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1、第8章 半导体传感器,8.1 半导体温度传感器8.2 半导体湿度传感器 8.3 半导体气体传感器 8.4 半导体磁敏传感器,温度传感器的种类,温度传感器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、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。,1常用热电阻 范围：-260850；精度：0.001。改进后可连续工作2000h，失效率小于1，使用期为10年。2管缆热电阻 测温范围为-20500，最高上限为1000，精度为0.5级。,接触式温度传感器,3陶瓷热电阻 测量范围为200+500，精度为0.3、0.15级。4超低
2、温热电阻两种碳电阻，可分别测量268.8253-272.9272.99的温度。5热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。,接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。,l辐射高温计 用来测量 1000以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2光谱高温计 前苏联研制的YCII型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为4006000,它是采用电子化自动跟踪系统,保
3、证有足够准确的精度进行自动测量。,非接触式温度传感器,3超声波温度传感器 特点是响应快(约为10ms左右)，方向性强。目前国外有可测到5000 的产品。4激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为1。美国麻省理工学院研制的一种激光温度计，最高温度可达8000，专门用于核聚变研究。瑞士Browa Borer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)的高温。,非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度
4、场；连续测量不会产生消耗；反应快等。,8.1 半导体温度传感器,8.1.1 接触型半导体传感器,热电阻传感器有两大类：、金属热电阻俗称热电阻（热电阻传感器）；、半导体热电阻俗称热敏电阻（热敏电阻传感器）基于热电阻效应：电阻率随温度变化发生改变的现象,电阻与温度的关系大多数金属导体的电阻随温度而变化的关系可由下式表示 Rt=R01+（t-t0）,1.热电阻传感器,对热电阻材料的要求：,电阻温度系数要尽可能大，且稳定；电阻率要高；比热小，亦即热惯性小；电阻值随温度变化关系最好是线性关系；在较宽的测量范围内具有稳定的物理化学性质；良好的工艺性，即特性的复现性好，便于批量生产。,热电阻传感器由热电阻丝
5、、绝缘骨架、引出线组成。其中电阻丝是热电阻的主体。目前最广泛使用的热电阻材料是铜热电阻和铂热电阻。,1、铂热电阻：型号为WZB，分度号为BA1 R046和BA2 R0100。,2、铜热电阻：型号为WZG，分度号为G，R033 RtR01AtBt2Ct3 其优点：输出输入特性近似线性；工艺性好，价格便宜。其缺点：电阻率小，仅为铂的16，故体积大，热惯性大。当温度高于1000C时，易氧化、测量范围小，不适于在 腐蚀性介质或高温下工作。,3、镍热电阻在-502000C范围内，镍的电阻与温度的关系一般可写成RtR01AtBt2,4、其他热电阻铟热电阻锰热电阻 碳热电阻 铁热电阻、镍热电阻,常用热电阻,
