第2章温度检测新ppt课件

1、第二章第二章 温度检测温度检测n 温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。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，温度传感器是应用最广在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。泛、发展最快的传感器之一。n 在工业生产自动化流程中，温度测量点一般要在工业生产自动化流程中，温度测量点一般要占全部测量点的一半左右。占全部测量点的一半左右。本章要求本章要求 了解温度传感器的作用、地位和分类；熟悉热敏电阻不同类型的特点、特性曲线及应用场合；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；掌握电流型、电压型、数字型三种集成温度

2、传感器特点、工作原理和使用方法；了解其他温度传感器工作原理。 1. 1. 二温度不能相加或相减；二温度不能相加或相减； 2. 2. 无标准量直接进行比较测量；无标准量直接进行比较测量； 3. 3. 温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。 温度的基本概念温度的基本概念2.1 温标及测温方法宏观概念宏观概念-是物体冷热程度的表示是物体冷热程度的表示. . 热平衡的两物体，其温度相等。热平衡的两物体，其温度相等。微观概念微观概念-是大量分子运动平均强度的表示。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。分子运动愈激烈其温度表

3、现越高。温度量的特殊性温度量的特殊性: :用来量度物体温度高低的标准尺度叫温标。用来量度物体温度高低的标准尺度叫温标。目前国际上用得较多的温标有经验温标目前国际上用得较多的温标有经验温标( (华氏温标、华氏温标、摄氏温标、列氏温标摄氏温标、列氏温标) )、热力学温标、国际实用温、热力学温标、国际实用温标。标。2.1.1 2.1.1 温标温标u摄氏温标摄氏温标 u华氏温标华氏温标u列氏温标列氏温标1.1.经验温标：借助于某一种物质的物理量与温度变经验温标：借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验的方法或经验公式确定的温标。化的关系，用实验的方法或经验公式确定的温标。特点：（特点：（1 1

4、以物体热胀冷缩现象为基础。以物体热胀冷缩现象为基础。 （2 2把在两温度点之间体积的总变化分为若等份，把在两温度点之间体积的总变化分为若等份， 每个等份定义为每个等份定义为1 1度。度。2.1.1 2.1.1 温标温标列氏温标：标准仪器：水和酒精玻璃温度计。列氏温标：标准仪器：水和酒精玻璃温度计。分度方法：标准大气压下的纯水的冰点为分度方法：标准大气压下的纯水的冰点为0 0度，水沸点为度，水沸点为8080度，中间等分度，中间等分8080份，每一份为份，每一份为1 1度，记为度，记为 。R55(32)94CFRu 三者换算关系：三者换算关系：摄氏温标：标准仪器：水银玻璃温度计。摄氏温标：标准仪器

5、：水银玻璃温度计。分度方法：标准大气压下纯水的冰点定为分度方法：标准大气压下纯水的冰点定为0 0度，沸点定为度，沸点定为100100度，中间等分度，中间等分100100份，每一份为份，每一份为1 1度，记为度，记为。华氏温标：标准仪器：水银玻璃温度计。华氏温标：标准仪器：水银玻璃温度计。分度方法：标准大气压下纯水的冰点定为分度方法：标准大气压下纯水的冰点定为3232度，沸点为度，沸点为212212度，中间等分度，中间等分180180份，每一份为份，每一份为1 1度，记为度，记为 。2.1.1 2.1.1 温标温标2.2.热力学温标开尔文温标，开氏温标，绝对温标）热力学温标开尔文温标，开氏温标，

6、绝对温标） 以热力学第二定律为基础，建立了温度仅与热量有关而与物以热力学第二定律为基础，建立了温度仅与热量有关而与物质无关的热力学温标。认为分子运动停止时的温度为绝对零质无关的热力学温标。认为分子运动停止时的温度为绝对零度。单位为开尔文，用符号度。单位为开尔文，用符号K(Kelvin)K(Kelvin)表示。规定水三相点表示。规定水三相点温度为温度为273.16K273.16K。3.3.国际实用温标国际温标）国际实用温标国际温标） 19681968年国际实用温标规定：热力学温度是基本温度，用符号年国际实用温标规定：热力学温度是基本温度，用符号T T 表示。单位为开尔文符号为表示。单位为开尔文符

7、号为K K）。）。 1K1K定义为水三相点温定义为水三相点温度的度的1/273.161/273.16。 u t, K, T 之间的换算关系：之间的换算关系：273.16tCK T2.1.1 2.1.1 温标温标l 接触测量法接触测量法l 非接触测量法非接触测量法接触测量法：测温敏感元件直接与被测介质接触，使被测接触测量法：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，当两者具有相同温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，达到测量的目的。度时，达到测量的目的。优点：直观可靠，精度较高。优点：直观可靠，精度较高。缺点：缺点：感温元件影响被测温度场的分布；

