传感器原理及应用课件讲义.ppt

1、第一章传感器原理Principle of the Sensors 传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）本章要点本章要点 1、常用传感器的分类及其参数特点。、常用传感器的分类及其参数特点。2、温度传感器工作原理及其结构；、温度传感器工作原理及其结构；3、光敏传感器工作原理及其结构；、光敏传感器工作原理及其结构；4、压力传感器工作原理及其结构；、压力传感器工作原理及其结构；5、磁敏传感器工作原理及其结构；、磁敏传感器工作原理及其结构；6、气敏传感器工作原理及其结构；、气敏传感器工作原理及其结构；7、湿度传感器工作原理及其结构；、湿度传感器工作原理及其结构；传感器原理与应用（

2、传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.1.1、常用传感器类型：常用传感器类型：1、温度传感器：、温度传感器：热电阻、热敏电阻、热电偶、热电阻、热敏电阻、热电偶、PN结型温结型温度传感器、集成温度传感器等。度传感器、集成温度传感器等。2、光敏传感器：光敏传感器：外光电效应器件、光电导器件、光生福外光电效应器件、光电导器件、光生福特效应器件、红外热释电器件、固态图像特效应器件、红外热释电器件、固态图像传感器、光纤传感器等。传感器、光纤传感器等。传感器分类第一章第一章 传感器原理传感器原理 1.1 1.1 物联网技术中常用传感器分类物联网技术中常用传感器分类传感器原理与应用（传感器原理与应用

3、（2013物联网）物联网）1.1.1、常用传感器类型：常用传感器类型：3、力、力/压力传感器：压力传感器：电阻应变计、压电式力传感器、型变式力电阻应变计、压电式力传感器、型变式力传感器等。传感器等。4、磁敏传感器：磁敏传感器：霍尔元件、结型磁敏器件、霍尔元件、结型磁敏器件、铁磁性金属薄铁磁性金属薄膜磁阻元件及新型磁传感器。膜磁阻元件及新型磁传感器。传感器分类第一章第一章 传感器原理传感器原理 1.1 1.1 物联网技术中常用传感器分类物联网技术中常用传感器分类传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.1.1、常用传感器类型：常用传感器类型：5、气体传感器：、气体传感器：表

4、面电阻控制型气体传感器、体电阻控制型气表面电阻控制型气体传感器、体电阻控制型气体传感器、二极管和体传感器、二极管和MOSFET气体传感器、固体气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器。电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器。6、湿度传感器：湿度传感器：电容式湿敏传感器、电阻式湿敏传感器电容式湿敏传感器、电阻式湿敏传感器。传感器分类第一章第一章 传感器原理传感器原理 1.1 1.1 物联网技术中常用传感器分类物联网技术中常用传感器分类传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.1.2、常用传感器输出电参数类型：常用传感器输出电参数类型：1、电阻型传感器：、电阻型

5、传感器：温度电阻、热敏电阻、光电阻、电阻应变计、温度电阻、热敏电阻、光电阻、电阻应变计、磁敏电阻、表面电阻控制型气体传感器、体电阻磁敏电阻、表面电阻控制型气体传感器、体电阻控制型气体传感器、湿敏电阻。控制型气体传感器、湿敏电阻。2、电压型传感器：电压型传感器：PN结温度传感器、集成温度传感器、压电效应结温度传感器、集成温度传感器、压电效应器件、热释电器件、固态图像传感器、霍尔器件器件、热释电器件、固态图像传感器、霍尔器件。传感器分类第一章第一章 传感器原理传感器原理 1.1 1.1 物联网技术中常用传感器分类物联网技术中常用传感器分类传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）

6、1.1.2、常用传感器输出电参数类型：常用传感器输出电参数类型：3、电流型传感器：、电流型传感器：电流型温度传感器电流型温度传感器AD590、MOSFET气体传气体传感器。感器。4、电容、电感型传感器：电容、电感型传感器：形变式压力传感器、电容式液面传感器等形变式压力传感器、电容式液面传感器等。传感器分类第一章第一章 传感器原理传感器原理 1.1 1.1 物联网技术中常用传感器分类物联网技术中常用传感器分类传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）定义：温度传感器是一种将定义：温度传感器是一种将温度变化温度变化转换为转换为电电学量学量变化的装置。变化的装置。用于检测温度和热量

