1、第三章第三章 温度传感器温度传感器 第一节第一节 概概 论论 第二节第二节 热电偶温度传感器热电偶温度传感器 第三节第三节 热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器 第四节第四节 ICIC温度传感器温度传感器 第五节第五节 其他温度传感器其他温度传感器通过本章的学习了解温度传感器的作用、地位、分类和发展趋势；掌握热电偶三定律及相关计算；掌握热敏电阻不同类型的特点及应用场合；掌握集成温度传感器使用方法；了解其他温度传感器工作原理。热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。在温度传感器中应用最多的有热电偶热电偶、热热电阻电阻（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻热敏电阻。热敏电阻发
2、展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。主要讲述热敏电阻的特点、分类，基本参数，主要特性和应用等。第三节第三节 热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器（一）热敏电阻的特点 1电阻温度系数的范围甚宽有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突变的三种热敏电阻元件。电阻温度系数的绝对值比金属大10100倍左右。2材料加工容易、性能好 可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够作到小型化。目前，最小的珠状热敏电阻其直径仅为 0.2mm。3阻值在110M之间可供自由选择 使用时，一般可不必考虑线路引线电阻的影响；由于其功耗小、故
3、不需采取冷端温度补偿，所以适合于远距离测温和控温使用。一、热敏电阻的特点与分类 4稳定性好 商品化产品已有30多年历史，加之近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在0.01的小温度范围内，其稳定性可达0.0002的精度。相比之下，优于其它各种温度传感器。5原料资源丰富，价格低廉 烧结表面均已经玻璃封装。故可用于较恶劣环境条件；另外由于热敏电阻材料的迁移率很小，故其性能受磁场影响很小，这是十分可贵的特点。热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为：1正温度系数热敏电阻器（PTC）电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏阻器。它的主要材料是掺杂的Ba
4、TiO3半导体陶瓷。2负温度系数热敏电阻器（NTC）电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。3突变型负温度系数热敏电阻器（CTR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34个数量级，即具有很大负温度系数负温度系数。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。（二）热敏电阻的分类（二）热敏电阻的分类 热敏电阻材料的分类热敏电阻材料的分类（1）大分类小分类代表例子NTC单晶金刚石、Ge、Si金刚石热敏电阻多晶迁移金属氧化物复合烧结体、无缺陷形金属氧化烧结体多结晶单体、固溶体形多结晶氧化物SiC系Mn、Co、Ni、Cu、Al氧化物烧
5、结体、ZrY氧化物烧结体、还原性TiO3、Ge、SiBa、Co、Ni氧化物溅射SiC薄膜玻璃Ge、Fe、V等氧化物硫硒碲化合物玻璃V、P、Ba氧化物、Fe、Ba、Cu氧化物、Ge、Na、K氧化物、（As2Se3）0.8、（Sb2SeI）0.2有机物芳香族化合物聚酰亚釉表面活性添加剂液体电解质溶液熔融硫硒碲化合物水玻璃As、Se、Ge系热敏电阻材料的分类（热敏电阻材料的分类（2）PTC无机物BaTiO3系Zn、Ti、Ni氧化物系Si系、硫硒碲化合物（Ba、Sr、Pb）TiO3烧结体有机物石墨系有机物石墨、塑料石腊、聚乙烯、石墨液体三乙烯醇混合物三乙烯醇、水、NaClCTR V、Ti氧化物系、Ag
6、2S、（AgCu）、（ZnCdHg）BaTiO3单晶V、P、（BaSr）氧化物Ag2SCuS大分类小分类代表例子1.标称电阻R25（冷阻）标称电阻值是热敏电阻在250.2时的阻值。二、热敏电阻的基本参数2.材料常数BN是表征负温度系数(NTC)热敏电阻器材料的物理特性常数。BN值决定于材料的激活能E,具有BN=E2k的函数关系，式中k为波尔兹曼常数。一般BN值越大，则电阻值越大，绝对灵敏度越高。在工作温度范围内，BN值并不是一个常数，而是随温度的升高略有增加的。3.电阻温度系数（%/）热敏电阻的温度变化1 时电阻值的变化率。4.耗散系数H热敏电阻器温度变化1所耗散的功率变化量。在工作范围内，当
