传感器原理及检测技术第三章温度传感器

1、CH3 Temperature Sensor概概 论论conspectus/summarize热电偶温度传感器热电偶温度传感器thermocouple热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器thermistorICIC温度传感器温度传感器integrate circuit其他温度传感器其他温度传感器通过本章的学习了解温度传感器的作通过本章的学习了解温度传感器的作用、地位、分类和发展趋势；理解热用、地位、分类和发展趋势；理解热电效应定义，掌握热电偶三定律及相电效应定义，掌握热电偶三定律及相关计算，热电偶冷端补偿原因及补偿关计算，热电偶冷端补偿原因及补偿方法；掌握热敏电阻不同类型的特点、方法；掌握热敏

2、电阻不同类型的特点、特性曲线及应用场合；掌握电流型、特性曲线及应用场合；掌握电流型、电压型、数字型三种集成温度传感器电压型、数字型三种集成温度传感器特点、工作原理和使用方法；了解其特点、工作原理和使用方法；了解其他温度传感器工作原理。他温度传感器工作原理。学习要点学习要点第一节 概 论 温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛最广泛、发展、发展最快最快的传感器之一。的传感器之一。l温度是与人类生活息息相关的物理量。温度是与人类生活息息相关的物理量。l在在2000多年前，

3、就开始为检测温度进行了各种努力，多年前，就开始为检测温度进行了各种努力， 并开始使用温度传感器检测温度。并开始使用温度传感器检测温度。l人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。及环保等部门都与温度有着密切的关系。l工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的一半左右。一半左右。温度是反映物体冷热状态的物理参数。温度是反映物体冷热状态的物理参数。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。 一、温度的基本概念一、温

4、度的基本概念热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。理量。分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。运动的剧烈程度。能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量。状况的物理量。温标：表示温度大小的尺度是温度的标尺。温标：表示温度大小的尺度是温度的标尺。u热力学温标热力学温标thermodynamic temperature scaleu国际实用温标国际实用温标International practical temperature scaleu摄氏温

5、标摄氏温标 Celsius temperature scaleu华氏温标华氏温标Fahrenheit temperature scale如果在式中再规定一个条件如果在式中再规定一个条件,就可以通过卡诺循环中的就可以通过卡诺循环中的传热量来完全地确定温标。传热量来完全地确定温标。1954年，国际计量会议选年，国际计量会议选定定水的三相点为水的三相点为273.16，并以它的，并以它的1/273.16定为一度定为一度，这样热力学温标就完全确定了，即这样热力学温标就完全确定了，即T=273.16(Q1/Q2)。 1848年威廉年威廉汤姆首先提出汤姆首先提出:以热力学第二定律为基以热力学第二定律为基础，

6、建立温度仅与热量有关，而与物质无关的热力学温础，建立温度仅与热量有关，而与物质无关的热力学温标，又称开尔文温标标，又称开尔文温标(scale of Kelvin)，用符号，用符号K表示。表示。它是国际基本单位制之一它是国际基本单位制之一 。 根据热力学中的卡诺定理，如果在温度根据热力学中的卡诺定理，如果在温度T1的热源与温的热源与温度为度为T2的冷源之间实现了卡诺循环，则存在下列关系式的冷源之间实现了卡诺循环，则存在下列关系式1 1热力学温标热力学温标thermodynamic temperature scaleQ1热源给予热机的传热量热源给予热机的传热量 Q2热机传给冷源的传热量热机传给冷源

7、的传热量2121QQTT 为解决国际上温度标准的同意及实用问题，国际上为解决国际上温度标准的同意及实用问题，国际上协商决定，建立一种既能体现热力学温度（即能保证一协商决定，建立一种既能体现热力学温度（即能保证一定的准确度），又使用方便、容易实现的温标，即国际定的准确度），又使用方便、容易实现的温标，即国际实用温标实用温标 (简称简称IPTS-68)，又称国际温标。，又称国际温标。2 2国际实用温标国际实用温标注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔度间隔1K=1。T0是在标准大气压下冰的融化温度，是在标准大气压下冰的融化温度， T0

8、 = 273.15 K。水的三相点温度比冰点高出。水的三相点温度比冰点高出0.01 K。 1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用用t表示，其单位是开尔文，符号为表示，其单位是开尔文，符号为K。1K定义为水三定义为水三相点热力学温度的相点热力学温度的1/273.16，水的三相点是指纯水在固，水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为相点温度为273.16 K，这是建立温标的惟一基准点。，这是建立温标的惟一基准点。International Practical

