《传感器与检测技术》第4章热电式传感器

《传感器与检测技术》第4章热电式传感器第一页，共56页。

测温范围在-250——1800度，适用于远距离多点测量。非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。物体辐射能量的大小与温度有关,当选择合适的接收检测装置时,便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号,实现温度的测量。这类测温方法的温度传感器主要有光电高温传感器、红外辐射温度传感器、光纤高温传感器等。测量范围600—6000度。第二页，共56页。4.1热电偶传感器一.热电偶的测温原理1.接触电势第三页，共56页。2.温差电势第四页，共56页。回路总的电势为由于温差电势很小，可略去。因此回路的电势为:第五页，共56页。热电偶回路的几点结论：①如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。必须采用两种不同的材料作为热电极。②如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电势亦为零。③热电偶AB的热电势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。第六页，共56页。二.热电偶基本定律1.中间导体定律利用热电偶进行测温,必须在回路中引入连接导线和仪表,接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间导体定律说明,在热电偶测温回路内,接入第三种导体,只要其两端温度相同,则对回路的总热电势没有影响。接入第三种导体回路如图所示。由于温差电势可忽略不计,则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和。即第七页，共56页。EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0)（1）当T=T0时,有EABC(T0)=eAB(T0)+eBC(T0)+eCA(T0)=0由此得eAB(T0)＝－eBC(T0)－eCA(T0)=0代入（1）式ＥＡＢＣ(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=eAB(T,T0)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。第八页，共56页。2.参考电极定律当结点温度为T,T0时，用导体A，B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。第九页，共56页。

参考电极的实用价值在于：它可大大简化热电偶的选配工作。实际测温中，只要获得有关热电极与参考电极配对时的热电势值，那么任何两种热电极配对时的热电势均可按公式而无需再逐个去测定。用作参考电极(标准电极)的材料，目前主要为纯铂丝材，因为铂的熔点高，易提纯，且在高温与常温时的物理、化学性能都比较稳定。第十页，共56页。3.中间温度定律在热电偶回路中,两接点温度为T,T0时的热电势,等于该热电偶在接点T,Ta和Ta和T0时的热电势。

根据这一定律，只要给出自由端0℃时的热电势和温度关系，就可求出冷端为任意温度T0的热电偶电动势。它是制定热电偶分度表的理论基础。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。第十一页，共56页。

三、常用热电偶

理论上讲,任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶,但为了准确可靠地测量温度,对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件:热电势变化尽量大,热电势与温度关系尽量接近线性关系,物理、化学性能稳定,易加工,复现性好,便于成批生产,有良好的互换性。实际上并非所有材料都能满足上述要求。目前在国际上被公认比较好的热电材料只有几种。国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐8种标准化热电偶,所谓标准化热电偶,它已列入工业标准化文件中,具有统一的分度表。我国从1988年开始采用IEC标准生产热电偶。表11-1为我国采用的几种热电偶的主要性能和特点。

第十二页，共56页。1.镍铬-考铜(E型)2.镍铬-镍铝(K型)3.铂铑30-铂铑6（B型）4.铂铑10-铂(S型）目前工业上常用的有四种标准化热电偶第十三页，共56页。四、热电偶的结构形式

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。

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十四页，共56页。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,它可以做得很细很长,使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小,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,因此被广泛用在许多工业部门中。第十五页，共56页。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、化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶,薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.01~0.1μm）,具有热容量小,反应速度快等的特点,热相应时间达到微秒级,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。第十六页，共56页。

五.热电偶温度补偿方法

从热电偶测温基本公式可以看到,对某一种热电偶来说热电偶产生的热电势只与工作端温度t和自由端温度t0有关,即:EAB(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)

热电偶的分度表是以t0=0℃作为基准进行分度的,而在实际使用过程中,参考端温度往往不为0℃,那么工作端温度为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)由此可见,EAB(t,0)是参考端温度t0的函数,因此需要对热电偶参考端温度进行处理。第十七页，共56页。1.补偿导线法第十八页，共56页。在实际测温时,需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表,这样参考端温度t0也比较稳定。热电偶一般做得较短需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线,它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成,而且在0~100℃温度范围内,要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。第十九页，共56页。第二十页，共56页。2.冷端温度修正法可得热电偶热电势的计算公式：

