第三章温度传感器

1、CH3 Temperature Sensor概概 论论conspectus/summarize热电偶温度传感器热电偶温度传感器thermocouple热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器thermistor集成温度传感器集成温度传感器integrate circuit其他温度传感器其他温度传感器了解温度传感器的作用、地位和分类了解温度传感器的作用、地位和分类理解热电效应定义，掌握热电偶三定律及相关计算，理解热电效应定义，掌握热电偶三定律及相关计算， 热电偶冷端补偿原因及补偿方法热电偶冷端补偿原因及补偿方法掌握热敏电阻不同类型的特点、特性曲线及应用场合掌握热敏电阻不同类型的特点、特性曲线及应用场

2、合掌握电流型、电压型、数字型三种集成温度传感器特掌握电流型、电压型、数字型三种集成温度传感器特点、工作原理和使用方法点、工作原理和使用方法了解其他温度传感器工作原理了解其他温度传感器工作原理学习要点学习要点第一节 概 论 温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛最广泛、发展、发展最快最快的传感器之一。的传感器之一。l温度是与人类生活息息相关的物理量。温度是与人类生活息息相关的物理量。l温度检测始于温度检测始于2000多年前。多年前。l工业、农业、商业、科研、国防、医学及

3、环保等部门工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。都与温度有着密切的关系。l工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的一半左右。一半左右。温度是反映物体冷热状态的物理参数。温度是反映物体冷热状态的物理参数。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。 一、温度的基本概念一、温度的基本概念温度：衡量物体冷热程度的物理量。温度的高温度：衡量物体冷热程度的物理量。温度的高低反映了物体内部分子运动平均动能的大小。低反映了物体内部分子运动平均动能的大小。温标：表示温度大小的尺度

4、是温度的标尺。温标：表示温度大小的尺度是温度的标尺。u热力学温标热力学温标thermodynamic temperature scaleu国际实用温标国际实用温标International practical temperature scaleu摄氏温标摄氏温标 Celsius temperature scaleu华氏温标华氏温标Fahrenheit temperature scale 二、温度传感器的特点与分类二、温度传感器的特点与分类u 随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化u 蒸气压的温度变化蒸气压的温度变化u 电极的温度变化电极的温度变化u 热电偶

5、产生的电动势热电偶产生的电动势u 光电效应光电效应u 热电效应热电效应u 介电常数、导磁率的温度变化介电常数、导磁率的温度变化u 物质的变色、融解物质的变色、融解u 强性振动温度变化强性振动温度变化u 热放射热放射u 热噪声热噪声1 1 温度传感器的物理原理温度传感器的物理原理(11)(11)特性与温度之间的关系要适中，并容易检特性与温度之间的关系要适中，并容易检 测测和处理，且随温度呈线性变化和处理，且随温度呈线性变化除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低特性随时间变化要小特性随时间变化要小重复性好，没有滞后和老化重复性好，没有滞后和老化灵敏度高，坚

6、固耐用，体积小，对检测对象的灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小影响要小机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好能大批量生产，价格便宜能大批量生产，价格便宜无危险性，无公害等无危险性，无公害等2.2.温度传感器应满足的条件温度传感器应满足的条件3. 3. 温度传感器的种类及特点温度传感器的种类及特点l 接触式温度传感器l 非接触式温度传感器接触式温度传感器是将测温敏感元件直接与被测介质接接触式温度传感器是将测温敏感元件直接与被测介质接触，使被测介质与测温敏感元件进行充分热交换，当两触，使被测介质与测温敏感元件进行充分热交换，当两者具有相同温度时，达到测量

7、的目的。这种传感器的测者具有相同温度时，达到测量的目的。这种传感器的测量精度较高，但由于被测介质的热量传递给传感器，从量精度较高，但由于被测介质的热量传递给传感器，从而降低了被测介质的温度，特别是被测介质热容量较小而降低了被测介质的温度，特别是被测介质热容量较小时，会给测量带来误差。时，会给测量带来误差。非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成红外线，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：不从被测物体上吸本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量

