《传感器与检测技术》课件 第八章 热电式传感器

控制科学与工程学院-专业基础课程2026年3月传感器与检测技术授课人：联系方式手机/微信：****，邮箱：****课程资源网站：教材：一流本科专业一流本科课程建设第八章热电式传感器THERMOELECTRIC温度传感器概述8.1热电偶式传感器8.2热电阻和热敏电阻8.3PIN结型温度传感器8.4k型热电偶变频功率热电式传感器Pt100热电阻表面粘贴式k型热电偶第八章8.1温度传感器概述1.1.1什么是传感器8.1.1温度传感器概述1.热电效应概念：当两种不同的导体或半导体连接成电路，并且在两个连接点之间存在温度差时，会在电路中产生一个电动势；是热电效应的基础。影响因素：电动势与两种材料的性质以及温度差有关。应用：测量温度，如：热电偶温度传感器。塞贝克效应热电效应：由于温度梯度的存在，某些材料中产生电荷分离，从而形成电势差的现象三种基本类型：塞贝克效应（SeebeckEffect）、珀尔帖效应（PeltierEffect）和汤姆逊效应（ThomsonEffect）。定义第八章8.1温度传感器概述1.1.1什么是传感器8.1.1温度传感器概述1.热电效应珀尔帖效应：当电流通过两种不同材料的连接点时，会在连接点处产生吸热或放热的现象。应用：用于制冷或加热，如：半导体制冷器。珀尔帖效应第八章8.1温度传感器概述1.1.1什么是传感器8.1.1温度传感器概述1.热电效应汤姆逊效应：当电流通过一个存在温度梯度的均匀导体时，会在导体的两端产生温度差。应用：热电制冷器，如：在一些小型的电子设备散热系统中，利用热电制冷片可以有效地降低芯片等部件的温度。热电发电装置，如：在汽车尾气余热回收发电系统中，热电发电装置可以将尾气的热量部分转化为电能，为汽车的电子设备提供辅助电源。汤姆逊效应第八章8.1温度传感器概述1.1.1什么是传感器8.1.1温度传感器概述特性塞贝克效应

珀耳帖效应汤姆逊效应定义当两种不同导体组成闭合回路，且两个接点温度不同时，回路中会产生电动势当电流通过两种不同导体组成的接点时，接点处会产生吸热或放热当有电流通过存在温度梯度的导体时，导体内部会吸收或放出热量原理不同导体的自由电子在温度梯度下扩散，形成电动势电流通过接点时，电子的能量变化导致热量的吸收或释放电流通过温度梯度导体时，电子的能量变化导致热量的吸收或释放特点产生电动势，用于发电和温度测量接点处热量变化，用于制冷和加热导体内部热量变化，用于制冷和发电主要材料两种不同金属或半导体（如铜-康铜）两种不同金属或半导体（如铋-碲）单一导体或半导体材料温度范围宽温度范围（-200℃至+1700℃）

