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1、传感器第七章 热电式传感器第1页，本讲稿共67页一、热电效应一、热电效应一、热电效应一、热电效应 如图，把两种不同的导体或半导体材料如图，把两种不同的导体或半导体材料A、B B连接连接成闭合回路，将两个接点分别置于温度为成闭合回路，将两个接点分别置于温度为 及及 的热的热源中，则在该回路中会产生热电势，表示为源中，则在该回路中会产生热电势，表示为 这种现象称为热电效应。热电势由接触电势和温差电势这种现象称为热电效应。热电势由接触电势和温差电势这种现象称为热电效应。热电势由接触电势和温差电势这种现象称为热电效应。热电势由接触电势和温差电势构成。构成。构成。构成。7.1 7.1 热电偶热电偶第2页
2、，本讲稿共67页（一）接触电势（一）接触电势（一）接触电势（一）接触电势 将两种不同的金属导体接触，由于自由电子的密度不将两种不同的金属导体接触，由于自由电子的密度不将两种不同的金属导体接触，由于自由电子的密度不将两种不同的金属导体接触，由于自由电子的密度不同，在接触面上发生电子扩散，电子扩散的速率与两导体同，在接触面上发生电子扩散，电子扩散的速率与两导体同，在接触面上发生电子扩散，电子扩散的速率与两导体同，在接触面上发生电子扩散，电子扩散的速率与两导体的电子密度有关，并和接触区的温度成正比。参见下图。的电子密度有关，并和接触区的温度成正比。参见下图。的电子密度有关，并和接触区的温度成正比。参
3、见下图。的电子密度有关，并和接触区的温度成正比。参见下图。第3页，本讲稿共67页 设两种金属的电子密度为设两种金属的电子密度为 和和 ，接触区的温，接触区的温度为度为 ，则接触电势为，则接触电势为 上式不仅表示电势的大小，同时反映了电势降的方上式不仅表示电势的大小，同时反映了电势降的方向，正方向为有向，正方向为有A A金属指向金属指向金属指向金属指向B B金属。金属。金属。金属。（二）温差电势（二）温差电势（二）温差电势（二）温差电势 同一种金属中，如果两端温度不同，在两端间会产生一同一种金属中，如果两端温度不同，在两端间会产生一同一种金属中，如果两端温度不同，在两端间会产生一同一种金属中，如
4、果两端温度不同，在两端间会产生一个温差电势。其原因是：温度高的一端导体内自由电子具有个温差电势。其原因是：温度高的一端导体内自由电子具有个温差电势。其原因是：温度高的一端导体内自由电子具有个温差电势。其原因是：温度高的一端导体内自由电子具有较大的动能，向温度低的一段扩散，高温端失去电子而带正较大的动能，向温度低的一段扩散，高温端失去电子而带正较大的动能，向温度低的一段扩散，高温端失去电子而带正较大的动能，向温度低的一段扩散，高温端失去电子而带正电，低温端获得电子带负电。电，低温端获得电子带负电。电，低温端获得电子带负电。电，低温端获得电子带负电。第4页，本讲稿共67页温差电势的大小可表示为温差
5、电势的大小可表示为温差电势的大小可表示为温差电势的大小可表示为 式中式中 为汤姆逊系数，表示单位温差所产生的温差为汤姆逊系数，表示单位温差所产生的温差电势。与材料性质与两端温度有关。电势。与材料性质与两端温度有关。第5页，本讲稿共67页（三）热电偶回路热电势（三）热电偶回路热电势 由由A、B B两种导体组成的热电偶闭合回路，当温度两种导体组成的热电偶闭合回路，当温度两种导体组成的热电偶闭合回路，当温度两种导体组成的热电偶闭合回路，当温度 ，时，闭合回路总的热电势为时，闭合回路总的热电势为或者或者或者或者第6页，本讲稿共67页由上式可以看出：由上式可以看出：由上式可以看出：由上式可以看出：1.1
6、.如果热电偶两种材料相同，则不管两端是否有温差，如果热电偶两种材料相同，则不管两端是否有温差，总热电势都为零总热电势都为零;2.如果热电偶两种材料不同，而热电偶两端温度相同，如果热电偶两种材料不同，而热电偶两端温度相同，总热电势也为零；总热电势也为零；第7页，本讲稿共67页 在金属导体中自由电子数目很多，温度对自由电子密在金属导体中自由电子数目很多，温度对自由电子密度影响很小，所以在同一种金属中，温差电势极小，可以度影响很小，所以在同一种金属中，温差电势极小，可以忽略，于是有忽略，于是有在实际使用中，通常使在实际使用中，通常使在实际使用中，通常使在实际使用中，通常使 为常数，即为常数，即为常数