6、习题1,Pt100和Cu50各代表什么传感器？分别代表铂电阻热电式传感器（0度时电阻值为100），铜电阻热电式传感器(0摄氏度时电阻值为50).,2.半导体热敏电阻,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。工作原理一般用量子跃迁观点进行分析。由于热运动（譬如温度升高）,越来越多载流子克服禁带宽度（或电离能）引起导电,这种热跃迁使半导体载流子浓度和迁移率发生变化,根据电阻率公式可知元件电阻值发生变化。在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，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
7、电阻已逐渐取代传统的温度传感器。,(1)灵敏度高,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。其电阻温度系数要比金属大10100倍以上,能检测出10-6温度变化。(2)小型,材料加工容易、性能好，最小的珠状热敏电阻可做到直径为0.2mm,能够测出一般温度计无法测量的空隙、腔体、内孔、生物体血管等处的温度。(3)使用方便,电阻值可在0.1100k之间任意选择。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）半导体热敏电阻主要特点,(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
8、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。它的主要材料是是由在BaTiO3和SrTiO3为主的成分中加入少量Y2O3和Mn2O3构成的烧结体。其特性曲线是随温度升高而阻值增大,其色标标记为红色。开关型正温度系数
9、热敏电阻在居里点附近阻值发生突变,有斜率最大的区段,通过成分配比和添加剂的改变,可使其斜率最大的区段处在不同的温度范围里,例如加入适量铅其居里温度升高;若将铅换成锶,其居里温度下降。,（二）热敏电阻的分类,图8.1 半导体热敏电阻的温度特性,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。它的材料主要由Mn、Co、Ni、Fe等金属的氧化物烧结而成,通过不同材质组合,能得到不同的电阻值R0及不同的温度特性。负温度系数（NTC）型半导体热敏电阻研究最早,生产最成熟,是应用最广泛的热敏电阻之一,特别适合于-100300C之间的温度测量,其色标标记为绿色。,图
10、8.1 半导体热敏电阻的温度特性,3突变型负温度系数热敏电阻器（CTR）如果用V、Ge、W、P等的氧化物在弱还原气氛中形成半玻璃状烧结体,还可以制成临界型（CTR）热敏电阻,它是负温度系数型,在某特定温度范围内随温度升高而急剧下降，最高可降低34个数量级，即具有很大负温度系数。即在某个温度范围里阻值,曲线斜率在此区段特别陡峭,灵敏度极高,其色标标记为白色。此特性可用于自动控温和报警电路中。,图8.1 半导体热敏电阻的温度特性,热敏电阻材料的分类,热敏电阻材料的分类（2）,标称阻值RH 在环境温度为(250.2)时测得的阻值,也称冷电阻,单位为。电阻温度系数t 热敏电阻的温度每变化1时,阻值的相
11、对变化率,单位为%/。如不作特别说明,是指20时的温度系数。,(8.1),式中,R为温度为T(K)时的阻值。,（三）热敏电阻的主要参数,材料常数B 是表征负温度系数(NTC)热敏电阻器材料的物理特性常数。B值决定于材料的激活能E，具有B=E2k的函数关系，式中k为波尔兹曼常数。一般B值越大，则电阻值越大，绝对灵敏度越高。在工作温度范围内，B值并不是一个常数，而是随温度的升高略有增加的。如果被测温度比较低,而且不需要很高的精度时,一般把B看成一个常数,求出温度或热敏电阻的阻值。,图8.2 B常数的温度特性,T/C,散热系数H 它是指热敏电阻自身发热使其温度比环境温度高出1所需的功率,单位为W/或
12、mW/。在工作范围内，当环境温度变化时，H值随之变化，它取决于热敏电阻的形状、封装形式以及周围介质的种类。,时间常数 它是指热敏电阻从温度为T0的介质中突然移入温度为T的介质中（环境温度阶跃变化）,热敏电阻的温度升高T=0.63(T-T0)所需的时间,单位为s。它表征热敏电阻加热或冷却的速度。一般在1-50秒之间.它与热容量C和耗散系数H之间的关系最高工作温度Tm 它是指热敏电阻长期连续工作所允许的最高温度,在该温度下,热敏电阻性能参数的变化应符合技术条件的规定。,T0环境温度；PE环境温度为T0时的额定功率；H散热系数,（四）热敏电阻器主要特性,1.热敏电阻器的电阻温度特性（RTT）,1,2
