传感器与自动检测技术（第二版）热电式传感器

5.1热电阻式传感器5.2热电偶传感器

将被测量变化转换成热生电动势变化的传感器，称为热电式传感器。热电式传感器可将温度或与温度相关的信号转化为电量输出。温度测量方法装满热水后图案变得清晰可辨示温涂料（变色涂料）CPU散热风扇温度升高后变为红色体积膨胀式不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。气体的体积与热力学温度成正比温度测量方法红外温度计温度测量方法

利用导体或半导体材料的电阻值随温度变化的特性制成的传感器称为热电阻式传感器。5.1热电阻式传感器

主要用于对温度或和温度有关的参量进行检测，其测温范围主要在中、低温区域（-200～850ºC）。测温元件按材料分类金属导体——热电阻半导体材料——热敏电阻材料：要求有大的、稳定的电阻温度系数，线性好，性能稳定，便于生产。如铂和铜。5.1.1常用热电阻

材料温度t/℃电阻率ρ/10-8Ω·m电阻温度系数α/℃-1银201.5860.0038（20℃）铜201.6780.00393（20℃）金202.40.00324（20℃）镍206.840.0069（0℃～100℃）铂2010.60.00374（0℃～60℃）1.热电阻的特性1）铂热电阻铂热电阻主要用于高精度的温度测量和标准测温装置，性能非常稳定，测量精度高，其测温范围为-200～850ºC。2）铜热电阻铜热电阻价格便宜，易于提纯，复制性较好，在-50～150ºC测温范围内，线性较好，电阻温度系数比铂高，但电阻率较铂小，在温度稍高时易于氧化，测温范围较窄，体积较大。所以，铜热电阻适用于对测量精度和敏感元件尺寸要求不是很高的场合。热电阻的主要技术性能对照表材料铂（WZP）铜（WZC）使用温度范围(oC)-200～＋960-50～+150电阻率(Ω·m×10-6)0.0981～0.1060.0170℃～100℃间电阻温度系数平均值(1/℃)0.00392～0.003980.00425～0.00428化学稳定性在氧化性介质中较稳定，不能在还原性介质中使用，尤其在高温情况下超过100℃易氧化特性特性近于线性、性能稳定，精度高线性较好，价格低廉应用可作标准测温装置适于测量低温、无水分、无侵蚀性介质的温度热电阻分度表铂热电阻分度表将Rt与t的相应关系列成表格分度号2.热电阻的结构形式1）普通热电阻普通热电阻一般由测温元件（电阻体）、保护套管和接线盒三部分组成。铜热电阻的感温元件通常用φ0.1mm的漆包线或丝包线采用双线并绕在塑料圆柱形骨架上，再浸入酚醛树脂（起保护作用）。铂热电阻的感温元件一般用φ0.03～φ0.07mm的铂丝绕在云母绝缘片上，云母片边缘有锯齿缺口，铂丝绕在齿缝内以防短路。2）铠装热电阻铠装热电阻由金属保护管、绝缘材料和感温元件组成。其感温元件用细铂丝绕在陶瓷或玻璃骨架上制成。其热惰性小、响应速度快；具有良好的力学性能，可以耐强烈振动和冲击，适合于高压设备测温、有振动的场合和恶劣环境中使用。3）薄膜及厚膜型铂热电阻薄膜及厚膜型铂热电阻由感温元件、绝缘基板、接头夹和引线四部分组成。1—工作端；2—绝缘基板；3—接头夹；4—引线这种结构主要用于平面物体的表面温度和动态温度的检测，也可部分代替线绕型铂热电阻用于测温和控温，其测温范围一般为-70～600℃。小型铂热电阻防爆型铂热电阻铠装热电阻汽车用水温传感器铜热电阻可设定温度的温度控制箱旋转式机械设定开关拨码式设定开关5.1.2热电阻传感器的测量电路和应用温度的测量常采用三线单臂电桥电路。热电阻的测量电路（三线制接线）r2r1r3θr1、r2、r3为三根引线电阻有r1=r2=r3r1r3r2目的是消除引线电阻的影响2.流量的测量

热导式流量计根据发热元件耗散热量与流速的关系来实现流量测量。RT1RT2RwR1R2热电阻流量计电原理图

三线式铂电阻测温电路铂热电阻RT与高精度电阻R1～R3组成桥路，R3的一端通过导线接地。RW1、RW2和RW3是导线等效电阻。5.1.3热电阻传感器的应用实例5.1.4热敏电阻

