第3章 温度传感器 2

1、第3章 温度传感器第三章 温度传感器第3章 温度传感器 掌握温度的概念、温度的测量方法了解温度的测量原理、温度传感器 的种类及应用学习目的学习目的第3章 温度传感器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 本章小结复习思考题主要内容主要内容返回主目录返回主目录第3章 温度传感器3.1 3.1 温标及温度的测量方法温标及温度的测量方法温度是表征物体冷温度是表征物体冷热程度的物理量，热程度的物理量，是物体内部分子无是物体内部分子无规则剧烈运动程度规则剧烈运动程度的标志的标志,分子运动越分子

2、运动越剧烈，温度就越高剧烈，温度就越高 第3章 温度传感器3.1.1 3.1.1 温标温标*用来用来量度物体温度数值的标尺量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数叫温标。它规定了温度的读数起点起点（零点）（零点）和测量温度的和测量温度的基本单位基本单位。273.15cKtT9325FCtt华氏温标华氏温标（）在标准大气压下，冰的在标准大气压下，冰的熔点熔点为为3232度，水的度，水的沸沸点点为为212212度，中间划分度，中间划分180180等分，每等分为华氏等分，每等分为华氏1 1度，符号为度，符号为F F。摄氏温标摄氏温标()()在标准大气压下，冰的在标准大气压下，冰的熔点熔点为为

3、0 0度，水的度，水的沸点沸点为为100100度，中间划分度，中间划分100100等分，每等分为摄氏等分，每等分为摄氏1 1度度，符号为，符号为t t。热力学温标热力学温标（K K）规定分子运动停止时的温度为规定分子运动停止时的温度为绝对零度绝对零度（0K0K），符号为），符号为T T。热力学温标的零点。热力学温标的零点绝对零度，是宇宙低温的绝对零度，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到绝对零度（如宇宙空间的温度为0.2K0.2K）。）。热力学温标是国际公热力学温标是国际公认

4、基本温标。认基本温标。温标温标3 3 种温标的换算关系为种温标的换算关系为第3章 温度传感器3.1.2 3.1.2 温度的测量方法温度的测量方法*温度温度不能直接测量不能直接测量，需要借助于某种物体的物理参数，需要借助于某种物体的物理参数随温度冷热不同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。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传感器是由温度敏感元件温度敏感元件（感温元件）和（感温元件）和转换电路组成转换电路组成的，如图的，如图3-13-1所示。所

5、示。温度感温元件转换电路温度显示图3-1 温度传感器的组成框图温度测量方法温度测量方法接触式接触式感温元件与被测对象感温元件与被测对象接触接触，彼此进行热量交换彼此进行热量交换，使感温元件与，使感温元件与被测对象处于被测对象处于同一环境温度同一环境温度下，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的温度。常用的接触式测温的温度传感器主要有热膨胀式热膨胀式温度传感器、温度传感器、热热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体温度传感器电偶、热电阻、热敏电阻、半导体温度传感器等。等。 非接触式非接触式利用物体表面的利用物体表面的热辐射

6、强度与温度的关系热辐射强度与温度的关系来测量温度的。通来测量温度的。通过过测量一定距离处被测物体发出的热辐射强度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。常见来确定被测物的温度。常见的非接触式测温传感器有：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外辐射温度传感器等。等。第3章 温度传感器接触测量接触测量第3章 温度传感器非接触测量非接触测量红外线测温第3章 温度传感器3.2 3.2 膨胀式温度计膨胀式温度计 工作原理工作原理利用物体利用物体受热体积膨胀受热体积膨胀的原理而制成的，多用于现场测的原理而

7、制成的，多用于现场测量及显示。量及显示。 分类分类按选用的物质不同，可分为按选用的物质不同，可分为液体膨胀式温度计液体膨胀式温度计、固体膨胀式固体膨胀式温度计温度计、气体膨胀式温度计气体膨胀式温度计3 3种类型。种类型。 测温范围测温范围膨胀式温度计可以测量膨胀式温度计可以测量-200-200700700范围的温度。在机械范围的温度。在机械热处理测温中，常用于测量热处理测温中，常用于测量碱槽、油槽、法兰槽、淬火槽碱槽、油槽、法兰槽、淬火槽及及低温干燥低温干燥箱箱的温度，也广泛用于测量设备、管道和容器的温度。的温度，也广泛用于测量设备、管道和容器的温度。 特点特点这种温度计结构简单，制造和使用方

8、便，价格低，但外壳薄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，必须脆、易损坏，大部分不适于远距离测温，必须接触测量。接触测量。第3章 温度传感器3.2.1 3.2.1 玻璃液体温度计玻璃液体温度计 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液体受热体积膨胀与玻璃体积膨胀之差受热体积膨胀与玻璃体积膨胀之差来测量温度的。来测量温度的。 酒精温度计酒精温度计量度范围约为量度范围约