13、,3,4,铂丝,40,60,120,160,0,100,101,102,103,104,105,RT/,温度T/C,TT与RTT特性曲线一致。,热敏电阻的电阻-温度特性曲线1-NTC；2-CTR；3-4 PTC,RT、RT0温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值 B NTC热敏电阻的材料常数。对上式微分后,再除以RT,可得NTC的温度系数,负电阻温度系数(NTC)热敏电阻器的温度特性,NTC的电阻温度关系的一般数学表达式为：,可见,温度系数是温度的非线性函数。随温度减小而增大,所以低温时热敏电阻温度系数大,所以灵敏度高,故热敏电阻常用于低温（-100300C）测量。由测试结果表明，不管是由氧化物材
14、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。,材料的不同或配方的比例和方法不同，则B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。,105,104,103,102,0,-10,10,30,50,70,85,100,120,T/C(1/T),电阻/(lnRT),NTC热敏电阻器的电阻-温度曲线,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B，通过点(1/T，lnRT0)的一条直线，如图。,2.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
15、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,10000,1000,100,10,0,50,100,150,200,250,R20=120,R20=36.5,R20=12.2,PTC热敏电阻器的电阻温度曲线,T/C,电阻/,Tp1,Tp2,Tc=175 C,PTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，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
16、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：,）,可见正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数tp，正好等于它的材料常数BP的值。,lnRr1,lnRr2,BP,mR,BP=tg=mR/mr,T1,T2,lnRr0,mr,lnRT-T 表示的PTC热敏电阻器电阻温度曲线,lnRr,T,若对上式微分，可得PTC热敏电阻的电阻温度系数tp,以lnRT、T分别作为纵坐标和横坐标，便得到下图。,（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
17、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：,oa段：为线性段，表示在低电流下,热敏电阻呈线性电阻性质，电压降和电流成正比。这一区域适合温度测量，a点是没有自热时的最大电流值。ab段：随电流增加,电压上升变缓,曲线呈非线性,这一工作区是非线性正阻区。bc段：当电流超过一定值以后,曲线向下弯曲出现负阻特性,称为负阻区。表示有较大自热时，电流引起热敏电阻自身发热升温，阻值减小，电阻的压降随电流的增加而减小。尤其是阻值大的热
18、敏电阻。b点处自热增量为零，自热温度等于环境温度。d点：是空气中最大安全电流工作点。电流过大，超过电阻的允许功率。,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。,PTC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）热敏电阻器的安时特性（UI）
