《传感器与自动检测技术（3版）》课件-第3章温度传感器

第3章温度传感器主讲：3.1温标及温度的测量方法3.2膨胀式温度计3.3电阻式温度传感器3.4热电偶温度传感器3.5集成温度传感器3.6辐射式温度传感器主要内容9/15/202623.1温标及温度的测量方法

3.2膨胀式温度计9/15/20263

掌握温度的概念熟悉温标的概念，常用温标的种类掌握温度的测量方法及特点熟悉膨胀式温度计的种类掌握各种膨胀式温度计的工作原理了解膨胀式温度计测温范围学习目的9/15/202643.1温标及温度的测量方法温度——表征物体冷热程度的物理量，是物体内部分子无规则剧烈运动程度的标志,分子运动越剧烈，温度就越高。9/15/202653.1.1温标用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。9/15/202663.1.1温标热力学温标（K）摄氏温标(℃）华氏温标（℉）温标9/15/20267在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间划分180等分，每等分为华氏1度，符号为F。在标准大气压下，冰的熔点为0度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每等分为摄氏1度，符号为t。规定分子运动停止时的温度为绝对零度(0K),符号为T。热力学温标的零点—绝对零度，是宇宙低温的极限，宇宙间一切物体的温度可以无限地接近绝对零度但不能达到绝对零度（如宇宙空间的温度为0.2K）。3.1.1温标三种温标的换算关系为9/15/202683.1.2温度的测量方法温度不能直接测量，需要借助于某种物体的物理参数随温度冷热不同而明显变化的特性进行间接测量。温度传感器就是通过测量某些物理量参数随温度的变化而间接测量温度的。温度传感器是由温度敏感元件（感温元件）和转换电路组成的，如图3-1所示。图3-1温度传感器的组成框图温度感温元件转换电路温度显示9/15/20269温度的测量方法接触式——感温元件与被测对象接触，彼此进行热量交换，使感温元件与被测对象处于同一环境温度下，感温元件感受到的冷热变化即是被测对象的温度。常用的接触式测温的温度传感器主要有热膨胀式温度传感器、热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体温度传感器等。非接触式——利用物体表面的热辐射强度与温度的关系来测量温度的。通过测量一定距离处被测物体发出的热辐射强度来确定被测物的温度。常见的非接触式测温传感器有：辐射高温计、光学高温计、比色高温计、热红外辐射温度传感器等。9/15/202610接触测量9/15/202611非接触测量红外线测温仪红外线测温9/15/2026123.2膨胀式温度计工作原理——利用物体受热体积膨胀的原理而制成的，多用于现场测量及显示。分类——按选用的物质不同，可分为液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计、气体膨胀式温度计3种类型。测温范围——膨胀式温度计可以测量-200～700℃范围的温度。在机械热处理测温中，常用于测量碱槽、油槽、法兰槽、淬火槽及低温干燥箱的温度，也广泛用于测量设备、管道和容器的温度。特点——这种温度计结构简单，制造和使用方便，价格低，但外壳薄脆、易损坏，大部分不适于远距离测温，必须接触测量。9/15/2026133.2.1玻璃液体温度计将酒精、水银、煤油等液体充入到透明有刻度的玻璃吸管中，两端密封，就制成玻璃液体温度计。它是利用玻璃感温泡内的液体受热体积膨胀与玻璃体积膨胀之差来测量温度的。9/15/2026143.2.1玻璃液体温度计酒精温度计——量度范围约为-114℃～78℃。

水银温度计——大多用于液体、气体及粉状固体温度

的测量，测温范围为-30℃～+300℃。

玻璃液体温度计煤油温度计——量度范围约为-30℃～150℃。

平常看到装有红色工作物质的温度计，温度计的刻度在100℃以下，一般都是煤油温度计，而不是酒精温度计。9/15/2026153.2.2固体膨胀式温度计工作原理——利用膨胀系数不同的两种金属材料牢固地粘贴在一起制成的。典型的固体膨胀式温度计是双金属温度传感器，如图3-3所示。图3-3双金属片工作原理图3-4双金属温度计9/15/2026163.2.2固体膨胀式温度计双金属温度计测温范围为-100℃～+600℃，探头长度可以达到1米长,可用于测量液体、蒸汽及气体介质温度。特点：现场显示温度，直观方便，抗震性能好，结构简单，牢固可靠，使用寿命长，但精度不高。9/15/202617图3-5带表头的双金属温度计的结构可以做成轴向型、径向型、135º型及万向型。连接方式有：可动外螺纹、可动内螺纹、固定螺纹、固定法兰、卡套螺纹、卡套法兰、无固定安装等连接。双金属温度计的结构9/15/202618双金属温度计的结构