7、，也叫做用于检测温度和热量，也叫做热电式传感器热电式传感器。温度是与生活、科研、生产温度是与生活、科研、生产密切相关密切相关的物理量。的物理量。如冰箱、空调、实验和生产环境等如冰箱、空调、实验和生产环境等 是应用是应用最广泛最广泛的一种传感器。的一种传感器。传感器原理1.2 1.2 温度传感器温度传感器传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2.11.2.1温度传感器参数分类温度传感器参数分类 将将温度温度T变化转换为变化转换为电阻值电阻值变化的元件，变化的元件，主要有主要有金属热电阻、半导体陶瓷热敏电阻金属热电阻、半导体陶瓷热敏电阻(NTC、PTC、CTR)、半导体热

8、电阻和高、半导体热电阻和高分子热敏电阻分子热敏电阻；将将温度温度变化变化-电势电势的传感器，主要有的传感器，主要有热热电偶电偶和和PN结式传感器结式传感器；传感器原理1.2 1.2 温度传感器温度传感器传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2.11.2.1温度传感器参数分类温度传感器参数分类 将将温度温度变化变化-电流变化电流变化的传感器，的传感器，集成集成温度传感器。温度传感器。将将热辐射热辐射-电学量电学量的器件，有的器件，有热释电探热释电探测器、红外探测器；测器、红外探测器；新型的有光纤温度传感器、液晶温度传感新型的有光纤温度传感器、液晶温度传感器、智能温度传感

9、器等等器、智能温度传感器等等传感器原理1.2 1.2 温度传感器温度传感器传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2.21.2.2 温度传感器原理分类温度传感器原理分类 v电阻型温度传感器v热电偶(thermocouple)v半导体PN结型温度传感器 (Semiconductor PN Junction)v其它温度传感器传感器原理1.2 1.2 温度传感器温度传感器传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2.31.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.1 热电阻热电阻 用感温材料把温度转化为电阻值的变用感温材料把温度转化为

10、电阻值的变化，主要有化，主要有金属热电阻、半导体热电阻金属热电阻、半导体热电阻和和半导体陶瓷电阻半导体陶瓷电阻，将阻值变化小的称将阻值变化小的称热电热电阻阻，将阻值变化大的称将阻值变化大的称热敏电阻热敏电阻。传感器原理1.2 1.2 温度传感器温度传感器传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.31.2.3电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.1 热电阻（金属热电阻）热电阻（金属热电阻）金属热电阻的特性金属热电阻的特性characteristic 大多数大多数金属导体的电阻随温度变化的特性方金属导体的电阻随温度变化

11、的特性方程如下程如下:（1-1）Rt 表示任意绝对温度时金属的电阻值表示任意绝对温度时金属的电阻值;R0 表示基准状态表示基准状态t0时的电阻值时的电阻值;a是热电阻的温度系数（是热电阻的温度系数（1/）,在一定的温度范围内，可近似地看成在一定的温度范围内，可近似地看成一个常数一个常数。传感器原理201200.1()tRaata tRa tt传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.1 热电阻热电阻 选作感温电阻的材料的要求选作感温电阻的材料的要求:电阻温度系数

12、要高电阻温度系数要高;high R 在测温范围内化学、物理性能稳定在测温范围内化学、物理性能稳定;具有良好的输出特性具有良好的输出特性;具有比较高的电阻率具有比较高的电阻率;higher 具有良好的可加工性具有良好的可加工性,且价格便宜。且价格便宜。Easy machining,cheaper 传感器原理传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.1 热电阻热电阻 A.A.铂热电阻铂热电阻(platinum T.R.)物理、化学性能稳定，是热电阻最佳材料，铂丝物理

13、、化学性能稳定，是热电阻最佳材料，铂丝的电阻值与温度之间的关系：在的电阻值与温度之间的关系：在-190-19000范围范围内为内为:（1-2）传感器原理)100(1 320ttCBtAtRRt传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.1 热电阻热电阻 A.A.铂热电阻铂热电阻(platinum T.R.)在在0630.755范围内为范围内为:（1-3）Rt、R0分别是温度为分别是温度为t和和t0 时时的电阻值，的电阻值，A，B，C是常数。是常数。)1(20BtA