较窄温度范围（-50℃至+200℃宽温度范围（取决于材料）应用场景热电发电、温度测量（热电偶）、废热回收。热电偶、热电发电模块热电制冷、热电加热、电子设备散热；热电制冷片、热电加热器热电制冷、热电发电、温度梯度测量；热电制冷模块、热电发电模块三种效应对比第八章8.1温度传感器概述1.1.1什么是传感器8.1.1温度传感器概述2.热电式传感器利用测温敏感元件的电参数随温度变化的特性，通过测量电量变化来检测温度。原理热电式传感器：一种将温度变化转换为电量变化的传感器。定义热电式传感器测量电路温度变化电阻、电势或磁导等变化输出电流或电压第八章8.1温度传感器概述1.1.1什么是传感器8.1.2分类分类原理特征应用热电偶式传感器利用金属的温差电动势测温耐高温、测量范围广、响应速度快、精度较高工业炉、发动机、钢铁制造等高温环境热电阻式传感器利用导体电阻随温度变化测温结构简单，测量准确、稳定性好、成本低实验室、工业过程控制等需要精确测量的环境热敏电阻式传感器利用半导体材料随温度变化测温体积小、灵敏度高、响应速度快、成本较低、稳定性差家用电器、电子设备的温度检测集成温度传感器利用晶体管P-N结的电流、电压随温度变化测温体积小、灵敏度高、稳定性好、易于集成消费电子产品、精密仪器等红外温度传感器基于物体辐射的红外能量与其温度之间的关系进行测量非接触式测量、响应速度快、远距离测量医疗、工业、环境监测等领域光纤式温度传感器利用光纤的温度特性来实现温度的测量抗电磁干扰、体积小、灵敏度高、远距离和恶劣环境电力系统、航空航天、医疗、工业过程控制等热电式传感器分类、原理及应用第八章8.1温度传感器概述1.1.1什么是传感器8.1.3温标定义及作用建立温度标尺（温标），定量描述各种温度计和温度传感器的温度数值的高低。热力学温度是国际上公认的基本温度，我国目前实行的是1990年国际温标（ITS-90）。同时定义国际开尔文温度为T90，单位是K（开尔文）；国际摄氏温度为t90，单位是℃（摄氏度）。两者关系可表示为。或第八章8.2热电偶式传感器概述热电偶（Thermocouples）被广泛用于测量100～1300℃范围内的温度。根据需要还可以用来测量更高或更低的温度。测温范围特点具有结构简单、制作容易、精度高、温度测量范围宽、动态响应特性好、输出信号便于远传等优点。是一种有源传感器，测量时不需要外加电源，使用方便，常用于测量炉子或管道内气体、液体的温度或固体的表面温度。第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.1热电偶测温原理概述如图，两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回路。热电效应与热电偶热电效应：当两接点温度不等时（设t＞t0），回路中就会产生大小和方向与导体材料及两接点的温度有关的电动势（热电动势），从而形成电流。热电偶：把这两种不同导体的组合称为热电偶，称A、B两导体为热电极。第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.1热电偶测温原理1.接触电势电子扩散：

①不同金属材料的内部自由电子密度不相同，当两种金属材料A和B接触时，自由电子就要从密度大的金属材料扩散到密度小的金属材料中去，如图所示。

②当金属材料A的自由电子密度比金属材料B大，则有自由电子从A扩散到B，当扩散达到平衡时，金属材料A失去电子带正电荷，而金属材料B得到电子带负电荷。接触电势：A，B接触处形成一定的电位差，这就是接触电势（也叫帕尔帖电势），其大小与两种金属的性质、结点温度有关。第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.1热电偶测温原理1.接触电势当温度为T时，热端接触电势可表示为式中，

是电极A和电极B在温度为时的接触电势；

是玻耳兹曼常数；

是接触面的热力学温度；

是单位电荷量；

，

分别是金属电极A和B的自由电子密度。第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.1热电偶测温原理2.温差电势在同一金属材料A中，当金属材料两端的温度不同，即T＞T0时，两端电子能量就不同。温度高的一端电子能量大，则电子从高温端向低温端扩散的数量多，最后达到平衡。在金属材料A的两端形成一定的电位差，即温差电势（也叫汤姆逊电势）。其大小可表示为式中，

是A材料两端温度分别为T和T0时的温差电势；

是汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电势值，它与材料的性质有关。第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.1热电偶测温原理2.温差电势

某热电偶灵敏度为0.04mV/℃，把它放在温度为1200℃处的温度场，若指示表（冷端）处温度为50℃，试求热电势的大小。

解：根据热电偶的热电势与温度的线性关系：

代入已知条件计算：（1）计算温差（2）计算热电势例8-1第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.1热电偶测温原理3.热电偶回路的总电势在两种金属材料A和B组成的热电偶回路中，两接触点的温度分别为T和T0，且T＞T0。回路总热电势由4部分组成：两个温差电势即

和，两个接触电势即和

，如下图所示第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.1热电偶测温原理3.热电偶回路的总电势按顺时针方向写出4个电势方程为若热电极A和B为同一种材料时,NB=NA，δB=δA,则

若热电偶两端处于同一温度下，即T=T0,则

第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.1热电偶测温原理3.热电偶回路的总电势一是两种不同的金属材料组成热电偶。二是其两端存在温差。热电势是T和T0的温度函数的差，而不是温度的函数。

当

时

，则有

热电势存在必须具备两个条件前式整理得：第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.1热电偶测温原理3.热电偶回路的总电势E与T之间有唯一对应的单值函数关系。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，只与导体A和B的材料有关，与冷、热端的温度有关，而与导体的粗细、长短及两导体接触面积无关。判断热电偶正负极的方法:可用将热端稍加热，在冷端用直流电表辨别正负极

