专题5温度传感器

专题5温度传感器2023/2/512023/2/52温度测量的基本概念

温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。

模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！低温高温2023/2/535.1概述5.1.1温标温标：温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。1）国际上常用的温标（1）热力学温标(K,开尔文):它规定从“绝对零”(absolutezero)至水的三相（固、液、气）点温度（相当于摄氏0℃）之间划分273.16等分，每一等分为1K。（2）摄氏温标(℃，摄氏度)。以热力学温度与比水三相点低0.01K的热状态之差表示的温度。摄氏温度t与热力学温度T之间的数值关系为t（℃）=T（K）−273.15 （3）华氏温标（˚F，华氏度）。分度方法是在标准大气压下，将冰的融点定为32˚F，把水的沸点定为212˚F，在这两固定点间划分180等分，每一等分为1˚F。华氏温标（m）与摄氏温标（n）的关系为:m=(1.8n+32)˚F，n=5(m－32)/9℃

2023/2/54几种温标的对比正常体温为37C

，相当于华氏温度多少度？2023/2/55热力学温标（K）

热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K）。威廉·汤姆逊·开尔文勋爵像2023/2/561990国际温标(ITS-90)

从1990年1月1日开始在全世界范围内采用1990年国际温标，简称ITS-90。它定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如水的三相点为273.16K（0.01C）等。

2023/2/575.1.1温标1）国际上常用的温标（4）国际温标。从实用角度建立的一种温标，与热力学温标基本一致，且温度复现性好，以保证国际上温度量值传递的一致性和准确性。目前最新国际温标ITS—90内容为：①按温度高低分成4个温区来定义（即0.65～5.2K、4.2～24.6K、13.8K～961.78℃和>961.78℃），并对每个区指定了标准测温仪器和内插公式。②规定了17种高纯度物质（He、Ne、H2、O2、Ar、Hg、H2O、Ga、In、Sn、Zn、Al、Ag、Au、Cy……）的相平衡点温度作为温度基准点，如水（H2O）三相点273.16K或0.01℃；银（Ag）的凝点为1234.93K或961.78℃。③规定热力学的温度为基本温度，用符号T表示，单位为K。同时规定还可以使用摄氏温度，并以t表示，单位为℃。此时有数值关系T=t+273.15。2023/2/585.1.2温度测量的特点温度是一个非常重要的物理参数，它和自然界中的任何物理和化学过程相联系。温度变化影响物质的许多物理特性等。生产过程和温度紧密相联。各领域都特别重视温度的测量和控制。宏观上看，温度是物体冷热程度的表示；热平衡的两物体，其温度相等。微观上看，温度是物体内部分子无规则运动激烈程度的标志。温度越高，分子运动越激烈。温度测量的特殊性：（1）无可用基本标准直接进行比较；（2）温度是以热平衡为基础的，只能进行温度相等或不相等的描述，不能对两个温度相加或相减。2023/2/595.1.3测温方法与传感器的分类温度的特殊性形成了温度测量的多样性。测温方法有两类。（1）接触式测温

感温元件直接接触被测对象，通过充分热交换，达到热平衡时，感温元件的某一物理参量值代表被测对象的温度。特点：直观可靠，但感温元件影响被测温度场分布，接触不良带来误差，高温和腐蚀性介质影响感温元件性能和寿命。常见测温仪：①膨胀式温度计；②电阻温度计；③热电偶温度计；④其他原理的温度计。（2）非接触式测温通过辐射进行热交换，不破坏原有温场；有较高的测温上限；热惯性小，适于测量运动物体的温度和快变的温度。2023/2/510

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。

2023/2/511介绍几种温度测量方法

示温涂料（变色涂料）装满热水后图案变得清晰可辨2023/2/512变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散热风扇低温时显示蓝色温度升高后变为红色2023/2/513体积热膨胀式

不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。

气体的体积与热力学温度成正比2023/2/514红外温度计2023/2/515热电偶测温的主要优点

1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；

2、测温范围广：下限可达-270C

，上限可达1800C以上；

3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。2023/2/516

(3)测温范围分区与其测量手段超低温：0～10K，低温：1～800K，中温：500～1600℃，高温：1600～2500℃，超高温：2500℃以上。超低温，现有方法都只能测该范围内的个别小区段。例如低于1K的采用磁性温度传感器，高于4K的用热噪声温度传感器。低温，测量的特殊在于感温元件对被测温度场的影响，不宜用热容大的感温元件。中、高温，需防止有害介质的化学作用和热辐射影响感温元件，常用耐火的外套保护元件。低于1300℃的温度，一般用陶瓷外套，测更高温度用难熔材料(刚玉)外套并充惰性气体。超高温，因物质处于等离子体状态，不同粒子的能量对应的温度不同，且可能相差较大，变化规律也不同。应根据不同情况使用亮度温度计和比色温度计来测量。2023/2/5175.2PN结温度传感器

