第六章温度检测

1、2本章教学本章教学: :p了解热电偶、热电阻的原理、种类、结构与应用；了解热电偶、热电阻的原理、种类、结构与应用；p掌握半导体热敏电阻、半导体温度传感器的原理、掌握半导体热敏电阻、半导体温度传感器的原理、种类与应用特点，应用电路设计；种类与应用特点，应用电路设计；p了解非接触式测温。了解非接触式测温。3 温度是一个重要的物理参数，许多重要的物理、化学过程温度是一个重要的物理参数，许多重要的物理、化学过程都要求在一定的温度条件下才能正常进行。温度的检查方法和都要求在一定的温度条件下才能正常进行。温度的检查方法和仪表在科学研究和工农业生产中得到了广泛的应用。本章首先仪表在科学研究和工农业生产中得到

2、了广泛的应用。本章首先介绍温标的概念，然后分别介绍接触式测温传感器和非接触式介绍温标的概念，然后分别介绍接触式测温传感器和非接触式测温仪表。在接触式测温传感器中介绍热电阻和热电偶；在非测温仪表。在接触式测温传感器中介绍热电阻和热电偶；在非接触式测温中，介绍光学高温计、光电高温计、辐射温度计和接触式测温中，介绍光学高温计、光电高温计、辐射温度计和比色温度计。比色温度计。4 概述概述 热电阻式传感器热电阻式传感器 热电偶传感器热电偶传感器 本章本章重点：热电偶冷端温度补偿方法，热电势计算方法；重点：热电偶冷端温度补偿方法，热电势计算方法； 本章难点本章难点：热电偶冷端温度补偿方法，热电势计算方法。

3、：热电偶冷端温度补偿方法，热电势计算方法。本章教学本章教学: :51) 温度的基本概念和测量方法温度的基本概念和测量方法2) 温标温标6反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化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。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：以热平衡为基础的，：以热平衡为基础的，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体接触当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡后就会产生导热换热，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。状态，则它们具有相同的温度。测量方法测量方法：接触式

4、测温和非接触式测温：接触式测温和非接触式测温7接触式测温 温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。度相等。常用的接触式测温仪表常用的接触式测温仪表：(1) (1) 膨胀式温度计。膨胀式温度计。(2) (2) 热电阻温度计。热电阻温度计。 (3) (3) 热电偶温度计。热电偶温度计。(4) (4) 其他原理的温度计。其他原理的温度计。8接触式测温特点 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。缺点：缺点：由于敏感元件必须与被测对象接触，在接触过程中就可能破坏被测由于敏感元件必须与被测对象接触，在接触过程中就

5、可能破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误差。对象的温度场分布，从而造成测量误差。有的测温元件不能和被测对象充分接触，不能达到充分的热平衡，有的测温元件不能和被测对象充分接触，不能达到充分的热平衡，使测温元件和被测对象温度不一致，也会带来误差。使测温元件和被测对象温度不一致，也会带来误差。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，影响测温元件的可靠性和工作寿命。元件的可靠性和工作寿命。 9非接触测温温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算

6、被测物体的温度。交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。常用的非接触式测温仪表常用的非接触式测温仪表：(1) (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) (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，不破坏原有的温度场，在被测物不与被测物体接触，不破坏原有的温度场，在被测物 体为运动物体时尤为适用。体为运动物体时尤为适用。缺点缺点：精度一般不高。：精度一般

7、不高。10建立温标必须具备三个条件：建立温标必须具备三个条件：(1)(1)固定的温度点（基准点）固定的温度点（基准点） (2)(2)测温仪器（确定测温质和测温量测温仪器（确定测温质和测温量 ） (3)(3)温标方程（内插公式）温标方程（内插公式）11(1) (1) 经验温标经验温标(2) (2) 热力学温标热力学温标 (3) (3) 国际温标国际温标(4) 1990(4) 1990年国际温标年国际温标12(1)经验温标由由特定的测温质特定的测温质和和测温量测温量所确定的温标所确定的温标华氏温标华氏温标(华氏温度华氏温度-32)-32)* *5/9=5/9=摄氏温度摄氏温度 17141714年德

8、国人华伦海特年德国人华伦海特(Fahrenheit)(Fahrenheit)在沸点和冰点之在沸点和冰点之间等分为间等分为180180份，每份为份，每份为1 1华氏度华氏度(1(10 0F) F) 。摄氏温标摄氏温标17421742年瑞典人摄尔塞斯年瑞典人摄尔塞斯(Celsius)(Celsius)规定水的冰点沸点之规定水的冰点沸点之间等分为间等分为100100份，每份为份，每份为1 1摄氏度摄氏度(1(10 0C) C) 。经验温标经验温标是借助于一些物质的物理量与温度之间的关是借助于一些物质的物理量与温度之间的关系，用实验方法得到的经验公式来确定温度值的标尺，系，用实验方法得到的经验公式来确