7、，即为常数，即于是回路热电势可表示为于是回路热电势可表示为于是回路热电势可表示为于是回路热电势可表示为第8页，本讲稿共67页二、热电偶基本定律二、热电偶基本定律二、热电偶基本定律二、热电偶基本定律（一）中间导体定律（一）中间导体定律如图所示的热电偶中，如图所示的热电偶中，如图所示的热电偶中，如图所示的热电偶中，回路总热电势为（忽略回路总热电势为（忽略温差电势）温差电势）第9页，本讲稿共67页由上式可得由上式可得 可见，在热电偶中插入第三种金属，如果插入金属两端可见，在热电偶中插入第三种金属，如果插入金属两端可见，在热电偶中插入第三种金属，如果插入金属两端可见，在热电偶中插入第三种金属，如果插入
8、金属两端温度保持一致，则热电偶的热电势不变。温度保持一致，则热电偶的热电势不变。温度保持一致，则热电偶的热电势不变。温度保持一致，则热电偶的热电势不变。（二）标准电极定律（二）标准电极定律 当接点温度为当接点温度为 和和 时，用导体时，用导体A、B B组成的热电组成的热电组成的热电组成的热电偶的热电势等于偶的热电势等于偶的热电势等于偶的热电势等于A、C和和C C、B B组成热电偶热电势的代数和，组成热电偶热电势的代数和，组成热电偶热电势的代数和，组成热电偶热电势的代数和，即即即即第10页，本讲稿共67页第11页，本讲稿共67页上式证明如下（忽略温差电势）。上式证明如下（忽略温差电势）。上式证明
9、如下（忽略温差电势）。上式证明如下（忽略温差电势）。2007.10.18JGLX303-2007.10.18JGLX303-第12页，本讲稿共67页（三）连接导体定律与中间温度定律（三）连接导体定律与中间温度定律 如图，回路中总热电势（忽略温差电势）如图，回路中总热电势（忽略温差电势）第13页，本讲稿共67页上式变形得上式变形得上式变形得上式变形得如果如果第14页，本讲稿共67页前式变为前式变为 由此可见，只要金属由此可见，只要金属由此可见，只要金属由此可见，只要金属A与金属与金属与金属与金属B的电子密度之比与金属的电子密度之比与金属的电子密度之比与金属的电子密度之比与金属A和金属和金属和金属
10、和金属B B的电子密度比相同，则热电势只与温度的电子密度比相同，则热电势只与温度 有关，与中间接点温度有关，与中间接点温度 无关。无关。第15页，本讲稿共67页三、常用热电偶及结构三、常用热电偶及结构（一）常用热电偶（一）常用热电偶（一）常用热电偶（一）常用热电偶1.1.铂铑铂铑铂铑铂铑-铂热电偶铂热电偶 分度号为分度号为S S。工作温度。工作温度。工作温度。工作温度1300C1300C，良好环境可到，良好环境可到，良好环境可到，良好环境可到 1600 C。复制精度和测量准确性较高；缺点是热电势小、高温时易复制精度和测量准确性较高；缺点是热电势小、高温时易复制精度和测量准确性较高；缺点是热电势
11、小、高温时易复制精度和测量准确性较高；缺点是热电势小、高温时易受还原气体和金属蒸汽侵害编制、成本高。受还原气体和金属蒸汽侵害编制、成本高。受还原气体和金属蒸汽侵害编制、成本高。受还原气体和金属蒸汽侵害编制、成本高。2.镍铬镍铬-镍硅热电偶镍硅热电偶 分度号为分度号为分度号为分度号为K K。工作温度。工作温度。工作温度。工作温度900C，短时可到，短时可到，短时可到，短时可到 1200 C1200 C。化。化。化。化学稳定性好、复制性好、热电势大、线性好、价格便宜；在学稳定性好、复制性好、热电势大、线性好、价格便宜；在学稳定性好、复制性好、热电势大、线性好、价格便宜；在学稳定性好、复制性好、热电
12、势大、线性好、价格便宜；在还原介质中易受腐蚀、精度偏低。还原介质中易受腐蚀、精度偏低。还原介质中易受腐蚀、精度偏低。还原介质中易受腐蚀、精度偏低。第16页，本讲稿共67页3.3.镍铬镍铬镍铬镍铬-考铜热电偶考铜热电偶 分度号为分度号为E。工作温度。工作温度600C，短时可到，短时可到 800 C800 C。适用于还原性和中性介质。灵敏度高、价格便宜。测温范适用于还原性和中性介质。灵敏度高、价格便宜。测温范适用于还原性和中性介质。灵敏度高、价格便宜。测温范适用于还原性和中性介质。灵敏度高、价格便宜。测温范围窄、易受氧化、不易得到均匀线径。围窄、易受氧化、不易得到均匀线径。围窄、易受氧化、不易得到