7、环境温度变化时,H值随之变化,其大小与热敏电阻的结构、形状和所处介质的种类及状态有关。6.最高工作温度Tmax热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度：T0环境温度；PE环境温度为T0时的额定功率；H耗散系数7.最低工作温度Tmin热敏电阻器在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。8.转变点温度Tc热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐点温度，主要指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。HPTTE0max5.时间常数热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的63.2所需的时间。它与热容量C和耗散系数H之间的关系HC9.额定功率PE热
8、敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗功率。在此功率下,它自身温度不应超过Tmax。10.测量功率P0热敏电阻器在规定的环境温度下,受到测量电流加热而引起的电阻值变化不超过0.1时所消耗的功率11.工作点电阻RG在规定的温度和正常气候条件下，施加一定的功率后使电阻器自热而达到某一给定的电阻值。tnHP1000012.工作点耗散功率PG电阻值达到RG时所消耗的功率。UG电阻器达到热平衡时的端电压。GGGRUP213.功率灵敏度KG热敏电阻器在工作点附近消耗功率lmW时所引起电阻的变化，即：在工作范围内，KG随环境温度的变化略有改变。14.稳定性热敏电阻在各种气候、机械、电气等使用环
9、境中，保持原有特性的能力。它可用热敏电阻器的主要参数变化率来表示。最常用的是以电阻值的年变化率或对应的温度变化率来表示。KGR/P15.热电阻值RH指旁热式热敏电阻器在加热器上通过给定的工作电流时,电阻器达到热平衡状态时的电阻值。16.加热器电阻值Rr指旁热式热敏电阻器的加热器，在规定环境温度条件下的电阻值。18.标称工作电流 I指在环境温度25时，旁热式热敏电阻器的电阻值被稳定在某一规定值时加热器内的电流。19.标称电压 它是稳压热敏电阻器在规定温度下标称工作电流所对应的电压值。20.元件尺寸指热敏电阻器的截面积A、电极间距离L和直径d。17.最大加热电流Imax指旁热式热敏电阻器上允许通过
10、的最大电流。（一）热敏电阻器的电阻温度特性（RTT）1234铂丝4060120 1600100101102103104105106RT/温度T/C热敏电阻的电阻-温度特性曲线1-NTC；2-CTR；3-4 PTC三、热敏电阻器主要特性TT与RTT特性曲线一致。RT、RT0温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值；BN NTC热敏电阻的材料常数。由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的NTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于450），都能利用该式，它仅是一个经验公式。1 负电阻温度系数(NTC)热敏电阻器的温度特性011exp0TTBRRNTTNTC的电阻温度关系的一般数学表达式为
11、：0ln11ln0TNTRTTBR如果以lnRT、1/T分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率为BN，通过点(1/T，lnRT)的一条直线,如图。105104103102 0-101030507085100120T/C电阻/NTC热敏电阻器的电阻-温度曲线材料的不同或配方的比例和方法不同，则BN也不同。用lnRT1/T表示负电阻温度系数热敏电阻温度特性，在实际应用中比较方便。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：29811exp25TBRRNTRT/R25BN关系如下表。02550751001250.511.522.533.5(25
12、C,1)RT/RT0-T特性曲线RT/R25TRTR25BN系数表系数表RTR25BNR50R2522002600280030003200340036003800400050000.5650.5000.4830.4580.4350.4130.3920.3720.3540.2733.1754.7205.3195.9936.7517.6098.65719.66010.8819.771.9632.2212.3622.5122.6712.8403.0203.2113.4144.6420.3470.2880.2590.2360.2140.1940.1760.1600.1460.0920.2270.173
