传感器是电路调试一种检测装置，它能感受到被测量的应用信息，并将感受到的本通信息按一定规律变换为电信号或其他所需形式的信号输出，以满足信息的传感成运传输、处理、器集存储、算仿试学显示、真调记录和控制等要求。电路调试

传感器的应用发展方向是微型化、数字化、本通智能化、传感成运多功能化、器集系统化、算仿试学网络化、真调集成化等。电路调试传感器是实现自动检测和自动控制的关键，它让物体有了“触觉”“味觉”和“嗅觉”等功能，让物体慢慢“活”了起来。通常根据传感器的基本感知功能，可将其分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十几大类。

光传感器有许多优点，如非接触和非破坏性测量，几乎不受干扰，以及可遥测、遥控等。光传感器主要包括一般光学计量仪器、激光干涉式传感器、光栅、编码器及光纤式传感器等，主要用于检测目标物是否出现，或者各种工业控制、汽车电子和零售自动化设备的运动检测。光传感器主要分为光学图像传感器、透射型光学传感器、光学测量传感器、反射型光学传感器等。

TSL251是常用的光照度传感器，其输出电压正比于输入光照度，采用单电源供电方式，电源电压为+3～+9V。TSL251的主要技术参数见表1。TSL251的内部结构如图1所示，TSL250RD和TSL251RD的输出电压和光照度的关系图如图2所示。

表1TSL251的主要技术参数

在图2中：横坐标是光照度Ee，单位是μW/cm2；纵坐标是UO-UD，单位是V。图2所示的是在电源电压为+5V、波长为640nm单色光照射下的测试结果。TSL251的输出电压由下式确定：

UO=UD+ReEe

式中，UO为输出电压，UD为黑暗条件下（Ee=0）的输出电压，Re为给定波长光的器件响应度，Ee为光照度。

图1TSL251的内部结构

图2TSL250RD和TSL251RD的输出电压和光照度的关系图

根据TSL251RD的数据手册可知：UD的取值范围为0～10mV，典型值为5mV；给定波长λp=640nm时，Re=16mV/（μW/cm2）；当Ee=124μW/cm2时，UO的取值范围为1.5～2.5V，典型值为2V。当使用的不是λp=640nm的单色光时，所得结果与这里给出的结果稍有出入。

说明

有一个与“光照度”相对应的量——“辐照度”。光照度是指可见光的照度，单位是勒克斯（lx），1lx=1lm/m2；辐照度是指包括可见光、红外线、紫外线、X射线、γ射线的照度，单位是W/cm2、mW/cm2、μW/cm2。光照度也可以采用mW/cm2等作为单位，但辐照度不能采用lx作为单位。

【例1.1】图3所示为TSL251RD测试电路的仿真电路图。TSL251RD的输出引脚VOUT接虚拟直流电压表，观察TSL251RD的输出电压变化情况。

图3TSL251RD测试电路的仿真电路图

解：将TSL251RD上预置框中的数字（通过上下箭头按钮）调到最大值200.0mW/cm2，执行仿真，虚拟直流电压表就会显示+3.02V，如图3所示；再将TSL251RD上预置框中的数字调到最小值0.0mW/cm2，执行仿真，虚拟直流电压表就会显示+0.0V。可见，TSL251RD光照度传感器可将0～200.0mW/cm2的光照度输入信号转换为0～3.0V电压信号。

GP2D12是具有模拟电压输出的红外测距传感器，采用单电源供电方式，电源电压为+4.5～+5.5V。它的可测量距离为10～80cm，对应的输出电压为2.4～0.4V，输出电压与距离成反比，且非线性。GP2D12的实物图和引脚图如图4所示。GP2D12的输出电压和反射目标距离之间的关系如图5所示。

图4GP2D12的实物图与引脚图

图5GP2D12的输出电压和反射目标距离之间的关系

【例1.2】图6所示为GP2D12测试电路的仿真电路图。GP2D12的VCC引脚接+5V，GND引脚接地，输出引脚VO接虚拟直流电压表，观察GP2D12的输出电压变化情况。

解：将GP2D12上预置框中的数字（通过上下箭头按钮）调到最大值80.0cm，执行仿真，虚拟直流电压表就会显示+0.41V，如图6所示；再将GP2D12上预置框中的数字调到最小值10.0cm，执行仿真，虚拟直流电压表就会显示+2.35V。由此可见，GP2D12可将10.0～80.0cm的距离输入信号转换为+2.35～+0.41V电压信号，所以知道GP2D12输出电压值后就可计算出对应的距离。

图6GP2D12测试电路的仿真电路图

光照度传感器TSL251和红外测距传感器GP2D12在机器人、电动玩具、自动检测和自动控制等领域有着广泛的应用。

按照温度系数的不同，热敏电阻器分为正温度系数热敏电阻器（PositiveTemperatureCoefficient，PTC）和负温度系数热敏电阻器（NegativeTemperatureCoefficient，NTC）。热敏电阻器的特点是对温度敏感，在不同的温度下表现出不同的电阻值。对于正温度系数热敏电阻器（PTC），温度越高，电阻值越大；对于负温度系数热敏电阻器（NTC），温度越高，电阻值越小。

1.正温度系数热敏电阻器

正温度系数热敏电阻器（PTC）泛指具有正温度系数的热敏电阻或材料，可专门用作恒定温度传感器。PTC的特点是，当温度超过某一温度时，其电阻值随着温度的升高而急剧增加，如图7所示。

