第9章 温度传感器原理及其应用

1、第第9章章 温度传感器原理及其应用温度传感器原理及其应用 9.1 概述概述 9.2 金属热电阻金属热电阻 9.3 热敏电阻热敏电阻 9.4 热电偶热电偶 9.5 红外传感器红外传感器 9.6 集成温度传感器集成温度传感器 9.1 概述概述 9.1.1 温度传感器的类型和特点温度传感器的类型和特点 温度是一个重要的物理量，它反映了物体冷温度是一个重要的物理量，它反映了物体冷 热的程度，与自然界中的各种物理量和化学热的程度，与自然界中的各种物理量和化学 过程相联系。过程相联系。 测温的方法很多，仅从测量体与被测介质接测温的方法很多，仅从测量体与被测介质接 触与否来分，有触与否来分，有接触式测温接触

2、式测温和和非接触测温非接触测温两两 大类。大类。 接触式测温是基于热平衡原理，非接触式测接触式测温是基于热平衡原理，非接触式测 温是利用物质的热辐射原理进行测量。温是利用物质的热辐射原理进行测量。 温度传感器的分类温度传感器的分类 常用材料温度传感器的类型、测温范围和特点如下：常用材料温度传感器的类型、测温范围和特点如下： 9.1.2 温度传感器的应用温度传感器的应用 温度传感器应用极其广泛，家用的空调系统、温度传感器应用极其广泛，家用的空调系统、 冰箱、电饭煲、电风扇等都要用到温度传感器；冰箱、电饭煲、电风扇等都要用到温度传感器； 工业、航空、海洋开发、生物制药都需要温度工业、航空、海洋开发

3、、生物制药都需要温度 传感器。传感器。 例如：例如：Intel公司在其公司在其Pentium处理器中集成了处理器中集成了 一个远程二极管温度传感器，能更直接测到一个远程二极管温度传感器，能更直接测到 CPU核心的温度变化，通过一根引线接出，由核心的温度变化，通过一根引线接出，由 外部传感器芯片处理，在温度过热时，便自动外部传感器芯片处理，在温度过热时，便自动 降低降低CPU主频或加大风扇功率。主频或加大风扇功率。 9.1.3 温度传感器的发展温度传感器的发展 1）传统的分立式温度传感器）传统的分立式温度传感器 主要能够进行非电量和电量之间的转换。主要能够进行非电量和电量之间的转换。 2）模拟集

4、成温度传感器）模拟集成温度传感器 模拟集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺而制模拟集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺而制 成的，其优点是：功能单一、测量误差小、价格低、成的，其优点是：功能单一、测量误差小、价格低、 响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适 合远距离测温、控温，不需进行非线性校准，外围合远距离测温、控温，不需进行非线性校准，外围 电路简单。电路简单。 3）智能温度传感器）智能温度传感器 目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、 由集成化向智能化、网络化的方向发展。由集成化向智能

5、化、网络化的方向发展。 智能传感器智能传感器是指具有信息检测、信息处理、信息记是指具有信息检测、信息处理、信息记 忆、逻辑思维和判断功能的传感器，它不仅具有传忆、逻辑思维和判断功能的传感器，它不仅具有传 统传感器的所有功能，而且还具有数据处理、故障统传感器的所有功能，而且还具有数据处理、故障 诊断、非线性处理、自校正、自调整以及人机通讯诊断、非线性处理、自校正、自调整以及人机通讯 等许多功能。等许多功能。 智能传感器：智能传感器： 有逻辑思维与判断、信息处理功能，可对检测数值有逻辑思维与判断、信息处理功能，可对检测数值 进行分析、修正和误差补偿。智能传感器可通过用进行分析、修正和误差补偿。智能

6、传感器可通过用 软件对信号滤波，还能用软件实现非线性补偿或其软件对信号滤波，还能用软件实现非线性补偿或其 他更复杂的环境因素补偿，因而提高了测量准确度。他更复杂的环境因素补偿，因而提高了测量准确度。 有自诊断、自校准功能，提高了可靠性。智能传感有自诊断、自校准功能，提高了可靠性。智能传感 器可以检测工作环境，并当环境条件接近临界极限器可以检测工作环境，并当环境条件接近临界极限 时能给出报警信号；当智能传感器因内部故障不能时能给出报警信号；当智能传感器因内部故障不能 正常工作时，通过内部测试环节，可检测出不正常正常工作时，通过内部测试环节，可检测出不正常 现象或部分故障。现象或部分故障。 可实现

7、多传感器多参数复合测量，扩大了检测与适可实现多传感器多参数复合测量，扩大了检测与适 用范围。智能传感器很容易实现多个信号的测量与用范围。智能传感器很容易实现多个信号的测量与 运算。运算。 9.2 金属热电阻金属热电阻 利用导体或半导体的电阻率随温度变化的特性制成的利用导体或半导体的电阻率随温度变化的特性制成的 传感器叫做传感器叫做热电阻式传感器热电阻式传感器，它主要用于对温度和与，它主要用于对温度和与 温度有关的参量进行检测。温度有关的参量进行检测。 测温范围主要在中、低温区域（测温范围主要在中、低温区域（ -200 650 ）。）。 在高温方面，也出现了多种用于在高温方面，也出现了多种用于1

