热电传感技术1

1、第第4 4章章 热电传感技术热电传感技术本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解热电传感技术的基本原理了解热电传感技术的基本原理 2.2.掌握热敏电阻、热电开关、铂电阻掌握热敏电阻、热电开关、铂电阻 铜电阻、热电偶、温敏二极管、铜电阻、热电偶、温敏二极管、 温敏三极管、集成温度传感器等的温敏三极管、集成温度传感器等的 结构、特性及使用方法结构、特性及使用方法4.1 4.1 概述概述4.1.1 温度与温标温度与温标 温度是国际单位制给出的基本物理量之一，温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农业生产、科学试验中需要经常测它是工农业生产、科学试验中需要经常测量和控制的主要参数。量和控制的主要

2、参数。 温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说，互为说，互为热平衡的两物体，其温度相等。热平衡的两物体，其温度相等。 温度的微观概念是大量分子运动平均强度温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。 温度是表征物体冷热程度的物理量。温度是表征物体冷热程度的物理量。温度温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量接测量.用来量度物体温度数值的标尺叫温标用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温规定了温度的读数起点（零点）和

3、测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有标有华氏温标华氏温标、摄氏温标摄氏温标、热力学温标热力学温标.温标温标1.经验温标经验温标 经验温标的基础是利用物质体膨胀与温度的经验温标的基础是利用物质体膨胀与温度的关系。认为在两个易于实现且稳定的温度点关系。认为在两个易于实现且稳定的温度点之间所选定的测温物质体积的变化与温度成之间所选定的测温物质体积的变化与温度成线性关系。把在两温度之间体积的总变化分线性关系。把在两温度之间体积的总变化分为若干等分，并把引起体积变化一份的温度为若干等分，并把引起体积变化一份的温度定义为定义为1度。度。经验温标与测温介质有关经

4、验温标与测温介质有关，有多，有多少种测温介质就有多少个温标。少种测温介质就有多少个温标。 按照这个原则建立的有按照这个原则建立的有摄氏温标摄氏温标、华氏温标华氏温标 。 华氏温标华氏温标：标准仪器是水银温度计，：标准仪器是水银温度计，按照华氏温标，水的冰点为按照华氏温标，水的冰点为32oF，沸，沸点是点是212oF。分成。分成180份，对应每份的份，对应每份的温度为温度为1华氏度，单位为华氏度，单位为“oF”。 摄氏温标：摄氏温标：所用标准仪器是水银玻璃所用标准仪器是水银玻璃温度计。分度方法是规定在标准大气温度计。分度方法是规定在标准大气压力下，水的冰点为零度，沸点为压力下，水的冰点为零度，沸

5、点为100度，水银体积膨胀被分为度，水银体积膨胀被分为100等份，对等份，对应每份的温度定义为应每份的温度定义为1摄氏度，单位为摄氏度，单位为“oC” 摄氏温度和华氏温度的关系摄氏温度和华氏温度的关系为为 2.热力学温标热力学温标热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标，它规定标，它规定分子运动停止时的温度为绝对分子运动停止时的温度为绝对零度零度; 水的三相点，即液体、固体、气体状水的三相点，即液体、固体、气体状态的水同时存在的温度，为态的水同时存在的温度，为273.16K，水的，水的凝固点，即相当摄氏温标凝固点，即相当摄氏温标0，相当华氏温，相当华氏温标标3

6、2 的开氏温标为的开氏温标为273.15K。热力学温标。热力学温标（符号为（符号为T）它的单位为开尔文（符号为）它的单位为开尔文（符号为K）。）。273.15tTCK4.1.2 测温方法与测温仪器的分类测温方法与测温仪器的分类 按照所用方法之不同，温度测量分为按照所用方法之不同，温度测量分为接触式接触式和和非非接触式接触式两大类。两大类。 1) 接触式测温接触式测温 接触式的特点是测温元件直接与被测对象相接触，接触式的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被这时感温元件的某

7、一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。测对象的温度值。优点优点：直观可靠。：直观可靠。缺点缺点：是感温元件影响被测温度场的分布，接触不：是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。 2)非接触式测温非接触式测温 非接触测温的特点是感温元件不与被测非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点。故可避免接触测温法的缺点。 具有具有较高的测温上限；较高

8、的测温上限； 热惯性小热惯性小，可达千分之一秒，故，可达千分之一秒，故便于便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。测量运动物体的温度和快速变化的温度。测温仪器测温仪器 对应于两种测温方法，测温仪器亦分为接触式和对应于两种测温方法，测温仪器亦分为接触式和非接触式两大类。非接触式两大类。 接触式仪器接触式仪器又可分为又可分为: 膨胀式温度计膨胀式温度计(包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计度计) 电阻式温度计电阻式温度计(包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计温度计) 热电式温度计热电式温度计(包括热电偶和包括热电偶和

