传感器原理及应用(第三版)第7章

1、传感器原理及应用第七章 热电式传感器正常体温正常体温为为3737 相当于华相当于华氏温度多氏温度多少度？少度？发展阶段：发展阶段：华氏温标华氏温标( (F)F)摄氏温标摄氏温标( (C)C)开氏温标开氏温标(K)(K)CFtt5932 C273.15KTtCFtt5932 C273.15KTt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动势温差电动势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晶闸管动作点变化晶闸管动作点变化热、光辐射热、光辐射种种类类铂测温电阻、热敏电阻

2、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热敏晶闸管热敏晶闸管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 温度测量及传感器分类温度测量及传感器分类 温度传感器的

3、种类及特点温度传感器的种类及特点所利用物理现象所利用物理现象传传 感器感器 类类 型型测测 温范温范 围围/特特 点点体积热膨胀体积热膨胀气体温度计气体温度计液体压力温度计液体压力温度计玻璃水银温度计玻璃水银温度计双金属片温度计双金属片温度计-250-25010001000-200-200350350-50-50350350-50-50300300不需要电源，耐用；但不需要电源，耐用；但感温部件体积较大感温部件体积较大接触热电动势接触热电动势钨铼热电偶钨铼热电偶铂铑热电偶铂铑热电偶其他热电偶其他热电偶100010002100210020020018001800-200-20012001200自

4、发电型，标准化程度高自发电型，标准化程度高，品种多；须进行冷端温，品种多；须进行冷端温度补偿度补偿电阻的变化电阻的变化铂热电阻铂热电阻热敏电阻热敏电阻-200-200900900-50-50300300标准化程度高；但需要接标准化程度高；但需要接入桥路才能得到电压输出入桥路才能得到电压输出PNPN结结电压结结电压硅半导体二极管硅半导体二极管半导体集成温度半导体集成温度传感器传感器-50150-50150体积小，线性好，体积小，线性好，-2mV/-2mV/；测温范围小；测温范围小温度温度- -颜色颜色示温涂料示温涂料示温液晶示温液晶-50-50130013000 0100100面积大，可得到温度

5、图象面积大，可得到温度图象；但易衰老，准确度低；但易衰老，准确度低光辐射光辐射热辐射热辐射红外辐射温度计红外辐射温度计光学高温温度计光学高温温度计热释电温度计热释电温度计-50-5015001500500500300030000 010001000非接触式测量，反应快；非接触式测量，反应快；但易受环境及被测体表面但易受环境及被测体表面状态影响状态影响示温涂料（变色涂料）示温涂料（变色涂料）装满热水后图案变得清晰可辨装满热水后图案变得清晰可辨CPU散热风扇散热风扇低温时低温时显示蓝色显示蓝色温度升高后变为红色温度升高后变为红色 第7章 热电式传感器 热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装

6、置 在各种热电式传感器中，把温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中将温度转化为电势的热电式传感器叫热电偶。将温度转换为电阻值的热电式传感器叫热电阻。基于半导体PN结的伏安特性与温度之间的关系开发出的固态传感器，我们一般称其为热敏电阻，其实也是热电阻的一种。 热电式传感器目前在工业生产中得到了广泛的应用，并且可以选用定型的显示仪表和记录仪来进行显示和记录。下一页 第7章 热电式传感器71 热电偶72 热电阻73 集成温度传感器74 热敏电阻上一页下一页热电偶测温的主要优点：热电偶测温的主要优点：71 热电偶 1. 属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表； 2. 测温

7、范围广：下限可达-270 ，上限可达1800以上； 3.各温区中的各种热电偶的热电动势均符合国际计量委员会的标准结论：结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端（参自由端（参考端、冷端）考端、冷端） 左端称为：测左端称为：测量端（工作端、量端（工作端、热端）热端） 热电极热电极B B热电动势热电动势A AB B从实验到理论：从实验到理论：热电效应热电效应 18211821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称

