第五章热电式传感器

第五章热电式传感器1第一页，共六十四页，2022年，8月28日热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。它利用传感元件的电磁参数随温度变化的特征来达到测量的目的。例如将被测温度转换为敏感元件的电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可由电压、电流这些电参数的变化来表达所测温度的变化。◆将温度转换为电势大小的热电式传感器叫热电偶；◆将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。

第二页，共六十四页，2022年，8月28日

两种不同的金属A和B构成如图所示的闭合回路，如果将它们的两个接点中的一个进行加热，使其温度为T，而另一点置于室温T0中，则在回路中会产生热电势，用来表示，这一现象称为热电效应。

第一节热电偶一热电效应通常把两种不同金属的这种组合叫做热电偶，A、B叫做热电极，温度高的接点叫做热端或工作端，而温度低的接点叫做冷端或自由端。第三页，共六十四页，2022年，8月28日接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。由理论分析知道，热电效应产生的热电式是由接触电势和温差电势两部分组成。1接触电势产生的原因eAB(T)第四页，共六十四页，2022年，8月28日两种不同金属A和B接触时，在接触处便发生电子的扩散。若金属A的自由电子浓度大于金属B的自由电子浓度，则在同一瞬间由金属A扩散到金属B中去的电子将比由金属B扩散到A中去的电子多，因而金属A因失去电子而带正电，金属B因得到电子而带负电。由于正、负电荷的存在，在接触处便产生电场。eAB(T)第五页，共六十四页，2022年，8月28日

该电场将阻碍扩散作用的进一步发生，同时引起反方向的电子转移。扩散和反扩散形成矛盾运动。上述过程的发展，直到扩散作用和阻碍其扩散的作用的效果相同时，也即由金属A扩散到金属B的自由电子与金属B扩散到金属A的自由电子（形成漂移电流）相等时，该过程便处于动态平衡。在这种动态平衡状态下，A和B两金属之间便产生一定的接触电势。eAB(T)第六页，共六十四页，2022年，8月28日式中：k-玻耳兹曼常数（k=1.38×J/K）；T-接触面的绝对温度；e-单位电荷量（e=1.6×C）；NA-金属电极A的自由电子密度；NB-金属电极B的自由电子密度。

两接点的接触电势eAB（T）可表示为：接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。第七页，共六十四页，2022年，8月28日温差电势（又称汤姆森电势）是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而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，因此，在导体两端便形成温差电势。2温差电势产生的原因第八页，共六十四页，2022年，8月28日综上所述，在由两种不同金属组成的闭合回路中，当两端点的温度不同时，回路中产生的热电势等于上述电位差的代数和。ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)eAB(T)7.1热电偶式中：、分别为温度T和下的接触电势; 和为A和B的温差电势。第九页，共六十四页，2022年，8月28日在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，热电偶的热电势可表示为：对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定时，为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即:第十页，共六十四页，2022年，8月28日◆因此就可以用测量到的热电势来得到对应的温度值T。热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关，与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。◆实际应用中，热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0℃时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。第十一页，共六十四页，2022年，8月28日第十二页，共六十四页，2022年，8月28日①只有由化学成分不同的两种导体材料组成的热电偶，其两端点间的温度不同时，才能产生热电势。热电势的大小与材料的性质及其两端点的温度有关，而与形状、大小无关。二.热电偶基本定律②化学成分相同的材料组成的热电偶，即使两个接点的温度不同，回路的总热电势也等于零。应用这一定律可以判断两种金属是否相同。③化学成分不相同的两种材料组成的热电偶，若两个接点的温度相同，回路中的总热电势也等于零。第十三页，共六十四页，2022年，8月28日④

在热电偶中插入第三种材料，只要插入材料两端的温度相同，对热电偶的总热电势没有影响。(中间导体定律）回路中的总电动势：这一定律具有特别重要的实际意义。因为利用热电偶来测量温度时，必须在热电偶回路中接入电气测量仪表，也就相当于接入第三种材料。第十四页，共六十四页，2022年，8月28日◆同理，加入第四、第五种导体后，只要加入的导体两端温度相等，同样不影响回路中的总热电势。◆但是，如果接入第三种材料的两端温度不等，热电偶回路的总热电势将会发生变化。其变化大小，取决于材料的性质和接点的温度。第十五页，共六十四页，2022年，8月28日⑤中间温度定律中间温度中间温度定律的实用价值在于：当自由端温度不为0℃时，可利用该定律及分度表求得工作端温度，另外热电偶中补偿导线的使用也依据了以上定律。第十六页，共六十四页，2022年，8月28日测量端温度℃0102030405060708090热电动势（mv）

