《传感器与检测技术》胡向东第4章热电式传感器

1、第第4 4章章 热电式传感器热电式传感器 温度是表征物体冷热程度的物理量。它反温度是表征物体冷热程度的物理量。它反映物体内部各分子运动平均动能的大小。映物体内部各分子运动平均动能的大小。 温度可以利用物体的某些物理性质（电阻、温度可以利用物体的某些物理性质（电阻、电势、等）随着温度变化的特征进行测量。电势、等）随着温度变化的特征进行测量。 测量方法按作用原理分接触式和非接触式。测量方法按作用原理分接触式和非接触式。接触式传感器接触温度场，二者进行热交换。接触式传感器接触温度场，二者进行热交换。（热电偶、热电阻温度传感器）。（热电偶、热电阻温度传感器）。 测温范围在测温范围在-2501800度，

2、适用于远距离多点度，适用于远距离多点测量。测量。 非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。物体辐射能量的大小与温度的变化而变化的原理。物体辐射能量的大小与温度有关温度有关, 当选择合适的接收检测装置时当选择合适的接收检测装置时, 便可测得便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号示的各种信号, 实现温度的测量。这类测温方法的实现温度的测量。这类测温方法的温度传感器主要有光电高温传感器、红外辐射温度温度传感器主要有光电高温传感器、红外辐射温度传感器、光纤高温传感器等。

3、测量范围传感器、光纤高温传感器等。测量范围6006000度。度。4.1 4.1 热电偶传感器热电偶传感器一一. .热电偶的测温原理热电偶的测温原理1.1.接触电势接触电势BAABNNekTTEln)(BAABNNTTeKTTEln)(),(002.2.温差电势温差电势dtdttNdNekTTETTAAA0)(1),(0dtdttNdNekTTETTAAB0)(1),(0回路总的电势为回路总的电势为ABABABEETTETTP),(),(00BAABABNNTTeKTTETTPln)(),(),(000由于温差电势很小，可略去。因此回路由于温差电势很小，可略去。因此回路的电势为的电势为: : 热

4、电偶回路的几点结论热电偶回路的几点结论： 如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。必须采用两种不同的材料作为热电极。必须采用两种不同的材料作为热电极。 如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电势亦为零。势亦为零。 热电偶热电偶AB的热电势与的热电势与A、B材料的中间温度无关，只材料的中间温度无关，只与结点温度有关。与结点温度有关。二二. 热电偶基本定律热电偶基本定律 1. 中间导体定律中间导体

5、定律 利用热电偶进行测温利用热电偶进行测温, 必须在回路中引入连接导线和仪表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电势呢？中间导体定接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间导体定律说明律说明, 在热电偶测温回路内在热电偶测温回路内, 接入第三种导体接入第三种导体, 只要其两端温只要其两端温度相同度相同, 则对回路的总热电势没有影响。则对回路的总热电势没有影响。 接入第三种导体回路如图接入第三种导体回路如图 所示。所示。 由于温差电势可忽由于温差电势可忽略不计略不计, 则回路中的总热则回路中的总热电势等于各接点的接触电电势等于各接点的接触电势之和。势之和。

6、 即即EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0) （1） 当T= T0 时, 有 EABC(T0)=eAB(T0 )+eBC(T0)+eCA(T0) =0 由此得eAB(T0 )eBC(T0)eCA(T0) =0代入（1）式(T, T0)=eAB(T)-eAB(T0)=eAB(T, T0) 同理, 加入第四、第五种导体后, 只要加入的导体两端温度相等, 同样不影响回路中的总热电势。 2.参考电极定律参考电极定律当结点温度为T, T0时，用导体A，B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。000( ,)( ,)( ,)ABACCBET TET

7、TET T 参考电极的实用价值在于：它可大大简化热电偶的选配工作。实际测温中，只要获得有关热电极与参考电极配对时的热电势值，那么任何两种热电极配对时的热电势均可按公式而无需再逐个去测定。 用作参考电极(标准电极)的材料，目前主要为纯铂丝材，因为铂的熔点高，易提纯，且在高温与常温时的物理、化学性能都比较稳定。3.3.中间温度定律中间温度定律 在热电偶回路中在热电偶回路中, ,两接点温度为两接点温度为T,T0T,T0时的热电势时的热电势, ,等于该等于该热电偶在接点热电偶在接点T,TaT,Ta和和TaTa和和T0T0时的热电势。时的热电势。 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

