第12章_热电式传感器

1、1第第1212章章 热电式传感器热电式传感器12.1 12.1 热电偶传感器热电偶传感器12.2 12.2 金属电阻测温传感器金属电阻测温传感器12.3 12.3 半导体温度传感器半导体温度传感器2概概 述述l 接触式温度传感器接触式温度传感器l 非接触式温度传感器非接触式温度传感器 接触式温度传感器的特点：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。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

2、温体热容量较小时，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度的前提条件前提条件是被测物体的热容量要足够大。是被测物体的热容量要足够大。 非接触式温度传感器非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出主要是利用被测物体热辐射而发出红外线红外线，从而测，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：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不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场温度场；连续测量不会产；连续测量不会产生消耗；反应快等。生消耗；反应快等。温度是描述热平衡系统冷热程度的物

3、理量。温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。3温差热电偶（简称热电偶）温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。热电偶还可用于快速及动态温度的测量。热电偶温度传感器热电偶温度传感器1. 热电偶的工作

4、原理热电偶的工作原理2. 热电偶热电偶基本定律基本定律3. 热电偶的常用材料与结构热电偶的常用材料与结构4. 冷端处理及补偿冷端处理及补偿5. 热电偶热电偶测温电路测温电路4 12.1 12.1 热热 电电 偶偶一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理*热电效应热电效应（Thermoelectric EffectThermoelectric Effect ）：两种不同材料：两种不同材料的导体组成一个闭合回路，当两接点温度的导体组成一个闭合回路，当两接点温度T T和和T T0 0不同不同时，则在该回路中就会产生电动势时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为，这种现象称为热电效应热电效应。热电偶原

5、理图热电偶原理图TT0AB热端冷端51. 接触电势接触电势原理图接触电势原理图+ABNATNBTeAB(T)-()lnAABBNkTeTeNeAB(T)导体导体A、B结点在结点在温度温度T 时形成的接触电动势；时形成的接触电动势；e单位电荷，单位电荷， e =1.610-19C； k波尔兹曼常数，波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ；NA、NB 导体导体A、B 自由的自由的电子密度电子密度。接触电势的大小与温度高低、导体中的电子密度有关。接触电势的大小与温度高低、导体中的电子密度有关。6AeA(T,To)ToTeA(T，T0)导体导体A两端温度为两端温度为T、T0时形成的温差电动

6、势；时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度；高低端的绝对温度； A汤姆逊系数，表示导体汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为两端的温度差为1时所产生的温差电时所产生的温差电动势，铜的动势，铜的 =2V/。2. 温差电势0001( ,)TTAAATTAd n te T Tdtdtndt温差电势原理图温差电势原理图7 热电偶回路热电偶回路 热电偶回路中，所产生的热电势由两部分组成：热电偶回路中，所产生的热电势由两部分组成：接触电势接触电势和和温差电势温差电势。8接触电势接触电势(Peltier(Peltier电势电势) ) ：接触电势的数值取决于两种接触电势的数值取决于两种不同导体的材料特性不

7、同导体的材料特性和和接触接触点的温度点的温度。两接点的接触电势两接点的接触电势eAB(T)和和eAB(T0)可表示为可表示为 含义：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接含义：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。触处形成的电动势。AA BB0AA B0B()1 n()1 nNK TeTeNK TNeTeN9含义：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电含义：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。动势。温差电势温差电势e eA A( (T,TT,T0 0) )和和e eB B( (T,TT,T0 0) )可表示为可表示为温差电势温差电势(Thomson(Thoms

8、on汤姆逊电势汤姆逊电势) ) ：00TAtA0TAtTBtB0TBtd()1(,)ddd()1(,)ddNtkeT TteNtNtkeT TteNt10热电偶回路中产生的总热电势热电偶回路中产生的总热电势： eAB(T, T0)=eAB(T)eB(T,T0)eAB(T0)eA(T,T0) eAB(T, T0)= eAB(T) eAB(T0) eA(T,T0) eB(T,T0) T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3. 回路总电势回路总电势A0B1nNKTTeN0TTdABt 0F TF T11* *讨论：讨论：热电势取决于材料和接点温度，与形状、尺寸无关；热电

9、势取决于材料和接点温度，与形状、尺寸无关；两热电极两热电极A A、B B相同时，总电动势为相同时，总电动势为0 0；两接点温度两接点温度T T、T T0 0相同时，总电动势为相同时，总电动势为0 0；对于已选定的热电偶对于已选定的热电偶，当参考端温度，当参考端温度T T0 0恒定时，恒定时，e eABAB( (T T0 0)=)=c c为为常数，则总的热电势就只与温度常数，则总的热电势就只与温度T T成单值函数关系，即成单值函数关系，即 可见：只要测出可见：只要测出e eABAB（T T, ,T T0 0）的大小，就能得到被测温度）的大小，就能得到被测温度T T，这就是利用热电偶测温的原理。这