。

由上式可知：第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.1热电偶测温原理3.热电偶回路的总电势分度表：根据国际温标规定，T0=0℃时，用实验的方法测出各种不同热电偶在不同工作温度下所产生热电势的值，列成表格。实际应用时可根据实测出的热电势，通过查找对应材料的分度表得到所测的温度值。分度表常用铂铑-铂热电偶(S型)E(t)分度表t（℃）0-1-2-3-4-5-6-7-8-9E(μV)-50-236—————————-40-194-199-203-207-211-215-219-224-228-232-30-150-155-159-164-168-173-177-181-186-190-20-103-108-113-117-122-127-132-136-141-146-10-53-58-63-68-73-78-83-88-93-9800-5-11-16-21-27-32-37-42-48

t（℃）0123456789E(μV)0051116222733384450105561677278849095101107201131191251311371431491551611673017317918519119720421021622222940235241248254260267263*28028629250299305312319325332338345352358第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.2热电偶基本定律1.匀质导体定律热电偶必须采用两种不同材料的导体组成，且热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以，热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。定律说明匀质导体定律：由一种匀质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体的各处温度分布如何，都不能产生热电势。定律第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.2热电偶基本定律2.中间导体定律如图，接入第三导体C，当A、B结点温度为T，其余结点温度为T0，且T＞T0时，则回路中总热电动势为定律说明中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要其两端的温度相等，第三导线的引入不会影响热电偶的热电势。定义由于在T=T0的情况下回路中总电动势为零,即第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.2热电偶基本定律2.中间导体定律代入得可以将第三导线换成测试仪表或连接导线。只要保持两结点温度相同，就可以对热电动势进行测量而不影响原热电动势的数值。第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.2热电偶基本定律3.中间温度定律如图a），在热电偶回路中，如果热电极A和B分别与连接导体A'和B'相接，其接点温度分别为T，Tn和T0，则回路的总热电势等于热电偶的热电势

与连接导体的热电势

之代数和，即该定律为在工业测量温度中使用补偿导线提供了理论基础。中间温度定律第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.2热电偶基本定律3.中间温度定律只要选配在100℃以下与热电偶热电特性相同的补偿导线，便可使热电偶的参比端延长，使之远离热源到达一个温度相对稳定的地方而不会影响测温的准确性，即热电偶分度表是在参比端为0℃时热端温度与热电势之间的对应关系，根据这一定则，当热电偶冷端不等于0℃时，也可以使用分度表。第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.2热电偶基本定律3.中间温度定律当两个结点温度分别为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，即图中标准电极C接在A、B之间，形成三个热电偶组成的回路。AC热电偶有热电动势BC热电偶有热电动势中间温度定律第八章8.2热电偶式传感器8.2.2热电偶基本定律3.中间温度定律得到：由于纯铂丝的物理化学性能稳定，熔点较高，易提纯，所以目前常用纯铂丝作参考电极。如果已求出各种热电极对铂极的热电特性，可大大简化热电偶的选配工作。由得：第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.3热电偶分类与结构1.热电偶分类标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。国际电工委员会（IEC）共推荐了8种标准化热电偶。铂铑10-铂协作效率待提高铂铑13-铂铂铑30-铂铑6镍铬-镍硅镍铬硅-镍硅镍铬-康铜铜-康铜铁-康铜标准化热电偶第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.3热电偶分类与结构1.热电偶分类目的：进一步扩展高温的测量范围和低温的测量范围。相对标准热电偶还不够成熟。没有统一的分度表，使用前需个别标定，以确定热电

偶和温度之间的关系。钨铼系协作效率待提高铂铑系铱铑系镍钼系非标准化热电偶第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.3热电偶分类与结构2.热电偶结构普通型装配式柔性安装型铠装热电偶的两极之间及与保护套管之间都需要良好的电绝缘。采用耐高温、耐腐蚀和冲击的外保护套管。结构为保证热电偶的正常工作需注意第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.3热电偶分类与结构2.热电偶结构组成：电极、绝缘套管、外保护套管和接线盒。直径：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。常用材料：铜及铜合金、钢和不锈钢及陶瓷等。长度：整支热电偶的长度由安装条件和插入深度决定，一般为350～2000mm。协作效率待提高普通型装配式结构第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.3热电偶分类与结构2.热电偶结构测温元件：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。外径：一般为0.5～8mm，其长度可以根据需要截取。优点：测量端的热容量小，响应速度快，挠性好，可弯曲，可以安装在狭窄或结构复杂的测量场合，而且耐压、耐振、耐冲击，因此在多种领域得到广泛的使用。柔性安装型铠装结构结构第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.4热电偶冷端处理及补偿概述热电偶输出的电动势是两结点温度差的函数。为使输出的电动势是被测温度的单一函数，一般将