8、00时的热电势和温度时的热电势和温度关系，就可求出冷端为任意温度关系，就可求出冷端为任意温度T0T0的热电偶电动势。它的热电偶电动势。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路中, ,利用热电偶这一性质利用热电偶这一性质, ,可对参考端温度不为可对参考端温度不为00的的热电势进行修正。热电势进行修正。 )(),(),(00TTETTETTEaABaABAB 三、常用热电偶三、常用热电偶 理论上讲理论上讲, , 任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶, , 但为了准确可靠地测量温度但为了准确可靠地

9、测量温度, , 对组成热电偶的材料必须经过严对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件格的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件: : 热电势热电势变化尽量大变化尽量大, , 热电势与温度关系尽量接近线性关系热电势与温度关系尽量接近线性关系, , 物理、物理、 化学性能稳定化学性能稳定, , 易加工易加工, , 复现性好复现性好, , 便于成批生产便于成批生产, , 有良好的有良好的互换性。互换性。 实际上并非所有材料都能满足上述要求。实际上并非所有材料都能满足上述要求。 目前在国际上目前在国际上被公认比较好的热电材料只有几种。国际电工委员会（被公认比较好的

10、热电材料只有几种。国际电工委员会（IECIEC）向世界各国推荐向世界各国推荐8 8种标准化热电偶种标准化热电偶, , 所谓标准化热电偶所谓标准化热电偶, , 它已它已列入工业标准化文件中列入工业标准化文件中, , 具有统一的分度表。具有统一的分度表。 我国从我国从19881988年年开始采用开始采用IECIEC标准生产热电偶。表标准生产热电偶。表11-1 11-1 为我国采用的几种热电为我国采用的几种热电偶的主要性能和特点。偶的主要性能和特点。 1.1.镍铬镍铬- -考铜考铜(E(E型型) )2.2.镍铬镍铬- -镍铝镍铝(K(K型型) )3.3.铂铑铂铑3030- -铂铑铂铑6 6（B B型

11、）型）4.4.铂铑铂铑1010- -铂铂(S(S型）型）目前工业上常用的有四种标准化热电偶目前工业上常用的有四种标准化热电偶四、四、 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为了适应不同生产对象的测温要求和条件, , 热电偶热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。偶等。 1.普通型热电偶普通型热电偶 普通型结构热电偶工业上使用最多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它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成2.铠装热电偶铠装热电偶 铠装热电偶又称套管

12、热电偶。它是由铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、热电偶丝、 绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体成的坚实组合体, , 它可以做得很细很长它可以做得很细很长, , 使用中随使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小热容量小, , 动态响应快动态响应快, , 机械强度高机械强度高, , 挠性好挠性好, , 可可安装在结构复杂的装置上安装在结构复杂的装置上, , 因此被广泛用在许多工因此被广泛用在许多工业部门中。业部门中。3.3.薄膜热电偶薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料薄

13、膜热电偶是由两种薄膜热电极材料, , 用真空用真空蒸镀、蒸镀、 化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶的一种特殊热电偶, , 薄膜热电偶的热接点可以做得薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到很小（可薄到0.010.1m0.010.1m）, , 具有热容量小具有热容量小, , 反反应速度快等的特点应速度快等的特点, , 热相应时间达到微秒级热相应时间达到微秒级, , 适用适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量测量。 五五.热电偶温度补偿方法热电偶温度补偿方法 从热电偶测温基本公式可以看到从

14、热电偶测温基本公式可以看到, , 对某一种热电偶来说热电对某一种热电偶来说热电偶产生的热电势只与工作端温度偶产生的热电势只与工作端温度t t和自由端温度和自由端温度t0t0有关有关, , 即即: : EAB(t, t0)=e AB(t)-eAB(t0) 热电偶的分度表是以热电偶的分度表是以t t0 0=0=0作为基准进行分度的作为基准进行分度的, , 而在实际而在实际使用过程中使用过程中, , 参考端温度往往不为参考端温度往往不为0, 0, 那么工作端温度为那么工作端温度为t t时时, , 分度表所对应的热电势分度表所对应的热电势E EABAB (t, 0) (t, 0)与热电偶实际产生的热电