图(3-5b）其他双金属系列工业恒温器高温双金属手动复位双金属双金属基本系列9/15/202619图3-6双金属温度传感器用于控制温度示意图双金属温度传感器常用于恒温箱、加热炉、电饭锅（电饭煲）电熨斗等温度控制9/15/202620温度到达103±2℃时220v内锅加热盘磁钢盒微动开关磁钢杠杆煮饭按钮图中的感温磁钢是用感温磁性材料制成的温控元件，它的磁导率随本身温度的变化而呈非线形变化。在锅内温度小于100℃时，感温磁钢具有磁性，而与永久磁铁吸合，电流通过加热器加热。当锅内温度超过感温磁钢的居里点(103±2℃)时，感温磁钢失去磁性，结果因永磁体的重力及弹簧的作用力下，导致开关触点分离，电路断开，加热器停止加热，起到自动限温作用。但它在断电后不能自动复位。温度小于100℃时图3-7双金属控制电饭锅温度

随着饭温的下降，当低于65℃时，双金属恒温器的常闭触点自动复位闭合，于是加热器又通电工作，锅内的饭又开始升温；但当高于65℃时，该触点又断开。如此循环，就使锅内的米饭温度始终保持在65℃上下。9/15/2026223.2.3气体膨胀式温度计图3-8气体膨胀式温度计气体膨胀式温度计是基于密封在容器中的气体和液体受热后体积膨胀，压力随温度变化而变化的原理测温的，所以该温度计又称为压力式温度计。当温包受热后，其内部的工作介质温度升高，体积膨胀，压力增大，此压力经毛细管传到弹簧管内，使弹簧管产生变形，并由传动机构带动指针偏转，指示相应的温度值。9/15/202623气体膨胀式温度计根据填充物的不同（氮气、氯甲烷、水银），可分为气体压力式温度计、蒸汽压力式温度计和液体压力式温度计。测温范围为-100℃～+700℃。主要用于远距离设备的气体、液体、蒸汽的温度测量，也能用于温度控制和有爆炸危险场所的温度测量。9/15/202624体积热膨胀式温度传感器不需要电源，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9/15/2026253.3电阻式温度传感器9/15/202626

掌握电阻式温度传感器工作原理熟悉电阻式温度传感器的种类掌握铂、铜金属热电阻传感器的电阻温度特性熟悉热电阻传感器的测量电路掌握半导体热敏电阻的分类及应用学习要点9/15/202627电阻式温度传感器是利用导体或半导体材料的电阻值随温度变化而变化的原理来测量温度的，即材料的电阻率随温度的变化而变化，这种现象称为热电阻效应。当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变（当温度变化范围不是很大时），但每个自由电子的动能将增加，因而在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，导致金属电阻值随温度的升高而增加。3.3电阻式温度传感器9/15/202628由金属导体铂、铜、镍等制成的测温元件称为金属热电阻传感器，简称热电阻传感器由半导体材料制成的测温元件称为热敏电阻分类9/15/2026293.3.1金属热电阻传感器工作原理——利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理进行测温的。图3-9金属热电阻传感器测量示意图主要材料——铂和铜。测温范围——

-220

850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K（-272℃），高温可测量至1000℃。9/15/2026301.

铂热电阻的电阻-温度特性铂电阻的特点是测温精度高，稳定性好，所以在温度传感器中得到了广泛应用。铂电阻的测量范围为-200～850℃。在-200～0℃的温度范围内为：Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]在

0～850℃的温度范围内为：

Rt=R0(1+At+Bt2)

式中Rt和R0分别为t℃和0℃时的铂电阻值；A、B、和C为常数，其数值为

A=3.9684*10-3/℃B=-5.847*10-7/℃C=-4.22*10-12/℃9/15/2026311.

铂热电阻的电阻-温度特性分度号分别为Pt10、Pt50、Pt100，其中Pt100最常用。铂热电阻不同分度号对应有相应分度表，即Rt-t的关系。9/15/2026320℃时的铂电阻值温度(℃)电阻值(Ω)温度(℃)电阻值(Ω)温度(℃)电阻值(Ω)温度(℃)电阻值(Ω)温度(℃)电阻值(Ω)-20018.5210103.90220183.19430257.38640326.48-19022.8320107.79230186.84440260.78650329.64-18027.1030111.67240190.47450264.18660332.79-17031.3440115.54250194.10460267.56670335.93-16035.5450119.40260197.71470270.93680339.06-15039.7260123.24270201.31480274.29690342.18-14043.8870127.08280204.90490277.64700345.28-13048.0080130.90290208.48500280.98710348.38-12052.1190134.71300212.05510284.30720351.46-11056.19100138.51310215.61520287.62730354.53-10060.26110142.29320219.15530290.92740357.59-9064.30120146.07330222.68540294.21750360.64-8068.33130149.83340226.21550297.49760363.67-7072.33140153.58350229.72560300.75770366.70-6076.33150157.33360233.21570304.01780369.71－5080.31160161.05370236.70580307.25790372.71－4084.27170164.77380240.18590310.49800375.70－3088.22180168.48390243.64600313.71810378.68－2092.16190172.17400247.09610316.92820381.65－1096.09200175.86410250.53620320.12830384.600100.00210179.53420253.96630323.30840387.559/15/202633

