热电式传感器

1、第7章 热电式传感器 7.17.1 热电偶 7.27.2 热电阻 7.37.3 热敏电阻 7.47.4 集成温度传感器 7.57.5 热电式传感器的应用 前序 测温重要性、温度概念与测量方法 温度测量在工业应用中的重要性 温度温度是工业生产中常见的工艺参数之一，是工业生产中常见的工艺参数之一， 任何任何物理物理变化和变化和化学化学反应过程都与温度密切相反应过程都与温度密切相 关，因此关，因此温度控制温度控制是生产自动化的重要任务。是生产自动化的重要任务。 如冶金、机械、如冶金、机械、热处理、热处理、食品、化工食品、化工以及玻璃、以及玻璃、 陶瓷和耐火材料陶瓷和耐火材料等各类工业生产过程中广泛使

2、等各类工业生产过程中广泛使 用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。 非电量：温度、压力、流量、物位、液位、成份、物性等测量 电量：电压、电流、功率、频率、相位等测量 工艺参数还有那些工艺参数还有那些? 温度概念与测量方法 反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物 理和化学过程相联系。理和化学过程相联系。 温度概念的建立及测量：温度概念的建立及测量：以热平衡为基础。以热平衡为基础。 温度最本质的性质：温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物当两个冷热程度不同的物 体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体接触后就会产生导热换热

3、，换热结束后两物 体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。 测量方法测量方法：接触式测温和非接触式测温：接触式测温和非接触式测温 温度概念与测量方法温度概念与测量方法 常用的接触式测温仪表：常用的接触式测温仪表： (1) 膨胀式温度计。膨胀式温度计。 (2) 热电阻温度计。热电阻温度计。 (3)热电偶温度计。热电偶温度计。 (4)其他原理的温度计。其他原理的温度计。 特点：特点： 优点：优点：直观、可靠，测量仪表也比较简单。直观、可靠，测量仪表也比较简单。 温度概念与测量方法 缺点：缺点： 1. 由于敏感元件必须与被测对象接触，在接触由于敏感元件必须与被

4、测对象接触，在接触 过程中就可能破坏被测对象的过程中就可能破坏被测对象的温度场温度场分布，从分布，从 而造成测量误差。而造成测量误差。 2. 有的测温元件不能和被测对象充分接触，不有的测温元件不能和被测对象充分接触，不 能达到充分的能达到充分的热平衡热平衡，使测温元件和被测对象，使测温元件和被测对象 温度不一致，也会带来误差。温度不一致，也会带来误差。 3. 在接触过程中，介质腐蚀性，高温时对测温在接触过程中，介质腐蚀性，高温时对测温 元件的影响，影响测温元件元件的影响，影响测温元件可靠性可靠性和和工作寿命工作寿命。 是那类误差是那类误差? 温度概念与测量方法 非接触测温非接触测温 温度敏感元

5、件不与被测对象接触，而是通过温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐辐 射能量射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被进行热交换，由辐射能的大小来推算被 测物体的温度。测物体的温度。 任何物体处于绝对零度以上时，都会以一任何物体处于绝对零度以上时，都会以一 定波长电磁波的形式向外辐射能量。辐射式测定波长电磁波的形式向外辐射能量。辐射式测 温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变 化的原理制成的。化的原理制成的。 温度概念与测量方法 常用的非接触式测温仪表：常用的非接触式测温仪表： (1) 辐射式温度计：基于普朗克定理辐射式温度计：基于普朗克定理 光电高温

6、计，辐射传感器，比色温度计。光电高温计，辐射传感器，比色温度计。 (2) 光纤式温度计：光纤的温度特性、传光介质。光纤式温度计：光纤的温度特性、传光介质。 光纤温度传感器，光纤辐射温度计。光纤温度传感器，光纤辐射温度计。 优点：优点：不与被测物体接触，不破坏原有的温度不与被测物体接触，不破坏原有的温度 场，在被测物体为场，在被测物体为运动运动物体时尤为适用。物体时尤为适用。 缺点：缺点：精度一般精度一般不高不高。 温度概念与测量方法 热电式传感器热电式传感器 输入量输入量输出量输出量 温度温度 热电式热电式传感器传感器示意图示意图 电磁参数变化电磁参数变化 测量电路测量电路 电阻电阻、磁导磁导

7、或或电电 势势等的变化等的变化 电量电量 温度传感器的概述 将温度转换为电势大小的热电式传感器叫将温度转换为电势大小的热电式传感器叫热电偶热电偶； 将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻热电阻。 7.1 热电偶 热电偶是工程上应用热电偶是工程上应用最最广泛的温度传感器。广泛的温度传感器。 它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳 定性及复现性，温度测量范围宽，在温度测量中定性及复现性，温度测量范围宽，在温度测量中 占有重要的地位。占有重要的地位。 另外，由于热电偶是一种另外，由于热电偶是一种有源有源传感