13、均匀线径。围窄、易受氧化、不易得到均匀线径。4.4.铂铑铂铑铂铑铂铑3030-铂铑铂铑6 6热电偶热电偶热电偶热电偶 分度号为分度号为B B。工作温度。工作温度。工作温度。工作温度1600C1600C，短时可到，短时可到 1800 C1800 C。性能稳定、精度高、适用于氧化或中性介质。热电势小、性能稳定、精度高、适用于氧化或中性介质。热电势小、价格高。价格高。B型热电偶在低温时热电势极小，因此在冷端型热电偶在低温时热电势极小，因此在冷端型热电偶在低温时热电势极小，因此在冷端型热电偶在低温时热电势极小，因此在冷端40 C40 C以下范围内对热电势可以不修正。以下范围内对热电势可以不修正。以下范
14、围内对热电势可以不修正。以下范围内对热电势可以不修正。5.5.铜铜铜铜-康铜热电偶康铜热电偶康铜热电偶康铜热电偶 分度号为分度号为分度号为分度号为T T。工作温度。工作温度。工作温度。工作温度-200+200C-200+200C，多用于实验室。，多用于实验室。低温稳定性较好，低温技术应用较多。低温稳定性较好，低温技术应用较多。第17页，本讲稿共67页（二）热电偶结构（二）热电偶结构（二）热电偶结构（二）热电偶结构1.热电极热电极热电极热电极 热电极的直径由材料的价热电极的直径由材料的价热电极的直径由材料的价热电极的直径由材料的价格、机械强度、导电率以及热格、机械强度、导电率以及热电偶的用途和测
15、量范围等决定。电偶的用途和测量范围等决定。电偶的用途和测量范围等决定。电偶的用途和测量范围等决定。2.2.绝缘套管绝缘套管3.保护管保护管保护管保护管4.接线盒接线盒接线盒接线盒第18页，本讲稿共67页四、热电偶冷端温度补偿四、热电偶冷端温度补偿四、热电偶冷端温度补偿四、热电偶冷端温度补偿（一）补偿导线法（一）补偿导线法 为了使热电偶的冷端温度保持恒定，可以把热电偶做得为了使热电偶的冷端温度保持恒定，可以把热电偶做得为了使热电偶的冷端温度保持恒定，可以把热电偶做得为了使热电偶的冷端温度保持恒定，可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，连同测量仪表一起放置到恒温或很长，使冷端远离工作端，连同测量
16、仪表一起放置到恒温或很长，使冷端远离工作端，连同测量仪表一起放置到恒温或很长，使冷端远离工作端，连同测量仪表一起放置到恒温或温度波动较小的地方。为了降低成本，采用延长导线（补偿温度波动较小的地方。为了降低成本，采用延长导线（补偿温度波动较小的地方。为了降低成本，采用延长导线（补偿温度波动较小的地方。为了降低成本，采用延长导线（补偿导线）将热电偶的冷端延长。见下图。导线）将热电偶的冷端延长。见下图。导线）将热电偶的冷端延长。见下图。导线）将热电偶的冷端延长。见下图。第19页，本讲稿共67页（二）冷端温度计算校正法（二）冷端温度计算校正法（二）冷端温度计算校正法（二）冷端温度计算校正法 在冷端温度
17、不能保持为在冷端温度不能保持为0C0C的情况下，可以测量出冷的情况下，可以测量出冷的情况下，可以测量出冷的情况下，可以测量出冷端的温度，利用分度表和下式进行校正。端的温度，利用分度表和下式进行校正。端的温度，利用分度表和下式进行校正。端的温度，利用分度表和下式进行校正。式中式中 是在冷端温度不为是在冷端温度不为0C的情况下，热电的情况下，热电偶的输出电势。偶的输出电势。是由分度表查得的热电偶是由分度表查得的热电偶热端为热端为 时热电势的值。时热电势的值。（三）冰浴法（三）冰浴法 利用冰水混合物，为利用冰水混合物，为0C0C的特性，将热电偶的冷端置于的特性，将热电偶的冷端置于的特性，将热电偶的冷
18、端置于的特性，将热电偶的冷端置于冰水混合物中。该法最符合理想情况，但使用不方便，由于冰水混合物中。该法最符合理想情况，但使用不方便，由于冰水混合物中。该法最符合理想情况，但使用不方便，由于冰水混合物中。该法最符合理想情况，但使用不方便，由于冰要融化，因此要定时补充冰块。冰要融化，因此要定时补充冰块。冰要融化，因此要定时补充冰块。冰要融化，因此要定时补充冰块。第20页，本讲稿共67页第21页，本讲稿共67页（四）补偿电桥法（四）补偿电桥法 如图，电桥四个桥臂中，有一个铜电阻如图，电桥四个桥臂中，有一个铜电阻如图，电桥四个桥臂中，有一个铜电阻如图，电桥四个桥臂中，有一个铜电阻 ，铜电阻温，铜电阻温
19、，铜电阻温，铜电阻温度系数较大，阻值随温度改变而改变，因此电桥的输出也度系数较大，阻值随温度改变而改变，因此电桥的输出也度系数较大，阻值随温度改变而改变，因此电桥的输出也度系数较大，阻值随温度改变而改变，因此电桥的输出也随之改变。随之改变。随之改变。随之改变。第22页，本讲稿共67页 绝大多数金属具有正温度系数，温度越高，电阻越大，绝大多数金属具有正温度系数，温度越高，电阻越大，绝大多数金属具有正温度系数，温度越高，电阻越大，绝大多数金属具有正温度系数，温度越高，电阻越大，利用这一规律可制成温度传感器，与热电偶对应，称为热利用这一规律可制成温度传感器，与热电偶对应，称为热利用这一规律可制成温度