铂热电阻分度表分度号Pt100R0（0℃）=100Ω2.铜热电阻的电阻-温度特性由于铂是贵金属，在测量精度要求不高，温度范围在-50

150℃时普遍采用铜电阻。铜电阻与温度间的关系为：由于，所以可以简化为：铜电阻的R0常取100Ω、50Ω两种，分度号为Cu100、Cu50。9/15/202634t℃时铜电阻值0℃时铜电阻值常数9/15/202635温度(℃)Cu50电阻值(Ω)Cu100电阻值(Ω)－5039.2478.49－4041.4082.80－3043.5587.10－2045.7091.40－1047.8595.70050.00100.001052.14104.282054.28108.563056.42112.844058.56117.125060.70121.406062.84125.687064.98129.968067.12134.249069.26138.5210071.40142.8011073.54147.0812075.68151.3613077.83155.6614079.98159.9615082.13164.27铜热电阻分度表铜热电阻的特点铜易于提纯，价格低廉，电阻--温度特性线性较好。但电阻率仅为铂的几分之一。因此，铜电阻所用阻丝细而且长，机械强度较差,热惯性较大，在温度高于100℃以上或腐蚀性介质中使用时，易氧化，稳定性较差。因此，只能用于低温及无腐蚀性的介质中。9/15/2026363.热电阻传感器的结构由于铜电阻测量的温度低，一般多用双绕法，即先将铜丝对折，两根丝平行绕制，两个端头处于支架的同一端，这样工作电流从一根热电阻丝进入，从另一根丝反向出来，形成两个电流方向相反的线圈，其磁场方向相反，产生的电感就互相抵消，故又称无感绕法。这种双绕法也有利于引线的引出。电阻体由电阻丝和电阻支架组成。由于铂的电阻率大，而且相对机械强度较大，通常铂丝直径在0.03～(0.07mm±0.005)mm之间，可单层绕制，电阻体可做得很小。9/15/202637图3-10热电阻传感器外形结构图3-11热电阻的绕制

Pt100/Pt1000普通铂电阻传感器

活动卡套探杆式热电阻温度传感器端面热电阻元件9/15/202638由特殊处理的丝材绕制，能更正确和迅速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦或其他机件的端面温度。

点钞机用高精度微型铂电阻传感器

食品用探针型高温铂电阻传感器

冰箱冰柜用低温型铂电阻温度传感器中央空调机组供热/制冷管道测温和控制，冰箱冰柜、轴瓦、缸体，油管，水管，汽管，纺机，平面设备，空调，热水器，体温计等狭小空间工业设备测温和控制，中央空调分户热能计量和工业领域测温控制，大气环境监测、工业过程控制、测量仪表等。适合土壤探测、医疗实验、物料仓储、食品加工、冷库冷藏等需要深入刺进物体、食品、水果包装内部测量温度的现场和环境9/15/202639

a)铂电阻元件-陶瓷型b)铂电阻元件-薄膜型c)薄膜型温度探测器（不干胶板）d)带柔性引线的铂电阻温度探测器图3-10常见铂热电阻传感器元件及外形结构9/15/202640

图3-10常见铂热电阻传感器元件及外形结构e)铠装铂电阻电阻温度探测器f)外用/冷藏温度传感器器9/15/2026414.热电阻传感器的测量电路热电阻传感器外接引线如果较长时，引线电阻的变化使测量结果有较大误差，为减小误差，可采用三线制电桥连接法测量电路或四线恒流源测量电路。9/15/202642图3-13三线制电桥测量电路图3-14四线制恒流源测量电路4.热电阻传感器的测量电路9/15/202643图3-13三线制电桥测量电路导线引起测量误差导线引起的测量误差相互抵消图3-12两线制测量4.热电阻传感器的测量电路9/15/202644图3-14四线制恒流源测量电路四线制测量用两条附加测试线提供恒定电流，另两条测试线测量未知电阻的电压降，在电压表输入阻抗足够高的条件下，电流几乎不流过电压表，这样就可以精确测量未知电阻上的压降，计算得出电阻值。图3-15热电阻引线方式无论三线制或四线制测量电路，都必须从热电阻感温体的根部引出导线，不能从热电阻的接线端子上分出，如图3-15所示。否则同样会存在引线误差！9/15/2026453.3.2半导体热敏电阻半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件，热敏电阻是利用某些金属氧化物或单晶锗、硅等材料，按特定工艺制成的感温元件。

热敏电阻分类正温度系数（PTC）热敏电阻;负温度系数（NTC）热敏电阻;临界温度电阻器（CTR）(在某一特定温度下电阻值会发生突变)图3-16各种热敏电阻的特性曲线1—突变型NTC2—负温度NTC3—线形型PTC4—突变型PTC温度的测量温控开关电路