8、器，测量传感器，测量 时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作 测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的 表面温度。表面温度。 7.1 热电偶 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热热电极电极a a 右端称为：右端称为： 自由端自由端 （参考端、（参考端、 冷端）冷端） 左端称为：左端称为： 测量端（工测量端（工 作端、热端）作端、热端） 热热电极电极b b 热电势热电势 a a b b 上一页下一页返 回 热电热电偶的测温测温原理 7.1

9、热电偶 7.1.1 7.1.1 热电效应热电效应 两种不同的金属两种不同的金属a a和和b b构成如图构成如图7-17-1所示的闭合所示的闭合 回路，如果将它们的两个接点中的一个进行加回路，如果将它们的两个接点中的一个进行加 热，使其温度为热，使其温度为t t，而另一点置于室温，而另一点置于室温t t0 0中，中， 则在回路中会产生热电势，用则在回路中会产生热电势，用 来表示，来表示， 这一现象称为这一现象称为热电效应热电效应。 0 ( ,) ab et t 图图7-1 7-1 热电效应原理图热电效应原理图 7.1 热电偶 通常把两种不同金属的这种组合叫做通常把两种不同金属的这种组合叫做热电偶

10、热电偶， a a、b b叫做叫做热电极热电极，温度高的接点叫做热端或工，温度高的接点叫做热端或工 作端，而温度低的接点叫做冷端或自由端。作端，而温度低的接点叫做冷端或自由端。 由理论分析知道，热电效应产生的热电式是由由理论分析知道，热电效应产生的热电式是由 接触电势接触电势和和温差电势温差电势两部分组成。两部分组成。 1. 1. 接触电势接触电势 接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度接触电势是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。如图不同而在接触处形成的电动势。如图7-27-2所示。所示。 7.1 热电偶 图图7-2 7-2 接触电动势接触电动势 浓度不同，电子进行扩

11、散浓度不同，电子进行扩散 动态平衡状态下，动态平衡状态下，a a和和b b两金属之间便产生一定的两金属之间便产生一定的接触电接触电 势势，该接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接，该接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接 触点的温度。两接点的接触电势触点的温度。两接点的接触电势eabeab（t t）可表示为：可表示为： 7.1 热电偶 式中：式中： k- k-玻耳兹曼常数（玻耳兹曼常数（k=1.38k=1.38 j/k j/k）；）； t t - -接触面的绝对温度；接触面的绝对温度； e e - -单位电荷量（单位电荷量（e=1.6e=1.6 c c）；）； n na a- -金属电

12、极金属电极a a的自由电子密度；的自由电子密度； n nb b- -金属电极金属电极b b的自由电子密度。的自由电子密度。 ( )ln a ab b nkt et en 23 10 19 10 7.1 热电偶 2 2温差电势温差电势 温差电势温差电势（又称汤姆森电势）是同一导体的两端因（又称汤姆森电势）是同一导体的两端因 其温度不同而产生的一种热电势。其温度不同而产生的一种热电势。 温度不同，浓度不同，电子进行扩散温度不同，浓度不同，电子进行扩散 0 0 ( ,) t a t e t tdt 关键这个是啥呢？关键这个是啥呢？ 7.1 热电偶 - -汤姆逊系数汤姆逊系数，它表示温度为，它表示温度

13、为11时所产生的电时所产生的电 动势值，它与材料的性质有关。动势值，它与材料的性质有关。 综上所述，在由两种不同金属组成的闭合回路综上所述，在由两种不同金属组成的闭合回路 中，当两端点的温度不同时，回路中产生的热中，当两端点的温度不同时，回路中产生的热 电势等于上述电位差的代数和，如图电势等于上述电位差的代数和，如图7-37-3所示：所示： 图图7-3 7-3 热电偶回路的总热电势热电偶回路的总热电势 7.1 热电偶 7.1 热电偶 0 0000 000 0 ( ,)( )( ,)()( ,) ( )() ( ,)( ,) ()ln() ababaabb ababab t a ab t b e

14、t tete t tete t t etete t te t t nk ttdt en 式中：式中： 、 分别为温度分别为温度t t和和 下的下的接触电势接触电势; ; 、 和和 为为a a和和b b的的温差电势温差电势。当热电极。当热电极a a和和b b为同一种材为同一种材 料时料时n na a=n=nb b， a a= = b b，则，则 。若热电偶两端处。若热电偶两端处 于同一温度下，即于同一温度下，即t=tt=t0 0，则，则 。 ( ) ab et 0 () ab et 0 t 0 ( ,) a e t t 0 ( ,) b e t t 0 ( ,)0 ab et t 0 ( ,)0

15、 ab et t 所以热电势存在必须具备两个条件：所以热电势存在必须具备两个条件：一是两种一是两种 不同的金属材料组成热电偶；二是它的两端存不同的金属材料组成热电偶；二是它的两端存 在温差。在温差。 7.1 热电偶 实践证明实践证明在总热电势中，温差电势比接触电势小在总热电势中，温差电势比接触电势小 很多，可忽略不计，热电偶的热电势可表示为：很多，可忽略不计，热电偶的热电势可表示为： 对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定时，对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定时， 为常数，则总的热电动势就只与温度为常数，则总的热电动势就只与温度t t成单值函成单值函 数关系，即数关系，即: : 000 ( ,