8、；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。生消耗；反应快等。物物理理现现象象体积热膨胀体积热膨胀电阻变化电阻变化温差电现象温差电现象导磁率变化导磁率变化电容变化电容变化压电效应压电效应超声波传播速度变化超声波传播速度变化物质物质 颜色颜色PN结电动势结电动势晶体管特性变化晶体管特性变化可控硅动作特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射热、光辐射种种类类铂测温电阻、热敏电阻铂测温电阻、热敏电阻热电偶热电偶BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶体振动器石英晶体振动器超声波温度计超声波温度计示温涂料示温涂料 液晶液晶半导体二极管半导体二极管晶体管

9、半导体集成电路温度传感器晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅可控硅辐射温度传感器辐射温度传感器 光学高温计光学高温计1.气体温度计气体温度计 2. 玻璃制水银温度计玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计双金属温度计5.液体压力温度计液体压力温度计 6. 气体压力温度计气体压力温度计1 热铁氧体热铁氧体 2 Fe-Ni-Cu合金合金热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振热电偶、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

10、管、半导体集成电路传感器、可控硅传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅分分 类类特特 征征传传 感感 器器 名名 称称超高温用超高温用传感器传感器1500以上以上光学高温计、辐射传感器光学高温计、辐射传感器高温用高温用传感器传感器10001500光学高温计、辐射传感器、光学高温计、辐射传感器、热电偶热电偶中高温用中高温用传感器传感器5001000光学高温计、辐射传感器、光学高温计、辐射传感器、热电偶热电偶中温用中温用传感器传感器0500低温用低温用传感器传感器-2500极低温用极低温用传感器传感器-270-250BaSrTiO3陶瓷陶瓷晶体管、热敏电阻、晶体管、热敏电阻、压力式玻

11、璃温度计压力式玻璃温度计见表下内容见表下内容 测测 温温 范范 围围温度传感器分类(1)分分 类类特特 征征传传 感感 器器 名名 称称测温范围宽测温范围宽输出小输出小测温电阻器、晶体管、热电偶测温电阻器、晶体管、热电偶半导体集成电路传感器、半导体集成电路传感器、可控硅、石英晶体振动器、可控硅、石英晶体振动器、压力式温度计、玻璃制温度计压力式温度计、玻璃制温度计线性型线性型测温范围窄测温范围窄输出大输出大热敏电阻热敏电阻指数型指数型函数函数开关型开关型特性特性特定温度特定温度输出大输出大感温铁氧体、双金属温度计感温铁氧体、双金属温度计 测测 温温 特特 性性温度传感器分类温度传感器分类(2)分

12、分 类类特特 征征传传 感感 器器 名名 称称测定精度测定精度0.10.5铂测温电阻、石英晶体振动铂测温电阻、石英晶体振动器、玻璃制温度计、气体温器、玻璃制温度计、气体温度计、光学高温计度计、光学高温计温度温度标准用标准用测定精度测定精度0.55热电偶、测温电阻器、热敏电热电偶、测温电阻器、热敏电阻、双金属温度计、压力式温阻、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅体集成电路传感器、可控硅绝对值绝对值测定用测定用管理温度管理温度测定用测定用相对值相对值15 测测 定定 精精 度度温度传

13、感器分类(3)温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。普遍的传感元件之一。特点：特点：结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号输出信号为电信号便于远传或信号转换，还能用来测便于远传或信号转换，还能用来测量量流体的温度流体的温度、测量、测量固体以及固体壁面的温度固体以及固体壁面的温度。微型。微型热电偶还可用于热电偶还可用于快速及动态温度快速及动态温度的测量。的测量。第二节第二节 热电偶温度传感器热电偶温度传感器热电偶的工作原理热电偶的工作原理热电偶回路的性质热电偶回

14、路的性质热电偶的常用材料与结构热电偶的常用材料与结构冷端处理及补偿冷端处理及补偿两种不同的导体或半导体两种不同的导体或半导体A A和和B B组合成闭合回路，组合成闭合回路，若导体若导体A A和和B B的连接处温度不同（设的连接处温度不同（设T TT T0 0），），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在这种现象早在18211821年首先由西拜克（年首先由西拜克（SeeSeebackback）发现发现, ,所以又称西拜克效应。所以又称西拜克效应。热电偶原理图热电偶原