10、就是利用热电偶测温的原理。 eAB(T, T0)=F(T) F(T0) eAB(T, T0)=F(T) c 热电偶测温原理热电偶测温原理eAB(T, T0)A0B1nNKTTeN0TTdABt12 在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：并做成表格，以供备查。由公式可得：eAB(T, T0)= F (T)- -F (T0) = F(T)- -F(0) - -F (T) - -F(T0) = eAB(T，0) - - eAB(T0，0) 热电偶的热电势热电偶的热电势 等于等于两端温度分别为两端温度分别为

11、T 和零度和零度以以及及T0和零度的热电势之差。和零度的热电势之差。3. 回路总电势回路总电势eAB(T, T0) = F (T) F (0) 热电偶测温原理热电偶测温原理133. 回路总电势回路总电势14 热电偶测温系统简图热电偶测温系统简图 15接触电势接触电势温差电势，热电偶的热电势可表示为：温差电势，热电偶的热电势可表示为： eAB(T, T0)=eAB(T) eAB(T0) eAB(T, T0)=eAB(T) eAB(T0) eB(T,T0) eA(T,T0 )回路总电势回路总电势16二、热电偶基本定律二、热电偶基本定律1 1、均质导体定律、均质导体定律 由两种由两种均质导体均质导体

12、组成的热电偶，其热电动势的大小组成的热电偶，其热电动势的大小只与两种材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、只与两种材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。种不同性质的均质材料构成。17 在热电偶测温回路内，接入第三种均质导体时，只要在热电偶测温回路内，接入第三种均质导体时，只要第三种导体的第三种导体的两端温度相同两端温度相同，则对回路的总热电势没有影，则对回路的总热电势没有影响。响。2 2、* *中间导体定律中间导体定律（如何在热电偶回路中接入导线和仪表？如何在热电偶

13、回路中接入导线和仪表？）应用应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，和仪表，但是接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。但是接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。eABC(t,t0)=eAB(t)+eBC(t0) +eCA(t0)由于，当由于，当 t=t0时，时，eBC(t0) +eCA(t0)=-e-eABAB(t(t0 0) )则则 eABC(t,t0) =eAB(t)-eAB(t0) =eAB(t,t0)18具有第三种导体的热电偶回路（中间导体定律）具有第三种导体的热电偶回路（中间导体定律）eABC(t,t0)=eAB(t)

14、-eAB(t0) =eAB(t,t0)eABC(t,t0,t1)=?19两点结论：两点结论： l）将第三种材料）将第三种材料C接入由接入由A、B组成的热电偶回路，则组成的热电偶回路，则图图a中的中的A、C接点接点2与与C、A的接点的接点3，均处于相同温度，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变。之中，此回路的总电势不变。2) 同理，图同理，图b中中C、A接点接点2与与C、B的接点的接点3，同处于温，同处于温度度T0之中，此回路的电势也不变。之中，此回路的电势也不变。T2T1AaBC23EABaA(a)T0T023ABEABT1T2 C(b)T0T0第三种材料接入热电偶回路图20ET0T0T

15、ET0T1T1T电位计接入电位计接入 热电偶回路热电偶回路根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保，只要保证电位计与连接热电偶处的证电位计与连接热电偶处的接点温度相等接点温度相等，就不会影响回路，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。中原来的热电势，接入的方式见下图所示。 213 3、* *中间温度定律中间温度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0) 在热电偶测温回路中，在热电偶测温回路中，t tc c为热电极上某一点的温度，为热电极上某一点的温度，热电偶热电偶ABAB在接点温度为在接点温度为t t、t

16、 t0 0时的热电势时的热电势e eABAB( (t,tt,t0 0) )等于等于热电偶热电偶ABAB在接点温度在接点温度t t、t tc c和和t tc c、t t0 0时的热电势时的热电势e eABAB( (t t，t tc c) )和和e eABAB( (t tc c，t t0 0) )的代数和，即的代数和，即 eAB(t,0)= eAB(t,tc)+eAB(tc,0) 22中间温度定律中间温度定律 tt0ABtctc)(AA)(BBeAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0) 23 EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）T0TEAB (T,

17、T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB4 标准电极定律标准电极定律如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势相互间热电势的关系为：的关系为：24 1 1铂铂铂铑铂铑 热电偶热电偶(S (S型型) )工业用热电偶丝：工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。，实验室用可更细些。正极：铂铑合金丝正极：铂铑合金丝, 用用90铂和铂和10铑铑(重量比重量比)冶炼而成。冶炼而成。负极：铂丝。负极：铂丝。测量温度：长期：测量温度：长期