PN结的温度特性

二极管的正向电压降UD以-2mV/℃变化2023/2/518集成温度传感器的类型

集成温度传感器可分为：模拟型集成温度传感器和数字型集成温度传感器。模拟型的输出信号形式有电压型和电流型两种。电压型的灵敏度多为10mV/℃（以摄氏温度0℃作为电压的零点），电流型的灵敏度多为1μA/K（以绝对温度0K作为电流的零点）；数字型又可以分为开关输出型、并行输出型、串行输出型等几种不同的形式。

2023/2/519电压输出型集成温度传感器——

LM35/45LM35/45的外形及引脚图

2023/2/520电压输出型集成温度传感器

——

LM35/45

LM35/45构成的摄氏温度测量电路及组装成的测温传感器2023/2/521在电脑中，集成温度传感器用于CPU散热保护电路散热风扇集成温度ICCPU插座CPU散热片2023/2/522MAX6502用于控制散热风扇的转速当CPU进行复杂运算时，风扇处于全速运行。场效应管功率驱动2023/2/5235.3热电阻温度传感器

一、金属热电阻

温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。2023/2/524

取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484

。

2023/2/525易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻

2023/2/526表2-2热电阻的主要技术性能

2023/2/527图2-21

热敏电阻的外形、结构及符号

a）圆片型热敏电阻b）柱型热敏电阻c）珠型热敏电阻d）铠装型e）厚膜型f）图形符号1—热敏电阻2—玻璃外壳3—引出线4—紫铜外壳5—传热安装孔

薄膜型及普通型铂热电阻

2023/2/529小型铂热电阻

2023/2/530防爆型铂热电阻

2023/2/531汽车用水温传感器及水温表

铜热电阻2023/2/532学习查“铂热电阻分度表”附录铂热电阻分度表

2023/2/533铂电阻温度显示、变送器2023/2/534可设定温度的温度控制箱

旋转式机械设定开关

拨码式设定开关2023/2/535热电阻的测量转换电路2023/2/5362023/2/5372023/2/538二、热敏电阻

热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分。

NTC又可分为两大类：第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系；第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降。2023/2/539下图所示的五根曲线分别为哪一种热敏电阻？123452023/2/540热敏电阻外形

MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻其他形式的热敏电阻

玻璃封装NTC热敏电阻MF58型热敏电阻其他形式的热敏电阻

带安装孔的热敏电阻大功率PTC热敏电阻2023/2/543其他形式的热敏电阻（续）

贴片式NTC热敏电阻2023/2/544其他形式的热敏电阻（续）

MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻MF5A-3型热敏电阻（参考深圳科蓬达电子有限公司资料）非标热敏电阻非标热敏电阻（续）

非标热敏电阻（续）

2023/2/548热敏电阻温度面板表

热敏电阻

LCD2023/2/549热敏电阻体温表

2023/2/550热敏电阻体温表的调试、标定方法

调试时，应该先调哪一只电位器，再调哪一只电位器？如何检验表面刻度中其他各点是否准确？具体步骤如何进行？

2023/2/551热敏电阻用于CPU的温度测量

（参考小熊在线公司资料）2023/2/552热敏电阻用于电热水器的温度控制

2023/2/553铂电阻传感器构成的温度检测控制电路2023/2/5542023/2/5552023/2/5562023/2/5575.4热电偶

本结学习的主要内容有:1、热电偶的构成要求；2、了解热电偶的工作原理，了解热电偶的分类及特点；3、掌握控温仪表的接线方法。2023/2/558先看一个实验——热电偶工作原理演示

结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）

热电偶的工作原理

左端称为：测量端（工作端、热端）

热电极B热电势AB2023/2/559通过以上演示得出结论

——有关热电偶热电势的讨论

热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δt

的函数：

EAB（T，T0）=eAB（

T）-eAB（

T0

）热电势大致与两个结点的温差Δt

成正比2023/2/560从实验到理论：热电效应

1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）

。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。

2023/2/561结点产生热电势的微观解释及图形符号

两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。

自由电子＋ABeAB（

T）T2023/2/562热电偶的种类及结构

八种国际通用热电偶：

B:铂铑30—铂铑6

、R:铂铑13—铂、S:铂铑10—铂、K:镍铬—镍硅、N:镍铬硅—镍硅、E:镍铬—铜镍、J:铁—铜镍、

T:铜—铜镍

用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝几种常用热电偶的测温范围及热电势

分度号

名称

测量温度范围

1000C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820C4.834R铂铑13—铂-50～1768C10.506S铂铑10—铂-50～1768C9.587K镍铬－镍铬

(铝)-270～1370C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？2023/2/564几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析