15、势与热电偶实际产生的热电势E EABAB(t, t(t, t0 0) )之间的关系可根据中间温度定律得到下式之间的关系可根据中间温度定律得到下式 EAB(t, 0)= EAB(t, t0)+ EAB(t0, 0) 由此可见由此可见, E, EABAB(t, 0) (t, 0) 是参考端温度是参考端温度t0t0的函数的函数, , 因此需要对因此需要对热电偶参考端温度进行处理。热电偶参考端温度进行处理。1.1.补偿导线法补偿导线法在实际测温时在实际测温时, 需要把热电偶输出的电势信号传需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制

16、仪表制仪表, 这样参考端温度这样参考端温度t0也比较稳定。热电偶也比较稳定。热电偶一般做得较短一般做得较短 需要用导线将热电偶的冷端延伸需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线出来。工程中采用一种补偿导线, 它通常由两种它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成不同性质的廉价金属导线制成, 而且在而且在0100温温度范围内度范围内, 要求补偿导线和所配热电偶具有相同要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。的热电特性。 2. 冷端温度修正法冷端温度修正法可得热电偶热电势的计算公式：可得热电偶热电势的计算公式： E(t,0)=E(t,tE(t,0)=E(t,t0 0 )+E(t)+

17、E(t0 0 ,0) ,0)E(t,0)E(t,0)表示冷端为零度，热端为表示冷端为零度，热端为t t时的热电势时的热电势E(t,tE(t,t0 0 ) )表示冷端为表示冷端为t t0 0，热端为，热端为t t时的热电势时的热电势, ,实测值实测值E(tE(t0 0 ,0) ,0)表示冷端为零度，热端为表示冷端为零度，热端为t t0 0时的热电势时的热电势采用补偿导线可使热电偶的参考端延伸到温度比较稳定的地方采用补偿导线可使热电偶的参考端延伸到温度比较稳定的地方, , 但只要参考端温度不等于但只要参考端温度不等于0, 0, 需要对热电偶回路的电势值加需要对热电偶回路的电势值加以修正以修正, ,

18、 修正值为修正值为EAB(t0,0)EAB(t0,0)。 经修正后的实际热电势经修正后的实际热电势, , 可由可由分度表中查出被测实际温度值分度表中查出被测实际温度值3.电桥补偿法电桥补偿法 补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电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压作为补偿信号, , 来自动补偿热电偶测量过程来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为中因参考端温度不为00或变化而引起热电势或变化而引起热电势的变化值。的变化值。 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R1、 R2 、R3、电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻RCU 和稳压电源组成。补偿电桥法补偿电桥

19、法补偿原理：将带有铜热电阻的补偿电桥与被补偿的热电偶串联，铜与热电偶的冷端置于同一温度场。室温时，电桥输出为零，当冷端温度变化时，铜电阻阻值变化造成电桥不平衡输出。此不平衡输出电压对热电偶输出变化有抵消作用。 4.冰浴法冰浴法 六六 热电偶测温线路热电偶测温线路 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, 转换成标准电流信号, 下图 为典型的热电偶测温线路。 如用一台显示仪表显示多点温度时, 可按下图 连接, 这样可节约显示仪表和补偿导线。 特殊情况下, 热电偶可以串联或并联使用, 但只能是同一分度号的热电偶, 且参考端应在同一温度下。

20、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。（1）、单点温度测量（2）、测量两点的温度差用两只相同型号的热电偶，配用相同的补偿导线，反向串联。产生热电势为ET=EAB（T1，T0）EAB（T2，T0）显示仪表CBADBAT2T1T0T0C（3）、测量平均温度用几只型号特性相同的热电偶并联在一起。仪表R1E1R2R3E2E3T2T1T3T0ET)(31321EEEET 例 用镍铬一镍硅热电偶测炉温时，其冷端温度to30 ，在直流电位差计上测得的电动势EAB(t,30)=38500mV，求炉温为多少?镍铬一镍硅热

21、电偶分度表（自由端温度为0 ）解：查镍铬一镍硅热电偶K分度表得：(30,0)1.203ABEmV根据中间温度定律得：( ,0)( ,30)(30,0)ABABABEtEtE38.500 1.20339.703mV查镍铬一镍硅热电偶K分度表得：960t 4.24.2 热电阻传感器 一、概述一、概述 热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。温度变化而变化的原理进行测温的。 1. 优点：优点： 测量精度高；测量精度高； 有较大的测量范围；有较大的测量范围；200600 易于使用在自动测量和远距离测量中易于使用在自动测量和远距离测