18、：1300、短期：、短期：1600。 特点：特点：n 材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶 或基准热电偶。用途：或基准热电偶。用途：实验室或校验实验室或校验其它热电偶。其它热电偶。n 测量温度较高，一般用来测量测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。以上高温。n 在高温还原性气体中（如气体中含在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）等）易被侵易被侵 蚀蚀，需要用保护套管。，需要用保护套管。n 材料属贵金属，成本较高，热电势较弱。材料属贵金属，成本较高，热电势较弱。 常用热电偶常用热电偶25 2 2镍铬镍铬镍硅镍硅( (镍铝镍铝)

19、)热电偶热电偶(K(K型型) ) 工业用热电偶丝：工业用热电偶丝： 1.22.5mm，实验室用可细些。，实验室用可细些。正极：正极：镍铬合金镍铬合金(用用88.489.7镍、镍、910铬，铬，0.6硅，硅， 0.3锰，锰，0.40.7钴冶炼而成钴冶炼而成)。负极：负极：镍硅合金镍硅合金(用用95.797镍镍,23硅硅,0.40.7钴冶炼钴冶炼而成而成)。测量温度：长期测量温度：长期1000，短期，短期1300。 特点：特点：u 价格比较便宜，在工业上广泛应用。价格比较便宜，在工业上广泛应用。u 高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，H2S等气等气体

20、中易被侵蚀。体中易被侵蚀。u 复现性好，热电势大，但精度复现性好，热电势大，但精度不如不如 铂铑铂热电偶铂铑铂热电偶。 263 3镍铬镍铬康铜热电偶康铜热电偶(E(E型型) )工业用热电偶丝工业用热电偶丝:1.22mm，实验室用可更细些。，实验室用可更细些。正极：镍铬合金正极：镍铬合金负极：康铜合金（用负极：康铜合金（用56铜，铜，44镍冶炼而成）。镍冶炼而成）。测量温度：长期测量温度：长期600，短期，短期800。 特点：特点：l 价格比较便宜，工业上广泛应用。价格比较便宜，工业上广泛应用。l 在常用热电偶中它产生的热电势最大。在常用热电偶中它产生的热电势最大。l 气体气体硫化物硫化物对热电

21、偶有腐蚀作用。对热电偶有腐蚀作用。康康铜易氧化变铜易氧化变 质，适于在质，适于在还原性还原性或中性介质中使用。或中性介质中使用。 274 4铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6热电偶热电偶(B(B型型) )正极：铂铑合金（用正极：铂铑合金（用70铂，铂，30铑冶炼而成）。铑冶炼而成）。负极：铂铑合金（用负极：铂铑合金（用94铂，铂，6铑冶炼而成）。铑冶炼而成）。测量温度：长期可到测量温度：长期可到1600，短期可达，短期可达1800。 特点：特点：l 材料性能稳定，测量精度高。材料性能稳定，测量精度高。l 还原性气体中易被侵蚀。还原性气体中易被侵蚀。l 低温热电势极小，冷端温度在低温热电势极小，冷端

22、温度在50以下可不加补偿。以下可不加补偿。l 成本高。成本高。 28几种持殊用途的热电偶几种持殊用途的热电偶（1 1）铱和铱合金热电偶）铱和铱合金热电偶 如铱如铱50铑铑铱铱10钌热电偶，它能在钌热电偶，它能在氧化气氛氧化气氛中测量高达中测量高达2000的高温。的高温。（2 2）钨铼热电偶）钨铼热电偶 是是60年代发展起来的，是目前一种较好的年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质真空惰性气体介质或或氢气介质氢气介质中，但中，但高温抗氧能力差。国产钨铼高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼钨铼20热电偶使用温度范围热电偶使用温度范围3002000分度精度

23、为分度精度为1。（3 3）钯）钯铂铱铂铱1515热电偶热电偶 是一种高输出性能的热电偶，在是一种高输出性能的热电偶，在1398时的热电势为时的热电势为47.255mV，比铂，比铂铂铑铂铑10热电偶在同样热电偶在同样温度下的热电势高出温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于表，常应用于航空工业航空工业。 29 热电偶的分度表热电偶的分度表（如何根据测得的热电势求被测温度？）（如何根据测得的热电势求被测温度？）n不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过的函数关系，一般通过

24、实验的方法实验的方法来确定，并将不同来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出温度下测得的结果列成表格，编制出热电势热电势与与温度的温度的对照表，即热电偶的分度表对照表，即热电偶的分度表。n供查阅使用，每供查阅使用，每1010分档。中间值按内插法计算。分档。中间值按内插法计算。n* *热电偶分度表是以冷端温度热电偶分度表是以冷端温度00作为基准进行分度的。作为基准进行分度的。30S型型(铂铑铂铑10-铂铂)热电偶分度表热电偶分度表 31 为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的封装形式有：偶的封装形式有：普通型热电偶普通型热电偶铠装型热电偶