19、流过热敏电阻的电流与时间的关系,称为安时特性,如图8.4所示。它表示热敏电阻在不同电压下,电流达到稳定最大值所需要的时间。对于一般结构的热敏电阻,其值均在0.5-1s之间。,图8.4 热敏电阻的安时特性,目前半导体热敏电阻还存在一定缺陷,主要是互换性和稳定性还不够理想,虽然近几年有明显改善,但仍比不上金属热电阻,其次是它的非线性严重,且不能在高温下使用,因而限制了其应用领域。,（四）热敏电阻器主要缺点,热敏电阻测温的基本电路 为了取得热敏电阻的阻值和温度成比例的电信号,需要考虑它的直线性和自身加热问题。图8.5表示热敏电阻的基本联接电路。对于负温度系数的热敏电阻(NTC型)当温度上升时,热敏电
20、阻的阻值变小,输出电压Uout上升。在0100C温度范围内有如下关系:,(8.7),（五）热敏电阻温度传感器,图8.5热敏电阻的基本连接法,从公式(8.3)可知,温度和热敏电阻的阻值之间有非线性特性。,为了在较宽的范围内实现线性化,可采用模拟电路参数设定法:把热敏电阻传感器接入图8.8所示电路中的RT位置上,则电路输出电压为,将（8.3）式代入上式得,图8.8 测量电路原理图,联立以上各式及（8.3）式(（改写为,可见，温度与输出电压之间是非线性的，可用对数电路和除法器串联电路实现线性化输出，如图8.9所示。图中各点电压之间的关系：,解得,图8.9 线性化电路,在设计电路参数时,若选择,可使上
21、式分母中前三项的代数和等于零,则有,即得到了输出电压Uo与被测温度T成线性的关系式。,图8.9 线性化电路,利用两个热敏电阻,求出其温度差的电路 在温度测量中,测量温度的绝对值一般能测量到0.1C左右的精度,要测到0.01C的高精度是很困难的。但是,如果在具有两个热敏电阻的桥式电路中,在同一温度下,调整电桥平衡,当两个热敏电阻所处环境温度不同,测量温度差时,精度可以大大提高。图8.10示出这种求温度差的电路图。图（a）电路的测温范围较小,而且两个热敏电阻的B常数应该一致,但灵敏度高;图（b）电路的测温范围较大,而且对B常数一致性的要求也不严格,因为它们可以用Rs来适当调整。,图8.10 求温度
22、差的桥式电路,利用半导体二极管、晶体管、可控硅等的伏安特性与温度的关系可做出温敏器件。它与热敏电阻一样具有体积小、反应快的优点。此外,线性较好且价格低廉,在不少仪表里用来进行温度补偿。特别适合对电子仪器或家用电器的过热保护,也常用于简单的温度显示和控制。不过由于PN结受耐热性能和特性范围的限制,只能用来测量150C以下的温度。PN结温度传感器的种类 种类：温敏二极管；温敏三极管 温控晶闸管。分立元件型PN结温度传感器也存在互换性和稳定性不够理想的缺点，集成化PN结温度传感器则把感温部分、放大部分和补偿部分封装在同一管壳里，性能比较一致而且使用方便。,2.PN结型热敏器件,原理：恒流条件下，二极
23、管电压与温度呈线性关系根据半导体器件原理,流经晶体二极管PN结的正向电流ID与PN结上的正向压降UD有如下关系,（8.10）,1)晶体二极管PN结热敏器件,式中,q为电子电荷量,k为玻耳兹曼常数,T为绝对温度,Is为反向饱和电流。它可写为,(8.11),qUg0为半导体材料的禁带宽度;B和为两个常数,其数值与器件的结构和工艺有关。将(8.10)式取对数并考虑到(8.11)式,得,对上式两边取导数,得到PN结正向压降对温度的变化率为,从以上二式得到温度灵敏度为,(8.12),k=8.6310-5eV/K，当半导体材料选定为硅，则Ugo=1.172V，设UD=0.65V，T=300K，=3.5，则
24、得,即此条件下，温度每升高1，PN结正向电压下降2mV,硅二极管正向电压的温度特性如图8.11所示。显而易见,在40300K之间有良好的线性。当正向电流一定时,二极管的种类不同,其温度特性也不同,正向电流变化时,温度特性也随之变化。,图8.11 硅二极管正向电压的温度特性,温度特性,如图8.12所示。利用二极管VD、R1、R2、R3和RW组成一电桥电路,再用运算放大器把电桥输出电信号放大并起到阻抗变换作用,可提高信号的质量。,图8.12 二极管测温电路,二极管测温电路,原理：根据晶体管原理,处于正向工作状态的晶体三极管,其发射极电流和发射结电压能很好地符合下面关系,式中,IE为发射极电流,UB