热敏电阻在电路中的符号：9/15/202646热敏电阻结构MF12型NTC热敏电阻

聚酯塑料封装热敏电阻9/15/202647

玻璃封装NTC热敏电阻MF58型热敏电阻热敏电阻结构9/15/202648热敏电阻结构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9/15/202649其他形式的热敏电阻MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻MF5A-3型热敏电阻非标热敏电阻9/15/2026504.热敏电阻的应用如图3-18为热敏电阻测量温度的电路图。没有外保护层的热敏电阻只能用于干燥的环境中，在潮湿、腐蚀性等恶劣环境下只能用密封的热敏电阻。测量时先对仪表进行标定。将绝缘的热敏电阻放入32℃（表头的零位）的温水中，待热量平衡后，调节RP1，使指针在32℃上，再加热水，用更高一级的温度计监测水温，使其上升到45℃。待热量平衡后，调节RP2，使指针指在45℃上。再加入冷水，逐渐降温，反复检查32～45℃范围内刻度的准确性。图3-18热敏电阻体温表原理图案例1：热敏电阻测温9/15/202651开机检测关机检测基准电压图3-19负温度系数热敏电阻在电冰箱温度控制中的应用案例2：电冰箱温度控制t升高Rt减小Ui2升高U7＞U8输出高电平输出低电平U4＞U5输出高电平导通导通吸合工作9/15/202652图3-19负温度系数热敏电阻在电冰箱温度控制中的应用案例2：电冰箱温度控制t下降Rt增大Ui2减小U8＞U7输出低电平输出高电平U5＞U4输出低电平截止截止断开停止工作9/15/202653案例3：热敏电阻用于液位报警图3-20所示为具有音乐报警的液位报警器，适用于电池电压为6V的摩托车。图3-20带音乐报警的液位报警器电路9/15/202654KD930O型音乐信号集成块A为TWH8778型功率放大集成块，在本电路中用作脉冲放大器Rt1和Rt2

构成旁热式PTC热敏电阻液位传感器当传感器处于汽油中时，G之②的触发电压低于2V，电路截止，扬声器HA不发声当传感器露出液面后，Rt2的阻值剧增，G触发导通输出音乐信号，并经A放大后推动HA发出足够的音乐报警声，为驾驶员提供加油信息案例4：其他温度测量与控制热敏电阻体温表热敏电阻温度面板表ZHL338型数字温度计LED显示热敏电阻9/15/202655案例4：其他温度测量与控制热敏电阻用于CPU温度的测量热敏电阻用于电热水器温度的控制9/15/2026563.4热电偶温度传感器主讲：掌握热电偶温度传感器的工作原理掌握热电势的组成掌握热电偶的基本定律及意义了解常用热电偶材料及分度号了解热电偶冷端温度补偿的原因掌握热电偶冷端温度补偿方法掌握热电偶常见测温电路了解热电偶温度传感器的应用学习要点9/15/202658概述热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。其结构简单、使用方便、测温点小、准确度高、热惯性小、响应速度快、便于维修、复现性好；测温范围广，一般为-270℃～+2800℃；直接输出电信号，不需要转换元器件。适于远距离测量、自动记录、集中控制，在温度测量中占有很重要的地位。缺点是存在冷端温度补偿问题。9/15/2026593.4.1热电偶温度传感器的工作原理1.热电效应两种不同材料的导体A和B组成一个闭合电路时，若两接点温度不同，则在该电路中会产生电动势，这种现象称为热电效应。该电动势称为热电动势。图3-21热电偶测温原理图9/15/202660热电偶热电极热端（测量端）冷端（参考端）

热端温度高于冷端温度时，回路中产生的热电势大于零冷热两端温度相等时，回路中产生热电势等于零热端温度低于冷端温度时，回路中产生的热电势小于零热端

冷端热电偶工作原理演示9/15/2026612.热电动势的组成两种导体的接触电势单一导体的温差电势组成热电势的组成9/15/202662（1）两种导体的接触电势图3-22两种导体的接触电势接触电势是由于两种不同导体的自由电子浓度不同

而在接触面形成的电势。假设两种金属A、B的自由电子浓度分别为NA和NB，

且NA＞NB。当两种金属相接时，将产生自由电子的

扩散现象。在同一瞬间，由A扩散到B中去的电子比

由B扩散到A中去的多，从而使金属A失去电子带正

电；金属B得到电子带负电，在接触面形成电场。

此电场阻止电子进一步扩散，当达到动态平衡时，

在接触面的两侧就形成了稳定的电位差，即接触电

势eAB(t)。接触电动势的数值取决于两种导体的性质和接触点

的温度，而与导体的形状及尺寸无关。9/15/202663————++++（2）单一导体的温差电势图3-23单一导体的温差电势对于单一导体，如果两端温度分别为t、t0，如图3-23所示，则导体中的自由电子，在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散；高温端因失去电子带正电，低温端获得电子带负电，即在导体两端产生了电动势，这个电势称为单一导体的温差电势。9/15/202664—+总热电动势表达式则总的热电动势就只与热端温度t