20、传感器，与热电偶对应，称为热利用这一规律可制成温度传感器，与热电偶对应，称为热电阻。电阻。电阻。电阻。一、常用热电阻一、常用热电阻一、常用热电阻一、常用热电阻（一）铂电阻（一）铂电阻 在氧化环境中铂的物理、化学性质都很稳定。铂电阻在氧化环境中铂的物理、化学性质都很稳定。铂电阻与温度的关系可以用下式表示与温度的关系可以用下式表示式中：式中：式中：式中：7.2 7.2 热电阻热电阻第23页，本讲稿共67页作为温度传感器的铂需要达到一定的纯度，工业上通常用作为温度传感器的铂需要达到一定的纯度，工业上通常用 ，即，即100 C与与0 C0 C的电阻值之比，来衡量铂的纯度。的电阻值之比，来衡量铂的纯度。
21、的电阻值之比，来衡量铂的纯度。的电阻值之比，来衡量铂的纯度。（二）铜电阻（二）铜电阻 铜电阻与温度近似呈线性关系。铜电阻温度系数大，容铜电阻与温度近似呈线性关系。铜电阻温度系数大，容铜电阻与温度近似呈线性关系。铜电阻温度系数大，容铜电阻与温度近似呈线性关系。铜电阻温度系数大，容易加工和提纯，价格便宜；缺点是温度超过易加工和提纯，价格便宜；缺点是温度超过易加工和提纯，价格便宜；缺点是温度超过易加工和提纯，价格便宜；缺点是温度超过100C时易氧化，时易氧化，时易氧化，时易氧化，电阻率小。电阻率小。电阻率小。电阻率小。铜电阻的测温范围一般为铜电阻的测温范围一般为-50150 C，其电阻与温，其电阻与
22、温，其电阻与温，其电阻与温度的关系为度的关系为度的关系为度的关系为式中：式中：式中：式中：第24页，本讲稿共67页二、热电阻测温电路二、热电阻测温电路二、热电阻测温电路二、热电阻测温电路（一）三线制（一）三线制（一）三线制（一）三线制 为了避免导线电阻对测量的影响，工业热电阻大多采为了避免导线电阻对测量的影响，工业热电阻大多采为了避免导线电阻对测量的影响，工业热电阻大多采为了避免导线电阻对测量的影响，工业热电阻大多采用三线制接法。如图。用三线制接法。如图。用三线制接法。如图。用三线制接法。如图。当电桥平衡时有当电桥平衡时有当电桥平衡时有当电桥平衡时有于是于是于是于是取取 则式中右边的则式中右边
23、的项完全消去，这时项完全消去，这时项完全消去，这时项完全消去，这时 对桥路对桥路对桥路对桥路平衡没有影响。平衡没有影响。2006.10.30JC204-2006.10.30JC204-第25页，本讲稿共67页（二）四线制（二）四线制 见图。见图。E E为恒流源。为恒流源。为恒流源。为恒流源。由于电位差计的输入阻抗由于电位差计的输入阻抗由于电位差计的输入阻抗由于电位差计的输入阻抗很高，电位差计测得的电很高，电位差计测得的电很高，电位差计测得的电很高，电位差计测得的电压即是热电阻两端的电压压即是热电阻两端的电压压即是热电阻两端的电压压即是热电阻两端的电压不受导线电阻影响，于是不受导线电阻影响，于是
24、不受导线电阻影响，于是不受导线电阻影响，于是第26页，本讲稿共67页三、热电阻的特点三、热电阻的特点三、热电阻的特点三、热电阻的特点 热电阻与热电偶相比有以下特点：热电阻与热电偶相比有以下特点：热电阻与热电偶相比有以下特点：热电阻与热电偶相比有以下特点：1.1.同样温度下输出信号较大，易于测量；同样温度下输出信号较大，易于测量；同样温度下输出信号较大，易于测量；同样温度下输出信号较大，易于测量；2.测电阻必须借助外加电源；测电阻必须借助外加电源；3.热电阻感温部分尺寸较大，反应速度较热电偶慢；热电阻感温部分尺寸较大，反应速度较热电偶慢；4.4.同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。同类材料
25、制成的热电阻不如热电偶测温上限高。同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。第27页，本讲稿共67页 利用利用利用利用PNPN结的伏安特性与温度的关系制成的一种固态传结的伏安特性与温度的关系制成的一种固态传结的伏安特性与温度的关系制成的一种固态传结的伏安特性与温度的关系制成的一种固态传感器。感器。感器。感器。PNPN结伏安特性可用下式表示结伏安特性可用下式表示当当 时，上式简化为时，上式简化为则则则则7.3 7.3 集成温度传感器集成温度传感器第28页，本讲稿共67页 由上式可见，只要通过由上式可见，只要通过PNPN结的正向电流结的正向电流结的正向电流