25、铠装型热电偶薄膜型热电偶薄膜型热电偶 三、热电偶的结构形式三、热电偶的结构形式321 1、普通型热电偶、普通型热电偶 接线盒热电极热端绝缘管保护管123433普通型普通型热电偶外形热电偶外形安装螺纹安装螺纹34优点：优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。挠性好，可安装在结构复杂的装置上。 2 2、铠装型热电偶铠装型热电偶(a)(b)(c)(d) 13235铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形铠装型热电偶可长达铠装型热电偶可长达上百米上百米薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管（铠体）（铠体） 363 3、薄膜热电偶薄膜热

26、电偶特点：特点：热接点可以做得很小（热接点可以做得很小（mm），具有热容量小、反），具有热容量小、反应速度快（应速度快（ss）等特点，理想的）等特点，理想的表面温度表面温度以及快速变化以及快速变化的的动态温度动态温度测量。测量。 37五、热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法五、热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法（可以用测得热电势（可以用测得热电势E EABAB( (t,tt,t0 0) )直接查热电偶分度表吗？）直接查热电偶分度表吗？） 当热端温度为当热端温度为t t时，分度表所对应的热电势时，分度表所对应的热电势E EABAB( (t t, 0), 0)与热电偶实际产生的热电势与热电偶实际

27、产生的热电势E EABAB( (t,tt,t0 0) )之间关系可根据之间关系可根据中间中间温度定律温度定律得到下式：得到下式： E EABAB( (t t,0)= ,0)= E EABAB( (t,tt,t0 0)+ )+ E EABAB( (t t0 0，0)0) 可见，可见，E EABAB( (t t0 0,0),0)是冷端温度是冷端温度t t0 0的函数，测量时要保证的函数，测量时要保证冷端温度不变冷端温度不变，因此需要对热电偶冷端温度进行补偿。因此需要对热电偶冷端温度进行补偿。 38热电偶一般做得较短，一般为热电偶一般做得较短，一般为3503502000mm2000mm。1 1、热电

28、偶补偿导线法、热电偶补偿导线法（如何将冷端引到温度稳定的控制室？如何将冷端引到温度稳定的控制室？） 解决办法：工程中采用一种解决办法：工程中采用一种补偿导线补偿导线。在。在0 0100100温温度范围内，要求新的冷端温度恒定。度范围内，要求新的冷端温度恒定。 39补偿导线外形补偿导线外形 AABB屏蔽层屏蔽层保护层保护层40 在实验室及精密测量中，通常把冷端放入在实验室及精密测量中，通常把冷端放入00恒温器恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持00。 这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。

29、 2 2、冷端、冷端00恒温法（冰浴法）恒温法（冰浴法）（如何利用测量得到的热电（如何利用测量得到的热电势直接查分度表，以得到被测温度？）势直接查分度表，以得到被测温度？） mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T041 设冷端为设冷端为0 0 C C，根据以下电路中的，根据以下电路中的毫伏表毫伏表的示值及的示值及K K热电偶的热电偶的分度表，查出热端的温度分度表，查出热端的温度t tx x 。42K K热电偶的热电偶的分度表分度表 43 当冷端温度当冷端温度t t0 0不等于不等于00，需要对热电偶回路的测量电，需要对热电偶回路的测量电势值势值E EABAB（t,tt,

30、t0 0）加以修正。）加以修正。 根据根据中间温度中间温度定律得到：定律得到： EAB(t,0)= EAB(t,t0)+EAB(t0,0) 3 3、* *冷端温度修正法冷端温度修正法（如果冷端温度不是（如果冷端温度不是00，如何，如何利用测利用测量的热电势得到被测温度？）量的热电势得到被测温度？） 44例：用镍铬例：用镍铬- -镍硅镍硅热电偶热电偶测量加热炉温度。已知冷端温测量加热炉温度。已知冷端温度度t t0 0=30=30，测得热电势，测得热电势EAB（t,t0）为为33.29mV, 33.29mV, 求加热求加热炉温度。炉温度。 解：解：查镍铬查镍铬- -镍硅热电偶分度表得镍硅热电偶分度

31、表得 E EABAB（30,030,0）=1.203 mV=1.203 mV。EAB（t,0)= EAB(t,t0)+EAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV查查镍铬镍铬- -镍硅热电偶分度表得镍硅热电偶分度表得t t=829.8=829.8。 45464 4、* *冷端温度自动补偿法（补偿冷端温度自动补偿法（补偿电桥电桥法）法）（如果冷端温度（如果冷端温度发生变化，发生变化， 如何处理？）如何处理？）000( ,)( ,)UABABABCABEt ttEt tURU恒定值132213112323()()(1)()UUUUCCABCCR RRR RR RRUEERRRRRR

32、RR若冷端若冷端温度温度t t0 0上升上升( (040 ) )：t t0 0ABR1RcuR2R3tE注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。47热电偶典型测温线路热电偶典型测温线路(a) 普通测温线路；普通测温线路； (b) 带有补偿器的测温线路；带有补偿器的测温线路；(c) 具有温度变送器的测温线路；具有温度变送器的测温线路； (d) 具有一体化温度变送器的测温线路具有一体化温度变送器的测温线路补偿器温度变送器温度变送器显示仪表显示仪表显示仪表显示仪表tAB补偿导线(a)tAB补偿导线(c)tAB补偿导线(b)tAB铜导线(d)六、热电偶测温电路六、热电偶测温电路测量

