热电式传感器本章总体介绍用来测量温度传感器

1、热电式传感器本章总体介绍用来测量温度传感器热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器。分 类特 征传 感 器 名 称超高温用传感器1500以上光学高温计、辐射传感器高温用传感器10001500光学高温计、辐射传感器、热电偶中高温用传感器5001000光学高温计、辐射传感器、热电偶中温用传感器0500低温用传感器-2500极低温用传感器-270-250BaSrTiO3陶瓷晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计见表下内容 测 温 范 围温度传感器分类温度传感器分类(1)(1)分 类特 征传 感 器

2、 名 称测温范围宽、输出小测温电阻器、晶体管、热电偶半导体集成电路传感器、可控硅、石英晶体振动器、压力式温度计、玻璃制温度计线性型测温范围窄、输出大热敏电阻指数型函数开关型特性特定温度、输出大感温铁氧体、双金属温度计 测 温 特 性温度传感器分类(2)分 类特 征传 感 器 名 称测定精度0.10.5铂测温电阻、石英晶体振动器、玻璃制温度计、气体温度计、光学高温计温度标准用测定精度0.55热电偶、测温电阻器、热敏电阻、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器绝对值测定用管理温度测定用相对值15 测 定 精 度温度传感器分类(3) 此外，还有微波

3、测温温度传感器、噪声测温温此外，还有微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已获得光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。应用，有的尚在研制中。 测温方法很多，我们仅介绍最常用的三类：测温方法很多，我们仅介绍最常用的三类：热电偶、热电阻、热敏电阻。热电偶、热电阻、热敏电阻。 闭合回路中的两种导

4、体称为热电极。闭合回路中的两种导体称为热电极。 回路中的两结点，一个称工作端（热端回路中的两结点，一个称工作端（热端T T），另一个），另一个 称参比端（冷端称参比端（冷端T T0 0）。）。 通常将两种导体组合，并将温度转化成热电动势输通常将两种导体组合，并将温度转化成热电动势输出的器件叫做热电偶，是一种常用的测温传感器。出的器件叫做热电偶，是一种常用的测温传感器。 热电偶为何能产生热电动势呢？热电偶为何能产生热电动势呢？ 热电动势的形成是由于接触电动势和温差电动势共同作用的热电动势的形成是由于接触电动势和温差电动势共同作用的结果。其大小与组成热电偶的两种导体的材料及结点温度（结果。其大小与

5、组成热电偶的两种导体的材料及结点温度（T0、T）有关。有关。（1）接触电动势）接触电动势e AB(T) 当两种导体当两种导体A、B接触，在其接触区会形成一个电场，即在两接触，在其接触区会形成一个电场，即在两导体接触区形成稳定的电位差，即接触电动势：导体接触区形成稳定的电位差，即接触电动势：1)-(10 NNLnekT)T(eBAAB式中：式中：e AB(T)-导体导体A、B的接点在温度的接点在温度T时形成的接触电动势；时形成的接触电动势； k玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数， k=1.3810-23 J/K e电子电荷量，电子电荷量， e=1.610-19 C T接触处的温度接触处的温度 NA，NB

6、分别为导体分别为导体A和和B的自的自由电子由电子密度。密度。 接触电动势接触电动势e AB(T)的形成，可以用以下理论解释。的形成，可以用以下理论解释。 不同导体材料具有不同的自由电子密度（不同导体材料具有不同的自由电子密度（NA、NB），当其接），当其接触时，发生电子扩散。电子扩散速率与各自的电子密度（触时，发生电子扩散。电子扩散速率与各自的电子密度（NA、NB）有关。有关。 不妨设不妨设NANB。当电子扩散平衡时，。当电子扩散平衡时，A失去电子带正电荷，失去电子带正电荷，B得到电子带负电荷。其结果在接触区形成电场，该电场阻碍了电得到电子带负电荷。其结果在接触区形成电场，该电场阻碍了电子的继

7、续扩散，达到了动态平衡，即形成了接触电动势子的继续扩散，达到了动态平衡，即形成了接触电动势e AB(T) 。自由电子ABe (T)TBA接触电动势的形成机理ANNB（2）温差电动势）温差电动势e A(T，T0) 温差电动势是在同一导体的两端因其温度的不同而产生的一种热温差电动势是在同一导体的两端因其温度的不同而产生的一种热电动势。其大小与导体的性质和两端的温度差有关。可表示为：电动势。其大小与导体的性质和两端的温度差有关。可表示为：0ABe (T )0T图10-2 热电偶闭合回路电动势组成ABTe (T)ABTTB0B0dt)T(T,eTTA0A0dt)T(T,e2)-(10 dt)T(T,e