8、为结点），发现路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转。说明回路中产生了什么？放在回路中的指南针发生偏转。说明回路中产生了什么？如果用两盏如果用两盏酒精灯同时加热两酒精灯同时加热两个结点，指南针的个结点，指南针的偏转角反而减小。偏转角反而减小。这又说明什么？这又说明什么？ 结论：指南针的偏转说明回路中有电动势产生，并有电流在回路结论：指南针的偏转说明回路中有电动势产生，并有电流在回路中流动。热电流的强弱与两个结点的温差有关，而不是与单一的一端中流动。热电流的强弱与两个结点的温差有关，而不是与单一的一端结点的温度成正比。结点的温度成正比。 71 热电偶一、热电

9、效应 两种不同的导体或半导体A、B两端连接在一起组成回路，如图示：当两结点温度不等时（设 ），回路中就会产生电动势，从而形成电流，这种现象称为热电效应，该电动势称为热电动势。 通常我们把上述两种不同导体的组合称热电偶，称A、B两种导体为热电极 。两个结点，一个为工作端或称热端（ ），测量时将它置于被测量度场中。另一个叫自由端或称冷端（ ），一般要求恒定在某一温度。 经研究发现，上图中热电偶回路中所产生的热电动势由两部分组成，其一是两种导体的接触电势，另一个是单一导体的温差电势。 0TT 0TT (一)接触电势 由于不同导体的自由电子密度不同，当两种不同的导体A、B连接在一起时，在接触面就会发生

10、电子的扩散，假设导体A的自由电子密度 大于导体B的自由电子密度 ，那么在单位时间内，由导体A扩散到导体B的电子数要比从导体B扩散到导体A的电子数多，此时导体 A因失去电子而带正电，导体B因得到电子而带负电，于是在接触区就形成一个从A到B的静电场（电位差），如图所示，这个电场阻碍了电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势。由物理学可知，在温度为T时： 接触电势： 其中： 温度为T时的接触电动势 波尔兹曼常数（k=1.3810-23J/K） 电子电荷量 材料A、B的自由电子密度 （随温度变化而改变）（单位体积的电子数） 结论：结论：接触电动势的大小只与导体材料A、

11、B的性质和结点的温度有关，而与材料的几何形状，尺寸无关。 BnAn上一页下一页BAABnneKTTeln)()(TeABeBAnn ,KBAnn TeAB“结点结点”产生热电动势的产生热电动势的微观微观动画动画 两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属电子的密度不同，在两金属A A和和B B的接触点处会发生自的接触点处会发生自由电子的相互扩散现象。自由电子将从密度大的金属由电子的相互扩散现象。自由电子将从密度大的金属A A扩散到密度小的金属扩散到密度小的金属B B，使，使A A失去电子带正电，失去电子带正电，B B得到电得

12、到电子带负电，从而产生热电动势。子带负电，从而产生热电动势。 自由自由电子电子ABe eABAB（ T T ）T T热电偶的图形符号热电偶的图形符号(二)温差电势 单一导体，如果两端温度不同，则导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端因得到电子而带负电，从而形成静电场，如图所示。该电场阻碍电子的继续扩散，当达到动平衡时，在导体两端便产生一个稳定的电位差，即温差电势。同样由物理学可知： 温差电势: 其中： 导体A两端温度为时形成的 温差电势 汤姆逊系数，表示单一导体两端温差1时所产生的温差电势，其值与材料性质及两端温度有关. 结论：结论：在热电偶中

13、，温差电势相对于接触电势非常小，工程上常将其忽略不计，起决定作用的是接触电势。但热电偶作为检测计量使用时要加以考虑 。dTTTTTeA00),(上一页下一页),(0TTeA (三)热电偶回路总热电势 对于由导体A、B组成的热电偶回路，当 时，闭合回路中产生的接触电势和温差电势如图所示。则闭合回路总的热电动势为： 设回路电流顺时针方向为正，则： 将 ， 代入得： 结论：结论： 1如果热电偶两极材料相同（即 ），虽然两结点温度不同（ ），总热电势仍为零（ ）因此，热电偶必须用两种不同的材料作电极。 BAnnTT，0),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABABdTTT

14、TTeA00),(BAABnneKTTeln)(00000(,)lnln()ATATABBABTBTnTKTnKTET TdTTenen上一页下一页BABAnn,0TT 0),(1OABTTE 2如果两极材料不同，而两结点（两端）温度相同（ ），回路热电势也为零（ ） 3前面提过，由于温差电势很小，可忽略，故工程中常将上式简化如下： 4由上式可知，热电势 是温度 和 的双值函数，这在使用中很不方便，因此在标定热电偶时，使 为常数。 即： （常数） 则 即回路总热电势 看成温度T的单值函数，方便工程测量。实际通常使 ，对热电偶进行标定（）。)()(),(00TeTeTTEABABABCTfTeA

15、B)()(00)()()()(),(000TfTeTeTeTTEABABABABCTf)(0( ,)ABET T),(0TTEABT0T0T上一页下一页0),(0TTEAB0TT )()(0TeTeBAABCT000 热电偶分度表针对某型号的热电偶，在其冷端温度为热电偶分度表针对某型号的热电偶，在其冷端温度为条件下，制作的热电动势条件下，制作的热电动势E与热端温度与热端温度T的对应关系的对应关系表。使用时，测得冷端温度为表。使用时，测得冷端温度为时的热电动势时的热电动势 查查表即可得到所测温度。因为非线性关系，所以使用分度表表即可得到所测温度。因为非线性关系，所以使用分度表时要求其冷端温度为时

16、要求其冷端温度为，如果冷端温度不为，如果冷端温度不为，必须，必须对冷端温度修正到对冷端温度修正到。 C00，TEAB二、热电偶基本定律 (一)中间导体定律： 定律描述：在热电偶回路中，其它金属材料作为中间导体引入，如图示，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶回路的总电动势无影响。 数学表达式： 证明：右图所示回路总电势为 ),(),(00TTETTEABABC),(0TTEABCdTTTdTTTdTTTTeTeTeTTECBACABCABOABC000000)()()(),(dTTTTeTeTeABCABCAB)()()()(000上一页下一页下一步求出该两项 设三个结点（

17、1、2、3）温度均相等均为 , 则有下式成立： 因此上述定律成立。0TdTTTTeTeTeTTEABCABCABABC)()()()(),(00000000)(00dTTTAB)()()(000TeTeTeCABCABdTTTTeTeTTEABABABABC)()()(),(000dTTTTeTeABBAAB)()()(00),(OABTTE其中所以代入上式得：上一页下一页0),(00TTEABC；中间导体定律的意义中间导体定律的意义利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证这些中间导体两端的温度各自相同，则对热电偶的热电动势没有影响。在使用热电偶时，应尽

18、量使上述元器件两端的温度相同，才能减少测量误差。 在放大器中，若某个电阻或集成电路引脚两端的温度不相同，将产生热电动势。为了尽量减小由此产生的电动势，可以用铜质屏蔽罩将放大电路与热源隔离，并使罩内各个元件两端的温度相同。 (二)标准电极定律：（也称参考电极定律） 定律描述：当接点温度为 时，用导体A、B 组成热电偶产生的热电势等于A、C热电偶和C 、B热电偶热电势的代数和。 数学表达式：导体C（一般铂）称标准电极证明：参见上图所示有： 0TT、000( ,)( ,)( ,)ABACCBET TET TET TdTTTTeTeTTEABABABAB)()()(),(000dTTTTeTeTTEA

19、CACACAC)()()(),(000000( ,)( )()()BCBCBCCBTET TeTeTdTT上一页下一页0,TTEAB0,TTEAC0,CBET T00( ,)( ,)ACBCET TET T 所以有下式： 因此上述定律成立。),(),(),(),(0000TTETTETTETTEBCACCBACdTTTnneKTnneKTdTTTnneKTnneKTBCCTBTCTBTACCTATCTAT)(lnln)(lnln00000000dTTTnneKTnneKTABBTATBTAT)(lnln0000),(0TTEAB上一页下一页参考电极定律简化了热电偶的选配工作。只参考电极定律简化

20、了热电偶的选配工作。只要获得有关热电极与参考电极配对的热电动要获得有关热电极与参考电极配对的热电动势，那么任何两种热电极配对时的热电动势势，那么任何两种热电极配对时的热电动势均可求得，就能较快地筛选出适合需要的、均可求得，就能较快地筛选出适合需要的、性能良好的热电偶。性能良好的热电偶。 （三）连接导体定律和中间温度定律 ： 1连接导体定律： 定律描述：在热电偶回路中，如果热电极A、B分别与连接导线A、B相连接，接点温度分别为 ，那么回路的总热电势等于热电偶电势 与连接导线热电势 代数和。0TTTn，),(nABTTE),(0TTEnBA数学表达式：),(),(),(00TTETTETTTEnB