热敏电阻一般是由金属氧化物陶瓷半导体材料，经成型、高温烧结等工艺制成的测温元件，还有一部分热敏电阻由碳化硅材料制成。热敏电阻的测温范围一般为-50℃～+300℃（高温热敏电阻可测+700℃，低温热敏电阻可测到-250℃），特性呈非线性，使用时一般需要线性补偿。热敏电阻在性能的一致性和互换性方面存在较大差异，使批量使用热敏电阻测温的精确性受到影响。1.热敏电阻的结构热敏电阻主要由热敏探头、引线和外壳组成，有多种结构形式。其中，圆柱形热敏电阻的外形与一般玻璃封装的二极管一样，这种结构生产工艺成熟、生产效率高、产量大而价格低，是热敏电阻的主流产品。珠粒形热敏电阻，由于体积小、热时间常数小，适合进行点温度测量。2.热敏电阻的特性热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数型（PTC）、负温度系数型（NTC）和临界温度系数型（CTR）。它们的电阻特性如右图所示。由图可见，NTC热敏电阻测温范围较宽，PTC热敏电阻测温范围较窄。热敏电阻外形聚脂塑料封装热敏电阻玻璃封装NTC热敏电阻带安装孔的热敏电阻大功率PTC热敏电阻其它热敏电阻1．温度测量热敏电阻一般结构较简单，价格较低廉。没有外面保护层的热敏电阻只能应用在干燥的地方。密封的热敏电阻不怕湿气的侵蚀，可以应用在较恶劣的环境下。由于热敏电阻的阻值较大，故其连接导线的电阻和接触电阻可以忽略。因此热敏电阻可以在长达几千米的远距离测量温度中应用。测量电路多采用电桥电路。5.1.5热敏电阻传感器的应用

热敏电阻体温表热敏电阻温度面板表热敏电阻LCD热敏电阻用于电热水器的温度控制热敏电阻用于CPU的温度测量2．温度补偿热敏电阻可在一定温度范围内对某些元件进行温度补偿。提问：作温度补偿的热敏电阻通常是哪一种？NTC3．温度控制将CRT热敏电阻埋设在被测物中，并与继电器串联，给电路加上恒定电压。当周围介质的温度升到某一指定数值时，电路中的电流可以由十分之几毫安变为几十毫安，因此继电器动作，从而实现温度控制或过热保护。开关型热敏电阻继电输出型温控开关

温度上下限光报警电路电路中，温度传感器为负温度系数的热敏电阻，A为运算放大器，晶体管VTl和VT2为驱动电路，电源为±6V。5.1.6热敏电阻传感器的应用实例

5.2热电偶传感器

热电偶传感器是将温度转换成电动势的一种测温传感器。具有精度高、测温范围宽（-50ºC～+2800ºC）、结构简单、使用方便和可远距离测量等优点。广泛应用在轻工、冶金、机械及化工等工业领域中温度的测量、调节和自动控制等方面。热处理温控系统动画演示5.2.1热电偶传感器的工作原理

1.热电效应热电效应动画演示两种不同材料导体构成一个闭合回路两个接点温度不同电动势热电偶工作端或热端自由端或冷端热电效应动画演示热电偶工作端或热端自由端或冷端热电极接触电动势：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。

温差电动势：在同一导体中，由于两端温度不同而使导体内高温端的自由电子向低温端扩散形成的电动势。热电偶回路中产生的总热电动势为温差电动势很小，忽略如果使冷端温度T0保持不变，则EAB（T0）=C（常数）。此时，EAB（T,T0）就成为T的单值函数，即当保持热电偶自由端温度T0不变时，只要用仪表测出总热电势，就可由求得EAB（T），便可以求得工作端温度T。2．热电偶的基本定律1）中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体C，只要该导体两端温度相同，则热电偶产生的总热电动势不变。根据这一定律，可将第三种导体换成测试仪表或连接导线即可对热电势进行测量。CABTT02．热电偶的基本定律1）中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体C，只要该导体两端温度相同，则热电偶产生的总热电动势不变。根据这一定律，可将第三种导体换成测试仪表或连接导线即可对热电势进行测量。中间导体定律的实用价值CABTT0mVCC利用这个定律，还可使用开路热电偶测量液态金属和金属壁面的温度。液态金属温度测量金属壁面温度测量开路热电偶2）参考电极定律当接点温度为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，即导体C称为标准电极（一般由铂制成）。例如：工作端为100℃，自由端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电势为-4.0mV，则镍铬和考铜组合而成的热电偶的热电势为标准电极C热电极A热电极B由此可见，若任意几个热电极与一标准热电极组成热电偶产生的热电势已知时，就可很方便地求出这些热电极彼此任意组合时的热电势，大大简化热电偶的选配工作。通常，由于纯铂丝的物理化学性能稳定、熔点较高、易提纯，所以用纯铂（Pt）作为标准热电极。参考电极定律的实用价值国家计量检定规程对热电偶统—规定了冷端温度T0=0℃时热电势与热端温度的对应关系，即分度表。当用热电偶测温时，若使冷端保持在0℃，则测得热电势后通过查分度表即可直接得到被测温度值。（3）中间温度定律热电偶在接点温度为T、T0时的热电动势EAB（T,T0）等于该热电偶在（T，Tn）与（Tn，T0）时的热电动势EAB（T,Tn）与EAB（Tn,T0）的代数和，其中Tn称为中间温度，即TT0ABTTnABTnT0AB=+=+