8、TTA0A0TTB0B0dt)T(T,ee A(T，T0)-导导体体A的温差的温差 电电动势；动势；A、B分分别为导体别为导体A、 B的汤姆逊系数；的汤姆逊系数；T、T0导体导体两端的绝对两端的绝对 温度。温度。因此，根据图因此，根据图10-2，可计算回路总的电动势：，可计算回路总的电动势：3)-(10 )dt-(NNLnekTNNLnekT )T, T(e)T, T(e)T(e)T(e)T(T,ETTABBTATBTATBAABAB0AB0000000一般情况下，温差电动势一般情况下，温差电动势T0，所以总，所以总电动势电动势EAB（T，T0）中，）中， eAB(T)占主导。占主导。 当当N

9、ANB，则，则A为正极，为正极，B为负极。为负极。从（从（10-310-3）式可得出有关热电偶回路的几点结论或基本定律）式可得出有关热电偶回路的几点结论或基本定律1)1)均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。 换种说法：热电偶必须采用两种不同的材料作为热电换种说法：热电偶必须采用两种不同的材料作为热电极，否则，输出总电动势为零。极，否则，输出总电动势为零。2 2）若）若T=TT=T0 0，即冷、热端温度相同，输出热电动势为，即冷、热

10、端温度相同，输出热电动势为0 0；3 3）热电偶的总热电动势与）热电偶的总热电动势与A A、B B材料的中间温度无关，只材料的中间温度无关，只与结点温度有关；与结点温度有关；解：已知热电偶灵敏度为常数解：已知热电偶灵敏度为常数0.08mV/0.08mV/，说明所测温度与热电偶，说明所测温度与热电偶输出成线性关系，可设：输出成线性关系，可设：E(T)=kT+A= 0.08T+AE(T)=kT+A= 0.08T+A其中：其中：T T为工作端温度，为工作端温度，A A是待定常数。是待定常数。 因电压表接线端为因电压表接线端为50 50 。则当测端温度也为。则当测端温度也为50 50 时，有：时，有：

11、 E E（5050）= 0 = 0 推出：推出： A=A=4mV4mV， 故：故：E(T) = 0.08T E(T) = 0.08T 4 4 当电压表测得数值为当电压表测得数值为60mV60mV时，即：时，即：4 4T = 800 T = 800 4)4)中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其（第三种材料）在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其（第三种材料）两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。 根据该定律，可以将第三导体换成根据该定律，可以将第三导体换成测量仪表，只要保持两

12、结点温度相同，测量仪表，只要保持两结点温度相同，就可测量热电动势。就可测量热电动势。T00TC图10-3 具有第三导体的热电偶回路ABT仪表 证明：图中回路中总电动势为：证明：图中回路中总电动势为： E EABCABC(T(T，T T0 0) ) =E =EABAB(T)+E(T)+EBCBC(T(T0 0)+E)+ECACA(T(T0 0) ) (10-4(10-4)式中右边三项分别为式中右边三项分别为A A与与B B导体、导体、B B与与C C导体、导体、C C与与A A导体组成的热电偶在导体组成的热电偶在T T或或T T0 0温度下的热电温度下的热电动势。动势。EABC(T0，T0)=

13、EAB(T0)+EBC(T0)+ECA(T0)=0 (10-5)EABC(T，T0)= EAB(T)EAB(T0)=EAB(T，T0) 证毕证毕5)5)参考电极定律参考电极定律 两种导体两种导体A A、B B分别与参考电极分别与参考电极C C组成热电偶，如果他们所产生组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，的热电动势为已知，A A和和B B两极配对后的热电动势可用下式求得：两极配对后的热电动势可用下式求得：7)-(10 )T(T,E)T(T,E)T(T,E0CB0AC0AB教材对此式作了证明，我们在此不做推导教材对此式作了证明，我们在此不做推导。=ACTT0+CBTT0ABTT0由于铂的物

14、理化学性质稳定，人们多采用铂作为参考电极由于铂的物理化学性质稳定，人们多采用铂作为参考电极。E (T,T0)ABT0TCCBA由于适于制作热电偶的材料约300余种，两两组合数量达C3002种以上。显然对这些组合的配对都作热电偶的标定，显然费时费力。由于铂材料性能稳定，熔点较高且易提纯，可用作标准参考电极。用热电偶材料与铂配对，只需要300余种热电偶的标定，这样可大大减少不必要的材料配对工作。 例例2 2：（P237P237）已知在某特定条件下材料已知在某特定条件下材料A A与铂配对的热电动势为，与铂配对的热电动势为，材料材料B B与铂配对的热电动势为，求出在此特定条件下材料与铂配对的热电动势为