9、为-114-11478 78 水银温度计水银温度计大多用于液体、气体及粉状固体温度的测大多用于液体、气体及粉状固体温度的测 量，测温范围为量，测温范围为-30-30+300 +300 玻璃液体温度计玻璃液体温度计煤油温度计煤油温度计量度范围约为量度范围约为-30-30150150。 平常看到装有平常看到装有红色红色工作工作物质的温度计，温度计物质的温度计，温度计的刻度在的刻度在100100以下，以下，一般都是一般都是煤油温度计煤油温度计，而不是酒精温度计。而不是酒精温度计。第3章 温度传感器3.2.2 3.2.2 固体膨胀式温度计固体膨胀式温度计 工作原理工作原理利用膨胀系数不同的两种金属材料

10、牢固地粘贴在一起制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成的。典型的固体膨胀式温度计是双金属温度传感器双金属温度传感器，如图，如图3-33-3所示。所示。图图3-3 3-3 双金属片工作原理双金属片工作原理图图3-43-4 双金属温度计双金属温度计 双金属温度计测温范围为双金属温度计测温范围为-100-100+600+600，探头长度可，探头长度可 以达到以达到1 1米长，可用于测量液体、蒸汽及气体介质温度。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，结构简特点：现场显示温度，直观方便，抗震性能好，结构简 单，牢

11、固可靠，使用寿命长，但精度不高。单，牢固可靠，使用寿命长，但精度不高。 第3章 温度传感器双金属温度计的结构双金属温度计的结构图图3-5 3-5 带表头的双金属温度计带表头的双金属温度计的结构的结构可以做成轴向型、可以做成轴向型、径向型、径向型、135135型及型及万向型。连接方式万向型。连接方式有：可动外螺纹、有：可动外螺纹、可动内螺纹、固定可动内螺纹、固定螺纹、固定法兰、螺纹、固定法兰、卡套螺纹、卡套法卡套螺纹、卡套法兰、无固定安装等兰、无固定安装等连接连接 第3章 温度传感器双金属温度计的结构双金属温度计的结构 图图3-5b）其他双金属系列）其他双金属系列工业工业恒温器恒温器手动复位手动

12、复位双金属双金属双金属双金属基本系列基本系列高温高温双金属双金属第3章 温度传感器双金属温度传感器双金属温度传感器常用于恒温箱、加常用于恒温箱、加热炉、电饭锅（电热炉、电饭锅（电饭煲）、电熨斗等饭煲）、电熨斗等温度控制温度控制. . 图图3-6 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用于控制温度示意图图图3-7 3-7 双金属控制电饭锅温度双金属控制电饭锅温度第3章 温度传感器3.2.3 3.2.3 气体膨胀式温度计气体膨胀式温度计图图3-8 3-8 气体膨胀式温度计气体膨胀式温度计气体膨胀式温度计是气体膨胀式温度计是基于密封在容器中的基于密封在容器中的气气体或液体受热后体

13、积膨体或液体受热后体积膨胀胀，压力压力随随温度温度变化而变化而变化的原理测温的，所变化的原理测温的，所以该温度计又称为以该温度计又称为压力压力式温度计式温度计。当温包受热后，其内部的工作当温包受热后，其内部的工作介质温度升高，体积膨胀，压介质温度升高，体积膨胀，压力增大，此力增大，此压力经毛细管传到压力经毛细管传到弹簧管内弹簧管内，使弹簧管产生变形，使弹簧管产生变形，并由传动机构带动指针偏转，并由传动机构带动指针偏转，指示相应的温度值。指示相应的温度值。第3章 温度传感器气体膨胀式温度计根据填充物的不同氮气、氯甲气体膨胀式温度计根据填充物的不同氮气、氯甲烷、水银），可分为烷、水银），可分为:

14、: 气体压力式温度计气体压力式温度计、蒸汽压力式温度计蒸汽压力式温度计和和液体压力液体压力式温度计式温度计。测温范围为测温范围为-100-100+700+700。主要用于远距离设备的气体、液体、蒸汽的温度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，也能用于温度控制和有爆炸危险场所的温度测量。测量。第3章 温度传感器体积热膨胀式温度传感器体积热膨胀式温度传感器返回本章目录返回本章目录第3章 温度传感器3.3 3.3 电阻式温度传感器电阻式温度传感器电阻式温度传感器是利用电阻式温度传感器是利用导体或半导体材料导体或半导体材料的的电阻值电阻值随随温度变

15、化温度变化而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，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，这种现象称为这种现象称为热电阻效应热电阻效应。当温度升高时，虽然自由电子数目基本。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。遇到更大的阻力，导致金属电阻值随温度的升高而增加。 把由金属导