21、AnABnAABB证明：由上图所示，回路总电势)()()()(),(00nAAABnBBABnAABBTETETETETTTEdTTTdTTTdTTTdTTTBnBnAnAn00上一页下一页 因为： 同时： 将中间结果代入最上式得： 因此上述定律成立。该定律是工业上用补偿导线测温度的基础。nnnnATTATBBTnnAAnBBnnnneKTTETElnln)()(nnnnBTATTBTAnnnnneKTlnln)()(nABnBATETE)()(00TETEBAAB)()()()(),(00TETETETETTTEBAnABnBAABnAABBdTTTdTTTdTTTdTTTAnBnAnBn0

22、0),(),(0TTETTEnBAnAB上一页下一页 2 中间温度定律： 定律描述：热电偶在结点温度为 时的热电势 ，等于热电偶在 时相应的热电势 与 的代数和。数学表达式： 证明：根据连接导体定律，当导体A与 ，B与 材料分别相同时，即是中间温度定律。无须额外证明。 中间温度定律为制定热电动势分度表奠定了基础。分度表是参考端温度在 0（ ）时的条件下，对应热端温度 不同得到的一系列热电动势值，不同的热电偶具有不同的分度表。只要求得参考端温度0时的热电动势与温度的关系，就可根据上式求出参考端温度不等于0时的热电动势；反之，也然。 因此，“中间温度定律”是热电偶使用计算中最常用的基本定理。0TT

23、，),(0TTEAB)(),(011TTTTnn0(),()nnTTTT，),(nABTTE),(0TTEnAB),(),(),(00TTETTETTTEnABnABnAB上一页下一页C000TT ABK K热电偶的热电偶的分度表分度表 分别查出分别查出-100-100、+100+100时的时的2 2个热电动势。个热电动势。计算与计算与00之之差，体会热差，体会热电动势的非电动势的非线性。线性。三、常用热电偶及结构 从理论上讲，虽然任意两种导体（或半导体）都可以配制成热电偶，但作为实用的测温元件，对它的要求是多方面的，并非所有材料都适合制作热电偶，对热电偶的电极材料要求是： （1)配制成的热电

24、偶应具有较大的热电势，并希望热电势与温度之间呈线性关系或近似线性关系。 （2)能在较宽的温度范围内使用，并且长期工作后物理化学性能与热电性能都比较稳定。 （3)导电率要求高，电阻温度系数小，比热小。 （4)易于复制，工艺简单，成本低。(一) 常用热电偶（或称工业标准化热电偶） 铂铑铂，热电偶 分度号为 。铂铑合金为正极，铂丝为负极。适合于1300以下温度范围。 优点：复制精度和测量准确度较多，可用于精密测量和作标准热电偶。 缺点：热电势小，高温时易受还原气体和金属蒸气侵害,属贵金属材料,成本高。上一页下一页S 镍铬镍硅、热电偶 分度号为K，镍铬为正极，镍硅为负极，适合于900以下温度范围。 优

25、点：复制性好，产生热电势大，线性度好，成本低。 缺点：易受还原性介质腐蚀，测量精度偏低。 镍铬考铜（镍铜合金）热电偶 分度号E，镍铬为正极，考铜为负极，适合于600以下温度范围 优点：灵敏度高，成本低，适用于还原性和中性介质场合。 缺点：测温范围窄而低，易氧化，复制性差。铜康铜（镍铜合金），热电偶分度号为T，铜为正极，康铜为负极，适合于温度范围优点：低温下有较好的稳定性，多用于实验室和科研。缺点：电特性复制差，所以热电势常用下式近似得出常数（查表） 注意：测量低温时，由于工作端温度低于参考端，所以正负极要发生变化。0S上一页下一页C02002002tEat btba， (二)热电偶结构 热电偶