9、定温度值的标尺，因此有因此有局限性局限性和和任意性任意性。13(2)热力学温标18481848年物理学家年物理学家开尔文开尔文(Kelvin)(Kelvin)首先提出首先提出 确定的温度数值：热力学温度，绝对温度，用符号确定的温度数值：热力学温度，绝对温度，用符号T T表示，单位为开尔文，用表示，单位为开尔文，用K K表示。表示。热力学温度的起点为绝对零度，所以它不可能为负热力学温度的起点为绝对零度，所以它不可能为负值，且冰点是值，且冰点是273.15K273.15K，沸点是，沸点是373.15K373.15K。请注意水。请注意水的冰点和三相点是不一样的，两者相差的冰点和三相点是不一样的，两者

10、相差0.01K0.01K。14(3)国际温标 1927年国际温标(ITS-27) 1927 1927年第七届国际计量大会决定采用年第七届国际计量大会决定采用具有具有3 3个基本特点个基本特点： 尽可能接近热力学温标尽可能接近热力学温标; ; 复显精度高并能确保量值的统一；复显精度高并能确保量值的统一； 用以复现的标准温度计使用方便，性能稳定。用以复现的标准温度计使用方便，性能稳定。国际温标经过几次修改：国际温标经过几次修改：19481948年国际温标年国际温标(ITS(ITS48)48)，19681968年国际实用温标年国际实用温标(IPTS(IPTS68)68)，19901990年国际年国际

11、温标温标(ITS(ITS90)90)15(4)1990年国际温标(ITS90)根据第根据第1818届国际计量大会的决议，届国际计量大会的决议，自自19901990年年1 1月月1 1日起开日起开始在全世界实行始在全世界实行我国：自我国：自19941994年年1 1月月1 1日开始全面实施日开始全面实施9090国际温标主要有三方面内容国际温标主要有三方面内容：温度单位温度单位 定义固定温度点定义固定温度点 复现固定温度点的方法复现固定温度点的方法 16(4)1990年国际温标(ITS90)n符号：符号：T T，单位为开尔文，单位为开尔文(K)(K)，K K的定义为水的三相点的定义为水的三相点温度

12、的温度的1/273.161/273.16。n用与冰点用与冰点273.15K273.15K的差值表示的热力学温度称为摄氏的差值表示的热力学温度称为摄氏温度，符号为温度，符号为t t，单位为度，单位为度( (0 0C)C)，即，即t=T-273.15t=T-273.15，并，并有有1 10 0C=1KC=1K。n摄氏度摄氏度( (0 0C)C)是由国际温标重新定义的，是以热力学温是由国际温标重新定义的，是以热力学温标为基础的。标为基础的。n 9090国际温标定义国际开尔文温度国际温标定义国际开尔文温度T T9090和国际摄氏度和国际摄氏度t t9090，其间关系如同其间关系如同T T和和t t一样

13、，即一样，即 t t9090=T=T9090-273.15-273.15温度单位17(4)1990年国际温标(ITS90)定义固定温度点 90 90国际温标的定义固定温度点是利用一系列纯物质各相国际温标的定义固定温度点是利用一系列纯物质各相间可复现的平衡状态或蒸汽压所建立起来的特征温度点。间可复现的平衡状态或蒸汽压所建立起来的特征温度点。 这些特征温度点的温度指定值是由国际上公认的最佳测这些特征温度点的温度指定值是由国际上公认的最佳测量手段测定的。量手段测定的。18(4)1990年国际温标(ITS90)复现固定温度点的方法n9090国际温标把温度分为国际温标把温度分为4 4个温区，各个温区的范

14、围、使用的标准测温个温区，各个温区的范围、使用的标准测温仪器分别为：仪器分别为：0.650.655.0K5.0K间为间为3 3HeHe或或4 4HeHe蒸汽压温度计；蒸汽压温度计；3.03.024.5561K24.5561K间为间为3 3HeHe或或4 4HeHe定容气体温度计；定容气体温度计；13.8033K13.8033K961.78961.780 0C C间为铂电阻温度计；间为铂电阻温度计；961.78961.780 0C C以上为光学或光电高温计。以上为光学或光电高温计。n在水的冰点以上的温度使用摄氏度单位在水的冰点以上的温度使用摄氏度单位( (0 0C)C)，在冰点以下的温度使，在冰

15、点以下的温度使用热力学温度单位用热力学温度单位(K)(K)。19 利用导体或半导体材料的电阻率随温度变化的利用导体或半导体材料的电阻率随温度变化的特性制成的传感器叫做热电阻式传感器。特性制成的传感器叫做热电阻式传感器。作用：主要用于对温度和与温度有关的参量进行检测作用：主要用于对温度和与温度有关的参量进行检测测温元件测温元件金属热电阻金属热电阻半导体热电阻半导体热电阻 热电阻效应热电阻效应物质的电阻率随温度变化而变化的现象。物质的电阻率随温度变化而变化的现象。 20 金属原子最外层的电子能自由移动，当加上电压以后，金属原子最外层的电子能自由移动，当加上电压以后，这些无规则移动的电子就按一定的方