25、E为发射结压降,Ise为发射结的反向饱和电流。因为在室温时,kT/q=36mV左右,因此,在一般发射结正向偏置的条件下,都能满足UBEkT/q的条件,这时上式可以近似为,（8.13）,2)晶体三极管温度传感器,对上式取对数,得,(8.14),(8.15),由上式可知,温度T与发射结压降UBE有对应关系,我们可根据这一关系通过测量UBE来测量温度T值,且在温度不太高的情况下,两者近似成线性关系,其灵敏度为,图8.13为硅半导体晶体管的基极发射极间电压UBE和集电极电流IC关系的温度特性。UBE具有大约-2.3mV/的温度系数，利用这一现象可以制成高精度、超小型的温度传感器，测温范围为-50-20
26、0 左右。,图8.13 UBE与IC的温度特性,温度特性,图8.14 晶体管体温计原理图及测温输出特性,图8.14为晶体管温度传感器用作电子体温计的原理图及其输出特性。在050C的范围内,输出电压变化为0-1V,测温精度不低于0.05C。,实用举例,结型热敏器件另一种类型是利用可控硅元件的热开关特性制成的可控硅热敏开关,是一种无触点热开关元件。当元件处于关态时,流过阳极与阴极之间的电流ID为,式中,IG为流过阳极与栅极电阻的旁路选通电流;a1为空穴电流增长率，a2为电子电流增长率，IC0为集电极截止电流。,3)可控硅热敏开关,当截止电压一定时,随温度的上升,热激电子空穴对成指数增加,使IC0增
27、大,a1和a2也增大。当温度达到一定值,使a1+a2=1时,元件即由截止状态转换为导通状态。,可控硅热敏开关元件具有温度传感和开关两种特性,开关温度可通过调整栅极电阻上的外加电压进行控制,导通状态具有自保持能力,并能通过较大电流。,表8.1 可控硅热敏开关的应用范围,客房火灾报警器,TT201温控晶闸管安装在每间客房内，发光二极管LED和报警器放在总服务台。一般情况下，TT201不导通，LED不发光，报警器无声。当某一客房发生火灾，室内温度升高，TT201导通，LED发光，报警器发声报警。（如图所示）。,集成电路（IC）温度传感器是近期开发的，把温度传感器与后续的放大器等用集成化技术制作在同一
28、基片上而成的，集传感与放大为一体的功能器件。这种传感器输出特性的线性关系好，测量精度也比较高，使用起来方便，越来越受到人们的重视。它的缺点是灵敏度较低。IC温度传感器的设计原理是,对于集电极电流比一定的两个晶体管,其UBE之差UBE与温度有关。,3.集成（IC）温度传感器（如AD590，美国模拟器件公司）,IC传感器的基本特性如下：（1）可测得线性输出电流（1A/C）。（2）检测温度范围广(-55150C)。（3）测量精度为1C。（4）无调整时也可使用。（5）直线性很好,满量程非线性偏离:0.5C。（6）使用电源范围广（+4+30V）。,由上式知,发射结压降与发射极电流IE及反向饱和电流Ise
29、有关,两个晶体管的发射结正向压降分别为,则两个晶体管发射结压降差,（8.16）,原理：,(8.16）式表明UBE与绝对温度T成正比。选择特性相同的两个晶体管,则Ise1=Ise2,两个晶体管的电流放大系数也应相同,当两个晶体管的集电极电流分别为IC1、IC2时,（8.17）,UBE经后级放大器放大后,可使传感器的输出随温度产生10mV/的变化量。,IC温度传感器的设计原理是,对于集电极电流比一定的两个晶体管,其UBE之差UBE与温度有关。,图8.18 电压输出型IC温度传感器原理图,IC温度传感器按输出方式可分为电压输出型和电流输出型。图8.18为电压输出型IC温度传感器原理图。图中V1、V2