26、结的正向电流 恒定，则恒定，则恒定，则恒定，则PNPN结的正向压降结的正向压降结的正向压降结的正向压降 与温度与温度与温度与温度 的关系只受反向饱和电流的关系只受反向饱和电流的关系只受反向饱和电流的关系只受反向饱和电流 的的的的影响。影响。影响。影响。是温度的缓变函数，通过选择合适掺杂浓度，可使是温度的缓变函数，通过选择合适掺杂浓度，可使是温度的缓变函数，通过选择合适掺杂浓度，可使是温度的缓变函数，通过选择合适掺杂浓度，可使 在某温度范围内近似为常数。此时在某温度范围内近似为常数。此时在某温度范围内近似为常数。此时在某温度范围内近似为常数。此时 为了提高线性，实际使用中选用将为了提高线性，实际
27、使用中选用将为了提高线性，实际使用中选用将为了提高线性，实际使用中选用将NPN型三极管的型三极管的型三极管的型三极管的bc结短接，利用结短接，利用be结作为感温元件。结作为感温元件。结作为感温元件。结作为感温元件。参见后图。采用两支晶体管构成温度测量传感器，参见后图。采用两支晶体管构成温度测量传感器，使用两支晶体管可以起到差分减小温漂和调整输出幅度使用两支晶体管可以起到差分减小温漂和调整输出幅度的作用。的作用。第29页，本讲稿共67页一只晶体管的发射极密度一只晶体管的发射极密度 可用下式表示可用下式表示通常通常 ，将上式化简、取对数后得，将上式化简、取对数后得通过控制工艺，使两个晶体管满足通过
28、控制工艺，使两个晶体管满足第30页，本讲稿共67页 则两晶体管的则两晶体管的则两晶体管的则两晶体管的 之差之差之差之差 ，即，即，即，即 两端的压降为两端的压降为两端的压降为两端的压降为由上式可知由上式可知 正比于绝对温度正比于绝对温度 。这就是集成温。这就是集成温度传感器的基本原理。度传感器的基本原理。第31页，本讲稿共67页 集成温度传感器分为模拟式和数字式两类。模拟式集成温度传感器分为模拟式和数字式两类。模拟式有电压型和电流型两种。电压型的温度系数约为有电压型和电流型两种。电压型的温度系数约为10mV/10mV/CC。电流型的温度系数约为。电流型的温度系数约为1AA/C/C。集成电流型温
29、度传感器集成电流型温度传感器集成电流型温度传感器集成电流型温度传感器AD590，原理图参见后面。，原理图参见后面。，原理图参见后面。，原理图参见后面。AD590AD590实际使用时，作为理想恒流源考虑，通过串联一精密实际使用时，作为理想恒流源考虑，通过串联一精密实际使用时，作为理想恒流源考虑，通过串联一精密实际使用时，作为理想恒流源考虑，通过串联一精密电阻电阻电阻电阻 ，将电流转换为电压，经过，将电流转换为电压，经过，将电流转换为电压，经过，将电流转换为电压，经过A/D转换后，由转换后，由转换后，由转换后，由CPU处理。处理。AD590 AD590输出电流与绝对温度成正比，与摄氏温度的关输出电
30、流与绝对温度成正比，与摄氏温度的关输出电流与绝对温度成正比，与摄氏温度的关输出电流与绝对温度成正比，与摄氏温度的关系为系为系为系为式中：式中：式中：式中：第32页，本讲稿共67页第33页，本讲稿共67页 数字温度传感器数字温度传感器数字温度传感器数字温度传感器DS18B20，内部框图如下。，内部框图如下。，内部框图如下。，内部框图如下。DS18B20数字温度传感器，内部含有温度传感器电路、数字温度传感器，内部含有温度传感器电路、数字温度传感器，内部含有温度传感器电路、数字温度传感器，内部含有温度传感器电路、ADAD转换电路、温度报警电路、转换电路、温度报警电路、64位电子标签、位电子标签、位电
31、子标签、位电子标签、1-wire1-wire总线总线控制器等部件。控制器等部件。DS18B20可以同过电源引脚供电，也可以同过电源引脚供电，也可以通过可以通过1-wire总线供电。总线供电。总线供电。总线供电。第34页，本讲稿共67页 DS18B20通过通过通过通过1-wire1-wire总线与总线与CPUCPU连接如下图。连接如下图。连接如下图。连接如下图。CPU接口必须为漏极开路输出（接口必须为漏极开路输出（接口必须为漏极开路输出（接口必须为漏极开路输出（OD）或）或 三态输出。三态输出。第35页，本讲稿共67页 1-wire1-wire总线通信初始化过程如下图。总线通信初始化过程如下图。
