第四章热电传感器

1、第四章热电传感器 概述概述热电式传感器是一种将温度变化转换为电量的装置。它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性来进行测量的。例如将温度变化转换为电阻、热电动势、热膨胀、导磁率等的变化，再通过适当的测量电路达到检测温度的目的。 概述概述概述概述 各种热电偶各种热电偶概述概述 各种热电阻各种热电阻概述概述( )lnAABBNKTETeN冷端（冷端（0）接触电势）接触电势：00()lnAABBKTNETeN 式中： A A、B B 代表不同材料；代表不同材料； ，0 为两端温度；为两端温度； k波尔兹曼常数；波尔兹曼常数； e 电子电荷量； BNAN是A、B 材料的电子浓度；00ln,AABB

2、NKETTT TeN0lnABNKTTeN2、单一导体的温差电势（汤姆逊电势） 对单一金属如果两边温度不同，两端也产生电势。 产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具 有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失 去电子带正电，低温端得到电子带负电。v A、B 两导体构成闭合回路总的温差电势为：000,()TABABTeT TeT TdT00,TAATeTTd T单一导体的温差电势为：:汤姆逊系数00,TBBTeTTd T根据两导体的接触电势（珀尔帖电势）和单一导体温差电势（汤姆逊电势）。v热电偶总的热电势为：0000,()TABABABTET Te T Te T TdT00ln()TAABT

3、BNKTTdTeN000,ln()TAABABTBNKET TTTdTeN 000,ABCABBCCAET TETETET：0TT设 时， 00ABCET000BCCAABETETET 将 代入上式有： 000,ABCABABABET TETETET T,ABCET T与与 0,ABCET T的代数和为：的代数和为：0,0,ABABCABCET TET TET T 实际测量时，利用这一性实际测量时，利用这一性 质，对参考端温度不为零质，对参考端温度不为零 度时的热电势进行修正。度时的热电势进行修正。(3)延伸热电极法延伸热电极法(即补偿导线法即补偿导线法) 热电偶长热电偶长 度一般只有一米左右

4、，在实际测量时，度一般只有一米左右，在实际测量时，需要将热电偶输出的电势传输到数十米外的显示仪需要将热电偶输出的电势传输到数十米外的显示仪表或控制仪表，根据表或控制仪表，根据即可实现上述要即可实现上述要求。一般选用直径粗、导电系数大的材料制作延伸求。一般选用直径粗、导电系数大的材料制作延伸导线，以减小热电偶回路的电阻，节省电极材料。导线，以减小热电偶回路的电阻，节省电极材料。(4)补偿电桥法补偿电桥法 该法利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶参考端温度该法利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶参考端温度变化引起的电势变化。变化引起的电势变化。 电桥四个桥臂与冷端处于同一温度，其中电桥四个桥臂与冷

5、端处于同一温度，其中R1=R2=R3为锰铜为锰铜线绕制的电阻，线绕制的电阻，R4为铜导线绕制的补偿电阻，为铜导线绕制的补偿电阻，E是电桥的电源，是电桥的电源，R为限流电阻，阻值取决于热电偶材料。为限流电阻，阻值取决于热电偶材料。 使用时选择使用时选择R4的阻值使电桥保持平衡，电桥输出的阻值使电桥保持平衡，电桥输出 Uab=0。当。当冷端温度升高时，冷端温度升高时，R4阻值随之增大，电桥失去阻值随之增大，电桥失去 图示图示 补偿电桥补偿电桥法示意图平衡，法示意图平衡，Uab相应增大，此时热电偶电势相应增大，此时热电偶电势Ex由于冷端温由于冷端温度升高而减小。若度升高而减小。若Uab的增量等于热电

6、偶电势的增量等于热电偶电势Ex的减小量，回的减小量，回路总的电势路总的电势Uab的值就不会随热电偶冷端温度变化而变化，即：的值就不会随热电偶冷端温度变化而变化，即： UAB=EX+Uab 结构： 普通热电偶，测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构； 薄膜热电偶，用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄； 铠装热电偶，用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲； 表面热电偶，用于弧形表面物体测温； 消耗式热电偶，主要用于钢水温度测量。a)普通热电偶 b)薄膜热电偶 c)铠装热电偶v 热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、 性能好，这是其它热电式传感器无法替代的。性能好，这是其

7、它热电式传感器无法替代的。 00,0,0ABABABEtEt tEt贴片式薄膜式 大功率 -200O +0850 2301100tRRtbtc tt201tRRtbt式中： 0RtR为温度 00 C和 0tC时的电阻值。温度 时， 0R的公称值是100。 00 C 热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒 作为热电阻的材料要求：电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏作为热电阻的材料要求：电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度；电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸；热容量要小，以便提度；电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸；热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；

8、在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性高热电阻的响应速度；在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。价格便宜。 使用最广泛的热电阻材料是铂和铜使用最广泛的热电阻材料是铂和铜 铂热电阻铂热电阻 主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传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。递。 铜热电阻铜热电阻 测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为50150。铂热电阻铂热电阻 长时间稳定的复现性可达长时间

9、稳定的复现性可达10-4 K ，是目前测温复现性最好，是目前测温复现性最好的一种温度计。的一种温度计。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纯度电阻比纯度电阻比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）目前技术水平已达到目前技术水平已达到W（100），），工业用铂电阻的纯度工业用铂电阻的纯度W（100）为。）为。1000(100)RWR铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下：铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下：当温度当温度t在在200t 0时时：当温

