自动检测与转换技术 裴蓓 第2章 温度传感器

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1、第2章温度传感器温度概述2.1热电阻式温度传感器2.2热电偶温度传感器2.3集成温度传感器2.4【学习目标】掌握温标的概念及分类掌握热电阻传感器的结构及工作原理掌握热电偶传感器的原理及结构掌握热电偶传感器的冷端温度补偿原理掌握集成温度传感器的工作原理掌握热电阻、热电偶、集成温度传感器的应用及区别掌握选择、使用温度传感器的方法及注意事项【技能目标】具备分析电路的能力具备制作温度传感器电路的能力具备调试电路的能力2.1温度概述2.1.1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（0℃），把水的沸点定为100度（100℃），两固定

2、点间划分一百等份，每一等份为摄氏1度，符号为t。2．华氏温标（℉）华氏温度规定在标准大气压下，冰的熔点为32度（32℉），水的沸点为212度（212℉），两固定点间划分180个等份，每一等份为华氏1度，符号为θ。它与摄氏温标的关系式为20℃时的华氏温θ=(1.820+32)F=68F。西方国家在日常生活中普遍使用华氏温标。3．热力学温标（K）热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标，它的符号是T，其单位是开尔文（K）。由于以前曾规定冰点的温度为273.15K，所以

3、现在沿用这个规定，用下式进行K氏和摄氏的换算或：100℃时的热力学温度T=(100+273.15)K=373.15K。4．1990国际温标（ITS90）国际计量委员会在1968年建立了一种国际协议性温标，即IPTS68温标。这种温标与热力学温标基本吻合，其差值符合规定的范围，而且复现性（在全世界用相同的方法，可以得到相同的温度值）好，所规定的标准仪器使用方便、容易制造。2.1.2温度传感器的分类温度传感器的分类方法很多。按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等

4、；按输出方式分有自发电型、非电测型等。总之，温度测量的方法很多，而且直到今天，人们仍在不断地研究性能更好的温度传感器，可以根据成本、精度、测温范围及被测对象的不同，选择不同的温度传感器。图2.1温度传感器应用示意图2.2热电阻式温度传感器2.2.1金属热电阻温度传感器对于大多数金属导体，其电阻值随温度变化的关系为式中：Rt—温度为t℃时的电阻值；R0—温度为0℃时的电阻值；α1，α2，…，αn—由材料和制造工艺所决定的系数。在式（2.4）中，最终取几项，由材料、测温精度的要求所决定。当前工业测温广泛使用铂电阻、铜电阻、镍电阻等温度传感器，如高炉

5、炼铁（见图2.2）应用的就是铂电阻温度传感器。图2.2高炉炼铁2.2.2半导体温度传感器半导体温度传感器分为接触型和非接触型两类，接触型又分为PN结温度传感器和热敏电阻传感器。1．PN结温度传感器PN结温度传感器是以半导体PN结的温度特性为基础进行工作的，具有较好的长期稳定性。当PN结的正向电流保持不变时，PN结的正向压降随温度的升高而近似线性减小，大约以−2mV/℃的斜率随温度变化，因此利用这一特性可以对温度进行测量。2．热敏电阻传感器（1）热敏电阻器的特点热敏电阻器是用半导体材料制成的热敏器件，相对于一般的金属热电阻而言，它主要具备如下特点

6、。①电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10～100倍。②结构简单，体积小，可以测量点温度。③电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。④阻值与温度变化呈非线性关系。⑤稳定性和互换性较差。（2）热敏电阻器的基本类型NTC热敏电阻器主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等多种金属氧化物混合烧结而成，改变混合物的成分和配比就可以获得测温范围、阻值及温度系数不同的NTC热敏电阻器。NTC热敏电阻器的电阻—温度特性符合负指数规律，其关系式为式中：RT—热敏电阻器在绝对温度T时的阻值；R0—热敏电阻器在绝对温度T0时的阻值；T0、T—介质的起始温度和变化温度（

7、K）；t0、t—介质的起始温度和变化温度（℃）；B—热敏电阻器材料常数，一般为2 000～6 000K。B值的大小取决于热敏电阻器制作用的材料，对于氧化物半导体热敏电阻器，材料常数B为式中：ΔE—杂质在半导体中的电离能；K—波尔兹曼常数。图2.4所示为由CdO—Sb2O3—WO3材料制成的NTC热敏电阻器的电阻率—温度特性曲线。从曲线上可看出，在相当宽的温度范围内，其电阻率与温度呈线性关系，线性变化范围为−100～+300℃，它是一种比较理想的热敏电阻。1—NTC2—临界NTC3—开关型4—PTC图2.3各种热敏电阻器的电阻—温度关系曲线图2.

8、4NTC热敏电阻器的电阻率—温度曲线（3）热敏电阻器的结构与材料热敏电阻器主要由热敏探头、引线和壳体构成，如图2.5（a）所示，其图形符号如图2.5（