传感及其基础检测 2

《传感器与智能检测技术》第7章

热电式传感器【学习目标】1.了解热电效应及其基本原理；2.了解热电偶相关定律、基本结构及种类；3.掌握热电偶冷端补偿方法及补偿导线使用；4.掌握热电偶选用及实际测温电路；5.了解热电偶基本应用；6.了解铂热电阻和铜热电阻相关知识；7.掌握热电阻测温电路；8.了解热敏电阻基本特性及测温电路；9.了解热电阻及热敏电阻相关应用；10.了解集成温度传感器基本结构原理及相关应用；【重点和难点】重点：热电原理及相关定律；冷端补偿；热电阻、热敏电阻结构原理；集成温度传感器结构与原理；相关应用；难点：热电偶冷端补偿；热电阻测温电路；集成温度传感器原理；【职业素养】1.通过相关现象、原理的讲解与学习，培养学生热爱学习、探索未来、积极创新的精神；2.通过相关结构与电路的分析，培养学生认真细心、埋头苦干的精神和素质；3.通过案例分析讨论及相关实训，培养学生勤学好问、互帮互助的团队精神；学习内容一、热电偶二、热电阻与热敏电阻三、集成温度传感器第一节：热电偶一、热电偶热电效应

塞贝克效应将两种不同成分的导体组合成一闭合回路，若两接点温度不同，回路中将产生一个电动势。该电动势称为“热电动势”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”。小知识：托马斯·约翰·塞贝克，1770年~1831年，他于1821年通过试验发现两种不同金属组成的回路，给一个节点加温，而另一个保持低温，则在电路周边产生磁场，这是热电势与相应的回路电流带来的。随后，他将这一发现报告给普鲁士科学学会。一、热电偶热电效应

塞贝克效应测温范围从-180℃~+2000℃，甚至可以到+2800℃一、热电偶结构

热电偶一、热电偶热电势接触电动势与温差电动势一、热电偶热电势接触电动势接触电动势是由于A，B两种导体载流子浓度不同造成的。设A载流子浓度为NA，B载流子浓度为NB，若NA>NB，由于自由扩散原理，A导体扩散到B导体的载流子比B导体扩散到A导体的要多，原则上讲，直到两边载流子浓度一致才会达到平衡。这样，A导体失去载流子（一般为自由电子）而B导体获得载流子。假设载流子为自由电子，这样A导体就带正电，B导体带负电，由A到B形成一内部电场。该电场会使得载流子从B向A移动，称为漂移作用。此时，NA’仍然大于NB’，同时A到B也建立了内电场。NA’

>NB’产生的扩散运动和内电场的漂移运动达到动态平衡时，系统稳定，该内电场的积分即为接点的接触电动势eAB（T）。一、热电偶热电势

接触电动势思考：半导体PN节，存在复合区，该区载流子浓度很低。因此该区与P型及N型导体之间均存在较强的内电场，以及与之对应的接触电动势。这也是半导体PN节内电场电压较高的原因。一、热电偶热电势

温差电动势热电偶两个电极，其单一导体还存在温差电动势。由于导体热端其自由电子有较大的动能，因此会向冷端移动，从而失去电子，带正电；冷端得到电子带负电。因此，形成一内部电场，该电场产生的漂移运动与自由电子的热扩散运动平衡时，系统达到动态稳定，该内电场的积分即为温差电动势。导体A的温差电动势一般表示为eA（T，T0），导体B的温差电动势表示为eB（T，T0）。一、热电偶热电势

热电偶总热电势EAB（T，T0）=eAB（T）-eAB（T0）+eA（T，T0）-eB（T，T0）。A、B为热电偶两个热电极，T，T0为两接点温度。

接触电动势远高于温差电动势，因此我们一般忽略温差电动势的影响，则有：EAB（T，T0）≈

eAB（T）-eAB（T0）。

当热电偶材料A，B一定时，热电势就只和温度T，T0有关。EAB（T，T0）≈

f（T）-f（T0）。当参考端温度T0恒定时，f（T0）为一常量C，此时我们有：EAB（T，T0）≈

f（T）-C=φ（T）。EAB（T，T0）=eAB（T）-eAB（T0）+eA（T，T0）-eB（T，T0）。A、B为热电偶两个热电极，T，T0为两接点温度。一、热电偶热电势

热电势综上所述，热电偶的热电势只于材料性质以及接触点温度有关，与接点大小、形状无关，也与热电偶中间温度无关。这样的性质使得热电偶测温不受周边环境因素的影响，非常方便，有利于热电偶进行准确的温度测量；同时，也对热电偶的加工精度要求不太高，便于降低制造成本，有利于热电偶的大规模应用。思考：热电偶的产生电势及电流，其能量从何而来？一、热电偶热电偶基本定律