9、P-N结温度计结温度计)以及其它原理以及其它原理的温度计。的温度计。 非接触式温度计非接触式温度计又可分为又可分为辐射温度计、亮度温度辐射温度计、亮度温度计和比色温度计计和比色温度计，由于它们都是以光辐射为基础，由于它们都是以光辐射为基础，故也统称为故也统称为辐射温度计。辐射温度计。 按照温度测量范围，可分为超低温、低按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中温、高温和超高温温度测量。温、中温、高温和超高温温度测量。 超低温一般是指超低温一般是指010K， 低温指低温指10800K， 中温指中温指8001900K， 高温指高温指19002800K的温度，的温度， 超高温是指超高温是指2800K以

10、上的温度。以上的温度。测温方式温度计与传感器测温范围（）主要特点接触式热膨胀式液体膨胀式（玻璃温度计）固体膨胀式（双金属温度计）-100600-80600结构简单，价廉，一般用于直接读数压力式气体式液体式200600耐振，价廉，准确度不高，滞后性大，可转换成电信号热电偶2001700种类多，结构简单，价廉，感温部小，广泛应用于电测热电阻金属热电阻半导体热敏电阻260600260350种类多，精度高，感温部较大，广泛应用于电测体积小，响应快，灵敏度高，广泛应用于电测非接触式辐射式温度计光学高温计比色高温计红外光电温度计203500不干扰被测温度场，可对运动体测温，响应较快。测温计结构复杂，价高，

11、需定标修正测量值常用测温方法常用测温方法 温度温度分类分类:应用应用: 测温测温接触测温接触测温非接触测温非接触测温热辐射测温热辐射测温热传导测温热传导测温压电效应压电效应热阻效应热阻效应热电势效应热电势效应金金 属属热电阻热电阻半导体半导体热敏电阻热敏电阻热电偶热电偶温温 度度传感器传感器压电陶瓷（热释电效应）压电陶瓷（热释电效应） 敏感元件敏感元件 电参数电参数光电效应光电效应红外温度传感器红外温度传感器、光纤温度传感器、光纤温度传感器热电阻热电阻电涡流传感器电涡流传感器PNPN结热电效应结热电效应热敏二极管热敏二极管/三极管三极管、集成温度传感器集成温度传感器工作原理：工作原理：标定标定

12、u 对温度计的标定，有对温度计的标定，有标准值法和标准表法标准值法和标准表法两种方两种方法：法：标准值法标准值法就是用适当的方法建立起一系列国际温就是用适当的方法建立起一系列国际温标定义的固定温度点标定义的固定温度点(恒温恒温)作标准值，把被标定作标准值，把被标定温度计温度计(或传感器或传感器)依次置于这些标准温度值之下，依次置于这些标准温度值之下，记录下温度计的相应示值记录下温度计的相应示值(或传感器的输出或传感器的输出)，并，并根据国际温标规定的内插公式对温度计根据国际温标规定的内插公式对温度计(传感器传感器)的分度进行对比记录，从而完成对温度计的标定；的分度进行对比记录，从而完成对温度计

13、的标定；被标定后的温度计可作为标准温度计来测温度。被标定后的温度计可作为标准温度计来测温度。标准表法：标准表法：把被标定温度计把被标定温度计(传感器传感器)与已被标定好的更与已被标定好的更高一级精度的温度计高一级精度的温度计(传感器传感器)，紧靠在一起，紧靠在一起，共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调节到所选择的若干温度点，比较和记录调节到所选择的若干温度点，比较和记录两者的读数，获得一系列对应差值，经多两者的读数，获得一系列对应差值，经多次升温，降温、重复测试，若这些差值稳次升温，降温、重复测试，若这些差值稳定，则把记录下的这些差值作为被标定温定，则把记

14、录下的这些差值作为被标定温度计的修正量，就成了对被标定温度计的度计的修正量，就成了对被标定温度计的标定。标定。4.2 热敏电阻热敏电阻 热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。材料：材料： 钴、锰、镍等金属氧化物按不同比例的配方，经高温烧结而成钴、锰、镍等金属氧化物按不同比例的配方，经高温烧结而成4-1热敏电阻外形热敏电阻外形 MF12 MF12型型 NTCNTC热敏电热敏电阻阻聚脂塑料封装聚脂塑料封装热敏电阻热敏电阻其他形式的热敏

15、电阻其他形式的热敏电阻 玻璃封装玻璃封装 NTC热敏电热敏电阻阻MF58 型热敏电阻型热敏电阻其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 带安装孔的热敏电阻带安装孔的热敏电阻大功率大功率PTC热敏电阻热敏电阻其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻（续）（续） 贴片式贴片式NTC热敏热敏电阻电阻热敏电阻温度面板表热敏电阻温度面板表 热敏电阻热敏电阻 LCD热敏电阻体温表热敏电阻体温表 热敏电阻用于热敏电阻用于CPU的温度测量的温度测量 热敏电阻用于热敏电阻用于电热水器电热水器的温度控制的温度控制 特点：特点：（1）温度系数大）温度系数大 灵敏度高（为热电阻灵敏度高（为热电阻10100倍）倍） （2）结构

