第九讲 热电式温度传感器

1、第九讲 温度测量学习目的与要求学习目的与要求 了解测量温度的方法，理解各种测量温度传感器的基本原理，了解各种传感器的组成、分类、特点及标定方法。 重点是热电偶、电阻式温度传感器。 概述概述现代工业中温度测量和控制是不可缺少的，烟草烘干烟草烘干木材烘干木材烘干接触式测温接触式测温 温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。 (1) 膨胀式温度计 (2) 热电阻温度计 (3) 热电偶温度计 (4) 其他原理的温度计直观、可靠，测量仪表也比较简单；时间滞后，对于较小的物体，可能因测温元件引入影响温度场分布而造成测量误差，难以测量运动物体温度，一般只适合于中低温测量特点非接触测温非接触测温

2、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被测物体的温度。 (1) 辐射式温度计 (2) 光纤式温度计：特点不与被测物体接触，不破坏原有的温度场；测温范围广、理论上无温度上限限制、测温响应快、测温过程不影响温度场分布、能够检测运动物体温度等；精度一般不高。一、温度检测一、温度检测热电阻热电阻热电偶热电偶体积热膨胀式体积热膨胀式 不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。 气体的体积与热力学温度成正比基于1-WIRE总线的DB18B20型智能温度传感器DB18B20DB18B20引脚引脚 电流输出型典型集成温度传感器有电流输出型典型集成温度传感器有AD590AD5

3、90（美国（美国ADAD公司生产），国内同类产公司生产），国内同类产品品SG590SG590。器件电压器件电压4 430V30V， 测温范围测温范围-50-50150150二、温标 温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。 国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。 摄氏温标摄氏温标 -把标准大气压下纯水的冰融点定为0度，纯水的沸点定为100度。在0度和100度之间分成100等分，每一分为一摄氏度，符号为。华氏温标华氏温标 -规定在大气压下，纯水的冰融点为32度，纯水的沸点为212度，中间划分为180等分，每一分为

4、一华氏度，符号为 。热力学温标热力学温标 K - 开尔文温标，单位为开尔文（K）。热力学温标（热力学温标（K K） 热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K） 。 世界范围内采用1990年国际温标，它定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如水的三相点为273.16K（0.01C）等。威廉汤姆逊开尔文勋爵像 我国目前实行的为国际摄氏温度（符号为t），两种温标的换算公式为： t()=T（K）-273.15K 进行间接温度测量使用的温度传感器，通常是由感温元件部分和温度显

5、示部分组成，如图示。 温度传感器组成框图 应用：热膨胀原理测温应用：热膨胀原理测温 测量原理物体受热时产生膨胀 液体膨胀式温度计 固体膨胀式温度计 玻璃管温度计 双金属温度计双金属温度计双金属温度计 双金属温度计是把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的，是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化，不仅用于测量温度，而且还用于温度控制装置（尤其是开关的“通断”控制），使用范围相当广泛。 如图所示, 将其一端固定, 如果温度升高, 下面的金属B（例如黄铜）因热膨胀而伸长，上面的金属A（例如因瓦合金）却几乎不变，致使双金属偏向上翘。温度越高则产生的线膨胀差越大，引起的弯曲越大。 感温元

6、件通常绕成螺旋型，一端固定，另一端连接指针轴。温度变化时，感温元件的弯曲率发生变化，并通过指针轴带动指针偏转，在刻度盘上显示出温度的变化。 双金属温度计的结构双金属温度计的结构 温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。金属热电阻一般用于-200+600温度测量。 三、金三、金属热电阻属热电阻1 )(1 1121tRttRR 取一只取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而

7、计算得到的额定热态电阻值应为阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484 。 热电阻测温原理热电阻测温原理导体或半导体的电阻值随温度变化导体或半导体的电阻值随温度变化 测量原理测量原理 T R热电阻 -200-200OO +0+0850850 式中：式中： 为为0C0C时电阻，其值是时电阻，其值是2301100tRRt btc tt201tRRtbt0R100 在在0 0630.74630.74范围内，范围内，金属铂的电阻值与温金属铂的电阻值与温度的关系为度的关系为在在-50-50180180范围内，金属铜的电阻值与温度的关系为范围内，金属铜的电阻值与温度的关系为)1 (0tRRt1

8、 332210tttRRt温度0时的电阻值 温度t时的电阻值 铂电阻电阻率较大，电阻-温度关系呈非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10 铜电阻电阻值与温度的关系几乎呈线性，电阻温度系数也较大，而且其材料易提纯，价格比较便宜，但缺点是在100以上易被氧化工业用铜热电阻的分度号为Cu50和Cu100热电阻的主要技术性能热电阻的主要技术性能 易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻应用于应用于-200600-200600范围内的温度测量范围内的温度测量 热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒热电阻