16、向流动，形成电流。随这些无规则移动的电子就按一定的方向流动，形成电流。随着温度的增加，电子的热运动剧烈，电子之间、电子与振动着温度的增加，电子的热运动剧烈，电子之间、电子与振动的金属离子之间的碰撞机会就不断增加，因此电子的定向移的金属离子之间的碰撞机会就不断增加，因此电子的定向移动将受到阻碍，金属的动将受到阻碍，金属的电阻率电阻率也随之增大。也随之增大。 实践证明，纯金属、铂、铜、铁和镍是比较适合的材料，实践证明，纯金属、铂、铜、铁和镍是比较适合的材料，其中主要应用的是其中主要应用的是铂和铜铂和铜。 21热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒作为热电阻

17、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。221)常用热电阻 铂铂是一种贵重金属，其物理和化学性能非常稳定，是制是一种贵重金属，其物理和化学性能非常稳定，是制造热电阻的

18、最好材料，主要作标准电阻温度计。造热电阻的最好材料，主要作标准电阻温度计。 铜铜可用来制造可用来制造-50150范围内工业用电阻温度计，特范围内工业用电阻温度计，特点是点是价格低廉价格低廉，缺点是，缺点是电阻率低电阻率低，且，且容易氧化容易氧化，一般用在较，一般用在较低温度和没有水分和浸蚀性的介质之中。低温度和没有水分和浸蚀性的介质之中。 231)常用热电阻-铂热电阻 长时间稳定的复现性可达长时间稳定的复现性可达1010-4 -4 K K ，是目前测温复现性最好，是目前测温复现性最好的一种温度计。的一种温度计。0100)100(RRWW W（100100）越高，表示铂丝纯度越高，）越高，表示铂

19、丝纯度越高，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W W（100100）1.39251.3925目前技术水平已达到目前技术水平已达到W W（100100）1.39301.3930，工业用铂电阻的纯度工业用铂电阻的纯度W W（100100）为）为1.3871.3871.3901.390。 241)常用热电阻-铂热电阻 铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下：铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下： 当温度当温度t t在在200 200 t t 00时：时： )100(1 320ttCtBtARRt当温度当温度t t在在0 0 t t 650650

20、时：时： 1 20tBtARRt 国内统一设计的工业用标准铂电阻，国内统一设计的工业用标准铂电阻，W W（100100）1.3911.391，R R0 0分为分为5050和和100100两种，分度号分别为两种，分度号分别为Pt50Pt50和和Pt100Pt100，其分度表（给出阻值和温度的关系），其分度表（给出阻值和温度的关系） 251)常用热电阻-铂热电阻特点即便在氧化性介质中，其物理、化学性能都很稳定；易提纯，复现性好，有良好的工艺性 ；有较高的电阻率 ； 在还原性介质中性能易受影响；电阻温度系数不太高 ；价格贵 。261)常用热电阻-铂热电阻271)常用热电阻-铂热电阻WZP系列装配式铂

21、电阻系列装配式铂电阻及铠装电阻芯及铠装电阻芯用于一般工业场测温用于一般工业场测温使用温度-200700 高强度石英管测温铂电阻高强度石英管测温铂电阻温度范围温度范围-100C至至+500C适用于镀锌锅炉、耐酸、耐适用于镀锌锅炉、耐酸、耐碱等强腐蚀场合碱等强腐蚀场合注注:不耐氢氟酸及磷酸不耐氢氟酸及磷酸281)常用热电阻-铂热电阻精密温度传感器精密温度传感器PtWD1A型-100300误差小于0.1，精度为超A级 天燃气流量计天燃气流量计温度补偿用铂电阻温度补偿用铂电阻天燃气涡轮流量计等用天燃气涡轮流量计等用油浸变压器用铂电阻油浸变压器用铂电阻 291)常用热电阻-铂热电阻医医疗疗器器械械铂铂电

22、电阻阻 薄模铂电阻元件薄模铂电阻元件用用 于汽车工业、白色家电，食品加工业、医疗行业。于汽车工业、白色家电，食品加工业、医疗行业。 尺寸：尺寸：2.3mm2.1mm0.9mm（长（长宽宽高）高） 线长线长 10mm30防水封装铂电阻防水封装铂电阻核心元件：德国进口精密铂电阻（核心元件：德国进口精密铂电阻（PT100 PT1000）元件精度：元件精度：0.15 (A级级) 0.30 (B级级)封装材料：镀镍铜管或不锈钢管封装材料：镀镍铜管或不锈钢管管料尺寸：管料尺寸： 4 * 25mm 连接线：连接线：PVC包胶电缆线（可选择耐高温型的）包胶电缆线（可选择耐高温型的） 1)常用热电阻-铂热电阻3