均质导体定律定义：如果热电偶两电极材料相同，则无论接点温度是否相同，回路热电势均为零。推导：由前述可知，材料相同时，接触电动势为零，而温差电动势则互相抵消。因此，回路总的电动势为零。用途：当热电偶电极材料不均匀时，相同材料电极的热电偶也可能会出现电动势。用该方法可以检验热电偶电极材料的均匀性、一致性。一、热电偶热电偶基本定律

中间导体定律定义：在热电偶回路中，加入第三种导体材料；当第三种材料和原材料两个接点温度相同时，回路总热电动势不变。推导：如图，假设三种导体构成的回路其回路总电动势为E=eAB（t）-eAC（t0）-eCB（t0）。我们假设三个接点温度均相同，即t=t0，则回路电动势应该为0。由此有，eAB（t0）=eAC（t0）+eCB（t0）；由此，可得E=eAB（t）-eAB（t0），与只有两种导体AB时一样。这样第三种导体的引入不影响热电偶总的热电势。一、热电偶热电偶基本定律

中间导体定律用途：我们在利用热电偶测量系统温度时，都要引入相应的测量仪表，而测量仪表可以视为第三种导体的接入。只要满足仪表和热电偶两个接点温度相同，则仪表的引入不会影响热电偶进行温度测量。注意：热电偶电极材料如果掺入了杂质，或者材料不均匀，也可视为引入了第三种导体。这时，如果对应接点温度不同，则可能影响测量输出。热电偶虽然对加工精度要求不高，但是对热电极材料的均匀性、一致性要求较高。一、热电偶热电偶基本定律

中间温度定律定义：热电偶两点之间T1，T3的热电势，等于该热电偶在T1，T2热电势和T2，T3的热电势之和。推导：由热电偶电动势定义可知：EAB（T1，T2）=eAB（T1）-eAB（T2）；EAB（T2，T3）=eAB（T2）-eAB（T3）；则EAB（T1，T2）+EAB（T2，T3）=eAB（T1）-eAB（T2）+eAB（T2）-eAB（T3）=

eAB（T1）-eAB（T3）=EAB（T1，T3）。用途：热电偶中间温度定律在热电偶实际测温、冷端补偿、补偿导线使用方面都有重要作用。定义：热电偶两点之间T1，T3的热电势，等于该热电偶在T1，T2热电势和T2，T3的热电势之和。一、热电偶热电偶基本定律

标准电极定律定义：如果两种导体A，B与第三种导体C的热电势已知，则A，B之间的热电势也已知：EAB（t，t0）=EAC（t，t0）-EBC（t，t0）。用途：我们只需把相关材料与标准热电极通过实验室测定相关分度表，即可通过相关代数运算，得到任意两个热电极组成的热电偶的分度表。一、热电偶热电偶材料

热电偶材料铂铑10-铂热电偶（S）：测温范围-50℃~1768℃；性能稳定，精度高，长期作为国际温标的法定标准热电偶；但是热电势弱，价格昂贵。镍铬-镍硅（镍铝）热电偶（K）：测温范围-270℃~1370℃；复制性好，热电势大，价格便宜，工业测量中使用广泛；但在还原性介质中易受腐蚀，测量精度偏低。镍铬-考铜热电偶（E）：测温范围-270℃~800℃；灵敏度高，比K型高50%，价格便宜；但不能用于还原性气体，测温范围偏窄，考铜易氧化。4铂铑30-铂铑6热电偶（B）：测温范围50℃~1280℃；性能稳定，精度高，适用于氧化及中性介质；但热电势小，价格高。一、热电偶热电偶材料

热电偶材料一、热电偶热电偶结构

普通型热电偶热端为两热电偶电极接触端；绝缘套管用于防止两根热电极短路；保护管使热电偶和被测介质隔离，使之免受化学和物理损害，要求经久耐用、导热性好；接线盒用于连接热电偶和测量电路。一、热电偶热电偶结构

铠装型热电偶铠装型热电偶可以做的很细长，并可弯曲，长度可调，适合于特殊场合以及普通型热电偶不便使用的地方。它具有响应快，寿命长，机械强度高，弯曲性好等特点。铠装型热电偶可长达上百米一、热电偶热电偶结构

薄膜型热电偶薄膜型热电偶是利用真空蒸镀、化学涂层等方法将两种热电极金属材料固定到绝缘基本上制成的。绝缘基板可选用云母，陶瓷片，玻璃或酚醛塑料纸。薄膜型热电偶接点可以很小、很薄（0.01~0.1um），具有热容量小，响应速度高等特点。适合于微小面积上的表面测温，以及快速变化的动态温度测温。一、热电偶冷端补偿