14、tRRt传感器原理3.53.02.52.01.51.00.50-2000200400600电阻比Rt/R0镍(Ni)铜(Cu)铂(Pt)温 度(0C)传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.1 热电阻热电阻 A.A.铂热电阻铂热电阻(platinum T.R.)铂电阻铂电阻重现性最好重现性最好、稳定性最好，常作为稳定性最好，常作为标标准电阻温度计。准电阻温度计。用于高精度工业测量、温度的基准。用于高精度工业测量、温度的基准。一般测量精度较小时采用铜电阻。一般测

15、量精度较小时采用铜电阻。传感器原理传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.1 热电阻热电阻 B B、铜热电阻铜热电阻 （copper T.R.）铜丝在铜丝在-50150内性能很稳定，且电阻与内性能很稳定，且电阻与温度的关系接近线性。表示为：温度的关系接近线性。表示为：（1-4）其中在其中在-5050内为线性变化，可表示：内为线性变化，可表示：（1-5）2301tRRAtBtCt传感器原理001()tRRa tt传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网

16、）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.1 热电阻热电阻 B B、铜热电阻铜热电阻 （copper T.R.）铜丝在铜丝在-50150内性能很稳定，且电阻与内性能很稳定，且电阻与温度的关系接近线性。表示为：温度的关系接近线性。表示为：（1-4）其中在其中在-5050内为线性变化，可表示：内为线性变化，可表示：（1-5）2301tRRAtBtCt传感器原理001()tRRa tt传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传

17、感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.1 热电阻热电阻 C、热电阻的结构热电阻的结构 将电阻丝将电阻丝双线绕双线绕在云母、石英、陶瓷、塑料在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘架上，固定后外面再加上保护套管。等绝缘架上，固定后外面再加上保护套管。传感器原理传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.2 热敏电阻热敏电阻 电阻值对温度变化明显（电阻值对温度变化明显（high），温度系），温度系数比金属的大很多的电阻。数比金属的大很多的电阻。材料：以金属氧化物为基体、加入

18、特定添加剂。材料：以金属氧化物为基体、加入特定添加剂。用陶瓷工艺制成，称半导体陶瓷。用陶瓷工艺制成，称半导体陶瓷。（钛酸钡（钛酸钡 BaTiO3 等等）传感器原理传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.2 热敏电阻热敏电阻 一、热敏电阻根据其温度特性分为三种：一、热敏电阻根据其温度特性分为三种：A、电阻值随温度升高而增加的称为（电阻值随温度升高而增加的称为（Positive Temperature Coefficient）正温度系数（正温度系数（PTC）热敏电

19、阻。）热敏电阻。B、电阻值随温度升高而减小的称为（、电阻值随温度升高而减小的称为（Negative Temperature Coefficient）负温度系数（负温度系数（NTC）热敏电阻）热敏电阻 C、电阻值在特定温度范围内、电阻值在特定温度范围内急剧急剧变化的电阻称为（变化的电阻称为（Critical Temperature Resistor）临界温度（临界温度（CTR）热敏电阻。）热敏电阻。传感器原理传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.2 热敏电阻热

20、敏电阻 二、热敏电阻特性参数：二、热敏电阻特性参数：A、标称电阻值（标称电阻值（R25）：）：环境温度环境温度25时的时的零零功率功率状态的阻值。其大小取决于电阻的材料和状态的阻值。其大小取决于电阻的材料和几何尺寸。若在几何尺寸。若在2527则：则：（1-6）传感器原理25251(25)tRRt传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.2 热敏电阻热敏电阻 二、热敏电阻特性参数：二、热敏电阻特性参数：B、电阻温度系数电阻温度系数(T)：指在规定的温度下单位温度变

21、指在规定的温度下单位温度变化使阻值变化的相对值。化使阻值变化的相对值。（1-7）T决定了热敏电阻全部工作范围内对温度的灵敏度，决定了热敏电阻全部工作范围内对温度的灵敏度，%/。传感器原理1100%TTTdRRdT传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.2 热敏电阻热敏电阻 二、热敏电阻特性参数：二、热敏电阻特性参数：C、时间常数、时间常数()：表征电阻的热惯性，表征电阻的热惯性，其值其值等于在零等于在零功率测量状态下，当环境温度突变时阻值从起始值变化功率测量状