26、通常由热电极，绝缘套管，保护套管和接线盒四部分组成。如右图。 热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下几点：组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。上一页下一页接线盒接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 不锈钢保护管不锈钢保护管 安装法兰安装法兰薄壁金属薄壁金属 保护套管（铠体）保护套管（铠体） 铠装型热电偶可长达上百米铠装型热电偶可长达上百米小形小形K型热电

27、偶型热电偶XC系列陶瓷纤维柔性热电偶系列陶瓷纤维柔性热电偶四、热电偶冷端温度补偿 根据热电偶的原理知道，只有当冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数，在应用中，由于热电偶工作端与冷端距离很近，冷端又暴露于空气中，容易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。为此可采用下述几种方法进行补偿。 （一）补偿导线法（又称延伸热电极法）要保证热电偶冷端的温度不变，可以把热电极加长，使冷端远离工作端，放到恒温或温度波动较小的地方。这样若是使用贵金属作电极的热电偶时，将大大增加成本。因此一般是采用一种特殊导线（称补偿导线），将热电偶的冷端延伸出来。如下图所示。 图中AB为热电偶，原冷端

28、温度为 （变化不定）， 为补偿导线， 是仪表与 连接点的温度（即延伸后的新冷端），其数值基本稳定。从热电性来看，可以认为 分别是A、B的延长，热电偶的冷端也由 处移到 处。补偿导线是由价格低廉的两种不同成分导体组成的热电偶，在一定的温度范围内，具有和所连接的AB热电偶相同的热电性能，即确保 ),(),(0000ttEttEABBA上一页下一页0tBA0tBABA、0t0t 根据热电偶的“连接导线定律和中间温度定律”可得： 这就是是补偿导线法或称延伸热电极法。通常对补偿导线的选用是： 对于 铂铑铂热电偶， 补偿导线选铜镍铜； 镍铬镍硅热电偶，补偿导线选铜康铜； 镍铬考铜热电偶，补偿导线选用自身电

29、极材料； 铜康铜热电偶， 补偿导线选用自身电极材料。 注意： 选则补偿导线应与热电偶电极材料对应，不可随意选取，以保证热电性一致。且正负极应对应连接，不能接反。同时， 温度不应高于100，否则会因热电性不同带来新的误差。),(),(),(),(),(00000000ttEtTEttEtTEttTEABABBAABAB),(0tTEAB上一页下一页0tAB屏蔽层屏蔽层保护层保护层 （二）冷端温度计算校正法 由于热电偶的温度热电势关系（即分度表）是在冷端温度保持在 的情况下得到的。与它配套使用的仪表又是根据分度表进行刻度的。因此，尽管已采用了补偿导线使热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，但只要冷端温度

30、 ，就必须对仪表示值加以修正。公式如下： 举例说明：K型热电偶在工作时冷端温度 ，测得热电动势 。求被测介质温度？ 解： CT000C00)0 ,(),()0 ,(0000CtEttECtECt0030mVttE17.39),(0mVCE20. 1)0 ,30(00)0 ,(),()0 ,(0000CtEttECtEmVmV20. 117.39mV37.40查K型分度表得：由修正公式得：上一页下一页反查分度表得：977t （对应于40.37mv）CCttCtmV0010136.9763036.9463036.94617.39不可如此：计算修正法举例计算修正法举例K热电偶测温电路中，热电极 A、

31、B直接焊接在钢板上，A 、B为补偿导线，Cu为铜导线，已知接线盒1的温度t1=40，冰瓶中为冰水混合物，接线盒 3 的温度t3=20.0。求：1）冰瓶的温度t 2；2）将热电极直接焊在钢板上是应用了热电偶的什么定律？3）当Ux=29.97mV时，估算被测点温度t x ；4）如果冰瓶中的冰完全融化，温度上升到与接线盒1的温度相同，此时的Ux减小到28.36mV，再求t x。解：解：1）接线盒1是热电极与补偿导线（延长导线）的接线位置，不影响测量结果，不必考虑t1温度的大小和波动。冰瓶的温度为:0,是补偿导线（冷端）与铜导线的接线位置,所以可以直接查分度表。2）将热电极直接焊在钢板上是应用了热电偶

