（1）热电阻的工作原理和材料 纯金属具有正的温 度系数，可以作为测温元件。铂、铜、铁和镍是常用的热 电阻材料，其中铂和铜最常用。 ①铂热电阻：铂热电阻的统一型号为WZP，主要用作 标准电阻温度计。国际标准有Pt100，测温范围为-200～ 960℃，电阻温度系数为3.9×10-3/℃，0℃时电阻值为 100Ω 。但铂在使用时应装在保护套管中。 ②铜热电阻：铜热电阻的统一型号为WZC，电阻温度 系数为α ＝（4.25～4.28）×10-3/℃，常用来做-50～ +150℃范围内的工业用电阻温度计；其缺点是电阻率较低， 容易氧化，只能用在较低温度和没有水份及腐蚀性的介质 中。目前国标规定的铜热电阻有Cu50和Cu100两种。 热电阻的电阻与温度对应关系也是由分度表给出，见附录 C-1。
（1）参考端恒温法 将热电偶的参考端放在有冰 水混合的保温瓶中，可使热电偶输出的热电动势与分度 值一致，测量精度高，常用于实验室中。工业现场可将 参考端置于盛油的容器中，利用油的热惰性使参考端保 持接近室温。 （2）补偿导线法 采用补偿导线将热电偶延伸到 温度恒定或温度波动较小处。为了节约贵重金属，热电 偶电极不能做得很长，但在0～100℃范围内，可以用与 热电偶电极有相同热电特性的廉价金属制作成补偿导线 来延伸热电偶。在使用补偿导线时，必须根据热电偶型 号选配补偿导线；补偿导线与热电偶两接点处温度必须 相同，极性不能接反，不能超出规定使用温度范围。常 用补偿导线的特性见表6-3 。
6.3.2
热敏电阻温度传感器及应用
1.热敏电阻 用半导体材料制作的热敏元件通常称为热敏电阻。 （1）热敏电阻的类型 热敏电阻可按电阻的温度特性、 结构、形状、用途、材料及测量温度范围等进行分类。 热敏电阻按温度特性可分为三类，如图6-13所示。 ①负温度系数热敏电阻：简称NTC，型号用MF表示。 在工作温度范围内，电阻随温度上升而非线性下降，温度 系数为-(1～6)％／℃，曲线1示。 ②临界负温度系数热敏电阻：简称CTR。CTR是一种 开关型NTC，在临界温度附近，阻值随温度上升而急剧减 小，曲线4示。 ③正温度系数热敏电阻：简称PTC，型号用MZ表示。 在工作温度范围内，其电阻值随温度上升而非线性增大。 曲线2为缓变型，其温度系数为+0.5～8％／℃，曲线3为开 关型，在居里点附近的温度系数可达+10～60％／℃。
图6-8 热电阻温度传感器的外形与内部结构 a）外形 b）铂电阻测温元件的结构 1—铜铆钉 2—铂电阻丝 3—引导线
2.热电阻的基本应用电路 （1）热电阻的接线方式 热电阻的端子接线方式有2线 式、3线式和4线式三种，如图6-9所示。2线式适用于印制电 路板上，测量回路与传感器不太远的情况。在距离较远时， 为消除引线电阻受环境温度影响造成的测量误差，需要采用 3线式或4线式接法。
6.1
温度与温标
温度是表示物体的冷热程度的物理量。温标是衡量温度 的标准尺度，它分为经验温标、热力学温标和国际温标。 各温标间换算关系见表6-1。
温标 单位 K ℃ ℉ °R 开尔文T/K 1 t+273.15 (θ-32)/1.8+273.15 t/1.8 摄氏度t/℃ T-273.15 1 (θ-32)/1.8 t/1.8-273.15 华氏度θ/℉ 兰氏度t/°R
传感器及应用 第6章
● 6.1 ● 6.2 ● 6.3 ● 6.3 温度与温标 热电偶及应用 电阻式温度传感器及应用 PN结和集成温度传感器及应用
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第6章 温度传感器及应用
温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工 农业生产和科学试验中需要经常测量和控制的主要参数， 也是与人们日常生活紧密相关的一个重要物理量。 常用的温度传感器有：膨胀式、双金属片式、磁性 式、热电偶、热电阻、热敏电阻、PN结及集成温度传感 器等。 要点 1.温度与温标的概念，各温标间的换算 2.热电偶结构、类型、分度表、冷端温度处理 3.热电阻常用材料、特性、接线制式 4.热敏电阻类型、特性及NTC伏安特性应用 5.集成温度传感器类型及特性
图6-2 热电偶的结构 1—热电极 2—绝缘套管 3—保护套管 4—接线盒
2.热电偶的结构和种类 （1）热电偶的结构 热电偶的结构如图6-2所示，通常 由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等部分组成。 （2）热电偶的种类 热电偶可按热电极的材料和结构 形式进行分类。 ①按热电偶的热电极材料分类：l977年国际电工委员会 (IEC)对8种热电偶制订了国际标准。它们的分度号是T（铜康铜）、E（镍铬-康铜）、J（铁-康铜）、K（镍铬-镍硅）、 N（镍铬硅-镍硅）、R（铂铑13-铂）、B（铂铑30-铂铑6）、 S（铂铑10-铂）。热电偶的特性不是用公式计算，也不是用 特性曲线表示，而是用分度表给出。附录B为K型热电偶的分 度表。 ②按热电偶的结构形式分类：热电偶的结构形式又分普 通型、铠装型、表面型和快速型四种。
