传感器与检测技术第八章热电式传感器

1、（优选）传感器与检测技术第八章热电式传感器第一页，共六十八页。温标 不是温度标准(Temperature Standard)，而是温度标尺(Temperature Scale)的简称。国际上规定的温标有很多种，最常用的是华氏温标(美国)、摄氏温标、热力学温标等。下页上页返回第二页，共六十八页。温标名称有关规定华氏温标（ ）1714年， Fahrenheit把标准大气压下纯水的沸点和冰点这两个恒定温度作固定点(212 和32 )，这两个温度点之间用水银温度计分成180等份，每等份定为1华氏度()。列氏温标(oR)1731年Raumur提出：水的冰点被定为列氏0度，而沸点则为列氏80度。因为标准浓

2、度的酒精在水的冰点和沸点之间体积从1000单位膨胀到1080单位。 摄氏温标 ()1742年Celsius提出：最初定义“水的冰点定为一百摄氏度，沸点定为零摄氏度，其间分成一百等分，一等分为一摄氏度”。第二年将刻度颠倒过来使用，即当今用法。当前应用最广，ITS-90有专门定义。开氏温标 (K)1854年Kelvin提出：把绝对零度(0K)到水的三相点温度(273.16K)等分为273.16份，每份就是1开氏度。其分度间隔和摄氏温标间隔一致，t(1)=T(1K)。兰氏温标(oR)Rankine 温标是美国工程界使用的一种温标。起点也为绝对零度，水的冰点和沸点分别为491.67和671.67兰氏度

3、(oR) ，中间分成180等分，每一等分为1oR 。下页上页返回第三页，共六十八页。几种温标间的换算关系摄氏度=5(华氏度-32)/9摄氏度=开氏度-273.15摄氏度=5兰氏度/9-273.15摄氏度=1.25列氏度=华氏度= 1.8摄氏度+32华氏度= 1.8开氏度-459.67华氏度=兰氏度-459.67华氏度=2.25列氏度+32=开氏度=摄氏度+273.15开氏度= 1.25列氏度+273.15开氏度= 5(华氏度-32)/9 +273.15开氏度= 5兰氏度/9 下页上页返回第四页，共六十八页。下页上页返回第五页，共六十八页。下页上页返回8.1 热电偶 把两种不同导体或半导体连接成

4、闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度各为T和T0（设TT0)的热源中，则在该回路内就会产生热电动势，这种现象称作热电效应。由这两种导体的组合并将温度转换成热电势的传感器称为热电偶。图8-1 热电效应示意图第六页，共六十八页。热电偶作为敏感元件优点为： 结构简单：其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的； 具有较高的准确度 ； 测量范围宽，常用的热电偶，低温可测到-50，高温可以达到1600左右，配用特殊材料的热电极，最低可测到-180，最高可达到+2800的温度； 具有良好的敏感度； 使用方便。下页上页返回第七页，共六十八页。下页上页返回8.1.1 热电

5、效应 热电偶产生的热电势称为温差电势或塞贝克电势，通称热电势。回路中产生的电流称为热电流，导体A、B称为热电极。测温时结点1置于被测的温度场中，称为测量端(工作端、热端)；结点2一般处在某一恒定温度，称为参考端(自由端、冷端)。热电效应（塞贝克效应 Seekbeck 1821） ：第八页，共六十八页。下页上页返回 式中 k 波尔兹曼常数，为1.3810-23 J/K； t 接触处的绝对温度； e 电子电荷数； NA、NB 金属A、 B在温度为T时的自由电子密度。图8-2 接触电势接触电势(两种导体）第九页，共六十八页。下页上页返回同理可以计算出A、B两种金属构成回路在温度t0端的 接触电势为：

6、 但 与 方向相反，所以回路的总接触电势 由上式可见，当两结点的温度相同，即t=t0 ，回路中总电势将为零。第十页，共六十八页。 含义：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。 温差电势（单一导体）机理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。下页上页返回第十一页，共六十八页。热电偶回路中产生的总热电势 EAB(t, t0)=EAB(t)EB(t,t0)EAB(t0)EA(t,t0) 温差电势较小，忽略，故热电偶的热电势可表示为： 下页上页返回第