补偿导线原理及使用方法补偿导线是连接热电偶和测量仪器的导线，它的主要目的是把热电偶的冷端温度点从接线盒延申至测量仪器所在地方。一、热电偶冷端补偿

补偿导线原理及使用方法推导：如前图所示，设热电偶电极为A、B，对应补偿导线热电极为A’、B’，A与A’连接，B与B’连接。热端温度为T，补偿导线与热电偶两接点温度为Tc，冷端温度为T0。由定义，回路热电势E=eAB（T）-eAA'（Tc）-eA’B’（T0）+eBB'（Tc）；注意，由中间导体定律，我们有：eAA'（Tc）=eAB（Tc）+eBA'（Tc）；

eBB'（Tc）=eBA'（Tc）+eA'B'（Tc）；

则有：eBB'（Tc）-eAA'（Tc）=eA'B'（Tc）-eAB（Tc）；

则回路电动势：E=eAB（T）-eAB（Tc）+eA'B'（Tc）-eA’B’（T0）；

=EAB（T，Tc）+EA'B'（Tc，T0）；由于EAB（Tc，T0）=EA'B'（Tc，T0），则E=EAB（T，Tc）+EAB（Tc，T0）=EAB（T，T0）；注意：热电偶与补偿导线两连接点温度必须一致；补偿导线与对应热电偶在其工作范围内热电特性一致，连接时要注意正负极。一、热电偶冷端补偿

补偿导线原理及使用方法补偿导线型号配用热电偶补偿导线材料补偿导线绝缘层颜色正极负极正极负极SC铂铑10-铂S铜铜镍红绿KC镍铬-镍硅K铜铜镍红蓝KX镍铬-镍硅K镍铬镍硅红黑EX镍铬-铜镍E镍硅铜镍红棕JX铁-铜镍J铁铜镍红紫TX铜-铜镍T铜铜镍红白一、热电偶冷端补偿

补偿导线一、热电偶冷端补偿

冷端补偿方法冷浴法将冷端直接至于冰水混合物中，使其保持0℃。这样就满足了热电偶分度表冷端0℃的条件。该方法较为准确，但是使用十分不便，通常只在实验室中采用。2计算修正法当冷端实际温度不是0℃时，我们可以采用中间温度定律来修正。EAB（T，0）=EAB（T，Tc）+EAB（Tc，0）；一、热电偶冷端补偿

冷端补偿方法3补偿电桥法：在测量回路中串入一个电桥，利用电桥输出随温度变化的特点，补偿冷端温度变化引起的热电偶热电势变化。一、热电偶冷端补偿

冷端补偿方法XT-WBC热电偶冷端补偿器一、热电偶测温电路

实际测温电路1、测量一点温度2、测量两点温度差一、热电偶测温电路

实际测温电路3、并联：测量多点平均温度讨论：系统中，如果某一路测量回路出现故障、断路了；系统输出会有什么影响？一、热电偶测温电路

实际测温电路4、多个热电偶串联E串=E1+E2+E3...为每个热电偶电动势之和，其主要目的是输出电动势大，增加了系统灵敏度。思考：串联连接时，布线及接线有什么注意事项？一、热电偶应用

测温应用一、热电偶应用

恒温控制应用讨论：电阻的热功率和控制电压/电流之间是平方关系，因此，该系统为典型的非线性控制系统。那么相应的控制系统设计该如何应对呢？一、热电偶应用

火药燃气温度测量第二节：热电阻与热敏电阻二、热电阻与热敏电阻热电阻取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484

。为什么？二、热电阻与热敏电阻热电阻

热电阻热电阻效应：物质的电阻率随温度变化而变化的物理现象称为热电阻效应。由于温度升高，自由电子的热运动加剧，碰撞更激烈，由此带来金属电阻率的增加。其测温范围为-200℃~960℃。二、热电阻与热敏电阻热电阻

铂热电阻：Pt金属铂Pt，其物理、化学性质稳定，电阻率大，是制作热电阻的理想材料。铂热电阻主要用作标准电阻温度计，它的长期稳定复现性可达10-4K，是目前复现性最好的温度计，广泛应用于基准和标准温度的传递；缺点是价格较高。主要型号有Pt10，Pt50，Pt100，Pt1000；其中Pt100使用最为广泛。二、热电阻与热敏电阻热电阻铜热电阻：Cu测温范围较窄，精度要求不太高；但价格便宜。主要型号有Cu50，Cu100，二、热电阻与热敏电阻热电阻