哪种热电偶的测温上限较高？

结论：

哪种热电偶的线性较差？

哪一种热电偶的灵敏度较高？

哪一种热电偶的灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？热电偶的分度表

——热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法

我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。

直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。

本教材p317的附录E列出了工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表。如何利用热电偶的分度表

假设热电偶的冷端温度为0C，请根据本教材p317的附录E——工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表，查出－100C

、0C、

100C

时的热电势。数字式温度表温度上限设定值温度上限值设定键K热电偶的分度表

比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？2023/2/568如何由热电偶的热电势查热端温度值

设冷端为0C，根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx

。2023/2/569普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰2023/2/570普通装配型热电偶的

结构放大图

接线盒引出线套管

固定螺纹

（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）

不锈钢保护管

2023/2/571铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）

BA绝缘材料铠装型热电偶横截面2023/2/572铠装型热电偶

铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。

铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。

2023/2/573隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线2023/2/574隔爆型热电偶

结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。

使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。2023/2/575其他热电偶外形小形K型热电偶2023/2/576如何根据常用电路设备的要求接线利用XMT仪表组成热电偶测温、控温电路热电偶2023/2/577

请将右图各有关设备正确地连接起来，组成热电偶测温、控温电路。黄绿红L1

L2

L3

接大地铜排接零热电偶输出端电炉交流接触器三相空气开关2023/2/578380V线圈的交流接触器连接过程

当温度控制器测得的温度达到设定值时，5-6两端开路，交流接触器失电，电炉回路被切断。接大地铜排黄绿红L1

L2

L3

电炉接零“3”端接何处热电偶再看一次2023/2/579热电偶冷端的延长

采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。

型号配用热电偶正-负导线外皮颜色正-负SC铂铑10-铂红-绿KC镍铬-镍硅红-蓝WC5/26钨铼5-钨铼26

红-橙

补偿导线在0～100C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。补偿导线型号（续）型号配用热电偶正-负型号导线外皮颜色正-负100C时的热电势/mVRCR（铂铑13—铂）RC红-绿0.647NCN（镍铬硅—镍硅）NC红-黄2.744EXE（镍铬—铜镍）EX红-棕6.319JXJ（铁—铜镍）JX红-紫5.264TXT（铜—铜镍）

TX红-白4.2792023/2/581补偿导线外形

A’B’屏蔽层保护层2023/2/582热电偶的冷端温度补偿

必要性：

1、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0C，而且也不恒定，因此将产生误差。

2、一般情况下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。2023/2/583冷端温度补偿的方法

一、冷端恒温法：将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0C不变。此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0C而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。

2023/2/584冰浴法

在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在0C不变。2023/2/585冰浴法接线图

1—被测流体管道

2—热电偶

3—接线盒

4—补偿导线

5—铜质导线

6—毫伏表

7—冰瓶

8—冰水混合物

9—试管

10—新的冷端

2023/2/586二、计算修正法

当热电偶的冷端温度t00C时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0C时所测得的热电势EAB（t，0C）不等。若冷端温度高于0C，则EAB（t，t0）<EAB（t，0C）。可以利用下式计算并修正测量误差：

EAB（t，0C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0C）2023/2/587计算修正法举例

右图所示为镍铬-镍硅（K）热电偶测温电路，热电极A、B直接焊接在钢板上（V型焊接），A’、B’为补偿导线，Cu为铜导线，已知接线盒1的温度t1=40C，冰瓶中为冰水混合物，接线盒3的温度t3=20.0C。求：1）冰瓶的温度t2；2）将热电极直接焊在钢板上是应用了热电偶的什么定律？3）当Ux=29.9mV时，估算被测点温度tx；4）如果冰瓶中的冰完全融化，温度上升，与接线盒1的温度相同，此时Ux=27.3mV，再求tx。2023/2/588三、仪表机械零点调整法

用螺丝刀调节仪表面板上的“机械零点”，使指针指到气温t0（图中为40C）的刻度上。机械零点指针被预调到室温（40C

）可补偿冷端损失2023/2/589四、电桥补偿法

XT-WBC热电偶冷端补偿器

电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。

2023/2/590热电偶的应用及配套仪表

由于我国生产的热电偶均符合ITS-90国际温标所规定的标准，其一致性非常好，所以国家又规定了与每一种标准热电偶配套的仪表，它们的显示值为温度，而且均已线性化。国家标准的动圈式显示仪表命名为XC系列。有指示型（XCZ）和指示调节型（XCT）等系列品种。与K型热电偶配套的动圈仪表型号为XCZ-101或XCT-101等。数字式仪表也有指示型（XMZ）和指示调节型（XMT）等几种系列品种。

2023/2/591XCZ系列指针式显示仪表

XC系列动圈式仪表测量机构的核心部件是一个磁电式毫伏计。动圈式仪表与热电偶配套测温时，热电偶、连接导线（补偿导线）、调整电阻和显示仪表组成了一个闭合回路。

1—热电偶2—补偿导线