16、)( )()()ln a ababab b nk et tetettt en 0 () ab etc 0 ( ,)( )( ) abab et tetcf t 电动势只是与导体电动势只是与导体a a和和b b的材料有关，与冷热端的温度的材料有关，与冷热端的温度 有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。 烧断的热电偶可重新焊接，用于测温。烧断的热电偶可重新焊接，用于测温。 7.1 热电偶 实际应用中，热电势与温度之间关系是通过热实际应用中，热电势与温度之间关系是通过热 电偶电偶分度表分度表来确定的。分度表是在参考端温度来确定的。分度表是在参考端温度

17、 为为00时，通过实验建立起来的热电势与工作端时，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，书中表温度之间的数值对应关系，书中表7-17-1到表到表7-47-4是是 几种常见热电偶的分度表。几种常见热电偶的分度表。 s s型（铂铑型（铂铑1010- -铂）热电偶分度表铂）热电偶分度表 b b型（铂铑型（铂铑3030- -铂铑铂铑6 6）热电偶分度表）热电偶分度表 k k型（镍镉型（镍镉- -镍硅）热电偶分度表镍硅）热电偶分度表 e e型（镍镉型（镍镉- -铜镍）热电偶分度表铜镍）热电偶分度表 7.1 热电偶 7.1.2 7.1.2 热电偶基本定律热电偶基本定律 1 1中间导体定

18、律中间导体定律 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，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的总热电势没有影响。 接入第三种导体回路如下图接入第三种导体回路如下图7-47-4所示。所示。 7.1 热电偶 图图7-4 7-4 热电偶中加入第三种材料热电偶中加入第三种材料 由于温差电势可忽略不计，

19、则回路中的总热电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，即势等于各接点的接触电势之和，即: : 0ab00 ( ,)( )e()()(76) abcbcca et tettet 7.1 热电偶 当当t=tt=t0 0时，有：时，有： （7-77-7） 将式（将式（7-77-7）代入式（）代入式（7-67-6）得：）得： （7-87-8） bc0ca0ab0 e(t ) + e (t ) = -e(t ) abc0abab0ab0 e(t,t ) = e(t) - e(t ) = e(t,t ) 同理，加入第四、第五种导体后，只要加入的导同理，加入第四、第五种导体后

20、，只要加入的导 体两端体两端温度相等温度相等，同样不影响回路中的总热电势。，同样不影响回路中的总热电势。 但是，如果接入第三种材料的两端但是，如果接入第三种材料的两端温度不等温度不等，热电，热电 偶回路的总热电势将会偶回路的总热电势将会发生变化发生变化。其变化大小，取。其变化大小，取 决于材料的性质和接点的温度。决于材料的性质和接点的温度。 7.1 热电偶 2. 2. 参考电极定律参考电极定律 如图如图7-57-5所示，当结点温度为所示，当结点温度为 t t，t t0 0时，用导体时，用导体a a，b b组成的组成的 热电偶的热电动势等于热电偶的热电动势等于acac热电热电 偶和偶和cbcb热

21、电偶的热电动势的代热电偶的热电动势的代 数和，即：数和，即： ab0ac0cb0 e(t,t )e(t,t )e(t,t ) 图图7-5 7-5 参考电极定律原理图参考电极定律原理图 7.1 热电偶 参考电极的实用价值在于：参考电极的实用价值在于：它可大大简化它可大大简化 热电偶的选配工作。热电偶的选配工作。 用作参考电极（标准电极）的材料，目前用作参考电极（标准电极）的材料，目前 主要为主要为纯铂纯铂丝材，因为铂的熔点高，易提丝材，因为铂的熔点高，易提 纯，且在高温与常温时的物理、化学性能纯，且在高温与常温时的物理、化学性能 都比较稳定。都比较稳定。 只要测得各种金属与纯铂组成的热电只要测得

22、各种金属与纯铂组成的热电 偶的热电动势，则各种金属之间相互组合偶的热电动势，则各种金属之间相互组合 而成的热电偶的热电动势可直接计算。而成的热电偶的热电动势可直接计算。 7.1 热电偶 例如：热端为例如：热端为100100，冷端为，冷端为00时，镍铬合金时，镍铬合金 与纯铂组成的热电偶的热电动势为与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mv2.95mv，考，考 铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mv-4.0mv； 则镍铬和考铜组合成的热电偶所产生的热电动则镍铬和考铜组合成的热电偶所产生的热电动 势：势：2.95mv-(-4.0mv)=6.95mv2.95mv