16、体把由金属导体铂、铜、镍铂、铜、镍等制成的测温元件称为等制成的测温元件称为金属热电阻金属热电阻，分类分类 简称热电阻传感器；简称热电阻传感器； 把由半导体材料制成的测温元件称为把由半导体材料制成的测温元件称为热敏电阻热敏电阻。第3章 温度传感器3.3.1 3.3.1 金属热电阻传感金属热电阻传感 器器 工作原理工作原理 利用金属导体的利用金属导体的电阻值电阻值随随温度温度的变化而变化的原理的变化而变化的原理 进行测温的进行测温的。Rt显示 仪表图图 3-9 3-9 金属热电阻传感器测量示意图金属热电阻传感器测量示意图 主要材料主要材料 铂和铜。铂和铜。测温范围测温范围 -220-220 850

17、850范围内的温度，少数情况下，低温可范围内的温度，少数情况下，低温可 测量至测量至1K1K（-272-272），高温可测量至），高温可测量至10001000。第3章 温度传感器1 .1 . 铂热电阻铂热电阻 1 .1 . 铂热电阻的电阻铂热电阻的电阻- -温度特性温度特性 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。到了广泛应用。铂电阻的测量范围为铂电阻的测量范围为 -200-200850850。-200 -200 0 0 的温度范围内为：的温度范围内为：R Rt t=R=R0 01+At+Bt1+At+Bt2

18、 2+Ct+Ct3 3(t-100)(t-100) 0 0 850 850的温度范围内为：的温度范围内为： R Rt t=R=R0 0(1+At+Bt(1+At+Bt2 2) ) 式中式中R Rt t和和R R0 0分别为分别为t t和和00时的铂电阻值；时的铂电阻值；A A、B B、和、和C C为常数，其数为常数，其数值为值为 A = 3.9684 A = 3.9684* *1010-3-3/ B = - 5.847 B = - 5.847* *1010-7-7/ C = - 4.22 C = - 4.22* *1010-12-12/0001050100RRR、分度号分别为分度号分别为Pt1

19、0Pt10、Pt50Pt50、Pt100Pt100，其中，其中Pt100Pt100最常用。铂热电最常用。铂热电阻不同分度号对应有相阻不同分度号对应有相应分度表，即应分度表，即Rt t Rt t 的关系的关系 第3章 温度传感器铂热电阻纯度铂热电阻纯度 用用R R100100/R/R0 0= =（1.3851.385）表示铂丝的纯度，比值越大，）表示铂丝的纯度，比值越大， 纯度越高，测量越精确。纯度越高，测量越精确。 我国工业用铂电阻我国工业用铂电阻R R100100/R/R0 0=1.391=1.3911.3891.389， 国际上规定国际上规定R R100100/R/R0 01.3921.3

20、92 书中的书中的A A、B B、C C的值是分度号为的值是分度号为PtPt1001001000R1.391R第3章 温度传感器第3章 温度传感器2. 2. 铜热电阻的电阻铜热电阻的电阻- -温度特性温度特性 由于铂是贵金属，在测量精度要求不高，温度范围在由于铂是贵金属，在测量精度要求不高，温度范围在- -5050 150150时普遍时普遍采用采用铜电阻铜电阻。 铜电阻与温度间的关系为：铜电阻与温度间的关系为： R Rt t=R=R0 0(1+a(1+a1 1t+at+a2 2t t2 2+a+a3 3t t3 3) ) 由于由于a a2,2,a a3 3比比a a1 1小得多，所以可以简化为

21、：小得多，所以可以简化为： R Rt tRR0 0 (1+a (1+a1 1t)t) 式中，式中，R Rt t是温度为是温度为t t时铜电阻值；时铜电阻值；R R0 0是温度为是温度为00时铜电阻值；时铜电阻值； a a1 1是常数；是常数；a a1 1=4.28=4.28* *1010-3-3-1-1 铜电阻的铜电阻的R R0 0常取常取100100、5050两种，两种，分度号为分度号为Cu100Cu100、Cu50Cu50。特点：铜易于提纯，价格低廉，电阻特点：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

22、，机械强度较差，热惯性较铂的几分之一。因此，铜电阻所用阻丝细而且长，机械强度较差，热惯性较大，在温度高于大，在温度高于100100以上或腐蚀性介质中使用时，易氧化，稳定性较差。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。因此，只能用于低温及无腐蚀性的介质中。第3章 温度传感器3 . 3 . 热电阻传感器的结构热电阻传感器的结构图图3-10 3-10 热电阻传感器的结构热电阻传感器的结构电阻体由电阻丝和电阻支架组成。由于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，铂的电阻率大，而且相对机械强度较大，通常铂丝直径在通常铂丝直径在0.

