湘潭大学传感器原理传感器期末复习

1、3 4 5 6 6 热电式传感器是利用热电式传感器是利用转换器的电磁参数转换器的电磁参数(电阻、电电阻、电 势、磁导势、磁导)随温度变化的特性随温度变化的特性来完成测量温度目的。来完成测量温度目的。 其中将温度转换为电阻变化的称为热电阻和热敏电其中将温度转换为电阻变化的称为热电阻和热敏电 阻传感器；将温度转换成电势变化的称为热电偶传阻传感器；将温度转换成电势变化的称为热电偶传 感器。这两种传感器目前已在工业和科研领域中得感器。这两种传感器目前已在工业和科研领域中得 到广泛应用，并有与其相配套的显示和记录及控制到广泛应用，并有与其相配套的显示和记录及控制 仪表可选用。仪表可选用。 第九章 热电式

2、传感器 7 温度变化温度变化 第九章 热电式传感器 热电式传感器热电式传感器电量变化电量变化 电阻电阻 电势电势 热热 电电 阻阻 热热 电电 偶偶 晶晶 体体 管管 8 携带式表面热电偶携带式表面热电偶 NR-30 型号：型号：Nr-81530 分度号：分度号：K、E、J 导线长度：导线长度：1800 手柄材质：塑料手柄材质：塑料 使用温度范围：使用温度范围：- 50+700 应用：液体、熔应用：液体、熔 体；铠装、体；铠装、 SUS316 9 9.1 热电阻传感器热电阻传感器 热阻效应：热阻效应：大部分材料的电阻或电阻率随温度变化而变化。大部分材料的电阻或电阻率随温度变化而变化。 A l

3、R 尺寸变量都是随温度变化的，但假定只有电阻率随温度的变尺寸变量都是随温度变化的，但假定只有电阻率随温度的变 化是最显著的。化是最显著的。 纯金属电阻随温度的升高而升高，称纯金属电阻随温度的升高而升高，称“正温度系数正温度系数” 半导体的电阻随温度的升高而减小，称半导体的电阻随温度的升高而减小，称“负温度系数负温度系数”。测温。测温 范围为范围为200500；随着科学技术的进步，热电阻的测温范围；随着科学技术的进步，热电阻的测温范围 已扩展到已扩展到15K的超低温领域，同时，在的超低温领域，同时，在10001200温度范围温度范围 内也有足够好的特性。内也有足够好的特性。 10 热敏电阻的物理

4、过程：吸收辐射，产生升温，从而引起材料热敏电阻的物理过程：吸收辐射，产生升温，从而引起材料 电阻的变化，其机理很复杂。电阻的变化，其机理很复杂。 半导体材料制成的热敏电阻可以定性的解释为，吸收辐射后，半导体材料制成的热敏电阻可以定性的解释为，吸收辐射后， 材料中电子的动能和晶格的振动能都有增加。因此，其中部材料中电子的动能和晶格的振动能都有增加。因此，其中部 分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，从而使电阻减分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，从而使电阻减 小。小。 金属材料制成的热电阻，因其内部有大量的自由电子，在能金属材料制成的热电阻，因其内部有大量的自由电子，在能 带结构上无禁带，

5、吸收辐射产生升温后，自由电子浓度的增带结构上无禁带，吸收辐射产生升温后，自由电子浓度的增 加是微不足道的，相反，因晶格振动的加剧，妨碍了电子的加是微不足道的，相反，因晶格振动的加剧，妨碍了电子的 自由运动，从而电阻系数是正的，且其绝对值小于半导体。自由运动，从而电阻系数是正的，且其绝对值小于半导体。 11 热电阻是热电阻是中低温区中低温区最常用的一种温度检测最常用的一种温度检测 器。它的主要特点是测量精度高，性能稳器。它的主要特点是测量精度高，性能稳 定。其中定。其中铂热电阻铂热电阻的测量精确度是最高的的测量精确度是最高的 ，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制，它不仅广泛应用于工业测温，而且被

6、制 成标准的基准仪。成标准的基准仪。 应用于应用于-200600-200600范围内范围内 的温度测量的温度测量 12 一、金属热电阻：一、金属热电阻： 2、热电阻的材料特点热电阻的材料特点： A、温度系数高（温度系数高（/C0），），电阻率高；电阻率高； B、化学、物理性质稳定，以确保测量准确性；化学、物理性质稳定，以确保测量准确性； C、线性输出特性：线性输出特性：R与与T成正比；成正比； D、好加工，成本低。好加工，成本低。 1、原理：原理：电阻率的温度系数定义电阻率的温度系数定义 dT d r 0 1 对于线性区的金属，用二次展开式可以很好的描述电阻率对于线性区的金属，用二次展开式可以

7、很好的描述电阻率 )1 ( 2 0 TT 0 0时的标准电阻率时的标准电阻率 T r 2 电阻率线性温度系数，典型值电阻率线性温度系数，典型值510-3/K 13 3、铂、铜热电阻的特性（应用最广）：、铂、铜热电阻的特性（应用最广）： 铂电阻与温度关系：铂电阻与温度关系： 0-630.755：Rt=R0(1+At+Bt2) -190-0：Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3 铂电阻的材料特性：铂电阻的材料特性： R100，R0100，0时的铂电阻值；时的铂电阻值； W（100）越高表示铂电阻纯度越高。越高表示铂电阻纯度越高。 W（100）=1.391时时 A-常数（常数（3.968