图7PTC电阻值与温度之间的关系

PTC的主要参数有以下3个。

额定零功率电阻（标称电阻）：在25℃环境温度、不给PTC加电的情况下测得的电阻值。

最小电阻：最小零功率电阻。

额定功率：PTC在规定的技术条件下长期连续负荷所允许的消耗功率，通常是指25℃时的额定功率。

【例1.3】图8所示为正温度系数热敏电阻器PTC-NICKEL的功能测试电路的仿真电路图，图中串接的直流电源电压为+1.5V，用毫安表测量回路电流。PTC-NICKEL旁边的长方框中的数字代表环境温度，可通过上下箭头按钮改变其中的数字，从而“改变”环境温度。

首先，把长方框中的数字设置为25.表示环境温度为25℃。用Proteus软件进行仿真，可以测出电路中的电流，电流表显示1.50mA，如图8所示。依次将长方框中的数字设置为-55.0.25.50.100.200.300.分别测出对应的电流值，把它们填入表格中，并根据欧姆定律算出对应的电阻值，见表2。由此可见，PTC-NICKEL的电阻值随温度升高而增大，这符合PTC的温度和电阻值的对应关系。

图8正温度系数热敏电阻器PTC-NICKEL的功能测试电路的仿真电路图

表2PTC-NICKEL的温度与电阻值对应关系

2.负温度系数热敏电阻器

负温度系数热敏电阻器（NTC）泛指具有负温度系数的热敏电阻或材料。NTC的特点是随着温度的上升，其电阻值呈指数关系减小。

NTC的主要参数和PTC的主要参数大致一样。

3.热敏电阻器的应用

热敏电阻器广泛应用于自动控制和家用电器等领域。热敏电阻器可作为电子线路元器件用于仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿等。利用NTC的自热特性可实现自动增益控制，构成RC振荡器稳幅电路、延迟电路和保护电路。在自热温度远大于环境温度时，其电阻值还与环境的散热条件有关，因此在流速计、流量计、气体分析仪、热导分析中，常利用热敏电阻器的这一特性，将其制成专用的检测元件。PTC主要用于电气设备的过热保护、无触点继电器、恒温控制、自动增益控制、电动机启动、时间延迟、彩色电视机自动消磁、火灾报警和温度补偿等领域。

【例1.4】图9所示为采用PTC-NICKEL构成的温度报警电路的仿真电路图。图中的PTC-NICKEL、R2和RV1组成分压电路；L1为指示灯，报警时会点亮。电路的直流电源电压为+12V。

首先调整PTC-NICKEL旁边的长方框中的数字，使它显示待报警的环境温度值，如0.00℃，执行仿真，再调整电位器RV1的电阻值，使指示灯点亮，如图9所示。此后，只要环境温度达到0.00℃，指示灯即点亮；环境温度低于0.00℃时，指示灯即熄灭。可以将报警温度调整为-55～+300℃之间的任意值，也可以将指示灯改为扬声器或继电器，从而改变报警方式。

图9采用PTC-NICKEL构成的温度报警电路的仿真电路图

光敏电阻器是指其电阻值随入射光（指可见光、红外线或紫外线）强弱变化而变化的敏感元件。通常入射光增强时，其电阻值下降。光敏电阻器对入射光的响应与光的波长和所用材料有关。制造光敏电阻器的材料主要是镉的化合物，如硫化镉、硒化镉和两者的共晶体——硫硒化镉，其次还有锗、硅、硫化锌等。光敏电阻器广泛应用于光强控制、光电自动控制、光电开关、光电计数、光电安全保护和烟雾报警等领域。

1.光敏电阻器的实物和结构

光敏电阻器的实物图、结构及图形符号如图10所示。

图10光敏电阻器的实物图、结构及图形符号

2.光敏电阻器的分类

根据其光谱特性的不同，光敏电阻器可分为以下3种。

紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉光敏电阻器、硒化镉光敏电阻器等。

红外光敏电阻器：对红外线较灵敏，主要有硫化铅光敏电阻器、碲化铅光敏电阻器、硒化铅光敏电阻器、锑化铟光敏电阻器等，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱探测、红外通信等领域。

可见光光敏电阻器：包括硒光敏电阻器、硫化镉光敏电阻器、硒化镉光敏电阻器、碲化镉光敏电阻器、砷化镓光敏电阻器、硅光敏电阻器、锗光敏电阻器、硫化锌光敏电阻器等，主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭控制，自动给水和自动停水装置等。

说明

光敏电阻器的亮电阻是指光敏电阻器受到光照射时的电阻值；暗电阻是指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。

3.光敏电阻器的典型应用

光敏电阻器的主要作用是进行光的检测，广泛应用于自动检测、光电控制、通信、报警等电路中。另外，光敏电阻器也应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节、照相机的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。

【例1.5】图11所示为采用光敏电阻器构成的自动灯控制电路的仿真电路图。图中的光敏电阻器LDRR2和RV1组成分压电路，L1为指示灯；LDR2旁边的长方框中的数字代表光照强度(单位是lx)，此数字越大表示光线越强。这里设定光照强度3.1lx为临界条件，即要求：当光照强度3.1lx时，L1熄灭；当光照强度3.1lx时，L1点亮。该电路相当于一个夜晚自动点亮、白天自动熄灭的街道路灯控制系统。