32、的中间导体定律。3）当Ux=29.97mV时，直接查分度表得到被测点温度t x=720。注:接线盒3的温度t3不是冷端温度,属于中间温度,与测量结果无关.4）如果冰瓶中的冰完全融化，温度上升到与接线盒1的温度相同，即：冷端温度不再是0，而为40。此时的Ux=28.36mV，再求t x。EAB(t,0)=EAB(t,40)+EAB(40,0)=(28.36+1.61)mV=29.97mV反查K型热电的偶分度表，仍然得到t x =720。 （三）冰溶法 为了避免经常校正的麻烦，可采用冰溶法使冷端保持在0 ，如图所示，这种方法最妥善，但不够方便，所仅限于科研实验使用。 下图中冰水槽应处于一个大气压环

33、境中，才能保证温度是0。近年来，已生产出一种半导体制冷器件，可恒定在0，代替冰水槽。上一页下一页 （四）电桥补偿法利用铜电阻 温度系数较大，阻值随温度而变化，令其它三个电阻阻值恒定，使电桥在冷端温度不等于20时，处于不平衡状态而输出电压以补偿因冷端温度变化而引起的热电势变化，使仪表示值恒代表冷端为20时的热电势值。上一页下一页ababCuababCuabCuUttETEUbaRCtUttETEUbaRCtttETEURRRRCt00000000003212000,20,020,20,0200,20,020负正、时：正负、时：时：CuR补偿电桥法补偿电桥法 7-2热电阻 绝大多数金属具有正的电阻

34、温度系数 ，温度越高，电阻越大。利用这规律可制成温度传感器，与热电偶对应，称其为“热电阻”。广泛地被应用于测量中低温区，200500。用于制造热电阻的金属材料应满足以下要求： 电阻温度系数大，电阻随温度变化保持单值并且最好呈线性关系； 热容量小； 电阻率尽量大，这样可以在同等灵敏度情况下使元件尺寸减小 在工作范围内，物理和化学性能稳定； 容易获得较纯物质，材料复制性好，价格低廉。 目前，常用的热电阻主要是铂热电阻：主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。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50150。 上一页下一页t一、常用热电阻 （一）铂电阻： 分度号为

35、Pt10和Pt100，适用温度范围 优点：物理、化学性质稳定,常用制造基准热电阻,标准电阻和工业用热电阻 缺点：易被金属蒸气污染变脆，但可用保护套管保护；属贵金属，成本高。 铂电阻与温度的关系：（与书中不同）C0850200)/ 1 (10940. 303CA)/ 1 (10802. 5207CB)/ 1 (10274. 43012CC上一页下一页当温度t在0t 650时： 1 20tBtARRt)100(1 320ttCtBtARRt其中：A、B、C为常数 当温度t在200t 0时： 见书中表7-2，其分度表给出了阻值和温度的关系。铂电阻的精度灵敏度与铂的提纯程度有关，用参数百度电阻比W(1

36、00)表示。 （二）铜电阻 分度号 和 ，适用温度范围50150， 优点：铜电阻与温度近似呈线性关系，铜电阻温度系数大，易加工和提纯，成本低 缺点：当温度超过100时容易被氧化，电阻率小。 铜电阻与温度的关系：百度电阻比1000(100)RWRW（100）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，W（100）1.3925目前技术水平已达到W（100）1.3930，工业用铂电阻的纯度W（100）为1.3871.390。国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）1.391，表示温度从到0100时阻值变化倍数100uC50uC)1 (0tRRt （三）其它热电阻 铟电阻：用99

37、.999%高纯度的铟绕成电阻，适用室温到 温度范围内，灵敏度比铂电阻高十倍，缺点是材料软，复制性差。 锰电阻：在温度 范围内，电阻随温度变化大，灵敏度高。缺点是材料脆，难拉成丝。 碳电阻：适合作液氦域的温度计，成本低，对磁场不敏感，但热稳定性不好。K152 . 4KK263上一页下一页二、金属热电阻的测量转换电路方案一：二线制电桥测量电路R1为铂热电阻，R2、R3、R4为锰铜精密电阻(固定电阻)。电桥的调零在0的情况下进行。热电阻Rt被安装在测温点上,然后用连接导线连接到电桥的接线端子上。引线电阻r1a、r1b及其随长度和温度的变化将引起测量误差。 在工业应用上，热电阻一般安装在产生现场，而其