8、感温元件影响被测温度场的分布； 接触不良等带来测量误差；接触不良等带来测量误差； 高温和腐蚀性介质影响感温元件的性能和寿命。高温和腐蚀性介质影响感温元件的性能和寿命。 2.1.2 2.1.2 温度测量的主要方法温度测量的主要方法非接触测量法：利用物质的热辐射原理，感温元件不非接触测量法：利用物质的热辐射原理，感温元件不与被测介质接触，通过辐射和对流实现热交换，达到与被测介质接触，通过辐射和对流实现热交换，达到测量目的。测量目的。优点：优点： 不干扰被测对象的温度场；不干扰被测对象的温度场； 连续测量不会产生消耗；连续测量不会产生消耗； 热惯性小，可达千分之一秒，便于测量运热惯性小，可达千分之一

9、秒，便于测量运动动 物体的温度和快速变化的温度反应快等。物体的温度和快速变化的温度反应快等。缺点：缺点： 制造成本较高；制造成本较高； 容易受到外界因素的干扰；容易受到外界因素的干扰； 测量精度较低。测量精度较低。 2.1.2 2.1.2 温度测量的主要方法温度测量的主要方法 2.1.3 2.1.3 温度传感器的分类温度传感器的分类n 随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化化n 蒸气压的温度变化蒸气压的温度变化n 电极的温度变化电极的温度变化n 热电偶产生的电动势热电偶产生的电动势n 光电效应光电效应n 热电效应热电效应n 介电常数、导磁率的温度变化介电常数

10、、导磁率的温度变化n 物质的变色、融解物质的变色、融解n 强性振动温度变化强性振动温度变化n 热放射热放射n 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)：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、光辐射品品种种铂测温电阻、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

11、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、石英晶体振动器、双金属热电偶、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

12、射传感器、晶体管、二极管、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、可控硅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 称称超高温用传感超高温用传感器器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、热电光学高温计、辐射传感器、热电偶偶中高温用传中高温用传感器感器5001000光学高温计、辐射传感器、热电偶光学高温计、辐射传感器、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极低温用传感极低温用传感器器-270-250BaS

13、rTiO3陶瓷陶瓷晶体管、热敏电阻、晶体管、热敏电阻、压力式玻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2.2.按测温范围分类：按测温范围分类：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

14、温铁氧体、双金属温度计 测测 温温 特特 性性3.3.按测温特性分类：按测温特性分类：n 特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，n 且随温度呈线性变化。且随温度呈线性变化。n 对温度的灵敏度最好。对温度的灵敏度最好。n 特性随时间变化要小。特性随时间变化要小。n 重复性好，没有滞后和老化。重复性好，没有滞后和老化。n 灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响小。灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响小。n 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。n 能大批量生产，价格便宜。能大批量生产，价格便宜。n

15、 无危险性，无公害等。无危险性，无公害等。2.1.4 2.1.4 温度传感器应满足的条件温度传感器应满足的条件n 超高温与超低温传感器，如超高温与超低温传感器，如+3000+3000以上和以上和250250以下。以下。n 提高温度传感器的精度和可靠性。提高温度传感器的精度和可靠性。n 研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器。研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器。n 发展新型产品。发展新型产品。n 发展适应特殊测温要求的温度传感器。发展适应特殊测温要求的温度传感器。n 发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。 2.1.5 2.1.

16、5 温度传感器的主要发展方向温度传感器的主要发展方向2.2 电阻式温度传感器n定义：利用导体和半导体的电阻率随温度变化的性质定义：利用导体和半导体的电阻率随温度变化的性质n 做成的温度计称为电阻式温度传感器。做成的温度计称为电阻式温度传感器。n 实现：温度的变化实现：温度的变化元件电阻的变化元件电阻的变化n 大部分半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度大部分半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度n 比金属导体高，温度每升高比金属导体高，温度每升高1 1C C ，电阻约减小，电阻约减小2 26 6。n 负温度系数负温度系数n 大多数金属在温度升高大多数金属在温度升高1 1C C 时电阻将增加

17、时电阻将增加0.40.40.60.6。n 正温度系数正温度系数考虑若温度升高，元件电阻会发生怎样的变化？若温度升高，元件电阻会发生怎样的变化？2.2.1 金属热电阻传感器一、热电阻的类型目前由纯金属制造的热电阻的主要材料是铂、铜和镍。 23020001100ttRRAtBtCtt 当时，1.铂热电阻：一种贵金属。铂热电阻：一种贵金属。 测温范围：测温范围：-200 850电阻和温度的关系：电阻和温度的关系：2008501ttRRAtBt 当时，2.2.1 金属热电阻传感器优点：优点：精度高，稳定性好，性能可靠，耐氧化性好。精度高，稳定性好，性能可靠，耐氧化性好。容易提纯，复现性好，可制成很细的