T作为被测温度端，T0作为参比温度端（冷端）。热电偶的标准分度表是在其冷端处于0℃的条件下测得的电动势值，使用热电偶时，通常要求T0保持为0℃，但在实际中做到这一点很困难。在工业使用时，解决冷端补偿问题有多种方法，一般根据使用条件和测量准确度的要求来确定所使用的具体方法。第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.4热电偶冷端处理及补偿1.补偿导线法采用一种补偿导线，它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成。在0～100℃温度范围内，补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。需要：保持延伸电极与热电偶两个结点温度相等。工程方法第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.4热电偶冷端处理及补偿2.参考端0℃恒温法冰浴法：在实验室及精密测量中，通常把参考端放入装满冰水混合物的容器中，以便参考端温度保持0℃。冰浴法冰浴法接线原理1-接线盒2-补偿导线3-铜质导线4-毫伏表5-冰瓶6-冰水混合物（0℃）7-试管8-新的冷端9-被测流体管道10-热电偶第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.4热电偶冷端处理及补偿3.电位补偿法电位补偿法：用电桥温度变化时的不平衡电压（补偿电压）消除冷端温度变化对热电偶电动势的影响，这种装置称为冷端温度补偿器。冷端补偿器内有一个不平衡电桥，其输出端串联在热电偶回路中。桥臂电阻R1、R2、R3和限流电阻RP用锰铜电阻，其电阻值几乎不随温度变化。RCu为铜电阻，其电阻温度系数大，电阻值随温度升高而增大。使用中应使RCu与热电偶的冷端靠近，使其处于同一温度下。电桥由直流稳压电源供电。第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.4热电偶冷端处理及补偿3.电位补偿法设计时使在0℃下的阻值与其余三个桥臂R1、R2、R3完全相等，这时电桥处于平衡状态，电桥输出电压Uab=0，对热电动势没有影响。此时温度0℃称为电桥平衡温度。如果限流电阻RP选择适合，可使Uab在一定温度范围内增大的值恰恰等于热电动势所减小的值即Uab=∆E，就完全避免了的变化对测量的影响。当热电偶冷端温度随环境温度变化若T0＞0，热电动势将减小∆E。但这时RCu增大，使电桥不平衡，出现Uab＞0，而且其极性是a点为负，b点为正，这时的Uab与热电动势EAB(T,T0)同向串联，使输出值得到补偿。第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.4热电偶冷端处理及补偿3.电位补偿法冷端补偿器一般用4V直流供电，它可以在0～40℃或-20～20℃的范围内起补偿作用。只要T0的波动不超出此范围，电桥不平衡输出信号可以自动补偿冷端温度波动所引起的热电动势的变化。从而可以直接利用输出电压查热电偶分度表以确定被测温度的实际值。注意:不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其限流电阻不一样，互换时必须重新调整。大部分补偿电桥的平衡温度不是0℃，而是室温20℃。也可以利用PN结或集成温度传感器AD590作为冷端温度补偿

器件，实现热电偶的冷端温度补偿。第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.4热电偶冷端处理及补偿4.冷端温度修正法热电偶实际测温时，

由于冷端温度T0≠0℃，而是某一温度Tn，则热电偶工作于温度（T0，Tn）之间，实际测得的热电动势是EAB(T,Tn)。为了利用标准分度表由热电动势查相应热端温度值，必须知道热电偶相对于0℃时的热电动势EAB(T,Tn)。根据中间温度定律，有因此，只要知道冷端温度Tn，便可以查标准分度表得到EAB(T,Tn)，并将实测的热电动势EAB(T,Tn)修正到相对于0℃时的热电动势EAB(T,Tn)。第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.4热电偶冷端处理及补偿4.冷端温度修正法例8-2