15、理图TT0AB 一、工作原理一、工作原理回路中所产生的电动回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势，叫热电势。热电势势thermo-electric force由两部分组成，即由两部分组成，即温温差电势和接触电势。差电势和接触电势。热端热端冷端冷端1. 1. 接触电势接触电势+ABTeAB(T)-BAABNNekTTeln)(eAB(T)导体导体A、B结点在温度结点在温度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在温度为在温度为T 时的电子密度。时的

16、电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势接触电势原理图原理图AeA(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时所产生的时所产生的温差电动势，例如在温差电动势，例如在0时，铜的时，铜的 =2V/。2. 温差电势温差电势dTTTeTTAA0),(0温差电势原理图温差电势原理图由导体材料由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为组成的

17、闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：势，回路总电势：BTATNNekTln00ln0BTATNNekTdTTTBA0)(T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3. 回路总电势回路总电势),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABABNAT、NAT0导体导体A在结点温度为在结点温度为T和和T0时的电子密度；时的电子密度； NBT、NBT0导体导体B在结点温度为在结点温度为T和和T0时的电子密度；时的电子密度；A 、 B导体导体A和和B的汤

18、姆逊系数。的汤姆逊系数。导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使端的温度有关。如果使E EABAB( (T T0 0)=)=常数，则回路热常数，则回路热电势电势E EABAB( (T T，T T0 0) )就只与温度就只与温度T T有关，而且是有关，而且是T T的单的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。值函数，这就是利用热电偶测温的原理。只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。料不同时才能有热电势产生。热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的材料热电偶回路热电势的大

19、小只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。只有用不同性质的导体只有用不同性质的导体(或半导体或半导体)才能组合成热才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即，也即EAB(T，T0)=0。在实际测量中只需用仪表测出回路中总电势即可。由于在实际测量中只需用仪表测出回路中总电势即可。由于温差电势与接触电势相比较，其值很小，因此，在工程温差电势与接触电势相比较，其值很小，因此，在工程技术中认为热电势近似等于接触电势。

20、技术中认为热电势近似等于接触电势。在工程应用中，测出回路总电势后，用查热电偶分度表在工程应用中，测出回路总电势后，用查热电偶分度表的方法确定被测温度。的方法确定被测温度。由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势即不产生电动势)；反之，；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。偶必须采用两种不同材料作为电极。 二、热电偶回路的性质二、热电偶回路的性质1. 1. 均质导体定律均质导体定律 E

21、总总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0三种不同导体组成的热电偶回路TABCTT2. 2. 中间导体定律中间导体定律一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。各接点产生的热电势的代数和为零。如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则两点结论：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，如组成的热电偶回路，如图，则图图，则图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，均处于相同温度

22、同温度T0之中，此回路的总电势不变，即之中，此回路的总电势不变，即同理，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，同处于温度，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：之中，此回路的电势也为：T2T1AaBC23EABAT023ABEABT1T2 CT0EAB（T1, T2）=EAB（T1）- -EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)- -EAB（T2）第三种材料第三种材料接入热电偶接入热电偶回路图回路图ET0T0TET0T1T1T电位计接入热电偶回路根据上述原理，在热电偶回路中接入电位计根据上述原理，在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接

23、热电偶处的接点温度相只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，不会影响回路中原来的热电势，接入的方等，不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。式见下图所示。 EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，）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，如图所它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：示，它们相互间热电势的关系为：3. 3. 中间温度定律中间温度定律 如果不同的两种导体

24、材料组成热电偶回路如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度其接点温度分别为分别为T1、T2(如图所示如图所示)时时,则其热电势为则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温度为当接点温度为T2、T3时，其热电势为时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接；当接点温度为点温度为T1、T3时，其热电势为时，其热电势为EAB(T1, T3)，则，则BBA T2 T1 T3 AAB EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3）