13、0.1490.1320.1150.1010.0880.0770.0670.0340.1130.0760.0620.0510.0420.0340.0280.0230.0190.007R0R25R75R25R-20R25R150R25R100R252.正电阻温度系数（PTC）热敏电阻器的电阻温度特性其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如图10000100010010050100150200250R20=120R20=36.5R20=12.2PTC热敏电阻器的电阻温度曲线T/C电阻/Tp1Tp2Tc=175 CPTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工
14、作区两端，电阻温度曲线上有两个拐点：Tp1和Tp2。当温度低于Tp1时，温度灵敏度低；当温度升高到Tp1后，电阻值随温度值剧烈增高（按指数规律迅速增大）；当温度升到Tp2时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范围内存在温度Tc，对应有较大的温度系数tp。经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻温度特性可近似用下面的实验公式表示：式中 RT、RT0温度分别为T、T0时的电阻值；BP正温度系数热敏电阻器的材料常数。若对上式取对数，则得：0exp0TTBRRPTT0lnln0TPTRTTBR以lnRT、T分别作为纵坐标和横坐标，便得到下图。）可见：正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数tp，
15、正好等于它的材料常数BP的值。lnRr1lnRr2BPmRBP=tg=mR/mrT1T2lnRr0mrlnRTT 表示的PTC热敏电阻器电阻温度曲线lnRrTPPTPTPTTtpBTTBRTTBRBdTdRR00expexp100若对上式微分，可得PTC热敏电阻的电阻温度系数tp abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC热敏电阻的静态伏安特性（二）热敏电阻器的伏安特性（UI）热敏电阻器伏安特性表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻器和周围介质热平衡（即加在元件上的电功率和耗散功率相等）时的互相关系。1.负温度系数（NTC）热敏电阻器的伏安特性该曲线是在环境温度为T0时的静态介质中测出
16、的静态UI曲线。热敏电阻的端电压UT和通过它的电流I有如下关系：0000exp11expTTTBIRTTBIRIRUNNTTT0环境温度；T热敏电阻的温升。曲线见下图，它与NTC热敏电阻器一样，曲线的起始段为直线，其斜率与热敏电阻器在环境温度下的电阻值相等。这是因为流过电阻器电流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故。当热敏电阻器温度超过环境温度时，引起电阻值增大，曲线开始弯曲。104103102101105Um10110210310010-1ImPTC热敏电阻器的静态伏安特性2正温度系数（PTC）热敏电阻器的伏安特性 当电压增至Um时，存在一个电流最大值Im；如电压继续增加，由于温升引
17、起电阻值增加速度超过电压增加的速度，电流反而减小，即曲线斜率由正变负。（三）功率-温度特性（PTT）描述热敏电阻器的电阻体与外加功率之间的关系，与电阻器所处的环境温度、介质种类和状态等相关。（四）热敏电阻器的动态特性热敏电阻器的电阻值的变化完全是由热现象引起的。因此，它的变化必然有时间上的滞后现象。这种电阻值随时间变化的特性，叫做热敏电阻器的动态特性。动态特性种类：u周围温度变化所引起的加热特性；u周围温度变化所引起的冷却特性；u热敏电阻器通电加热所引起的自热特性。当热敏电阻器由温度T0增加到TU时，其电阻值RTr随时间 t 的变化规律为：式中 RTt时间为t时，热敏电阻的阻值；T0 环境温度
18、；Tu 介质温度(TuT0);RTa温度Ta时,热敏电阻器的电阻值；t时间。当热敏电阻由温度Tu冷却T0时，其电阻值RTt与时间的关系为：TaanuunTtRTBtTTBRln)/exp()T(ln0TaanunTtRTBtTBRln)/exp()T(ln0设计原理：利用半导体PN结的电流电压与温度有关的特性。优点：输出线性好、测量精度高,传感驱动电路、信号处理电路等都与温度传感部分集成在一起,因而封装后的组件体积非常小,使用方便,价格便宜,故在测温技术中越来越得到广泛应用。本节简要介绍IC温度传感器的类型、基本原理、主要特性及其应用等有关问题。第四节第四节 ICIC温度传感器温度传感器 一、