23、030.03（0.07mm0.07mm0.0050.005）mmmm之间，可单层绕之间，可单层绕制，电阻体可做得很小。制，电阻体可做得很小。铜的机械强度较低，电阻丝的直径较大铜的机械强度较低，电阻丝的直径较大，一般为一般为（0.10.10.0050.005）mmmm 的漆包铜线的漆包铜线或丝包线分层绕在骨架上，并涂上绝缘或丝包线分层绕在骨架上，并涂上绝缘漆而成。漆而成。由于铜电阻测量的温度低，一般多用双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

24、入，从另一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。绕法也有利于引线的引出。图图3-10 3-10 热电阻传感器的结构热电阻传感器的结构第3章 温度传感器 a) 铂电阻元件铂电阻元件-陶瓷型陶瓷型 b) 铂电阻元件铂电阻元件-薄膜型薄膜型 c) 薄膜型温度探测器（不干胶板）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带柔性引线的铂电阻温度探测器图图 3-10b

25、) 常用铂热电阻传感器元件及外形结构常用铂热电阻传感器元件及外形结构第3章 温度传感器 图图 3-10b) 常用铂热电阻传感器元件及外形结构常用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铠装铂电阻电阻温度探测器f) 外用外用/冷藏温度传感器器冷藏温度传感器器第3章 温度传感器4. 4. 热电阻传感器的测量电路热电阻传感器的测量电路 热敏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热敏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，可采用大误差，为减小误差，可采用三线制三线制电桥连接法测量电路或电桥连接法测量电路或四线电阻四线电阻测测量

26、电路量电路。图图3-123-12 两线制测量两线制测量图图3-133-13 三线制电桥测量电路三线制电桥测量电路图3-14 四线制恒流源测量电路213()()tRr RR Rr21RR3tRR213(2 )tRr RR R21RR32tRrRtUIR第3章 温度传感器图图3-153-15热电阻引线方式热电阻引线方式无论三线制或四线制测量电路，都必须从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，如图电阻的接线端子上分出，如图3-153-15所示。所示。否则同样会存在引线误差。否则同样会存在引线误差。第3章 温度

27、传感器3.3.2 3.3.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 半导体热敏电阻简称半导体热敏电阻简称热敏电热敏电阻阻，是一种新型的半导体测，是一种新型的半导体测温元件，热敏电阻是利用某温元件，热敏电阻是利用某些些金属氧化物或单晶锗、硅金属氧化物或单晶锗、硅等材料，按特定工艺制成的等材料，按特定工艺制成的感温元件。感温元件。 热敏电阻分类热敏电阻分类正温度系数（正温度系数（PTCPTC）热敏电阻热敏电阻; ;负温度系数（负温度系数（NTCNTC）热敏电阻热敏电阻; ; 临界温度电阻器（临界温度电阻器（CTRCTR）( (在某一特定温度下电阻值会发生突变在某一特定温度下电阻值会发生突变) )图图3-1

28、63-16各种热敏电阻的特性曲线各种热敏电阻的特性曲线 11突变型突变型NTC 2NTC 2负温度负温度NTC NTC 33线形型线形型PTC 4PTC 4突变型突变型PTCPTC温度的测量温度的测量温控开关电路温控开关电路Rt热敏电阻在电热敏电阻在电路中的符号：路中的符号： 第3章 温度传感器热敏电阻结构热敏电阻结构MF12型NTC热敏电阻聚酯塑料封装热敏电阻第3章 温度传感器玻璃封装玻璃封装NTC热敏电阻热敏电阻MF58型热敏电阻第3章 温度传感器第3章 温度传感器4. 4. 热敏电阻的应用热敏电阻的应用（1 1）热敏电阻测温）热敏电阻测温 用于测量温度的热敏电阻结构简单，价用于测量温度的

29、热敏电阻结构简单，价格便宜。没有外保护层的热敏电阻只能格便宜。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。恶劣环境下只能用密封的热敏电阻。如如图图3-183-18为热敏电阻测量温度的电路图。为热敏电阻测量温度的电路图。 测量时先对仪表进行标定。将绝缘的热测量时先对仪表进行标定。将绝缘的热敏电阻放入敏电阻放入3232（表头的零位）的温水（表头的零位）的温水中，待热量平衡后，图中，待热量平衡后，图3-18 3-18 热敏电阻热敏电阻体温表原理图体温表原理图 调节调节RPRP1 1，使指针在，使指针在3232上，再加热