00.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.681为了便于使用，我们将冷温度取为0℃，将热电偶工作端温度与热电动势的对应关系列成表格，该表称为热电偶的分度表。分度表镍镉-镍硅K型热电偶分度表第十七页，共六十四页，2022年，8月28日⑥

如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电式已知，则此两种导体组成热电偶的热电势就己知。（标准电极定律）T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC第十八页，共六十四页，2022年，8月28日两式相减得：第十九页，共六十四页，2022年，8月28日若一个热电偶由A、B、C三种导体组成，且回路中三个接点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即：或第二十页，共六十四页，2022年，8月28日由此可知，当任一电极B，C，D，…与—标准电极A组成热电偶产生热电势为已知时，就可以求出这些热电极彼此任意组成热电偶时的热电势。通常采用铂作为标准电极。第二十一页，共六十四页，2022年，8月28日为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。三.热电偶结构和种类第二十二页，共六十四页，2022年，8月28日用作热电极的材料应具备下面的条件：①温度测量精度高。要求在规定的温度测量范围内有较高的测量精确度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关系是单值函数，最好是呈线性关系。③物理化学性能好。要求在规定的温度测量范围内有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。②性能稳定。要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定，均匀性和复现性好。第二十三页，共六十四页，2022年，8月28日保护套管：绝缘材料：防止电极间短路。

使电极和待测温度介质隔离，使其免受化学侵蚀和机械损伤。接线盒：供热电偶和补偿导线连接之用。

第二十四页，共六十四页，2022年，8月28日1．普通型热电偶

普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。第二十五页，共六十四页，2022年，8月28日2．铠装热电偶铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体。第二十六页，共六十四页，2022年，8月28日

3.薄膜热电偶薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料，用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶。第二十七页，共六十四页，2022年，8月28日

从1988年1月1日起，我国热电偶和热电阻的生产全部按国际电工委员会（IEC）的标准，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。标准型热电偶第二十八页，共六十四页，2022年，8月28日热电偶类别代号分度号测温范围允许误差铂铑30-铂铑6WRRLL-2或B0～1800℃≤800℃，±4.0℃>800℃±0.5%t铂铑10-铂WRPLB-3或S0～1600℃≤600℃，±3.0℃>600℃±0.5%t镍铬-镍硅WRNEU-2或K0～1300℃≤400℃，±3.0℃>400℃±0.75%t镍铬-考铜

镍铬-铜镍WRK

WREEA-2或E0～800℃

0～1000℃≤300℃，±3.0℃>300℃±1.0%t几种常用热电偶的测温范围及精确度第二十九页，共六十四页，2022年，8月28日第三十页，共六十四页，2022年，8月28日

补偿导线TnT0T0TnCDMRLEABT实际测量时，为了让自由端免受被测介质温度和周围环境的影响，往往采用补偿导线，将热电偶的自由端延引到远离高温区的地方，从而使新的自由端温度相对稳定。同时当测量端与工作端距离较远时，利用补偿导线可以节约大量贵金属，减少热电偶回路的电阻，而日便于铺设安装。补偿导线第三十一页，共六十四页，2022年，8月28日所谓补偿导线，是指在一定的温度范围内(0℃一100℃)，其热电性能与相应热电偶的热电性能相同的廉价导线。它仅能延长热电偶的自由端，但不起任何温度补偿作用。TnT0T0TnCDMRLEABT接补偿导线后的热电偶回路可以看成仅由热电极A、B组成的回路。第三十二页，共六十四页，2022年，8月28日TnT0T0TnCDMRLEABT使用补偿导线应注意：(1)两根补偿导线与热电偶两个热电极的接点必须具有相同的温度。(2)各种补偿导线只能与相应型号的热电偶配用，而且必须在规定的温度范围内使用，极性切勿接反。第三十三页，共六十四页，2022年，8月28日第三十四页，共六十四页，2022年，8月28日1.测量某一点的温度流过测温毫伏表的电流为:TnT0T0TnCDMRLEABT四.热电偶实用测量电路其中Rz、Rc、RM分别为热电偶、导线和仪表（包括RL）电阻。第三十五页，共六十四页，2022年，8月28日2.测量两点之间的温度差（反向串联）AT2仪表BT1CDT0’T0BAC回路内的总电动势为:因为C、D为补偿导线，其热电性质分别与A、B材料性质相同第三十六页，共六十四页，2022年，8月28日故如果连接导线用普通铜导线，则必须保证两热电偶的冷端温度相等，否则测量结果是不正确的。第三十七页，共六十四页，2022年，8月28日3.热电偶并联线路