热电偶分度表是在冷端为0ºC时热端温度与热电动势之间的对应关系，根据这一定律，当热电偶冷端不等于0℃时，也可以使用分度表。中间温度定律的实用价值仪表显示查表查表思考题：P88：5仪表显示思考题：P88：5查表查表查表：P249：附录3（分度号为K）查表→←仪表显示1.热电偶的种类1）普通型热电偶普通型热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体等介质的温度，由热电极、绝缘套管、外保护套管和接线盒组成。5.2.2热电偶的结构形式与材料

接线盒引出线套管固定螺纹工作端不锈钢保护管贵重金属热电极直径不大于0.5mm，廉价金属热电极直径一般为0.5～3.2mm；绝缘套管一般为单孔或双孔瓷管；外保护套管要求气密性好，有足够的机械强度，还要求导热性好和物理化学特性稳定，最常用的材料为铜及铜合金、不锈钢及陶瓷材料等。普通热电偶的外形2）铠装热电偶铠装热电偶是将热电偶丝、绝缘材料（氧化镁粉等）和金属保护套管三者组合装配后，经拉伸加工而成的一种坚实的组合体。它的外径一般为0.5～8mm，其长度可以根据需要截取，特别适用于复杂结构（如狭小弯曲管道内）的温度测量。（a）外形图（b）径向剖面图1—内电极；2—绝缘材料；3—薄壁金属保护套管；4—屏蔽层铠装型热电偶可长达上百米铠装型热电偶外形3）薄膜热电偶薄膜热电偶是用真空镀膜的方法，把热电极材料蒸镀在绝缘基板上而制成的。其测温范围为-200～500ºC，测量端既小又薄，热容小，响应速度快，适用于测量微小面积上的瞬变温度。1—工作端；2—热电极；3—绝缘基板；4—引线接头；5—引出线（同材料的热电偶）4）表面热电偶表面热电偶主要用于现场流动的测量，广泛用于纺织、印染、造纸、塑料及橡胶工业。表面热电偶的探头有各种形状（弓形、薄片形等），以适应不同物体表面测温。在其把手上装有动圈式仪表，读数方便。其测量温度范围有0～250ºC和0～600ºC两种。5）防爆热电偶在石油、化工、制药工业中，生产现场有各种易燃、易爆等化学气体，这时需要采用防爆热电偶。它采用防爆型接线盒，有足够的内部空间、壁厚及机械强度，其橡胶密封圈的热稳定性符合国家的防爆标准。因此，即使接线盒内部爆炸性混合气体发生爆炸，其压力也不会破坏接线盒，所产生的热能不能向外扩散传爆，可达到可靠的防爆效果。除上述以外，还有专门测量钢水和其他熔融金属温度的快速热电偶等。小形K型热电偶其他热电偶外形2.标准化热电偶及热电偶的组成材料所谓标准化热电偶，是指制造工艺比较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定，并已列入工业标准化文件中的热电偶。标准化热电偶互换性好，具有统一的分度表，并有与其配套的显示仪表可供选用。国际电工委员会（IEC）共推荐了8种标准化热电偶。组成热电偶的两种材料正极写在前面，负极写在后面。我国生产的符合IEC标准的热电偶有6种，目前工业上常用的4种标准化热电偶材料分别是铂铑30-铂铑6、铂铑10-铂、镍铬-镍硅、镍铬-康铜，它们的特性如表4–1所示。表5–1常用热电偶名称型号分度号测温范围/ºC100ºC时热电动势/mV特点铂铑30-铂铑6①WRRB（LL-2）②0～18000.033使用温度高，范围广，性能稳定，精度高；易在氧化和中性介质中使用；但价格贵，热电动势小，灵敏度低铂铑10-铂WRPS（LB-3）0～16000.645使用温度范围广，性能稳定，精度高，复现性好。但热电势较小，高温下铑易升华，污染铂极，价格贵，一般用于较精密的测温中镍铬-镍硅WRNK（EU-2）-200～13004.095热电动势大，线性好，价廉，但材质较脆，焊接性能及抗辐射性能较差镍铬-考铜WRKEA-20～3006.95热电动势大，线性好，价廉，测温范围小，考铜易受氧化而变质注：①铂铑30表示该合金包含70%铂及30%铑，以下类推；②括号内为我国旧的分度号问题的提出5.2.3热电偶的冷端补偿