16、简单坚固，体积小）结构简单坚固，体积小 能承受较大的冲击、振动；可以测能承受较大的冲击、振动；可以测 量点温度量点温度（3）电阻率高、热惯性小）电阻率高、热惯性小 ，响应速度快，响应速度快 适于动态测温适于动态测温（4）易于维护、使用寿命长）易于维护、使用寿命长 适于现场测温适于现场测温（7）互换性差，非线性严重，精度低）互换性差，非线性严重，精度低 （6）成本低，应用广泛）成本低，应用广泛 （5）很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时几乎）很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时几乎 无需考虑连线电阻的影响；无需考虑连线电阻的影响；广泛应用于需要进行温度控制的一切领域，如温度测量、温度控制、温

17、度补偿、液广泛应用于需要进行温度控制的一切领域，如温度测量、温度控制、温度补偿、液面测定、气压测定、火灾报警、气象探空、开关电路、过荷保护、脉动电压抑制、面测定、气压测定、火灾报警、气象探空、开关电路、过荷保护、脉动电压抑制、时间延迟、稳定振幅、自动增益调整、微波和激光功率测量等等时间延迟、稳定振幅、自动增益调整、微波和激光功率测量等等热敏电阻温度特性热敏电阻温度特性热敏电阻按其电阻随温度变化的特性分为三类：热敏电阻按其电阻随温度变化的特性分为三类： 负温度系数热敏电阻（负温度系数热敏电阻（NTC，Negative Temperature Coefficient），它的电阻值与温度之），它的电

18、阻值与温度之间呈严格的负指数关系；间呈严格的负指数关系； 多用于温度测量和补偿多用于温度测量和补偿正温度系数热敏电阻（正温度系数热敏电阻（PTC，Positive Temperatule Coeffic），），用于恒温、加热控制或温度开关用于恒温、加热控制或温度开关临界温度系数热敏电阻临界温度系数热敏电阻(CTR，Critical Temperature Resistor)，当温度上升到某临界点时，其电阻值突当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降然下降 。用于温度开关用于温度开关 011exp0TTBRRNTT各种热敏电阻的温度特性各种热敏电阻的温度特性12345输出特性线性化处理输出特性线

19、性化处理 由于热敏电阻特性的严重非线性，扩大测温范围和提高精由于热敏电阻特性的严重非线性，扩大测温范围和提高精度必须进行补偿校正。度必须进行补偿校正。 解决办法解决办法：对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温：对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串或并联构成电阻网络度系数很小的精密电阻与热敏电阻串或并联构成电阻网络( (常称为线性化网络常称为线性化网络) )代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系。呈一定的线性关系。 利用微机可实现较宽温度范围内线性化校正的方案。利用微机可实现较宽温度范围内线性化校正的方案。

20、图中热敏电阻Rt与补偿电阻Rx 串联,串联后的等效电阻R= Rt +Rx ，只要Rx 的阻值选择适当，可使温度在某一范围内与电阻的倒数成线性关系电阻的倒数成线性关系，所以电流I与温度T成线性关系。图中热敏电阻Rt与补偿电阻Rx并联，其等效电阻R= Rt / Rx 。由图可知，R与温度的关系曲线便显得比较平坦。因此可以在某一温度范围内得到线性的输出特性。热敏电阻器的应用热敏电阻器的应用 日本Shibaura Electronics Co,Ltd.的市场分析表明，家用电器，如空调、微波炉、电饭煲、热水器、烘拷面包设备和电池充电器等用的热敏电阻器占公司总热敏电阻器销售量的58。第二位是信息处理和办公

21、设备占21。用于汽车空凋，冷却系统的热敏电阻器占9。高精度的热敏电阻器可用于激光打印机、普通纸复印机探测固定色剂滚形加热器的表面温度。使用热敏电阻器可根据室温调整电流，使墨水喷射印刷机的墨水保持最佳温度。为了耐高温，结构牢固，日本Shibaura Electronics Co.Ltd.的热敏电阻器采用耐热、耐腐蚀的玻璃及高密度的陶瓷片，承受350的高温，可用于汽车及加热器。工作环境温度达500的热敏电阻器可用于汽车的废气循环系统。 热敏电阻的应用热敏电阻的应用家用电器家用电器电熨斗、电冰箱、电饭煲、洗衣机、电暖壶、烘干机、电烤箱、电熨斗、电冰箱、电饭煲、洗衣机、电暖壶、烘干机、电烤箱、空调机、

22、电热毯、热水器、热得快、电磁炉、空调机、电热毯、热水器、热得快、电磁炉、汽车电子汽车电子电子喷油嘴、空调机、发电机防热装置、电热座椅电子喷油嘴、空调机、发电机防热装置、电热座椅测量仪器测量仪器流量计、风速表、真空计、浓度计、湿度计、空气传感器、环境流量计、风速表、真空计、浓度计、湿度计、空气传感器、环境监测仪、监测仪、办公设备办公设备复印机、传真机、打印机、扫描仪复印机、传真机、打印机、扫描仪农业园艺农业园艺温室控制、人工气候箱、烘干系统、温室控制、人工气候箱、烘干系统、医疗器具医疗器具体温计、人工透析、散热系统体温计、人工透析、散热系统工业生产工业生产电动机过热保护、电动机过热保护、应用实例