首先调整LDR2旁边的长方框中的数字，使它显示临界光照强度为3.1lx，执行仿真，再调整电位器RV1的电阻值，使得光照强度3.1lx时，L1点亮，光照强度3.1lx时L1熄灭，如图11所示。临界光照强度值可以调整。

这里用的光敏电阻器必须是可见光光敏电阻器，不能用红外或紫外光敏电阻器。

【例1.6】图12所示为采用手电筒和光敏电阻器构成的自动灯控制电路的仿真电路图。它与图11所示电路的区别是，光敏电阻器LDR1是带手电筒的。可以调整手电筒的位置使其靠近光敏电阻器，或者使其远离光敏电阻器，手电筒既可以关闭，也可以打开。众所周知，对于发光强度一定的光源，距离越远的光照对象接收到的光照强度越小。

当手电筒远离光敏电阻器，或关闭手电筒（相当于夜晚的情况）时，指示灯L2点亮；当发光的手电筒靠近光敏电阻器（相当于白天的情况）时，L2熄灭。

图11采用光敏电阻器构成的自动灯控制电路的仿真电路图

图12采用手电筒和光敏电阻器构成的自动灯控制电路的仿真电路图

光敏二极管又称光电二极管（Photodiode），是一种能够将光根据使用方式转换成电流或者电压信号的器件。光敏二极管与半导体二极管在结构上类似，其管芯是一个具有光敏特性的pn结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，光敏二极管中只有很小的饱和反向漏电流（即暗电流），光敏二极管处于截止状态；受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。当光线照射pn结时，可以使pn结中产生电子-空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压作用下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中电流的大小。光敏二极管的实物图和图形符号如图13所示。

图13光敏二极管的实物图和图形符号

光敏二极管有如下两种工作状态。

当光敏二极管加上反向电压时，光敏二极管中的反向电流随光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大。光敏二极管在大多数情况下都工作在这种状态。

光敏二极管上不加电压时，利用pn结在受光照时产生正向电压的原理，可把它用作微型光电池。这种工作状态一般用在光电检测器中。

光敏二极管的作用是进行光电转换，它在光控、红外遥控、光探测、光纤通信和光电耦合等方面具有广泛的应用。

【例1.7】光敏二极管在光控开关电路中的应用如图14所示。当无光照时，光敏二极管VD1因接反向电压而截止，晶体管VT1、VT2因无基极电流也处于截止状态，继电器K处于释放状态；当有光线照射在VD1上时，使VT1、VT2相继导通，VD2导通，继电器K吸合，从而接通被控电路。

图14光敏二极管在光控开关电路中的应用

光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只受基极电流控制，同时也受光照的控制。当具有光敏特性的pn结受到光照时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了β倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性。与光敏二极管相比，光敏三极管具有很大的电流放大作用，即很高的灵敏度。光敏三极管的实物图和图形符号如图15所示。

通常光敏三极管的基极不引出，但也有光敏三极管的基极是引出的（用于温度补偿和附加控制等）。

图15光敏三极管的实物图和图形符号

1.光敏三极管的检测

用万用表检测光敏三极管（以npn型为例）时，应将万用表置于R×1kΩ挡。

（1）将黑表笔接发射极E，红表笔接集电极C，此时光敏三极管所加电压为反向电压，万用表指示的电阻值应为无穷大。

（2）用黑纸片等遮光物将光敏三极管窗口遮住，对调两表笔再测，此时光敏三极管所加的电压虽为正向电压，但因其基极无光照，故光敏三极管仍无电流，其电阻值仍应接近无穷大。

（3）保持红表笔接发射极E，黑表笔接集电极C，然后移去遮光物，使光敏三极管窗口朝向光源，这时万用表指示值约为1kΩ。

2.光敏三极管的典型应用

光敏三极管主要用于光控电路。

【例1.8】图16所示为光控开关电路。由于光控器件采用了光敏三极管，该电路比使用光敏二极管的同类电路简化了很多。

图16光控开关电路

光耦合器（OpticalCoupler）也称光电隔离器，简称光耦。光耦合器是将发光器和受光器组成一体，以光为媒介用来传输电信号的光电器件。从发光器件引出的引脚为输入端，从受光器引出的引脚为输出端。

图17光耦合器的内部结构

光耦合器的品种和类型非常多，其型号超过上千种，通常可以按以下方法进行分类。

按光路径的不同，可分为外光路光耦合器（又称光电断续检测器）和内光路光耦合器。外光路光耦合器又分为透过型光耦合器和反射型光耦合器。

按输出形式的不同，分为如下7种：光敏器件输出型，包括光敏二极管输出型、光敏三极管输出型、光电池输出型、光晶闸管输出型等；npn型三极管输出型，包括交流输入型、直流输入型、互补输出型等；达林顿三极管输出型，包括交流输入型、直流输入型；逻辑门电路输出型，包括门电路输出型、施密特触发输出型、三态门电路输出型等；低导通输出型（输出低电平，毫伏数量级）；光开关输出型（导通电阻小于10Ω）；功率输出型（IGBT/MOSFET等）。