18、铂丝容易提纯，复现性好，可制成很细的铂丝(0.02mm或更细或更细)或极薄的铂箔。或极薄的铂箔。 有较高的电阻率。有较高的电阻率。缺点：缺点：在高温下易受还原性介质污染而变脆；在高温下易受还原性介质污染而变脆；价格贵。价格贵。 型号：目前工业用铂热电阻有型号：目前工业用铂热电阻有100100（Pt100Pt100和和 1010(Pt10)(Pt10)两种。两种。 应用场合：一般用于制造基准热电阻、标准热电阻应用场合：一般用于制造基准热电阻、标准热电阻2.2.1 金属热电阻传感器2.2.铜热电阻铜热电阻测温范围：测温范围：-50-50150150电阻和温度的关系：电阻和温度的关系：0501501

19、ttRRt 当时，优点：优点：电阻值与温度的关系几乎呈线性；电阻值与温度的关系几乎呈线性；温度系数大，灵敏度较高。温度系数大，灵敏度较高。材料易提纯，价格低廉。材料易提纯，价格低廉。2.2.1 金属热电阻传感器 型号：目前国标规定的铜热电阻有型号：目前国标规定的铜热电阻有Cu50Cu505050）和）和Cu100Cu100（ 100100 ）两种。）两种。 应用：范围较广泛。应用：范围较广泛。缺点：缺点：电阻率小，电阻体积较大；电阻率小，电阻体积较大； 制成相同阻值的电阻时，铜电阻丝要细，这样机械制成相同阻值的电阻时，铜电阻丝要细，这样机械强度就不高，或者就要长，使体积增大。强度就不高，或者就

20、要长，使体积增大。热惯性较大，稳定性较差；热惯性较大，稳定性较差；容易氧化，工作上限容易氧化，工作上限150.881.7 109.81 10CuPtmm2.2.1 金属热电阻传感器二、热电阻的结构二、热电阻的结构 热电阻的结构主要由电阻体、热电阻的结构主要由电阻体、 骨架、绝缘套骨架、绝缘套管和接线盒等组成。管和接线盒等组成。 w 平衡电桥法如果电阻R1=R2，当热电阻Rt阻值随温度变化时，调节电位器Rw的电刷位置x，使电桥处于平衡状态，则有三、热电阻传感器的测量电路三、热电阻传感器的测量电路测量电阻通常可利用欧姆表或电桥。12RRwRRt其中：其中：L L，R0R0：电位器有效长度和总电阻：

21、电位器有效长度和总电阻 x x：电刷位置：电刷位置201RxRtRRL2.2.1 金属热电阻传感器2.2.1 金属热电阻传感器三、热电阻传感器的测量电路三、热电阻传感器的测量电路三线制四线制二线制2.2.1 金属热电阻传感器四、热电阻的基本误差四、热电阻的基本误差热电阻的基本误差热电阻的基本误差指示仪表的误差指示仪表的误差电阻体自热误差：由流过电阻体的电流引起。电阻体自热误差：由流过电阻体的电流引起。 一般工业热电阻工作电流被限制在一般工业热电阻工作电流被限制在6mA以内，这样自以内，这样自热温差就不会超过热温差就不会超过0.1C。引线电阻误差引线电阻误差2.2.2 半导体热敏电阻传感器v热敏

22、电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化的性质制成。热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化的性质制成。v一般用金属氧化物、陶瓷半导体材料或碳化硅材料制造，根据一般用金属氧化物、陶瓷半导体材料或碳化硅材料制造，根据v 不同的配比烧结等工艺制成热敏电阻，结构上主要有不同的配比烧结等工艺制成热敏电阻，结构上主要有: :v 片型、杆型和珠型。片型、杆型和珠型。NTC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

23、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 ；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 2.2.2 半导体热敏电阻传感器一、热敏电阻的分类一、热敏电阻的分类按材料分类按材料分类 常用的半导体材料有铁常用的半导体材料有铁, ,镍镍, ,锰锰, ,钴钴,

24、,钼钼, ,镁镁, ,铜的氧化铜的氧化物或其他化合物物或其他化合物. .按温度特性分类按温度特性分类 负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻 临界负温度系数热敏电阻临界负温度系数热敏电阻 正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻 负温度系数热敏电阻：简称负温度系数热敏电阻：简称NTCNTC，型号用，型号用MFMF表示。温度特性如图中曲线表示。温度特性如图中曲线1 1所所示。在工作温度范围内，电阻随温度上升而非线性下降，示。在工作温度范围内，电阻随温度上升而非线性下降， 温度系数为温度系数为- -(1(16)%/.6)%/.临界负温度系数热敏电阻：简称临界负温度系数热敏电阻：简称CTRCTR。CTRC

25、TR是一种开关型是一种开关型NTCNTC，温度特性如图，温度特性如图中曲线中曲线4 4所示所示. .在临界温度附近，阻值随温度上升而急剧减小。在临界温度附近，阻值随温度上升而急剧减小。 正温度系数热敏电阻：正温度系数热敏电阻： 简称简称PTCPTC， 型号用型号用MZMZ表示。表示。 在工作温度范围内，在工作温度范围内， 其电阻值随温度上升而非线性增大。其电阻值随温度上升而非线性增大。曲线曲线2 2为缓变型为缓变型: :其温度系数为其温度系数为0.5%/0.5%/8%/;8%/;曲线曲线3 3为开关型为开关型: :在居里点附近的温度系数可达在居里点附近的温度系数可达10%/10%/60%/60