32、1-wire总线发送接受时序图，见下页图。总线发送接受时序图，见下页图。总线发送接受时序图，见下页图。总线发送接受时序图，见下页图。第36页，本讲稿共67页第37页，本讲稿共67页 DS18B20DS18B20输出为二进制定点数，低输出为二进制定点数，低4位为小数部分。位为小数部分。位为小数部分。位为小数部分。参见下表。参见下表。参见下表。参见下表。2007.10.22JGLX303-2007.10.22JGLX303-第38页，本讲稿共67页 热敏电阻是一种用半导体材料制成的敏感元件。主热敏电阻是一种用半导体材料制成的敏感元件。主要特点有：灵敏度高、体积小、使用方便。缺点是阻要特点有：灵敏度
33、高、体积小、使用方便。缺点是阻值与温度呈非线性关系、元件稳定性和互换性差。值与温度呈非线性关系、元件稳定性和互换性差。一、热敏电阻的结构与材料一、热敏电阻的结构与材料一、热敏电阻的结构与材料一、热敏电阻的结构与材料（一）结构（一）结构（一）结构（一）结构 如图，热敏电阻由热敏探头、引线、壳体等构成。如图，热敏电阻由热敏探头、引线、壳体等构成。如图，热敏电阻由热敏探头、引线、壳体等构成。如图，热敏电阻由热敏探头、引线、壳体等构成。7.4 7.4 热敏电阻热敏电阻第39页，本讲稿共67页 热敏电阻常见结构见下图。热敏电阻常见结构见下图。（二）材料（二）材料 最常见的热敏电阻采用金属氧化物半导体材料
34、制成。最常见的热敏电阻采用金属氧化物半导体材料制成。通常将金属氧化物烧制成半导体陶瓷。通常将金属氧化物烧制成半导体陶瓷。第40页，本讲稿共67页二、基本参数二、基本参数二、基本参数二、基本参数（一）标称电阻值（一）标称电阻值（一）标称电阻值（一）标称电阻值 标称电阻是热敏电阻在标称电阻是热敏电阻在标称电阻是热敏电阻在标称电阻是热敏电阻在25 C 时的阻值。标称阻值由热时的阻值。标称阻值由热时的阻值。标称阻值由热时的阻值。标称阻值由热敏电阻的材料和几何尺寸决定。敏电阻的材料和几何尺寸决定。敏电阻的材料和几何尺寸决定。敏电阻的材料和几何尺寸决定。（二）材料常数（二）材料常数 材料常数是描述热敏材料
35、物理特性的一个常数。其大材料常数是描述热敏材料物理特性的一个常数。其大材料常数是描述热敏材料物理特性的一个常数。其大材料常数是描述热敏材料物理特性的一个常数。其大小取决于热敏电阻材料的激活能小取决于热敏电阻材料的激活能小取决于热敏电阻材料的激活能小取决于热敏电阻材料的激活能 ，且，且，且，且（三）电阻温度系数（三）电阻温度系数 温度变化温度变化温度变化温度变化1 C 1 C，电阻的相对变化率。，电阻的相对变化率。第41页，本讲稿共67页（四）时间常数（四）时间常数 时间常数为热容量时间常数为热容量时间常数为热容量时间常数为热容量 和耗散系数和耗散系数和耗散系数和耗散系数 之比，即之比，即之比，
36、即之比，即（五）耗散系数（五）耗散系数（五）耗散系数（五）耗散系数 耗散系数是指热敏电阻在与环境温差为耗散系数是指热敏电阻在与环境温差为耗散系数是指热敏电阻在与环境温差为耗散系数是指热敏电阻在与环境温差为1 C 时，单位时，单位时间内吸收或释放的热量。时间内吸收或释放的热量。（六）最高工作温度（六）最高工作温度（六）最高工作温度（六）最高工作温度 最高工作温度是指热敏电阻在规定技术条件下长期连最高工作温度是指热敏电阻在规定技术条件下长期连最高工作温度是指热敏电阻在规定技术条件下长期连最高工作温度是指热敏电阻在规定技术条件下长期连续工作所允许的温度。续工作所允许的温度。续工作所允许的温度。续工作
37、所允许的温度。第42页，本讲稿共67页（七）额定功率（七）额定功率（七）额定功率（七）额定功率 额定功率是热敏电阻在规定的技术条件下长期连续额定功率是热敏电阻在规定的技术条件下长期连续工作所允许的输入功率。在此条件下热敏电阻自身的温工作所允许的输入功率。在此条件下热敏电阻自身的温度不能超过度不能超过 。（八）测量功率（八）测量功率 在规定环境温度下，电阻体由测量电流加热而引起的电在规定环境温度下，电阻体由测量电流加热而引起的电在规定环境温度下，电阻体由测量电流加热而引起的电在规定环境温度下，电阻体由测量电流加热而引起的电阻值变化不超过阻值变化不超过阻值变化不超过阻值变化不超过0.1%时所消耗的