10、度当温度t在在0t 650时时：国内统一设计的工业用标准铂电阻，国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100），R0分为分为50和和100两种，分度号分别为两种，分度号分别为Pt50和和Pt100，其分度表（给出阻值和温度的关系）其分度表（给出阻值和温度的关系）2301(100)tRRAtBtC tt201tRRAtBt铜热电阻铜热电阻应用：测量精度要求不高且温度较低的场合应用：测量精度要求不高且温度较低的场合测量范围：测量范围：5050150150优点：优点：温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。加工，价

11、格便宜，复制性能好。缺点：缺点：易于氧化，一般只用于易于氧化，一般只用于150150以下的低温测量和没有水分及以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。无侵蚀性介质的温度测量。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。铜电阻的阻值与温度之间的关系为铜电阻的阻值与温度之间的关系为关系是线性的关系是线性的工业上使用的标准化铜热电阻的工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取按国内统一设计取50和和100两种，两种，分度号分别为分度号分别为Cu50和和Cu100，相应的分度表可查阅相关资料。相应的分度表可查阅相关资料。)1(0tRRt+

12、=0001()tRRtt普普通通工工业业用用热热电电阻阻式式热热电电式式传传感感器器铜热电阻结构示意图铜热电阻结构示意图铂热电阻结构示意图热敏电阻符号 PTC PTC 正温度系数型；正温度系数型； NTC NTC 负温度系数型负温度系数型；负温度系数型热敏电阻特性曲线 1 expTBRA TTTRA 与材料和形状有关；B 常数； 温度为T时的电阻值； 优点：优点：(1) 热敏电阻的温度系数比金属大（热敏电阻的温度系数比金属大（49倍）倍）(2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。表面温度及快速变化的温度。(3) 结构简

13、单、机械性能好。结构简单、机械性能好。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。热敏电阻的结构形式热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性温度特性温度特性热敏电阻的电阻温度热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很系数比金属丝的高很多，多，所以它的灵敏度很高。所以它的灵敏度很高。u当流过热敏电阻的电流很小时当流过热敏电阻的电流很小时: 不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律。主要用来测温。遵循欧姆定律。主要用来测温。u当电流增大到一定值时：当电流增大到一定值时： 流过热敏电阻的电流使之

14、加热，本身温度升高，出现负阻特流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻特性。因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降。其所能升性。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环境条件高的温度与环境条件(周围介质温度及散热条件周围介质温度及散热条件)有关。当电流有关。当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值取决于介质的流速、和周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。可用它来测量流体速度和介质密度。流量、密度等散热条件。可用它来测量流体速度和介质密度。伏安特性伏安特性热敏电阻的主要参数标称电阻值RH在环境温度为时测得的电阻值，又称冷

15、电阻。其大小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。耗散系数H指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差1时热敏电阻所耗散的功率，单位为mW/；热容量C热敏电阻的温度变化1所需吸收或释放的热量，单位为J；能量灵敏度能量灵敏度G（W）使热敏电阻的阻值变化使热敏电阻的阻值变化1所需耗散的功率。所需耗散的功率。时间常数时间常数 温度为温度为T0的热敏电阻突然置于温度为的热敏电阻突然置于温度为T 的介质中，的介质中，热敏电阻的温度增量热敏电阻的温度增量T= 0.63(TT0) 时所需时所需的时间。的时间。额定功率额定功率PE 在规定的技术条件下，热敏电阻长期连续使用所在规定的技术条件下，热敏电阻长期连续使用所允许的

16、耗散功率，单位为允许的耗散功率，单位为W。在实际使用时，热。在实际使用时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率4.6.3 热电式传感器的应用1、金属热电阻传感器、金属热电阻传感器200+500范围的温度测量范围的温度测量特点：精度高、适于测低温。特点：精度高、适于测低温。2、半导体热敏电阻传感器、半导体热敏电阻传感器应用范围很广，可在宇宙航船、医学、工业及家用电器等方面应用范围很广，可在宇宙航船、医学、工业及家用电器等方面用作测温、控温、温度补偿、流速测量、液面指示等。热用作测温、控温、温度补偿、流速测量、液面指示等。热电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用1、

17、金属热电阻传感器u工业广泛使用，工业广泛使用，200+500范围温度测量。范围温度测量。在特殊情况下，测量的低温端可达在特殊情况下，测量的低温端可达，甚至更，甚至更低，低，1K左右。高温端可测到左右。高温端可测到1000。u温度测量的特点：精度高、适于测低温。温度测量的特点：精度高、适于测低温。u传感器的测量电路：经常使用电桥、精度较高传感器的测量电路：经常使用电桥、精度较高的是自动电桥。的是自动电桥。u为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造为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，常采用三线制和四线制连接法。成的测量误差，常采用三线制和四线制连接法。三线制工业用热电阻一般采用三

18、线制工业用热电阻一般采用三线制 G检流计，检流计，R1 ，R2 ，R3固定电阻，固定电阻， R a零位调节电阻，零位调节电阻，R t 热电阻热电阻热电阻测温电桥的三线制接法 精密测量中，采用四线制接法精密测量中，采用四线制接法金属丝热电阻作为气体传感器的应用金属丝热电阻作为气体传感器的应用1连通玻璃管连通玻璃管2流通玻璃管流通玻璃管3铂丝铂丝（a）真空度测量方法对环境温度变化比较敏感，实际应用中有恒温或温度补偿装置。可测到133.32210-5Pa。（b）可检测管内气体介质成分比例变化、热风流速变化流量测量利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关系可以利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关系可以测量流量、流速、风速等测量流量、流速、风速等热敏电阻流量计 图为是绝对温度比例电路（PTAT） V1、V2是两只互相匹配的温敏晶体管， I1、I2是集电极