22、态下，当环境温度突变时阻值从起始值变化到最终变化量的到最终变化量的63%时所需的时间。时所需的时间。D、额定功率（、额定功率（PE）：）：在标准压力在标准压力750mmHg和规定的和规定的最高温度下，电阻长期连续工作所允许的最大耗散功率。最高温度下，电阻长期连续工作所允许的最大耗散功率。实际使用中所消耗的功率不得超过实际使用中所消耗的功率不得超过PE。传感器原理传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.2 热敏电阻热敏电阻 三、热敏电阻特点：三、热敏电阻特点：A

23、、PTCPTC热敏电阻热敏电阻 正温度系数热敏电阻，阻值随温度升高增大。正温度系数热敏电阻，阻值随温度升高增大。传感器原理1.1.电阻温度特性电阻温度特性曲线曲线中阻值随温度变化很陡，中阻值随温度变化很陡，称为称为突变型（开关型）突变型（开关型）曲线曲线阻值随温度变化缓慢，阻值随温度变化缓慢，称为称为缓变缓变PTC热敏电阻。热敏电阻。传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.2 热敏电阻热敏电阻 三、热敏电阻特点：三、热敏电阻特点：A、PTCPTC热敏电阻热敏电

24、阻 突变型突变型PTCPTC的的R R与与T T关系关系：（1-81-8）R R0 0 为标称温度下的阻值，为标称温度下的阻值，A A为材料常数。为材料常数。（1-91-9）)exp(0ATRRT传感器原理%1001AdTdRRTTT传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.2 热敏电阻热敏电阻 三、热敏电阻特点：三、热敏电阻特点：A、PTCPTC热敏电阻热敏电阻 缓变型缓变型PTCPTC热敏电阻热敏电阻 R RT T与温度的关系近似为线性，即：与温度的关系近似

25、为线性，即：（1-101-10）缓变型缓变型PTCPTC的的T T随温度而变化，适于温度补偿。随温度而变化，适于温度补偿。（1-11）BTART传感器原理%100BTABT传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器电阻型温度传感器原理原理 1.2.3.2 热敏电阻热敏电阻 三、热敏电阻特点：三、热敏电阻特点：A、PTCPTC热敏电阻热敏电阻 PTCPTC的静态伏安特性曲线的静态伏安特性曲线 传感器原理 静态伏安特性静态伏安特性是指在一定温度下，于静止是指在一定温度下，于静止的空气中的空气中PTCPT

26、C两端的电压降与电阻稳态电流之两端的电压降与电阻稳态电流之间的关系，曲线可分为间的关系，曲线可分为ABAB、BCBC、CDCD三段。三段。传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.2 热敏电阻热敏电阻 三、热敏电阻特点：三、热敏电阻特点：B、NTCNTC热敏电阻特性热敏电阻特性 阻值近似为：阻值近似为：（1-12）1 10 07 71 10 06 61 10 05 51 10 04 41 10 03 31 10 02 21 10 01 10 01 10 00 0

27、比比电电阻阻P P(c cm m)温温度度()2 20 00 0P PT TC CN NT TC CC CT TR R传感器原理TBRRTexp0传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原电阻型温度传感器原理理 1.2.3.2 热敏电阻热敏电阻 三、热敏电阻特点：三、热敏电阻特点：B、NTCNTC热敏电阻特性热敏电阻特性 电阻温度系数为电阻温度系数为 （1-13）T并非常数，随并非常数，随T升高而升高而迅速减小。迅速减小。可用于温度检测、温度补可用于温度检测、温度补偿、控温等各种电路。偿、控温等各

28、种电路。1 10 07 71 10 06 61 10 05 51 10 04 41 10 03 31 10 02 21 10 01 10 01 10 00 0比比电电阻阻P P(c cm m)温温度度()2 20 00 0P PT TC CN NT TC CC CT TR R传感器原理21TBdTdRRTTT传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.2 热敏电阻热敏电阻 三、热敏电阻特点：三、热敏电阻特点：B、NTCNTC热敏电阻特性热敏电阻特性 NTCNTC静

29、态伏安特性曲线静态伏安特性曲线 T T0 0时给时给NTCNTC上通电流上通电流I I，则，则电阻两端的电压电阻两端的电压U UT T为：为：（1-141-14）传感器原理TTBIRIRUTT00exp传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.2 热敏电阻热敏电阻 三、热敏电阻特点：三、热敏电阻特点：C、CTRCTR热敏电阻特性热敏电阻特性 负温临界热敏电阻负温临界热敏电阻是指在是指在某一温度某一温度附近阻附近阻值发生突变，几度的狭小温区内值发生突变，几度的狭小