9、Temperature Scale四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器低温铂电阻温度计（低温铂电阻温度计（13.81K273.15K）；）；铂电阻温度计（铂电阻温度计（273.15K903.89K）；）；铂铑铂铑-铂热电偶温度计（铂热电偶温度计（903.89K1337.58K）；）；光测温度计（光测温度计（1337.58K以上）。以上）。 国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号用符号T68和和t68来区别（一般简写为来区别（一般简写为T与与t）。）。 3 3摄氏温标摄氏温标Celsius tempera

10、ture scale是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压压(即即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，摄氏度，)，一般用小写，一般用小写字母字母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。表示。与热力学温标单位开尔文并用。 摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系：摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系：4 4华氏温标华氏温标Fahrenheit temperature scale目前使用较少，规定在标准大气压下冰的融点为目前使用较少，规定在标准

11、大气压下冰的融点为32华华氏度，水的沸点为氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为华氏度，中间等分为180份，每份，每一等份称为华氏一度，符号一等份称为华氏一度，符号 ，与摄氏温度的关系：，与摄氏温度的关系：T=t+273.15 Kt=T-273.15 m=1.8n+32 n= 5/9 (m-32) 二、温度传感器的特点与分类二、温度传感器的特点与分类u 随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；u 蒸气压的温度变化；蒸气压的温度变化；u 电极的温度变化电极的温度变化u 热电偶产生的电动势；热电偶产生的电动势；u 光电效应光电效应u 热电效应热电效应u 介

12、电常数、导磁率的温度变化；介电常数、导磁率的温度变化；u 物质的变色、融解；物质的变色、融解；u 强性振动温度变化；强性振动温度变化；u 热放射；热放射；u 热噪声。热噪声。1 1 温度传感器的物理原理温度传感器的物理原理(11)(11)l特性与温度之间的关系要适中，并容易检特性与温度之间的关系要适中，并容易检 测和测和处理，且随温度呈线性变化；处理，且随温度呈线性变化；l除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；l特性随时间变化要小；特性随时间变化要小；l重复性好，没有滞后和老化；重复性好，没有滞后和老化；l灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的灵

13、敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小；影响要小；l机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；l能大批量生产，价格便宜；能大批量生产，价格便宜；l无危险性，无公害等。无危险性，无公害等。2.2.温度传感器应满足的条件温度传感器应满足的条件3. 3. 温度传感器的种类及特点温度传感器的种类及特点l 接触式温度传感器l 非接触式温度传感器接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热

14、容量较小时，测低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。的前提条件是被测物体的热容量要足够大。非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出非接触式温度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。其制造成红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产收热量；不会干扰被测对象的温度

15、场；连续测量不会产生消耗；反应快等。生消耗；反应快等。物物理理现现象象体积热膨胀体积热膨胀电阻变化电阻变化温差电现象温差电现象导磁率变化导磁率变化电容变化电容变化压电效应压电效应超声波传播速度变化超声波传播速度变化物质物质 颜色颜色PN结电动势结电动势晶体管特性变化晶体管特性变化可控硅动作特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射热、光辐射种种类类铂测温电阻、热敏电阻铂测温电阻、热敏电阻热电偶热电偶BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶体振动器石英晶体振动器超声波温度计超声波温度计示温涂料示温涂料 液晶液晶半导体二极管半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅可控硅辐射温

16、度传感器辐射温度传感器 光学高温计光学高温计1.气体温度计气体温度计 2. 玻璃制水银温度计玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计双金属温度计5.液体压力温度计液体压力温度计 6. 气体压力温度计气体压力温度计1 热铁氧体热铁氧体 2 Fe-Ni-Cu合金合金热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传

17、感器、可控硅分分 类类特特 征征传传 感感 器器 名名 称称超高温用超高温用传感器传感器1500以上以上光学高温计、辐射传感器光学高温计、辐射传感器高温用高温用传感器传感器10001500光学高温计、辐射传感器、光学高温计、辐射传感器、热电偶热电偶中高温用中高温用传感器传感器5001000光学高温计、辐射传感器、光学高温计、辐射传感器、热电偶热电偶中温用中温用传感器传感器0500低温用低温用传感器传感器-2500极低温用极低温用传感器传感器-270-250BaSrTiO3陶瓷陶瓷晶体管、热敏电阻、晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计压力式玻璃温度计见表下内容见表下内容 测测 温温 范范 围围温度