33、某测量某一点一点的温度的温度48测量测量多点多点温度温度49 热电偶串、并联线路：热电偶串、并联线路： 特殊情况下，热电偶可以特殊情况下，热电偶可以串联或并联串联或并联使用，但只能是同使用，但只能是同一分度号的热电偶，且一分度号的热电偶，且冷端冷端应在同一温度下。应在同一温度下。1.1. 如热电偶如热电偶正向串联正向串联，可获得较大的热电势输出和提高灵，可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；敏度；2.2. 在测量两点温差时，可采用热电偶在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联反向串联；3.3. 利用热电偶并联可以测量平均温度。利用热电偶并联可以测量平均温度。50测量两点间测量两点间温度差温度差（反

34、向串联）（反向串联）51测量平均温度：测量平均温度：（并联或正向串联）（并联或正向串联） 特点：特点：当有一只热电偶烧断当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来。当然，时，难以觉察出来。当然，它也不会中断整个测温系统它也不会中断整个测温系统的工作。的工作。优点：优点：热电动势大（热电动势大（ E1+ E2+ E3）,仪表的仪表的灵敏度大大增加灵敏度大大增加，且避免了，且避免了热电偶并联线路存在的缺点，可立热电偶并联线路存在的缺点，可立即可以发现有断路。即可以发现有断路。缺点：缺点：只要有只要有一支热电偶断路，整个测温系统将一支热电偶断路，整个测温系统将停止工作。停止工作。52 12.2 12.2 热

35、电阻传感器热电阻传感器 热电阻传感器热电阻传感器是是利用导体或半导体的利用导体或半导体的电阻值电阻值随温度变随温度变化而变化的化而变化的原理原理进行测温的。进行测温的。 热电阻热电阻( (金属热电阻金属热电阻) )、热敏电阻、热敏电阻( (半导体热电阻半导体热电阻) )。 热电阻广泛用来测量热电阻广泛用来测量200200850850范围内的温度，少范围内的温度，少数情况下，低温可测量至数情况下，低温可测量至1K1K，高温达，高温达10001000。标准铂电阻标准铂电阻温度计温度计的精确度高，作为的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器复现国际温标的标准仪器。 53热电阻的结构热电阻的结构 54热

36、电阻传感器热电阻传感器 显示仪表控制室现场热电阻热电阻传感器的组成：热电阻传感器的组成：由热电阻、连接导线及显示仪表组成。由热电阻、连接导线及显示仪表组成。55一、常用热电阻一、常用热电阻 对用于制造热电阻材料的要求：对用于制造热电阻材料的要求： 具有尽可能具有尽可能大大和和稳定稳定的电阻温度系数和电阻率；的电阻温度系数和电阻率； R-tR-t关系最好成线性；关系最好成线性； 物理、化学性能稳定；物理、化学性能稳定； 提纯、压延、复制性等工艺性好。提纯、压延、复制性等工艺性好。 目前最常用的热电阻有目前最常用的热电阻有铂热电阻铂热电阻和和铜热电阻铜热电阻。 561 1、铂热电阻、铂热电阻 铂热

37、电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。按所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IECIEC标准，标准，铂铂热电阻热电阻的使用温度范围为的使用温度范围为-200-200630.755630.755。 在在-200-20000的温度范围内的温度范围内 Rt=R01+At +Bt2 + Ct3 在在0 0630.755630.755的温度范围内的温度范围内 Rt = R0(1+At+Bt2) 目前我国规定工业用铂热电阻有目前我国规定工业用铂热电阻有R R0 0=46,=46,R R0 0=100=100和和R0=300 种

38、，种，它们的分度号分别为它们的分度号分别为PtPt5050,Pt,Pt100100， Pt300 ，其中以，其中以PtPt100100为常用。为常用。57铂电阻分度表铂电阻分度表 582 2、铜热电阻、铜热电阻 在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜铜热电阻热电阻进行测温，它的测量范围为进行测温，它的测量范围为-50-50150150。 铜热电阻在测量范围（铜热电阻在测量范围（ -50150 ）内其电阻值与温度）内其电阻值与温度的关系的关系几乎是几乎是线性的，可近似地表示为线性的，可近似地表示为R Rt t= =R R0 01+1+（t-

39、t-t0） 热电阻温度系数热电阻温度系数铜热电阻两种分度号：铜热电阻两种分度号：CuCu5050( (R R0 0=50)=50)和和CuCu100100（R R0 0=100=100）。 59铜热电阻的分度表铜热电阻的分度表分度号：分度号：CuCu5050 050R 温度/0102030405060708090电阻/050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.1360一、基本参数：一、基本参数：1.标称电阻值标称