23、11)常用热电阻-铜热电阻应应 用：用：测量精度要求不高且温度较低的场合测量精度要求不高且温度较低的场合测量范围：测量范围：5050150150优优 点：点：温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复现性能好。工，价格便宜，复现性能好。缺缺 点：点：易于氧化，一般只用于易于氧化，一般只用于150150以下的低温测量和没有水分及以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。无侵蚀性介质的温度测量。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。321)常用热电阻-铜热电阻

24、铜电阻的阻值与温度之间的关系为铜电阻的阻值与温度之间的关系为)1 (0tRRt关系是线性的关系是线性的 工业上使用的标准化铜热电阻的工业上使用的标准化铜热电阻的R R0 0按国内统一设计取按国内统一设计取5050和和100100两种，分度号分别为两种，分度号分别为Cu50Cu50和和Cu100Cu100，相应的分度表，相应的分度表可查阅相关资料。可查阅相关资料。 331)常用热电阻-铜热电阻铜电阻的特点铜电阻的特点电阻率小 ；容易氧化 ；价格便宜 。341)常用热电阻-铜热电阻WZC-111/12*1000mm Cu50 35普通工业用热电阻式温度传感器普通工业用热电阻式温度传感器保护管保护管

25、内部导线内部导线绝缘管绝缘管热电阻热电阻盖盖接线座接线座骨架骨架漆包铜线漆包铜线引出线引出线铜热电阻结构示意图铜热电阻结构示意图云母骨架云母骨架铂丝铂丝弹簧支承片弹簧支承片 银引出线银引出线云母弹簧型云母弹簧型玻璃封装型玻璃封装型塑封型塑封型热电阻的结构36利用半导体的利用半导体的电阻值随温度显著变化电阻值随温度显著变化的特性制成的特性制成由由金属氧化物金属氧化物和和化合物化合物按不同的配方比例按不同的配方比例烧结烧结优优 点：点： (1) (1) 热敏电阻的温度系数比金属大（热敏电阻的温度系数比金属大（4 49 9倍）倍） (2) (2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、电阻率大，

26、体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。表面温度及快速变化的温度。 (3) (3) 结构简单、机械性能好。结构简单、机械性能好。缺点：缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。线性度较差，复现性和互换性较差。37热敏电阻分类：正温度系数正温度系数(PTC)(PTC)负温度系数负温度系数(NTC) (NTC) 临界温度系数临界温度系数(CTR)(CTR)热敏电阻典型特性热敏电阻典型特性 38热敏电阻分类-NTC热敏电阻热敏电阻 NTC热敏电阻的材料是一热敏电阻的材料是一种由锰（种由锰（Mn）、镍（）、镍（Ni）、铜）、铜（Cu）、钴（）、钴（Co）、铁（）、铁（Fe）等金属氧化物按

27、一定比例混合等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，改变混合烧结而成的半导体，改变混合物的成分和配比就可以获得测物的成分和配比就可以获得测温范围、阻值及温度系数不同温范围、阻值及温度系数不同温度温度半导体半导体热敏电阻热敏电阻电电阻阻铂热电阻铂热电阻NTC热敏电阻热敏电阻。它具有。它具有 NTC热敏电阻应用广泛。热敏电阻应用广泛。39热敏电阻分类-NTC热敏电阻热敏电阻 半导体这种温度特性，是因为半导体的导电方式是载流子（电子、空半导体这种温度特性，是因为半导体的导电方式是载流子（电子、空穴）导电。由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子少得多，所穴）导电。由于半导体中载流子的数目远比

28、金属中的自由电子少得多，所以它的电阻率很大。以它的电阻率很大。随着温度的升高随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数目就，半导体中参加导电的载流子数目就会增多，故会增多，故半导体导电率就增加，它的电阻率也就降低了半导体导电率就增加，它的电阻率也就降低了。 热敏电阻正是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的热热敏电阻正是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的热敏元件。它是由某些金属氧化物按不同的配方比例烧结制成的。在一定的敏元件。它是由某些金属氧化物按不同的配方比例烧结制成的。在一定的范围内，根据测量热敏电阻阻值的变化，便可知被测介质的温度变化。范围内，根据测量热敏电阻阻值的变