23、-(-4.0mv)=6.95mv 各种电偶材料各种电偶材料 7.1 热电偶 3. 3. 中间温度定律中间温度定律 在热电偶回路中，两接点温度为在热电偶回路中，两接点温度为t，t0时的热电时的热电 势，等于该热电偶在接点势，等于该热电偶在接点t、ta和和ta、t0时的热时的热 电势之和，如图电势之和，如图7-6所示所示: 由上图可得：由上图可得： ab0abaaba0 e(t,t )= e(t,t )+e(t ,t ) 图图7-67-6中间温度定律示意图中间温度定律示意图 7.1 热电偶 根据这一定律，只要给出自由端根据这一定律，只要给出自由端00时的热电时的热电 势和温度关系，就可求出冷端为任

24、意温度势和温度关系，就可求出冷端为任意温度t t0 0的的 热电偶电动势。它是制定热电偶分度表的理论热电偶电动势。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这一性质，可对参考端温度不为00的热电势的热电势 进行进行修正修正。 下面看一个例子下面看一个例子 例：用（例：用（s s型）热电偶测量某一温度，若参比端温型）热电偶测量某一温度，若参比端温 度度t tn n=30=30，测得的热电势测得的热电势e(t,tne(t,tn)=7.5mv)=7.5mv，求测求测 量端实际温度量端实际温度t t。 )(

25、),(),( 0,0 ttettette nn ctcttte nn 030 00 ，）中，（在 查分度表有查分度表有e（30，0）= 0.173 mv mvtte n 5 . 7），（ mvetete673.7173.05 .7)0 ,30(300），（），（ 反查分度表有反查分度表有t=830t=830，测量端实际温度为测量端实际温度为830830 7.1 热电偶 7.1 热电偶 7.1.37.1.3热电偶的结构形式热电偶的结构形式 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、铠装型热电电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型

26、热电 偶和薄膜热电偶等。偶和薄膜热电偶等。 1 1普通型热电偶普通型热电偶 图图7-7 7-7 普通型热电偶结构普通型热电偶结构 7.1 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。缘套管、保护管和接线盒组成。 2 2铠装热电偶铠装热电偶 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，如图材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体，如图7- 7- 8 8所示。所示。 7.1 热电偶 铠装热电偶优点：铠装热电

27、偶优点： 铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应 时间快和坚固耐用等许多优点，它和工业用装时间快和坚固耐用等许多优点，它和工业用装 配式热电偶一样，作为测量温度的配式热电偶一样，作为测量温度的变送器变送器，通，通 常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使 用，同时亦可作为装配式热电偶的感温元件用，同时亦可作为装配式热电偶的感温元件。 3. 3. 薄膜热电偶薄膜热电偶( (略略) ) 7.1 热电偶 7.1.4 7.1.4 热电偶温度补偿方法热电偶温度补偿方法 热电偶的热电势的大小与热端温度有关，与冷端温度有关，热电偶的热

28、电势的大小与热端温度有关，与冷端温度有关， 只有当冷端温度恒定，才可通过测量热电势的大小得到热端只有当冷端温度恒定，才可通过测量热电势的大小得到热端 温度。热电偶电路中最大的问题是温度。热电偶电路中最大的问题是冷端的问题冷端的问题。即如何选即如何选 择测温的参考点。择测温的参考点。 热电偶的冷端处理和补偿热电偶的冷端处理和补偿: : 当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首 先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再 考虑将冷端处理为考虑将冷端处理为。 几种冷端处理方法： 1. 热电偶冷端温度

29、恒温法热电偶冷端温度恒温法 2. 补偿导线法补偿导线法 3. 计算修正法计算修正法 4. 冷端补偿电桥法冷端补偿电桥法 7.1 热电偶 1. 热电偶冷端温度恒温法热电偶冷端温度恒温法 （1 1）冰水保温瓶方式冰水保温瓶方式（冰点器方式）（冰点器方式）: :将热电偶的冷端置将热电偶的冷端置 于冰水保温瓶中，获得热电偶冷端的参考温度。于冰水保温瓶中，获得热电偶冷端的参考温度。 （2 2）恒温槽方式恒温槽方式: : 即将冷端置于恒温槽中，如恒定温度为即将冷端置于恒温槽中，如恒定温度为t t 0 0，则冷端的误差，则冷端的误差 为：为： 所以需对热电偶进行冷端温度修正。所以需对热电偶进行冷端温度修正。

30、 2. 补偿导线法补偿导线法 由于受到材料价格的限制不可能做很长，而要使其由于受到材料价格的限制不可能做很长，而要使其 冷端不受测温对象的温度影响，必须使冷端远离温度冷端不受测温对象的温度影响，必须使冷端远离温度 对象，采用补偿导线可以做到这一点。对象，采用补偿导线可以做到这一点。 10110 ( ,)( ,0)(,0)e t te te t 7.1 热电偶 所谓所谓补偿导线补偿导线，实际上是一对材料化学，实际上是一对材料化学 成分不同的导线，在成分不同的导线，在0 0150150温度范围内与温度范围内与 配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相 对要便宜。