18、传感器分类(1)分分 类类特特 征征传传 感感 器器 名名 称称测温范围宽测温范围宽输出小输出小测温电阻器、晶体管、热电偶测温电阻器、晶体管、热电偶半导体集成电路传感器、半导体集成电路传感器、可控硅、石英晶体振动器、可控硅、石英晶体振动器、压力式温度计、玻璃制温度计压力式温度计、玻璃制温度计线性型线性型测温范围窄测温范围窄输出大输出大热敏电阻热敏电阻指数型指数型函数函数开关型开关型特性特性特定温度特定温度输出大输出大感温铁氧体、双金属温度计感温铁氧体、双金属温度计 测测 温温 特特 性性温度传感器分类温度传感器分类(2)分分 类类特特 征征传传 感感 器器 名名 称称测定精度测定精度0.10.

19、5铂测温电阻、石英晶体振动铂测温电阻、石英晶体振动器、玻璃制温度计、气体温器、玻璃制温度计、气体温度计、光学高温计度计、光学高温计温度温度标准用标准用测定精度测定精度0.55热电偶、测温电阻器、热敏电热电偶、测温电阻器、热敏电阻、双金属温度计、压力式温阻、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅体集成电路传感器、可控硅绝对值绝对值测定用测定用管理温度管理温度测定用测定用相对值相对值15 测测 定定 精精 度度温度传感器分类(3) 此外，还有微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图

20、测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。公元公元1600年，伽里略研制出气体温度计。一百年，伽里略研制出气体温度计。一百年后，研制成酒精温度计和水银温度计。随着年后，研制成酒精温度计和水银温度计。随着现代工业技术发展的需要，相继研制出金属丝现代工业技术发展的需要，相继研制出金属丝电阻、温差电动式元件、双金属式温度传感器。电阻、温差电动式元件、双金属式温度传感器。1950年以后，相继研制成半导体热敏电阻器。年以后，相继研制成半导体热敏电阻器。最近，随着原材料、加

21、工技术的飞速发展、又最近，随着原材料、加工技术的飞速发展、又陆续研制出各种类型的温度传感器。陆续研制出各种类型的温度传感器。三、温度传感器的发展概况三、温度传感器的发展概况接触式温度传感器非接触式温度传感器1常用热电阻常用热电阻 范围：-260850；精度：0.001。改进后可连续工作2000h，失效率小于1，使用期为10年。2管缆热电阻管缆热电阻 测温范围为-20500，最高上限为1000，精度为0.5级。（）接触式温度传感器（）接触式温度传感器3陶瓷热电阻陶瓷热电阻 测量范围为200+500，精度为0.3、0.15级。4超低温热电阻超低温热电阻 两种碳电阻，可分别测量268.8253-27

22、2.9272.99的温度。5热敏电阻器热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。l l辐射高温计辐射高温计 用来测量用来测量 1000以上高温。分四种：以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2 2光谱高温计光谱高温计 前苏联研制的前苏联研制的YCII型自动测温通用型自动测温通用光谱高温计光谱高温计,其测量范围为其测量范围为4006000,是采用电子化自是采用电子化自动跟踪系统动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。保证有足够准确的精度进行自动测量。 （二）非接触式温度传感器（二）非接触

23、式温度传感器3 3超声波温度传感器超声波温度传感器 特点是响应快特点是响应快(约为约为10ms左右左右)，方向性强。目前国外有可测到，方向性强。目前国外有可测到5000 的产品。的产品。4 4激光温度传感器激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度适用于远程和特殊环境下的温度测量。如测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为很高的温度，精度为1。美国麻省理工学院正在研制。美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达一种激光温度计，最高温度可达8000，专门用于核聚，专门用于核聚变研究。瑞士变研究。瑞士Browa Borer

24、研究中心用激光温度传感器研究中心用激光温度传感器可测几千开可测几千开(K)的高温。的高温。 1超高温与超低温传感器，如超高温与超低温传感器，如+3000以上和以上和250以下的温度传感器。以下的温度传感器。2提高温度传感器的精度和可靠性。提高温度传感器的精度和可靠性。3研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器。传感器。4发展新型产品，扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻发展新型产品，扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻；发展薄膜热电偶；研究节省镍材和贵金属以及厚；发展薄膜热电偶；研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热电阻；研制系列晶体管测温元件、快速高膜铂