29、化，便可知被测介质的温度变化。40热敏电阻分类-CTR热敏电阻热敏电阻 CTR热敏电阻是以三氧化二钒热敏电阻是以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成，它呈的弱还原气氛中混合烧结而成，它呈半玻璃状，具有负温度系数。通常，半玻璃状，具有负温度系数。通常，CTR热敏电阻用树脂包封成珠状或厚热敏电阻用树脂包封成珠状或厚膜形使用，其阻值在膜形使用，其阻值在1k 10M之之间。间。 CTR热敏电阻随温度变化的特性热敏电阻随温度变化的特性属剧变型，具有开关特性，如左图所属剧变型，具有开关特性，如左图所示。当温度高于居里点示。当温度高于居里点TC

30、时，其阻值时，其阻值会减小到临界状态，突变的数量级为会减小到临界状态，突变的数量级为24。因此又称这类热敏电阻为临界因此又称这类热敏电阻为临界热敏电阻热敏电阻。Tc温度温度T（）200150100500103101105107电阻率电阻率（.cm）41热敏电阻分类- PTC热敏电阻热敏电阻TNTC1062001000101102103104105107温度温度T（）电阻率电阻率（.cm） PTC热敏电阻是以钛酸钡掺合稀土元热敏电阻是以钛酸钡掺合稀土元素烧结而成的半导休陶瓷元件，具有正温素烧结而成的半导休陶瓷元件，具有正温度系数。其温度特性曲线如左图所示，从度系数。其温度特性曲线如左图所示，从特

31、性曲线上可以看到特性曲线上可以看到PTC热敏电阻具有以热敏电阻具有以下特性：下特性： (1) 当温度低于居里点当温度低于居里点TC时，具有半导体时，具有半导体特性；特性； (2) 当温度高于居里点当温度高于居里点TC时，电阻值随温时，电阻值随温度升高而急剧增大，至度升高而急剧增大，至TN温度时出现负阻温度时出现负阻现象；现象； (3) 具有通电瞬间产生强大电流而后很快具有通电瞬间产生强大电流而后很快衰减的特性。衰减的特性。 基于基于PTC热敏电阻的特性，可利用其自热敏电阻的特性，可利用其自控作用，做成各种恒温器、限流保护元件控作用，做成各种恒温器、限流保护元件或温控开关。还可以用或温控开关。还

32、可以用PTC组成发热元件，组成发热元件，功率一般为几瓦到数百瓦。功率一般为几瓦到数百瓦。42热敏电阻分类- NTC热敏电阻热敏电阻热敏电阻的结构热敏电阻的结构热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要参数热敏电阻的主要参数热敏电阻的线性化热敏电阻的线性化43热敏电阻的主要特性 温度特性温度特性 伏安特性伏安特性44热敏电阻的主要特性-温度特性 NTCNTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻- -温度特性温度特性 00273127310110ttBTTBTeReRR式中式中 R RT T , , R R0 0热敏电阻在绝对温度热敏电阻在绝对温度T T

33、，T T0 0时的阻值时的阻值()()； T T0 0, , T T 介质的起始温度和变化温度（介质的起始温度和变化温度（K K）；）； t t0 0 , t , t 介质的起始温度和变化温度（介质的起始温度和变化温度（）；）； B B 热敏电阻材料常数，一般为热敏电阻材料常数，一般为200020006000K6000K， 其大小取决于热敏电阻的材料。其大小取决于热敏电阻的材料。0011lnTTRRBT45热敏电阻的主要特性-温度特性 若已知两个电阻值以及相应的温度值，就可求得若已知两个电阻值以及相应的温度值，就可求得B B值。值。一般取一般取2020和和100100时的电阻时的电阻R R20

34、20 和和R R100100计算计算B B值，值，即将即将T T=373K=373K，T T0 0=293K=293K代入上式，则代入上式，则100201365RRnlB将将B B值及值及R R0 0= =R R2020 代入式就确定了热敏电阻的代入式就确定了热敏电阻的温度特性温度特性: : 46热敏电阻的主要特性-温度特性 热敏电阻的电阻温度系数21TBdTdRRTT 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。的电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高。热敏电阻在其本身

35、温度变化热敏电阻在其本身温度变化11时，电阻值的相对变化量时，电阻值的相对变化量47热敏电阻的主要特性-伏安特性V（电压）（电压）IaImI（电流）（电流）d0abc曲线分四段，曲线分四段， 0a段：段：电流小电流小于于Ia，功耗小，电流不足以使热，功耗小，电流不足以使热敏电阻发热，元件上的温度基敏电阻发热，元件上的温度基本是环境温度。此时热敏电阻本是环境温度。此时热敏电阻相当于一个固定电阻，电压与相当于一个固定电阻，电压与电流之间符合欧姆定律。电流之间符合欧姆定律。 ab段：段：随着电流增加，热敏电阻功耗增加，导致电流加热引起热敏电阻自随着电流增加，热敏电阻功耗增加，导致电流加热引起热敏电阻