25、 ABT1T2T2ABT0T0热电偶补偿热电偶补偿导线接线图导线接线图E对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当供了依据。如当T2=0时，则：时，则：只要只要T1、T0不变，接入不变，接入AB后不管接点温度后不管接点温度T2如何变化，如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EAB=EAB(T1)EAB(T0)说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料同样热电特性的材料A、B(如图如图)即引入所谓补偿导即

26、引入所谓补偿导线时，当线时，当EAA(T2)=EBB(T2)时，则回路总电动势为时，则回路总电动势为热电偶材料应满足：热电偶材料应满足：l 物理性能稳定，热电特性不随时间改变；物理性能稳定，热电特性不随时间改变；l 化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；蚀；l 热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；l 便于制造；便于制造；l 复现性好，便于成批生产。复现性好，便于成批生产。三、热电偶的常用材料与结构三、热电偶的常用材料与结构 1 1铂铂铂铑热电偶铂铑热电偶(S (S型型) ) 分度号分度号LB3LB3测

27、量温度：长期：测量温度：长期：1300、短期：、短期：1600。（一）热电偶常用材料（一）热电偶常用材料2 2镍铬镍铬镍硅镍硅( (镍铝镍铝) )热电偶热电偶(K(K型型) ) 分度号分度号EU2EU2测量温度：长期测量温度：长期1000，短期，短期1300。3 3镍铬镍铬考铜热电偶考铜热电偶(E(E型型) ) 分度号分度号EA2EA2测量温度：长期测量温度：长期600，短期，短期800。4 4铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6热电偶热电偶(B(B型型) ) 分度号分度号LL2LL2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。几种持殊用途的热电偶几种持殊用途的热电偶（

28、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钌热电偶它能钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达在氧化气氛中测量高达2100的高温。的高温。（2 2）钨铼热电偶）钨铼热电偶 可使用在真空惰性气体介质或氢气可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，使用温度范围介质中，使用温度范围3002000分度精度为分度精度为1。（3 3）金铁）金铁镍铬热电偶镍铬热电偶 主要用在低温测量，可在主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为范围内使用，灵敏度约为10V。（4 4）钯）钯铂铱铂铱1515热电偶热电偶 输出性能高，在输出性能高，在1398时的时的热电势为热电势为47.255mV。

29、 （6 6）铜）铜康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号MK MK 热电势略高于镍铬热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为镍硅热电偶，约为43V/。复现性好，稳定性好，精。复现性好，稳定性好，精度高，广泛用于度高，广泛用于20K473K的低温实验室测量中。的低温实验室测量中。 （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，线性灵敏度高，线性度好，可在度好，可在800以下的还原介质中使用。以下的还原介质中使用。 （二）常用热电偶的结构类型（二）常用热电偶的结构类型1 1工业用热电偶工业用热电偶2 2铠装式热电偶（又称套管式热电偶）铠装式热电偶（又称套管式热电偶）3 3快速反

30、应薄膜热电偶快速反应薄膜热电偶4 4快速消耗微型热电偶快速消耗微型热电偶 方法方法u 冰点槽法冰点槽法u 计算修正法计算修正法u 补正系数法补正系数法u 零点迁移法零点迁移法u 冷端补偿器法冷端补偿器法u 软件处理法软件处理法四、冷端处理及补偿四、冷端处理及补偿原因原因l热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；使冷端温度保持恒定；l热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为为依据，否则会产生误差。依据，否则会产

31、生误差。1. 1. 冰点槽法冰点槽法把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使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，必须把连接点起两个连接点短路，必须把连接点分分别置于两个玻璃别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液四、冷端处理及补偿四、冷端处理及补偿T02. 2. 计算修正法计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算，利

32、用公式计算例例 用铜用铜-康铜热电偶测某一温度康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境，参比端在室温环境TH中，测得热电动势中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.979mV，又用室温，又用室温计测出计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知，查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.84mV，故得，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0) =1.979+0.84 =2.819(mV)再次查分度表，与再次查分度表，与2.819mV对应的热端温度对应的热端温度T=69。注意注意: :既不能只按既不能只按1.979mV1.979mV查表，认为查表，认为T T=49=4