25、的热电阻；研制系列晶体管测温元件、快速高灵敏灵敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器。型热电偶以及各类非接触式温度传感器。5发展适应特殊测温要求的温度传感器。发展适应特殊测温要求的温度传感器。6发展数字化、集成化和自动化的温度传感器发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。 （三）温度传感器的主要发展方向（三）温度传感器的主要发展方向温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号

26、便于远便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度流体的温度、测量测量固体以及固体壁面的温度固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于。微型热电偶还可用于快速及动态温度快速及动态温度的测量。的测量。第二节第二节 热电偶温度传感器热电偶温度传感器热电偶的工作原理热电偶的工作原理热电偶回路的性质热电偶回路的性质热电偶的常用材料与结构热电偶的常用材料与结构冷端处理及补偿冷端处理及补偿热电偶的选择、安装使用和校验热电偶的选择、安装使用和校验两种不同的导体或半导体两种不同的导体或半导体A A和和B B组合成闭合回路，组合成闭合回路，若导体若导体A A和和B B的连

27、接处温度不同（设的连接处温度不同（设T TT T0 0），），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在这种现象早在18211821年首先由西拜克（年首先由西拜克（SeeSeebackback）发现发现, ,所以又称西拜克效应。所以又称西拜克效应。热电偶原理图热电偶原理图TT0AB 一、工作原理一、工作原理回路中所产生的电动回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势，叫热电势。热电势势thermo-electric force由两部分组成，即由两部分组成，即温温差电势和接

28、触电势。差电势和接触电势。热端热端冷端冷端1. 1. 接触电势接触电势+ABTeAB(T)-BAABNNekTTeln)(eAB(T)导体导体A、B结点在温度结点在温度T 时形成的接触电动势；时形成的接触电动势；e单位电荷，单位电荷， e =1.610-19C； k波尔兹曼常数，波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ；NA、NB 导体导体A、B在温度为在温度为T 时的电子密度。时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势接触电势原理图原理图AeA(T,To)ToTeA(T，T0)导体导体A两端温度为两端温度为

29、T、T0时形成的温差电动势；时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度；高低端的绝对温度； A汤姆逊系数，表示导体汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为两端的温度差为1时所产生的时所产生的温差电动势，例如在温差电动势，例如在0时，铜的时，铜的 =2V/。2. 温差电势温差电势dTTTeTTAA0),(0温差电势原理图温差电势原理图由导体材料由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：势，回路总电势：BTATNNekTln00ln0BTATNNekT

30、dTTTBA0)(T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3. 回路总电势回路总电势),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABABNAT、NAT0导体导体A在结点温度为在结点温度为T和和T0时的电子密度；时的电子密度； NBT、NBT0导体导体B在结点温度为在结点温度为T和和T0时的电子密度；时的电子密度；A 、 B导体导体A和和B的汤姆逊系数。的汤姆逊系数。根据电磁场理论得根据电磁场理论得结论结论(4(4点点) )：E EABAB( (T T, ,T T0 0)=)=E EABAB( (T T )-)-E EABAB( (T T0 0

31、 )=)=f f( (T T )-C=)-C=g g( (T T ) )由于由于NA、NB是温度的单值函数是温度的单值函数dTNNekTTETTBAAB0ln),(0在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：EAB(T, T0)= EAB(T)- -EAB(T0) = EAB(T)- -EAB(0)- -EAB(T0)- -EAB(0) = EAB(T，0)- -EAB(T0，0) 热电偶的热电势，等于两端温度分别为热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和和零度以及零度

32、以及T0和零度的热电势之差。和零度的热电势之差。导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使端的温度有关。如果使E EABAB( (T T0 0)=)=常数，则回路热常数，则回路热电势电势E EABAB( (T T，T T0 0) )就只与温度就只与温度T T有关，而且是有关，而且是T T的单的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。值函数，这就是利用热电偶测温的原理。只有当热电偶两端温度不同只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。料不同时才能有热电势产生。热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两

33、端热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。只有用不同性质的导体只有用不同性质的导体(或半导体或半导体)才能组合成热才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即，也即EAB(T，T0)=0。对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为别为T1、T2 、 、Tn ，冷端温度为零度的热电势。其，冷端温度为零度的热电势。其热电势为热电势为 E= EAB（