8、4710-3/ ） B-常数（常数（-5.84710-7/2 ） C-常数（常数（-4.2210-12/4 ） 0 100 100 R R W）（ 14 用于高精度的工业测量，但铂贵，一般用铜，铜在用于高精度的工业测量，但铂贵，一般用铜，铜在-50 到到150稳稳 定可靠。铜电阻与温度关系：定可靠。铜电阻与温度关系： Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3) 其中：其中：A= 4.28899 10-3 / B= -2.133 10-7 / 2 C=1.233 10-9 / 3 温度高于 温度高于100 易氧化，故用于低温测量。易氧化，故用于低温测量。 3、其他热电阻：近年发展了一些超低温测量电阻

9、。、其他热电阻：近年发展了一些超低温测量电阻。 铟电阻：铟电阻：-269 -258 此段灵敏度比铂高此段灵敏度比铂高10倍；材料软，复制性差倍；材料软，复制性差 锰电阻：锰电阻：-271 -210 灵敏度高，但易脆，难拉丝；灵敏度高，但易脆，难拉丝； 碳电阻：碳电阻：-273 -268.5 灵敏度高，热容小，低廉，灵敏度高，热容小，低廉， 操作方便，但热稳定性差。操作方便，但热稳定性差。 4、测量电路：、测量电路： 常用电桥电路。电阻温度计的测量电路最常用的是电桥电路，精常用电桥电路。电阻温度计的测量电路最常用的是电桥电路，精 度要求高为了消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测度要求高为

10、了消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测 量误差，常采用三线和四线制连接方法。量误差，常采用三线和四线制连接方法。 15 16 18 17 19 18 二、半导体热敏电阻二、半导体热敏电阻 各种金属氧化物、硫化物、硒化物或硅、锗。半导各种金属氧化物、硫化物、硒化物或硅、锗。半导 体热敏电阻的精度和稳定性比金属热敏电阻差一些，体热敏电阻的精度和稳定性比金属热敏电阻差一些， 但它们大规模生产成本较低，并且能够提供集成的但它们大规模生产成本较低，并且能够提供集成的 接口电路，以便与其他元件一起集成。接口电路，以便与其他元件一起集成。 Thermistor-半导体热敏电阻。半导体热敏电阻。 Th

11、ermoresistor-金属热敏电阻。金属热敏电阻。 19 1、热敏电阻的特点：、热敏电阻的特点： A、负温度系数热敏电阻（负温度系数热敏电阻（NTC） B、正温度系数热敏电阻（正温度系数热敏电阻（PTC） C、临界温度系数热敏电阻（临界温度系数热敏电阻（CTR） 与热电阻相比：与热电阻相比： 电阻温度系数大，灵敏度高；电阻温度系数大，灵敏度高； 结构简单，体积小，可测点温度；结构简单，体积小，可测点温度； 电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；电阻率高，热惯性小，适宜动态测量； 易于维护和进行远距离控制；易于维护和进行远距离控制； 制造简单，使用寿命长；制造简单，使用寿命长； 不足之处互换性差

12、，非线性严重。不足之处互换性差，非线性严重。 20 负温度负温度导电机理：导电机理：温度低时，大部分电子落在势阱中，温度低时，大部分电子落在势阱中， 不能导电。温度越高时，跳出势阱的电子就越多，即电不能导电。温度越高时，跳出势阱的电子就越多，即电 阻就越低，故表现出负的温度系数。阻就越低，故表现出负的温度系数。 PTC和和CTR主要用于温度开主要用于温度开 关装置，如过热保护、发热关装置，如过热保护、发热 源的定温控制，也可作为限源的定温控制，也可作为限 流元件。流元件。 NTC主要是由主要是由Mn、C0 、Ni 、 Fe等过渡金属氧化物组成的等过渡金属氧化物组成的 复合烧结体，根据其成分可复

13、合烧结体，根据其成分可 调节电阻值和温度特性。调节电阻值和温度特性。 21 热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（Co）、锰）、锰 （Mn）、镍（）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配）等的氧化物采用不同比例配 方，高温烧结而成。其形状有珠状、片状、杆状方，高温烧结而成。其形状有珠状、片状、杆状 、垫圈状等。、垫圈状等。 22 热敏电阻外形热敏电阻外形 MF12MF12型型 NTCNTC热敏电热敏电 阻阻 聚脂塑料封装 热敏电阻 23 其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 玻璃封装玻璃封装 NTC热敏电阻热敏电阻 MF58 型热敏电阻 大功率PTC热敏电阻 24

14、25 26 27 2、负温度系数热敏电阻的特性。、负温度系数热敏电阻的特性。 （1）温度特性：温度特性： ) 11 (exp ref ref TT 参考温度为25度。是材料常数。 半导体热敏电阻的电阻系数为： 2 1 TdT d ref 28 电阻随温度的变化较大，因此可以将半导体热敏电电阻随温度的变化较大，因此可以将半导体热敏电 阻和基本的运算放大器一起使用，而不必与精密的电阻和基本的运算放大器一起使用，而不必与精密的电 桥使用。例如，只需使用一个带有标准电阻桥使用。例如，只需使用一个带有标准电阻R的分压的分压 器和一个电压放大器如器和一个电压放大器如741运算放大器来缓冲信号就运算放大器来

15、缓冲信号就 足够了。足够了。 R R 温度传感器 741 VCC VOUT 0 29 （2）伏安特性）伏安特性 由图热敏电阻的伏安特性曲线知，电流通过热敏电由图热敏电阻的伏安特性曲线知，电流通过热敏电 阻电流较小时，呈直线关系，服从欧姆定律；当电流阻电流较小时，呈直线关系，服从欧姆定律；当电流 增加时，热敏电阻自身温度明显增加。由于负温度系增加时，热敏电阻自身温度明显增加。由于负温度系 数关系，阻值下降。于是电压上升减慢，当电流再增数关系，阻值下降。于是电压上升减慢，当电流再增 加，电压下降。由此可见，热敏电阻非线性严重。加，电压下降。由此可见，热敏电阻非线性严重。 v 当电流增大到一定值时，