15、，求出在此特定条件下材料A A与材料与材料B B配配对后的热电动势？对后的热电动势？解：根据式（解：根据式（10-7）)T(T,E)T(T,E)T(T,E0PtB0APt0ABEAB=13.967 8.345 = 5.622(m)工业热电偶结构示意图1接线盒；2保险套管3绝缘套管4热电偶丝1234 1铂铑铂铑1010铂热电偶铂热电偶(S(S型型) ) 分度号LB3工业用热电偶丝：，实验室用可更细些。工业用热电偶丝：，实验室用可更细些。正极：正极：铂铑合金丝铂铑合金丝, ,用用9090铂和铂和1010铑铑( (重量比重量比) )冶炼而成。冶炼而成。 负极：负极：铂丝铂丝。 测量温度：长期：测量温

16、度：长期：13001300、短期：、短期：16001600。 特点：特点： 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：实验室或校验其它热电偶。偶。用途：实验室或校验其它热电偶。 测量温度较高，一般用来测量测量温度较高，一般用来测量10001000以上高温。以上高温。 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CoCo、H H2 2等）易被侵蚀，需要等）易被侵蚀，需要 用保护套管。用保护套管。 外套材料常用外套材料常用3030高温合金。高温合金。 材料属贵金属，成本较高。材料属贵金属，成本较高。

17、热电动势较弱。热电动势较弱。 2镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型) 分度号EU2工业用热电偶丝： ，实验室用可细些。正极：镍铬合金(用镍、910铬， 硅，锰，钴冶炼而成)。负极：镍硅合金(用97镍,23硅 钴冶炼而成)。测量温度：长期1000，短期1300。特点：v 价格比较便宜，在工业上广泛应用。v 高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，H2S等气体中易 被侵蚀。v 复现性好，热电势大。 3 3镍铬镍铬考铜考铜热电偶热电偶(E型型) 分度号为分度号为EA2工业用热电偶丝：工业用热电偶丝：2mm，实验室用可更细些。正极：正极：镍铬合金负极：负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。测量温

18、度：测量温度：长期600，短期800。特点：特点：l 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。l 气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质，适 于在还原性或中性介质中使用。 4 4铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6热电偶热电偶(B(B型型) ) 分度号为分度号为LLLL2 2正极：正极：铂铑合金（用70铂，30铑冶炼而成）。负极负极：铂铑合金（用94铂，6铑冶炼而成）。测量温度：测量温度：长期可到1600，短期可达1800。特点：特点：l 材料性能稳定，测量精度高。l 还原性气体中易被侵蚀。l 低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。l 成本高。 几种特殊用途

19、的热电偶几种特殊用途的热电偶（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钌热电偶它能在氧化气氛中钌热电偶它能在氧化气氛中 测量高达测量高达2100的高温。的高温。（2）钨铼热电偶：）钨铼热电偶：是是60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热年代发展起来的，是目前一种较好的高温热 电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能 力差。国产钨铼力差。国产钨铼5-钨铼钨铼20热电偶使用温度范围热电偶使用温度范围3002000分度精分度精 度为度为1。（3）金铁）金铁镍铬热电偶镍铬热电偶 ：主要用在低温测量，可在

20、主要用在低温测量，可在2273K范围内范围内 使用，灵敏度约为使用，灵敏度约为10V。（4）钯）钯铂铱铂铱15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时时 的热电势为，比铂的热电势为，比铂铂铑铂铑10热电偶在同样温度下的热电势热电偶在同样温度下的热电势 高出高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。（6）铜）铜康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号MK 热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43V/。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20K473K的低温实

21、验室测量中。 （5 5）铁）铁康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号TK TK 灵敏度高，约为53V/，线性度好，价格便宜，可在800以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。 热电偶冷端温度主要补偿方法有： 冰点槽法（见后面说明） 计算修正法 补正系数法 零点迁移法（见后面说明） 冷端补偿器法（见后面说明） 软件处理法（见后面说明）1. 冰点槽法 把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。mVABABTCC仪表铜导线试管补

22、偿导线热电偶冰 点槽冰 水溶液T0例: 用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是0而是TH。而热电偶的冷端温度已是TH,则只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。 2. 2. 零点迁移法零点迁移法应用领域应用领域：如果冷端不是0，但十分稳定的场所（如恒温车间）。实质：实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。3. 3. 冷端补偿器法冷端补偿器法 利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。 设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0 ，电桥对仪表读数无影响。 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。 mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabRCuR1R2R3RT0 Ua Uab EAB(T,T0)4. 4. 软件处理法软件处理法 对于计算机系统