成单值函数关系，即：温差电势很小，可忽略不计总热电势表达式to

恒定eAB（to）=C热端接触电势A导体的温差电势B导体的温差电势冷端接触电势9/15/202665实际应用中，热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度表来确定的分度表是参考端（t0

）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。9/15/2026669/15/2026673.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，只要该导体两端的温度相等，则对热电偶回路总的热电动势无影响。同样加入第四、第五种导体后，只要其两端温度相同，同样不影响电路中的总热电动势。EABC（t,to）=EAB（t，to）图3-25中间导体定律第三种导体9/15/202668证明中间导体定律

当t=t0时所以9/15/202669中间导体定律的意义根据这个定律，我们可采取任何方式焊接导线，可以将热电动势通过导线接至测量仪表进行测量,且不影响测量精度。可采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量，只要保证两热电极插入地方的温度相同即可。图3-26连接仪表的热电偶测量回路图3-27开路热电偶测温9/15/202670（2）中间温度定律在热电偶测量电路中，测量端温度为t，自由端为t0，中间温度为t′，则（t，t0）的热电势等于（t，t′）与（t′，t0）热电势代数和。即：图3-28中间温度定律两式相加得：证明：9/15/202671中间温度定律的意义利用该定律，可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。热电势只取决于冷、热接点的温度，而与热电极上的温度分布无关。9/15/202672（3）参考电极定律如图3-29所示，已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在接点温度为（t，t0）时的热电动势分别为EAC（t，t0），EBC（t，t0），则在相同温度下，由A，B两种热电极配对后的热电动势EAB（t，t0），可按下面公式计算为：

图3-29参考电极定律9/15/202673参考电极定律举例例1:已知铂铑30—铂热电偶的E（1084.5℃，0℃）=13.937mV，铂铑6—铂热电偶的

E（1084.5℃，0℃）=8.354mV，求：铂铑30—铂铑6热电偶在同样温度条件下的热电动势。解:设A为铂铑30电极，B为铂铑6电极，C为纯铂电极EAB（1084.5℃，0℃）=EAC（1084.5℃，0℃）-EBC（1084.5℃，0℃）=5.583mV9/15/202674参考电极定律的意义参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作，只要获得有关电极与参考电极配对的热电势，那么任何两种电极配对后的热电势均可利用该定理计算，而不需要逐个进行测定。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为标准电极。9/15/202675热电偶的性质当两热电极材料相同时，不论接点温度相同与否，回路总热电势均为零。当热电偶两个接点温度相同时，不论电极材料相同与否，回路总热电势均为零。只有当电极材料不同，两接点温度不同时，热电偶回路才有热电势。当电极材料选定后，两接点的温差越大，热电势也就越大。起主要作用的是两个接点的接触电势。9/15/2026763.4.2热电极的材料及常用热电偶根据热电偶的测量原理，理论上任何两种不同材料的导体都可以作为热电极组成热电偶，但实际应用中，但为了准确可靠地进行温度测量，必须对热电偶组成材料严格选择。组成热电偶材料要满足以下条件：1）在测量温度范围内，热电性能稳定，不随时间和被测介质变化，物理化学性能稳定，能耐高温，在高温下不易氧化或腐蚀等。2）导电率要高，电阻温度系数小。3）热电势随温度的变化率要大，并希望该变化率最好是常数。4）组成热电偶的两电极材料应具有相近的熔点和特性稳定的温度范围。5）材料的机械强度高，来源充足，复制性好，复制工艺简单，价格便宜。9/15/2026773.4.2热电极的材料及常用热电偶目前工业上常用的4种标准化的热电偶材料为：铂铑30—铂铑6（分度号为B型），测温范围0～1800℃；铂铑10—铂（分度号为S型），测温范围0～1600℃；镍铬—镍硅（分度号为K型），测温范围-200～1300℃；镍铬—铜镍（分度号为E型），测温范围-200～900℃。组成热电偶的两种材料写在前面的为正极，后面为负极。查热电偶分度表时，一定要对应相应的材料。9/15/2026783.4.3热电偶传感器的结构根据安装连接形式可分为:固定螺纹连接，固定法兰连接，活动法兰连接，无固定装置等形式图3-30普通热电偶9/15/202679图3-31铠装热电偶也称缆式热电偶，它是将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘物熔铸在一起，外套不锈钢管等。热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用9/15/2026803.4.3热电偶传感器的结构铠装热电偶外形薄壁金属保护套管（铠体）9/15/202681铠装型热电偶可长达上百米薄膜热电偶图3-32薄膜热电偶用真空镀膜技术等方法，将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶薄膜热电偶：测量范围为-200～500℃，热电极材料多采用铜—康铜、镍铬—铜、镍铬—镍硅等，用云母作绝缘基片，主要适用于各种表面温度的测量。当测量范围为500～1800℃时，热电极材料多用镍铬—镍硅、铂铑—铂等，用陶瓷做基片。9/15/202682另外，根据热电偶的测温原理，热电偶回路的热电势只与冷端和热端的温度有关:3.4.4热电偶冷端温度补偿由于热电偶的分度表是在冷端温度为0℃时测得的，如果冷端温度不为零，测得的热电势就不能直接去查相应的分度表。当冷端温度保持不变时，热电势才与测量端温度成单值对应关系。但在实际测量时，冷端温度常随环境温度变化而变化，t0不能保持恒定，因而会产生测量误差。为了消除或补偿冷端温度的影响，常常要进行冷端温度补偿。9/15/2026831.0℃冷端恒温法（冰浴法）将热电偶的冷端置于0℃的恒温器内，保持t0=0℃。此时测得的热电势可以准确的反映热端温度变化的大小，直接查对应的热电偶分度表即可得知热端温度的大小。