34、T1）+ EBC（T2）+ENA（Tn） 由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生即不产生电动势电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。料作为电极。 二、热电偶回路的性质二、热电偶回路的性质1. 1. 均质导体定律均质导体定律 E总总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0三种不同导体组成的热电偶回路TABCTT2. 2. 中间导体定律中间导体定律

35、一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。各接点产生的热电势的代数和为零。如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则两点结论：两点结论： l）将第三种材料）将第三种材料C接入由接入由A、B组成的热电偶回路，如组成的热电偶回路，如图，则图图，则图a中的中的A、C接点接点2与与C、A的接点的接点3，均处于相，均处于相同温度同温度T0之中，此回路的总电势不变，即之中，此回路的总电势不变，即同理，图同理，图b中中C、A接点接点2与与C、B的接点的接点3

36、，同处于温度，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：之中，此回路的电势也为：T2T1AaBC23EABAT023ABEABT1T2 CT0EAB（T1, T2）=EAB（T1）- -EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)- -EAB（T2）第三种材料第三种材料接入热电偶接入热电偶回路图回路图ET0T0TET0T1T1T电位计接入 热电偶回路根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接度相等，就不会影响回路中

37、原来的热电势，接入的方式见下图所示。入的方式见下图所示。 EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：示，它们相互间热电势的关系为：3. 3. 中间温度定律中间温度定律 如果不同的两种导体材料组成热电偶回路如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度其接点温度分别为分别为T1、T2(如图所示如图

38、所示)时时,则其热电势为则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温度为当接点温度为T2、T3时，其热电势为时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接；当接点温度为点温度为T1、T3时，其热电势为时，其热电势为EAB(T1, T3)，则，则BBA T2 T1 T3 AAB EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3） ABT1T2T2ABT0T0热电偶补偿热电偶补偿导线接线图导线接线图E对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表

39、的问题提对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当供了依据。如当T2=0时，则：时，则：只要只要T1、T0不变，接入不变，接入AB后不管接点温度后不管接点温度T2如何变化，如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EAB=EAB(T1)EAB(T0)说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料同样热电特性的材料A、B(如图如图)即引入所谓补偿导即引入所谓补偿导线时，当线时，当EAA(T2)=EBB(T2)时，则回路总电动势为时，则回路总电动势为热电偶材料应

40、满足：热电偶材料应满足：l 物理性能稳定，热电特性不随时间改变；物理性能稳定，热电特性不随时间改变；l 化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；蚀；l 热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；l 便于制造；便于制造；l 复现性好，便于成批生产。复现性好，便于成批生产。三、热电偶的常用材料与结构三、热电偶的常用材料与结构 1 1铂铂铂铑热电偶铂铑热电偶(S (S型型) ) 分度号分度号LB3LB3测量温度：长期：测量温度：长期：1300、短期：、短期：1600。（一）热电偶常用材料（一）热电偶常用材料2 2镍

41、铬镍铬镍硅镍硅( (镍铝镍铝) )热电偶热电偶(K(K型型) ) 分度号分度号EU2EU2测量温度：长期测量温度：长期1000，短期，短期1300。3 3镍铬镍铬考铜热电偶考铜热电偶(E(E型型) ) 分度号分度号EA2EA2测量温度：长期测量温度：长期600，短期，短期800。4 4铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6热电偶热电偶(B(B型型) ) 分度号分度号LL2LL2测量温度：长期可到测量温度：长期可到1600，短期可达，短期可达1800。几种持殊用途的热电偶几种持殊用途的热电偶（1 1）铱和铱合金热电偶）铱和铱合金热电偶 如铱如铱50铑铑铱铱10钌热电偶它能钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达

42、在氧化气氛中测量高达2100的高温。的高温。（2 2）钨铼热电偶）钨铼热电偶 可使用在真空惰性气体介质或氢气可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，使用温度范围介质中，使用温度范围3002000分度精度为分度精度为1。（3 3）金铁）金铁镍铬热电偶镍铬热电偶 主要用在低温测量，可在主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为范围内使用，灵敏度约为10V。（4 4）钯）钯铂铱铂铱1515热电偶热电偶 输出性能高，在输出性能高，在1398时的时的热电势为热电势为47.255mV。 （6 6）铜）铜康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号MK MK 热电势略高于镍铬热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，