40、电阻值R25()热敏电阻在25时的值，值的大小由热敏电阻材料和几何尺寸决定。2.电阻温度系数电阻温度系数指热敏电阻的温度变化1时，其阻值变化率与阻值之比。即：/%t 时的阻值温度为度灵敏度；决定了工作范围内的温时的电阻温度系数温度为式中：KTTRKTtdTdRRTTt ,1 61用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电桥电路（？）电路（？）。热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电。热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的阻的引线引线对测量对测量结果结果有较大的影响。有较大的影响。热电阻内部引线方式有热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制二

41、线制、三线制和四线制三种。三种。热电阻传感器的测量电路热电阻传感器的测量电路62内部引线方式内部引线方式 电阻体二线制电阻体三线制电阻体四线制63两线制两线制n这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来引线电阻的变化会带来附加误差附加误差。n两线制适于两线制适于引线不长引线不长、测温精度要求较低的场合。、测温精度要求较低的场合。64电桥电路电桥电路RTR5R6R3En+ + U2(a)(b)EnAR1R2R4R3+ 65三线制三线制用于工业测量，较高精度用于工业测量，较高精度 66n热敏电阻热敏电阻是利用某种半导体材料的是利用某种半

42、导体材料的电阻率电阻率随随温度温度变化而变化变化而变化的性质制成的。的性质制成的。n在温度传感器中应用最多的有在温度传感器中应用最多的有热电偶热电偶、热电阻热电阻（如铂、铜电（如铂、铜电阻温度计等）和阻温度计等）和热敏电阻热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性。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（能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（- -40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。n了解热敏电阻的特点、分类，基本参数，主要特性和应用等了解热敏电阻的特点、分类，基本参数，主要特性和应用等。 半导体热

43、敏电阻温度传感器半导体热敏电阻温度传感器67（一）热敏电阻的特点（一）热敏电阻的特点 1 1电阻温度系数的范围甚宽电阻温度系数的范围甚宽 有正、负温度系数和在某一特定温度区域内有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突变阻值突变的三种的三种热敏电阻元件。电阻温度系数的绝对值比金属大热敏电阻元件。电阻温度系数的绝对值比金属大10100倍左右。倍左右。 2 2材料加工容易、性能好材料加工容易、性能好 可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够作到小型化。目可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够作到小型化。目前，最小的珠状热敏电阻其直径仅为前，最小的珠状热敏电阻其直径仅为 0.2mm。 3 3阻值

44、在阻值在1 110M10M之间可供自由选择之间可供自由选择 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、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。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、热敏电阻的特点与分类一、热敏电阻的特点与分类68 4 4稳定性好稳定性好 近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在0.01的小的小温度范围内，其稳定性可达温度范围内，其稳定性可达0.0002的精度。相比之下，优于的精度。相比之下，优于其它各种温度传感器。其它各种温度

45、传感器。 烧结表面均已经烧结表面均已经玻璃封装玻璃封装，故可用于较恶劣环境条件；，故可用于较恶劣环境条件； 另外由于热敏电阻材料的性能受磁场影响很小，这是十分另外由于热敏电阻材料的性能受磁场影响很小，这是十分可贵的特点。可贵的特点。 5原料资源丰富，价格低廉原料资源丰富，价格低廉69热敏电阻材料的分类热敏电阻材料的分类（1）大分类小分类代表例子NTC单晶金刚石、Ge、Si金刚石热敏电阻多晶迁移金属氧化物复合烧结体 、无缺陷形金属氧化烧结体多结晶单体 、固溶体形多结晶氧化物SiC系Mn、Co、Ni、Cu、Al氧化物烧结体、ZrY氧化物烧结体、还原性TiO3、Ge、SiBa、Co、Ni氧化物溅射S

46、iC薄膜玻璃Ge 、Fe、 V等氧化物硫硒碲化合物玻璃V、P、Ba氧化物、Fe、Ba、Cu氧化物、Ge、Na、K氧化物、（As2Se3）0.8、（Sb2SeI）0.2有机物芳香族化合物聚酰亚釉表面活性添加剂液体电解质溶液熔融硫硒碲化合物水玻璃As、Se、Ge系70热敏电阻材料的分类（热敏电阻材料的分类（2）PTC无机物BaTiO3系Zn、Ti、Ni氧化物系Si系、硫硒碲化合物（Ba、Sr、Pb）TiO3烧结体有机物石墨系有机物石墨、塑料石腊、聚乙烯、石墨液体三乙烯醇混合物三乙烯醇、水、NaClCTR V、Ti氧化物系、Ag2S、（AgCu）、（ZnCdHg）BaTiO3单晶V、P、（BaSr）