30、为集电极电流分别为I1、I2的两个性能相同的晶体管。,图8.19 电压输出型IC温度传感器放大器的原理框图,图8.19为放大器的原理框图。,图8.20 电流输出型IC温度传感器原理图,电流输出型IC温度传感器原理图如图8.20所示。从图中不难看出:UBE1=UBE2;IC3=IC4,IC设计时,取V3发射极面积为V4发射极面积的8倍,于是根据式(8.17)得电阻R上的电压输出为,图中集电极电流由UT/R决定,电路中流过的电流为流过R的电流的2倍。取R=358,则可获得灵敏度为1A/K的温度传感器。,IC温度传感器的一大特点是应用起来很方便。图8.21表示最简单的绝对温度计（开耳芬温度计）。如果
31、把它的刻度换算成摄氏、华氏温度刻度时就可以做成各种温度计了。,图8.21 开耳芬温度计,图8.22 低温测量温度计,图8.22表示用串联电路时测量低温度的电路图。,图8.23 测量平均温度的电路图,图8.23表示用并联电路时测量平均温度值的电路图。,光纤的特征是对电、磁及其他辐射的抗干扰性好,而且细、轻、能量损失少。因此,利用光纤做的传感器,在恶劣的环境下也能正常工作。利用半导体材料的光吸收与温度的关系,可以构成透射式光纤温度传感器。,4.半导体光纤温度传感器,图8.24 各种半导体禁带宽度的温度特性,图8.24表示各种半导体禁带宽度的温度特性,从图中可看出,半导体的禁带宽度Eg随温度T增加近
32、似线性地减小。,半导体材料的Eg随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长g随温度上升而增大。反映在半导体的透光特性上，即当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的g(t)相匹配的发光二极管作为光源，如图，则透射光强度将随着温度的升高而减小。,LED发光光谱,半导体透射率,T1T2T3,T3,T1,T2,相对光强,图8.25 半导体材料的吸收特性,透射率,波长,图8.26（a）为透射型半导体光纤温度传感器测量原理图。在输入光纤和输出光纤之间夹一片厚度约零点几毫米的半导体材料,并用不锈钢管加以固定,如图8.26(b)所示。它体积小、灵敏度高、工作可靠,广泛应用于高压电力装置中
33、的温度测量等特殊场合。,图8.26 半导体吸收式光纤温度传感器的测温原理图,选择适当的半导体发光二极管LED,使其光谱范围正好落在吸收边的区域。半导体材料的光吸收,随着吸收边波长变短而急剧增加,直到光几乎不能透过半导体。相反,波长比g长的光,半导体透过率就高。由此可见,半导体透射光强随温度的增加而减少。用光电探测器检测出透射光强的变化,并转换成相应的电信号,便能测量出温度。这种光纤温度传感器结构简单、制造容易、成本低、便于推广应用,可在-10-300的温度范围内进行测量,响应时间约为2 s。,为了进一步提高传感器的稳定性及抗干扰能力,并提高测量精度,可采用以下两种方法。1）双光纤参考基准通道法
34、 其结构框图如图8.27所示。光源采用GaAlAs-LED,半导体吸收材料CdTe或GaAs作为测量元件。探测器选用Si-PIN发光二极管。从图中可看出,此方案与前一方案的区别在于增加了一条参考光纤及相应的探测器。由于采用了参考光纤和除法器,消除了干扰,提高了测量精度。这种温度计测温范围为-40120C,精度为1C。,图8.27 双光纤参考基准通道法原理框图,2）双光源参考基准通道法 图8.28为测温示意图。发光二极管LED（AlGaAs,1=0.88m;InGaAsP,2=1.27m）交替地发出光脉冲,经耦合器送入光纤探头,每个光脉冲的宽度为10ms。半导体GdTe(或GaAs)对一只LED
35、发射波长为1的光的吸收与温度有关,而对另一只LED发出的波长为2的光几乎不吸收,这样可以作为参考光,经Ge-APD光电探测器送入采样保持电路,得到正比于脉冲幅值的直流信号,最后采用除法器获得温度信号。该温度计测温范围为-10300C,精度为1C。,图8.28 双光源参考基准通道法原理框图,8.1.2 非接触型半导体温度传感器 温度为T的物体对外辐射的能量E与波长的关系,可用普朗克定律描述,即,（8.18）,T为物体在温度T之下的发射率（也称为“黑度系数”,当T=1时物体为绝对黑体）;C1为第一辐射常数（第一普朗克常数）,C1=3.741810-16 Wm2;C2为第二辐射常数（第二普朗克常数）