30、温区内T T增加阻值降低增加阻值降低3 34 4个数量级的元件。阻值的突变点为个数量级的元件。阻值的突变点为临界温临界温度点度点。传感器原理传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.2 热敏电阻热敏电阻 三、热敏电阻特点：三、热敏电阻特点：C、CTRCTR热敏电阻特性热敏电阻特性 对应的宏观对应的宏观开关温度（开关温度（Tc）定义为：电阻定义为：电阻值下降到值下降到某一规定值某一规定值（标称电阻的（标称电阻的80）时所）时所对应的温度。对应的温度。传感器原理传感

31、器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.2 热敏电阻热敏电阻 三、热敏电阻特点：三、热敏电阻特点：C、CTRCTR热敏电阻特性热敏电阻特性 该规定值称该规定值称开关电阻开关电阻（RcRc），），可按曲线求出切可按曲线求出切线在高阻端的交点线在高阻端的交点R Rh h和切线和切线在低阻端的交点在低阻端的交点R Rl l，求出，求出RcRc为：为：（1-151-15）2/1)(lhcRRR传感器原理0 01 10 00 02 20 00 03 30 00 01 10

32、00 01 10 01 11 10 02 21 10 03 31 10 04 41 10 05 5V V5 59 9P P2 24 4B Ba a 1 17 7R Rh h l lg gR Rh h-l lg gR Rl l0 0.5 5R Rl l(R Rc c,T Tc c)R Rc c=(R Rh hR Rl l)温温度度T T()电电阻阻R R()传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.2 热敏电阻热敏电阻 三、热敏电阻特点：三、热敏电阻特点：C、CT

33、RCTR热敏电阻特性热敏电阻特性 降值比降值比描述阻值下降的快慢，即标称电阻描述阻值下降的快慢，即标称电阻R25与最与最小电阻比值小电阻比值Rmin的对数，即的对数，即 （1-161-16）降值比越大，开关特性越好。降值比越大，开关特性越好。由于由于CTR电阻具有很大的负温度系数，可用作控温、电阻具有很大的负温度系数，可用作控温、报警、无触点开关等场合。报警、无触点开关等场合。传感器原理min25lgRR传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.2 热敏电阻热敏

34、电阻 四、热敏电阻结构：四、热敏电阻结构：传感器原理传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.3 半导体电阻温度传感器（半导体电阻温度传感器（Semiconductor T.R.）利用半导体材料利用半导体材料电阻率电阻率随随温度变化温度变化的特性制的特性制成温度传感器。成温度传感器。一、工作原理一、工作原理 半导体材料的电阻率：半导体材料的电阻率：（1-17）其电阻率其电阻率主要决定于主要决定于载流子载流子(电子或空穴电子或空穴)浓度和迁移率。根据半导体相关理论

35、证明二者浓度和迁移率。根据半导体相关理论证明二者都都与温度密切相关与温度密切相关。传感器原理pnpqnq1传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.3 半导体电阻温度传感器（半导体电阻温度传感器（Semiconductor T.R.）一、工作原理一、工作原理 本征半导体的本征半导体的主要由本征载流子浓度主要由本征载流子浓度ni 决定。决定。ni 随温度上升而急剧增加。随温度上升而急剧增加。随温度增加而随温度增加而单调地单调地下降下降，这是半导体材料区别于金属的一

36、个重要特征。，这是半导体材料区别于金属的一个重要特征。传感器原理传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.3 半导体电阻温度传感器（半导体电阻温度传感器（Semiconductor T.R.）二、半导体电阻温度传感器结构二、半导体电阻温度传感器结构 常用的半导体温度电阻有两种结构形式：常用的半导体温度电阻有两种结构形式：一是一是棒状棒状 R（图（图a、b），二是），二是扩散电阻型扩散电阻型 R（图（图c）。）。传感器原理传感器原理与应用（传感器原理与应用（201

37、3物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.3 半导体电阻温度传感器（半导体电阻温度传感器（Semiconductor T.R.）三、半导体电阻温度传感器制造流程三、半导体电阻温度传感器制造流程 传感器原理传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.3 半导体电阻温度传感器（半导体电阻温度传感器（Semiconductor T.R.）四、半导体电阻温度传感器温度特性四、半导体