T1R1T0T2R2T0’T3R3T0’’仪表ABABABR1、R2、R3：阻值很大，在T1、T2、T3不相等时，使每一只热电偶线路中流过的电流不受影响。第三十八页，共六十四页，2022年，8月28日T1R1T0T2R2T0’T3R3T0’’仪表ABABAB每只热电偶的输出为：回路总的热电动势为:特点：当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来。当然，它也不会中断整个测温系统的工作。第三十九页，共六十四页，2022年，8月28日4.热电偶串联线路（正向串联）T1T0T2仪表T3T0ABDDDCCCABAB因为所以第四十页，共六十四页，2022年，8月28日优点：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。第四十一页，共六十四页，2022年，8月28日五.热电偶冷端补偿方式热电偶的热电势的大小与热端温度有关，与冷端温度有关。只有当冷端温度恒定，才可通过测量热电势的大小得到热端温度。热电偶电路中最大的问题是冷端的问题，即如何选择测温的参考点。第四十二页，共六十四页，2022年，8月28日常采用的冷端方式有三种：(1)冰点槽法将热电偶的冷端置于冰点槽内(冰水混合物)，使冷端温度处于0℃。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。这种装置通常用于实验室或精密的温度测量。第四十三页，共六十四页，2022年，8月28日mVABT铜导线铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0仪表补偿导线第四十四页，共六十四页，2022年，8月28日2．恒温槽方式:即将冷端置于恒温槽中，如恒定温度为T0℃，则冷端的误差Δ为：第四十五页，共六十四页，2022年，8月28日3．冷端自动补偿方式（补偿电桥法）补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号，来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为0℃或变化而引起热电势的变化值。

第四十六页，共六十四页，2022年，8月28日R1、R2、R3为电阻温度系数较小的锰铜丝做成，RCu为电阻温度系数较大的铜丝做成。补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温度，但由于RCu的阻值随环境温度变化而变化，如果适当选择桥臂电阻和桥路电流，就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于参考端温度变化引起的热电势E（T，T0）变化量，从而达到自动补偿的目的。第四十七页，共六十四页，2022年，8月28日若冷端温度恒定，但并非0℃，要使测出的热电动势只反映热端的实际温度，则必须对温度进行修正。修正公式如下：4.计算修正法第四十八页，共六十四页，2022年，8月28日5.显示仪表零位调整法当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端温度不是0℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所），可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值。第四十九页，共六十四页，2022年，8月28日6.软件处理法对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，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，便能自动修正。第五十页，共六十四页，2022年，8月28日

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。◆热电阻传感器的测量精度高；有较大的测量范围，它可测量－200～500℃的温度；易于使用在自动测量和远距离测量中。◆热电阻由电阻体、保护套和接线盒等部件组成。第二节热电阻第五十一页，共六十四页，2022年，8月28日

1．铂电阻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IPTS-68标准，在-259.34~+630.74℃温域内，以铂电阻温度计作为基准器。一常用的几种热电阻用于制造热电阻的材料应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，复现性好等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。第五十二页，共六十四页，2022年，8月28日铂热电阻的温度特性，在0～630.74℃以内为：在-190～0℃以内为：式中：Rt—温度为t时的阻值；R0—温度为0度时的阻值；A－分度系数，取3.940×/℃；B－分度系数，取-5.84×/℃；C－分度系数，取-4.22×/℃。第五十三页，共六十四页，2022年，8月28日2．铜电阻

由于铂是贵重金属材料，因此，在一些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-50～150℃。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：

第五十四页，共六十四页，2022年，8月28日二热电阻的测量电路Rt为热电阻,r1、r2、r3为引线电阻,R1、R2为两桥臂电阻,R1=R2,R3为调整电桥的精密电阻。测量仪表M内阻很大，故电流近似为零。当UA=UB时电桥平衡。若使r1+Rt=r2+R3,就可降低引线电阻的影响。三线式电桥连接法R1R2R3Rtr1r3r2EABM第五十五页，共六十四页，2022年，8月28日

本节介绍半导体的电阻值随温度变化的一种热敏元件（热敏电阻）。第三节半导体温度传感器

◆热敏电阻是由一些金属氧化物,采用不同比例的配方，经高温烧结而成，然后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状。◆热敏电阻具有以下优点：①电阻温度系数大，灵敏度高；②结构简单；③电阻率高，热惯性小；但它阻值与温度变化呈非线性，且稳定性和互换性较差。一热敏电阻1热敏电阻的结构形式及其特点第五十六页，共六十四页，2022年，8月28日按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型：即负电阻温度系数热敏电阻（NTC），正电阻温度系数热敏电阻（PTC）和在在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR）。2热敏电阻的温度特性三类热敏电阻的温度特性40801201601081021041060温度（℃）电阻（Ω）NTCCTRPTC180第五十七页，共六十四页，2022年，8月28日

式中：RT、R0—温度T、T0时的阻值；T－热力学温度；B－热敏电阻材料常数，一般取2000～6000K。由图可见，使用CTR型热敏电阻组成控制开关是十分理想的