8、000 1300 的的 电阻温度传感器。其测温元件可分为金属热电阻和半电阻温度传感器。其测温元件可分为金属热电阻和半 导体热敏电阻两大类。导体热敏电阻两大类。 9.2.1 金属热电阻的结构金属热电阻的结构 热电阻是由热电阻是由电阻体电阻体、保护套保护套和和接线盒接线盒等主要部件组成，等主要部件组成， 电阻体是热电阻的最主要部分。虽然各种金属材料的电阻体是热电阻的最主要部分。虽然各种金属材料的 电阻率均随温度变化，但作为热电阻的材料，则要求：电阻率均随温度变化，但作为热电阻的材料，则要求： 电阻温度系数要大，以便提高热电阻的灵敏度；电阻温度系数要大，以便提高热电阻的灵敏度； 电阻率尽可能大，以便

9、在相同灵敏度下减小电阻体电阻率尽可能大，以便在相同灵敏度下减小电阻体 尺寸；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； 在整个测量温度范围内，应具有稳定的物理和化学在整个测量温度范围内，应具有稳定的物理和化学 性能；性能； 电阻与温度的关系最好接近线性关系，具有良好的电阻与温度的关系最好接近线性关系，具有良好的 可加工性，且价格便宜。可加工性，且价格便宜。 热电阻的结构形式可根据实际使用制作成各种形状，热电阻的结构形式可根据实际使用制作成各种形状， 图示为金属热电阻的外形与样式。图示为金属热电阻的外形与样式。 它们通常是根据它的部件组成，将双线电阻丝绕

10、在用它们通常是根据它的部件组成，将双线电阻丝绕在用 石英、云母陶瓷和塑料等材料制成的骨架上，可以测石英、云母陶瓷和塑料等材料制成的骨架上，可以测 量的量的 -200 500 温度。温度。 金属热电阻的外形与样式金属热电阻的外形与样式 金属热电阻保护套主要有玻璃、陶瓷或金属等类金属热电阻保护套主要有玻璃、陶瓷或金属等类 型，主要防止有害气体腐蚀，防止氧化（尤其是型，主要防止有害气体腐蚀，防止氧化（尤其是 铜热电阻），水分侵入会造成漏电，影响阻值。铜热电阻），水分侵入会造成漏电，影响阻值。 热电阻也可以是一层薄膜，采用电镀或溅射的方热电阻也可以是一层薄膜，采用电镀或溅射的方 法涂敷在陶瓷类材料基底

11、上，占用体积很小，如法涂敷在陶瓷类材料基底上，占用体积很小，如 右图所示。右图所示。 金属热电阻结构图金属热电阻结构图薄膜金属热电阻结构图薄膜金属热电阻结构图 9.2.2 金属热电阻的工作原理金属热电阻的工作原理 热电阻是利用物质的变化特性制成的，将温度的变化量变换热电阻是利用物质的变化特性制成的，将温度的变化量变换 成与之有一定关系的电阻值的变化量，通过对电阻值的测量成与之有一定关系的电阻值的变化量，通过对电阻值的测量 实现对温度的测量。目前应用较多的热电阻材料有铂和铜以实现对温度的测量。目前应用较多的热电阻材料有铂和铜以 及铁、镍等。及铁、镍等。 1）铂热电阻）铂热电阻 按按IEC标准，铂

12、电阻的测温范围为标准，铂电阻的测温范围为-200 650 。铂电阻。铂电阻 的阻值与温度之间的关系，即特性方程如下：的阻值与温度之间的关系，即特性方程如下： 当温度当温度 时：时： 当温度当温度 时：时： 在在 范围内，范围内，Rt的表达式可近似线性为：的表达式可近似线性为： CtC 0200 )100(1 32 ttCBtAtRR ot CtC 6500 1 2 BtAtRR ot CC 1000 )1 (AtRR ot 2）铜热电阻）铜热电阻 在测量精度不太高，测量范围不大的情况下，可以采在测量精度不太高，测量范围不大的情况下，可以采 用铜电阻代替铂电阻，铜热电阻灵敏度比铂电阻高，用铜电阻

13、代替铂电阻，铜热电阻灵敏度比铂电阻高， 价格便宜，也能达到精度要求。价格便宜，也能达到精度要求。 铜热电阻外观形式铜热电阻外观形式 铜电阻的缺点是电阻率较低，电阻体的体积较大，铜电阻的缺点是电阻率较低，电阻体的体积较大， 热惯性也较大，在热惯性也较大，在100以上易氧化，因此只能用于以上易氧化，因此只能用于 150 以下低温及无水分、无腐蚀性的介质中。以下低温及无水分、无腐蚀性的介质中。 3）其它热电阻）其它热电阻 上述两种热电阻对于低温和超低温测量性能不理想，上述两种热电阻对于低温和超低温测量性能不理想， 而铟、锰、碳等热电阻却是测量低温和超低温理想而铟、锰、碳等热电阻却是测量低温和超低温理