如图6-23所示为用晶闸管温度传感器VS1（TT201）驱 动普通晶闸管VS2（CR2AM-6），从而控制大功率负载的电 路实例。
图6-23 采用热敏晶闸管温度传感器的温度控制电路
6.4.2 集成温度传感器 集成温度传感器使传感器和集成电路融为一体，极大 地提高了传感器的性能，它与传统的热敏电阻、热电阻、 热电偶、双金属片等温度传感器相比，具有测温精度高、 复现性好、线性优良、体积小、热容量小稳定性好、输出 电信号大等优点。 集成温度传感器按输出形式可分为电压型和电流型两 种。电压型的温度系数为10mV/℃，电流型的温度系数为 1µA/K，它们还具有绝对零度时输出电量为零的特性。电流 输出型温度传感器适合于遥测。 电流输出型与电源负载串联，不受电源电压和导线电 阻的影响，因此可以远距离传送。
这样的两种不同导体 的组合称为热电偶，相应 的电动势和电流称为热电 动势和热电流。如图6-1a 所示，导体A、B称为热电 极，置于被测温度（T）的 一端称为工作端(热端)， 另一端（T0）称为参考端 (冷端)。热电动势与热电 偶两端的温度差成比例,即 EAB（T，T0）=K（T-T0）
图6-1 热电偶的原理 a）热电效应 b)热电偶的电路符号
3.热敏晶闸管温度传感器及其应用电路 当晶闸管在正向转折电压之前不导通，若超过转折电压就 进入导通状态，特别是在低温度下发生转折时，电流放大 系数很大，具有良好的开关特性。利用晶闸管的转折电压 随温度而改变的特性制成热敏晶闸管。在同样的正向电压 下，当温度改变时，转折点发生改变，因此可作为实用的 温度开关。同时还可通过门极电阻RGA由外部电路对开关温 度进行控制。热敏晶闸管温度传感器的平均导通电流为 100mA，浪涌电流为2A。
6.3
电阻式温度传感器及应用 电阻式温度传感器分为金属热电阻和半导体热敏电阻， 其电路符号如图6-7所示。
6.3.1
热电阻温度传感器及应用
1.热电阻 热电偶传感器适用于测量500℃以上的高温，对于 500℃以下的中、低温的测量就会遇到热电动势小、干扰大 和冷端温度引起的误差大等困难，为此常用热电阻作为测 温元件。热电阻是利用导体电阻随温度变化这一特性来测 量温度的，在测温和控温中广泛应用。
6.2.2 热电偶的使用 在使用热电偶测温时，必须能够熟练地运用热电偶的 参考端（冷端）处理方法、安装方法、测温电路、测温仪 表及在表面测温时的焊接方法等实用技术。 1.热电偶的参考端（冷端）温度处理 式（6-2）说明，热电偶在工作时，必须保持冷端温度恒定， 并且热电偶的分度表是以冷端温度为0℃做出的。然而在工 程测量中冷端距离热源近，且暴露于空气中，易受被测对 象温度和环境温度波动的影响，使冷端温度难以恒定而产 生测量误差。为了消除这种误差，可采取下列温度补偿或 修正措施。
（4）电桥补偿法 如图6-4所示，利用热电阻测温电桥 产生的电动势来补偿热电偶参考端因温度变化而产生的热 电势，称为电桥补偿法。 国产冷端补偿器的 电桥一般是在20℃ 时调平衡的，因此 20℃时无补偿，必 须进行修正或将仪 表的机械零点调到 20℃处。常用国产 冷端补偿器见表64。
图6-4
冷端补偿器
图6-15 NTC热敏电阻的伏-安特性
①在峰值电压降Um左侧（a区）适用于检测温度及电 路的温度补偿。可见，用热敏电阻测温时一定要限制偏 置范围，使其工作在线性区。 ②在峰值电压降Um附近（b区）可用作电路保护、报 警等开关元件。 ③在峰值电压降Um右侧（c区）适用于检测与耗散系 数有关的流速、流量、真空度及自动增益电路、RC振荡 器稳幅电路等。 PTC还常用于彩色电视机的消磁电路开关、电冰箱启 动开关、空调电辅加热等。
（3）热电动势修正法 热电偶的分度表是以参考端温 度T0=0℃时获得的，当参考端温度Tn≠0℃时，热电偶的 输出热电动势将不等于EAB（T，T0），而等于EAB（T， Tn），如图6-3所示。为求得真实温度，可根据热电偶中 间温度定律： EAB（T，T0）=EAB（T，Tn）+ EAB（Tn，T0） 将测得的电动势的EAB（T，Tn）加上一个修正电动势EAB （Tn，T0）算出EAB（T，T0）再查分度表，方得实测温 度值。EAB（Tn，T0）可从分度表查出。
6.4 PN结和集成温度传感器及应用 6.4.1 PN结温度传感器及其应用电路 PN结温度传感器是一种利用半导体PN结中电流/电压 的温度特性制造的集成传感器。现有热敏二极管、热敏晶 体三极管和热敏晶闸管温度传感器几种。 1.热敏二极管温度传感器应用电路
图6-21 二极管温度传感器的测温电路
2.热敏晶体三极管温度传感器及其应用电路 NPN型热敏晶 体管在Ic恒定 时，利用基极 -发射极间电 压Ube的温度特 性，可把温度 变化转换成电 压变化。如图 6-22所示为晶 体管温度传感 器的一种测温 电路，灵敏度 图6-22 晶体管温度传感器测温电路 为0.1V/℃。
1.8T （T-273.15） ×1.8+32 (t+273.15)× 1.8 1.8× t+32 1 θ+459.67 t-459.67 1