26、%/。 低温热敏电阻： 其工作温度低于-55。 常温热敏电阻： 其工作温度范围为-55315。 高温热敏电阻： 其工作温度高于315。n按工作温度范围分类按工作温度范围分类2.2.2 半导体热敏电阻传感器n大多数半导体热敏电阻是大多数半导体热敏电阻是NTCNTC热敏电阻热敏电阻, ,具有很高具有很高的负电阻温度系数，特别适用于的负电阻温度系数，特别适用于0 0150150之间之间测温。测温。n各种热敏电阻的阻值在常温下很大，不必采用三各种热敏电阻的阻值在常温下很大，不必采用三线制或四线制接法，给使用带来方便。线制或四线制接法，给使用带来方便。二、工作原理二、工作原理 半导体材料的电阻率随温度变

27、化而变化半导体材料的电阻率随温度变化而变化. . 两点重要说明两点重要说明: :2.2.2 半导体热敏电阻传感器三、主要参数三、主要参数1. 1. 标称电阻值标称电阻值 （冷电阻）（冷电阻）环境温度环境温度25250.20.2下测得的电阻值，单位：下测得的电阻值，单位：2. 2. 耗散系数耗散系数热敏电阻器温度变化热敏电阻器温度变化11所耗散的功率变化量，单位：所耗散的功率变化量，单位：W/W/3. 3. 电阻温度系数电阻温度系数热敏电阻的温度变化热敏电阻的温度变化1 1 时电阻值的变化率，通常指时电阻值的变化率，通常指2020时时的温度系数的温度系数.(%)/.(%)/4. 4. 热容量热容

28、量热敏电阻的温度变化热敏电阻的温度变化1 1 时，所需吸收或释放的能量，单位：时，所需吸收或释放的能量，单位：J/J/5. 5. 时间常数时间常数HRHC2.2.2 半导体热敏电阻传感器四、热敏电阻的特点四、热敏电阻的特点优点：优点：灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大1 12 2个数量级；个数量级； 很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时几乎无需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；考虑连线电阻的影响；体积小；体积小；热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的测量场合；热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的测量场合；结构简单坚固，能承受较大的冲

29、击、振动。结构简单坚固，能承受较大的冲击、振动。2.2.2 半导体热敏电阻传感器缺点：缺点：阻值与温度的关系非线性严重；阻值与温度的关系非线性严重；元件的一致性差，互换性差；元件的一致性差，互换性差； 元件易老化，稳定性较差；元件易老化，稳定性较差；除特殊高温除特殊高温, ,低温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻只适低温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻只适合合0 0150150范围，使用时必须注意。范围，使用时必须注意。思考题:1.怎么区分普通电阻和热敏电阻？ 主要看参数。热敏电阻的型号是(NTC)MF或(PTC)MZ，如: NTC 47D10 。3.NTC 10D-11热敏电阻可以用什么型号热敏电阻替

30、换? 这是个10，两引脚距离尺寸为11mm的负温度系数的热敏电阻，只有相同电气参数的才能代换，两引脚距离尺寸可以不一致。2.热敏电阻怎样看阻值? 例如NTC 47D10 代表意义? NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器,后面的47 代表电阻47欧姆, 10代表引脚之间的距离. 4.热敏电阻型号为NTC 10D2-7和NTC 10D-7这个型号有什么区别 ? 是同一个型号。可能在结构上略有区别。5.热敏电阻和陶瓷电容怎么区分 ? 外观上看陶瓷电容边缘较薄。测量时热敏电阻会有阻值，一般零点几K几十K，陶瓷电容电阻无穷大。 思考题:温度测量温度测量-NTC-NTC温度控制温度控制-NTC-NTC

31、温度补偿温度补偿-NTC-NTC过热保护过热保护-PTC-PTC五、热敏电阻的应用五、热敏电阻的应用 1.温度测量温度测量五、热敏电阻的应用五、热敏电阻的应用2.温度控制温度控制温度测量原理图的指示仪表用运算放大器代替。温度测量原理图的指示仪表用运算放大器代替。运算放大器的作用：比较器运算放大器的作用：比较器五、热敏电阻的应用五、热敏电阻的应用n温度较低温度较低高电阻高电阻VTHV1 运算放大器接通运算放大器接通继电器被激励继电器被激励加热器供电加热器供电温度逐渐升高温度逐渐升高n温度较高温度较高电阻逐渐降低电阻逐渐降低电桥平衡通过零点）电桥平衡通过零点）放大器关断放大器关断切断加热器切断加热