36、自身温度超过环境温度（介质温度），其阻值降低，因此出现身温度超过环境温度（介质温度），其阻值降低，因此出现非线性正阻区非线性正阻区，电，电流增长速度阻值减小的速度。流增长速度阻值减小的速度。 cd段：段：随着电流增加，为随着电流增加，为Im时，电压达到最大值，电流继续增加，热敏电时，电压达到最大值，电流继续增加，热敏电阻本身加热更为剧烈，阻值迅速减小，阻本身加热更为剧烈，阻值迅速减小，阻值减小的速度大于电流增加的速度阻值减小的速度大于电流增加的速度，出现出现cd段段负阻区负阻区。48热敏电阻的主要特性-伏安特性V（电压）（电压）IaImI（电流）（电流）d0abc 热敏电阻非线性严重，使用中要

37、进行非线性补偿。热敏电阻非线性严重，使用中要进行非线性补偿。 在硬件电路方法上，采用温度系数较小的电阻与热敏电在硬件电路方法上，采用温度系数较小的电阻与热敏电阻串、并联接法，使得热敏电阻的电阻阻串、并联接法，使得热敏电阻的电阻温度曲线变为平坦。温度曲线变为平坦。 0a段：正常使用热敏电阻测温。段：正常使用热敏电阻测温。cd段：可用来测量风速、真空度、段：可用来测量风速、真空度、流量等参数。流量等参数。49热敏电阻的结构构成：构成：热敏探头、引线、壳体热敏探头、引线、壳体二端和三端器件：二端和三端器件：为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路获得功率；为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路获得功率；四

38、端器件：四端器件：旁热式旁热式50热敏电阻的结构51热敏电阻的结构 典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示。其结构及温度特性如图所示。 52热敏电阻的结构53热敏电阻的结构实物图片实物图片 1.耗散系数：耗散系数： 5mW/2.热时间常数热时间常数: 10S3.测温范围测温范围: -40 +110主要用于电饭锅等烹饪用具。耐主要用于电饭锅等烹饪用具。耐高温，反应快而精确高温，反应快而精确54热敏电阻的结构ABS材质外壳，材质外壳，PVC导线导线,用于电冰用于电冰箱、冰柜。耐腐防潮箱、冰柜。耐腐防潮1.耗散系数：耗散系数： 5mW

39、/2.热时间常数热时间常数: NB，电子扩散的结果使导体，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，失去电子而带正电，导体导体B则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势。成一个稳定的电位差，即接触电动势。80接触电势 BAABNNekTTeln其大小可表示为：其大小可表示为：式中：式中：K波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，K1.3810-23 e 电子电荷量电子电荷量 e = 1.610-19C NA(NB)为为A(B)材料

40、的自由电子密度。材料的自由电子密度。( )ABeTABT0T接触电势接触电势0( )ABeT000()lnAABBK TnTeTen端接触电势：( )lnAABBnKTTeTen端接触电势：81温差电势 同一导体中的，如果两端温度不同，在两端间会产生电动同一导体中的，如果两端温度不同，在两端间会产生电动势势，即产生单一导体的温差电动势，这是由于导体内自由电子，即产生单一导体的温差电动势，这是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散的结果。高温端在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散的结果。高温端因失去电子而带正电，低温端由于获得电子而带负电，在高低因失去电子而带正电，低温端

41、由于获得电子而带负电，在高低温端之间形成一个电位差。温差电动势的大小与导体的性质和温端之间形成一个电位差。温差电动势的大小与导体的性质和两端的温差有关。两端的温差有关。82温差电势00( ,)TAATeT TdT A A材料的汤姆逊系数。材料的汤姆逊系数。 （表示导体（表示导体A两端的温度差为两端的温度差为1时所产生的温差电动势时所产生的温差电动势 ）ABT0T温差电势T T00( ,)Ae T T0( , )Be T T83热电偶回路的总热电势 000000000( ,)( )( ,)()( ,)( )()( ,)( ,)()ln()ABABAABBABABABTAABTBET TeTeT

42、TeTeT TeTeTeT TeT TNkTTdteN电子密度大电子密度大TTTT0 084热电偶回路的总热电势 几点讨论几点讨论 如果组成热电偶的两个电极的材料相同，即使是两结点的如果组成热电偶的两个电极的材料相同，即使是两结点的温度不同也不会产生热电势。温度不同也不会产生热电势。 组成热电偶的两个电极的材料虽然不相同，但是两结点的组成热电偶的两个电极的材料虽然不相同，但是两结点的温度相同也不会产生热电势。温度相同也不会产生热电势。 由不同电极材料由不同电极材料A、B组成的热电偶，当冷端温度组成的热电偶，当冷端温度 T0 恒定恒定时，产生的热电势在时，产生的热电势在一定的温度范围内一定的温度