测量电路1、电桥-两线制问题：电桥平衡时，R1R3

=R2（Rt

+2r）；当Rt

=50Ω，r=1Ω时，测量误差达到了2/50=4%；二、热电阻与热敏电阻热电阻

测量电路2、三线制电桥平衡时，有R1（R3+r）

=R2（Rt

+r）；R1=R2时，有Rt=R3·R1/R2；与r无关二、热电阻与热敏电阻热电阻

测量电路3、四线制四线制测量电路为伏安法，一端接入恒流源I，这样，Rt两端电压URt

=I×

Rt，与导线电阻r1，r4无关；另一对线引出Rt两端电压，由于测量仪表内阻很高，电流可近似为0，这样测量电压V=URt=I×

Rt，与导线电阻r2，r3无关。二、热电阻与热敏电阻热电阻

其它常用热电阻1）铟热电阻：一种高精度低温热电阻。在低温区，4.2K~15K范围内，其灵敏度为铂热电阻的10倍，灵敏度高，适合于低温测量；但是其材料软，复现性较差。2）锰热电阻：在2-63K范围内，灵敏度高；缺点是较脆，难以制作加工。二、热电阻与热敏电阻热电阻应用

热电阻流量计将温度tn的热电阻置于温度t0的介质中，设两者接触表面积为A，则热电阻耗散的热量Q=KA（tn-t0）；K为热传导系数，与介质的密度、粘度、流速有关，流速越大，K越大。在平衡状态下，热电阻输入热功率与耗散热功率相同，热电阻温度保持稳定。由于热电阻输入功率为I2·Rt1，变化不大；则流速大时热电阻温度较低。这样，即可通过热电阻自身温度，测量介质的流速。思考：图中Rt2的作用是什么？薄膜型及普通型铂热电阻小型铂热电阻防爆型铂热电阻汽车用水温传感器及水温表铜热电阻二、热电阻与热敏电阻热敏电阻

热敏电阻原理：半导体材料，其本征激发随温度上升而上升，载流浓度增加，使其具备负温度特性；但是随着温度的进一步上升，载流子热运动更激烈，碰撞加剧，会导致材料电阻率增加，从而其在某些温度区间又具备正温度特性。二、热电阻与热敏电阻热敏电阻

热敏电阻特性热敏电阻与热电阻相比，具有灵敏度高（比热电阻高1~2个数量级）、体积小（最小直径可达0.1~0.2mm）、结构简单坚固、热惯性小、响应快、使用方便、寿命长的特点；由于其自身电阻值较大，无需考虑导线电阻的影响，因而测量电路简单的特点。但是也存在非线性性大、产品个体差异大、稳定性差等缺点。二、热电阻与热敏电阻热敏电阻

热敏电阻特性PTC为正温度系数特性，元件电阻值随温度升高而增加NTC为负温度系数特性，元件电阻值随温度升高而减小CTR为临界温度系数，也是一种负温度特性。但在某一温度点，元件电阻值急剧下降，在这区间，温度特性斜率特别大，灵敏度特别高。其主要用于温度开关二、热电阻与热敏电阻热敏电阻应用

温度上下限报警器二、热电阻与热敏电阻热敏电阻应用

温度控制器热敏电阻外形

MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻

玻璃封装NTC热敏电阻MF58型热敏电阻带安装孔的热敏电阻大功率PTC热敏电阻

贴片式NTC热敏电阻

MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻MF5A-3型热敏电阻热敏电阻温度面板表

热敏电阻

LCD热敏电阻体温表

热敏电阻用于CPU的温度测量

热敏电阻用于电热水器的温度控制

第三节：集成温度传感器三、集成温度传感器原理PN节特性半导体PN节特性二极管PN节压降随温度增加而减少。一般，当温度上升1℃，二极管正向压降降低2-2.5mV。三、集成温度传感器原理

集成温度传感器基本原理实际使用中，k、q、I1/I2及γ均为常量，所以，输出电压ΔUBE与测量温度T成正比。三、集成温度传感器结构

电压输出型调整R1的值，可以使得I1≈

I2γ为VT2与VT1发射极面积之比三、集成温度传感器结构

电流输出型VT1与VT2结构完全相同，确保I1与I2严格相等γ为VT4与VT3发射极面积之比思考：γ可能存在个体差异，会出现什么问题？

如何处理？三、集成温度传感器比较

特性对比传感器类别测温范围（℃）精度（℃）线性性重复性（℃）灵敏度铂热电阻-200~6000.3~1.0差0.3~1.0不高热电偶-200~16000.3~0.5较差0.3~1.0不高双金属片-20~2001~10较差0.5~5不高热敏电阻-50~3000.2~2.0不良0.2~2.0高半导体管-40~1501.0良0.2~1.0高集成温度传感器-55~1501.0优0.3高三、集成温度传感器器件

常用集成温度传感器型号输出形式温度适用范围（℃）温度系数引脚μPC616ASC616A电压型-40~12510mV/℃4端μPC616CSL616C电压型-25~8510mV/