32、器n加热器保持关断加热器保持关断电阻冷却电阻冷却电桥反方向通过零点。电桥反方向通过零点。五、热敏电阻的应用五、热敏电阻的应用n电位器电位器R1的位置设定温度，通常选热敏电阻的基的位置设定温度，通常选热敏电阻的基准阻值为控制中点的值。准阻值为控制中点的值。n电位计的值任选，一般在电位计的值任选，一般在1K10K。R1R13.温度补偿温度补偿五、热敏电阻的应用五、热敏电阻的应用4.过热保护过热保护2.32.3薄膜热传感器薄膜热传感器适用范围：物体表面、快速和小间隙场所的温度测量。适用范围：物体表面、快速和小间隙场所的温度测量。一、金属薄膜热电阻一、金属薄膜热电阻发展方向：体积越来越小、阻值越来越大

33、、测温范围越发展方向：体积越来越小、阻值越来越大、测温范围越来越广。来越广。1.薄膜热传感器的结构薄膜热传感器的结构 在基片上采用真空沉积技术将铂粉附着在陶瓷基片上，在基片上采用真空沉积技术将铂粉附着在陶瓷基片上，再将引线烧结固定。再将引线烧结固定。2.薄膜热电阻的测温机理薄膜热电阻的测温机理 与铂热电阻类似，薄膜热电阻是基于纯金属材料的电与铂热电阻类似，薄膜热电阻是基于纯金属材料的电阻率随温度的升高而增加的原理来测量温度。阻率随温度的升高而增加的原理来测量温度。二、多晶硅薄膜热电阻二、多晶硅薄膜热电阻 温度传感器的发展方向之一，利用多晶硅温度传感器的发展方向之一，利用多晶硅薄膜薄膜的电阻率随

34、温度变化的特性，可集成性好。的电阻率随温度变化的特性，可集成性好。 1.多晶硅薄膜热电阻的结构多晶硅薄膜热电阻的结构 2.多晶硅薄膜热电阻测温机理多晶硅薄膜热电阻测温机理2.3 薄膜热传感器薄膜热传感器2.4 2.4 热电偶传感器热电偶传感器 2.4.1 2.4.1 热电偶测温原理热电偶测温原理 温差热电偶简称热电偶是目前温度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。测量中使用最普遍的传感元件之一。一一. .热电偶的特点：热电偶的特点： 1.1.结构简单，测量范围宽：结构简单，测量范围宽：-271-2712800 2800 2. 2.准确度高、热惯性小，输出信号为电信准确度

35、高、热惯性小，输出信号为电信号。号。 3.3.热容量小，可用于快速及动态温度的测热容量小，可用于快速及动态温度的测量。量。二二. .热电偶的分类：热电偶的分类： 1.1.按材料分类按材料分类: : 2. 2.按用途分类按用途分类: :三、热电偶的测温原理三、热电偶的测温原理 热电阻测温原理基于热电效应。热电阻测温原理基于热电效应。1. 1.热电效应：两种不同的导体半导体两热电效应：两种不同的导体半导体两端接触在一起组成闭合回路，当两个接端接触在一起组成闭合回路，当两个接触点触点( (称为接点称为接点) )的温度不相同时，回路中的温度不相同时，回路中就会有电流通过，两端之间就存在电动就会有电流通

36、过，两端之间就存在电动势。这种把热能转换成电能的现象称为势。这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。热电效应。 ( (重要：两线重要：两线, , 两端两端 ) ) 热电偶：两种不同导体的组成的闭合回路。热电偶：两种不同导体的组成的闭合回路。 热电热电( (动动) )势：闭合回路两端产生的电势。势：闭合回路两端产生的电势。 热电流：闭合回路中流过的电流。热电流：闭合回路中流过的电流。 热电极：导体热电极：导体A A、B B 。 参考端参考端( (冷端冷端) )：温度为参考温度的一端：温度为参考温度的一端T0T0） 工作端工作端( (热端热端) )：置于被测温度：置于被测温度T T的一端。的一端。

37、三、热电偶的测温原理三、热电偶的测温原理n 两根异质材料的接触电动势两根异质材料的接触电动势 导线两端的温差电动势导线两端的温差电动势EABT，T0）=f(T)-f(T0) 实验证明，热电动势是热电偶两端温度的函数差，实验证明，热电动势是热电偶两端温度的函数差，即：即： 2. 2.热电动势的组成热电动势的组成三、热电偶的测温原理三、热电偶的测温原理 (1)两种导体的接触电动势两种导体的接触电动势n两种导体两种导体A,B接触的时候，由于导体内的自由电子接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，如果密度不同，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

38、密度小的导体B扩散，从而由于导扩散，从而由于导体体A失去了电子而具有正电位。相反导体失去了电子而具有正电位。相反导体B由于接由于接收到了扩散来的电子而具有负电位。这样在扩散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衡时达到动态平衡时A、B之间就形成了一个电位差。之间就形成了一个电位差。这个电位差称为接触电动势。这个电位差称为接触电动势。三、热电偶的测温原理三、热电偶的测温原理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：电荷常数(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。( )