38、电阻温度传感器温度特性 当硅电阻温度传感器处于当硅电阻温度传感器处于正向偏置正向偏置时，在时，在55175内，内，电阻值电阻值随随温度温度的升高而增大，具的升高而增大，具有较好的线性度。有较好的线性度。如果硅热电阻处于如果硅热电阻处于反向偏置反向偏置，当温度上升到当温度上升到120以上时，开始本征激发，产生大量的电子以上时，开始本征激发，产生大量的电子-空穴对，使电阻值突然下降空穴对，使电阻值突然下降。传感器原理传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.3 半导

39、体电阻温度传感器（半导体电阻温度传感器（Semiconductor T.R.）四、半导体电阻温度传感器温度特性四、半导体电阻温度传感器温度特性 传感器原理-5005010015020050010001500200025003000反向特性0电阻值（）温度（）传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.3 半导体电阻温度传感器（半导体电阻温度传感器（Semiconductor T.R.）四、半导体电阻温度传感器温度特性四、半导体电阻温度传感器温度特性 硅电阻温度系数

40、硅电阻温度系数T：（1-18）)%(%1002525TRRInTT传感器原理传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.3 1.2.3 电阻型温度传感器原理电阻型温度传感器原理 1.2.3.3 半导体电阻温度传感器（半导体电阻温度传感器（Semiconductor T.R.）四、半导体电阻温度传感器温度特性四、半导体电阻温度传感器温度特性 硅电阻温度与电流的关系硅电阻温度与电流的关系 传感器原理 不同的温度下不同的温度下，当电流超过当电流超过1mA时，时，电阻就会增大电阻就会增大，是因，是因电流的自身热效应电流的自身热效应使电阻增大

41、。使电阻增大。因此，工作电流因此，工作电流 小于小于1mA为宜为宜。传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.4 1.2.4 热电偶温度传感器热电偶温度传感器（thermocouple）原理原理 1.2.4.1 热电偶的基本原理 一、热电效应一、热电效应:用两种不同的金属组成闭合回用两种不同的金属组成闭合回路，且使其两接触点处温度不同，回路中就会产路，且使其两接触点处温度不同，回路中就会产生电流，把这个物理现象亦称为生电流，把这个物理现象亦称为塞贝克效应。塞贝克效应。传感器原理uAT0ABTA A 原理图原理图:将导体将导体A和和

42、B两端两端连接在一起组成回路，一端为连接在一起组成回路，一端为T0，一端为一端为T（若（若TT0），则微安表），则微安表上会有一定读数。上会有一定读数。传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.4 1.2.4 热电偶温度传感器热电偶温度传感器（thermocouple）原理原理 1.2.4.1 热电偶的基本原理 一、热电效应一、热电效应:用两种不同的金属组成闭合回用两种不同的金属组成闭合回路，且使其两接触点处温度不同，回路中就会产路，且使其两接触点处温度不同，回路中就会产生电流，把这个物理现象亦称为生电流，把这个物理现象亦称为塞贝

43、克效应。塞贝克效应。传感器原理 若将若将T0触点分开，则端口产触点分开，则端口产生与生与T、T0及导体材料及导体材料A、B有关有关的电势的电势EAB(T,T0)，即，即塞贝克电塞贝克电势。势。T0T0EAB(T,T0)T传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.4 1.2.4 热电偶温度传感器热电偶温度传感器（thermocouple）原理原理 1.2.4.1 热电偶的基本原理 二、赛贝克效应原理二、赛贝克效应原理:赛贝克电势可以表示为：赛贝克电势可以表示为：（1-19）式中式中TAB为热电势率或塞贝克系数，其值与为热电势率或塞贝

44、克系数，其值与感热材料和感热材料和两接点的温度两接点的温度有关。有关。传感器原理)()(),(000TETEdTaTTEABABTTABABT传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.4 1.2.4 热电偶温度传感器热电偶温度传感器（thermocouple）原理原理 1.2.4.1 热电偶的基本原理 二、赛贝克效应原理二、赛贝克效应原理:研究发现赛贝克效应由两种效应有关：研究发现赛贝克效应由两种效应有关：传感器原理热电效应热电效应帕尔帖效应帕尔帖效应汤姆逊效应汤姆逊效应Thermal electric effect传感器原理与应