31、若我们利用补偿导线，将热电偶对要便宜。若我们利用补偿导线，将热电偶 的冷端延伸到温度恒定的场所的冷端延伸到温度恒定的场所( (如仪表室如仪表室) )， 其实质是相当于将热电极延长。根据其实质是相当于将热电极延长。根据中间导中间导 体定律体定律，只要热电偶和补偿导线的二个接点，只要热电偶和补偿导线的二个接点 温度一致，是不会影响热电动势输出的。温度一致，是不会影响热电动势输出的。 7.1 热电偶 使用补偿导线时注意问题：使用补偿导线时注意问题： 补偿导线只能用在规定的温度范围内（补偿导线只能用在规定的温度范围内（0-1500-150）；）； 热电偶和补偿导线的两个接点处要保持热电偶和补偿导线的两

32、个接点处要保持温度相同温度相同,不不 同型号的热电偶配有不同的补偿导线；同型号的热电偶配有不同的补偿导线； 补偿导线正、负极需分别与热电偶正、负极相连；补偿导线正、负极需分别与热电偶正、负极相连； 补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。 7.1 热电偶 3. 计算修正法计算修正法 热电偶的分度表是按冷端温度为热电偶的分度表是按冷端温度为0 0度分度的，度分度的， 但在实际应用中，热电偶的参比端往往不是但在实际应用中，热电偶的参比端往往不是0 0度，度， 而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小， 因此必须加上环境温度与冰点

33、之间温差所产生因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生 的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。 可用室温计测出环境温度可用室温计测出环境温度t1t1，从分度表中，从分度表中 查出的查出的e(t1,0)e(t1,0)值，然后加上热电偶回路热电势值，然后加上热电偶回路热电势 e(t,t1)e(t,t1)，得到，得到e(t,0)e(t,0)值，反查分度表即可得到值，反查分度表即可得到 准确的被测温度值。准确的被测温度值。 7.1 热电偶 例：用镍铬例：用镍铬-镍硅镍硅(k(k型型) )热电偶测温，热电偶参比热电偶测温，热电偶参比 端温度为端温度为3030。测得的

34、热电势为。测得的热电势为28mv28mv，求热端温度。，求热端温度。 mve203. 1)0 ,30(mvte28)30,( mvmvmvte203.29203. 128)0 ,( 反查k分度表 t=701.5 7.1 热电偶 7.1 热电偶 4. 冷端补偿电桥法冷端补偿电桥法 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 度不为度不为00或变化而引起热电势的变化值。或变化而引起热电势的变化值。 图图7-10 7-10 冷端补偿器原理图冷端补偿器原理图

35、7.1 热电偶 如图如图7-107-10所示，不平衡电桥由三个电阻温度系所示，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数较小的锰铜丝绕制的电阻r r1 1、r r2 2、r r3 3电阻温电阻温 度系数较大的铜丝绕制的电阻度系数较大的铜丝绕制的电阻r rcucu和稳压电源组和稳压电源组 成。补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温成。补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温 度，但由于度，但由于r rcucu的阻值随环境温度变化而变化，的阻值随环境温度变化而变化， 如果适当选择桥臂电阻和桥路电流，就可以使如果适当选择桥臂电阻和桥路电流，就可以使 电桥产生的不平衡电压电桥产生的不平衡电压u

36、uabab补偿由于参考端温补偿由于参考端温 度变化引起的热电势度变化引起的热电势e eabab（t t，t t0 0）变化量，从变化量，从 而达到自动补偿的目的。而达到自动补偿的目的。 p399实验中使用负温度系数的热电阻来构建温度补偿电路 7.1 热电偶 7.1.5 7.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路 热电偶测温时，它可以直接与显示仪表（如电子电位热电偶测温时，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，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，图转换成标准电流信号，图7-117-11为典型的热电偶测温线路。为典型的热电

37、偶测温线路。 如用一台显示仪表显示多点温度时，可按图如用一台显示仪表显示多点温度时，可按图7-127-12连接，连接， 这样可节约显示仪表和补偿导线。这样可节约显示仪表和补偿导线。 图图7-11 7-11 热电偶测温典型电路热电偶测温典型电路 7.1 热电偶 图图7-12 7-12 多点测温电路多点测温电路 7.1 热电偶 特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同同 一分度号一分度号的热电偶，且参考端应在同一温度下。如热电偶的热电偶，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。在测正向串联，可获得较大的热

38、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。热电偶串、并联线路如图可以测量平均温度。热电偶串、并联线路如图7-137-13所示。所示。 （a a）热电偶串联线路）热电偶串联线路 （b b）热电偶反向串联线路）热电偶反向串联线路 （c c）热电偶并联线路）热电偶并联线路 图图7-13 7-13 热电势串并联线路热电势串并联线路 同型号热电偶同型号热电偶 相同的补偿导线相同的补偿导线 两冷端温度相同两冷端温度相同 当其中一支热电偶当其中一支热电偶 断路时，不会中断整个断路时，不会中断整个 测温系