按封装形式的不同，可分为同轴型、双列直插型、TO封装型、扁平封装型、贴片封装型及光纤传输型等。其中，双列直插型又分为4引脚型、8引脚型和16引脚型。

按传输信号的不同，可分为数字型光耦合器（如OC门输出型、图腾柱输出型及三态门电路输出型等）和线性光耦合器（如低漂移型、高线性型、宽带型、单电源型、双电源型等）。

按速度高低，可分为低速光耦合器（如光敏三极管、光电池等输出型）和高速光耦合器（如光敏二极管带信号处理电路、光敏集成电路输出型）。

按通道数量的不同，可分为单通道光耦合器、双通道光耦合器和四通道光耦合器等。

按隔离特性的不同，可分为普通隔离光耦合器（一般光学胶灌封低于5kV，空封低于2kV）和高电压隔离光耦合器（可分为10kV、20kV、30kV等）。

按工作电压高低，可分为低电源电压型光耦合器（一般为5～15V）和高电源电压型光耦合器（一般大于30V）。

本小节以4引脚型光耦合器为例，介绍光耦合器的检测。

1.检测光耦合器输入部分

将万用表置于R×1kΩ挡，分别测量光耦合器输入端的正、反向电阻，如图18所示。该测量结果应明显地一次大、一次小，否则表明光耦合器损坏。

图18检测光耦合器输入部分

2.检测光耦合器输出部分

将万用表置于R×10kΩ挡，测量光耦合器输出端两引脚（光敏三极管的C极、E极）之间的正、反向电阻，均应为无穷大。

3.检测光耦合器的传输性能

（1）将万用表甲置于R×100Ω挡，黑表笔接光耦合器的发光二极管正极引脚，红表笔接发光二极管负极引脚，使发光二极管导通。

（2）如图19所示，将万用表乙置于R×1kΩ挡，两表笔分别接光敏三极管的集电极和发射极，测量正、反向电阻，测得的电阻值应为一次大（光敏三极管没有导通）、一次小（光敏三极管已导通）。当切断输入端正向电压时，光敏三极管应处于截止状态，万用表乙测得的电阻值应为无穷大，否则表明光耦合器损坏。

图19检测光耦合器的传输性能

4.检测光耦合器的绝缘性能

将万用表置于R×10kΩ挡，测量光耦合器的输入端与输出端之间任意两个引脚之间的电阻值，均应为无穷大。

光耦合器主要用于隔离传输和隔离控制，在隔离耦合、电平转换、继电器控制等方面得到了广泛的应用。

另外，在由微处理器或单片机为核心的测控系统及智能仪表中，光耦合器多用于隔离外界的输入信号和由内输出到外的输出信号（如发往执行机构的信号）。这种隔离是一种有效的光隔离，它可以排除多种干扰，使系统能够稳定、可靠地长期工作。

光耦合器具有隔离性好，抗干扰能力强，响应速度快，工作稳定可靠等特点。光耦合器的隔离作用主要体现在两个方面：一为信号隔离，用于系统的前向通道，可防止由输入通道引入干扰；二为驱动隔离，用于系统的后向通道，可防止由输出通道引入的干扰。

1.PC829光耦合器、三极管驱动继电器电路

【例1.9】图20所示为PC829光耦合器、三极管驱动继电器电路的仿真电路图。图中：U2的第1脚经限流电阻器R1和+5V电源相连；第2脚和“逻辑状态”调试元件连接，第8脚和+12V电源相连，第7脚经R2与三极管2N2222A的基极相连；2N2222A的集电极与继电器RL1的线圈一端相连，线圈的另一端与+12V电源相连；RL1的常开触点接指示灯L1。1N4002为续流二极管。

图20PC829光耦合器、三极管驱动继电器电路的仿真电路图

当给“逻辑状态”调试元件送高电平时，PC829中的发光二极管不导通，因此其光敏元件也不导通，2N2222A也不导通，RL1因线圈未得电而常开触点不闭合，L1不亮；当给“逻辑状态”调试元件送低电平时，PC829中的发光二极管导通，光敏元件导通，2N2222A也导通，RL1因线圈得电而使常开触点闭合，L1点亮，如图20所示。

说明

光耦合器的发光二极管一侧和光敏元件一侧要分别用相互独立的供电电源，否则就起不到隔离的作用。本例中，光耦合器的发光二极管一侧用+5V电源，光敏元件一侧用+12V电源，这两个电源的接地端也不能相连。

2.4N35光耦合器、三极管驱动继电器电路

【例1.10】图21所示为4N35光耦合器、三极管驱动继电器电路的仿真电路图。图中：U2的第1脚经限流电阻器R1和+5V电源相连；第2脚和“逻辑状态”调试元件连接；第5脚和+12V电源相连；第6脚为基极引线，接电压表；第4脚经R2与三极管2N2222A的基极相连。2N2222A的集电极与继电器RL1的线圈一端相连，线圈的另一端与+12V电源相连。RL1的常开触点接指示灯L1。1N4002为续流二极管。

当给“逻辑状态”调试元件送高电平时，4N35的发光二极管不导通，其光敏元件也不导通，基极上的电压为零，2N2222A也不导通，RL1因线圈未得电而常开触点不闭合，L1不亮；当给“逻辑状态”调试元件送低电平时，4N35的发光二极管导通，光敏元件导通，基极上的电压为+12.4V，2N2222A也导通，RL1因线圈得电而使常开触点闭合，L1点亮，如图21所示。

