通过设计使= Ae2/ Ae1是与温度无关的常数，这样只要在电路设计中能保证I

35、1/I2是常数，则式中Vbe就是温度T的线性函数。图4.32电路常称为PTAT(Proportional To Absolute Temperature绝对温度比例）原理电路。,集成温度传感器按照其输出信号的不同分：电压型电流型频率型,1. 基本原理电压型集成温度传感器是指输出电压与温度成正比的温度传感器。其核心电路如图 4.33所示。,4.9.1 电压型集成温度传感器,I1=I2，R1上压降Vbe可表示为,4.9.1 电压型集成温度传感器,则R1上电流为,BG5的射极电流与BG3、BG4上相同（Ic5=I1)，所以,电路的温度系数(灵敏度)为,由此可见，只要R2： R1为一常数，就可以得到正

36、比于绝对温度的输出电压V0。R1940欧、R230千欧、 为37，则T = 10mV/K。,2. 电压型集成温度传感器的电路结构及性能 常用的电压型集成温度传感器为四端输出型，代表性的型号有 SL616、LX5600/5700、LM3911、UP515/610A-C和UP3911等。 其线路由基准电压、温度传感器（PTAT核心电路）和运算放大器部分组成。温度传感是核心电路，原理是输出电压与温度成正比。,4.9.1 电压型集成温度传感器,参数：-40 120oC,灵敏度10mv/K，线性偏差0.5%2%，长期稳定性0.3%，测量精度4K。 典型应用： 1、输入与输出短接，运放起缓冲器的作用（电压

37、跟随器），输出为10mv/K T，即是PTAT的输出值。,1,2,3,4,1,2,3,4,6.85v,电路中的1脚、2脚相连，第3脚与1，2脚之间具有10mV/K的温度系数，而且输出电压V0=(10mVK)T，T为绝对温度。,负电源、正电源接法应用电路,例,2、若给输入端加上偏置电压，那么传感器的零输出将由0K移到与偏置电压对应的温度。若所加偏压为2.73V，零输出温度为2.73V/ 10mv/K=273K（即0oC) ？若要使零输出时对应的温度为20oC，则输入端加偏置电压为多少？ （273+20）K10mv/K=2.93v,1,2,3,4,1,2,3,4,1. AD590的基本原理,4.9

38、.2 电流型集成温度传感器（ AD590 ）,T3和 T4集成在一起，作为电流镜向恒流源：I1=I2 电路的总电流 IT：,为了使IT随温度线性变化，电阻必须选用具有零温度系数的薄膜电阻。则电流温度系数为,如取8，R=358，则电流温度系数CT可调整为1A/K,2. AD590的结构及性能 AD590是美国哈里斯 （Harris）公司生产的采用激光修正的精密集成温度传感器。AD590有种封装形式：T0-52封装、陶瓷封装 （ 测量范围均为 50 150）和 T0-92封装 （ 测温范围是 070） 。,4.9.2 电流型集成温度传感器（ AD590 ）,1脚为正极，接电流输入；2脚为负极，接电

39、流输出； 3脚接管壳。,AD590等效于一个 高阻抗的恒流源。1A/K输出电流微安数就代表着 被测温度的热力学温标数。,例,4.11 热电传感技术工程应用举例,由于不同种类的电阻温度传感器的温度系数有很大差异，在一定的检测温度范围内精度要求不高的场合，可直接把电阻温度传感器与简单的指示器（ 指示灯、磁电式电流表等）连接，进行温度的测量与指示。 应用：汽车水温测量、自动热水器、冰箱的温度控制等。,4.11.1 温度检测及指示,利用热敏电阻的温度特性对各种晶体管、集成电路以及其他电子电路和电子元器件进行温度补偿。,4.11.2 温度补偿电路,PTC,Ie,作为防灾和过热保护的连接方式有直接保护和间

40、接保护两种形式。 图4.53为PTC电阻对马达、变压器的过热保护电路,4.11.3 过热保护,由于 PTC热敏电阻从两端加上电压开始，到电阻增加到确定值需要一定的时间，所以可用作延迟。图4.54给出一种延迟开关原理图.,4.11.4 自动延时电路,图4.55为空调机、电冰箱和电风扇微风档等设备的马达启动原理电路。,4.11.4 自动延时电路,L2附加启动绕阻,R T：相当于自动通断的无触点开关,图4.56为NTC热敏电阻与继电器组成的控温电路。,4.11.5 控温电路,初始：T低，桥路平衡UAB=0将温度控制在T0附近,图4.57所示为由单片集成稳压器W723组成的恒温箱温度控制电路。将恒温箱