19、IC温度传感器的分类电压型IC温度传感器；电流型IC温度传感器，数字输出型IC温度传感器。电流型IC温度传感器是把线性集成电路和与之相容的薄膜工艺元件集成在一块芯片上,再通过激光修版微加工技术,制造出性能优良的测温传感器。这种传感器的输出电流正比于热力学温度，即1A/K；其次，因电流型输出恒流，所以传感器具有高输出阻抗。其值可达10M。这为远距离传输深井测温提供了一种新型器件。电压型IC温度传感器是将温度传感器基准电压、缓冲放大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大器；故输出电压高、线性输出为10mV；另外,由于其具有输出阻抗低的特性；抗干扰能力强，故不适合长线传输。这类IC温度传感
20、器特别适合于工业现场测量。电流型IC温度传感器的测温原理，是基于晶体管的PN结随温度变化而产生漂移现象研制的。众所周知，晶体管PN结的这种温漂，会给电路的调整带来极大的麻烦。但是，利用PN结的温漂特性来测量温度，可研制成半导体温度传感元件。IC温度传感器就是依据半导体的温漂特性，经过精心设计而制造出来的集成化线性较好的温度传感器件。利用电流I与Tk的正比关系，通过电流的变化来测量温度的大小。二、IC温度传感器的测温原理2019201920192019（一）电压输出型集成温度传感器AN6701S是日本松下公司生产的电压输出型集成温度传感器，它有四个引脚，三种连线方式：(a)正电源供电，(b)负电
21、源供电，(c)输出极性颠倒。电阻RC用来调整25下的输出电压，使其等于5V，RC的阻值在330k范围内。这时灵敏度可达109110mV/，在-1080范围内基本误差不1。输出AN6701(a)1243RC515VAN6701输出(c)10kRC3124515V-+100k10k100k AN6701(b)213输出4515VRC三、IC温度传感器的主要特性输出电压/V02468101220020406080RC=100kRC=10kRC=1k温度/CAN6701S的输入特性在-1080范围内，RC的值与输出特性的关系如下图。AN6701S有很好的线性，非线性误差不超过0.5%。若在25时借助R
22、C将输出电压调整到5V，则RC的值约在330k间，相应的灵敏度为109110mV/。校准后，在-1080范围内，基本误差不超过1。这种集成传感器在静止空气中的时间常数为24s，在流动空气中为11s。电源电压在515V间变化，所引起的测温误差一般不超过2。整个集成电路的电流值一般为0.4mA，最大不超过0.8mA（RL=时）。（二）电流型温度传感器1伏安特性工作电压：4V30V，I 为一恒流值输出，ITk，即KT标定因子，AD590的标定因子为1A/I=KT TK 4V30V0I/AU/VAD590伏安特性曲线-55+25+150218298423 550 150 273.2AI/ATC /CA
23、D590温度特性曲线2温度特性其温度特性曲线函数是以Tk为变量的n阶多项式之和，省略非线性项后则有:Tc摄氏温度；I 的单位为A。可见，当温度为0时，输出电流为273.2A。在常温25时，标定输出电流为298.2A。I=KTTc273.23AD590的非线性15055T/C0.30.30在实际应用中，T 通过硬件或软件进行补偿校正，使测温精度达0.1。其次，AD590恒流输出，具有较好的抗干扰抑制比和高输出阻抗。当电源电压由5V向10V变化时，其电流变化仅为0.2A/V。长时间漂移最大为0.1，反向基极漏电流小于10pA。55100，T递增，100150则是递降。T最大可达3，最小T0.3，按
24、档级分等。T/CAD590非线性误差曲线由图可得设RT=1k，KT为标定因子(1A/K)，则U1=1mV/KTk因BG1为1.25V稳压管，经R2,WT分压,取U2=273.2mV放大倍数A=10；于是有:TKTRTKU1+U0ABG1R1R2U2WrRrI1+E9VU1当t=55时，U0=550mV；当t=150时，U0=1500mV。此电路只要BG1的运放漂移小，性能稳定，RT取0.l精密电阻，加上对AD590的自身非线性补偿后，测温精度在测温范围内可达0.1。对于标定因子KT的离散性，可通过调节WT来调整，WT为多圈线精密电位器。U0=(U1-U2)A=1mVTcA =10mV/Tc摄氏TCV转换公式（二）测温曲线的非线性误差校正.在实际测温曲线中,若没有通过校正,曲线如图，0100温域曲线是上升的，原因是AD590本身的非线性所致，在55100时T是递增的；在100+150的T是递降的，即U0/T=F(1)。式中的F为测温电路的标定因子。要使整个测温曲线有良好线性关系，就要使F=1，采取80C100CTC标准值T测量值0测量误差曲线的办法是利用双积分A/D转换线性特性，对曲线分段校正，线性双积分A/D转换的基本公式为：