14、想 材料。材料。 铟电阻：用高纯度的铟丝绕成电阻，可在室温至铟电阻：用高纯度的铟丝绕成电阻，可在室温至 4.2K温度范围内使用。温度范围内使用。 锰电阻：在锰电阻：在263K温度范围内，电阻随温度变化大，温度范围内，电阻随温度变化大， 灵敏度高。缺点是材料脆，难拉成丝。灵敏度高。缺点是材料脆，难拉成丝。 碳电阻：适合用液氦温域（碳电阻：适合用液氦温域（ 4.2K ）的温度测量，价）的温度测量，价 廉，对磁场不敏感，但热稳定较差。廉，对磁场不敏感，但热稳定较差。 9.2.3金属热电阻的应用电路金属热电阻的应用电路 金属热电阻广泛的应用在缸体、油管、水管、纺机、金属热电阻广泛的应用在缸体、油管、水

15、管、纺机、 空调、热水器等狭小空间工业设备测温和控制。空调、热水器等狭小空间工业设备测温和控制。 汽车空调、冰箱、冷柜、饮水机、咖啡机及恒温等汽车空调、冰箱、冷柜、饮水机、咖啡机及恒温等 场合也经常使用。场合也经常使用。 1）热电阻的连接法）热电阻的连接法 在实际使用时，金属热电阻的连接方法不同，其测在实际使用时，金属热电阻的连接方法不同，其测 量精度也不同，最常用的测量电路的电桥电路，可量精度也不同，最常用的测量电路的电桥电路，可 采用三线或四线电桥连接法。采用三线或四线电桥连接法。 为了高精度地测量温度，可将电阻测量仪设计成四为了高精度地测量温度，可将电阻测量仪设计成四 线制测量电路。线制

16、测量电路。 热电阻的三线制接法原理图热电阻的三线制接法原理图 热电阻的四线制接法原理图热电阻的四线制接法原理图 2）Pt100三线制测温原理三线制测温原理 三线制测温电路可以巧妙地克服电阻随温度的变化三线制测温电路可以巧妙地克服电阻随温度的变化 而对整个电路产生的影响，它适合于远距离的测量。而对整个电路产生的影响，它适合于远距离的测量。 3）Pt100四线制测量电路四线制测量电路 四线制测量电路采用恒流源供电，它是从热电阻两端四线制测量电路采用恒流源供电，它是从热电阻两端 引出引出4根线，接线时电路回路和电压测量回路独立分根线，接线时电路回路和电压测量回路独立分 开接法，测量精度高，但是需要导

17、线多，它也适合远开接法，测量精度高，但是需要导线多，它也适合远 距离测量。距离测量。 4）AD22055集成温度调理电路集成温度调理电路 调理电路采用了调理电路采用了AD22055型桥式传感器信号放大器，型桥式传感器信号放大器， 该放大器放大增益通过外部电子进行调整，具有增益误该放大器放大增益通过外部电子进行调整，具有增益误 差和温度漂移补偿功能，内部有瞬变过电压保护电路和差和温度漂移补偿功能，内部有瞬变过电压保护电路和 射频干扰滤波器，适合工业现场使用。射频干扰滤波器，适合工业现场使用。 AD22055型桥式传感器信号放大器应用型桥式传感器信号放大器应用 9.3 热敏电阻热敏电阻 9.3.1

18、 热敏电阻的结构热敏电阻的结构 热敏电阻是由一些金属氧化物的粉末按一定比例混热敏电阻是由一些金属氧化物的粉末按一定比例混 合烧结而成的半导体。通过不同的材质组合，能得合烧结而成的半导体。通过不同的材质组合，能得 到热敏电阻不同的电阻值及不同的温度特性。到热敏电阻不同的电阻值及不同的温度特性。 热敏电阻主要由热敏探头热敏电阻主要由热敏探头1、引线、引线2、壳体、壳体3等构成。等构成。 热敏电阻器的结构及符号热敏电阻器的结构及符号 热敏电阻一般做成二端器件，但也有做成三端或四端器件的。热敏电阻一般做成二端器件，但也有做成三端或四端器件的。 二端和三端器件为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路中二端和

19、三端器件为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路中 获得功率。四端器件则为旁热式。获得功率。四端器件则为旁热式。 根据不同的使用要求，可以把热敏电阻做成不同的形状和结根据不同的使用要求，可以把热敏电阻做成不同的形状和结 构，其典型结构如图所示。构，其典型结构如图所示。 热敏电阻的外观热敏电阻的外观 9.3.2 热敏电阻的温度特性热敏电阻的温度特性 热敏电阻按其物理特性分为三大特性，即：负温度热敏电阻按其物理特性分为三大特性，即：负温度 系数热敏电阻系数热敏电阻NTC、正温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻PTC和临和临 界温度系数热敏电阻界温度系数热敏电阻CTR。 热敏电阻阻值温度特性曲线热敏电阻

20、阻值温度特性曲线 1）负温度系数热敏电阻）负温度系数热敏电阻NTC的温度特性：的温度特性： 负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴和氧化铝负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴和氧化铝 等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制成。等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制成。 它们具有半导体性质，有灵敏度高、稳定性好、响它们具有半导体性质，有灵敏度高、稳定性好、响 应快、寿命长、价格低等优点，广泛应用于需要定应快、寿命长、价格低等优点，广泛应用于需要定 点测温的自动控制电路中，如冰箱、空调等。点测温的自动控制电路中，如冰箱、空调等。 2）正温度系数热敏电阻）正温度系数热敏电阻PTC的温度特性的温度特性