39、统的工作。但察觉测温系统的工作。但察觉 不到有一支已坏不到有一支已坏 热电动势大，仪表的灵敏度热电动势大，仪表的灵敏度 大为增加。缺点是大为增加。缺点是 只要有一支热电偶断路，只要有一支热电偶断路， 整个测量系统便无法工作整个测量系统便无法工作 7.2 热电阻传感器 热电阻传感器热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度是利用导体的电阻值随温度 变化而变化的原理进行测温的。变化而变化的原理进行测温的。 热电阻传感器的测量精度高；有较大的测量范热电阻传感器的测量精度高；有较大的测量范 围，它可测量围，它可测量200200500500的温度；易于使用的温度；易于使用 在自动测量和远距离测量中。在自动测量

40、和远距离测量中。 热电阻由电阻体、保护套和接线盒等部件组成。热电阻由电阻体、保护套和接线盒等部件组成。 其结构形式可根据实际使用制作成各种形状。其结构形式可根据实际使用制作成各种形状。 作为热电阻的材料要求：作为热电阻的材料要求： 电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度；电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度； 电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸；电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸； 热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；热容量要小，以便提高热电阻的响应速度； 在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能； 电阻与温度的关系最好接近于线性；电阻与温度的关系

41、最好接近于线性； 应有良好的可加工性，且价格便宜。应有良好的可加工性，且价格便宜。 使用最广泛的热电阻材料是铂和铜。使用最广泛的热电阻材料是铂和铜。 7.2 热电阻传感器 热电阻的工作原理：热电阻的工作原理：温度升高，金属内部原子晶格的振动加温度升高，金属内部原子晶格的振动加 剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增 大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为 正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。 取一只取一只 100w/220v

42、 100w/220v 灯泡，用万用表测量其电阻值，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 电阻值应为电阻值应为484484 。 7.2 热电阻传感器 7.2 热电阻传感器 7.2.1 7.2.1 常用热电阻常用热电阻 目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。 1 1铂电阻铂电阻 铂热电阻的测量精确度是铂热电阻的测量精确度是最高的最高的，稳定性好、性能，稳定性好、性能 可靠，广泛应用于工业测温。按可靠，广泛应用于工业测温。按ipts-68ipts-68标准，在标

43、准，在 -259.34+630.74 -259.34+630.74温域内，以铂电阻温度计作为温域内，以铂电阻温度计作为基基 准仪。准仪。 一流企业做标准，二流？三流呢？一流企业做标准，二流？三流呢？ 7.2 热电阻传感器 铂热电阻的温度特性，在铂热电阻的温度特性，在0 0630. 74630. 74以内为：以内为： 在在-190-19000以内为：以内为： 2 01 t rratbt 23 01 (100) t rratbtc tt 式中：式中： r rt t温度为温度为t t时的阻值；时的阻值； r r0 0温度为温度为0 0度时的阻值；度时的阻值； a a分度系数，取分度系数，取3.940

44、3.940 / /； b b分度系数，取分度系数，取-5.84-5.84 / / ； c c分度系数，取分度系数，取-4.22-4.22 / / 。 3 10 7 10 12 10 2 4 7.2 热电阻传感器 热电阻在温度热电阻在温度t t时的电阻值与时的电阻值与r r0 0有关。目前我国有关。目前我国 规定工业用铂热电阻有规定工业用铂热电阻有r r0 0=50=50和和r r0 0=100=100两种，两种， 它们的它们的分度号分度号分别为分别为pt50pt50和和pt100pt100，其中以，其中以pt100pt100 为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，为常用。铂热电阻不同分度号

45、亦有相应分度表， 即即rtrtt t的关系表，这样在实际测量中，只要测的关系表，这样在实际测量中，只要测 得热电阻的阻值得热电阻的阻值r rt t，便可从分度表上查出对应，便可从分度表上查出对应 的温度值。书中表的温度值。书中表7-57-5是是pt100pt100热电阻的分度特热电阻的分度特 性表。性表。 7.2 热电阻传感器 铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比ww100100表示，它表示，它 是铂热电阻在是铂热电阻在100100时电阻值时电阻值r r100100与与00时电阻时电阻 值值r r0 0之比。按之比。按ieciec标准，工业使用的铂热电阻标准，工业使用的铂热

46、电阻 的的ww1001001.38501.3850。 pt100pt100具有正温度系数，通常用白金线绕制完具有正温度系数，通常用白金线绕制完 成后，放入保护管中，保护管可用玻璃，不锈成后，放入保护管中，保护管可用玻璃，不锈 钢等材料制成，为了配合不同的测试环境，可钢等材料制成，为了配合不同的测试环境，可 使用不同的长度与外径，保护管内空隙以氧化使用不同的长度与外径，保护管内空隙以氧化 物陶瓷及黏合剂填充。图物陶瓷及黏合剂填充。图7-147-14所示为几种常见所示为几种常见 的包装。的包装。 7.2 热电阻传感器 (a)(a)缠绕在云母棒的缠绕在云母棒的pt100 (b)pt100 (b)封入