镍铬-镍硅热电偶，工作时其冷端温度为t0=30℃，测得热电动势E(t,t0)=39.17mV，求被测介质E(30,0)实际温度？

解：由热电偶分度表查得

从表中查得最相邻的两个热电动势

因此，被测介质实际温度为第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.5热电偶测量电路典型电路因为热电偶输出电压极小，约几十微伏，通常需要采用低失调电压运算放大器作为转换输出。如上图所示，某K型热电偶的测量电路，主要由热电偶、高增益低失调运算放大器OP07、零点调节电阻器RP1，与增益调节电阻器RP2组成。

第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.5热电偶测量电路典型电路通过调节RP0和RP2使系统在0～600℃温度检测范围输出0~6V电压。查表可得K型热电偶在T0=0℃时产生的热电势为0mV，用电压表观测放大器输出端电压，调整零输出电位器RP0，使运放输出为零。T=600℃时，热电偶热电势应为24.902mV，调节反馈电阻RP2，当放大器增益为240.94时，可得到满量程输出6V,这一范围可以视为测温工作曲线。第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.6热电偶典型应用1.测量单点的温度图a）所示，为一个热电偶和一个仪表配用的基本测温电路。图b）所示，为带冷端温度补偿的测温电路。

图a）普通测温线路图b）带温度补偿器的测温线路第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.6热电偶典型应用2.测量平均温度并联特点：当有一只热电偶烧断时，难以察觉出来，但不会中断整个测温系统的工作。

并联测平均温度并联测平均温度第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.6热电偶典型应用2.测量平均温度串联测平均温度串联优点：热电动势大，仪表灵敏度增加，且避免了热电偶并联线路存在的缺点，可立即发现有断路情况。缺点:只要有一支热电偶断路，整个测温系统将停止工作

。

串联测平均温度第八章8.2热电偶式传感器1.1.1什么是传感器8.2.6热电偶典型应用3.单片热电偶冷端补偿电路有多种热电偶冷端温度补偿和信号调理的单片集成电路可选用。如AD594～AD597是美国ADI公司生产的4种热电偶冷端温度补偿和信号调理的单片集成芯片，其特点是把仪表放大器和热电偶冷端温度补偿器集成在一个芯片上。如左图，是用AD594的热电偶测量温度原理图，热电偶与AD594的-IN和+IN两引脚连接，AD594的U0输出到A1运算放大器，A1放大器的输出电压信号反映了被测温度的高低。

第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.1金属热电阻热电阻温度传感器热电阻温度传感器：利用物质的电阻率随温度变化的特性制成的电阻式测温元件。由纯金属热敏元件制作热电阻称为金属热电阻。由半导体材料制作热电阻称为半导体热敏电阻。定义第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.1金属热电阻概述定义：利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和温度有关的参数进行检测的装置。实践证明：大多数电阻在温度升高1℃时电阻值将增加0.4%~0.6%。测量精度高；有较大的测量范围，尤其在低温方面；易于使用在自动测量和远距离测量中。热电阻传感器之所以有较高的测量精度，主要是一些材料的电阻温度特性稳定，复现性好，没有参比端误差问题。

金属热电阻传感器主要优点常用于-200~500℃的温度测量，目前，低温方面已成功地应用于1~3K的温度测量中，高温方面也出现了多种用于1000~1300℃的金属热电阻传感器。

应用第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.1金属热电阻1.热电阻材料与工作原理高且稳定的温度系数和大的电阻率，以便提高灵敏度和保证测量精度。良好的输出特性，即电阻温度的变化接近于线性关系。在使用范围内，其化学、物理性能应保持稳定。良好的工艺性，以便于批量生产，降低成本。金属热电阻材料需满足以下要求纯金属是制造热电阻的主要材料：广泛应用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等。这些材料的电阻率与温度的关系一般都可近似用一个二次方程描述。第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.1金属热电阻1.热电阻材料与工作原理

式中，ρ

是电阻率；t

是温度；A、B、C

是实验确定的分度系数。对于绝大多数金属导体，A、B、C并不是一个常数，而是温度的函数。在一定的温度范围内，可以近似地视为一个常数。第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.1金属热电阻2.常用热电阻铂热电阻优点：物理化学性能极为稳定，并且有良好的工艺性，易于提纯，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔，是目前制造热电阻的最好才材料。缺点：电阻温度系数较小。优缺点按ICE标准，铂的使用温度范围为-200~650℃。主要作为标准电阻温度计广泛应用于温度基准、标准的传递以及高精度的工业测量。其长时间稳定的复现可达10-4K，是目前测温复现性最好的一种温度计。应用直插式螺纹式铠装式第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.1金属热电阻2.常用热电阻1-芯柱