22、量中2. 分类分类热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻 两两大类大类, 一般把金属热电阻称为热电阻一般把金属热电阻称为热电阻, 而把半导体而把半导体热电阻称为热敏电阻。热电阻称为热敏电阻。3. 常用热电阻常用热电阻用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率的电阻温度系数和电阻率, R-t 关系最好成线性关系最好成线性, 物理化学性能稳定物理化学性能稳定, 复现性好等。目前最常用的复现性好等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。热电阻有铂热电阻和铜热电阻。4. 4.热电阻的结构构热电阻的结

23、构构测温范围：测温范围：-200850-200850 电阻与温度的关系：电阻与温度的关系： 在在-200 0 -200 0 范围范围 在在0 0850850范围范围 式中，式中，RtRt温度为温度为t t时的阻值时的阻值 R0R0温度为温度为0 0度时的阻值度时的阻值 A A常数常数 ， B B常数常数 ， C C常数，常数， 320)100(1 tCtCBtAtRRt)1 (20BtAtRRt1-3 103.90802C-27C 10802. 5-412C 1027350. 4二、铂电阻二、铂电阻 Pt 热电阻在温度热电阻在温度t时的电阻值与时的电阻值与R0 有关。目前我国有关。目前我国规定

24、工业用铂热电阻有规定工业用铂热电阻有R0=50和和R0=100两种两种, 它们的分度号分别为它们的分度号分别为Pt10和和Pt100, 其中以其中以Pt100为常用。为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表铂热电阻不同分度号亦有相应分度表, 即即Rt-t 的关的关系表系表, 这样在实际测量中这样在实际测量中, 只要测得热电阻的阻值只要测得热电阻的阻值Rt, 便可从分度表上查出对应的温度值。便可从分度表上查出对应的温度值。参看表参看表4.3-4.4(P135)由于铂是贵重金属由于铂是贵重金属, , 因此因此, , 在一些测量精度要求不高且温度在一些测量精度要求不高且温度较低的场合较低的场合, ,

25、 可采用铜热电阻进行测温可采用铜热电阻进行测温, , 它的测量范围为它的测量范围为 50 50 150150。 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, , 可近似地表示为可近似地表示为: : R Rt t=R=R0 0（1+t1+t） 式中：式中： 为铜热电阻的电阻温度系数为铜热电阻的电阻温度系数, , 取取=4.28=4.2810-3/10-3/。 铜热电组的两种分度号为：铜热电组的两种分度号为： CuCu5050(R(R0 0=50)=50)和和CuCu100 100 （R100=100）。）。 三、铜热电阻三、铜热电阻铜

26、热电阻线性好铜热电阻线性好, , 价格便宜价格便宜, , 但它易氧化但它易氧化, , 不适宜在腐蚀不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。性介质或高温下工作。 四、热电阻传感器应用四、热电阻传感器应用内部引线方式有两线制、内部引线方式有两线制、 三线制和四线制三种。三线制和四线制三种。 二二线制中引线电阻对测量影响大线制中引线电阻对测量影响大, 用于测温精度不高场用于测温精度不高场合。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导合。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环境温度变化所引起的测量误差。四线线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响制可以完全消除

27、引线电阻对测量的影响, 用于高精度用于高精度温度检测。工业用铂电阻测温采用三线制或四线制。温度检测。工业用铂电阻测温采用三线制或四线制。A、三线制测温消除导线产生误差原理、三线制测温消除导线产生误差原理相临两桥臂增加同一阻值的电阻，对电桥的平衡无影响。相临两桥臂增加同一阻值的电阻，对电桥的平衡无影响。0RRRRt设计使ERRRErRRrRRRRRErRRrRrRRrRUttttt000000)()(B、四线制测温)1 (0110tIRRRIRRRUftf运放采用斩波放大器ICL7650差动放大器。恒流源供电。4.34.3 半导体热敏电阻传感器半导体热敏电阻传感器一、热敏电阻的特点电阻温度系数大，灵敏度高结构简单电阻率高，热惯性小阻值与温度变化呈非线性稳定性和互换性较差二、热敏电阻