47、玻璃中的封入玻璃中的pt100 (c)pt100 (c)不锈钢包装保护管的剖面不锈钢包装保护管的剖面 图图7-14 pt1007-14 pt100几种常见的包装几种常见的包装 铠装式铂电阻铠装式铂电阻 7.2 热电阻传感器 2 2铜电阻铜电阻 由于由于铂铂是贵重金属材料，因此，在一些测量精度要是贵重金属材料，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，它的测量范围为温，它的测量范围为-50-50150150。铜热电阻在测量。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，可近范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的

48、，可近 似地表示为：似地表示为： 0 (1)(7 14) t rrt 7.2 热电阻传感器 铜热电阻线性好，价格便宜，但它电阻率较铜热电阻线性好，价格便宜，但它电阻率较 低，且在低，且在100100以下易氧化，不适宜在腐蚀性介以下易氧化，不适宜在腐蚀性介 质或高温下工作。铜热电组的两种分度号为质或高温下工作。铜热电组的两种分度号为cu50cu50 （r r0=500=50）和）和cu100cu100（r100=100r100=100）。）。 cu50 cu50分度分度 表见课本。表见课本。 7.2 热电阻传感器 7.2.2 7.2.2 热电阻传感器的引线方式热电阻传感器的引线方式 热电阻测温精

49、度高、适于测热电阻测温精度高、适于测低温低温。传感器的测量。传感器的测量 电路经常使用电桥，其中精度较高的是自动电桥。电路经常使用电桥，其中精度较高的是自动电桥。 由于热电阻的电阻值很小，所以导线电阻值不可由于热电阻的电阻值很小，所以导线电阻值不可 忽略。热电阻传感器内部引线方式有两线制、忽略。热电阻传感器内部引线方式有两线制、 三三 线制和四线制线制和四线制3 3种，如图种，如图7 71515所示。所示。 图图7-15 7-15 内部引线方式内部引线方式 7.2 热电阻传感器 二线制中引线电阻对测量二线制中引线电阻对测量影响大影响大，用于测温精度，用于测温精度 不高场合。不高场合。 三线制可

50、以减小热电阻与测量仪表之间连接导线三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线 的电阻因的电阻因环境温度变化环境温度变化所引起的测量误差。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，用四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响，用 于于高精度高精度温度检测。工业用铂电阻测温常采用三温度检测。工业用铂电阻测温常采用三 线制和四线制连接法。线制和四线制连接法。 图图7-167-16和图和图7-177-17分别为三线制和四线制电桥连接测分别为三线制和四线制电桥连接测 量电路。量电路。 7.2 热电阻传感器 图图7-16 7-16 热电阻测温电桥的三线制接法热电阻测温电桥的三线制接法 g g

51、是检流计，是检流计，r1r1、r2r2、r3r3是固定电阻，是固定电阻， r1=r3r1=r3， r1r1、r2r2、r3r3是是 引线电阻，引线电阻，rara是零位调节精密电阻，是零位调节精密电阻，rtrt是热电阻。当是热电阻。当u ua a=u=ub b 时，电桥平衡，调节时，电桥平衡，调节rara，可消除引线电阻的影响。，可消除引线电阻的影响。 7.2 热电阻传感器 图图7-17 7-17 热电阻测温电桥的四线制接法热电阻测温电桥的四线制接法 7.2 热电阻传感器 7.2.3 7.2.3 几种常用的热电阻传感器测量电路几种常用的热电阻传感器测量电路 1 1pt100pt100的测量电路的

52、测量电路 图图7-18 pt100 7-18 pt100 转换电路转换电路 7.2 热电阻传感器 图图7-19 7-19 铂电阻恒电流工作电路铂电阻恒电流工作电路 7.2 热电阻传感器 2 2恒电流工作方式下恒电流工作方式下trra102btrra102b铂电阻的基本测铂电阻的基本测 量电路量电路 图图7-20 7-20 铂电阻恒电流工作电路铂电阻恒电流工作电路 7.2 热电阻传感器 3 3恒电压工作方式下恒电压工作方式下trra102btrra102b铂电阻的基本测铂电阻的基本测 量电路量电路 图图7-21 7-21 恒电压工作电路恒电压工作电路 7.2 热电阻传感器 图图7-22 7-22

53、 恒电压工作电路恒电压工作电路 7.2 热电阻传感器 4 4电流为电流为420ma420ma的铂电阻环形测量电路的铂电阻环形测量电路 图图7-237-23 用铂电阻制作的用铂电阻制作的420ma420ma的环路器电路的环路器电路 7.2 热电阻传感器 5 5测温范围为测温范围为06000600的带有线性化电路的环形的带有线性化电路的环形 电流电路电流电路 图图7-24 7-24 用于铂电阻的测温范围为用于铂电阻的测温范围为06000600的的420ma420ma电流环形电路电流环形电路 7.2 热电阻传感器 图图7-26 7-26 电路的非线性误差电路的非线性误差图图7-25 7-25 铂电阻