47、氧化物Ag2SCuS大分类小分类代表例子71 热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。按热敏电阻的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：阻值与温度关系这一重要特性可分为： 1 1正温度系数热敏电阻器（正温度系数热敏电阻器（PTCPTC） 电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏阻器。它的主要材热敏阻器。它的主要材料是掺杂的料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。半导体陶瓷。 2 2负温度系数热敏电阻器（负温度系数热敏电阻器（NTCNTC） 电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称

48、NTC热敏电阻器。它的材热敏电阻器。它的材料主要是一些料主要是一些金属氧化物（铜、铁、铝、锰等）金属氧化物（铜、铁、铝、锰等）半导体陶瓷。半导体陶瓷。 3 3临界型温度系数热敏电阻器（临界型温度系数热敏电阻器（CTRCTR 该类电阻器的电阻值在某该类电阻器的电阻值在某特定温度范围特定温度范围内随温度升高而降低内随温度升高而降低34个数个数量级，即具有很大量级，即具有很大温度系数温度系数。其主要材料是。其主要材料是VO2（二氧化钒），并二氧化钒），并添加一些添加一些金属氧化物金属氧化物。 （二）热敏电阻的分类（二）热敏电阻的分类 72（一）热敏电阻器的电阻（一）热敏电阻器的电阻温度特性（温度特性

49、（R RT TT T） 1234铂丝4060120 1600100101102103104105106RT/温度T/C热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻-温度特性曲线温度特性曲线1- -NTC；2- -CTR； 3- -4 PTC三、热敏电阻器主要特性三、热敏电阻器主要特性TT与RTT特性曲线一致。73 RT、RT0温度为温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值；时热敏电阻器的电阻值； B NTC热敏电阻的热敏电阻的材材料料常数常数。由测试结果表明，不管是由由测试结果表明，不管是由氧化物氧化物材料，还是由材料，还是由单晶体单晶体材料制成的材料制成的NTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于热敏电阻器，在不

50、太宽的温度范围（小于450），都能利用该），都能利用该式，它仅是一个经验公式。式，它仅是一个经验公式。 1 1 负电阻温度系数负电阻温度系数(NTC)(NTC)热敏电阻器的温度特性热敏电阻器的温度特性011exp0TTBRRNTTNTC的电阻的电阻温度关系的一般经验公式为：温度关系的一般经验公式为：材料的不同或配方的比例和方法不同材料的不同或配方的比例和方法不同，则，则B也不同。也不同。742. 2.正电阻温度系数正电阻温度系数（PTC)PTC)热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻温度特性温度特性其特性是利用其特性是利用正温度热敏正温度热敏材料，在材料，在居里点居里点附近结构发附近结构发生生相变相

51、变引起引起导电率导电率突变来取得的，典型特性曲线如图突变来取得的，典型特性曲线如图10000100010010050100150200250R20=120R20=36.5R20=12.2PTC热敏电阻器的电阻温度曲线T/C电阻/Tp1Tp2Tc=175 C75 PTC热敏电阻的工作温度热敏电阻的工作温度范围范围较窄较窄，在工作区两端，电阻，在工作区两端，电阻温度曲线上有两个温度曲线上有两个拐点拐点：Tp1和和Tp2。1. 当温度低于当温度低于Tp1时，时，温度灵敏度低温度灵敏度低；当温度升高到；当温度升高到Tp1后，电后，电阻值随温度值剧烈增高（按阻值随温度值剧烈增高（按指数指数规律迅速增大）

52、；规律迅速增大）；2. 当温度升到当温度升到Tp2时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范围时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范围内存在温度内存在温度Tc，对应有较大的温度系数，对应有较大的温度系数tp 。实验证实：实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻阻温度特性可近似用下面的实验公式表示：温度特性可近似用下面的实验公式表示： 式中式中 RT、RT0温度分别为温度分别为T、T0时的电阻值；时的电阻值； BP正温度系数热敏电阻器的材料常数。正温度系数热敏电阻器的材料常数。0exp0TTBRRPTT76热敏电阻一般做成二端器件，但也有构成三端或

53、四端热敏电阻一般做成二端器件，但也有构成三端或四端的。二端和三端器件为直热式，即直接由电路中获得的。二端和三端器件为直热式，即直接由电路中获得功率。四端器件则是旁热式的。功率。四端器件则是旁热式的。根据不同的要求，可以把热电阻做成不同的形状结构。根据不同的要求，可以把热电阻做成不同的形状结构。 测温用的热敏电阻器测温用的热敏电阻器 1 1 各种热敏电阻传感器结构各种热敏电阻传感器结构77(a) (b) (c) (d)(e)(f) (g) (h)(i)6543 2 112D0.20.5A型B型( j )温度检测用的各种热敏电阻器探头 1热敏电阻；2铂丝；3银焊；4钍镁丝；5绝缘柱；6玻璃 测温用