38、指示或记录仪安装在控制室，其间的引线很长，如果仅用两根导线接在热电阻两端，导线本身电阻必然和热电阻的阻值串连在一起，造成测量误差，如果每根导线电阻是r，测量结果中必然含有绝对误差2r。如50的铂电阻，1的导线电阻就将产生5的误差。因为导线阻值r是随环境温度而变的，而环境温度又变化不定，因而实际上这种误差很难修正，这就注定了用两线制的连接方式不宜在工业热电阻上应用，应采用下述方式。 三线制三线制 为了避免式减少导线电阻对测量温度的影响，工业上热电阻多采用三线制，如下图所示。热电阻的三根连接导线，直径和长度及材料均相同，阻值均是r。其一串接在电桥的电源上，对电桥平衡与否毫无影响，另外两根分别串接在

39、电桥的相邻两桥臂R3和Rt上，则相邻两桥臂的阻值都增加相同阻值r。上一页下一页132)()(RrRRrRtrRRRRRRt) 1(2121321RR 3RRt当电桥平衡时：如果设计满足： 则：即消除了导线电阻r的影响。上一页下一页此时得：注意：注意：1只有在对称电桥 ，且电桥平衡时，才能彻底消除r的影响，即要用平衡法测量；2如果不用平衡电桥指示温度，即用不平衡电桥原理来指示温度，虽然它不能完全消除连接导线电阻r对测量的影响，但三线制肯定会减少它的影响。21RR 工业实际应用：工业实际应用：G检流计R t 热电阻R a零位调节电阻R1，R2，R3固定电阻方案二：三线制电桥测量电路采用三线制单臂电

40、桥可以消除和减小引线电阻的影响。热电阻R t用三根导线、引至测温电桥。 其中两根引线的内阻（r1、r4）分别串入测量电桥相邻两臂的R1、R4上，(R1+r1)/R2=(R4+r4)/R3。引线的长度变化不影响电桥的平衡，所以可以避免因连接导线电阻受环境影响而引起的测量误差。 四线制四线制 四线制就是热电阻两端各用两根导线连到仪表上，通常是直流电位差计作为指示式记录仪，接线方法见图所示。 由恒流源提供已知电流I流过热电阻Rt，使其产生压降U，再用电位差计测出U，则根据欧姆定律得： 此处提供电流和测量电压分别使用热电阻上四根导线（4根可以不同），尽管导线有电阻r但电流在导线上形成的压降不在测量结果

41、之内。测量电压的导线虽有电阻但无电流流过，因为电位差计测量时不取电流，所以四根导线的电阻r对测量均无影响。四线制和电位差计的配合使用，是测量热电阻比较完善的方法，它不受任何条件的约束，总能消除连接导线电阻对测量的影响。当然恒流E必须保证电流I的稳定不变，而且其精确度应该和Rt的测量精度相适应。IURt上一页下一页注意：注意：无论是三线制或四线制，都要从热电阻感温体的根部引出导线，因为从热电阻的接线端子分出，感温体到接线端子之间的这段导线距被测温度太近，虽然在保护套管内的这段导线不长，但其电阻影响却不容忽视。方案三：四线制恒流测量电路 恒流源Ii的恒定激励电流流过Rt，在Rt上产生降压Uo=Ii Rt。输出电压Uo的变化量Uo与被测温度变化引起的电阻变化量R成正比。由于输出电压是直接从Rt两端引出的，所以激励电流Ii在r1a、r1b上的压降就不被包括到Uo中，因此可以克服引线电阻的影响。本底电压Uo所占比例较大，而反映温度变化的Uo相对较小，降低了系统的分辨力。三、热电阻的特点 热电阻与热电偶相比较，有如下特点： 1同样温度下输出信号大，易于测量。热电偶是测几十毫伏的电量，热电阻是测几十欧的电阻变化。 2测电阻必须外加电源。而热电偶是无需电源的发电式传感器 3热电阻感温体尺寸较大，而热电偶工作端是很小