23、：应用实例：基于热敏电阻的电机过热保护器：基于热敏电阻的电机过热保护器： Rt1 Rt2 Rt3 ：热敏电阻：热敏电阻(NTC) ，安装在三相绕组附近，安装在三相绕组附近 温度低时温度低时 ：电阻高：电阻高 三极管不导通三极管不导通 继电器不吸合继电器不吸合 电机运行电机运行温度高时温度高时 ：电阻低：电阻低 三极管导通三极管导通 继电器吸合继电器吸合 电机停止电机停止4.2 热电开关热电开关 热电开关是采用两种不同特性材料（如热电开关是采用两种不同特性材料（如金属片热膨胀或陶铁磁体热磁性）构成的热金属片热膨胀或陶铁磁体热磁性）构成的热敏传感器，该传感器具有温控开关特性。敏传感器，该传感器具有

24、温控开关特性。 热电开关有热电开关有双金属片式双金属片式和和陶铁磁体式陶铁磁体式两种。两种。 主要用于电饭锅、电熨斗、电炉、电热水器主要用于电饭锅、电熨斗、电炉、电热水器等的恒温控制器等。等的恒温控制器等。4.2.1 双金属片式热电开关双金属片式热电开关固体长度随温度变化的情况可用下式表示：固体长度随温度变化的情况可用下式表示：基于固体基于固体受热膨胀原理，受热膨胀原理，测量温度通常是测量温度通常是把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起，构成双金属片感温元件当温叠焊在一起，构成双金属片感温元件当温度变化时，因双金属片的两种不同材料线度变化时，因双金属

25、片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片产生弯曲变形。下和收缩，导致双金属片产生弯曲变形。下图是双金属温度计原理图：图是双金属温度计原理图：10101LLk tt双金属温度计原理图双金属片热电开关的类型 常开式 指两个触头的接点在没有达到规定温度时是断开的。 常闭式指两个触头的接点在没有达到规定温度时是闭合的。 简易式 蝶式结构类型多种形式，工作原理是“常开式”和“常闭式”两种。为了满足不同用途的要求，双金属元件制成为了满足不同用途的要求，双金属元件制成各种不同的形状。各种不同的形状。应用实例应用实例 用电熨斗熨衣服，若温度

26、过高会烫坏衣服，而且对于不同用电熨斗熨衣服，若温度过高会烫坏衣服，而且对于不同的衣料，熨衣时所需温度也不同，因此需要调温装置。图的衣料，熨衣时所需温度也不同，因此需要调温装置。图1是电熨斗调温原理示意图。是电熨斗调温原理示意图。 电熨斗调温电路主要组件是双金属片，电熨斗工作电熨斗调温电路主要组件是双金属片，电熨斗工作时，动、静触点接触，电热组件通电发热。当温度达到选时，动、静触点接触，电热组件通电发热。当温度达到选定温度时，双金属片受热下弯，使动触点离开静触点，自定温度时，双金属片受热下弯，使动触点离开静触点，自动切断电源；当温度低于选定温度时，双金属片复原，两动切断电源；当温度低于选定温度时

27、，双金属片复原，两触点闭合。再接通电路，通电后温度又上升，达到选定温触点闭合。再接通电路，通电后温度又上升，达到选定温度时又再断开，如此反复通断，就能使熨斗的温度保持在度时又再断开，如此反复通断，就能使熨斗的温度保持在一定范围内。通过调节螺丝选定温度的高低，越往下旋，一定范围内。通过调节螺丝选定温度的高低，越往下旋，静触点越下移，选定的温度就越高。静触点越下移，选定的温度就越高。 陶铁磁体式热电开关陶铁磁体式热电开关 陶铁磁体式热电开关主要由硬磁、软磁、动作弹簧、抵紧陶铁磁体式热电开关主要由硬磁、软磁、动作弹簧、抵紧弹簧、拉杆、杠杆、触点、操作按键等组成。弹簧、拉杆、杠杆、触点、操作按键等组成

28、。 硬磁主要由碳酸锶（硬磁主要由碳酸锶（SrCO3）14%和三氧化二铁（和三氧化二铁（Fe2O3）86%组成。组成。 软磁主要由氧化镍（软磁主要由氧化镍（NiO）11%、氧化锌（、氧化锌（ZnO）22%和和三氧化二铁（三氧化二铁（Fe2O3）67%组成。组成。 硬磁材料的居里点温度很高（硬磁材料的居里点温度很高（450 ），因此它也是永久），因此它也是永久磁铁。磁铁。 软磁材料的居里点温度较低（软磁材料的居里点温度较低（139150 .)以电饭煲为例说明工作原理。以电饭煲为例说明工作原理。谁知道电饭锅里从米谁知道电饭锅里从米到饭的全过程到饭的全过程? 构造构造工作原理工作原理:工作原理工作原理