图214N35光耦合器、三极管驱动继电器电路的仿真电路图

3.实用开关量输入光隔离电路——信号隔离实例

【例1.11】图22所示为实用开关量输入光隔离电路的仿真电路图。图中：光耦合器U2的型号为PC8U2的第1脚和+12V电源相连，第2脚与R3和R4的分压点连接；R4的另一端与开关K连接，K的另一端接地；U2的第4脚和OUT点相连，第3脚接地。OUT点的电位因K的闭合或断开而改变。作为输入电路，通常OUT点与单片机的输入口线连接。

首先，断开开关K，开始仿真，因PC817的第1脚与第2脚等电位（都是12V），PC817的发光二极管不导通，其光敏元件也不导通，电压表显示OUT点的电压为+5.00V，表示高电位，如图22所示。

然后，闭合开关K，重新仿真，因PC817的第2脚电压降低，PC817的发光二极管发光，其光敏元件导通，电压表显示OUT点的电压为+0.21V，表示低电位，如图23所示。

图22实用开关量输入光隔离电路的仿真电路图

图23实用开关量输入光隔离电路的仿真结果

4.实用开关量输出光隔离电路——驱动隔离实例

【例1.12】图24所示为实用开关量输出光隔离电路的仿真电路图。图中：光耦合器U2的型号为PC8U2的第1脚和+5V电源相连，第2脚经限流电阻器R4和“逻辑状态”调试元件连接，第4脚经R2和+12V电源相连，第3脚经R1与三极管2N2222A的基极相连；2N2222A的集电极与继电器RL1线圈的一端相连，线圈的另一端与+12V电源相连；RL1的常开触点接绿色发光二极管D2。1N4148为续流二极管。

当给“逻辑状态”调试元件送高电平时，PC817中的发光二极管不导通，其光敏元件也不导通，2N2222A也不导通，RL1因线圈上未得电而常开触点不闭合，D2不亮；当给“逻辑状态”调试元件送低电平时，PC817中的发光二极管导通，光敏元件导通，2N2222A也导通，RL1因线圈得电而使常开触点闭合，D2点亮，如图24所示。

图24实用开关量输出光隔离电路的仿真电路图

温度传感器的作用是感受温度并将温度转换为电信号，传给处理机构，以实现相应的显示或控制。工业用的温度传感器主要有四类，即热敏电阻温度传感器、热电阻温度传感器、热电偶温度传感器和集成温度传感器。它们的特点见表3。

表3工业常用温度传感器特点

热敏电阻的特点是对温度敏感，在不同的温度下表现出不同的电阻值，分正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）两类。对于PTC，温度越高，电阻值越大；对于NTC，温度越高，电阻值越小。PTC主要由钛酸钡掺合稀土元素烧结而成；NTC主要由锰、钴、镍、铁、铜等过渡金属氧化物混合烧结而成。

热敏电阻温度传感器的探头是用NTC经过封装制成的。封装形式主要有树脂封装、铜壳封装、不锈钢壳封装等，常用于家用空调、汽车空调、电冰箱、冷柜、热水器、饮水机、暖风机、烘干机等对温度的测量和控制。

热电阻就是其电阻值随温度变化而变化的电阻器。热电阻温度传感器是利用导体（如金属铂、铜、铁、镍）的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的一种传感器。

热电阻广泛用于测量-200～+850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测至1K（-272.15℃），高温可测至1000℃。

热电阻温度传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，热电阻也可以与温度变送器连接，将温度信号转换为标准电流信号输出。

用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率，输出最好呈线性，且物理化学性能稳定、复现性好。目前最常用的热电阻是两种金属材料的热电阻，即铂热电阻和铜热电阻。

铂热电阻主要有Pt1Pt1000两种，“Pt”后的100和1000是指0℃时其电阻值分别为100Ω和1000Ω。铜热电阻有CuCu100两种，“Cu”后的50和100是指0℃时其电阻值分别为50Ω和100Ω。

1.铂热电阻测温原理

铂（Pt）是一种贵金属，它是一种具有正温度系数的热电材料，在0℃以上时，其电阻值和温度的关系接近线性，其电阻温度系数约为3.9×10-3℃-1。铂的物理化学性质极其稳定，耐氧化能力强，易于提纯，延展性好，可以制成极细的铂丝。Pt100的温度-电阻值关系见表4。在实际使用中，只要测出热电阻的电阻值，即可根据表4查出对应的温度。

表4Pt100温度-电阻值关系

铂热电阻的温度-电阻值关系式为

式中：A=3.9083×10-3℃-1；B=-5.775×10-7℃-2；C=-4.183×10-12℃-4；R0为铂热电阻在0℃时的电阻值。

例如，用上述公式计算100℃时，Pt100的电阻值（R0=100Ω）为

Rt=R0（1+At+Bt2）=100（1+3.9083×10-3×15.775×10-7×104）≈138.51（Ω）

可见，与表4中的100℃时Pt100的电阻值是一样的。

2.热电阻温度传感器探头的结构

铂热电阻温度传感器的探头以由金属铂制成的热电阻器为感温元件，另外还有绝缘套管、保护套管、接线盒、引线等，如图25所示。其他热电阻温度传感器的探头结构与此基本相同。

图25铂热电阻温度传感器探头的结构

热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，再通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度值。热电偶测温的基本原理是，两种不同材质的导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应（SeebeckEffect）。两种不同成分的均质导体作为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，可制成热电偶分度表。热电偶分度表是在其自由端温度为0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。

在热电偶回路中接入第3种金属材料时，只要该材料两个连接点的温度相同，热电偶所产生的热电动势就保持不变，即不受第3种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。