33、9，也，也不能把不能把4949加上加上2121，认为，认为T T=70=70。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)3. 3. 补正系数法补正系数法把参比端实际温度把参比端实际温度TH乘上系数乘上系数k，加到由，加到由EAB(T，TH)查查分度表所得的温度上，成为被测温度分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即。用公式表达即 式中：式中：T为未知的被测温度；为未知的被测温度； T为参比端在室温下热为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度；电偶电势与分度表上对应的某个温度； TH室温；室温； k为补正系数，其它参数见下表。为补正系数，其它参数见下表。例例

34、用铂铑用铂铑10铂热电偶测温，已知冷端温度铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35，这时热电动势为，这时热电动势为11.348mV查查S型热电偶的分度表，型热电偶的分度表，得出与此相应的温度得出与此相应的温度T=1150。再从下表中查出，对。再从下表中查出，对应于应于1150的补正系数的补正系数k=0.53。于是，被测温度。于是，被测温度 T=1150+0.5335=1168.3（）用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但误差不大于一点，但误差不大于0.14。 T T k T H例例 用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械用动圈仪表

35、配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温零点调到室温TH的刻度上的刻度上,在热电动势为零时，指针指在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是示的温度值并不是0而是而是TH。而热电偶的冷端温度已。而热电偶的冷端温度已是是TH,则只有当热端温度则只有当热端温度T=TH时，才能使时，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常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变不变，指示值就永远正确。，指示值就永远正确。 4. 4. 零点迁移法零点迁移法应用领域：如果冷端不是

36、应用领域：如果冷端不是0，但十分稳定（如恒温车，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。间或有空调的场所）。实质：实质：在测量结果中人为地加一个恒定值在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温，因为冷端温度稳定不变，电动势度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表是常数，利用指示仪表上上调整零点调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。的办法，加大某个适当的值而实现补偿。5. 5. 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。不平衡电桥由而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2

37、、R3(锰铜锰铜丝绕制丝绕制)、RCu(铜丝绕制铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在设计时，在0下使电桥平衡下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu),此时此时Uab=0 ,电桥对仪表读数无影响。电桥对仪表读数无影响。 冷端补偿器的作用注意：桥臂注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。端靠近，使处于同一温度之下。 mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabRCuR1R2R3RT0 RCu Ua Uab EAB(T,T0)供电供电4V直流，在直流，在040或或- -2020的范围起补偿作用。的范围起补偿作用。注意，不同材

38、质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一样，互换时必须重新调整。不一样，互换时必须重新调整。6. 6. 软件处理法软件处理法u冷端温度恒定冷端温度恒定T0 ：但：但T0不为不为0时，只需在采样后时，只需在采样后 加一个与冷端温度对应的常数即可。加一个与冷端温度对应的常数即可。u冷端温度冷端温度T0波动：可利用热敏电阻或其它传感器把波动：可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中能自动修正。后一种情况必须考虑输入

39、的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输的输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速度也很有利。度也很有利。 热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的

40、温度变化而变化的性质制成的。 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、热热电阻电阻（如铂、铜电阻温度计等）和（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断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（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）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。感器。 主要讲述热敏电阻的特点、分类，基本参主要讲述热敏电阻的特点、分类，基本参数，主要特性和应用等。数，主要特性和应用等。 第三节第三节 热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器NT

41、C二极管封装二极管封装环氧封装、小型化高精度环氧封装、小型化高精度 ； 响应时响应时间快间快 ； 稳定性好稳定性好 根据不同用途有多种封根据不同用途有多种封装结构装结构 ；使用温区宽；使用温区宽 高稳定性、高可靠性高稳定性、高可靠性根据不同用途有多种封装根据不同用途有多种封装结构结构 ；使用温区宽；使用温区宽 ；高稳；高稳定性、高可靠性定性、高可靠性 ；为客户；为客户提供多种便捷服务提供多种便捷服务 家用冰箱、空调器家用冰箱、空调器 ；电热水器、整体浴室电热水器、整体浴室 ；冰柜、豆浆机冰柜、豆浆机 环氧封装、小型化、精度高环氧封装、小型化、精度高 ；可靠性高、；可靠性高、响应时间快响应时间快