54、的热敏电阻器 各种热敏电阻传感器结构782 2、 测表面电阻用的热敏电阻器安装方法测表面电阻用的热敏电阻器安装方法 图为测表面温度用的热敏电阻器的各种安装方式。图为测表面温度用的热敏电阻器的各种安装方式。 (a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)油测量物体表面温度时热敏电阻器的安装方式79n、二极管温度传感器n、三极管温度传感器n、集成温度传感器n半导体结温度传感器是利用晶体二极管或三极管半导体结温度传感器是利用晶体二极管或三极管结的结电压随温度变化的原理工作的。结的结电压随温度变化的原理工作的。n具有较好的线性度、尺寸小、响应快、灵敏度高，测具有较好的线性度、尺寸小、响应快、灵敏度高

55、，测温范围为温范围为 +。803.1 二极管温度传感器二极管温度传感器 基本原理：基本原理：利用利用PN结的伏安特性与温度之间的关系而制成的固态传感器。即：结的伏安特性与温度之间的关系而制成的固态传感器。即：结的正对面积决定；，由正向、反向饱和电流）；电子电荷量（绝对温度；）；波尔兹曼常数（；压形成传感器的外加电式中：PNsJJCqTKJKUUffsJJqKT, 106 . 10 /1038. 1 19230flnU 813.2 三极管温度传感器三极管温度传感器cgBEITkqKTEUln0 基本原理：基本原理：NPN晶体管在晶体管在集电极电流恒定集电极电流恒定时，基极和发射极间的电压时，基极

56、和发射极间的电压随着温度随着温度变化而变化，其伏安特性与温度之间，即：变化而变化，其伏安特性与温度之间，即：式中：式中： Eg禁带宽度；禁带宽度； k 与基极偏压有关的常数；与基极偏压有关的常数； 温度特性常数；温度特性常数； Ic 集电极电流。集电极电流。82n集成温度传感器是以集成温度传感器是以晶体管晶体管作为感温元件，并将温敏作为感温元件，并将温敏晶体管及晶体管及辅助电路辅助电路集成在同一芯片上。集成在同一芯片上。n单个晶体管单个晶体管基极基极发射极发射极之间的电压在恒定集电极电之间的电压在恒定集电极电流的条件下，可以认为与温度呈流的条件下，可以认为与温度呈单值线性单值线性关系。关系。3

57、.3 集成温度传感器集成温度传感器83 一、一、AD590集成温度传感器集成温度传感器n AD590是一种电流输出型的集成温度传感器，电是一种电流输出型的集成温度传感器，电源电压的变化对其电流的影响很小，并且电流随温度源电压的变化对其电流的影响很小，并且电流随温度线性变化；线性变化； 二、分类：二、分类： （按输出信号分）（按输出信号分）1. 电压型：电压型：它可以当作是一种输出电流与温度成正比的恒流源它可以当作是一种输出电流与温度成正比的恒流源; 温度系数约温度系数约10mV/，与绝对温度呈线性关系；，与绝对温度呈线性关系；2. 电流型：电流型：若测量电路串接电阻，就可以将电流转换为电压若测

58、量电路串接电阻，就可以将电流转换为电压; 温温度系数约度系数约1uA/，与绝对温度呈线性关系；，与绝对温度呈线性关系；84 集成温度传感器集成温度传感器 电流输出型集成温度传感器电流输出型集成温度传感器 代表性器件：代表性器件：AD590的主要参数（二端器件）的主要参数（二端器件） 静态输出：静态输出：+25 5C (298.2K) 298.2A（+25C and VS = +5 V） 测温范围：测温范围：55 +150 C 动态输出：动态输出：1A/K（+25C and VS = +5 V） 工作电压：工作电压： + 4 V to +30 V. 特点：特别适合远距离测温！特点：特别适合远距离

59、测温！AD590的封装、符号及典型应用的封装、符号及典型应用 5V + + - - + + - - + + - - Out AD590 但但由于由于AD590的增益有偏差，电阻也有的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为调整的方法为：把：把AD590放于冰水混合物放于冰水混合物中，调整电位器中，调整电位器R，使，使VT= 273.2 mV。或。或在在室温下室温下(25)条件下调整电位器条件下调整电位器,使使VT=273.2+25=298.2（mV）。但这样）。但这样调整可保证在调整可保证在0或或25附近有较高精度。附近有较高精度。 K85三、特

60、性：三、特性： （以（以AD590为例）为例）伏伏-安特性：安特性：如下图所示，U是作用于AD590两端的电压，I是AD590中的电流。当U430V时，AD590是一个温控恒流源，在电路中以理想的恒流源符号表示。电流I与温度t成正比；即：定；标度因子，制造时标式中：ttktkI 4V30V0I/AU/VAD590伏安特性曲线-55+25+15021829842386温度特性：温度特性：如下图所示：在55150温度范围内，有较好的线性度，非线性误差因传感器档次而异；电流与温度的关系式为：It()0273.2uA55150定；标度因子，制造时标式中：ttkAtkI2 .273 87非线性曲线：非线