在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间的保持在0℃不变9/15/2026849/15/202685冰浴法接线图被测流体管道热电偶接线盒补偿导线铜导线毫伏表冰瓶冰水混合物试管新的冷端9/15/2026862.冷端恒温法当热电偶的冷端温度t0≠0℃时，测得的热电动势

EAB（t，t0

）≠EAB（t，0℃）。若冷端温度t0>0℃，则EAB（t，t0

）＜EAB（t，0℃）。将冷端置于其他恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差。利用中间温度定律即可求出测量端相对于0℃的热电势。9/15/2026873.补偿导线法（延引电极法）实际测温时，由于热电偶的长度有限，冷端温度将直接受到被测介质温度和周围环境的影响。例如，热电偶安装在电炉壁上，电炉周围的空气温度的不稳定会影响到接线盒中的冷端的温度，造成测量误差。9/15/202688被测流体管道热电偶接线盒补偿导线铜导线毫伏表冰瓶冰水混合物试管新的冷端3.补偿导线法（延引电极法）图3-35补偿导线法

为了使冷端不受测量端温度的影响，可将热电偶加长，但同时也增加了测量费用。所以一般采用在一定温度范围内（0～100℃）与热电偶热电特性相近且廉价的材料代替热电偶来延长热电极，这种导线称为补偿导线，这种方法称为补偿导线法。如图3-35所示。A′、B′为补偿导线。根据补偿导线的定义有9/15/202689热电偶补偿导线的作用补偿导线在温度(t′，t0)范围内与热电偶作用是一样的，只是将热电偶的冷端温度从t′延长到t0

。所以补偿导线仅起延长热电极的作用，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起任何温度补偿作用。但由于补偿导线比热电偶便宜，节约了测量经费。使用补偿导线必须注意两个问题：①两根补偿导线与热电偶相连的接点温度必须相同，接点温度不超过100℃；②不同的热电偶要与其型号相应的补偿导线配套使用，且必须在规定的温度范围内使用，极性不能接反。在我国，补偿导线已有定型产品，如表3-1所示。9/15/202690表3-1常用热电偶补偿导线热电偶名称分度号材料极性补偿导线成分护套颜色金属颜色铂铑—铂S铜铜镍+-Cu0.57﹪～0.6﹪Ni，其余Cu红绿紫红褐镍铬—镍硅镍铬—镍铝K铜康铜+-Cu39﹪41﹪Ni，1.4%～1.8%Mn，其余Cu红棕紫红白镍铬—铜镍镍铬—康铜E镍铬考铜+-8.5﹪～10﹪Cu，其余Cu56%Cu，44%Ni紫黄黑白9/15/2026914.电桥补偿法电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压，来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化。如图3-36所示。当t0=0℃时，将电桥调至平衡状态，a、b两点电位相等，电桥对仪表读数无影响；图3-36电桥补偿法电阻温度系数较小电阻温度系数较大9/15/2026924.电桥补偿法当热电偶冷端温度上升时，热电势值将减小，但电阻阻值增加，电桥失去平衡，a-b间显现的电位差，如果适当选取桥臂电阻，便可使正好等于减小的热电值

，仪表读出的热电势值便不受自由端温度变化的影响，即起到了自动补偿的作用。9/15/202693图3-36电桥补偿法3.4.5热电偶测温电路（1）测量某一点温度（一个热电偶和一个仪表配用的基本电路）仪表的读数为：图3-37热电偶测量某一点温度补偿导线9/15/202694（2）测量两点温度之差的电路两支同型号的热电偶反向串联仪表的读数为：注：用热电偶测量两点温度之差时，千万不能直接相减两温度点的温度!图3-38测量两点温度之差9/15/202695（3）测量两点间温度之和的电路两支同型号的热电偶正向串联仪表的读数为：该电路的特点是：输出的热电势较大，提高了测试灵敏度，可以测量微小温度的变化。并且因为热电偶串联，只要有一支热电偶烧断，仪表即没有指示，可以立即发现故障。图3-39测量两点间温度之和电路9/15/202696（4）测量两点间平均温度两支同型号的热电偶并联图中每一支热电偶分别串接了均衡电阻R1、R2，其作用是在t1、t2不相等时，在每一支热电偶回路中流过的电流不受热电偶本身内阻不相等时的影响，所以R1、R2的阻值很大。仪表的读数为：该电路的缺点：当某一热电偶烧断时，不能立即察觉出来，会造成测量误差图3-40测量两点间平均温度电路9/15/202697（5）多点温度测量线路该种连接方法要求每只热电偶型号相同，测量范围不能超过仪表指示量程，热电偶的冷端处于同一温度下。多点测量电路多用于自动巡回检测中，可以节约测量经费。图3-41一台仪表分别测量多点温度通过波段开关，可以用一台显示仪表分别测量多点温度。9/15/2026983.4.6热电偶的应用