42、 ；引线采用聚脂漆包线、耐热、；引线采用聚脂漆包线、耐热、绝缘性好绝缘性好 （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2 2材料加工容易、性能好材料加工容易、性能好3 3阻值在阻值在111010M M之间可供自由选择之间可供自由选择4 4稳定性好稳定性好5 5原料资源丰富，价格低廉原料资源丰富，价格低廉 一、热敏电阻的特点与分类一、热敏电阻的特点与分类 1 1正温度系数热敏电阻器（正温度系数热敏电阻器（PTC） Positive Temperature Coefficient 2 2负温度系数热敏电阻器（负温度系数热敏电阻器（NTCNTC） Ne

43、gative Temperature Coefficient 3 3突变型负温度系数热敏电阻器（突变型负温度系数热敏电阻器（CTRCTR） Chop Temperature Resistor （二）热敏电阻的分类（二）热敏电阻的分类 （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（R RT TT T） 1234060120 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 PTC二、热敏电阻器主要特性二、热敏电阻器主要特性Resistance-temperature ch

44、aracteristic of thermistorTT与与RTT特特性曲线一致。性曲线一致。T/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； BN NTC热敏电阻的热敏电阻的材材料常数。料常数。由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由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（热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于小于450），都能利用该式，它仅是一个经验公式。），都能利用该式，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

45、性011exp0TTBRRNTTNTC的电阻的电阻温度关系的一般数学表达式为：温度关系的一般数学表达式为：0ln11ln0TNTRTTBR为了使用方便，常取环境温度为为了使用方便，常取环境温度为25作为参考温度（即作为参考温度（即T0=25），则），则NTC热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻温度关系式：温度关系式：29811exp25TBRRNT02550751001250.511.522.533.5(25C,1)RT / RT0-T特性曲线RT/R25T/2. 2.正电阻温度系数（正电阻温度系数（PTCPTC）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正温度热敏材料，在居里

46、点附近结构发其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如图生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如图104103102100100200PTC热敏电阻器的电阻温度曲线T/C电阻/Tp1Tp2 经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻阻器的电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。若对上式取对数，则得：若对上式

47、取对数，则得：0exp0TTBRRPTT0lnln0TPTRTTBR以以lnRT、T分别作为纵坐标和横坐标，得到下图。分别作为纵坐标和横坐标，得到下图。 ）可见：可见： 正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数tp ，正好等于它的材料常数正好等于它的材料常数BP的值。的值。 lnRr1lnRr2BPmRBP=tg=mR/mrT1T2lnRr0mrlnRTT 表示的表示的PTC热敏电阻器电阻热敏电阻器电阻温度曲线温度曲线lnRrTPPTPTPTTtpBTTBRTTBRBdTdRR00expexp100若对上式微分，可得若对上式微分，可得PTC热敏电阻的电阻温度系数热敏

48、电阻的电阻温度系数tp abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC热敏电阻的静态伏安特性热敏电阻的静态伏安特性（二）热敏电阻器的伏安特性（二）热敏电阻器的伏安特性（U UI I）表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻器表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻器和周围介质热平衡（即加在元件上的电功率和耗散功和周围介质热平衡（即加在元件上的电功率和耗散功率相等）时的互相关系。率相等）时的互相关系。1. 1.负温度系数（负温度系数（NTCNTC）热敏电阻器的伏安特性）热敏电阻器的伏安特性该曲线是在环境温度为该曲线是在环境温度为T0时的静时的静态介质中测出的静态态介质中测出的静态UI曲线曲