36、,C2=1.438810-2 mK。,根据斯特藩-玻耳兹曼定律,将上式在波长自0到无穷大进行积分,当T=1时可得物体的辐射能,(8.19),b:黑体的斯特藩-玻耳兹曼常数,b=5.710-8Wm-2K-4;Tb是黑体的温度。,一般物体都不是“黑体”,其发射率T不可能等于1,而且普通物体的发射率不仅和温度有关,且和波长有关,即T=T(T),其值很难求得。虽然如此,辐射测温方法可避免与高温被测体接触,测温不破坏温度场,测温范围宽,精度高,反应速度快,即可测近距离小目标的温度,又可测远距离大面积目标的温度。辐射能与温度的关系通常用实验确定。,黑体的辐射规律之中,还有维恩位移定律,即辐射能量的最大值所
37、对应的波长m随温度的升高向短波方向移动,用公式表达为,(8.20),利用以上各项特性构成的传感器,必须由透镜或反射镜将物体的辐射能会聚起来,再由热敏元件转换成电信号。常用的热敏元件有热电堆、热敏或光敏电阻、光电池或热释电元件。透镜对辐射光谱有一定的选择性,例如光学玻璃只能透过0.32.7m的波长,石英玻璃只能透过0.34.5m的波长。热敏元件,尤其是光敏元件也对光谱有选择性。这样就使得接收到的能量不可能是物体的全部辐射能,而只是部分辐射能。真正的全辐射温度传感器是不存在的。,图8.29为热辐射温度计的原理框图。由光学系统接收来的被测物体的辐射能,经光调制盘进行调制后进入传感器,然后经同步整流取
38、出信号,再经放大后输出。为了能够正确测量,还应对被测对象的发射率进行修正。用热辐射传感器制成的温度计测温范围为(-50+3500),测量灵敏度为0.011K,精度为(0.52)%。,图8.29 热辐射温度计的原理框图,红外热辐射传感器,从原理上又可分为热电型和光量子型。热电型：指由于辐射热引起元件温度的微小变化,导致电阻一类的物理量的变化,而达到测温的目的。这类传感器一般与波长无关。热电型红外传感器的优点是使用方便，可直接在室温下使用，光谱特性平坦，灵敏度与波长无关。缺点是响应速度慢，灵敏度低，常用的此类传感器有热电堆，热释电传感器等。,热释电元件和压电陶瓷一样,都是铁电体,如铌酸锶钡、钛酸铅
39、、铌酸钽等,除具有压电效应外,在辐射能量照射下也会放射出电荷。经高输入阻抗的放大电路放大之后,可得到足够大的电信号。但是在连续不断的照射下,它并不能产生恒定的电动势,必须对辐射进行调制,使成为断续辐射,才能得到交变电动势。因此,应该用交流放大电路。热释电元件的响应时间短,通常把它和场效应管封装在同一外壳里,辐射经锗或硅窗口射入,由场效应管阻抗变换后与放大电路配合。其结构和电路如图8.30所示。,图8.30 热释电辐射传感器,热释电元件多用于红外波段的辐射测温中。图8.30中只画出了管壳内部电路,使用时还需配接放大器。由于管内已有阻抗变换,放大器设计比较简单,只需将交流信号放大到一定程度再解调成
40、直流即可反映被测温度。,图8.30 热释电辐射传感器,光量子型是利用光电效应制成的,因而与波长有关。光量子型传感器可以分为光导（PC）型、光电（PV）型、光电磁（PEM）型、肖特基（ST）型。,图8.31 光量子型红外传感器示意图(a)PC型；(b)PV型；(c）PEM型;（d）ST型,图8.31 光量子型红外传感器示意图(a)PC型；(b)PV型；(c）PEM型;（d）ST型,光导PC型结构是电阻体光照后引起阻值变化;光电PV型为一PN结二极管,其耗尽层上由于光照射生成电子空穴对,检测由此产生的光电流;光电磁PEM型是利用PEM效应,即在加上电场及磁场的同时,由于光照而产生与光强成比例的感应电荷;肖特基型是根据金属与半导体接触形成的肖特基势垒随光照而变化的原理制备的。,图8.32 红外传感器的光谱特性,常用的红外传感材料有Ge、Si、PbS、HgCdTe、InSb等。图8.32给出了它们相应的光谱特性。这类传感器因与波长有关,故测量温度存在下限,例如PbS为100以上,Si为400以上。,1.热电阻的表示意义、2.热敏电阻的分类、色标、主要的参数、做温度传感器的优点。3.半导体二极管和三极管的测温原理4.PTC和NTC热敏电阻的电阻-温度特性有什么不同?5.光纤温度传感器的基本原理。,