29、:工作原理工作原理:工作原理工作原理: 如何实现保温？如何实现保温？ 用双金属片做保温开关用双金属片做保温开关S2。开始烧饭时，按下开。开始烧饭时，按下开关关S1，电路接通，电热丝通电烧饭。锅中有水时，饭，电路接通，电热丝通电烧饭。锅中有水时，饭锅的温度不会超过锅的温度不会超过100；饭熟后，水干了，饭锅温；饭熟后，水干了，饭锅温度将超过度将超过100。当温度上升到。当温度上升到103时，限温开关时，限温开关S1就会自动断开，电路断电，达到自动控温目的。这就会自动断开，电路断电，达到自动控温目的。这时温度较高，时温度较高，S2处于断开状态。当温度下降至处于断开状态。当温度下降至60时，时，S2

30、接通；加热至接通；加热至80时，时，S2又断开。又断开。S2的不断开合，的不断开合，使锅内温度保持在使锅内温度保持在60-80之间。之间。 温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，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，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。电阻值与温度的变化趋势相同。4.4 热电阻热电阻热电阻分类 按结构分，普通型热电阻、锴装热电阻、薄膜热电阻 按用途分，工业用热电阻、精密

31、标准电阻用于制造热电阻的材料，要求电阻率、电阻温度系用于制造热电阻的材料，要求电阻率、电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度的关系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度的关系最好近于线性，良好的工艺性。最好近于线性，良好的工艺性。适宜制作热电阻的适宜制作热电阻的材料材料有有铂铂、铜铜、镍镍、铁铁等等热电阻的特点：热电阻的特点：热电阻测温的热电阻测温的优点优点是信号是信号灵敏度高、易于连续测量、灵敏度高、易于连续测量、可以远传、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、可以远传、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。热电阻

32、主要热电阻主要缺点缺点是需要是需要电源激励电源激励、有（会影响测量、有（会影响测量精度）自热现象以及测量温度不能太高。精度）自热现象以及测量温度不能太高。热电阻材料的特点热电阻材料必须具有以下特点： 热电阻的结构比较简单，一般将电阻丝绕在云母、石英、热电阻的结构比较简单，一般将电阻丝绕在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘骨架上，经过固定，外面再加上保护套陶瓷、塑料等绝缘骨架上，经过固定，外面再加上保护套管。但骨架性能的好坏，影响其测量精度、体积大小和使管。但骨架性能的好坏，影响其测量精度、体积大小和使用寿命。用寿命。1、热电阻的结构、类型、热电阻的结构、类型结构：结构：出线密封圈出线密封圈出线螺母出

33、线螺母小链小链盖盖接线柱接线柱密封圈密封圈接线盒接线盒接线座接线座保护管保护管绝缘管绝缘管引出线引出线感温元件感温元件工业用工业用普通（装配式）铂电阻普通（装配式）铂电阻 膜式热电阻膜式热电阻引线引线陶瓷基片陶瓷基片条状铂膜条状铂膜陶瓷铂热电阻陶瓷铂热电阻引线引线带孔瓷管带孔瓷管铂丝线圈铂丝线圈较强的抗振性较强的抗振性响应具有快速性响应具有快速性可提高测温上限可提高测温上限铠装热电阻铠装热电阻4引出线引出线1金属套管金属套管3绝缘材料绝缘材料2感温元件感温元件铠装式铂电阻比装铠装式铂电阻比装配式铂电阻直径小，配式铂电阻直径小，易弯曲，抗震性好，易弯曲，抗震性好，适宜安装在装配式适宜安装在装配式

34、铂电阻无法安装的铂电阻无法安装的场合。场合。铠装式铂电阻外保铠装式铂电阻外保护套管采用不锈钢，护套管采用不锈钢，内充满高密度氧化内充满高密度氧化物绝缘体，因此，物绝缘体，因此，它具有很强的抗污它具有很强的抗污染性能和优良的机染性能和优良的机械强度，适合安装械强度，适合安装在环境恶劣的场合。在环境恶劣的场合。可直接用铜导线和可直接用铜导线和二次仪表相连接使二次仪表相连接使用。用。薄膜型及普通型铂热电阻薄膜型及普通型铂热电阻 小型铂热电阻小型铂热电阻 防爆型铂热电阻防爆型铂热电阻 汽车用水温传感器及水温表汽车用水温传感器及水温表 铜热电阻铜热电阻（1 1）铂热电阻）铂热电阻（目前最好材料） 铂热电

35、阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以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。在温度传感器中得到了广泛应用。 铂电阻制成的温度计，主要作为标准电阻温度计，广泛铂电阻制成的温度计，主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。应用于温度基准、标准的传递。按国际温标IPTS-68规定，在-259.34630.73温域内，以铂电阻温度计作基准器。 除作温度标准外，还广泛应用于高精度的工业测量。由除作温度标准外，还广泛应用于高精度的工业测量。由于铂为贵金属，一般在测量精度要求不高和测温范围较小于铂为贵金属，一般在测量精度要求不高和测温范围较小时，均采

36、用铜电阻。时，均采用铜电阻。 铂易于铂易于提纯提纯，在，在高温和氧化性介质高温和氧化性介质中物理化学性质稳中物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度；制成的铂电阻输出定，电阻率较大，能耐较高的温度；制成的铂电阻输出输入特性接近输入特性接近线性线性。 铂电阻的精度与铂的提纯程度有关铂电阻的精度与铂的提纯程度有关 0100)100(RRW百度电阻比百度电阻比 W（100）越高，表示铂丝纯度越高，）越高，表示铂丝纯度越高，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W（100）1.3925目前技术水平已达到目前技术水平已达到W（100）1.3930，工业用铂电阻的