案例1：热电偶用于金属表面温度的测量一般当被测金属表面温度在200～300℃左右或以下时，可采用粘接剂将热电偶的结点粘附于金属表面。当被测表面温度较高，而且要求测量精度高和响应时间常数小的情况下，常采用焊接，将热电偶的头部焊于金属表面。9/15/202699轮胎、橡胶工艺用表面温度计测量炼胶机滚筒温度测量平板硫化机温度测量模具温度9/15/2026100测量胶料温度铝加工行业用数字表面温度计ＳＷＫ－２表面温度计配ＷＲＮＭ－２０２／１０２热电偶，可以测量铝材、铝锭等表面温度；配ＷＫＮＭ－１０４热电偶，可以测量铝液温度。配ＷＫＮＭ－２０１热电偶可以不停机测量轧辊温度。具有快速、方便、准确之特点。9/15/2026101焊接预热用表面温度计ＳＷＫ－２表面温度计具有体小量轻，读数直观，测量准确，方便的特点。适用于工业现场使用。ＳＷＫ－２表面温度计配WRNM-202/102表面热电偶或WRNM-020双针表面热电偶，可以胜任焊接工件的预热测温。9/15/2026102空调暖气通用表面温度计空调系统出风口温度的快速检测快速测量固体表面温度，如暖气片等的固体表面温度快速测量空气、蒸汽温度及固体表面的温度9/15/2026103案例2：测控应用如图3-42所示为常用炉温测量控制系统。图中由毫伏定值器给出设定温度对应的毫伏数，当热电偶测量的热电势与定值器输出的数值有偏差时，说明炉温偏离设定值，此偏差经放大器放大后送到调节器，再经晶闸管触发器推动晶闸管执行器，从而调整炉丝加热功率，消除偏差，达到温控的目的。图3-42常用炉温测量控制系统9/15/2026104热电偶在炉温控制中的应用9/15/2026105案例3：热电偶用于管道内温度的测量如图所示为管道内温度测量热电偶的安装方法。热电偶的安装应尽量做到使测温准确、安全可靠及维修方便。不管采用何种安装方式，均应使热电偶插入管道内有足够的深度。安装热电偶时，应将测量端迎着流体方向。9/15/20261063.5集成温度传感器3.6辐射式温度传感器主讲：掌握集成温度传感器的工作原理熟悉集成温度传感器的类型了解集成温度传感器的应用及结构掌握辐射式温度传感器的工作原理熟悉辐射式温度传感器的特点了解常见辐射测温的传感器种类学习要点3.5集成温度传感器集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流和电压特性与温度的关系，把感温元件（PN结）与有关的电子线路集成在很小的硅片上封装而成。其具有体积小、线性好、反应灵敏、价格低、抗干扰能力强等优点，所以应用十分广泛。由于PN结不能耐高温，所以集成温度传感器通常测量150℃以下的温度。集成温度传感器分类电流型——

输出阻抗很高，可用于远距离精密温度遥感和遥测，而且不用考虑接线引入损耗和噪声电压型——

输出阻抗低，易于同信号处理电路连接频率型——易与微型计算机连接三端式两端式输出端个数图3-43为集成温度传感器原理示意图。其中VT1、VT2为差分对管，由恒流源提供的电流I1、I2分别为VT1、VT2的集电极电流，则△Ube可用下式表示：

3.5.1集成温度传感器基本工作原理图3-43集成温度传感器原理示意图玻尔兹曼常数电子电荷量1.6021892×10-19库仑VT1和VT2发射极面积之比绝对温度1

图3-43集成温度传感器原理示意图玻尔兹曼常数电子电荷量1.6021892×10-19库仑VT1和VT2发射极面积之比绝对温度只要I1/I2为恒定值，则△Ube与温度T为单值线性函数关系。这就是集成温度传感器的基本工作原理。3.5.2电压输出型集成温度传感器图3-44电路为电压输出型温度传感器。VT1、VT2为差分对管，调节电阻R1，可使I1=I2，当对管VT1、VT2的β1时，电路输出电压U0为：图3-44电压输出型原理电路图将代入上式若R1=940Ω，R2=30Ω，

=37，则电路输出温度系数为10mV/K。注意：T（K）=t（℃）+273.15图3-44电压输出型原理电路图3.5.3电流输出型集成温度传感器电流输出型集成温度传感器原理如图3-45所示。对管VT1、VT2作为恒流源负载，VT3、VT4作为感温元件，VT3、VT4发射极面积之比为