21、正温度系数热敏电阻是以钛酸钡为基本材料，再掺正温度系数热敏电阻是以钛酸钡为基本材料，再掺 入适量的稀土元素，利用陶瓷工艺高温烧结而成。入适量的稀土元素，利用陶瓷工艺高温烧结而成。 3）临界温度系数热敏电阻）临界温度系数热敏电阻CTR的温度特性的温度特性 临界温度系数热敏电阻临界温度系数热敏电阻CTR的特性是在某一特性温的特性是在某一特性温 度下电阻值会发生变化，也属于负温度系数，主要度下电阻值会发生变化，也属于负温度系数，主要 用于温度开关类的控制。用于温度开关类的控制。 9.3.3 热敏电阻的主要参数和优点热敏电阻的主要参数和优点 热敏电阻的主要参数有热敏电阻的主要参数有 ： 标称阻值标称阻

22、值 温度系数温度系数 散热系数散热系数 时间常数时间常数 热敏电阻与金属电阻比较的优点热敏电阻与金属电阻比较的优点 ： 由于有较大的电阻温度系数，所以灵敏度很高，可测得微小由于有较大的电阻温度系数，所以灵敏度很高，可测得微小 温度的变化；温度的变化； 热敏电阻元件根据需要可制作成多种形状；热敏电阻元件根据需要可制作成多种形状； 热敏电阻的阻值很大，当远距离测量时导线电阻的影响可不热敏电阻的阻值很大，当远距离测量时导线电阻的影响可不 考虑；考虑； 具有较好的稳定性。具有较好的稳定性。 9.3.4热敏电阻的应用电路热敏电阻的应用电路 热敏电阻应用广泛，常用于家用空调、汽车空调、热敏电阻应用广泛，常

23、用于家用空调、汽车空调、 冰箱、冷柜、热水器、饮水机、暖风机、洗碗机、冰箱、冷柜、热水器、饮水机、暖风机、洗碗机、 消毒柜、洗衣机、烘干机以及中低温干燥箱、恒温消毒柜、洗衣机、烘干机以及中低温干燥箱、恒温 箱等场合的温度测量与控制的场合。箱等场合的温度测量与控制的场合。 1）NTC热敏电阻实现单点温度控制电路如图所示。热敏电阻实现单点温度控制电路如图所示。 2）PTC热敏电阻组成的测温电路热敏电阻组成的测温电路 0100的测温电路是应用广泛的电路之一，实现的形式的测温电路是应用广泛的电路之一，实现的形式 也是多种多样，下图是采用正温度系数的热敏电阻组成的也是多种多样，下图是采用正温度系数的热敏

24、电阻组成的 电路。电路。 热敏电阻测量单点温度原理图热敏电阻测量单点温度原理图 3）CPU温度检测温度检测 电脑在使用过程中，当电脑在使用过程中，当CPU工作繁忙的时候，工作繁忙的时候，CPU 温度往往升高，若不加处理，会造成温度往往升高，若不加处理，会造成CPU的烧毁，的烧毁， 在在CPU插槽中，用热敏电阻测温，然后通过相关电插槽中，用热敏电阻测温，然后通过相关电 路进行处理，实施保护。路进行处理，实施保护。 用热敏电阻实现过热保护原理图用热敏电阻实现过热保护原理图 4）电视或电脑显像管消磁）电视或电脑显像管消磁 显像管对磁场比较敏感，使用不当都会使屏幕出现显像管对磁场比较敏感，使用不当都会

25、使屏幕出现 色彩不良现象，需在其内部设置自动消磁电路。每色彩不良现象，需在其内部设置自动消磁电路。每 开启一次主电源，自动消磁电路就会工作一次，可开启一次主电源，自动消磁电路就会工作一次，可 消除地磁及周围磁场对显像管荧光色纯的影响。消除地磁及周围磁场对显像管荧光色纯的影响。 用热敏电阻对显像管消磁原理图用热敏电阻对显像管消磁原理图 5）单相异步电动机起动）单相异步电动机起动 对于启动时需要较大功率，运动时功率又较小的这类单相对于启动时需要较大功率，运动时功率又较小的这类单相 电动机（冰箱压缩机、空调机等），往往采用启动后将启电动机（冰箱压缩机、空调机等），往往采用启动后将启 动绕组通过离心开

26、关将其断开。动绕组通过离心开关将其断开。 如采用如采用PTC热敏电阻作为启动线圈自动通断的无触点开关热敏电阻作为启动线圈自动通断的无触点开关 时，则效果更好，寿命更长。时，则效果更好，寿命更长。 单相异步电动机起动用热敏电阻原理图单相异步电动机起动用热敏电阻原理图 6）管道流量测量）管道流量测量 管道流量的测量是工业中常遇到的测量类型，实现的方法管道流量的测量是工业中常遇到的测量类型，实现的方法 也很多，用热敏电阻实现的原理如图所示。也很多，用热敏电阻实现的原理如图所示。 9.4 热电偶热电偶 9.4.1 热电偶的分类与结构热电偶的分类与结构 热电偶结构形式很多，按热电偶结构划分有热电偶结构形