16、流过热敏电阻当电流增大到一定值时，流过热敏电阻 的电流使之加热，本身温度升高，出现的电流使之加热，本身温度升高，出现 负阻特性，因电阻减小，即使电流增大，负阻特性，因电阻减小，即使电流增大， 端电压反而下降，其所能升高的温度与端电压反而下降，其所能升高的温度与 环境条件环境条件(周围介质温度及散热条件周围介质温度及散热条件)有有 关。当电流和周围介质温度一定时，热关。当电流和周围介质温度一定时，热 敏电阻的阻值取决于介质的流速、流量、敏电阻的阻值取决于介质的流速、流量、 密度等散热条件。根据这一原理，可用密度等散热条件。根据这一原理，可用 它来测量流体流速和介质密度等。它来测量流体流速和介质密

17、度等。 30 （ 3）安时特性安时特性 流过热敏电阻的电流与时间的关流过热敏电阻的电流与时间的关 系，称为安时特性，如图所示。系，称为安时特性，如图所示。 所谓安时特性，是表示热敏电阻所谓安时特性，是表示热敏电阻 在不同外加电压下，电流达到稳在不同外加电压下，电流达到稳 定最大值所需要的时间。定最大值所需要的时间。 热敏电阻通电以后，一方面使自身温度升高；另一方面向周围热敏电阻通电以后，一方面使自身温度升高；另一方面向周围 介质散热，只有在单位时间内从电流得到的能量与向周围介质介质散热，只有在单位时间内从电流得到的能量与向周围介质 散发的热量相等而达到热平衡时，才有相应的平衡温度输出、散发的热

18、量相等而达到热平衡时，才有相应的平衡温度输出、 即有确定的电阻值。完成一个热平衡过程所需要的时间，就是即有确定的电阻值。完成一个热平衡过程所需要的时间，就是 达到稳定最大电流值的时间。可通过采用选择热敏电阻的结构达到稳定最大电流值的时间。可通过采用选择热敏电阻的结构 及应用相应的电路来调整这个时间。对于一般结构的热敏电阻，及应用相应的电路来调整这个时间。对于一般结构的热敏电阻， 其值在其值在0.51s之间。之间。 I 0 10 20 30 40 12345 31 3、近代热敏电阻的特性：、近代热敏电阻的特性： 玻璃封装热敏电阻：玻璃封装热敏电阻： 125 上升到上升到300 响应时间由响应时间

19、由30秒加快到秒加快到6秒，稳定性为秒，稳定性为 +/-（3-1） 氧化物热敏电阻的灵敏度都比较高，但只能低于氧化物热敏电阻的灵敏度都比较高，但只能低于300 时时 工作，近期用硼卤化物与氢还原研究成硼热敏电阻，在工作，近期用硼卤化物与氢还原研究成硼热敏电阻，在700 高温时仍然满足灵敏度，可用于测量液体流速、压力、高温时仍然满足灵敏度，可用于测量液体流速、压力、 成分等。成分等。 近期研制的近期研制的CaO,Sb2O3, WO3和和CaO,Sn2O3, WO3两种热敏两种热敏 电阻，在电阻，在-100-300 范围内，特性曲线呈线性关系，解决范围内，特性曲线呈线性关系，解决 了负温度系数热敏

20、电阻存在非线性问题了负温度系数热敏电阻存在非线性问题 有机导体四碌二甲烷新型材料，电阻率随温度迅速变化的有机导体四碌二甲烷新型材料，电阻率随温度迅速变化的 特性，可做定时器。特性，可做定时器。 32 用用金属电阻与热敏电阻串并联金属电阻与热敏电阻串并联实现非线性校正。实现非线性校正。 利用温度系数很小的电阻与热敏电阻串联或并联，利用温度系数很小的电阻与热敏电阻串联或并联， 使等效电阻与温度的关系在一定的温度范围内呈使等效电阻与温度的关系在一定的温度范围内呈 线性，如图所示。线性，如图所示。 4、非线性校正、非线性校正 热敏电阻的最大缺点是温度特性呈曲线状态，很难用均匀热敏电阻的最大缺点是温度特

21、性呈曲线状态，很难用均匀 的刻度来表示宽温度范围。故在当今数字化的进程中，热的刻度来表示宽温度范围。故在当今数字化的进程中，热 敏电阻的线性化显得极为重要。敏电阻的线性化显得极为重要。 RtRc R 1 min max min min min max max max RR RR RR RR R RR RR R RR RR R RR RR R mid mid c c c c cmid cmid mid ct ct A 并联并联 33 ct t RR R EE 0 Rt Rc E mid mid c RRR RRRRR R 2 2)( maxmin maxminmaxmin min max RRR

22、Rmidmid mid mid c RRR RRRRR R 2 2)( maxmin maxminmaxmin B 串联串联 同理可推导：同理可推导： 34 9-2 热电偶传感器热电偶传感器 35 一、热电效应及其工作定律一、热电效应及其工作定律： 1、热电效应、热电效应： 热电效应示意图热电效应示意图 A B TT0 EAB（T，T0） 如图所示由如图所示由A、B两种材料组成的回路，接点处的温度两种材料组成的回路，接点处的温度 为为T、T0，且不等，两者之间将产生一热电势，在回路且不等，两者之间将产生一热电势，在回路 中形成一定大小的电流。这种现象叫做叫热电效应。利中形成一定大小的电流。这种