38、功率。时所消耗的功率。时所消耗的功率。时所消耗的功率。第43页，本讲稿共67页三、主要特性三、主要特性三、主要特性三、主要特性（一）电阻（一）电阻（一）电阻（一）电阻-温度特性温度特性温度特性温度特性 热敏电阻分为热敏电阻分为负温度特性和正温负温度特性和正温度特性两大类。常度特性两大类。常度特性两大类。常度特性两大类。常见的热敏电阻电阻见的热敏电阻电阻-温度曲线见下图。温度曲线见下图。温度曲线见下图。温度曲线见下图。第44页，本讲稿共67页1.具有负温度系数的热敏电阻的电阻具有负温度系数的热敏电阻的电阻具有负温度系数的热敏电阻的电阻具有负温度系数的热敏电阻的电阻温度曲线温度曲线 负温度系数的热
39、敏电阻其电阻负温度系数的热敏电阻其电阻负温度系数的热敏电阻其电阻负温度系数的热敏电阻其电阻温度曲线如温度曲线如1 1所示，其所示，其经验公式为经验公式为 为了方便使用，常取为了方便使用，常取为了方便使用，常取为了方便使用，常取25C为参考温度，则上式可改为参考温度，则上式可改写为写为 将前面经验公式取对数得将前面经验公式取对数得将前面经验公式取对数得将前面经验公式取对数得第45页，本讲稿共67页第46页，本讲稿共67页2.正温度特性热敏电阻的电阻正温度特性热敏电阻的电阻正温度特性热敏电阻的电阻正温度特性热敏电阻的电阻温度特性温度特性温度特性温度特性 正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻是利用正
40、温度系数材料是利用正温度系数材料在居里点附近结构发生在居里点附近结构发生在居里点附近结构发生在居里点附近结构发生相变而引起导电率突变相变而引起导电率突变而取得的。而取得的。正温度系数热敏正温度系数热敏电阻工作区在电阻工作区在Tp1和和和和TP2之间。之间。之间。之间。T T(C)(C)R RT T()第47页，本讲稿共67页 正温度系数热敏电阻的工作温度范围由正温度系数热敏电阻的工作温度范围由 到到 之间存在温度之间存在温度 ，对应有较大的温度系数，对应有较大的温度系数 。在。在工作温度范围内，电阻工作温度范围内，电阻温度经验公式为温度经验公式为温度经验公式为温度经验公式为对上式两边取对数得对
41、上式两边取对数得 由前面公式可得到正温度系数热敏电阻的电阻温度系由前面公式可得到正温度系数热敏电阻的电阻温度系由前面公式可得到正温度系数热敏电阻的电阻温度系由前面公式可得到正温度系数热敏电阻的电阻温度系数数数数第48页，本讲稿共67页（二）热敏电阻伏（二）热敏电阻伏安特性安特性安特性安特性 伏伏伏伏安特性表示加在热敏电阻上的电压和通过电阻安特性表示加在热敏电阻上的电压和通过电阻的电流在热敏电阻与周围介质热平衡时的关系。的电流在热敏电阻与周围介质热平衡时的关系。1.负温度系数热敏电阻的伏负温度系数热敏电阻的伏安特性安特性 参见下图。为了保护热敏电阻，通常测量负温度系参见下图。为了保护热敏电阻，通
42、常测量负温度系数热敏电阻的伏数热敏电阻的伏安特性时使用可调恒流源供电。安特性时使用可调恒流源供电。OaOa段段段段为线性工作区域；为线性工作区域；为线性工作区域；为线性工作区域；abab端开非线性变化；端开非线性变化；bc段为正负电阻过段为正负电阻过段为正负电阻过段为正负电阻过渡段；渡段；渡段；渡段；cd段为负阻值段。段为负阻值段。段为负阻值段。段为负阻值段。第49页，本讲稿共67页第50页，本讲稿共67页2.2.正温度系数热敏电阻的伏正温度系数热敏电阻的伏安特性安特性安特性安特性 参见下图。测量正温度系数热敏电阻的伏参见下图。测量正温度系数热敏电阻的伏参见下图。测量正温度系数热敏电阻的伏参见
43、下图。测量正温度系数热敏电阻的伏安特性通安特性通常采用可调恒压源。常采用可调恒压源。OaOa段为线性工作区域；段为线性工作区域；abab端开非线端开非线端开非线端开非线性变化；性变化；性变化；性变化；bcbc段为过渡段；段为过渡段；cd段为负阻值段。段为负阻值段。第51页，本讲稿共67页第52页，本讲稿共67页四、热敏电阻的测温电路四、热敏电阻的测温电路 由于热敏电阻的阻值与温度为非线性关系，因此在要由于热敏电阻的阻值与温度为非线性关系，因此在要由于热敏电阻的阻值与温度为非线性关系，因此在要由于热敏电阻的阻值与温度为非线性关系，因此在要求温度精确测量时，设计灵敏度高且具有非线性校正功能求温度精
44、确测量时，设计灵敏度高且具有非线性校正功能求温度精确测量时，设计灵敏度高且具有非线性校正功能求温度精确测量时，设计灵敏度高且具有非线性校正功能的测量电路。的测量电路。的测量电路。的测量电路。下面介绍多谐振下面介绍多谐振荡器温度荡器温度频率转换频率转换频率转换频率转换电路。电路参见右图。电路。电路参见右图。图中图中图中图中R1R1，R2构构成放大器的正反馈，成放大器的正反馈，成放大器的正反馈，成放大器的正反馈，R R、C C组成组成RCRC充放电充放电充放电充放电回路，回路，回路，回路，R3为限流电阻。为限流电阻。第53页，本讲稿共67页通常通常通常通常 ，所以反馈系数为，所以反馈系数为，所以反