54、的铂电阻的3 3线式连接法线式连接法 7.3 热敏电阻 本节介绍半导体的电阻值随温度变化的一种本节介绍半导体的电阻值随温度变化的一种 热敏元件（热敏电阻）。热敏元件（热敏电阻）。 热敏电阻是由一些金属氧化物热敏电阻是由一些金属氧化物, , 采用不同比例的采用不同比例的 配方，经高温烧结而成，然后采用不同的封装形配方，经高温烧结而成，然后采用不同的封装形 式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状。式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状。 热敏电阻具有以下优点：电阻温度系数大，灵热敏电阻具有以下优点：电阻温度系数大，灵 敏度高；结构简单；电阻率高，热惯性小；敏度高；结构简单；电阻率高，热惯性小；

55、 但它阻值与温度变化呈非线性，且稳定性和互换但它阻值与温度变化呈非线性，且稳定性和互换 性较差。性较差。 7.3 热敏电阻 7.3.1 7.3.1 热敏电阻的温度特性热敏电阻的温度特性 按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型：即负按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型：即负 电阻温度系数热敏电阻（电阻温度系数热敏电阻（ntcntc），正电阻温度系数热敏电），正电阻温度系数热敏电 阻（阻（ptcptc）和在在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界）和在在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界 温度电阻器（温度电阻器（ctrctr）。它们的特性曲线如同）。它们的特性曲线如同7-267-26

56、所示。所示。 图图7-27 7-27 各种热敏电阻的特性各种热敏电阻的特性 7.3 热敏电阻 由图由图7-187-18可见，使用可见，使用ctrctr型热敏电阻组成控制开型热敏电阻组成控制开 关是十分理想的。在温度测量中，则主要采用关是十分理想的。在温度测量中，则主要采用 ntcntc或或ptcptc型热敏电阻，但使用最多的是型热敏电阻，但使用最多的是ntcntc型型 热敏电阻。负温度系数的热敏电阻的阻值与温度热敏电阻。负温度系数的热敏电阻的阻值与温度 的关系可表示为：的关系可表示为： 式中：式中： r rt t、r r0 0温度温度t t、t t0 0时的阻值；时的阻值； t t热力学温度；

57、热力学温度； b b热敏电阻材料常数，一般取热敏电阻材料常数，一般取200020006000k6000k。 若定义若定义 为热敏电阻的温度系数为热敏电阻的温度系数 ，则由，则由 式得：式得： 0 11 () 0 b tt t rr e 0(1 ) t rrt 0(1 ) t rrt 1 t t dr rdt 7.3 热敏电阻 2 1 t t drb a rdtt b b和和 值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，热敏电阻的值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，热敏电阻的 电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高。但热电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高。但热 敏电阻非线

58、性严重，所以实际使用时要对其进行线性化处理。敏电阻非线性严重，所以实际使用时要对其进行线性化处理。 7.3 热敏电阻 7.3.27.3.2热敏电阻输出特性的线性化处理热敏电阻输出特性的线性化处理 热敏电阻值随温度变化呈指数规律，其非线性非常严重。热敏电阻值随温度变化呈指数规律，其非线性非常严重。 线性变换常用的方法有：线性变换常用的方法有： 1 1线性化网络线性化网络 对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数 很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络代替很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络代替 单个热敏电阻，其等效电阻与温

59、度呈一定的线性关系。图单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系。图 7-287-28是两种最简单的线性化方法。是两种最简单的线性化方法。 7.3 热敏电阻 图图7-28 7-28 常用补偿电路常用补偿电路 7.3 热敏电阻 2 2计算修正法计算修正法 大部分传感器的输出特性都存在非线性，因此实大部分传感器的输出特性都存在非线性，因此实 际使用时都必须对其进行线性化处理，其方法有际使用时都必须对其进行线性化处理，其方法有 硬件（电子线路）法和软件（程序）法。硬件（电子线路）法和软件（程序）法。 在带有微处理器的测量系统中，就可以用软件对在带有微处理器的测量系统中，就可以用软件对 传感器进行

60、处理。当已知热敏电阻的实际特性和传感器进行处理。当已知热敏电阻的实际特性和 要求的理想特性时，可以用线性插值等方法将特要求的理想特性时，可以用线性插值等方法将特 性分段并把分段点的值存放在计算机的内存中，性分段并把分段点的值存放在计算机的内存中， 计算机将根据热敏电阻的实际输出值进行校正计计算机将根据热敏电阻的实际输出值进行校正计 算，给出要求的输出值。算，给出要求的输出值。 7.4 集成温度传感器 集成温度传感器是利用晶体管集成温度传感器是利用晶体管pnpn结的电结的电 流电压特性与温度的关系，把感温流电压特性与温度的关系，把感温pnpn结及有关结及有关 电子线路集成在一个小硅片上，构成一个