30、水，上，再加热水，用更高一级的温度计监测水温，使其上用更高一级的温度计监测水温，使其上升到升到4545。待热量平衡后，调节。待热量平衡后，调节RPRP2 2，使指针指在使指针指在4545上。再加入冷水，逐渐上。再加入冷水，逐渐降温，反复检查降温，反复检查32324545范围内刻度的范围内刻度的准确性。准确性。 图图3-183-18 热敏电阻体温表原理图热敏电阻体温表原理图第3章 温度传感器图图3-193-19 负温度系数热敏电阻在电冰箱温度控制中的应用负温度系数热敏电阻在电冰箱温度控制中的应用开机开机检测检测关机关机检测检测基准基准电压电压t Ut Ui2i2U Ui1i1、U Ui2i2U

31、Ui3i3，U UA1 A1 ，U UA2 A2 。 U UIC2 IC2 ，VTVT导通，继电器工作，压缩导通，继电器工作，压缩机开始制冷机开始制冷第3章 温度传感器案例案例4 4：热敏电阻用于液位报警：热敏电阻用于液位报警u图图3-20 3-20 所示为具有音乐报警的液位报警器，适用于电池电压为所示为具有音乐报警的液位报警器，适用于电池电压为6V 6V 的摩托车。图的摩托车。图中，中，G G为为KD930OKD930O型音乐信号集成块；型音乐信号集成块；A A为为TWH8778TWH8778型功率放大集成块，在本电路中用型功率放大集成块，在本电路中用作脉冲放大器；作脉冲放大器；Rt1Rt1

32、和和Rt2 Rt2 构成旁热式构成旁热式PTCPTC热敏电阻液位传感器热敏电阻液位传感器。其中，。其中，Rt1Rt1为旁热为旁热元件，常温阻值元件，常温阻值1212 , ,居里温度（电阻值开始陡峭地增高时的温度）居里温度（电阻值开始陡峭地增高时的温度）Tc =40 ; Tc =40 ; Rt2Rt2为常温阻值为常温阻值100100士士5050 ，Tc30Tc30，热态阻值，热态阻值600600 的的PTCPTC热敏电阻传感元件。热敏电阻传感元件。当传感器处于汽油中时，当传感器处于汽油中时，G G之之的触发电压低于的触发电压低于2V2V，电路截止，扬声器，电路截止，扬声器HAHA不发声。不发声。

33、当传感器露出液面后，当传感器露出液面后，Rt2Rt2的阻值的阻值剧增剧增，G G触发导通输出音乐信号，并经触发导通输出音乐信号，并经A A放大后推放大后推动动HAHA发出足够的音乐报警声，为驾驶员提供加油信息。发出足够的音乐报警声，为驾驶员提供加油信息。图图3-20 3-20 带音乐报警的液位报警器电路带音乐报警的液位报警器电路第3章 温度传感器返回本章目录返回本章目录第3章 温度传感器3.4 3.4 热电偶温度传感器热电偶温度传感器 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

34、于维修、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；复现性好； 测温范围广，一般为测温范围广，一般为-270-270+2800+2800； 直接输出电信号，不需要转换电路。适于远距离测量、自动记录、直接输出电信号，不需要转换电路。适于远距离测量、自动记录、集中控制等优点。在温度测量中占有很重要的地位。集中控制等优点。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。缺点是存在冷端温度补偿问题。第3章 温度传感器3.4.1 3.4.1 热电偶温度传感器的工作原理热电偶温度传感器的工作原理 1. 1. 热电效应热电效应 两种不同材料的导体A A和B B组成一个闭合电

35、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。图图3-21 3-21 热电偶测温原理图热电偶测温原理图第3章 温度传感器热电偶工作演示热电偶工作演示 热端温度高于冷端温度时，回路中产生的热电势大于零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，回路中不产生热电势冷热两端温度相等时，回路中不产生热电势 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温度低于冷端温度时，回路中产生的热电势小于零热端热端 冷端冷端 热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示第3章 温度传感器2. 2. 热电动势的组成热电动势的组成图图3-243-

36、24 热电偶回路总热电势热电偶回路总热电势0000( , )( )( , )( )( , )ABABBABAEt tetet tetet t两种导体的两种导体的接触电势接触电势 图图3-23 单一导体的温差电势单一导体的温差电势温差温差电势电势很小很小单一导体的单一导体的温差电动势温差电动势 图图3-22 两种导体的接触电势两种导体的接触电势接触电动势接触电动势的数值取决的数值取决于两种导体于两种导体的的性质性质和和接接触点的温度触点的温度，而与导体的而与导体的形状及尺寸形状及尺寸无关无关第3章 温度传感器总热电动势表达式总热电动势表达式 则总的热电动势就只与热端温度则总的热电动势就只与热端温