45、馈系数为，所以反馈系数为设设 时，时，。假定振荡周期为。假定振荡周期为 ，在，在 时间内，时间内，C上的电压将以指数规律由上的电压将以指数规律由上的电压将以指数规律由上的电压将以指数规律由 向向向向 方向变方向变方向变方向变化，所以化，所以化，所以化，所以当当 时，时，第54页，本讲稿共67页U UC C-FU-FUOOFUFUOOU UOO-U-UOmaxOmaxU UOmaxOmaxT/2T/2T Tt tt t第55页，本讲稿共67页所以所以所以所以于是振荡频率于是振荡频率于是振荡频率于是振荡频率通过选择电路参数使得通过选择电路参数使得通过选择电路参数使得通过选择电路参数使得第56页，本
46、讲稿共67页于是于是于是于是用热敏电阻取代电阻用热敏电阻取代电阻用热敏电阻取代电阻用热敏电阻取代电阻R R，由于热敏电阻阻值为，由于热敏电阻阻值为比较上面两式曲线的形状是极为相似的。参见后图。因比较上面两式曲线的形状是极为相似的。参见后图。因此只要适当的调整两条曲线的位置（通过选择此只要适当的调整两条曲线的位置（通过选择C或或RT）来实现，可使其在某一指定点来实现，可使其在某一指定点 相交。在相交点相交。在相交点附近的一定范围内，两条曲线接近，可以用频率值代替温附近的一定范围内，两条曲线接近，可以用频率值代替温度值。度值。第57页，本讲稿共67页第58页，本讲稿共67页 上面采用一点相交，标定
47、精度不高，为了提高精度通上面采用一点相交，标定精度不高，为了提高精度通上面采用一点相交，标定精度不高，为了提高精度通上面采用一点相交，标定精度不高，为了提高精度通过与过与过与过与RT并、串联电阻使两条曲线在被测温度范围内三点并、串联电阻使两条曲线在被测温度范围内三点相交，如下图，相交，如下图，A、B B、C C三点。三点。第59页，本讲稿共67页 在在A A、B B、C三点上有：三点上有：A A点：点：B点：点：C点：点：第60页，本讲稿共67页若若T T2恰好为温度范围中点，而恰好为温度范围中点，而恰好为温度范围中点，而恰好为温度范围中点，而Rm和和和和R Rn的选择使得的选择使得的选择使得
48、的选择使得f2恰在恰在恰在恰在f3和和和和f1 1中间，即中间，即中间，即中间，即 于是由前面方程组可求出满足上面条件的电阻值和电于是由前面方程组可求出满足上面条件的电阻值和电于是由前面方程组可求出满足上面条件的电阻值和电于是由前面方程组可求出满足上面条件的电阻值和电容值，即容值，即容值，即容值，即 第61页，本讲稿共67页上面公式中上面公式中上面公式中上面公式中RT1T1，R RT2T2，R RT3为热敏电阻在温度为为热敏电阻在温度为T1 1，T2 2，T3时的热敏电阻值，由实验测得。时的热敏电阻值，由实验测得。时的热敏电阻值，由实验测得。时的热敏电阻值，由实验测得。f1 1，f f2 2，
49、f3对应对应R RT T为为RT1T1，R RT2，RT3 时电路的输出频率。由此可计算出时电路的输出频率。由此可计算出R Rm，Rn 和和和和C C。实际电路参见下图。实际电路参见下图。实际电路参见下图。实际电路参见下图。第62页，本讲稿共67页五、热敏电阻的应用五、热敏电阻的应用五、热敏电阻的应用五、热敏电阻的应用 热敏电阻的应用分为两大类：一是作为检测元件；二是热敏电阻的应用分为两大类：一是作为检测元件；二是热敏电阻的应用分为两大类：一是作为检测元件；二是热敏电阻的应用分为两大类：一是作为检测元件；二是作为功能元件。作为功能元件。作为功能元件。作为功能元件。通常通常OaOa段用作检段用作
50、检段用作检段用作检测，测，bc段可作为开关，段可作为开关，cd段用作低频振荡器、段用作低频振荡器、段用作低频振荡器、段用作低频振荡器、启动电阻、时间继电启动电阻、时间继电器等。器等。2006.11.3JC204-2006.11.3JC204-第63页，本讲稿共67页（一）测温（一）测温（一）测温（一）测温 测温通常使用负温度系数热敏电阻，电路见前面内测温通常使用负温度系数热敏电阻，电路见前面内容。容。（二）温度补偿（二）温度补偿（二）温度补偿（二）温度补偿 为了使电路工作稳定，较小电路的温度漂移，通常采为了使电路工作稳定，较小电路的温度漂移，通常采为了使电路工作稳定，较小电路的温度漂移，通常采