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1、4 热敏传感器,本节主要包括两部分：一、热电式测温传感器；二、热敏电阻；,一、热电式测温传感器（一）工作原理 两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起，组成闭合回路,上述两种不同导体的组合称为热电偶，其中导体A、B为热电极，一个为工作端或热端（T）；另一叫自由端或冷端（T0）。,当两接点温度不等（TT0）时，回路中就会产生电动势，从而形成热电流。这一现象称为热电效应。回路中产生的电动势称为热电势。,热电势由接触电势和温差电势组成,k0波尔兹曼常数，k0 1.381023J/K8.62105eV/K;T,T0接触处的绝对温度（K）；NA,NB材料A、B地自由电子密度；e电子电荷量，e1.60210
2、19C。,温差电势是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。热电偶回路中的总电势主要是由接触电势引起的。总电势为：,结论：1、若热电偶两电极材料相同，则无论两接点温度如何，总热电势为零。2、若热电偶两接点温度相同，尽管A、B材料不同，回路中总电势等于零。3、热电偶产生的热电势只与材料和接点温度有关，与热电偶的尺寸、形状等无关。同样材料的热电极，其温度和电势的关系是一样的。因此，热电极材料相同的热电偶可互换。4、热电偶A、B在接点温度为T1、T3时的热电势，等于此热电偶在接点温度为T1、T2与T2、T3两个不同状态下的热电势之和，即：5、当热电极A、B选定后，热电势EAB（T,T0）是两
3、接点温度T 和T0的函数，即：,(二)热电偶中引入第三导体 在A、B材料组成的热电偶回路中接入第三导体C，只要引入的第三导体两端温差相同，则此导体的引入不会改变总电势EAB（T,T0）的大小,第三导体不宜采用与电极热电性质相差很远的材料,(三)标准热电极,通常用纯铂（Pt）作为标准热电极,(四)热电偶冷端温度误差及其补偿 热电偶的输出电压与温度成非线性关系，通过对应分度表，即可查得所测的温度 补偿措施：1、0恒温法,2、冷端恒温法,在回路在中加入相应的修正电压,四臂电桥，其中三个桥臂电阻的温度系数为零，另一桥臂采用铜电阻（RCu）（其值随温度变化）。如下图所示取T0=20时电桥平衡（R1=R2
4、=R3=RCu）,3、冷端补偿器法,5.补正系数修正法,设冷端温度为tn，工作端测得温度场的温度为t1，其实际温度为：,4、采用不需要冷端补偿的热电偶 镍钴镍铝热电偶在300以下，镍铁镍铜热电偶在50 以下，镍铑30铂铑6热电偶在50 以下的热电势均非常小。,热电偶补正系数,(五)常用热电偶的特性,(六)热电偶的测量电路,热电偶的输出电压很小，通常每度只有数十微伏（V），要求测量用的运算放大器的漂移必须很小，有关元件也需要认真选择。,K型热电偶测量电路,K型热电偶的非线性误差线性校正电路有多种实现方法，这里介绍一下高次多项式线性校正电路的实现。热电偶的温差电势：其中T为温度，a0、aN为系数,
5、可由切比雪夫（Chebyshev）展开式求得,集成模拟乘法器能完成这一功能，用AD538构成校正电路，得：,AD538的特性参数（Us=+15V,Ta=25）,注：使用低于13V电源电压时，把10V基准电压脚接至2V基准电压脚,AD538的内部结构框图,K型热电偶线性校正电路,有校正电路后只有约0.10.2的非线性误差,K型热电偶校正前后温度误差特性分析,二、热敏电阻,优点:灵敏度高,温度变化1,阻值变化(16)%体积小 0.2mm使用方便缺点:非线形元件稳定性和互换性差,（一）热敏电阻结构和材料,电路符号:结构:,1.热敏探头2.引线3.壳体,外形：,a.圆片型 b.薄膜型 c.杆型 d.管