23、现象叫做叫热电效应。利 用这种效应制成的传感器称为热电偶。用这种效应制成的传感器称为热电偶。热电势热电势由两部分由两部分 组成：组成：接触电势接触电势和和温差电势温差电势，分别是由，分别是由珀尔贴效应珀尔贴效应和和汤汤 姆逊效应姆逊效应引起的。引起的。 36 37 38 接触电势（珀尔贴效应）接触电势（珀尔贴效应） A + - |珀尔贴效应示意图珀尔贴效应示意图 B 同温度的两种不同金属接触时，由于不同导体的自由电子密度不同，同温度的两种不同金属接触时，由于不同导体的自由电子密度不同， 金属电子的逸出功不同，就有电子从逸出功低的一方迁到另一方，金属电子的逸出功不同，就有电子从逸出功低的一方迁到

24、另一方， 失去电子一方呈正电位，得到电子的为负电位。当扩散到平衡时，失去电子一方呈正电位，得到电子的为负电位。当扩散到平衡时， 接触处形成电势称为接触电势。其大小与材料有关，也与温度有关。接触处形成电势称为接触电势。其大小与材料有关，也与温度有关。 EAB(T)-为为A、B在在T时的接触势；时的接触势； K-波尔兹曼常数；波尔兹曼常数； e-电子电荷；电子电荷； NA、NB -金属金属A、B的自由电子密度；的自由电子密度； T-结点的绝对温度。在热电效应示意图中总接触电势为结点的绝对温度。在热电效应示意图中总接触电势为 EAB(T)-EAB(T0)=K（T-T0）/e (NA/NB) A B

25、T T0 1 ( )ln=ln()ln( ) ABB ABBA BAA kTNkTNkTN ETET eNeNeN 39 温差电势（汤姆逊效应）：温差电势（汤姆逊效应）： T T0 A B T T0 对同一金属，如果两端的温度不同，对同一金属，如果两端的温度不同， 则温度高端的自由电子向低端迁移，形成电势，称为则温度高端的自由电子向低端迁移，形成电势，称为 温差电势。温差电势。 EA(T，T0)-金属金属A两端的温度为两端的温度为T、T0时的温差电势；时的温差电势； A-温差系数；温差系数； 0 0 00 ( ,)(, ) TT AAAA TT ET TdTdTET T EA(T，T0)-EB

26、(T，T0)=T0T（A B ）dT 在热电效应示意图中在热电效应示意图中总温差电势总温差电势为：为： 40 EAB(T)称为热端分热电势称为热端分热电势；EAB(T0)称为冷端分热电势称为冷端分热电势； 0 0 0000 0 0 00 0 ( ,)( )()( ,)( ,) ( )()() ( )() ()() ( )() ABABABAB T ABABAB T T T ABABABAB ABAB ET TETETE T TE T T ETETdT ETdTETdT ETET 回路总的热电势回路总的热电势 41 当热电偶两个电极的材料不同，且当热电偶两个电极的材料不同，且A和和B材料固定后，

27、材料固定后， 热电势热电势EAB(T，T0)便为两结点温度便为两结点温度T，T。的函数，即的函数，即 EAB(T，T0)=EAB(T)-EAB(T0) 若两电极材料相同，即若两电极材料相同，即NA=NB， ，A=B 。虽然两端温 虽然两端温 度不同，但闭合回路总电势为度不同，但闭合回路总电势为0，因此必须用两种不同，因此必须用两种不同 材料做热电极。材料做热电极。 若若T=T0， ，虽材料不同，闭合回路中也不会产生热电 虽材料不同，闭合回路中也不会产生热电 势。势。 0 0 00 00 0 00 ( ,)( )() ()() () () T T ABABABABAB T T aa ABAB b

28、b ET TETdTETdT nKTnKT lndTlndT enen 42 000 ,ln A ABABAB B Nk ET TeTeTTT eN 43 2、工作定律：、工作定律：（热电偶的基本定律）（热电偶的基本定律） 中间导体定律：中间导体定律： 连接导体定律与中间温度定律：连接导体定律与中间温度定律： 参考电极定律：参考电极定律： ABA CBC 均质导体定律：均质导体定律： 44 均质导体定律均质导体定律： 45 A、T=T0： 中间导体定律：中间导体定律：如图，如图，AB结点为结点为T，其余为其余为T0， ， 可以证明：可以证明：EABC(T，T0)=EAB(T，T0) 0)ln(

29、 )ln()ln()ln()()()( )()()(),(),( 000 000000 A C C B B A A C C B B A CABCAB CABCABABCABC N N N N N N e KT N N e KT N N e KT N N e KT TETETE TETETETTETTE 在各导体两端温度相同，故温差电势为0， 只有接触电势 46 B、TT0; )()(),( )()()( )()()(),( 00 000 000 TETETTE TETETE TETETETTE ABABABC CABCAB CABCABABC 这说明：引入第三导体，只要第三导体两端温度相同，这

30、说明：引入第三导体，只要第三导体两端温度相同， 材质均匀，对总回路电势无作用。这也是热电偶测量温度材质均匀，对总回路电势无作用。这也是热电偶测量温度 的基础理论。的基础理论。 T0T0 B T A C 47 在热电偶回路中，若导体在热电偶回路中，若导体AB分别分别 与连接导体与连接导体A1，B1相接，接点温度相接，接点温度 分别为分别为T，T0，T1，如右图所示，如右图所示， 回路的总电势为：回路的总电势为： 连接导体定律与中间温度定律：连接导体定律与中间温度定律： 1 111 11 11 11 0110 10101 ( ,)( )( )()( ) ABB AABBBB AA A TT TT