37、纯度工业用铂电阻的纯度W（100）为）为1.3871.390。 在在0850的温度范围内的温度范围内 Rt = R0(1+At+Bt2) 在在ITS90 中，这些常数规定为中，这些常数规定为 A=3.94010-2/ B=-5.8410-7/2 C=-4.2210-12/4 按按IEC（International Electrotechnical Commission）标准，铂热电阻的使用温度范围为标准，铂热电阻的使用温度范围为-200850。铂电阻阻值与温度变化之间的关系铂电阻阻值与温度变化之间的关系（特性方程）为：特性方程）为： 在在-2000的温度范围内的温度范围内 Rt=R01+At+

38、Bt2+Ct3(t-100) 可见：热电阻在温度可见：热电阻在温度t 时的电阻值与时的电阻值与0时的电阻时的电阻值值R0有关。有关。 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R0=50和和R0=100两种，它们的分度号分别为两种，它们的分度号分别为Pt50和和Pt100，其中，其中以以Pt100为常用。为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rt-t的关系表，的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可，便可从分度表上查出对应的温度值。从分度表上查出对应的温度值。铂电阻分度表铂电阻分度表

39、 (2)(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，可采用铜热电阻进行测温， 它的测量范围为-50150。 铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为Rt=R0（1+t） =4.2810-3/ 两种分度号：Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。 铜热电阻的分度表分度号：Cu50 050R 温度/0102030405060708090电阻/050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.68

40、77.8379.9882.13铜热电阻的特点 铜在铜在-50150范围内铜电阻化学、物理性范围内铜电阻化学、物理性能稳定，电阻温度系数较大，输出输入特性能稳定，电阻温度系数较大，输出输入特性接近线性，价格低廉。接近线性，价格低廉。 缺点：电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯缺点：电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定性较差，在性较大，稳定性较差，在100 以上时容易氧以上时容易氧化，因此只能用于低温及没有浸蚀性的介质中。化，因此只能用于低温及没有浸蚀性的介质中。3）其他热电阻）其他热电阻 镍使用温度范围是镍使用温度范围是-50-50100100和和-50-50150 150 。但目前应用

41、较少：镍非线性严重，材料提取也困但目前应用较少：镍非线性严重，材料提取也困难。但灵敏度都较高，稳定性好，在自动恒温和难。但灵敏度都较高，稳定性好，在自动恒温和温度补偿方面的应用较多。（我国定为标准化热温度补偿方面的应用较多。（我国定为标准化热电阻）电阻） 铟电阻适宜在铟电阻适宜在-269-269-258-258温度范围内使用，测温度范围内使用，测温精度高，灵敏度是铂电阻的温精度高，灵敏度是铂电阻的1010倍，但是材料软倍，但是材料软复现性差。复现性差。 锰电阻适宜在锰电阻适宜在-271-271-210-210温度范围内使用，灵温度范围内使用，灵敏度高，但是材料脆，难拉成丝，易损坏。敏度高，但是

42、材料脆，难拉成丝，易损坏。 碳电阻适宜在碳电阻适宜在-273-273-268.5-268.5温度范围内使用，温度范围内使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但是热稳定性较差。是热稳定性较差。用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。采用电桥电路。 热电阻与检测仪表相隔一段距离，热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。线制三种。2. 热电阻的测量

43、电路内部引线方式 电阻体二线制电阻体三线制电阻体四线制两线制 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附加误差。 两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。热电阻测温电桥的三线连接法热电阻测温电桥的三线连接法（图中（图中G为指示电表为指示电表R1、 R2、R3为固定电阻、为固定电阻、 Ra为零位调节电阻）为零位调节电阻）缺点：缺点：零点不稳零点不稳原因：是可调电原因：是可调电阻的接触电阻阻的接触电阻考虑温度变化考虑温度变化 Rg热电阻测温电桥的四线连接法热电阻测温电桥的四线连接法补偿导线补偿导线图所示为四线连接法，调零的图所示为四线连接法，调零的Rp电位器的接触电阻和指

44、示电位器的接触电阻和指示电表串联，接触电阻的不稳定不会破坏电桥的平衡和正常电表串联，接触电阻的不稳定不会破坏电桥的平衡和正常工作状态。工作状态。4.5 热电偶测温热电偶测温热电偶是工业和设备试验中温度测量应用最多的热电偶是工业和设备试验中温度测量应用最多的器件，它的特点是器件，它的特点是测温范围宽（测温范围宽（-1802800 ）测量精度高测量精度高性能稳定性能稳定结构简单、使用方便结构简单、使用方便热惯性小，动态响应较好；热惯性小，动态响应较好；输出直接为输出直接为电信号电信号，可以远传，便于，可以远传，便于集中检测和自动集中检测和自动控制控制。它的工作原理是基于热电效应它的工作原理是基于热