冷端不受高温热源的影响冷端温度基本保持恒定热电偶做得很长，贵重金属的耗费加大解决办法——补偿导线法在一定温度范围内（0℃～150℃）与热电偶热电性能相同的廉价材料将冷端延伸到远离高温区的地方补偿导线1.补偿导线指出：使用补偿导线仅能延长热电偶的冷端，对测量电路不起任何温度补偿作用。

使用补偿导线必须注意两个问题：一是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；二是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。=ABT1T0A’B’TABT0TEAB(T,T0)接反会如何？表5–2常用热电偶补偿导线的特性配用热电偶正-负补偿导线正-负导线外皮颜色100ºC热电动势/mV150ºC热电动势/mV20ºC时的电阻率/（×10-6Ω·m）正负铂铑10-铂铜-铜镍①红绿0.645±0.0231.029＜0.0484镍铬-镍硅铜-康铜红蓝4.095±0.156.137±0.20＜0.634镍铬-考铜镍铬-考铜红黄6.95±0.3010.69±0.38＜1.25钨铼5-钨铼20铜-铜镍②红蓝1.337±0.045--注：①99.4%Cu，0.6%Ni；②98.2%～98.3%Cu，1.8%～1.7%Ni。A’B’屏蔽层保护层补偿导线外形图【例】如图为铂铑10－铂（S）热电偶，A’、B’为补偿导线，温度t1=50℃，t2=0℃，t3=30℃，t0＝0℃。（1）当U0=934μV时，求被测点温度t；（2）如果A’、B’改为铜导线，此时U0=810μV，再求温度t。（1）根据中间导体定律：而A’、B’为补偿导线，视同热电偶A、B所以EAB(t,t2)＝U2＝U0＝934（μV）∵t2=0℃∴查分度表可得温度t=P251：附录450ºC0ºC0ºC30ºC=934µV=?U3U2AB（2）根据中间导体定律：根据中间温度定律：EAB(t,0℃)＝EAB(t,t1)＋EAB(t1,0℃)＝U0＋EAB(50℃,0℃)

查分度表可得温度t=50ºC0ºC0ºC30ºC=810µVU3U2铜铜U1=?查分度表2.冷端温度补偿1）机械零位调整法

当冷端温度比较稳定时，工程上常用仪表机械零位调整法。如使用动圈式仪表，可在仪表未工作时，直接将仪表机械零值调整至冷端温度处，仪表直接指示出热端温度T。指针被预调到冷端温度处（40

C

）可补偿冷端损失——即仪表预先输入EAB（t0，0℃）2）冰浴法实验室常采用冰浴法使冷端温度保持为恒定0℃，即将热电偶冷端置于存有冰水混合物的冰点恒温槽内。3）冷端补偿器法（补偿电桥法）

冷端补偿器是用来自动补偿热电偶的测量值随冷端温度的变化而变化的一种装置。冷端温度不稳定且实时测温控制的场合XT－WBC热电偶冷端补偿器WBC型冷端温度补偿器原理图内部是一个不平衡电桥，其输出端与热电偶串联。电桥的3个桥臂由电阻温度系数极小的锰铜丝绕制而成，其电阻基本不随温度变化，且R1=R2=R3=1Ω；另一个桥臂电阻Rx由电阻温度系数大的铜丝绕制而成，且20ºC时Rx=1Ω，电桥平衡，没有电压输出。UDC+E（t，t0）=E（t，20℃）tt0把仪表的零点调到20℃E(t，20℃)常用的国产冷端补偿器性能比较表型