39、( )ln( )AABBNTKTETeNT结论：结论： 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。三、热电偶的测温原理三、热电偶的测温原理 数学表达式：数学表达式：回路中总的接触电势为：回路中总的接触电势为：0000()()ln()AABBKTNTETeNT0000()( )( )() lnln( )()AAABABBBNTNTKETETTTeNTNT热电偶原理图热电偶原理图TT0AB()()ln()AABBNTK TETeNTT点的接触电势为：点的接触电势为：T0点的接触电势为：点的接触电势为：三、热电偶的测温原理三、热电偶的测温原理考虑

40、：考虑：1.两个相同导体组成的闭合回路两端有没有接触电势？两个相同导体组成的闭合回路两端有没有接触电势？ 2.若两个不同导体组成闭合回路的两端温度相同，两端若两个不同导体组成闭合回路的两端温度相同，两端有没有接触电势？有没有接触电势？（2单一导体的温差电动势单一导体的温差电动势 对于单一导体，如果两端温度分别为对于单一导体，如果两端温度分别为T、TO，且，且TTO，如下图所示。，如下图所示。 单一导体温差电动势单一导体温差电动势 导体中的自由电子，导体中的自由电子，在高温端具有较大的在高温端具有较大的动能，因而向低温端动能，因而向低温端扩散，在导体两端产扩散，在导体两端产生了电动势，这个电生了

41、电动势，这个电动势称为单一导体的动势称为单一导体的温差电动势。温差电动势。三、热电偶的测温原理三、热电偶的测温原理数学表达式数学表达式:001( ,)( ) ( )TAATAKE T Td NT TeNT对于由对于由A、B两种导体构成的闭合回路，在两种导体构成的闭合回路，在A、B两导体上两导体上产生的温差电动势之和为：产生的温差电动势之和为：000011( ,)( ,)( ) ( ) ( )( )TTABABTTABKE T TE T Td NT Td NT TeNTNT三、热电偶的测温原理三、热电偶的测温原理考虑：考虑：1.若两个相同导体组成闭合回路的两端温度不同，有若两个相同导体组成闭合回

42、路的两端温度不同，有没有温差电动势？没有温差电动势？ 2.若两个不同导体组成闭合回路的两端温度相同，有若两个不同导体组成闭合回路的两端温度相同，有没有温差电动势？没有温差电动势？由导体材料由导体材料A A、B B组成的闭合回路，其结点温度分别为组成的闭合回路，其结点温度分别为T T、T0,T0,如果如果NANANB, TNB, TT0T0，则必存在着两个接触电势和两个温差，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：电势，回路总电势： （3回路总电势回路总电势 回路中接触电势与温差电势之回路中接触电势与温差电势之和和000000000( ,)( )()( ,)( ,)()( )11 ln

43、ln( ) ( ) ( )()( )( )ABABABABTTAAABTTBBABET TETETE T TE T TNTNTKKTTd NT Td NT TeNTNTeNTNTT0TEAB(T)EAB(T0)EA(T,T0)EB(T,T0)AB热电偶总电动势与电子密度热电偶总电动势与电子密度NA、NB及两接点温度及两接点温度T、T0有关有关三、热电偶的测温原理三、热电偶的测温原理电子密度取决于热电偶材料的特性。当热电偶材料一定时，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的总电动势EAB(T，T0)成为温度成为温度T和和To的函数差，的函数差，即：即：000(

44、 ,)( )()( ,)( )ABABET Tf Tf TET Tf TC实际应用中，热电势与温度之间的关系是通过分度表来确定。实际应用中，热电势与温度之间的关系是通过分度表来确定。分度表：参考端温度为分度表：参考端温度为0时，通过实验建立起来的热电势与时，通过实验建立起来的热电势与 工作端温度之间的对照表。工作端温度之间的对照表。三、热电偶的测温原理三、热电偶的测温原理导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关，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，与导体与导体A A、B B的中间各处温度无关。的中间各处温度无关。只有当热电偶的两导体材料和两端温度均不相同时才能有热

45、电只有当热电偶的两导体材料和两端温度均不相同时才能有热电势产生。势产生。热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长热电势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。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(半导体半导体)才能组合成热电偶；相同材料才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当不会产生热电势，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。（4重要结论：重要结论：三、热电偶的测温原理三、热电偶的测温原理四、热电偶基本定律四、热电偶基本定律(1)均质导体定律均质导体定

46、律由同一种均质材料导体或半导体两端焊接组成闭由同一种均质材料导体或半导体两端焊接组成闭合回路，无论导体截面如何以及温度如何分布，将合回路，无论导体截面如何以及温度如何分布，将不产生接触电势，温差电势相抵消，回路中总电势不产生接触电势，温差电势相抵消，回路中总电势为零。为零。 结论结论: 热电偶必须由两种不同的均质导体或半导体构成。热电偶必须由两种不同的均质导体或半导体构成。若热电极材料不均匀，由于温度梯存在，将会产生若热电极材料不均匀，由于温度梯存在，将会产生附加热电势。附加热电势。 （2中间导体定律中间导体定律 将将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