43、范围内仅是热端温度仅是热端温度 T 的单值函的单值函数。数。相相同同、0)()(,0ln TTnnBABABA . 0)()(,0ln)(0000 TTBABAdTTTnneTTTT 85000000( ,)( )() ()()( )()TTABABABABABET TeTdteTdtf Tf T热电势是热电势是T T和和T T0 0的温度函数的差，而不是温度的函数。的温度函数的差，而不是温度的函数。当当T T0 0=0=0时，时，f f (T(T0 0)=c)=c则有：则有：0( ,)( )( )ABET Tf TcT E E与与T T之间有唯一对应的单值函数关系，因此就可以用测量到的热电势

44、之间有唯一对应的单值函数关系，因此就可以用测量到的热电势E E来得到对应的温度值来得到对应的温度值T T， 热电偶热电势的大小，只是与导体热电偶热电势的大小，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。 热电偶回路的总热电势 861 1）匀质导体定律）匀质导体定律2 2）中间导体定律）中间导体定律3 3）连接导体定律）连接导体定律87匀质导体定律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

45、分布如何，都不能产生热电势。何及导体的各处温度分布如何，都不能产生热电势。热电偶必须采用两种不用材料的导体组成，热电偶必须采用两种不用材料的导体组成，热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的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。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。电偶质量的重要技术指标之一。88中间导体定律 将由将由A A、B B两种导体组成的热电偶的冷端

46、（两种导体组成的热电偶的冷端（T0 0端）断端）断开而接入的三种导体开而接入的三种导体C C后，只要冷、热端的后，只要冷、热端的T0 0 、T 保持保持不变，则回路的总热电势不变。不变，则回路的总热电势不变。BT0TABT0TT0AC89中间导体定律T T0ABT0T( )ABeT0()ACeTT0C0()CBeT0( ,)BeT T0( ,)AeT T00(,)CeT T0( ,)Be T T0( ,)Ae T T( )ABeT0( )ACeTab0( )CBeT00( ,)( )TAATAe T TT dT导体两端的电势差：00( ,)( )TBBTBeT TT dT导体两端的电势差：00

47、00( ,)( )0TCCTCe T TT dT导体两端的电势差：00000()ln()lnAACCCCBBTnTeTenTneTen端接触电势：( )lnAABBnTTeTen端接触电势：90中间导体定律00000000000000( ,)( )( ,)()()( ,)( )()()( ,)( ,)lnlnln( )( )()ln( )( )ABABBACCBAABACCBBATAACBATBCBTABATBeT TeTe T TeTeTe T TeTeTeTe T Te T TnnnTTTTTdTenenennTTTTdTen 此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时此定律具有特别

48、重要的实用意义，因为用热电偶测温时必须必须接入仪表接入仪表( (第三种材料第三种材料) )，根据此定律，只要仪表两接入点的温度，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致保持一致( (T0 0 ) )仪表的入就不会影响热电势。而且仪表的入就不会影响热电势。而且A A、B B结点的焊接结点的焊接方法也可以是任意的。方法也可以是任意的。91连接导体定律),(),(),(00TTETTETTTEnBAnABnBAAB为在工业测量温度中使用补偿导线提供了理论基础。为在工业测量温度中使用补偿导线提供了理论基础。),(),(),(00TTETTETTTEnABnABnAB当当A A与与A A，B B与与B

49、 B材料分别相同时材料分别相同时中间温度定律中间温度定律92连接导体定律对电极材料的要求：在同样的温差下产生的热电势大，且其热电势与温度之间呈线性或近似线性的单值函数关系；耐高温，抗辐射性能好，在较宽的范围内性能稳定；电导率高、电阻温度系数和比热容小； 复制性和工艺性好，价格低廉。93连接导体定律例例6.3.1 6.3.1 用（用（S S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度型）热电偶测量某一温度，若参比端温度Tn=30Tn=30，测得的热电势，测得的热电势E(T, TE(T, Tn n)=7.5mV)=7.5mV，求测量端实际温度，求测量端实际温度T T。)(),(),(0,0TTETTETT

50、EnnCTCTTTEnn03000，）中，（在查分度表有查分度表有E E（3030，0 0）= 0.173 mV = 0.173 mV mVTTEn5 . 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830.830.94热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，通过测也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，通过测量热电势的大小得到热端的温度。量热电势的大小得到热端的温度。 热电偶的冷端处理和补偿热

51、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，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再考虑将冷端处理为。95几种冷端处理方法： 1. 1. 补偿导线法补偿导线法2. 2. 热电偶冷端温度恒温法热电偶冷端温度恒温法3. 3. 计算修正法计算修正法4. 4. 冷端补偿电桥法冷端补偿电桥法96几种冷端处理方法： 1)补偿导线法组成组成：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。热电偶补偿导线功能热电偶补偿导线功能：其一实现了