31、AABB TTTT ET T TETETETET dTdTdTdT )()()ln()ln()ln( )ln()ln()ln()()( 1 1 111 111 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 11 TETE N N e KT N N e KT N N N N e KT N N N N e KT N N e KT N N e KT TETE ABBA B A B A A B B A A A B B A A B B AABB )()( 1 1 1111 TETEBAAB 48 )()( )()()()( 1 1 1 1 1 1 11 1111 TETE TETETETE ABAB A

32、BBAAABB 1 111 11 11 11 0110 1 11 1 11 11 0110 1 1 10101 101 110 ( , , )( )( )( )( ) ( )( )( )( ) ( , )( , ) ABBAABBBBAAA TT TT AABB TTTT ABABBABA TT TT AABB TTTT ABAB ET T TETETETET dTdTdTdT ETETETET dTdTdTdT E T TET T 1 11 1 10110 ( , , )( , )( , ) ABBAABAB ET T TE T TET T 49 即回路的总电势等于热电偶即回路的总电势等于热

33、电偶EAB(T ，T1)与连接导线电势与连接导线电势 EA1B1(T1， ， T0)的代数和。连接导线定律是工业运用补偿导 的代数和。连接导线定律是工业运用补偿导 线进行温度测量的理论基础。线进行温度测量的理论基础。 当导体当导体A与与A及及B与与B材料分别相同时，材料分别相同时，T1中间温度。中中间温度。中 间温度定律为制定分度表奠定了理论基础，只要求得参间温度定律为制定分度表奠定了理论基础，只要求得参 考端温度为考端温度为0时的热时的热“电势电势温度温度”的关系，就可以根的关系，就可以根 据式求出参考温度不等于据式求出参考温度不等于0时的电势。时的电势。 50 热电偶的热电势，等于两端温度

34、分别为T 和 零度以及T0和零度的热电势之差。 51 52 习题：用镍铬习题：用镍铬-镍硅势电偶测量某低温箱温度，把镍硅势电偶测量某低温箱温度，把 热电偶直接与电位差计相连接。在某时刻，从电热电偶直接与电位差计相连接。在某时刻，从电 位差计测得热电热为位差计测得热电热为-1.19mv，此时电位差计所处，此时电位差计所处 的环境温度为的环境温度为15，试求该时刻温箱的温度是多，试求该时刻温箱的温度是多 少度？少度？ 请给出分析计算过程。请给出分析计算过程。 53 电位差计所处的环境温度为15C，所以,查表可得 ：EAB(15C , T0)= 0.60 mv A B 15C T0 EAB(T，15

35、C)= -1.19mv A B 15C T EAB(T , T0)= EAB(T，15C)+ EAB(15C , T0) = -1.19mv+0.60mv= -0.59mv A B T0 A B 15C T 查表可以得：查表可以得：T= -15C 1 11 1 10110 ( , , )( , )( , ) ABBAABAB ET T TE T TET T 54 参考电极定律：左图为参考电极定律示意图，图中参考电极定律：左图为参考电极定律示意图，图中 C为参考电极接在热电偶为参考电极接在热电偶A、B之间，形成三个热电之间，形成三个热电 偶组成的回路。偶组成的回路。 因为：因为： dTTETET

36、TE T T CAACACAC )()()(),( 0 00 dTTETETTE T T CBBCBCBC )()()(),( 0 00 ABA CBC 55 T T CB T T CA A B B A T T CB T T CA C A C B C B C A T T CB T T CAACBCBCAC T T CBBCBC T T CAACAC BCAC dTdT N N e KT N N e KT dTdT N N e KT N N e KT N N e KT N N e KT dTdTTETETETE dTTETEdTTETE TTETTE 00 00 00 00 )()()ln()l

37、n( )()( )ln()ln()ln()ln( )()()()()()( )()()()()()( ),(),( 0 00 00 00 00 56 上式表明：上式表明： 参考电极参考电极C与各种电极配对时的总热电势为两电与各种电极配对时的总热电势为两电 极极A、B配对后的电势差。配对后的电势差。 利用这个关系可求出新的两种材料的热电势。利用这个关系可求出新的两种材料的热电势。 ),(),( 00 TTETTE BCAC ),( )()()( 0 0 0 TTE dTTETE AB T T BA ABAB 如果导体C热电极作为参考电极，并已知标准电 极与任意导体配对时的热电势，那么在相同结点温

38、 度（T,T0）下，任意两导体A、B组成的热电偶，其 电势可由下式求得 57 v 这里这里c c称为标准电极，在实际应用中，标准电极材称为标准电极，在实际应用中，标准电极材 料通常取用纯铂，因为铂金易得纯态，物理、化学料通常取用纯铂，因为铂金易得纯态，物理、化学 性能稳定，熔点也高性能稳定，熔点也高c c采用标准电极大大方便热电偶采用标准电极大大方便热电偶 的选配，只要知道某种材料与标准电极的热电势，的选配，只要知道某种材料与标准电极的热电势， 就可求出任何两种材料配成热电偶的热电势。就可求出任何两种材料配成热电偶的热电势。 AB A C B C EAB (T，T0)=EAB(T，T0)-EB

39、C(T，T0) 58 解：由标准电极定律，镍铬和考铜热电偶的热电动势应解：由标准电极定律，镍铬和考铜热电偶的热电动势应 等于镍铬合金与纯铂热电偶与考铜与纯铂热电偶的热电等于镍铬合金与纯铂热电偶与考铜与纯铂热电偶的热电 动势的差，即动势的差，即 例：例： 热端为热端为100、冷端为、冷端为0时，镍铬合金与纯铂组成时，镍铬合金与纯铂组成 的热电偶的热电动势为的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的，而考铜与纯铂组成的 热电偶的热电动势为热电偶的热电动势为-4.0mV，求镍铬和考铜组合而成的，求镍铬和考铜组合而成的 热电偶所产生的热电动势。热电偶所产生的热电动势。 59 二、热电偶传感器