27、式很多，按热电偶结构划分有普通热普通热 电偶电偶、铠装热电偶铠装热电偶、薄膜热电偶薄膜热电偶、表面热电偶表面热电偶。 普通热电偶：工业上常用的热电偶一般由热电极、普通热电偶：工业上常用的热电偶一般由热电极、 绝缘管、保护套管、接线盒、接线盒盖组成。这种绝缘管、保护套管、接线盒、接线盒盖组成。这种 热电偶主要用于气体、蒸汽、液体等介质的测温。热电偶主要用于气体、蒸汽、液体等介质的测温。 铠装热电偶：由热电偶丝、绝缘材料（氧化铁）、铠装热电偶：由热电偶丝、绝缘材料（氧化铁）、 不锈钢保护管组合在一起经拉制工艺制成。不锈钢保护管组合在一起经拉制工艺制成。 薄膜热电偶：由两种金属薄膜连接在一起的特殊结

28、薄膜热电偶：由两种金属薄膜连接在一起的特殊结 构的热电偶。构的热电偶。 表面热电偶：分为永久性安装和非永久性安装两种，表面热电偶：分为永久性安装和非永久性安装两种， 主要用来测量金属块、炉壁、橡胶筒、涡轮叶片等主要用来测量金属块、炉壁、橡胶筒、涡轮叶片等 固体的表面温度。固体的表面温度。 （c）薄膜热电偶）薄膜热电偶 热电偶及其结构示意图热电偶及其结构示意图 热电偶的外形与样式热电偶的外形与样式 9.4.2 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 热电偶的工作原理是物体的热电效应。热电偶的工作原理是物体的热电效应。1823年，赛年，赛 贝壳（贝壳（Seebeck）发现，）发现，当两种不同的金属导体两

29、当两种不同的金属导体两 端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不 等（等（TT0）时，回路中会产生热电势，形成电流，）时，回路中会产生热电势，形成电流， 这种现象称为这种现象称为热电效应热电效应。产生的电动势叫做热电势，。产生的电动势叫做热电势， 用用 来表示。来表示。),( 0 TTE AB 通常把两种不同金属的组合称为通常把两种不同金属的组合称为热电偶热电偶，A和和B称称 为热电极，温度高的结点称为测量端（也称为工作为热电极，温度高的结点称为测量端（也称为工作 端或热端），而温度低的结点称为参考端（也称自端或热端），而温度低的结点称为参考端（

30、也称自 由端或冷端）。由端或冷端）。 用热电偶把被测温度信号转变为热电势信号，用电用热电偶把被测温度信号转变为热电势信号，用电 测仪表测出电势大小，就可间接求得被测温度值。测仪表测出电势大小，就可间接求得被测温度值。 热电效应产生的热电势是由热电效应产生的热电势是由接触电势接触电势和和温差电势温差电势两两 部分组成。部分组成。 （1） 接触电动势接触电动势 A、B两导体接触后，由于电子浓度不同，在截面附近两导体接触后，由于电子浓度不同，在截面附近 产生接触电势：产生接触电势： 波尔茨曼常数，电子电荷量，波尔茨曼常数，电子电荷量，A、B电子电子 浓度，绝对温度。浓度，绝对温度。 热电势的方向与导

31、体电子浓度热电势的方向与导体电子浓度n有关。显然，当有关。显然，当AB材料已材料已 定时，接触电势与温度定时，接触电势与温度T（绝对温度）有关。（绝对温度）有关。 B A AB n n q KT Teln)( 0 00 ,() T ABAB T eT TeT TdT （2） 温差电动势温差电动势 当一块导体两端温度不同时，在导体两端形成温差电势。当一块导体两端温度不同时，在导体两端形成温差电势。 0 0 ( ,) T n T e T Tdt 汤奴逊系数，与材料性质及导体两端平均温度有关汤奴逊系数，与材料性质及导体两端平均温度有关 。 （3） 热电偶回路的总热电动势热电偶回路的总热电动势 当两种

32、材料当两种材料A、B组成闭合回路时，回路中总电动势为：组成闭合回路时，回路中总电动势为： 0000 ( ,)( )()( ,)( ,) ABABABBA ET TeTeTeT TeT T 当当0， ， AB时，时，A为正极，为正极，B为负极。由于接触为负极。由于接触 电势远大于温差电势，所以可忽略温差电势的影响，即：电势远大于温差电势，所以可忽略温差电势的影响，即： ),()()(),( 000 TTfTeTeTTE ABABAB 121332 ( ,)( ,)( ,) ABABAB Et tEt tEt t 一般热电偶的分度表（输出特性）是在冷端为一般热电偶的分度表（输出特性）是在冷端为0时

33、给时给 出的，若测量时冷端不为出的，若测量时冷端不为0，则可据此修正。，则可据此修正。 中间温度定律：热电偶中间温度定律：热电偶AB的电动势仅取决于热电偶的的电动势仅取决于热电偶的 材料和两节点的温度，而与温度沿热电极的分布无关。材料和两节点的温度，而与温度沿热电极的分布无关。 均匀电路定律：由单一的金属构成的回路中不存在热均匀电路定律：由单一的金属构成的回路中不存在热 电势。电势。 （4）热电偶基本定理）热电偶基本定理 中间导体定律：在由中间导体定律：在由A、B两种导体组成的热电偶回路两种导体组成的热电偶回路 中，将冷端断开，接入第三种或更多种导体，只要保证接入端中，将冷端断开，接入第三种或

