温度控制模块设计（毕业设计）

据超导体量子力学的隧道效应（约瑟夫效应）制成的传感器，它对光通信的贡献非常大。又如图像装置中的电荷耦合器件（CCD）就是能把光学图像信号转换成电信号的一种功能传感器。

综上，人们正竞相发展小型化，集成化，智能化的传感器，并且为不断的满足测试技术的各种需要而努力开拓新型的传感器。

2. 温度测量原理和温度传感器的类型及其特点

温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量。温度概念是以热平衡为基础的。如果两个相接触的物体温度不相同，它们会产生热交换，热量将从温度高的 物体向温度低的物体传递，直到两物体达到相同的温度。常用的各种材料和元器件的性能大都会随着温度的变化而变化，具有一定的温度效应。

温度效应又通过物理现象表现出来。而温度测量则是利用物理现象。如物体的体积热膨胀、接触热电动势、电阻的变化、PN结 结电压、温度—颜色变化、光辐射、热辐射。

2．1测温传感器的分类

温度传感器是利用一些金属、半导体等材料与温度有关的特性而制成。 这些特性包括：热膨胀、电阻、电容、磁性、热电势、热噪声、弹性及光学特性。

测量温度的传感器很多，常用的有热电偶、热电阻、PN结测温集成电路、红外辐射温度计等。其分类方法也很多。

1）按照用途分类 可分为基准温度计和工业温度计； 2）按照测量方法分类 可分为接触式和非接触式；

①接触式温度传感器包括热电偶、热电阻、PN结温度传感器、热敏晶体管、可控硅和集成温度传感器。

②非接触式包括利用塞贝克（seebeck）效应制成的红外吸收型温度传感器和MOSFET红外探测器。

非接触温度式传感器还可以进一步分成量子型和成热型。

a量子型非接触型温度传感器包括利用光电导效应和光生伏特效应器件。

b成热型有测辐射器件。

a’按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等； b’按输出方式分有自发电型、非电测型。

2．2 常用温度传感器的类型及其特点

常用的有热电阻、热电偶、PN结测温集成电路、红外辐射温度计。

2.2.1热电阻传感器

工作原理：当温度变化时，热电阻材料的电阻值随着温度的变化而变化，这样用测量电路可将变化的电阻值转化成电信号输出，从而得到被测温度。 热电阻的基本参数： ① 标称电阻（R0）：

标称电阻是指金属热电阻在0℃时的电阻值，用R0表示。 ② 分度表与分度号(W100)：

分度表是指以表格形式表示热电阻的电阻—温度对照表。分度号是分度表的代号，一般用热电阻的金属材料的化学符号和0℃时的电阻值表示，如Pt100，表示金属材料为铂，0℃时的电阻值为100Ω。 ③ 温度测量范围及允许偏差范围 ④ 百度电阻比（W100）：

热电阻在100℃时的电阻R0之比，用W100表示，即W100=R100/R10 显然，W100愈大，热电阻的灵敏度愈高。例如Pt100的铂热电阻，零度的名义值为100Ω，允许误差A级0.06Ω，电阻比W100(R100/R0)=1.385，允许偏差为0.001。 ⑤ 热响应时间（τ）：

当温度发生阶跃变时，热电阻的电阻值变化至相当 于该阶跃变化的某个规定百分比所需要的时间，称为热电阻的响应时间，通常用τ（s）表示τ越小越好。τ小表示热电阻的响应特性好。 ⑥ 额定工作电流：

指热电阻连续工作所允许通过的最大电流，一般为2mA～5mA。

热电阻按性质不同，可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。前者仍简称热电阻；而后者灵敏度比前者高十倍以上，所以又称热敏电阻。 a 金属热电阻

金属热电阻按其结构类型可分为普通型，铠装型，薄膜型

普通型热电阻由感温组件（金属电阻丝）、支架、引线、保护套管及接线盒等基本部分组成。为避免电感分量，电阻丝 常采用双线并绕，制成无感电阻。 国内统一设计的工业用铂热电阻在0℃时的阻值R0有25Ω、100Ω等几种，分度号分别用Pt25、Pt100等表示,薄膜型铂热电阻有100Ω、1000Ω等数种。同样，铜热电阻在0℃的阻值R050Ω、100Ω两种。 b 半导体热电阻

热敏电阻按其温度系数可分为：负温度系数热敏电阻（NTC），正温度系数热敏电阻（PTC）。

根据用途不同NTC又可分为两大类：测量温度，突变型(CTR)

所谓正温度系数是指电阻的变化趋势与温度的变化趋势相同；所谓负温度系数是指当温度上升时，电阻值反而下降的变化特性。

热敏电阻一般由金属氧化物组成，近年来还研制出掺有大量杂质的Si单晶PTC。

在热电阻传感器中， 铂采用特殊的结构可以制成标准温度计，它的适用温度范围为-200～+960℃；铜电阻价廉并且线性较好，但高温易氧化，故只适用于温度较低（-50～+150℃）和没有侵蚀性的环境中。热敏电阻可以根据使用要求，封装加工成各种形状的探头，如圆片型、珠型、柱型、铠装型、薄膜型、厚膜型等。

这种温度传感器的温度敏感组件主要是电阻体，电阻体一般是由金属导体组成。金属导体的电阻随着温度的升高而增大，可通过测量电阻值的大小得到所测量温度值。通过测量电阻值而获得温度的一般方法是电桥测量法。电桥测量法有平衡法和不平衡法。

2.2.2 热电偶传感器

热电极和热电偶的种类繁多，我国从1991年采用ITS—1990的新标准。按此标准，共有八种标准化了的通用热电偶。表示热电偶时一般写在前面的为热电极的正极，写在后面的为负极对于每一种热电偶，还制定了，相应的分度表。

名称 分度号 测温范围/℃ 100℃时的热电动势/mV 1000℃时的热电动势/mV 铂铑13—铂铑6 铂铑13—铂 铂铑10—铂 镍铬—镍硅 镍铬硅—镍铬 镍铬—铜镍（锰白铜） 铁—铜镍（锰白铜） 铜—铜镍（锰白铜） B R S K N E 50～1820 -50～1768 -50～1768 -270～1370 -270～1300 -270～800 0.033 0.647 0.646 4.096 2.744 6.319 4.834 10.506 9.587 41.276 36.256 --- J T -210～760 -270～400 5.269 4.279 --- ---

热电偶的结构形式：普通型热电偶，铠装热电偶，薄膜热电偶。

普通型热电偶按安装固定方式又可以分为：固定法兰式、活动法兰式、固定螺纹式、焊接固定式和无专门固定式

普通热电偶主要由热电极、绝缘套管（绝缘子）、保护套管和接线盒等组成。 在实际测量温度时，冷端温度常随环境温度变化而变化，这样t0不但不是0℃，而且也不恒定，因此将产生误差，一般情况下，冷端温度均高于0℃，热电动势总是偏小。消除或补偿这个损失的方法，常用以下几种： ①冷端恒温法 ②计算修正法

③仪表机械零点调整法 ④电桥补偿法

⑤利用半导体集成温度传感器测量冷端温度的方法

2.2.3 PN结测温集成电路

工作原理：流过PN结正向电流一定后，其正向压降UF与温度T成比例。 主要技术参数： ①标称工作电流：

环境温度为25℃时通过PN结的工作电流。