2-电阻丝

3-保护膜

4-引线端

5-电阻体

6-磁绝缘套管7-不锈钢套管

8-安装固定件

9-接线盒

10-引线口绕制：由直径为0.02~0.07mm的铂丝，绕在片形云母骨架上且采用无感绕法，如图a）所示。组装：装入玻璃或陶瓷管内，铂丝的引线采用银线，银线用瓷绝缘套管绝缘，如图b）所示。目前，亦有采用丝网印制方法来制作铂膜电阻，或采用真空镀膜方法制作铂膜电阻。铂热电阻的制备第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.1金属热电阻2.常用热电阻铂电阻的精度与铂的提纯程度有关，铂的纯度通常用电阻比表示，即式中:R100是100℃时的电阻值,R0是0℃时的电阻值。W(100)越高，表示铂丝纯度越高，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，比值W(100)不

得小于1.3925。目前技术水平已达到W(100)=1.3930，与之相应的铂纯度为99.9995%，工业用铂电阻的纯度W(100)为1.387～1.390。第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.1金属热电阻2.常用热电阻铂电阻阻值与温度变化之间的关系可近似用下式表示式中:R0和Rt分别是0℃和t℃时的电阻值。对于常用的工业铂电阻，

、

、在-200~0℃范围内在0~850℃范围内第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.1金属热电阻2.常用热电阻铜热电阻由于铂为贵金属，在测量精度要求不高的场合下，均采用铜电阻。铜热电阻仅用来制造-50~180℃范围内的工业用电阻温度计。在上述使用温度范围内，其电阻与温度的关系是线性的。电阻温度系数比铂高，但它的电阻率低。在温度不高、测温元件尺寸没有特殊限制时，可以使用铜电阻温度计。内芯式中，ɑ为铜的温度系数，工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取500Ω和100Ω两种分度号分别为Cu50和Cu100，相应的分度表请查阅JB/T8623-2015。第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.1金属热电阻3.热电阻测量电路热电阻进行温度测量时是安装在工业现场，而检测仪表是安装在控制室，热电阻和控制室之间需用引线相连。引线本身具有一定的阻值，并与热电阻串联，且引线电阻阻值是随环境温度而变，所以造成测量误差，必须采取相应的测量电路来改善测量精度，常采用三线制和四线制连接法。工业现场控制室引线第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.1金属热电阻3.热电阻测量电路原理：利用电桥的特性来提高测量精度。如图所示，热电阻的一端与一根引线相连并连接至电源，另一端同时连接二根引线并分别接到电桥两个相邻臂。图中Rt为热电阻，r1、r2、r3为引线电阻，选用的三根引线完全相同，所以r1=r2=r3。

三线制电桥平衡时，有

整理得第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.1金属热电阻3.热电阻测量电路由上式可以看出，只要满足R1=R2，则引线电阻在测量中所带来的影响得以消除。

第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.1金属热电阻3.热电阻测量电路精密测量时应采用四线制。四线制：热电阻的两端各用两根引线连接到测量仪表上，如图所示。工作原理：在热电阻中通入恒定电流I，用输入阻抗大的电压表V测量热电阻两端的电压，由此计算出的电阻值将不包括引线电阻，只有热电阻阻值的变化被测量出来。热电阻的阻值可由测得的电压和恒流源的电流求出，即

四线制第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.2半导体热敏电阻1.热敏电阻的结构形式热敏电阻：由一些金属氧化物，如钴、锰、镍等的氧化物，采用不同比例的配方，经高温烧结而成。封装形式：采用不同的封装形式制成球状、片状、杆状、垫圈状等各种形状，其结构形式及电路符号如图所示

。

第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.2半导体热敏电阻2.半导体热敏电阻特性半导体热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。具备如下特点：电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10~100倍。结构简单，体积小，可以测量点温度。电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。阻值与温度变化呈非线性关系。稳定性和互换性较差

。第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.2半导体热敏电阻2.半导体热敏电阻特性根据热敏电阻随温度变化的特性不同，热敏电阻基本可分为：