37、度t t 成单值函数关系，即：成单值函数关系，即： 0( ,)( )( )ABABEt tetCf t00( , )( )( )ABABABEt tetet0000( , )( )( , )( )( , )ABABBABAEt tetet tetet t温差电势温差电势很小，可很小，可忽略不计忽略不计 总热电总热电势表达势表达式式t to o 恒定恒定e eABAB（t to o）= = C C热端接热端接触电势触电势 冷端接冷端接触电势触电势 A A导体的导体的温差电势温差电势 B B导体的导体的温差电势温差电势 第3章 温度传感器 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

38、的 分度表是参考端温度为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。第3章 温度传感器附录附录C KC K型热电偶分度表型热电偶分度表K型（镍铬型（镍铬镍硅）镍硅） 热电偶温度范围（热电偶温度范围（-90 01300） （参考端温度为（参考端温度为00）热电势 mV第3章 温度传感器3. 3. 热电偶的基本定律热电偶的基本定律（1 1） 中间导体定律：中间导体定律： 在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端的温两端的温度相等度相等，则对热电偶回路总的热电动势无影响，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，。同

39、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。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）图图3-25 中间导体定律中间导体定律 第三第三种导种导体体第3章 温度传感器证明中间导体定律证明中间导体定律00000( ,)( )( )( )0ABCABBCCAEt tetetet000( )( )( )ABBCCAetetet 000(, )()( )( )ABCABBCCAEt tetete t0000( , )( )( )( )( )( )ABCABBCCAABABEt tetetetetet当当t=t0时时所以所以

40、第3章 温度传感器中间导体定律的意义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。可采用且不影响测量精度。可采用开路热开路热电偶电偶对对液态金属液态金属和和金属壁面金属壁面进行温度测量，只要保证两热电极插入地进行温度测量，只要保证两热电极插入地方的方的温度相同温度相同即可。即可。图图3-263-26 连接仪表的热电偶测量回路连接仪表的热电偶测量回路图图3-27 3-27 开路热电偶测温开路热电偶测温第3章 温度传感器（2 2）中间

41、温度定律）中间温度定律 在热电偶测量电路中，测量端温度为t t，自由端为t to o，中间温度为tt， 则（t t，t to o）的热电势等于（t t，tt）与（tt，t to o）热电势代数和。即：tt0ttABtt0ttABAB+图图3-28 中间温度定律中间温度定律00( , )( , )( , )ABABABEt tEt tEt t( , )( )( )ABABABEt tetet00( ,)( )( )ABABABEt tetet000( , )( ,)( )( )( ,)ABABABABABEt tEt tetetEt t两式相加得：两式相加得： 证明：证明： 第3章 温度传感器中

42、间温度定律的意义中间温度定律的意义 利用该定律，可对参考端温度不为00的热电势进行修正。另外，可以选用廉价的热电偶AA、BB代替tt到t to o段的热电偶A A、B B，只要在 （tt、t to o ）温度范围内（AA、BB）与（A A、B B）热电偶具有相近的热电势特性，便可将热电偶冷端延长到温度恒定的地方再进行测量，使测量距离加长，还可以降低测量成本，而且不受原热电偶自由端温度tt的影响。这就是在实际测量中，对冷端温度进行修正，运用补偿导线延长测温距离，消除热电偶自由端温度变化影响的道理。 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。 第3章 温度传感器（3 3）参考电极

43、定律）参考电极定律 如图3-283-28所示，已知热电极A A、B B与参考电极C C 组成的热电偶在接点温度为（t t，t to o）时的热电动势分别为E EACAC（t t，t to o），E EBCBC（t t，t to o），则相同温度下，由A A，B B两种热电极配对后的热电动势 E EAB AB （t t，t to o），可按下面公式计算为 000( , )( , )( , )ABACBCEt tEt tEt t图图3-29 3-29 参考电极定律参考电极定律第3章 温度传感器参考电极定律举例参考电极定律举例例例1 1 已知铂铑已知铂铑3030铂热电偶的铂热电偶的E E（1084.

44、51084.5，00）= 13.937mV= 13.937mV， 铂铑铂铑66铂热电偶的铂热电偶的 E E（1084.51084.5，00）= 8.354mV= 8.354mV，求：铂铑求：铂铑3030铂铑铂铑6 6热电偶在同样温度条件下的热电动势。热电偶在同样温度条件下的热电动势。解解: : 设设A A 为铂铑为铂铑3030电极，电极，B B 为铂铑为铂铑6 6电极，电极，C C 为纯铂电极为纯铂电极E EABAB（1084.51084.5，00）= = E EACAC（1084.51084.5，0 0 ）- - E EBCBC（1084.51084.5，00）= 5.622mV= 5.62

45、2mV第3章 温度传感器参考电极定律的意义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。起主要作用的是两个接点的接触电势热电偶具有以下性质：热电偶具有以下性质：（1 1）当两热电极）当两热电极材料相同材料相同时，不论接点温度相同与否，回路总热电势均为时，不论接点温度相同与否，回路总热电势均为零零（2 2）当热电偶两个）当热电偶两个接点温度相同接点温度相同时，不论电极材料相同与否，回路总热