40、测量温度的基本原理二、热电偶传感器测量温度的基本原理 根据根据中间导体定律中间导体定律，把第三种导体，把第三种导体C换成毫伏表，并保持两个换成毫伏表，并保持两个 结点温度一致，就可以完成测量任何温度场的温度，如图所示。结点温度一致，就可以完成测量任何温度场的温度，如图所示。 导体导体A和和B组成热电偶，第三种组成热电偶，第三种 导体导体C为毫伏计，毫伏计与为毫伏计，毫伏计与A和和B 热电偶冷端的两个结点的温度均热电偶冷端的两个结点的温度均 为冷端温度为冷端温度To，而热电偶而热电偶A、B 的热端置于需要测量的温度场的热端置于需要测量的温度场T 时，这样根据中间导体定律，由时，这样根据中间导体定

41、律，由 导体导体A、B、C组成回路的总电势组成回路的总电势 应为：应为： EABC(T，T0)=EAB(T)-EAB(T0)= EAB(T，T0) 热电偶测量温度的基本原理，只要保持冷端温热电偶测量温度的基本原理，只要保持冷端温 度不变，则热电偶的输出电势就是所测温度的度不变，则热电偶的输出电势就是所测温度的 单值函数，即热电偶的输出电势单值函数，即热电偶的输出电势EAB(T，T0)反反 映了被测温度的大小。映了被测温度的大小。 A B C C T0 T 毫伏表毫伏表 T0 60 热电偶测量温度必须与被测温度保持单值关系，此热电偶测量温度必须与被测温度保持单值关系，此 时只有时只有: EAB(

42、T0)C常数，常数， 也就是只有也就是只有T0常数，才能得到常数，才能得到 EAB(T，T0)(T)， 在确定这个函数关系时，不是用精确的数学表达式计算在确定这个函数关系时，不是用精确的数学表达式计算 出来，而是用实验方法，采用出来，而是用实验方法，采用分度表分度表的形式表达出温度的形式表达出温度 与电势之间的关系值。在制分度表时，通常采用热电偶与电势之间的关系值。在制分度表时，通常采用热电偶 的冷端温度的冷端温度T00的条件下测得的，所以在使用热电的条件下测得的，所以在使用热电 偶时，只有满足偶时，只有满足T00的条件，才能直接应用分度表的条件，才能直接应用分度表 或分度曲线。或分度曲线。

43、在工程测温中，冷端温度常随工作环境温度而变化，在工程测温中，冷端温度常随工作环境温度而变化， 引入测量误差，因此，必须进行冷端修正或补偿。引入测量误差，因此，必须进行冷端修正或补偿。 三、热电偶温度补偿三、热电偶温度补偿 61 0恒温度恒温度: 测端测端T，冷端用冷端用T0=0（水，冰点）或半导体制冷器恒温，测水，冰点）或半导体制冷器恒温，测 出来就是出来就是T ； 62 计算修正法计算修正法: 实际工作情况中，由于冷端温度不是实际工作情况中，由于冷端温度不是0度，而是某一温度，而是某一温 度度Tn，则测量的温度为则测量的温度为EAB(T，Tn)，而不是而不是 EAB(T，T0)，测点为测点为

44、T，冷端为冷端为T0， ， T0=T1=0时：时： EAB(T，T0)=EAB(T)-EAB(T0) T1 T0=0时：时：EAB(T，T1)=EAB(T)-EAB(T1) ),()()(),(),( 010110 TTETETETTETTE ABABABABAB ),(),(),( 1010 TTETTETTE ABABAB EAB(T，T1)-实测值；实测值； EAB(T1，T0)- 修正温度值。修正温度值。 63 64 举列：举列： 镍洛镍洛镍硅测得某介质的温度，镍硅测得某介质的温度， T1自由端温度为自由端温度为30 ， 热电偶测量热电势热电偶测量热电势33.29mv(即即EAB(T，

45、T1)，30 的热电的热电 势势1.20mv(即即EAB(T1，T0)， EAB(T，T0) = 33.29mv +1.20mv= 34.49mv；再去对表得再去对表得 829.6 以上是根据中间温度定律而来的：以上是根据中间温度定律而来的： EABB1A1(T ，T1，T0)=EAB(T ，T1)+ EA1B1(T1， ， T0)； ；当当 A=A1，B=B1时，时， EABB1A1(T ，T1，T0)=EAB(T ，T1)+ EAB(T1， ， T0)； ； 65 66 67 举列：举列： 镍洛镍洛镍硅测得某介质的温度，镍硅测得某介质的温度， T1自由端温度为自由端温度为30 ， 热电偶测

46、量热电势热电偶测量热电势33.29mv(即即EAB(T，T1)，30 的热电的热电 势势1.20mv(即即EAB(T1，T0)， EAB(T，T0) = 33.29mv +1.20mv= 34.49mv；再去对表得再去对表得 829.6 修正法：修正法：33.29mv 对应查表得出温度为：对应查表得出温度为：800 镍洛镍洛镍硅的镍硅的K=1，则则T=800+130=830 。 68 利用延引热电极将热电偶的自由端延引到远离高温区地利用延引热电极将热电偶的自由端延引到远离高温区地 方，从而使其自由端温度相对稳定和变化范围小。这种方方，从而使其自由端温度相对稳定和变化范围小。这种方 法即不能使自