6、型e.平板型 f.珠型 g.扁圆形 h.垫圈型i.杆型（金属帽引出）,材料：常见材料：金属氧化物半导体 Mn3O4、CuO、NiO、Co3O4、Fe2O3、TiO2、MgO、V2O5、ZnO等两种或两种以上材料进行：混合成型烧结,电阻率和材料常数B,决定,（二）基本参数1.标称阻值 25时的阻值(25 0.2)(环境25 27)25:25 电阻温度系数2.材料常数B(K)E:激活能 3.电阻温度系数t,4.时间常数（s）热敏电阻随温度变化从起始到最终变化量的63.2%所需的时间 C:热容量 H：耗散量5.耗散系数H(mw/)热敏电阻温度变化1 所消耗的功率6.最高工作温度Tmax T0：环境温
7、度 PE：额定功率 H：耗散系数,7.额定功率PE 在规定的技术条件下，长期连续工作的允许的耗散功率8.测量功率PC(W)在规定的环境温度下，电阻由测量电流加热而引起阻值变化，不超过0.1时所消耗功率,（三）主要特性 1.电阻与温度特性 负温度系数热敏电阻的特性,温度为T、T0时的 热敏电阻,负电阻温度系数热敏电阻的材料系数,、,对数:,正温度系数热敏电阻的特性,温度为T、T0时的 热敏电阻,正电阻温度系数热敏电阻 的材料系数,2.热敏电阻的伏安特性,负温度系数热敏电阻的伏安特性,环境温度,0-a:测温b-c:开关c-d:驱动,正温度系数热敏电阻的伏安特性,（四）热敏电阻的测温电路,非线性 线
8、性互换性 一致,（1）多谐振荡器温度频率转换电路其中：R1、R2构成放大器的再生反馈 R、C组成RC充放电回路 R3为限流电阻,正反馈系数：,令：,所以：,通过适当调整两条曲线的形状和位置，可使其在相交点（T0,R0）附近一定范围内，曲线保持线性（见下图）,五.热敏电阻的应用（1）测温,测量原理及电路图,（2）温度补偿,利用热敏电阻器Rt补偿晶体管静态工作点的变化,（3）温度控制,继电器电流随时间变化特性,环境温度与产生继电效应的关系,热敏电阻器控温简化电路,（4）流量测定,用PTC热敏电阻器测量液体或气体流速电路,广州日成高电子科技有限公司 PTC热敏电阻器,1.应用范围：电子镇流器（节能灯
9、、电子变压器、万用表、智能电度表）等的过流过热保护，直接串联在负载电路中，在线路出现异常状况时，能够自动限制过电流或阻断电流，当故障排除后又恢复原态，俗称“万次保险丝”。2.特点：无触点的电路及元器件保护，自动限制过电流，故障排除后自动恢复，工作时无噪音无火花，工作可靠、使用方便 3.应用原理：将MZ12A型PTC热敏电阻器串联在电源回路中，当电路处于正常状态时，流过PTC的电流小于额定电流，PTC处于常态，阻值很小，不会影响电子镇流器（节能灯、变压器、万用表）等被保护电路的正常工作。当电路电流大大超过额定电流时，PTC陡然发热，阻值骤增至高阻态，从而限制或阻断电流，保护电路不受损坏。电流电流回复正常后，PTC亦自动回复至低阻态，电路恢复正常工作。,（5）实例分析,特点：将高精度、高可靠的NTC热敏电阻器与PVC导线连接，用绝缘、导热、防水材料封装成所需要的形状，便于安装与远距离测控温。,广州日成高电子科技有限公司精密型NTC温度传感器,热电偶实例,要求掌握：接触电势和温差电势；热电偶冷端温度误差及其补偿；热敏电阻的基本参数；热敏电阻的测温电路；了解：热电偶测量电路；热敏电阻的结构与材料；热敏电阻的主要特性；热敏电阻的应用；,