46、电势时，不论电极材料相同与否，回路总热电势均为均为零零。（3 3）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）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。电极材料选定后，两接点的温差越大，热电势也就越大。（4 4）回路中热电势的方向取决于热端的接触电势方向或回路电流流过冷端的）回路中热电势的方向取决于热端的接触电势方向或回路电流流过冷端的方向。方向。第3章 温度传感器3.4.2 3.4.2 热电极的材料及常用热电偶热电极的材料及常用热电偶 根据热电偶的测量原理，理论上根据热电偶的测量原理，理论上任何两种不同

47、材料的导体任何两种不同材料的导体都可以作为热电极组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：成材料严格选择。组成热电偶材料要满足以下条件：1 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。学性能稳定，能耐高温，在高温下不易氧化或腐蚀等。2 2） 导电率要高，电阻温度系数小。导电率要高，电阻温度系数小。3 3

48、） 热电势随温度的变化率要大，并希望该变化率最好是常数。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 4） 组成热电偶的两电极材料应具有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相近的熔点和特性稳定的温度范围。范围。5 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。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。目前工业上常用的目前工业上常用的4 4种标准化的热电偶材料为：种标准化的热电偶材料为：铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6（分度号为（分度号为B B型），测温范围型），测温范围0 018001800；铂铑铂铑1010铂（分度号为铂（分

49、度号为S S型），测温范围型），测温范围0 016001600；镍铬镍铬镍硅（分度号为镍硅（分度号为K K型），测温范围型），测温范围-200-20013001300；镍铬镍铬铜镍（分度号为铜镍（分度号为E E型），测温范围型），测温范围-200-200900900。组成热电偶的两种材料写在组成热电偶的两种材料写在前面的为正极前面的为正极，后面为负极后面为负极。查热电偶分度表时，一定要对应相应的材料。查热电偶分度表时，一定要对应相应的材料。第3章 温度传感器3.4.3 3.4.3 热电偶传感器的结构热电偶传感器的结构根据安装连接形式根据安装连接形式可分为可分为:固定螺纹固定螺纹连接，连接，固定

50、法兰固定法兰连接，连接，活动法兰活动法兰连接，连接，无固定无固定装置等形式装置等形式图图3-30 普通热电偶普通热电偶第3章 温度传感器铠装热电偶铠装热电偶图图3-31 铠装热电偶铠装热电偶也称缆式热电偶，也称缆式热电偶，它是将热电偶丝它是将热电偶丝与电熔氧化镁绝与电熔氧化镁绝缘物熔铸在一起，缘物熔铸在一起，外套不锈钢管等外套不锈钢管等. .热电偶耐高压、热电偶耐高压、反应时间短、坚反应时间短、坚固耐用固耐用 第3章 温度传感器铠装热电偶外形铠装热电偶外形铠装热电偶横截面铠装热电偶横截面第3章 温度传感器薄膜热电偶薄膜热电偶图图3-32 薄膜热电偶热电偶用真空镀膜技术用真空镀膜技术等方法，将热

51、电等方法，将热电偶材料沉积在绝偶材料沉积在绝缘片表面而构成缘片表面而构成的热电偶的热电偶薄膜热电偶：测量范围为薄膜热电偶：测量范围为-200-200500500，热电极材料多采用，热电极材料多采用铜铜康铜、镍铬康铜、镍铬铜、镍铬铜、镍铬镍硅等，用云母作绝缘基片，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。主要适用于各种表面温度的测量。当测量范围为当测量范围为50050018001800时，热电极材料多用镍铬时，热电极材料多用镍铬镍硅、镍硅、铂铑铂铑铂等，用陶瓷做基片。铂等，用陶瓷做基片。第3章 温度传感器热电偶的其他结构形式第3章 温度传感器另外，根据热电偶的测温原理，热电偶回路的

52、热电势只另外，根据热电偶的测温原理，热电偶回路的热电势只与与冷端和热端的温度冷端和热端的温度有关，当冷端温度保持不变时，热电势才有关，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，常随环境温度变化而变化， 不能保持恒定，因而会产生测不能保持恒定，因而会产生测量误差。为了消除或补偿冷端温度的影响，常采用以下几种量误差。为了消除或补偿冷端温度的影响，常采用以下几种方法。方法。3.4.4 3.4.4 热电偶冷端温度补偿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