47、由端温度恒为法即不能使自由端温度恒为0 0 ，又不产生任何补偿作用，又不产生任何补偿作用， 仅做补偿导线，还要结合仅做补偿导线，还要结合0 0 恒温法，计算修正法。恒温法，计算修正法。 为保证引延热电热极接入热电偶电路后不改变其热电热为保证引延热电热极接入热电偶电路后不改变其热电热 值，则必须满足以下两个条件：一是在一定温度范围内，值，则必须满足以下两个条件：一是在一定温度范围内， 引延热电极必须与热电偶的热电极具有相同或近似的热电引延热电极必须与热电偶的热电极具有相同或近似的热电 特性；二、引延热电极与热电偶的两个接点必须具有相等特性；二、引延热电极与热电偶的两个接点必须具有相等 的温度。具

48、体使用时可从表中查到配用热电偶材料所对应的温度。具体使用时可从表中查到配用热电偶材料所对应 的延伸导线的型号的延伸导线的型号 。 延伸热电极法：延伸热电极法： 69 70 Pn结冷端温度补偿法：结冷端温度补偿法： Pn结在结在-100-100 范围内，端电压与温度有较范围内，端电压与温度有较 理想的线性关系，温度系数为理想的线性关系，温度系数为-2.2mv/ 。采用。采用 二极管做冷端补偿，精度可达到二极管做冷端补偿，精度可达到0.3-0 .8 ，采，采 用三极管作冷端补偿精度可达用三极管作冷端补偿精度可达0.05-0 .2 。 71 四、热电偶的使用误差：四、热电偶的使用误差： 、分度误差：

49、实际就测量标准曲线时产生的误差。统、分度误差：实际就测量标准曲线时产生的误差。统 一型号的热电偶采用标准分度表。现在采用国际实用温一型号的热电偶采用标准分度表。现在采用国际实用温 标。标。 、仪表误差：一般均与自动平衡式电子电位差计。动、仪表误差：一般均与自动平衡式电子电位差计。动 圈式仪表配套使用。引入误差为：圈式仪表配套使用。引入误差为：=（Tmax-Tmin）K Tmax、 、Tmin-仪表量程上下限； 仪表量程上下限； K-仪表的精度等级。仪表的精度等级。 、延伸导线误差：、延伸导线误差： 引伸导线的热电性不一致，自由端温度不一样；引伸导线的热电性不一致，自由端温度不一样； 、动态误差

50、：、动态误差： 测温元件的质量和热惯性，有个反映（即平衡时间）测温元件的质量和热惯性，有个反映（即平衡时间） 时间；减小动态误差就要减小感温点，减少保护层。时间；减小动态误差就要减小感温点，减少保护层。 72 漏电误差：不少无机绝缘材料的绝缘电阻会漏电误差：不少无机绝缘材料的绝缘电阻会 随着温度升高而减少。列如：随着温度升高而减少。列如：Al2O3 3， SiO2 65 材料在常温下电阻率为材料在常温下电阻率为1。 37106m，当温度上升到当温度上升到1000 和和 1500 时，电阻率下降到时，电阻率下降到1.08102 m，因因 而随温度升高（特别在高温）时，绝缘效果而随温度升高（特别在

51、高温）时，绝缘效果 明显变坏，使热电势输出分流，造成漏电误明显变坏，使热电势输出分流，造成漏电误 差，一般均看用绝缘性能较好的材料来减少差，一般均看用绝缘性能较好的材料来减少 漏电误差。漏电误差。 73 热电偶可把温度信号变换成电信号，热电偶可把温度信号变换成电信号， 因此可通过各种电测仪表来测量电势以显因此可通过各种电测仪表来测量电势以显 示被测温度。采用直流毫伏计测量的温度示被测温度。采用直流毫伏计测量的温度 表叫做表叫做“热电式温度表热电式温度表”；而采用自动平；而采用自动平 衡式电位差计原理测量温度的温度表，则衡式电位差计原理测量温度的温度表，则 称为称为“伺服式温度表伺服式温度表”。

52、主要介绍伺服式。主要介绍伺服式 温度表和数字式温度表。温度表和数字式温度表。 五热电势的测量五热电势的测量 74 (1)伺服式温度表伺服式温度表 电位差计的工作原理图。电位差计的工作原理图。 当开关合向当开关合向c时，形成测量回路，其回路电压时，形成测量回路，其回路电压 方程为方程为 Ex-IRab=iR Ex-被测电压；被测电压； I、i-工作回路和测量工作回路和测量 回路电流；回路电流； R-Rab回路电阻。回路电阻。 75 v这时，检流计这时，检流计G指示为指示为i，移动触点移动触点b，使检流计指零使检流计指零 (即即i0)时，系统达到平衡，即有时，系统达到平衡，即有ExIRab ，当电

53、流当电流J 和电阻和电阻Rab已知时，则可用可变电阻触点已知时，则可用可变电阻触点b的位置标明的位置标明 被测电势值。由此也可知道，工作电流值被测电势值。由此也可知道，工作电流值I和电阻值和电阻值 Rab的精度和被测电势与已知电压之差的灵敏度是影响的精度和被测电势与已知电压之差的灵敏度是影响 电位差计精度的关键。电位差计精度的关键。 76 使用时要注意下列问题使用时要注意下列问题 使用前要校准工作电流使用前要校准工作电流I值，在测量过程中，要保证值，在测量过程中，要保证 I的精度稳定不变；的精度稳定不变； 检流计应有足够的灵敏度；检流计应有足够的灵敏度； 测量回路的总电阻值要适当。伺服式温度计