1.热电偶的概念

如图26（a）所示，两个不同的导体A与B串联成一个闭合回路，当两个连接点的温度不同（T≠T0）时，回路中就会产生热电动势，热电动势的大小只与导体A、B的材料和两端温度T和T0有关，而与热电极长度及直径等无关，这种现象称为热电效应。

2.热电偶的基本构成和测温原理

导体A与B称为热电偶的热电极。放置在被测对象中的连接点称为测量端，又称热端；另一连接点称为参考端，又称冷端（冷端的温度必须保持恒定），如图26（b）所示。根据试验数据把热电动势EAB（T，T0）与温度T的关系绘成曲线或列成表格（分度表），则只要用仪表测得热电动势，通过查分度表就可以知道被测温度T。

图26热电偶工作原理示意图

3.常见热电偶温度传感器——普通装配型热电偶

普通装配型热电偶通常由感温元件（热电极）、绝缘管、保护管、安装固定装置和接线盒等组成，如图27所示。

图27普通装配型热电偶

1—接线盒；2—测量端；3—螺纹；4—法兰；5—保护管

热电极：是测温元件。如果是贵金属，热电极的直径多为0.3～0.65mm；若是廉金属，热电极的直径一般为0.5～3.2mm。热电极的长度由安装条件、热电偶的插入深度决定，通常为350～2000mm。

绝缘管：其作用是防止两个热电极之间或热电极与保护管之间短路。绝缘管的材料由使用温度范围确定，在1000℃以下多采用普通陶瓷，在1000～1300℃之间多采用高纯氧化铝，在1300～1600℃之间多采用刚玉。

保护管：其作用是使热电偶不直接与被测介质接触，以防机械损伤或被介质腐蚀、沾污。保护管的材质主要有金属、非金属和金属陶瓷3种。

接线盒：其作用是固定接线座，连接热电极和补偿导线。通常由铝合金制成，一般分普通式和密封式两种。为了防止灰尘和有害气体进入热电偶保护管内，接线盒的出线孔和盖子均用垫片和垫圈加以密封。接线盒内用于连接热电极和补偿的螺丝必须紧固，以免产生较大的接触电阻而影响测量的准确性。

4.热电偶的分类和型号

（1）常用的热电偶可分为标准化热电偶和非标准化热电偶两大类。所谓标准化热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差，并有统一的标准分度表的热电偶，也有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶一般没有统一的分度表，在一些特殊的测温场合使用。

我国标准化热电偶共有S、R、B、J、T、E、N、K8种类型（电极的材料不同），其中S、R、B型属于贵金属热电偶，J、T、E、N、K型属于廉金属热电偶。

（2）标准化热电偶的型号和含义如图28所示。

图28标准化热电偶的型号和含义

热电偶分度号的含义见表5。

表5热电偶分度号的含义

每种类型的热电偶都有相应的分度表，从分度表可以看出不同温度时热电偶的热电动势。S型热电偶分度表（参考端温度：0℃）见表6。

表6S型热电偶分度表（参考端温度：0℃）

集成温度传感器是将热敏三极管与相应的辅助电路（信号放大、线性补偿、调零消振等）集成在同一个芯片上形成的。与其他温度传感器相比，它具有灵敏度高、线性好、响应速度快、重复性好、体积小和使用方便等优点。

在集成温度传感器中，一类需要有程序与之配合使用（如DS16DS16DS18BDS16DS16AD7416等），还有一类不需要程序配合（如AD5LMLMLMLMLMLM135等）。本节仅介绍后一类集成温度传感器。

1.摄氏温度传感器LM35

LM35是由NationalSemiconductor生产的集成温度传感器，其输出电压与摄氏温度值呈线性关系，0℃时输出电压为0V，温度每升高1℃，其输出电压增加10mV。在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到±0.25℃的精度。

LM35有多种封装形式，其封装引脚图如图29所示。LM35的供电模式分为单电源与双电源两种，如图30所示。双电源的供电模式可提供负温度的测量。

图29LM35的封装引脚图

图30LM35的供电模式

【例1.13】图31所示为LM35测试电路的仿真电路图。在左侧的图中，LM35的第1脚接+5V电源，第3脚接地，第2脚接电压表；在右侧的图中，第2脚还与一端连接-5V电源的10kΩ电阻器相连。

将左侧图中LM35上预置框中的数字（通过上下箭头按钮）调到所需温度值，如+150℃；再将右侧图中LM35上预置框中的数字调到-55.0℃。执行仿真，两个电压表就会显示各自温度下LM35的输出电压值，如图31所示。由图可见，此时左侧图中电压表显示+1.50V，右侧图中的电压表显示-0.55V。这表明，这两个LM35的测试电路都能以摄氏温度数值乘10mV得到输出电压值。调节LM35上预置框中的数字，即调节预置温度值，重新仿真，可以看到显示值和温度预置值是一一对应的。注意，左侧图中电路的测温范围为0～+150℃，而右侧图中电路的测温范围为-55～+150℃。

2.摄氏温度传感器LM45

LM45的输出电压与摄氏温度值呈线性关系，0℃时输出电压为0V，温度每升高1℃，其输出电压增加10mV。

图31LM35测试电路的仿真电路图

LM45的封装形式是SOT-其引脚图如图32所示。LM45的供电模式也分为单电源与双电源两种，如图33所示。

图32LM45引脚图

图33LM45的供电模式

【例1.14】图34所示为LM45测试电路的仿真电路图。在左侧图中，LM45的第1脚接+5V电源，第3脚接地，第2脚接虚拟电压表；在右侧图中，第2脚还与一端连接-5V电源的10kΩ电阻器相连。