E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)E(t,0)－表示冷端为零度，热端为t时的热电势E(t,t0)－表示冷端为t0，热端为t时的热电势,实测值E(t0,0)－表示冷端为零度，热端为t0时的热电势采用补偿导线可使热电偶的参考端延伸到温度比较稳定的地方,但只要参考端温度不等于0℃,需要对热电偶回路的电势值加以修正,修正值为EAB(t0,0)。经修正后的实际热电势,可由分度表中查出被测实际温度值第二十一页，共56页。3.电桥补偿法

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。第二十二页，共56页。不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻R1、R2、R3、电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻RCU和稳压电源组成。补偿电桥法第二十三页，共56页。补偿原理：将带有铜热电阻的补偿电桥与被补偿的热电偶串联，铜与热电偶的冷端置于同一温度场。室温时，电桥输出为零，当冷端温度变化时，铜电阻阻值变化造成电桥不平衡输出。此不平衡输出电压对热电偶输出变化有抵消作用。

第二十四页，共56页。4.冰浴法第二十五页，共56页。

六．热电偶测温线路热电偶测温时,它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、数字表等）配套使用,也可与温度变送器配套,转换成标准电流信号,下图为典型的热电偶测温线路。第二十六页，共56页。如用一台显示仪表显示多点温度时,可按下图连接,这样可节约显示仪表和补偿导线。第二十七页，共56页。特殊情况下,热电偶可以串联或并联使用,但只能是同一分度号的热电偶,且参考端应在同一温度下。如热电偶正向串联,可获得较大的热电势输出和提高灵敏度。在测量两点温差时,可采用热电偶反向串联。利用热电偶并联可以测量平均温度。第二十八页，共56页。（1）、单点温度测量第二十九页，共56页。（2）、测量两点的温度差用两只相同型号的热电偶，配用相同的补偿导线，反向串联。产生热电势为ET=EAB（T1，T0）—EAB（T2，T0）显示仪表CBADBAT2T1T0T0C第三十页，共56页。（3）、测量平均温度用几只型号特性相同的热电偶并联在一起。仪表R1E1R2R3E2E3T2T1T3T0ET第三十一页，共56页。

例用镍铬一镍硅热电偶测炉温时，其冷端温度to＝30℃，在直流电位差计上测得的电动势EAB(t,30)=38．500mV，求炉温为多少?镍铬一镍硅热电偶分度表（自由端温度为0℃）第三十二页，共56页。第三十三页，共56页。解：①查镍铬一镍硅热电偶K分度表得：②根据中间温度定律得：③查镍铬一镍硅热电偶K分度表得：℃第三十四页，共56页。第三十五页，共56页。4.2热电阻传感器

一、概述

热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。1.优点：①测量精度高；②有较大的测量范围；－200～600℃③易于使用在自动测量和远距离测量中第三十六页，共56页。2.分类热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类,一般把金属热电阻称为热电阻,而把半导体热电阻称为热敏电阻。3.常用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。第三十七页，共56页。4.热电阻的结构构第三十八页，共56页。测温范围：-200℃~850℃电阻与温度的关系：在-200℃~0℃范围

在0～850℃范围式中，Rt—温度为t时的阻值R0—温度为0度时的阻值A－常数，B－常数，C－常数，

二、铂电阻Pt第三十九页，共56页。

热电阻在温度t时的电阻值与R0有关。目前我国规定工业用铂热电阻有R0=50Ω和R0=100Ω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。参看表4.3-4.4(P135)第四十页，共56页。由于铂是贵重金属,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:Rt=R0（1+αt）式中：α为铜热电阻的电阻温度系数,取α=4.28×10-3/℃。铜热电组的两种分度号为：Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R100=100Ω）。

三、铜热电阻铜热电阻线性好,价格便宜,但它易氧化,不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。第四十一页，共56页。

四、热电阻传感器应用内部引线方式有两线制、三线制和四线制三种。二线制中引线电阻对测量影响大,用于测温精度不高场合。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响,用于高精度温度检测。工业用铂电阻测温采用三线制或四线制。第四十二页，共56页。第四十三页，共56页。A、三线制测温消除导线产生误差原理相临两桥臂增加同一阻值的电阻，对电桥的平衡无影响。第四十四页，共56页。B、四线制测温运放采用斩波放大器ICL7650差动放大器。恒流源供电。第四十五页，共56页。4.3半导体热敏电阻传感器一、热敏电阻的特点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④阻值与温度变化呈非线性⑤稳定性和互换性较差第四十六页，共56页。二、热敏电阻的结构与材料热敏电阻主要由热敏探头、引先壳体构成第四十七页，共