45、电效应（一）热电效应及基本定律（一）热电效应及基本定律 两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成闭合回路，当两个接触点一起，组成闭合回路，当两个接触点(称为称为结点结点)温度温度t和和t0不相同时，回路中既产生电不相同时，回路中既产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。能的现象称为热电效应。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。那么热电势的大小为多少呢？以下两者之和：那么热电势的大小为多少呢？以下两者之和：接触电势接触电势+ 温差电

46、势温差电势 热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端自由端（参考（参考端端、冷冷端端） 4.5.1 4.5.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 左端称为：左端称为：测量端测量端（工作工作端、端、热热端端） 热电极热电极B B热电势热电势AB 1）两种导体的接触电动势）两种导体的接触电动势 两种导体接触的时候，由于导体两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，如果内的自由电子密度不同，如果NANB电子密度大的导体电子密度大的导体A中中的电子就向电子密度小的导体的电子就向电子密度小的导体B扩散，从而由于导体扩散，从而由于导体A失去了电失去了电子而具有正电位。相反导体子而具有正电位。相

47、反导体B由由于接收到了扩散来的电子而具有于接收到了扩散来的电子而具有负电位。这样在扩散达到动态平负电位。这样在扩散达到动态平衡时衡时A、B之间就形成了一个电位之间就形成了一个电位差。这个电位差称为接触电动势。差。这个电位差称为接触电动势。式中EAB(T)-A、B两种材料在温度为T时的接触电动势； K-玻耳兹曼常数(1.3810-6)； E-电子电荷(1.602189210-19); NA(T)、NB(T)-A、B两种材料在温度T时的自由电子密度。BAABNNekTTEln)( BAABNNekTTEln)(00 T端端 T0端端 BAABABNNTTekTETEln)()(000 两电势方向相

48、反两电势方向相反. 回路中总的接触电势为：回路中总的接触电势为： 由式可见，当两结由式可见，当两结点的温度相同，即点的温度相同，即T=T0 ， AB材料相同时回路中总材料相同时回路中总电势将为零。电势将为零。 对单一金属导体，如果两端对单一金属导体，如果两端的温度不同，则两端的自由电的温度不同，则两端的自由电子就具有不同的动能。温度高子就具有不同的动能。温度高则动能大，动能大的自由电子则动能大，动能大的自由电子就会向温度低的一段扩散。失就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这一端就处于正电去了电子的这一端就处于正电位，而低温端由于得到电子处位，而低温端由于得到电子处于负电位。这样两端就形成了于负

49、电位。这样两端就形成了电位差，称为温差电动势。电位差，称为温差电动势。2）单一导体中的温差电动势）单一导体中的温差电动势 当导体两端的温度分别为当导体两端的温度分别为T、T0时，温差电势可由下式表示时，温差电势可由下式表示 dTTTETTAA 0),(0 式中式中 AA导体的导体的汤姆逊汤姆逊系数，对于确定的材料来说是一系数，对于确定的材料来说是一常数。常数。 对于两种金属（或半导体）对于两种金属（或半导体）A、B组成的热电偶回路，组成的热电偶回路，汤姆逊电势汤姆逊电势（单一导体的温差电势）等于它的代数和，即（单一导体的温差电势）等于它的代数和，即 dTTTEBATTAB 0),(0 单单结点

50、温度同，则温差电势为结点温度同，则温差电势为0；A、B材料同，则温差电势也为材料同，则温差电势也为0。两种导体的接触电势两种导体的接触电势（珀尔帖）（珀尔帖） BAABABNNTTekTETEln)()(000 单一导体的温差电势单一导体的温差电势（汤姆逊电势）（汤姆逊电势）总的热电势为二者之和。总的热电势为二者之和。 dTTTEBATTAB 0),(0 单单 TTBABAABdTNNTTekTTE0ln),(00 不用记住，理解即可。不用记住，理解即可。 TTBABAABdTNNTTekTTE0ln),(00 接触电势接触电势温差电势温差电势由式可知，由式可知，热电偶总电动势与电子密度热电偶

51、总电动势与电子密度NA、NB及两节点及两节点温度温度T、T0有关，有关，电子密度取决于热电偶材料的特性。当电子密度取决于热电偶材料的特性。当热电偶材料一定时，热电偶的总电动势热电偶材料一定时，热电偶的总电动势EAB(T，T0)成为温成为温度度T和和T0的函数差，即的函数差，即问：由同一种导体组成的闭合回路能产生热电势吗?一种导体组成的闭合回路，无论其是否存在温度梯度，一种导体组成的闭合回路，无论其是否存在温度梯度，均不能产生热电势。均不能产生热电势。公式推导如下：公式推导如下： 接触电势与温差电势的性质：接触电势与温差电势的性质：用公式可以证明：用公式可以证明： )()(TeTeBAAB)()

52、()(TeTeTeACBCAB),(),(00TTeTTeAA影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关 应注意，如果热电极本身性质为非均匀的，由于温度梯度存在，将应注意，如果热电极本身性质为非均匀的，由于温度梯度存在，将会有附加电势产生。会有附加电势产生。两热电极相同时，总电动势为两热电极相同时，总电动势为0两接点温度相同时，总电动势为两接点温度相同时，总电动势为0对于已选定的热电偶，当参考端温度对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，恒定时，eAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函