图34LM45测试电路的仿真电路图

将左侧图中LM45上预置框中的数字（通过上下箭头按钮）调到所需温度值，如+100℃；再将右侧图中LM45上预置框中的数字调到-20.0℃。执行仿真，两个电压表就会显示各自温度下LM45的输出电压值，如图34所示。由图可见，此时左侧图中的电压表显示+1.01V，右侧图中的电压表显示-0.20V。这表明，这两个LM45的测试电路都能以摄氏温度数值乘10mV得到输出电压值。调节LM45上预置框中的数字，即调节预置温度值，重新仿真，可以看到显示值和温度预置值是一一对应的。注意，左侧图中电路的测温范围为0～+100℃，而右侧图中电路的测温范围为-20～+100℃。

3.摄氏温度传感器LM50

LM50的测温范围为-40～+125℃，其输出电压与摄氏温度值呈线性关系，但有一个直流电压偏移量+500mV，即0℃时输出电压为+500mV，温度每升高1℃，输出电压增加+10mV。因此，LM50的输出电压范围为+100mV～+1.75V。

LM50的封装形式也是SOT-其引脚图如图35所示。LM50的供电模式为单电源供电，电源电压为4.5～10V，如图36所示。

图35LM50引脚图

图36LM50的供电模式

【例1.15】图37所示为LM50测试电路的仿真电路图，其中左右两图接法相同，都是LM50的第1脚接+5V电源，第3脚接地，第2脚接虚拟电压表。

图37LM50测试电路的仿真电路图

将左侧图中LM50上预置框中的数字（通过上下箭头按钮）调到所需温度值，如+125.0℃；再将右侧图中LM50上预置框中的数字调到-40.0℃。执行仿真，两个电压表就会显示各自温度下LM50的输出电压值，如图37所示。由图可见，左侧图中的电压表显示+1.75V，右侧图中的电压表显示+0.10V。调节LM50上预置框中的数字，即调节预置温度值，重新仿真，可以看到显示值和温度预置值加500mV的偏移量是一一对应的。

4.华氏温度传感器LM34

LM34是一种华氏温度传感器，其输出电压与华氏温度值呈线性关系，0℉时输出为0V，温度每升高1℉，输出电压增加10mV。LM34的测温范围为-50～+300℉。

LM34有3种不同封装形式，分别是TO-TO-SO-如图38所示。LM34的供电模式分为单电源与双电源两种，如图39所示。

图38LM34的封装引脚图

图39LM34的供电模式（R1=100kΩ）

【例1.16】图40所示为LM34测试电路的仿真电路图。在左侧图中，LM34的第1脚接+5V电源，第3脚接地，第2脚接电压表；在右侧图中，第2脚还与一端连接-5V电源的100kΩ电阻器相连。

图40LM34测试电路的仿真电路图

将左侧图中LM34上预置框中的数字调到所需温度值，如+300℉；再将右侧图中LM34上预置框中的数字调到-50.0℉。执行仿真，两个电压表就会显示各自温度下LM34的输出电压值，如图40所示。由图可见，此时左侧图中的电压表显示+3.01V，右侧图中的电压表显示-0.50V。这表明，这两个LM34的测试电路都能以华氏温度数值乘10mV得到输出电压值。调节LM34上预置框中的数字，即调节预置温度值，重新仿真，可以看到显示值和温度预置值是一一对应的。注意，左侧图中电路的测温范围为0～+300℉，而右侧图中电路的测温范围为-50～+300℉。

5.热力学温度传感器AD590

AD590具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，已得到广泛应用。AD590的输出形式分为电压输出和电流输出两种。

电压输出型AD590的灵敏度为10mV/K，当温度为0K（-273.15℃）时输出电压为0V，当温度为298K（25℃）时输出电压为2.982V。电流输出型AD590的灵敏度为1μA/K，其输出电流以0K为基准，温度每增加1K，输出电流增加1μA，因此在室温25℃时，其输出电流为（273+25）×1μA=298μA。

AD590的测温范围为-55～+150℃（或+218～+423K）。

AD590的电源电压范围为4～30V。

精度高：AD590共有I、J、K、L、M五个等级，其中M等级的精度最高，其非线性误差为±0.3K。

AD590是一个两端器件，它采用TO-52金属圆壳封装结构，如图41所示。图42所示的是AD590的串/并联接法。

图41AD590的TO-52金属圆壳封装

图42AD590的串/并联接法

【例1.17】图43所示为AD590测试电路的仿真电路图。左侧图是3个AD590串联的方式，第一个AD590的正极接+15V电源，3个AD590串联后，负极通过R2接地，在U0点接虚拟电压表测量输出电压，所测结果是3个AD590所处温度最低的对应电压值。右侧图是3个AD590并联的方式，3个AD590的正极接+5V电源，负极通过R1接地，在U0点接虚拟电压表测量输出电压，所测结果是3个AD590所测温度的平均值所对应电压值。这里R1=333.3Ω，R2=10kΩ。