34、更多种导体，只要保证接入端 的温度相同，则回路总电势不变。的温度相同，则回路总电势不变。 标准电极定律：标准电极定律： 若热电偶若热电偶AB的两个节点的温度为的两个节点的温度为T 和和T0，则回路的热电动势等于热电偶，则回路的热电动势等于热电偶AC和热电偶和热电偶CB的热的热 电动势之和，即电动势之和，即 有时热电偶的两个极有时热电偶的两个极AB的分度表不知，但知道的分度表不知，但知道AC、 BC的分度表，据此则可获得的分度表，据此则可获得A、B的分度表。的分度表。 ),(),(),( 212121 ttEttEttE CBACAB 等值替代等值替代定律：如果使一热电偶在某一温度范围内所产定律

35、：如果使一热电偶在某一温度范围内所产 生的热电势等于另一支热电偶在同一温度范围内所产生的热电生的热电势等于另一支热电偶在同一温度范围内所产生的热电 势，则这两支热电偶在该温度范围内可以互相代用。势，则这两支热电偶在该温度范围内可以互相代用。 如果以如果以A、B组成的热电偶作为测量用的热电偶，则组成的热电偶作为测量用的热电偶，则C、D 两线我们称之为两线我们称之为补偿导线补偿导线。 补偿导线的作用：为使热电势与被测温度间成单值函数关补偿导线的作用：为使热电势与被测温度间成单值函数关 系，需要将热电偶自由端（冷端）的温度保持恒定（最好为系，需要将热电偶自由端（冷端）的温度保持恒定（最好为 0），可

36、以把热电偶做得很长，使自由端远离工作端，并同），可以把热电偶做得很长，使自由端远离工作端，并同 测量仪表一起放置到恒温或温度波动较小的地方，但这种方法测量仪表一起放置到恒温或温度波动较小的地方，但这种方法 安装使用不方便，并且耗费许多贵重金属材料。一般是用补偿安装使用不方便，并且耗费许多贵重金属材料。一般是用补偿 导线将热电偶自由端延伸出来，远离工作端，延伸到温度恒定导线将热电偶自由端延伸出来，远离工作端，延伸到温度恒定 的地方，使的地方，使t0稳定，同时用廉价金属替代了贵金属，便于安装稳定，同时用廉价金属替代了贵金属，便于安装 和敷设。和敷设。 9.4.3 热电偶的参数热电偶的参数 1）分度

37、号）分度号 国际上，按热电偶的国际上，按热电偶的A、B热电极材料不同分成若干热电极材料不同分成若干 个分度号，如常用的个分度号，如常用的K（镍铬（镍铬镍硅或镍铝）、镍硅或镍铝）、E （镍铬（镍铬康铜）、康铜）、T（铜（铜康铜）等，并且有相应的康铜）等，并且有相应的 分度表，详见附录分度表，详见附录B。 2）分度表）分度表 国际计量委员会对热电偶的每一度的热电势做了非常国际计量委员会对热电偶的每一度的热电势做了非常 精密的测试，并向全世界公布了它们分度表。精密的测试，并向全世界公布了它们分度表。 通过测量热电偶输出的热电势再查分度表得到相应的通过测量热电偶输出的热电势再查分度表得到相应的 温度值

38、。每分档，中间值按内插法计算。温度值。每分档，中间值按内插法计算。 S分度号热分度号热 电偶的分度表如下所示。电偶的分度表如下所示。 9.4.4 热电偶的特点热电偶的特点 （1）热电偶的特点）热电偶的特点 1）测温范围宽，能测量较高的温度。）测温范围宽，能测量较高的温度。 2）输出电压信号，测量方便、便于远距离传输、集中）输出电压信号，测量方便、便于远距离传输、集中 检测和控制。检测和控制。 3）结构简单、性能稳定、维护方便、准确度高。）结构简单、性能稳定、维护方便、准确度高。 4）热惯性和热容量小，便于快速测量。）热惯性和热容量小，便于快速测量。 5）自身产生电压，不需要外加驱动电源，是典型

39、的自）自身产生电压，不需要外加驱动电源，是典型的自 发电式传感器。发电式传感器。 （2）热电偶的缺点）热电偶的缺点 低灵敏度、低稳定性、响应速度慢、高温下容易老低灵敏度、低稳定性、响应速度慢、高温下容易老 化和有漂移，以及非线性。且热电偶需要外部参考化和有漂移，以及非线性。且热电偶需要外部参考 端。端。 9.4.5 热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端温度补偿 1）补偿导线法）补偿导线法 为了使热电偶冷端温度保持稳定，可将热电偶做得很长，使为了使热电偶冷端温度保持稳定，可将热电偶做得很长，使 冷端远离工作时，并连同测量仪表一起放置在恒温或温度波冷端远离工作时，并连同测量仪表一起放置在恒温或温度波