7、十二页，共六十八页。影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关两热电极相同时，总电动势为0两接点温度相同时，总电动势为0对于已选定的热电偶，当参考端温度t0恒定时，eAB(t0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即 可见：只要测出EAB（t,t0）的大小，就能得到被测温度t，这就是利用热电偶测温的原理。 讨论下页上页返回第十三页，共六十八页。热电偶的分度表不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。供查阅使用，每10分档 。中间值按内插法计算。下页上页返回第

8、十四页，共六十八页。S型(铂铑10-铂)热电偶分度表 第十五页，共六十八页。8.1.2 热电偶基本规律 中间导体定律 下页上页返回 图8-3 具有中间导体的热电偶电路 在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶回路的总热电势无影响。可用式子表示为：第十六页，共六十八页。下页上页返回EABC(t0, t0)=EAB(t0)EBC(t0)+ECA(t0) =0对于(a)：（1）当t=t0时，回路总电势为0，即：（2）当A和B两点温度分别为t,t0 且tt0时：EABC(t, t0)=EAB(t)EBC(t0)+ECA(t0) =0由 EBC(t0)+ECA(t0) =

9、 EAB(t0)EABC(t, t0)=EAB(t) EAB(t0) = EAB(t, t0)故第十七页，共六十八页。EABC(t, t0)=EAB(t)eBC(t1)+eCB(t1) + EBA(t0)对于(b)：回路总电势为：由于EBC(t1)=-ECB(t1)EABC(t, t0)=EAB(t) EAB(t0) = EAB(t, t0)故下页上页返回第十八页，共六十八页。例：测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路 利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。应用下页上页返回第十九页，共六十八页。中间温度定律EAB(t,t0)=EAB(t,

10、tc)+EAB(tc,t0) 在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势EAB(t, t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势EAB(t, tc)和EAB(tc, t0)的代数和，即 下页上页返回第二十页，共六十八页。应用 根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A和B ，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。 该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中, 利用热电偶这一性质, 可对参考端温度不为0的热电势进行修正。下页上页返回第二十一页，共六十八页。标准导体

11、（电极）定律下页上页返回第二十二页，共六十八页。通常选用高纯铂丝作标准电极。只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。 应用【例】热端为100，冷端为0时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为4.0mV，则镍铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为： =2.95(4.0)=6.95(mV)下页上页返回第二十三页，共六十八页。均质导体定律 由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由

12、两种不同性质的均质材料构成。 应用： 有助于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀性。 下页上页返回第二十四页，共六十八页。普通型热电偶结构 8.1.2 热电偶的结构与种类下页上页返回第二十五页，共六十八页。 优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上（1100以下）。 铠装型热电偶下页上页返回第二十六页，共六十八页。薄膜热电偶 特点：热接点可以做得很小（m），具有热容量小、反应速度快（s）等特点，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量（ 300以下）。 下页上页返回第二十七页，共六十八页。 热电极材料的选取性能稳定 温度测量范围广物理-化

13、学性能稳定 导电率要高，并且电阻温度系数要小材料的机械强度要高，复制性好、复制工艺简单，价格便宜。标准化热电偶有：铂铑10铂（S型）热电偶、镍铬镍硅（K型）热电偶、镍铬康铜（E型）热电偶等。 下页上页返回第二十八页，共六十八页。 常用热电偶铂铑10铂热电偶（S型） 这种热电偶可在1300以下范围内长期使用，短期可测1600高温，复制精度和测量准确性高，但热电偶的材料为贵金属，成本较高。镍铬镍硅热电偶（K型） 化学稳定性较高，复制性好，产生热电势大，线性好，价格便宜，是工业生产中最常用的一种热电偶。镍铬铜镍（康铜）热电偶（E型） 适用于还原性或中性介质，热电偶灵敏度高，价格便宜，但测温范窄而低。

14、下页上页返回第二十九页，共六十八页。热电偶名称正热电极负热电极分度号测温范围特点铂铑30铂铑6铂铑30铂铑6B01700（超高温）适用于氧化性气氛中测温，测温上限高，稳定性好。在冶金、钢水等高温领域得到广泛应用。铂铑10铂铂铑10纯铂S01600（超高温）适用于氧化性、惰性气氛中测温，热电性能稳定，抗氧化性强，精度高，但价格贵、热电动势较小。常用作标准热电偶或用于高温测量。镍铬镍硅镍铬合金镍硅K2001200（高温）适用于氧化和中性气氛中测温，测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大、价格低。稳定性不如B、S型热电偶，但是非贵金属热电偶中性能最稳定的一种。镍铬康铜镍铬合金铜镍合金E