43、约为镍硅热电偶，约为43V/。复现性好，稳定性好，精。复现性好，稳定性好，精度高，广泛用于度高，广泛用于20K473K的低温实验室测量中。的低温实验室测量中。 （5 5）铁）铁康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号TK TK 灵敏度高，线性灵敏度高，线性度好，可在度好，可在800以下的还原介质中使用。以下的还原介质中使用。 （二）常用热电偶的结构类型（二）常用热电偶的结构类型1 1工业用热电偶工业用热电偶2 2铠装式热电偶（又称套管式热电偶）铠装式热电偶（又称套管式热电偶）3 3快速反应薄膜热电偶快速反应薄膜热电偶4 4快速消耗微型热电偶快速消耗微型热电偶 方法方法u 冰点槽法冰点槽法u 计算修

44、正法计算修正法u 补正系数法补正系数法u 零点迁移法零点迁移法u 冷端补偿器法冷端补偿器法u 软件处理法软件处理法四、冷端处理及补偿四、冷端处理及补偿原因原因l热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；使冷端温度保持恒定；l热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为为依据，否则会产生误差。依据，否则会产生误差。1. 1. 冰点槽法冰点槽法把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里

45、，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点起两个连接点短路，必须把连接点分分别置于两个玻璃别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液四、冷端处理及补偿四、冷端处理及补偿T02. 2. 计算修正法计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算，利用公式计算例例 用铜用铜-康铜热电偶测某一温度康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境，参比端在室温环境TH中，

46、测得热电动势中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.979mV，又用室温，又用室温计测出计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知，查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.84mV，故得，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0) =1.979+0.84 =2.819(mV)再次查分度表，与再次查分度表，与2.819mV对应的热端温度对应的热端温度T=69。注意注意: :既不能只按既不能只按1.979mV1.979mV查表，认为查表，认为T T=49=49，也，也不能把不能把4949加上加上2121，认为，认为T T=70=70。EAB(T,T0)=EAB(T,T

47、H)+EAB(TH,T0)3. 3. 补正系数法补正系数法把参比端实际温度把参比端实际温度TH乘上系数乘上系数k，加到由，加到由EAB(T，TH)查查分度表所得的温度上，成为被测温度分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即。用公式表达即 式中：式中：T为未知的被测温度；为未知的被测温度； T为参比端在室温下热为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度；电偶电势与分度表上对应的某个温度； TH室温；室温； k为补正系数，其它参数见下表。为补正系数，其它参数见下表。例例 用铂铑用铂铑10铂热电偶测温，已知冷端温度铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35，这时热电动势为，这时热电动势为1

48、1.348mV查查S型热电偶的分度表，型热电偶的分度表，得出与此相应的温度得出与此相应的温度T=1150。再从下表中查出，对。再从下表中查出，对应于应于1150的补正系数的补正系数k=0.53。于是，被测温度。于是，被测温度 T=1150+0.5335=1168.3（）用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但误差不大于一点，但误差不大于0.14。 T T k T H例例 用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温零点调到室温TH的刻度上的刻度上,在热电动势为零时，指针指在热电动

49、势为零时，指针指示的温度值并不是示的温度值并不是0而是而是TH。而热电偶的冷端温度已。而热电偶的冷端温度已是是TH,则只有当热端温度则只有当热端温度T=TH时，才能使时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变不变，指示值就永远正确。，指示值就永远正确。 4. 4. 零点迁移法零点迁移法应用领域：如果冷端不是应用领域：如果冷端不是0，但十分稳定（如恒温车，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。间或有空调的场所）。实质

50、：实质：在测量结果中人为地加一个恒定值在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温，因为冷端温度稳定不变，电动势度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表是常数，利用指示仪表上上调整零点调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。的办法，加大某个适当的值而实现补偿。5. 5. 冷端补偿器法冷端补偿器法利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜锰铜丝绕制丝绕制)、RCu(铜丝绕制铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。四个桥臂和桥路电源组成。设计时

51、，在设计时，在0下使电桥平衡下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu),此时此时Uab=0 ,电桥对仪表读数无影响。电桥对仪表读数无影响。 冷端补偿器的作用注意：桥臂注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。端靠近，使处于同一温度之下。 mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabRCuR1R2R3RT0 RCu Ua Uab EAB(T,T0)供电供电4V直流，在直流，在040或或- -2020的范围起补偿作用。的范围起补偿作用。注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一样，互换时