53、数关系，成单值函数关系，即即 eAB(T,T0)=eAB(T)c=f(T) 可见：可见：只要测出只要测出e eABAB（T T, ,T T0 0）的大小，就能得到被测）的大小，就能得到被测温度温度T T，这就是利用热电偶测温的原理。，这就是利用热电偶测温的原理。 小结 热电偶的分度表 不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有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，一般通过实验的方法来确定，不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。电势与温度的对照表，即分度表。

54、供查阅使用，每供查阅使用，每10分档分档 。中间值按内插法计算。中间值按内插法计算。 直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时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：的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为自由端（冷端）温度必须为0 C。 假设热电偶的冷端温度为假设热电偶的冷端温度为0 0 C C，请根据工业请根据工业中常用的热电偶中常用的热电偶镍铬镍铬-镍硅（镍硅（K）的的分度表，分度表，查查出出100100 C 、0 0 C、 100100 C 时的热电势。时的热电势。K热电偶的热电偶的分度表分度表 比较比较查出的查出的3 3个个热电势，热电势，可以看出可以看出热电势是热电

55、势是否否线性？线性？S型型(铂铑铂铑10-铂铂)热电偶分度表热电偶分度表 二、热电偶基本定律(一)均质导体定律均质导体定律 由均质材料构成的热电偶、热电动势的大小由均质材料构成的热电偶、热电动势的大小只与材料及结点温度有关。与热电偶的大小只与材料及结点温度有关。与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极温度分布无关。如材料尺寸、形状及沿电极温度分布无关。如材料不均匀、由于温度梯度的存在，将会有附加不均匀、由于温度梯度的存在，将会有附加电动势产生。电动势产生。 热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。要指标之一。（二）中间导体定律（二）中间导体定律 如图所示

56、，将如图所示，将A、B构成的热电偶的构成的热电偶的T0端断开，接入第三端断开，接入第三种导体种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。后对回路总电动势无影响。应用：应用：利用中间导体定律利用中间导体定律,可在回可在回路中引入各种仪表和各种连接导线路中引入各种仪表和各种连接导线,使热电偶测温成为可能。使热电偶测温成为可能。),()(),()(),()(),(0000000TTeTeTTeTeTTeTeTTEACACBCBABABC),( ),()(),()( ),(00000TTETTeTeTTeTeTTEABABABABA

57、BC0),(00TTeC)()()(000TeTeTeCACABC根据中间导体定律，可以用开路热电偶根据中间导体定律，可以用开路热电偶对液态金属或金属壁面测温。对液态金属或金属壁面测温。 （三）中间温度定律（三）中间温度定律 在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0时热电动势的代数和，即),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB两端点在任意温度时的热电势为：两端点在任意温度时的热电势为：)0 ,()0 ,(),(nABABnABTETETTE证明：),(),(),(00TTETTETTEnABnABABTTABnABABnAB

58、ndTTeTeTTE)()(),(nTTABABnABnABdTTeTeTTE0)()(),(00TTABABABnABnABdTTeTeTTETTE0)()(),(),(00即得：),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB当T0=0时，有：)0 ,(),()0 ,(nABnABABTETTETE其中，Tn称为中间温度。结论：结论：中间温度定律为制定热电偶得分度表奠定了理论基础。从分度表查出参考端为零度时得热电势，即可求得参考端温度不为零时得热电势。应用一应用一：该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中电偶测温

59、回路中, 利用热电偶这一性质利用热电偶这一性质, 可对参考端温度不为可对参考端温度不为0的热电势进行修正。的热电势进行修正。例：用镍铬镍硅热电偶测量炉温时，当冷端温度例：用镍铬镍硅热电偶测量炉温时，当冷端温度T030时，时，测得热电动势测得热电动势E AB(T,T0)=39.17mV，求实际炉温。，求实际炉温。解：由解：由 T030查分度表得查分度表得E（30，0）1.2mV，根据中间温，根据中间温度定律得度定律得 E(T,0)=E(T,30)+E(30,0)=39.17+1.2=40.37mV查表得炉温查表得炉温 T=946 镍铬一镍硅热电偶分度表（自由端温度为0 ） 用连接导线的热电偶回路

60、用连接导线的热电偶回路 应用二：应用二：热电偶实际测温时，工作端和参考端有时会很长。热电偶实际测温时，工作端和参考端有时会很长。根据中间温度定律，可以用补偿导线连接加长热电偶。根据中间温度定律，可以用补偿导线连接加长热电偶。 在一定范围内（在一定范围内（0-150）补偿导线具有和所连接热电偶）补偿导线具有和所连接热电偶相同的热电性质。相同的热电性质。 在热电偶回路中，如果热电极在热电偶回路中，如果热电极A、B分别与连接导线分别与连接导线A、B 相连接，结点温度分别为相连接，结点温度分别为T、Tn、T0 ，那么回路的热电，那么回路的热电势将等于热电偶的热电势势将等于热电偶的热电势EAB(T,Tn