49、线.热敏电阻的端电压热敏电阻的端电压UT和通过它和通过它的电流的电流I有如下关系：有如下关系：0000exp11expTTTBIRTTBIRIRUNNTTT0环境温度；环境温度；T热敏电阻的温升。热敏电阻的温升。 104103102101105Um10110210310010-1ImPTC热敏电阻器的静态伏安特性2 2正温度系数（正温度系数（PTCPTC）热敏电阻器的伏安特性）热敏电阻器的伏安特性（三）功率（三）功率- -温度特性（温度特性（P PT TT T）描述热敏电阻器的电阻体与外加功率之间的关系，与描述热敏电阻器的电阻体与外加功率之间的关系，与电阻器所处的环境温度、介质种类和状态等相关

50、。电阻器所处的环境温度、介质种类和状态等相关。（四）热敏电阻器的动态特性（四）热敏电阻器的动态特性热敏电阻器的电阻值的变化完全是由热现象引起的。热敏电阻器的电阻值的变化完全是由热现象引起的。因此，它的变化必然有时间上的滞后现象。这种电阻因此，它的变化必然有时间上的滞后现象。这种电阻值随时间变化的特性，叫做热敏电阻器的动态特性。值随时间变化的特性，叫做热敏电阻器的动态特性。动态特性种类：动态特性种类：u周围温度变化所引起的加热特性；周围温度变化所引起的加热特性；u周围温度变化所引起的冷却特性；周围温度变化所引起的冷却特性；u热敏电阻器通电加热所引起的自热特性。热敏电阻器通电加热所引起的自热特性。

51、Power temperature characteristic of thermistor Dynamic temperature characteristic of thermistor 当热敏电阻器由温度当热敏电阻器由温度T0增加到增加到TU时，其电阻值时，其电阻值RTr随时间随时间 t 的变化规律为：的变化规律为： 式中式中 RTt时间为时间为t时，热敏电阻的阻值；时，热敏电阻的阻值； T0 环境温度；环境温度；Tu 介质温度介质温度(TuT0); RTa温度温度Ta时时,热敏电阻器的电阻值；热敏电阻器的电阻值； t时间。时间。 当热敏电阻由温度当热敏电阻由温度Tu冷却冷却T0时，其电

52、阻值时，其电阻值RTt与时与时间的关系为：间的关系为：TaanuunTtRTBtTTBRln)/exp()T(ln0TaanunTtRTBtTBRln)/exp()T(ln0 三、热敏电阻的基本参数三、热敏电阻的基本参数1. 1. 标称电阻标称电阻(Nominal Resistance)R(Nominal Resistance)R2525（冷阻）（冷阻）2. 2. 材料常数材料常数(Material Constant)B(Material Constant)BNN表征负温度系数表征负温度系数(NTC) 材料的物理特性常数。材料的物理特性常数。BN值决值决定于材料的激活能定于材料的激活能E，BN

53、值随温度升高略有增加。值随温度升高略有增加。 3. 3. 电阻温度系数电阻温度系数(Thermal Coefficient ofResistance)(Thermal Coefficient ofResistance)(%/)(%/)热敏电阻的温度变化热敏电阻的温度变化1 时电阻值的变化率。时电阻值的变化率。4. 4. 耗散系数耗散系数(Dissipation Constant)(Dissipation Constant)H H热敏电阻器温度变化热敏电阻器温度变化1所耗散的功率变化量。所耗散的功率变化量。5. 5. 时间常数时间常数(Timr Constant)(Timr Constant)在

54、零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的变化量从开始到最终变量的63.2所需的时间。所需的时间。6. 6. 最高工作温度最高工作温度T Tmaxmax在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度7. 7. 最低工作温度最低工作温度T Tminmin在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。8. 8. 转变点温度转变点温度T Tc c热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐点温度，主热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐点温度，主要

55、指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。要指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。9. 9. 额定功率额定功率(Rated Power)P(Rated Power)PE E热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗功率。在此功率下许的消耗功率。在此功率下,它自身温度不应超过它自身温度不应超过Tmax10. 10. 测量功率测量功率(Measured Power)(Measured Power) P P0 0热敏电阻器在规定的环境温度下热敏电阻器在规定的环境温度下,受到测量电流加热而受到测量电流加热而引起的电阻值变化不超过引起的电