53、温度不为零，测得的热电势就不能直接去查相应的分度表。0t第3章 温度传感器1 10冷端恒温法（冰浴法）冷端恒温法（冰浴法） 将热电偶的冷端置于将热电偶的冷端置于00的恒温器内，保持为的恒温器内，保持为00。此时测得的热电势。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。可得知热端温度的大小。在冰瓶中，冰水混合在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间物的温度能较长时间的保持在的保持在0 0 不变不变第3章 温度传感器冰浴法接线图冰浴法接线图被测流被测流体管道体管道热电热电偶偶接线盒接线盒补

54、偿补偿导线导线铜铜导导线线毫毫伏伏表表冰瓶冰瓶冰水混冰水混合物合物试管试管新的新的冷端冷端第3章 温度传感器此方法在热电偶与动圈式仪表配套使用时特别实用。可以利用仪表的机此方法在热电偶与动圈式仪表配套使用时特别实用。可以利用仪表的机械调零点将械调零点将零位调到与冷端温度相同零位调到与冷端温度相同的刻度上，也就相当于先给仪表输入的刻度上，也就相当于先给仪表输入一个热电势一个热电势 ，在仪表使用时所指示的值即为，在仪表使用时所指示的值即为 对应的温度值，也即实际测量的温度的大小对应的温度值，也即实际测量的温度的大小2 2冷端恒温法冷端恒温法00( ,0)( , )( ,0)ABABABEtEt t

55、Et0( ,0)ABEt00( ,)( ,0)ABABEt tEt 当热电偶的冷端温度当热电偶的冷端温度t t0 000时，测得的热电动势时，测得的热电动势 E EABAB（t t， t t0 0 ） E EABAB（t t，00）。）。若冷端温度若冷端温度t0 0，则，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。动而引入误差。 利用中间温度定律即可求出测量端相对于利用中间温度定律即可求出测量端相对于00的热电势。的热电势。第3章 温度传感器3. 3.

56、 补偿导线法（延引电极法）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温度将直接受到被测介质温度和周围环境的影响影响. . 例如，热电偶安装在电炉壁上，电炉周围的例如，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。的温度，造成测量误差。mVAABBttt0图3-35 补偿导线法00( ,)( ,)ABA BEt tEt t 为了使为了使冷端不受测量端温度的影响冷端不受测量端温度的影响，可将，可将热电偶加长热电偶加长，

57、但同时也增加了测量费用。所，但同时也增加了测量费用。所以一般采用在以一般采用在一定温度范围内（一定温度范围内（0 0100100）与热电偶热电特性相近且廉价的材料代替热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电偶来延长热电极，这种导线称为补偿导线，这种导线称为补偿导线，这种方法称为这种方法称为补偿导线法补偿导线法。如图。如图3-353-35所示。所示。AA、BB为补偿导线，根据补偿导线的定义为补偿导线，根据补偿导线的定义有有: :第3章 温度传感器热电偶补偿导线的作用热电偶补偿导线的作用 如果参考端温度不稳定，会使温度测量误差加大。为使热电偶测量准如果参考端温度不稳定，会使温度测

58、量误差加大。为使热电偶测量准确，在测温时，可采用配套的补偿导线将参考端延伸到确，在测温时，可采用配套的补偿导线将参考端延伸到温度稳定温度稳定处再处再进行温度测量。所以，进行温度测量。所以，补偿导线只起补偿导线只起延长热电偶延长热电偶的作用，的作用，不起任何温不起任何温度补偿作用，但与热电偶有相同的功用。又因补偿导线比热电偶便宜，度补偿作用，但与热电偶有相同的功用。又因补偿导线比热电偶便宜，使用补偿导线可节约测量经费使用补偿导线可节约测量经费。 使用补偿导线必须注意使用补偿导线必须注意两个问题两个问题： 两根补偿导线与热电偶相连的接点温度必须相同，接点温度不两根补偿导线与热电偶相连的接点温度必须

59、相同，接点温度不 超过超过100 100 ； 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。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，如表在我国，补偿导线已有定型产品，如表3-13-1所示。所示。 第3章 温度传感器表表3-1 3-1 常用热电偶补偿导线常用热电偶补偿导线第3章 温度传感器当热电偶冷端温度当热电偶冷端温度上升上升时，热电势值时，热电势值将减小，但电阻将减小，但电阻 阻值增加，电桥失阻值增加，电桥失去平衡，去平衡，abab间显现的电位差间显现的电位差 ，如

60、果适当选取桥臂电阻，便可使如果适当选取桥臂电阻，便可使 正好等于正好等于减小减小的热电势值，仪表读出的的热电势值，仪表读出的热电势值便不受自由端温度变化的影响，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即起到了自动补偿的作用。4. 4. 电桥补偿法电桥补偿法 电桥补偿法是利用不平衡电桥产生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因冷端温度变化而引起的热电势变化。化。图图3-36 3-36 电桥补偿法电桥补偿法0abUabU000( ,0)( , )( ,0( , )ABABABABabEtEt tE