54、在使用测量回路的总电阻值要适当。伺服式温度计在使用 时，为了自动地移动触点时，为了自动地移动触点b以跟踪以跟踪Ex的变化可采用一的变化可采用一 套小功率伺服系统，当被测电势套小功率伺服系统，当被测电势Ex发生变化时，不平发生变化时，不平 衡电压将引起伺服系统工作，直到达到新的平衡状态衡电压将引起伺服系统工作，直到达到新的平衡状态 为止。伺服式温度表就是根据这种平衡式电位差计的为止。伺服式温度表就是根据这种平衡式电位差计的 原理工作的。原理工作的。 77 (2)数字式温度计数字式温度计 为了实现温度的数字显示，或组成温度的巡检系统，或为了实现温度的数字显示，或组成温度的巡检系统，或 向计算机过程

55、控制系统提供温度信号，都要对热电偶的向计算机过程控制系统提供温度信号，都要对热电偶的 热电势进行数字化处理，所以在采用热电偶的测温数字热电势进行数字化处理，所以在采用热电偶的测温数字 化系统中，最基本的环节是热电偶和化系统中，最基本的环节是热电偶和AD转换器。因转换器。因 此在组成数字式温度计时，必须注意：此在组成数字式温度计时，必须注意： 热电偶输出电势一段很小，在进行热电偶输出电势一段很小，在进行AD转换前，必须转换前，必须 经过高增益的直流放大，常用数据放大器；经过高增益的直流放大，常用数据放大器； 热电偶的热电特性，一般情况下为非线性的，欲使显示热电偶的热电特性，一般情况下为非线性的，

56、欲使显示 数字或输出脉冲数与被测温度直接相对应，必须采用线数字或输出脉冲数与被测温度直接相对应，必须采用线 性化措施。在带有计算机或微处理机的测量系统中，非性化措施。在带有计算机或微处理机的测量系统中，非 线性校正和冷端补偿工作，都直接由计算机完成，即所线性校正和冷端补偿工作，都直接由计算机完成，即所 谓谓“软件校正法软件校正法”，但目前用得更多的是所谓，但目前用得更多的是所谓“硬件校硬件校 正法正法”，即采用的是非线性校正装置，也称为，即采用的是非线性校正装置，也称为“线性化线性化 器器”。 78 六、热电偶的类型及结构六、热电偶的类型及结构 1 1、热电偶材料：、热电偶材料： 定型的标准化

57、材料有：铂铑定型的标准化材料有：铂铑铂，铜康等。铂，铜康等。 非标的，特殊的，钨铼系，铱铑系等。非标的，特殊的，钨铼系，铱铑系等。 2、对热电偶材料的基本要求对热电偶材料的基本要求 任何两种导体任何两种导体(或半导体或半导体)均可配成热电偶，当两个结点均可配成热电偶，当两个结点 温度不同时，就能产生电势，只不过是热电势大小不同而温度不同时，就能产生电势，只不过是热电势大小不同而 已。但作为实用的测温元件，不是所有材料都适用于作热已。但作为实用的测温元件，不是所有材料都适用于作热 电偶，对制作热电偶材料的基本要求是：电偶，对制作热电偶材料的基本要求是： (1)热电特性稳定，即热电势与温度的对应关

58、系保持恒定；热电特性稳定，即热电势与温度的对应关系保持恒定； (3)热电势与温度有单值关系，最好呈线性或简单的函数热电势与温度有单值关系，最好呈线性或简单的函数 关系。关系。 (2)热电势足够大，易于测量，且可得到较高精确度；热电势足够大，易于测量，且可得到较高精确度； 79 (4)电阻温度系数和电阻率要小，否则热电偶的电阻电阻温度系数和电阻率要小，否则热电偶的电阻 将随工作端的温度不同而有较大的变化，影响测量将随工作端的温度不同而有较大的变化，影响测量 结果的准确性；结果的准确性； (5)物理性能稳定，化学成分均匀，不易氧化和腐蚀；物理性能稳定，化学成分均匀，不易氧化和腐蚀； (6)材料的复

59、制性好；材料的复制性好； (7)材料的机械强度要高。材料的机械强度要高。 80 但实际生产中很难找到一种完全满足上述要求但实际生产中很难找到一种完全满足上述要求 的材料。一般来说，纯金属的热电极易于复制，的材料。一般来说，纯金属的热电极易于复制， 但热电势较小，平均约为但热电势较小，平均约为20uV，非金属的非金属的 电极的热电势较大，可达电极的热电势较大，可达1000uV，且熔点，且熔点 高，但复制和稳定性都差；合金电极的热电性高，但复制和稳定性都差；合金电极的热电性 和工艺性能均介于两者之间，因此，需要根据和工艺性能均介于两者之间，因此，需要根据 具体测温情况，采用不同材料制做热电偶。具体

60、测温情况，采用不同材料制做热电偶。 81 v3、热电偶的类型、热电偶的类型 热电偶的类型、规格、结构品种繁多，从不同热电偶的类型、规格、结构品种繁多，从不同 的分类观点，提出的分类方法也很多，例如可的分类观点，提出的分类方法也很多，例如可 以按使用温度，热电偶材料，热电偶的用途，以按使用温度，热电偶材料，热电偶的用途， 热电偶的结构等方面进行分类。书上按标准化热电偶的结构等方面进行分类。书上按标准化 和非标准化介绍儿种常用热电偶。和非标准化介绍儿种常用热电偶。 82 4 4、热电偶的结构：、热电偶的结构： 普通热电偶；普通热电偶； 主要用于测量容器或管道内的气体、蒸汽、主要用于测量容器或管道内