56、阻值变化不超过0.1时所消耗的功率。时所消耗的功率。11. 11. 工作点电阻工作点电阻R RG G在规定的温度和正常气候条件下，施加一定的功率后在规定的温度和正常气候条件下，施加一定的功率后使电阻器自热而达到某一给定的电阻值。使电阻器自热而达到某一给定的电阻值。 12. 12. 工作点耗散功率工作点耗散功率P PG G电阻值达到电阻值达到RG时所消耗的功率。时所消耗的功率。13. 13. 功率灵敏度功率灵敏度K KG G热敏电阻器在工作点附近消耗功率热敏电阻器在工作点附近消耗功率lmW时所引起电阻的时所引起电阻的变化，在工作范围内，变化，在工作范围内，KG随环境温度的变化略有改变。随环境温度

57、的变化略有改变。14. 14. 稳定性稳定性热敏电阻在各种气候、机械、电气等使用环境中，保持热敏电阻在各种气候、机械、电气等使用环境中，保持原有特性的能力。原有特性的能力。15. 15. 热电阻值热电阻值R RH H指旁热式热敏电阻器在加热器上通过给定的工作电流时指旁热式热敏电阻器在加热器上通过给定的工作电流时,电阻器达到热平衡状态时的电阻值。电阻器达到热平衡状态时的电阻值。16. 16. 加热器电阻值加热器电阻值RrRr指旁热式热敏电阻器的加热器，在规定环境温度条件指旁热式热敏电阻器的加热器，在规定环境温度条件下的电阻值。下的电阻值。18. 18. 标称工作电流标称工作电流 I I指在环境温

58、度指在环境温度25时，旁热式热敏电阻器的电阻值被时，旁热式热敏电阻器的电阻值被稳定在某一规定值时加热器内的电流。稳定在某一规定值时加热器内的电流。19. 19. 标称电压标称电压在规定温度下标称工作电流所对应的电压值。在规定温度下标称工作电流所对应的电压值。20. 20. 元件尺寸元件尺寸指热敏电阻器的截面积指热敏电阻器的截面积A、电极间距离、电极间距离L和直径和直径d。 17. 17. 最大加热电流最大加热电流I Imaxmax指旁热式热敏电阻器上允许通过的最大电流。指旁热式热敏电阻器上允许通过的最大电流。伏安特性伏安特性的位置的位置在仪器仪表中的应用在仪器仪表中的应用 U m 的左边的左边

59、温度计、温度差计、温度补偿、微小温度检测、温度报警、温度计、温度差计、温度补偿、微小温度检测、温度报警、温度继电器、湿度计、分子量测定、水分计、热计、红外温度继电器、湿度计、分子量测定、水分计、热计、红外探测器、热传导测定、比热测定探测器、热传导测定、比热测定U m的附近的附近液位测定、液位检测液位测定、液位检测U m的右边的右边流速计、流量计、气体分析仪、真空计、热导分析流速计、流量计、气体分析仪、真空计、热导分析旁热型旁热型热敏电阻器热敏电阻器风速计、液面计、真空风速计、液面计、真空计计（一）检测和电路用的热敏电阻器（一）检测和电路用的热敏电阻器 （U m峰值电压）峰值电压） 检测用检测用

60、的热敏电阻在仪表中的应用的热敏电阻在仪表中的应用 四、热敏电阻器的应用四、热敏电阻器的应用电路元件电路元件热敏电阻器在仪表中应用分类热敏电阻器在仪表中应用分类 在仪器仪表中的应用在仪器仪表中的应用U m 的左边的左边偏置线图的温度补偿、仪表温度补偿、热电偶偏置线图的温度补偿、仪表温度补偿、热电偶温度补偿、晶体管温度补偿温度补偿、晶体管温度补偿U m的附近的附近恒压电路、延迟电路、保护电路恒压电路、延迟电路、保护电路U m的右边的右边自动增益控制电路、自动增益控制电路、RC振荡器、振幅稳定电路振荡器、振幅稳定电路 测温用的热敏电阻器，其工作点的选取，由热敏测温用的热敏电阻器，其工作点的选取，由热