，此时电流源总电流IT为：由上式可得知，当R、

为恒定量时，IT与T成线性关系。若R=358Ω，

=8，则电路输出温度系数为1µA/K。图3-45电流输出型原理电路图3.5.4集成温度传感器的应用AD590是应用广泛的一种集成温度传感器，由于它内部有放大电路，再配上相应的外电路，可方便的构成各种应用电路。如图3-46所示为一简单测温电路。AD590在25℃（298.15K）时，理想输出电流为298.15µA。将AD590串联一个可调电阻，在已知温度下调整电阻值，使输出电压UR

满足

1mV/K的关系(如25℃时，UR应为298.15mV)。调整好以后，固定可调电阻，即可由输出电压UR读出AD590所测得热力学温度。案例1：温度测量图3-46绝对温度测量案例2：热电偶参考端的补偿集成温度传感器用于热电偶参考端的补偿电路如图3-47所示。AD590应与热电偶参考端处于同一温度下。AD580是一个三端稳压器，其输出电压Uo=2.5V。电路工作时，调整电阻R2使得，这样在电阻R1上产生一个随参考端温度t0变化的补偿电压图3-47热电偶参考端的补偿电路若热电偶参考端温度为t0，补偿时应使测量端相对于0℃的热电势即为：直接查相应的分度表即可得知被测点

温度t图3-47热电偶参考端的补偿电路案例2：热电偶参考端的补偿案例3：温度控制图3-48为AD590简单的温度控制电路。AD311为比较器，其输出控制加热器电流，调节RT可改变比较电压，从而改变控制温度。AD581是稳压器，为AD590提供稳定电压。图3-48温度控制电路3.5.5常见集成温度传感器图3-49常见集成温度传感器结构应用于各种冰箱、空调器、粮仓、冰库、工业仪器配套和各种温度的测量和控制等领域。

AD590集成温度传感器3.6辐射式温度传感器辐射式温度传感器是利用物体的辐射能随温度变化的原理制成的。是一种非接触式测温方法，只要将传感器与被测对象对准即可测量其温度的变化。当物体处于绝对零度以上时，其内部带电粒子的运动会以电磁波的形式向外辐射能量，这就是热辐射。热辐射电磁波的波长可涉及红外线、可见光及紫外线区。理论与实践表明，这种辐射能量的大小与物体的温度存在一定的定量关系，这样，通过测量辐射能量的大小便可间接求出被测物体的温度。

1）传感器与被测对象不接触，不会干扰被测对象的温度场，故可

测量运动物体的温度，且可进行遥测。2）由于传感器与被测对象不在同一环境中，不会受到被测介质性

质的影响，所以可以测量腐蚀性、有毒物体、带电体的温度，

测温范围广，理论上无测温上限限制。3）在检测时传感器不必和被测对象进行热量交换，所以测量

速度快，响应时间短，适于快速测温。4）由于是非接触测量，测量精度不高，测温误差大。与接触式温度传感器相比，辐射式温度传感器具有以下特点：3.6.1辐射测温的原理辐射换热是三种基本换热形式（热传导、热对流、热辐射）之一。热辐射电磁波具有以光速传播、反射、折射、散射、干涉和吸收等特性。物体在不同温度范围内，其热辐射的电磁波波段也不同，是由波长相差很远的红外线、可见光、紫外线所组成的。在低温时，物体的辐射能量很小，主要发射的红外线。随着温度的升高，物体的辐射能量急剧增加，辐射光谱也向波长短的方向移动。在500ºC左右时，辐射光谱包括部分可见光。800ºC时，可见光大大增加。到3000ºC时，辐射光谱则包含更多的短波部分，使物体呈现自然。因此，有经验的人通过观察灼热物体表面的颜色就可以大致判断出物体的温度。辐射温度传感器是利用斯蒂芬·彼尔兹曼全辐射定理研制出的。其数学表达式为：由上式可知，物体温度越高，辐射功率就越大，只要知道物体的温度，就可以计算出它所发射的功率，反之，如果测量出物体所发射出来的辐射功率，就可利用式（3-17）确定物体的温度。（3-17）全波长辐射功率物体的绝对温度斯蒂芬·彼尔兹曼常数5.67X10W/(m·K)3.6.2红外线温度传感器红外线是一种不可见光，它具有很强的热效应。自然界里的任何物体，只要它的温度高于绝对零度（一273.15℃）都能辐射红外线。红外线温度传感器就是利用红外线的物理性质来进行无接触测温的，红外测温遵循的基本原理和依据为斯蒂芬一彼尔兹曼定律。物体的温度越高，辐射功率就越大。只要测出物体所发射的辐射功率，就能确定物体的温度。图3-50红外温度传感器测温原理框图红外线温度传感器主要由光学系统、检测系统和转换电路组成。如图3-50所示。光学系统按结构不同分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件主要是热敏电阻，热敏电阻受到红外线辐射时，温度升