15、200900（中温）适用于还原性或惰性气氛中测温，热电动势较其他热电偶大，稳定性好，灵敏度高，价格低。铁康铜铁铜镍合金J200750（中温）适用于还原性气氛中测温，价格低，热电动势较大，仅次于E型热电偶。缺点是铁极易氧化。铜康铜铜铜镍合金T200350（低温）适用于还原性气氛中测温，精度高，价格低。在2000可制成标准热电偶。缺点是铜极易氧化。 标准化热电偶特性下页上页返回第三十页，共六十八页。 当热端温度为t时，分度表所对应的热电势EAB(t, 0)与热电偶实际产生的热电势EAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式： EAB(t,0)= EAB(t,t0)+EAB(t0，0) 由

16、此可见，EAB(t0，0)是冷端温度t0的函数，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。 8.1.3 热电偶的冷端温度补偿下页上页返回第三十一页，共六十八页。 (1) 热电偶补偿导线 下页上页返回补偿导线是在一定温度范围内(包括常温)具有与所匹配的热电偶的热电动势的标称值相同的一对带有绝缘层的导线。用它们连接热电偶与测量装置，从而可将热电偶的参考端移到离被测介质较远且温度比较稳定的场合，以免参比端温度受到被测介质的热干扰。t0变化频繁t0较为稳定第三十二页，共六十八页。补偿导线类型(1)按结构可分为普通型和带屏蔽层型；(2)按补偿原理分为补偿型及延伸型两种；(3)按使用温度可分为一般用(0100)和

17、耐热用(0150)；(4)按精度可分为普通级与精密级。补偿导线作用(1)用廉价的补偿导线作为贵金属热电偶的延长导线，以节约贵金属热电偶；(2)将热电偶的参比端迁移至离被侧对象较远且环境温度较恒定的地方，有利于参考端温度的修正和测量误差的减少；(3)用粗直径和导电系数大的补偿导线作为热电偶的延长线，可减小热电偶回路电阻，以利于动圈式仪表的正常工作。下页上页返回第三十三页，共六十八页。常用补偿导线 热电偶类型补偿导线类型补偿导线正极负极铂铑10铂铜铜镍合金铜铜镍合金（镍的质量分数为0.6%）镍铬镍硅I型：镍铬镍硅镍铬镍硅镍铬镍硅II型：铜康铜铜康铜镍铬康铜镍铬康铜镍铬康铜铁康铜铁康铜铁康铜铜康铜铜

18、康铜铜康铜补偿导线的使用(1)各种补偿导线只能与相应型号的热电偶用； (2)使用时必须注意极性，切勿将其极性接反；(3)热电偶和补偿导线连接点的温度不能超过规定的使用温度范围，规定为0100及 0150两种。下页上页返回第三十四页，共六十八页。 在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0。 这是一种理想的补偿方法，但工业中使用不便。 (2) 冷端0恒温法 下页上页返回第三十五页，共六十八页。 当冷端温度t0不等于0，需要对热电偶回路的测量电势值EAB（t，t0）加以修正。当工作端温度为t时，分度表可查EAB(t,0)与EAB(t0,0)。 根据中间

19、温度定律得到： EAB(t,0)= EAB(t,t0)+EAB(t0，0) (3) 冷端温度修正法 下页上页返回第三十六页，共六十八页。【例】用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30，测得热电势EAB(t,t0)为33.29mV, 求加热炉温度。 解：查镍铬-镍硅热电偶分度表得EAB(30,0)=1.203 mV。 可得 EAB(t,0)= EAB(t,t0)+EAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV 由镍铬-镍硅热电偶（K）分度表得： （）下页上页返回第三十七页，共六十八页。(4) 冷端温度自动补偿法（电桥补偿法）下页上页返回第三十八页，共六十八页。 8.