41、温度变化控制在1以内。,4.11.5 控温电路,图4.58为一实用降温报警器电路。,4.11.6 降温报警器,4.11.7 温度控制器,运放接成滞回电压比较器 初始：T低-UBE高 温度控制在T0处（THL-TLH）范围内,设U+为UT0,温度为T0的参考电压 温度控制在T0,AD590控温电路,感温元件：NPN晶体管的be结,感温元件：AD590,4.11.8 摄氏温度计,SL616为电压型集成温度传感器，温度系数10mv/k, SL616内部电路可分为温度传感器部分、稳压部分和运算放大器部分。,1,2,3,电路中的1脚、2脚相连，第3脚与1，2脚之间具有10mV/K的温度系数，而且输出电压

42、V+=(10mVK)T，T为绝对温度。,1、2脚接地，t为0OC时，v+=2.73v。调节39k和5k电位器使 V0为0,即2.7k电阻上压降为2.73。 当温度为时，0 为 V0=v+ - 2.73v =(10mVK)(273+t ) - 2.73v =(10mV )t ,温度范围为55 150 ,灵敏度为10mv/ 。,4,利用两只 AD590 ，测量温度差 （T2T1）（或 t2t1)，测量电路如图 4.61所示。,4.11.9 温差测量,V0=IR3=(I2-I1) 10k (T2-T1)1A/K10k = (T2-T1)10mv/oC,如果对准确度要求不高，可采用图4.62所示电路。

43、,4.11.9 温差测量,小结,本章知识点： 热电式传感器 常用的热电式传感器：热敏电阻、热电阻、热电偶、温敏二极管/晶体管、集成温度传感器 各种热电式传感器的特点、结构、工作原理（特性）、大致测温范围、应用电路分析 热电效应 热电偶的基本定律及其应用、标准化热电偶、分度表。热电偶冷端温度补偿的方法。 热敏电阻按温度特性可分为三类： 常用的两类集成温度传感器：电压型和电流型,练习,1、热电式传感器是将（ ）变化转换为（ ）变化的一种传感器。 2、热敏电阻是利用（ ）材料的（ ）值随温度的变化而显著变化的特性实现测温的。其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，特别适于在（ ）

44、之间测温。 3、热敏电阻按温度特性可分为三种类型：（ ）型、（ ）型和（ ）型。 4、对热敏电阻进行线性化处理的简单方法是（ ）。 5、常见的热电开关有两种（ ）式和（ ）式。 6、常用的金属热电阻有两类（ ）和（ ）。 7、铂电阻的测温范围为（ ）,常用铂电阻的分度号分别为（ ）、（ ）。 8、铜电阻在 ( )温度范围内阻值变化呈（ ）的特点；常用分度号为（ ）（ ）。,9、热电偶的工作原理是基于（ ）效应。 10、热电偶按结构分类，分为（ ）、（ ）和（ ）。 11、常用冷端温度补偿的方法有：（ ）和（ ）。 12、常用集成温度传感器分为（ ）型和（ ）型。其核心电路是（ ）电路。集成温度

45、传感器的优点是（ ）。 13、电压型集成温度传感器其输出（ ）与温度成正比，温度系数常为（ ）。电流型集成温度传感器其输出（ ）与温度成正比，温度系数常为（ ）。 14、热电偶是将（ ）量转换为（ ）大小的热电传感器分。测温范围（ ）名词解释：热电开关、热电效应、集成温度传感器,选择题： 1、适合作温度标准的敏感器件是（ ） A铜电阻 B热敏电阻 C铂电阻 D集成温度传感器 2、如对1000C炉温进行测量，选哪种热电传感器（ ） A热敏电阻 B热电偶 C铂电阻 D温敏晶体管 3、下列哪种传感器线性好，但主要用于测量精度要求不高，温度范围变化不大且无侵蚀性的场合（ ） A铜电阻 B热敏电阻 C铂

46、电阻 D集成温度传感器 4、热电偶的基本组成部分是（ ） A、热电极 B、保护管 C、绝缘管 D、接线盒 5、在实际的热电偶测温应用中，引用测量仪表而不影响测量结果是利用了热电偶的哪个基本定律（ ） A、中间导体定律 B、中间温度定律 C、标准电极定律 D、均质导体定律,看图分析，RT作为温度补偿元件的工作原理。,看图分析，单按键电饭锅工作原理，其中K1为双金属片式热电 开关，K2为陶铁磁体式热电开关。,看图分析：图4.56 ，图4.59 ，图4.61 试述热电偶的基本定律及其实用价值（应用）。 试分析电桥补偿法的工作原理。 计算题： 用镍铬-镍硅热电偶测炉温，当冷端温度为30C且为恒定时，测出热端温度为t时的热电动势为38.893mV,求炉子的真实温度。,