47、种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体接入导体C后对回路总电动势无影响。后对回路总电动势无影响。TABCTT结论结论: 可采取任何方式焊接导线，将热电势通过导线接至测量仪可采取任何方式焊接导线，将热电势通过导线接至测量仪表进行测量，不影响测量精度。表进行测量，不影响测量精度。四、热电偶基本定律四、热电偶基本定律ET0T0TET0T1T1T电位计接入热电偶回路例如例如: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，只要保证，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原电位计与连接热电偶处的接点温度

48、相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。来的热电势，接入的方式见下图所示。 四、热电偶基本定律四、热电偶基本定律(3)中间温度定律中间温度定律在热电偶测量回路中，假在热电偶测量回路中，假如如测量端温度为测量端温度为T，自由端温，自由端温度度为为TO，中间温度为，中间温度为O，那么那么 EAB(T,TO)=EAB(T,TO) +EAB(TO,TO) 结论：结论： 1.运用该定律可使测量距离加长，也可用于消除热运用该定律可使测量距离加长，也可用于消除热电偶电偶 自由端温度变化影响。自由端温度变化影响。 2.若已知分度表，就可求出冷端为任意温度的热电若已知分度表，就可求出冷端为任意

49、温度的热电动势。动势。 四、热电偶基本定律四、热电偶基本定律(4)标准电极定律也称组成定律）标准电极定律也称组成定律）已知热电极已知热电极A、B与标准电极与标准电极C组成的热电偶在接点温度为组成的热电偶在接点温度为(T，T0)时的热电动势分别为时的热电动势分别为EAC(T，T0)、EBC(T，T0)，则相同，则相同温度下，由温度下，由A、B两种热电极配对两种热电极配对后的热电动势后的热电动势EAB(T，T0)可按下面公式计算：可按下面公式计算： EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0) 参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作。参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作。四

50、、热电偶基本定律四、热电偶基本定律n 例2.1 n 当T为100，T0为0时，铬合金铂热电偶nE(100，0)=+3.13mV，铝合金铂热电偶的nE(100，0)= -1.02mV，求铬合金铝合金组n成热电偶的热电势E(100，0)。解：解： 设铬合金为设铬合金为A，铝合金为，铝合金为B，铂为，铂为C。 即：即：EAC(100，0)=+3.13mV EBC(100，0)=-1.02mV 那么：那么：EAB(100,0)=EAC EBC= +4.15mV四、热电偶基本定律四、热电偶基本定律2.4.2 热电极材料及常用热电偶热电极材料及常用热电偶一、热电极材料一、热电极材料 理论上任何两种导体均可

51、配成热电偶，实际上热理论上任何两种导体均可配成热电偶，实际上热电偶电偶材料应满足：材料应满足：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；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；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；便于制造；便于制造；复现性好，便于成批生产。复现性好，便于成批生产。 实际上一般采用一些合金和化合物。实际上一般采用一些合金和化合物。二、标准热电偶二、标准热电偶目前工业上常用的四种标准化热电偶材料为目前工业上常用的四种标准化热电偶材料为: : 铂铑铂铑3030

52、铂铑铂铑6 (B6 (B型型) ) 铂铑铂铑10 10铂铂(S(S型型) ) 镍铬镍硅镍铬镍硅(K(K型型) ) 镍铬考铜镍铬考铜(E(E型型) )组成热电偶的两种材料写在前面的为正极，后面的为组成热电偶的两种材料写在前面的为正极，后面的为负极。负极。热电偶的热电动势与温度关系表，称之为分度表。热电偶的热电动势与温度关系表，称之为分度表。 2.4.2 热电极材料及常用热电偶热电极材料及常用热电偶 分 度 表如果能使冷端温度如果能使冷端温度t0 t0 固定，则总电势就只与温度固定，则总电势就只与温度t t成单值函数关系成单值函数关系 CtttABAB)(),(0分度表分度表-热电势与热端温度之间

53、热电势与热端温度之间 关系列成表格冷端温度为关系列成表格冷端温度为00）注：热电势与热端温度之间关系是非线性，但在温度变化较小的范围内注：热电势与热端温度之间关系是非线性，但在温度变化较小的范围内为了便于查表运算通常看作线性。为了便于查表运算通常看作线性。三、非标准热电偶三、非标准热电偶用于一些特殊场合用于一些特殊场合2.4.2 热电极材料及常用热电偶热电极材料及常用热电偶2.4.3 2.4.3 热电偶的结构热电偶的结构一一. .普通型热电偶普通型热电偶主要用于测量气体主要用于测量气体, ,蒸汽蒸汽, ,液体等介质的温度液体等介质的温度 标准型工业用热电偶标准型工业用热电偶: 1-热电极热端）