52、必须重新调整。不一样，互换时必须重新调整。6. 6. 软件处理法软件处理法u冷端温度恒定冷端温度恒定T0 ：但：但T0不为不为0时，只需在采样后时，只需在采样后 加一个与冷端温度对应的常数即可。加一个与冷端温度对应的常数即可。u冷端温度冷端温度T0波动：可利用热敏电阻或其它传感器把波动：可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个热电偶的

53、冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输的输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速度也很有利。度也很有利。 热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的随温度变化而变化的性质制成的。 在温度传感器中应用最多的有在温度传感器中应用最多的有热电偶热电偶、热热电阻电阻（如

54、铂、铜电阻温度计等）和（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（- -40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。感器。 主要讲述热敏电阻的特点、分类，基本参主要讲述热敏电阻的特点、分类，基本参数，主要特性和应用等。数，主要特性和应用等。 第三节第三节 热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器NTC二极管封装二极管封装环氧封装、小型化高精度环氧封装、小型化高精度 ； 响应时响应时间快间快 ； 稳定性好稳定性

55、好 根据不同用途有多种封根据不同用途有多种封装结构装结构 ；使用温区宽；使用温区宽 高稳定性、高可靠性高稳定性、高可靠性根据不同用途有多种封装根据不同用途有多种封装结构结构 ；使用温区宽；使用温区宽 ；高稳；高稳定性、高可靠性定性、高可靠性 ；为客户；为客户提供多种便捷服务提供多种便捷服务 家用冰箱、空调器家用冰箱、空调器 ；电热水器、整体浴室电热水器、整体浴室 ；冰柜、豆浆机冰柜、豆浆机 环氧封装、小型化、精度高环氧封装、小型化、精度高 ；可靠性高、；可靠性高、响应时间快响应时间快 ；引线采用聚脂漆包线、耐热、；引线采用聚脂漆包线、耐热、绝缘性好绝缘性好 （一）热敏电阻的特点（一）热敏电阻的

56、特点1 1电阻温度系数的范围甚宽电阻温度系数的范围甚宽2 2材料加工容易、性能好材料加工容易、性能好3 3阻值在阻值在1 110M10M之间可供自由选择之间可供自由选择4 4稳定性好稳定性好5 5原料资源丰富，价格低廉原料资源丰富，价格低廉 一、热敏电阻的特点与分类一、热敏电阻的特点与分类 1 1正温度系数热敏电阻器（正温度系数热敏电阻器（PTC）Positive Temperature Coefficient 电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热热敏阻器。它的主要材料是掺杂的敏阻器。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。半导体陶瓷。 2 2负

57、温度系数热敏电阻器（负温度系数热敏电阻器（NTCNTC）Negative Temperature Coefficient 电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半热敏电阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。导体陶瓷。 3 3突变型负温度系数热敏电阻器（突变型负温度系数热敏电阻器（CTRCTR） 该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低升高而降低34个数量级，即具有很大个数量级，即具有很大负温度系数负温度系数。其主要材料是其主要材料是VO2并添

58、加一些金属氧化物。并添加一些金属氧化物。 （二）热敏电阻的分类（二）热敏电阻的分类 二、热敏电阻的基本参数二、热敏电阻的基本参数1. 1. 标称电阻标称电阻(Nominal Resistance)R(Nominal Resistance)R2525（冷阻）（冷阻）2. 2. 材料常数材料常数(Material Constant)B(Material Constant)BNN表征负温度系数表征负温度系数(NTC) 材料的物理特性常数。材料的物理特性常数。BN值决值决定于材料的激活能定于材料的激活能E，BN值随温度升高略有增加。值随温度升高略有增加。 3. 3. 电阻温度系数电阻温度系数(Ther

59、mal Coefficient ofResistance)(Thermal Coefficient ofResistance)(%/)(%/)热敏电阻的温度变化热敏电阻的温度变化1 时电阻值的变化率。时电阻值的变化率。4. 4. 耗散系数耗散系数(Dissipation Constant)(Dissipation Constant)H H热敏电阻器温度变化热敏电阻器温度变化1所耗散的功率变化量。所耗散的功率变化量。5. 5. 时间常数时间常数(Timr Constant)(Timr Constant)在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温

60、度变化量从开始到最终变量的变化量从开始到最终变量的63.2所需的时间。所需的时间。6. 6. 最高工作温度最高工作温度T Tmaxmax在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度7. 7. 最低工作温度最低工作温度T Tminmin在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。8. 8. 转变点温度转变点温度T Tc c热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐点温度，主热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐点温度，主要指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。要指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。9