52、冷端迁移；其一实现了冷端迁移；其二是降低了电路成本。其二是降低了电路成本。补偿导线又分为补偿导线又分为延长型延长型和和补偿型补偿型两种两种 延长形：延长形：补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标称值与配用的热电补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标称值与配用的热电偶相同，用字母偶相同，用字母“”附在热电偶分度号后表示，附在热电偶分度号后表示， 补偿型：补偿型：其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同，但其热电势值其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同，但其热电势值在在100100以下时与配用的热电偶的热电势标称值相同，有字母以下时与配用的热电偶的热电势标称值相同，有字母“C C”附在热附在热

53、电偶分度号后表示电偶分度号后表示. . 97几种冷端处理方法： 所谓延长线实际上是把在一定温度范围内（一般为所谓延长线实际上是把在一定温度范围内（一般为0100）与热电）与热电偶具有相同热电特性的两种较长金属导线与热电偶配接。它的作用是将热偶具有相同热电特性的两种较长金属导线与热电偶配接。它的作用是将热电偶冷端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，从而消除冷端温度电偶冷端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，从而消除冷端温度变化带来的影响，即该补偿导线所产生的热电势等于工作热电偶在此温度变化带来的影响，即该补偿导线所产生的热电势等于工作热电偶在此温度范围内产生的热电势。范围内产生的热电势。

54、 BABTT0TNTNA1)补偿导线法98几种冷端处理方法： 99几种冷端处理方法： 使用补偿导线时注意问题：n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（0-1000-100）；）；n热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；n不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；n补偿导线的正、负极需分别与热电偶正、负极相连；补偿导线的正、负极需分别与热电偶正、负极相连；n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。100几种冷端处理方法： 2)计算修正法 在实际应用中，热电偶的

55、参比端往往不是在实际应用中，热电偶的参比端往往不是0 0C C，而是环境温度，这，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之间温差所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。产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。 )0 ,(),()0 ,(11TETTETE 可用室温计测出环境温度可用室温计测出环境温度T T1 1，从分度表中查出的，从分度表中查出的E(TE(T1 1,0),0)值，然后加值，然后加上热电偶回路热电势上热电偶回路热电势E(T,TE(T,T1 1) )，得到，得到E(T,0)E(T,0)

56、值，反查分度表即可得到准确值，反查分度表即可得到准确的被测温度值。的被测温度值。101几种冷端处理方法： 3)热电偶冷端温度恒温法（冰浴法）适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。102几种冷端处理方法： 4) 冷端补偿电桥法 利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值。化而引起的热电势的变化值。103标准化热电偶：标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、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应用广泛，具

57、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。保证。 国际电工委员会（国际电工委员会（IECIEC）共推荐了）共推荐了8 8种标准化热电偶种标准化热电偶 1041051）铂铑10-铂热电偶（S型）贵金属热电偶。电极线径规定为贵金属热电偶。电极线径规定为0.5mm0.5mm，正极（正极（SPSP）的名义化学成分为铂铑合金）的名义化学成分为铂铑合金负极（负极（SNSN）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶。）为纯铂，故俗称为单铂铑热电偶。长期最高使用温度为长期最高使用温度为13001300，短期最高使用温度为

58、，短期最高使用温度为16001600。优点：优点：准确度高，稳定性好，测温温区宽和使用寿命准确度高，稳定性好，测温温区宽和使用寿命长，物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适长，物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛中。用于氧化和惰性气氛中。缺点：缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。对污染敏感，贵金属材料昂贵，因此一次性投资较大。1062)铂铑30-铂铑6（B型）为贵金属热电偶。热偶丝线径规定为为贵金属热电偶。热偶丝线径规定为0.5mm0.5mm，正极（正极（BPBP）

59、和负极（）和负极（BNBN）的名义化学成分均为铂铑合金，只）的名义化学成分均为铂铑合金，只是含量不同，故俗称为双铂铑热电偶。是含量不同，故俗称为双铂铑热电偶。长期最高使用温度为长期最高使用温度为16001600，短期最高使用温度为，短期最高使用温度为18001800。优点优点：准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等，：准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等，适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中；参比端不需进用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中；参比端不需进行冷端补偿，因为在行

60、冷端补偿，因为在0 05050范围内热电势小于范围内热电势小于3 3V V。缺点：缺点：热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，抗污热电率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，抗污染能力差，贵金属材料昂贵。染能力差，贵金属材料昂贵。1073）镍铬-镍硅热电偶（K型）使用量最大的廉价金属热电偶，用量为其他热电偶的总和使用量最大的廉价金属热电偶，用量为其他热电偶的总和正极（正极（KPKP）的名义化学成分为：）的名义化学成分为：Ni:Cr=90:10Ni:Cr=90:10，负极（负极（KNKN）的名义化学化学成分为）的名义化学化学成分为Ni:Si=97:3Ni:Si=97:3。其使用温度为其使用温度