40、动比较小地方，但这种方法一方面使安装使用不方便，另一动比较小地方，但这种方法一方面使安装使用不方便，另一 方面可能耗费许多贵重的金属材料。方面可能耗费许多贵重的金属材料。 因此，一般是用一种称为补偿导线的连接线将热电偶冷端延因此，一般是用一种称为补偿导线的连接线将热电偶冷端延 伸出来。伸出来。 我国生产的常用热电偶补偿导线的型号、线芯材质、我国生产的常用热电偶补偿导线的型号、线芯材质、 绝缘层着色及允差等级如表所示。绝缘层着色及允差等级如表所示。 2 2）冷端温度恒温法）冷端温度恒温法 在一个保温容器里放冰水混合物，在一个保温容器里放冰水混合物，1 1个标准大气压下个标准大气压下 （101.3

41、25kPa101.325kPa）冰和纯水的平衡温度为）冰和纯水的平衡温度为00。 自由端恒温法适用于实验中的精确测量和检定热电自由端恒温法适用于实验中的精确测量和检定热电 偶时使用。偶时使用。 冷端处理用冰点槽法冷端处理用冰点槽法 3）冷端温度校正法）冷端温度校正法 由于热电偶的温度分度表是在冷端温度保持在由于热电偶的温度分度表是在冷端温度保持在00的的 情况下得到的，与它配套使用的测量电路或显示仪情况下得到的，与它配套使用的测量电路或显示仪 表又是根据这一关系曲线进行刻度的，因此冷端温表又是根据这一关系曲线进行刻度的，因此冷端温 度不等于度不等于00时，就需对仪表指示值加以修正。时，就需对仪

42、表指示值加以修正。 4）冷端温度电桥补偿法）冷端温度电桥补偿法 用电桥在温度变化时的不平衡电压（补偿电压）去用电桥在温度变化时的不平衡电压（补偿电压）去 消除冷端温度变化对热电偶电势的影响，这种装置消除冷端温度变化对热电偶电势的影响，这种装置 称为冷端温度补偿器。称为冷端温度补偿器。 热电偶桥式冷端温度补偿原理图热电偶桥式冷端温度补偿原理图 mV EAB(T,T0) T0 T0 T A B + +- ab U Uab RCu R1R2 R3 R 9.4.6 热电偶的应用电路热电偶的应用电路 热电偶应用极其广泛，如在电力冶金、水利工程、石油化工、热电偶应用极其广泛，如在电力冶金、水利工程、石油化

43、工、 轻工纺织、科研、工业锅炉、工业过程控制、自动化仪表、轻工纺织、科研、工业锅炉、工业过程控制、自动化仪表、 温室监测等方面应用非常多。温室监测等方面应用非常多。 1）用）用AD592做冷端补偿的热电偶应用电路做冷端补偿的热电偶应用电路 如图所示，图中如图所示，图中MC1403为精密电压源，为精密电压源，AD592为电流输出为电流输出 型集成温度传感器，作冷端温度补偿。型集成温度传感器，作冷端温度补偿。 AD592做冷端补偿的应用原理图做冷端补偿的应用原理图 2）AD594集成式单片热电偶冷端温度补偿器集成式单片热电偶冷端温度补偿器 AD594AD594、AD595AD595、AD597AD

44、597等是美国等是美国ADIADI公司生产的单片热电偶冷公司生产的单片热电偶冷 端补偿器，内部还集成了仪用放大器，所以除能实现对不同端补偿器，内部还集成了仪用放大器，所以除能实现对不同 的热电偶进行冷端补偿之外，还可作为线性放大器。的热电偶进行冷端补偿之外，还可作为线性放大器。 下图为下图为AD594CAD594C的应用电路图。热电偶的信号经过的应用电路图。热电偶的信号经过AD594AD594的冷的冷 端补偿和放大后，再用端补偿和放大后，再用OP07OP07放大后输出。放大后输出。 AD594应用原理图应用原理图 3）AD693的热电偶调理电路的热电偶调理电路 该电路与该电路与AD592构成带

45、冷端温度补偿的热电偶测温构成带冷端温度补偿的热电偶测温 电路，该电路能将热力学温度电路，该电路能将热力学温度K转成摄氏温度，再转成摄氏温度，再 变换成标准电流信号便于远距离传输，并能够灵活变换成标准电流信号便于远距离传输，并能够灵活 地设定温度范围。地设定温度范围。 AD693为热电偶调理电路的应用原理图为热电偶调理电路的应用原理图 9.4.7 热电偶安装注意事项热电偶安装注意事项 1）插入深度要求）插入深度要求 安装时热电偶的测量端应用足够的插入深度，管道安装时热电偶的测量端应用足够的插入深度，管道 上安装时应使保护套管的测量端超过管道中心线。上安装时应使保护套管的测量端超过管道中心线。 2

46、）注意保温）注意保温 为防止传导散热产生测温附加误差，保护套管露在为防止传导散热产生测温附加误差，保护套管露在 设备外部的长度应尽量短，并加保温层。设备外部的长度应尽量短，并加保温层。 3）防止变形）防止变形 为防止高温下保护套管变形，应尽量垂直安装。在为防止高温下保护套管变形，应尽量垂直安装。在 有流速的管道中必须倾斜安装，如有条件应尽量在有流速的管道中必须倾斜安装，如有条件应尽量在 管道的弯管处安装，并且安装的测量端要迎向流速管道的弯管处安装，并且安装的测量端要迎向流速 方向。若需水平安装时，则应有支架支撑。方向。若需水平安装时，则应有支架支撑。 9.5 红外传感器红外传感器 9.5.1