45、用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.4 1.2.4 热电偶温度传感器热电偶温度传感器（thermocouple）原理原理 1.2.4.1 热电偶的基本原理 二、赛贝克效应原理二、赛贝克效应原理:A、珀尔帖电势、珀尔帖电势 将两种金属在同温度接触，设将两种金属在同温度接触，设A中自由电子的密度比中自由电子的密度比B的大，在界面处自由电子将从的大，在界面处自由电子将从A扩散到扩散到B，则，则A失去电子失去电子带正电带正电，B得到电子得到电子带负电带负电，在接触处形成自建电场，使，在接触处形成自建电场，使电子由电子由B向向A漂移，当漂移，当扩散

46、与漂移达到平衡时，扩散与漂移达到平衡时，在接触面附在接触面附近产生一个稳定的电动势称为近产生一个稳定的电动势称为珀尔帖电势珀尔帖电势，又称又称接触电势。接触电势。传感器原理A AB BE E传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.4 1.2.4 热电偶温度传感器热电偶温度传感器（thermocouple）原理原理 1.2.4.1 热电偶的基本原理 二、赛贝克效应原理二、赛贝克效应原理:A、珀尔帖电势、珀尔帖电势 珀尔帖电势可表示为：珀尔帖电势可表示为：（1-19）式中式中k0为波尔兹曼常数；为波尔兹曼常数；q为电子电量；为电子电

47、量；nA、nB分别分别为为A和和B的的T时自由电子密度。时自由电子密度。传感器原理）（）（TnTnqTkTEBAABln)(0传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.4 1.2.4 热电偶温度传感器热电偶温度传感器（thermocouple）原理原理 1.2.4.1 热电偶的基本原理 二、赛贝克效应原理二、赛贝克效应原理:B、汤姆逊电势、汤姆逊电势 均质导体棒均质导体棒两端两端的温度不同，则高、低温端存在的温度不同，则高、低温端存在温度温度梯度梯度，高温端（高温端（T）的自由电子具有较高的动能而向低温）的自由电子具有较高的动能而

48、向低温端（端（T0）扩散快，）扩散快，T端失去电子带正电，端失去电子带正电，T0端得到电子带负端得到电子带负电，形成电，形成内建电场内建电场，电场使电子由低温端向高温端漂移，电场使电子由低温端向高温端漂移，当扩散与漂移达到平衡时，当扩散与漂移达到平衡时，T与与T0端产生一稳定的电势差端产生一稳定的电势差称为称为汤姆逊电势汤姆逊电势或或温差电势温差电势。传感器原理传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.4 1.2.4 热电偶温度传感器热电偶温度传感器（thermocouple）原理原理 1.2.4.1 热电偶的基本原理 二、赛贝克

49、效应原理二、赛贝克效应原理:B、汤姆逊电势、汤姆逊电势 汤姆逊电势可表示为：汤姆逊电势可表示为：（1-20）式中式中A称为称为汤姆逊系数汤姆逊系数，表示温差，表示温差1时所产时所产生的电势差。生的电势差。传感器原理TTAAdTTTE0),(0传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.4 1.2.4 热电偶温度传感器热电偶温度传感器（thermocouple）原理原理 1.2.4.1 热电偶的基本原理 二、赛贝克效应原理二、赛贝克效应原理:C、回路总电势、回路总电势 （1-21）式中式中EAB(T)为热端的热电势为热端的热电势,EA

50、B(T0)为冷端的为冷端的热电势。热电势。TTABBABAABdTTnTnqTkTnTnqTkTTE0)()()(ln)()(ln),(000000传感器原理)()(0TETEABAB传感器原理与应用（传感器原理与应用（2013物联网）物联网）1.2 1.2 温度传感器温度传感器 1.2.4 1.2.4 热电偶温度传感器热电偶温度传感器（thermocouple）原理原理 1.2.4.1 热电偶的基本原理 二、赛贝克效应原理二、赛贝克效应原理:D、热电偶特点：、热电偶特点：两点温度相同时两点温度相同时珀尔帖电势珀尔帖电势大小相等方向相大小相等方向相反，汤姆逊电势为零，反，汤姆逊电势为零，EAB