正温度系数（PositiveTemperatureCoefficient，PTC）

负温度系数（NegativeTemperatureCoefficient，NTC）

临界温度系数（CriticalTemperatureResistor，CTR）热敏电阻的特性曲线大多数热敏电阻具有负温度系数，其阻值和温度的关系可表示为式中，RT、R0分别是温度为T和T0时的电阻值；B是热敏电阻的材料常数，它与半导体物理性能有关，一般情况下，B=2000~4000K。第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.2半导体热敏电阻2.半导体热敏电阻特性主要采用BaTiO3系列材料加入少量氧化钇Y2O3和氧化锰Mn2O3烧结而成。当温度超过某一数值时，其电阻值随温度升高而迅速增大。其主要用途是各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，也可作为限流元件使用。正温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.2半导体热敏电阻2.半导体热敏电阻特性右图为负温度系数（NTC）热敏电阻在把不同B值时的电阻-温度特性。温度越高，阻值越小，且有明显的非线性。特别适合测量-100~300℃之间的温度。在点温、表面温度、温差、温场等测量中得到日益广泛的应用。也广泛应用于自动控制及电子线路温度补偿线路中。热敏电阻温度特性曲线负温度系数热敏电阻第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.3典型应用1.金属热电阻传感器图示为采用EL-700（100，Pt100）铂电阻的高精度温度测量电路。测温范围为20~120℃，对应的输出为0~2V。输出电压可直接输入单片机作显示和控制信号。铂电阻测温电路第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.3典型应用1.金属热电阻传感器EL-700是一种新型的厚膜铂电阻，是一种高精度温度传感器。铂电阻采用三线制接入测量电桥中，以便减少连接线引起的测量误差。A1进行信号放大，放大后的信号经R、C组成的低通滤波器滤去无用杂波，再经A2放大。测量前的电路调节采用标准电阻箱来代替传感器，在20℃，调节RP1使输出U0=0V；在120℃时，调节RP2使输出U0=2V。铂电阻测温电路第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.3典型应用2.半导体热敏电阻传感器由于热敏电阻具有许多优点，所以热敏电阻传感器的应用范围很广。可在宇宙飞船、医学、工业及家用电器等方面用作测温、控温、温度补偿、流速测量、液面指示等。热敏电阻点温计的结构原理温度测量热敏电阻点温计的结构原理如图所示。使用时先将切换开关S旋到1处，接通校正电路，调节R5，使显示仪表的指针转至测量上限，用以消除由于电源变化而产生的误差。当热敏电阻感温元件插入被测介质后，再将切换开关旋到2处，接通测量电路，这时显示仪表的示值即为被测介质的温度值。第八章8.3热电阻和热敏电阻1.1.1什么是传感器8.3.3典型应用2.半导体热敏电阻传感器右图所示是一种简易的温度控制器，由VR设定动作温度。其工作原理如下：

当要控制的温度比实际温度高时，VT1的be间电压大于导通电压，VT1导通，相继VT2也导通，继电器吸合，电热丝加热。

当实际温度达到要求控制的温度时，由于Rt（NTC型）的阻值降低，使VT1的be间电压过低（<0.6V），VT1截止，相继VT2截止，继电器断开，电热丝断电而停止加热，以此控制温度。简易的温度控制器温度控制第八章8.4PN结型温度传感器1.1.1什么是传感器8.4.1二极管与晶体管温度传感器1.二极管温度传感器原理二极管PN结的伏安特性可以表示为

式中，I是PN结正向电流；U是PN结正向压降；IS是PN结反向饱和电流；q是电子电荷量（1.59×10-19C）；k是波尔兹曼常数（1.38×10-23J/K）；T是绝对温度。

当

时，上式可写为

或

只要通过PN结的正向电流恒定，则PN结的正向压降与温度的线性关系只受反向饱和电流IS的影响。IS是温度的缓变函数，只要选择合适的掺杂浓度，就可以认为在一定的温度范围内，IS近似为常数，因此，正向压降与温度成线性关系，即

常数。第八章8.4PN结型温度传感器1.1.1什么是传感器8.4.1二极管与晶体管温度传感器2.晶体管温度传感器原理二极管温度传感器的非线性误差很大，而晶体管温度传感器的线性度比二极管好很多。把NPN晶体管的be结短接，利用be结作为感温器件，这和二极管正向压降情况相同，其基-射极电压直接随温度变化，如右图所示。晶体管温度传感器第八章8.4PN结型温度传感器1.1.1什么是传感器8.4.2集成温度传感器工作原理1.集成温度传感器分类随着半导体技术的发展，各种集成温度传感器件越来越多地应用于各种温度计量、温度控制领域。按照输出信号的形式，集成温度传感器可分为电流、电压和数字三类:

电流输出型:具有输出阻抗高的特点，因此可以配合双绞线进行数百米远的精密温度遥感与遥测，而不必考虑长馈线引起的信号损失和噪声问题；也可用在多点温度测量系统中，而不必考虑选择开关或多路转换器引入的接触电阻造成的误差；

电压输出型的优点是直接输出电压且输出阻抗低，易于读出或控制电路接口；

数字输出型的优点是抗干扰能力强，可直接与单片机或DSP测试系统接口。第八章8.4PN结型温度传感器1.1.1什么是传感器8.4.2集成温度传感器工作原理2.集成温度传感器特点灵敏度高，电压型集成温度传感器通常为10mV/℃。而热电偶则为微伏级，灵敏度较低。线性较好，集成温度传感器具有较好的线性，一般不必再进行非线性补偿。重复性好，通常集成温度传感器的重复性好于热电偶和热电阻。温度范围较窄，通常为-50～150℃之间，而热电偶范围为-200～1600℃，热电阻范围为-200～500℃。准确度较低，一般来说，低于热电阻和贵金属热电偶，与廉价金属热电偶相当或略低。集成温度传感器同热电偶、热电阻等传统传感器相比，其主要特点有：第八章8.4PN结型温度传感器1.1.1什么是传感器8.4.2集成温度传感器工作原理3.集成温度传感器原理一只晶体管的发射极电流密度Je可表示为

式中，Ube是基、射极的电位差；Js是发射极反向饱和的电流密度；a是共基极接法的短路电流增益。通常，a≈1，Je＞Js，将上式化简，取对数后得

式中，k是玻尔兹曼常数；q是电子电荷量；T是绝对温度；γ是和发射极面积比因子（由设计和制造决定，为一常数）。集成温度传感器基本工作原理第八章8.4PN结型温度传感器1.1.1什么是传感器8.4.2集成温度传感器工作原理3.集成温度传感器原理如果图中两晶体管满足下列条件：a1=a2，JS1=JS2，Je1/Je2=γ为常数，则两晶体管基、射极电位差Ube之差∆Ube，即R两端之压降为

由上式可知，∆Ube正比于绝对温度T，只要γ保证恒定，就可以使结电压∆Ube与绝对温度T为单值函数，因此称为绝对温度比例电路（ProportionalToAbsoluteTemperture，PTAT）。该电路的核心是使VT1和VT2两只晶体管的集电极电流密度之比不随温度变化。集成温度传感器基本工作原理第八章8.4PN结型温度传感器1.1.1什么是传感器8.4.3测量电路1.电压型集成温度传感器电压型集成温度传感器:输出电压正比于绝对温度的温度传感器感温部分原理:如图所示，当电流I1恒定，调整R1的值，使I1=I2，当晶体管的β≥1时（发射极结面积比为1:β），电路的输出电压可表示

取R1=940Ω,R2=30kΩ,γ=37,则温度传感器输出的电压灵敏度为电压输出型集成温度传感器基本电路原理图第八章8.4PN结型温度传感器1.1.1什么是传感器8.4.3测量电路1.电压型集成温度传感器电压型集成温度传感器是将温度敏感部分与缓冲放大器集成在同一芯片上，制成一四端器件。因器件有放大器，故输出电压高，其灵敏度为10mV/K。由于其具有输出阻抗低的特性，故不适合长线传输。但其抗干扰能力强，特别适合于工业现场测量。常用的有LM34/35、LM135/235、TMP35/36和AN6701S等型号。第八章8.4PN结型温度传感器1.1.1什么是传感器8.4.3测量电路2.电流输出型集成温度传感器电流输出型集成温度传感器:恒流器件，输出电流正比于绝对温度感温部分的电路基本原理:如图所示,VT1和VT2是结构相同作为恒流源负载的晶体管，VT3和VT4是测温用晶体管，其中VT3的发射极面积是VT4的8倍，即γ=8。当晶体管的β≥1时，流过电路的总电流可由下式表示在上式中，当R和γ为定值时，并具有零温度系数，则电路输出的总电流与绝对温度成线性关系。电流输出型集成温度传感器感温部分原理图第八章8.4PN结型温度传感器1.1.1什么是传感器8.4.3测量电路2.电流