47、红外传感器的分类红外传感器的分类 把红外辐射转换成电量变化的装置，称为把红外辐射转换成电量变化的装置，称为红外传感红外传感 器器。红外传感器主要是利用被测物体热辐射而发出。红外传感器主要是利用被测物体热辐射而发出 红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。 红外传感器主要分为红外传感器主要分为光电型光电型和和热敏型热敏型。 1）光电型是利用红外辐射的光电效应制成的，其核心是光电）光电型是利用红外辐射的光电效应制成的，其核心是光电 元件，这类传感器主要有红外二极管、三极管等。元件，这类传感器主要有红外二极管、三极管等。 2）热敏型主要制作红外温度传感器，它是

48、利用红外辐射的热）热敏型主要制作红外温度传感器，它是利用红外辐射的热 效应制成的，其核心是热敏元件。热敏元件吸收红外线的辐效应制成的，其核心是热敏元件。热敏元件吸收红外线的辐 射能后引起温度升高，从而测出物体的温度。射能后引起温度升高，从而测出物体的温度。 热探测器的种类主要分四类：热释电型、热敏电阻热探测器的种类主要分四类：热释电型、热敏电阻 型、热电阻型和气体型。型、热电阻型和气体型。 9.5.2 红外传感器的工作原理与结构红外传感器的工作原理与结构 1）红外传感器的工作原理）红外传感器的工作原理 红外传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统红外传感器包括光学系统、检测元件和转换电

49、路。光学系统 按结构不同可分透射式和反射式两类。检测元件按工作原理按结构不同可分透射式和反射式两类。检测元件按工作原理 可分热敏元件和光电检测元件。可分热敏元件和光电检测元件。 热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射 时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。 红外线传感器测温原理图红外线传感器测温原理图 2）红外传感器的外形结构）红外传感器的外形结构 红外传感器的外形，如图所示。红外传感器的外形，如图所示。 9.5.3 红外传感器的应用电路红外传感器的应用电路

50、1）红外测温仪）红外测温仪 红外测温仪一般用于探测目标的红外辐射和测定红外测温仪一般用于探测目标的红外辐射和测定 其辐射强度，确定目标的温度。它采用滤光片可其辐射强度，确定目标的温度。它采用滤光片可 分离出所需的波段，因而该仪器能工作在任意波分离出所需的波段，因而该仪器能工作在任意波 段。段。 红外测温仪的电路比较复杂，包括前置放大、选红外测温仪的电路比较复杂，包括前置放大、选 频放大、温度补偿、线性化、发射率调节等。红频放大、温度补偿、线性化、发射率调节等。红 外测温仪的光学系统可以是透射式，也可以是反外测温仪的光学系统可以是透射式，也可以是反 射式。反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜。射式

51、。反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜。 国产系列红外测温仪，红外辐射经光学镜头接收传国产系列红外测温仪，红外辐射经光学镜头接收传 输至光电器件上，由于红外器件的响应特性，为防输至光电器件上，由于红外器件的响应特性，为防 止饱和，须经对数放大处理，为了稳定可靠又经严止饱和，须经对数放大处理，为了稳定可靠又经严 格的温度补偿及各种功能调节设置，再经线性处理格的温度补偿及各种功能调节设置，再经线性处理 后输出。后输出。 国产国产H-TH-T系列红外测温仪测温原理图系列红外测温仪测温原理图 2）红外线辐射温度计测人体温度）红外线辐射温度计测人体温度 人体主要辐射波长为人体主要辐射波长为910mm的红外

52、线，通过对人的红外线，通过对人 体自身辐射红外能量的测量，便能准确地测定人体体自身辐射红外能量的测量，便能准确地测定人体 表面温度。表面温度。 由于该波长范围内的光线不被空气所示吸收，因而由于该波长范围内的光线不被空气所示吸收，因而 可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温 度。红外温度测量技术的最大优点是测试速度快，度。红外温度测量技术的最大优点是测试速度快， 1s内可测试完毕。内可测试完毕。 红外温度快速检测仪为在人流量较大的公共场合所红外温度快速检测仪为在人流量较大的公共场合所 降低病毒的扩散和传播提供快速、非接触测量手段，降低病毒的扩散和传播提供快速、非接触测量手段， 可广泛用于机场、海关、车站、宾馆、商场、影院、可广泛用于机场、海关、车站、宾馆、商场、影院、 写字楼、学校等人流较大的公共场所，对体温超过写字楼、学校等人流较大的公共场所，对体温超过 的人员进行有效筛选，如图所示。的人员进行有效筛选，如图所示。 测量人体温度示意图测量人体温度示意图 3）红外线辐射温度计的其他应用）红外线辐射温度计的其他应用 9.6 集成温度传感器集成温度传感器 9.6.1 集成温度传感器的分类集成温度传感器的分类 集成温度传感器常分为模拟式和