按理说，执行仿真，虚拟电压表就会显示各自温度下AD590的输出电压值，但由于Proteus库中的AD590的模型有缺陷，所以无法显示。

6.精密热力学温度传感器LM135/235/335

LM135/235/335是一种易于标定的三端电压输出型集成温度传感器，其灵敏度为10mV/K，输出线性较好。LM1LM2LM335的测温范围不同，LM135的测温范围为-55～+150℃，LM235的测温范围为-40～+125℃，LM335的测温范围为-40～+100℃；另外，LM135和LM235的典型测量误差为±1℃，而LM335的典型测量误差为±2℃。

图43AD590测试电路的仿真电路图

LM135/235/335有两种封装形式，如图44所示。LM135/235/335的实物图如图45所示。

图44LM135/235/335的封装形式

图45LM135/235/335的实物图

LM135/235/335的输出电压是以热力学温度零度（-273℃）为基准的，温度每增加1K，其输出电压会增加10mV，因此在室温25℃时，其输出电压为（273+25）×10mV=2.98V。

【例1.18】图46所示为LM335测试电路的仿真电路图。图中，LM335的V+引脚通过R1接+12V电源，V-引脚接地，ADJ引脚悬空，在V+引脚处接虚拟电压表。

将LM335预置框中的数字调到所需温度值，如+125℃，执行仿真，虚拟电压表就会显示该温度下LM335的输出电压值，此时虚拟电压表显示+3.99V，如图46所示。调节LM335预置框中的数字，即调节预置温度值，重新仿真，可以看到显示电压值都等于温度预置值。

【例1.19】图47所示为采用3个LM335构成的测量平均温度电路的仿真电路图，第1个LM335的V+引脚通过R1接+15V电源，3个LM335串联后，第3个LM335的V-引脚接地，3个ADJ引脚均悬空，第1个LM335的V+引脚接虚拟电压表。

将3个LM335预置框中的数字调到所需温度值，如+25℃，执行仿真，虚拟电压表就会显示3个LM335串联后的输出电压值，此时虚拟电压表显示+8.94V，如图47所示。这个值恰是3个2.98V之和。调节3个LM335上预置框中的数字，使它们的环境温度各不相同，重新仿真，再将虚拟电压表显示的电压值除以便可得到这3个LM335测得的环境温度的平均值。

图46LM335测试电路的仿真电路图

图47采用3个LM335构成的测量平均温度电路的仿真电路图

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国际上有多种温标或温度体系，如摄氏温标、华氏温标和热力学温标等。

（1）摄氏温标（CelsiusTemperatureScale）：在标准大气压下，以水的冰点为0℃，水的沸点为100℃，中间分为100等份的温标，每等份为1℃。这是目前世界上使用比较广泛的一种温标。由18世纪瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯提出。1990国际温标（ITS-90）对摄氏温标和热力学温标进行了统一，规定摄氏温标由热力学温标导出，即0℃=273.15K。

（2）华氏温标（FahrenheitThermometricScale）：在标准大气压下，以水的冰点为32℉，水的沸点为212℉，中间分为180等份，每等份为1℉。目前，许多英语国家仍采用华氏温标。

（3）热力学温标（ThermodynamicTemperatureScale）：这是一种纯理论上的温标，建立在卡诺循环基础上，规定-273.15℃为零点（称为绝对零点），其分度法与摄氏温标相同（即热力学温标相差1K时，摄氏温标相差1℃），所不同的只是热力学温标中将水的冰点定为273.15K，沸点定为373.15K。热力学温标又称开氏温标，也称绝对温标、绝对温度，其单位K是国际单位制（IS）中7个基本单位之一。

热力学温标的特点是没有负值；华氏温标的特点是精度较高，因为它把水的冰点至沸点间的温度分成了180份。图48所示的是摄氏温标、华氏温标和热力学温标的比较图。

图48摄氏温标、华氏温标和热力学温标的比较图

1.压力的概念

在工程上，把介质（包括气体或液体）垂直均匀作用在单位面积上的力称为压力。压力P可用下式表示：

式中，F为作用力，S为面积，P为压力。

压力的大小常用两种表示方法，即绝对压力和表压力。所谓绝对压力，是从绝对真空算起的、作用在单位面积上的总压力；而表压力是指物体受到超出大气压力的压力大小。压力的单位是帕斯卡，简称帕（Pa）。

2.压力传感器MPX4250

MPX4250是一种绝对压力传感器，测压范围为20～250kPa，相应的输出电压为0.2～4.9V，工作温度范围为-40～+125℃，工作电源电压为+5V。

MPX4250的外形及引脚排列如图49所示。各引脚功能如下：Vout—输出；Gnd—地；VS—+5V电源输入端；第4～6脚均悬空。

图49MPX4250的外形及引脚排列

图50所示为MPX4250的输出电压与压力的关系图。由图可见，Uout=US（0.004）±Error，其中Error为误差调整系数。

【例1.20】图51所示为MPX4250测试电路的仿真电路图。图中的M1和M2都是MPX42两个MPX4250的接线方式完全相同，第1脚接虚拟电压表，第2脚接地，第3脚接+5.1V电源，第4～6脚均悬空。

将M1上预置框中的数字调到20.0kPa，再将M2上预置框中的数字调到250.0kPa，执行仿真，两个虚拟电压表就会显示各自压力下的输出电压值，如图51所示。

图50MPX4250的输出电压与压力的关系图

图51MPX4250测试电路的仿真电路图