20、1.4 热电偶测温线路 测量单点的温度下页上页返回第三十九页，共六十八页。 测量两点间温度差（反向串联）下页上页返回第四十页，共六十八页。 测量平均温度特点：当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来, 不会中断整个测温系统的工作。1.并联下页上页返回第四十一页，共六十八页。优点：热电动势大，仪表的灵敏度大大增加，且避免了热电偶并联线路存在的缺点，可立即可以发现有断路。缺点：只要有一支热电偶断路，整个测温系统将停止工作。2.正向串联下页上页返回第四十二页，共六十八页。8.1.5 热电偶的应用第四十三页，共六十八页。 毫伏定值器给出给定温度的相应毫伏值，热电偶的热电势与定值器的偏差经放大器送入调节器，再

21、经过晶闸管触发器推动晶闸管执行器来调整电炉丝的加热功率，直到偏差被消除，从而实现控制温度。炉温测量控制系统下页上页返回第四十四页，共六十八页。 热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。大多数金属的电阻率随温度升高而增大，即具有正温度系数。 热电阻广泛用来测量-200850范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000。标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。 8.2 热电阻传感器下页上页返回第四十五页，共六十八页。热电阻的结构 直径1 mm的银丝或镀银铜丝云母、石英或陶瓷塑料双线无感绕法外接线路相连电阻丝和电阻支架下页上页返回第四十六页，共六

22、十八页。 1. 常用热电阻 对用于制造热电阻材料的要求： 具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率 R-t关系最好成线性 物理化学性能稳定 容易加工、价格尽量便宜等。 目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。此外还有其它一些材料热电阻。 下页上页返回第四十七页，共六十八页。 (1) 铂热电阻（Pt） 铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。 按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围为-200850。铂热电阻的特性方程为： 在-2000的温度范围内 Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) 在0850的温度范围内 Rt = R0(1+At+Bt2) A=

23、3.9710-13/ B=-5.8510-7/2 C=-4.2210-12/4 下页上页返回第四十八页，共六十八页。 可见：热电阻在温度t时的电阻值与0时的电阻值R0有关。 目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和R0=100两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其中以Pt100为常用。 铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rt-t的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。 铂电阻的纯度通常用W(100)表示（R100与R0的比值），目前铂电阻的纯度最高可达5个九。下页上页返回第四十九页，共六十八页。下页上页返回第五十页，共六十八页。 在一些

24、测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温， 它的测量范围为-50150。 铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为：Rt=R0（1+t） =4.2810-3/ 两种分度号：Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。 (2) 铜热电阻（Cu）下页上页返回第五十一页，共六十八页。铜热电阻的分度表下页上页返回第五十二页，共六十八页。铜热电阻的特点：铜热电阻的电阻温度系数较大、线性性好、价格便宜。缺点：电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定性较差，在100以上时容易氧化，因此只能用于低温及没有浸蚀性的介质中。下页上页返回第五十三页，共六十八

25、页。铟电阻：是一种高精度低温热电阻。在4.2-15K测温范围内灵敏度极高，缺点是材料很软，复制性很差。锰电阻：在63-2K低温范围内，灵敏度高，缺点是脆性大，难以拉制成丝。碳电阻：低温下灵敏度高，热容量小，对磁场不敏感，价格便宜，使用方便。缺点是热稳定性较差。铁电阻和镍电阻：这两种金属的电阻温度系数较高、电阻率较大，故可作成体积小，灵敏度高的电阻温度计，其缺点是容易氧化，化学稳定性差，不易提纯，复制性差，而且电阻值与温度的线性关系差。(3) 其它热电阻下页上页返回第五十四页，共六十八页。几种纯金属的电阻相对变化率与温度变化间关系下页上页返回第五十五页，共六十八页。用热电阻传感器进行测温时，测量

26、电路经常采用电桥电路。 热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。8.2.3 热电阻的测量电路下页上页返回第五十六页，共六十八页。内部引线方式 下页上页返回第五十七页，共六十八页。 两线制这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。平衡条件：误差来源：下页上页返回第五十八页，共六十八页。 三线制用于工业测量，一般精度 下页上页返回第五十九页，共六十八页。 四线制实验室场合，高精度测量 下页上页返回第六十页，共六十八页。8.2.4 热电阻的应用铂电阻采用三线制接法。A1进行信号放大，经R、C