54、热电极热端） 2-绝缘瓷管绝缘瓷管 3-保护套管保护套管 4-接线座接线座 5-接线柱接线柱 6-接线盒接线盒2.4.3 2.4.3 热电偶的结构热电偶的结构二二. .铠装热电偶缆式热电偶）铠装热电偶缆式热电偶）铠装热电偶也称缆式热电偶，是将热电偶丝、铠装热电偶也称缆式热电偶，是将热电偶丝、绝缘材料和金属套管经拉伸加工而成的组合体。绝缘材料和金属套管经拉伸加工而成的组合体。这种热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用。这种热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用。铠装热电偶：铠装热电偶： 1-热电极热电极2-绝缘材料绝缘材料3-金属套管金属套管4-接线盒接线盒5-固定装置固定装置 问题引出热电偶热电势的大

55、小是热端温度和冷端的函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差，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；数，必须使冷端温度保持恒定；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为依据，否则会产生误差。为依据，否则会产生误差。 解决方法补偿导线法补偿导线法 计算法计算法 冰浴法冰浴法 补偿电桥法补偿电桥法 软件处理法软件处理法 一一. . 冷端温度补偿冷端温度补偿2.4.4 2.4.4 热电偶冷端温度补偿及常用测温电路热电偶冷端温度补偿及常用测温电路1.补偿导线法 问题引出热电偶冷端暴露于空间，受环境温

56、度影响热电偶冷端暴露于空间，受环境温度影响;热电极长度有限，冷端受到被测温度变化的影响热电极长度有限，冷端受到被测温度变化的影响;一一. . 冷端温度补偿冷端温度补偿需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表造价过高）。控制室里的显示仪表或控制仪表造价过高）。 解决方法把热电偶的冷端延伸到远离被测对象且温度比较稳定的地方把热电偶的冷端延伸到远离被测对象且温度比较稳定的地方选用一种具有和所连接的热电偶相同的热电性能，其材料又选用一种具有和所连接的热电偶相同的热电性能，其材料又是廉价金属导线。是廉价金属导线。补偿

57、导线造成浪费国际电工委员会也制定了补偿导线的国际电工委员会也制定了补偿导线的国际标准，适合于标准化热电偶使用。国际标准，适合于标准化热电偶使用。一一. . 冷端温度补偿冷端温度补偿实现了冷端迁移。降低了成本。 功 能表表2.1 常用热电偶的补偿导线常用热电偶的补偿导线一一. . 冷端温度补偿冷端温度补偿不同型号的热电偶所配用的补偿导线不同。不同型号的热电偶所配用的补偿导线不同。连接补偿导线时要注意区分正负极，使其分别与热电偶的正负极连接补偿导线时要注意区分正负极，使其分别与热电偶的正负极一一对应。一一对应。补偿导线连接端的工作温度不能超出补偿导线连接端的工作温度不能超出01000100），否则

58、会给测），否则会给测量带来误差。量带来误差。热电偶和补偿导线的两个接点处要保持同温度。热电偶和补偿导线的两个接点处要保持同温度。补偿导线的作用只是延长热电偶的参考端，当补偿导线的作用只是延长热电偶的参考端，当t00t00时，还需进时，还需进行其他补偿与修正。行其他补偿与修正。 使用补偿导线注意问题一一. . 冷端温度补偿冷端温度补偿2.计算法 设：冷端温度为设：冷端温度为t0 t0t00t00被测温度为被测温度为 t t 修正公式修正公式)0 ,(),()0 ,(00tEttEt冷端冷端 t0 t0的热电势的热电势测量得出的热电势测量得出的热电势 被测温度被测温度 t t 的热电势的热电势一一

59、. . 冷端温度补偿冷端温度补偿 用铜用铜- -康铜热电偶测炉温时，测得参比端温度康铜热电偶测炉温时，测得参比端温度t1t12121；测得测量端和参比端间的热电动势；测得测量端和参比端间的热电动势E(t, t1 )E(t, t1 )1.979 1.979 mVmV，试求实际炉温。，试求实际炉温。 查此种热电偶的分度表可知查此种热电偶的分度表可知E(21E(21，0) 0)0.84 mV0.84 mV，可，可得到：得到： E(t E(t，0)=E(t, t1 ) + E(t1, 0 )0)=E(t, t1 ) + E(t1, 0 ) =E(t, 21 ) + E(21, 0 ) =E(t, 21

60、 ) + E(21, 0 ) = 1.979+0.84 = 2.819mV = 1.979+0.84 = 2.819mV 再查分度表，由再查分度表，由2.819mV2.819mV查得到实际炉温查得到实际炉温t=69 t=69 。 既不能只按既不能只按1.979 mV 1.979 mV 查分度表，认为查分度表，认为t=49,t=49, 也不能把也不能把4949直接加上直接加上2121，认为，认为t=70t=70。例解一一. . 冷端温度补偿冷端温度补偿注意由分度表查得由分度表查得 E (20,0 ) = 0.113 mv E (20,0 ) = 0.113 mv 那么那么 E (t, 0) =