9、电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒材料要求： 电阻温度系数要大；电阻率尽可能大，热容量要小，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；应有良好的可加工性，且价格便宜。热电阻传感器的结构热电阻传感器的结构456 电阻的结构主要由不同材料的电阻丝绕制而成，为了避免通过交流电时产生感抗，或有交变磁场产生感应电动势，在绕制时采用双线无感绕制。薄膜型及普通型铂热电阻薄膜型及普通型铂热电阻小型铂热电阻小型铂热电阻 防爆型铂热电阻防爆型铂热电阻汽车用水温传感器及水温表汽车用水温传感器及水温表铜热电阻铜热电阻铂热电阻分度表铂热电阻分度表 近年来，几乎所有的家用电器产品都装有微处

10、理器，温度控制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热敏电阻。 热敏电阻用半导体材料氧化复合烧结而成，主要材料有：Mn、Co、Ni、Cu、Fe氧化物。 四、热敏电阻四、热敏电阻 陶瓷半导体材料的导电性取决于电子-空穴的浓度。 在低温下，电子-空穴的浓度很低，故电阻率很大；温度升高，电子-空穴的浓度按指数规律增加，电阻率迅速减小。 )11(00TTeRRR0：温度为20 时的电阻值（）；RT：温度为T 时的电阻值（）；T：热力学温度（K）； ：热敏电阻常数（30004000K ）测温机理测温机理2/TRdTdR 热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分，其特性曲线是非线性的。 NT

11、C又可分为两大类： 第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系； 第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降 。热敏电阻的外形、结构及符号热敏电阻的外形、结构及符号a a）圆片型热敏电阻）圆片型热敏电阻 b b）柱型热敏电阻）柱型热敏电阻 c c）珠型热敏电阻）珠型热敏电阻 d d）铠装型）铠装型 e e）厚膜型）厚膜型 f f）图形符号）图形符号1 1热敏电阻热敏电阻 2 2玻璃外壳玻璃外壳 3 3引出线引出线 4 4紫铜外壳紫铜外壳 5 5传热安装孔传热安装孔 热敏电阻外形热敏电阻外形 MF12型型 NTC热敏电阻热敏电阻聚脂塑料封装聚脂塑料封装热敏

12、电阻热敏电阻其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 玻璃封装玻璃封装 NTC热敏电阻热敏电阻MF58 型热敏电阻型热敏电阻其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 带安装孔的热敏电阻带安装孔的热敏电阻大功率大功率PTC热敏电阻热敏电阻热敏电阻温度计面板表热敏电阻温度计面板表 热敏电阻热敏电阻 LCD 由于热敏电阻与温度呈较强的非线性，使得它的测温范围和精度受到一定限制。 一般利用温度系数很小的金属电阻与热敏电阻串联或并联，使热敏电阻阻值在一定范围内呈线性关系。 热敏电阻测量的方法常用电桥法电桥法。 右图是一恒温电路，A为比较器，当环境温度达到T时，输出信号实现自动调温控制。 同相端输入有RP、R1、

13、R2、R3分压确定作比较电平，RP可调节比较器的比较电平，从而调节所需控制温度。热敏电阻的恒温控制电路热敏电阻的恒温控制电路热敏电阻用于电热水器的温度控制热敏电阻用于电热水器的温度控制 热敏电阻用于热敏电阻用于CPU的温度测量的温度测量 热敏电阻体温表的调试、标定方法热敏电阻体温表的调试、标定方法 小结小结 热敏电阻热敏电阻 热电偶是使用最普遍的测温元件，具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号，便于远传或信号转换等优点。五、热电偶五、热电偶 两种不同类型的导体组合成闭合回路，若连接处温度不同，则在此闭合回路中就有电流产生，即回路中有电动势存在，该现象叫做热电效应，又称西

14、拜克效应。TT0AB热端冷端i工作原理 利用这种热电效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。 固定温度的接点称基准点（冷端）T0 ，恒定在某一标准温度； 待测温度的接点称测温点（热端）T ，置于被测温度场中。 这种将温度转换成热电动势的传感器称为热电偶，金属称热电极。热电偶原理图TT0AB热端冷端 10.3.1 10.3.1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理热电偶工作原理演示实验热电偶工作原理演示实验结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极A自由端（参考端、冷端） 测量端（工作端、热端） 热电极B热电势热电势A

15、B 回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。(1) 接触电势接触电势原理图+ABTeAB(T)-BAABNNekTTeln)(eAB(T)：导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势；E：单位电荷， e =1.610-19C； k：波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ；NA、NB：导体A、B在温度为T 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。热电偶原理图TT0AB热端冷端不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会产生电子扩散，浓度大的向浓度小的金属扩散。浓度高

16、的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度； A汤姆逊系数，表示导体A两端的温差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的 =2V/。AeA(T,To)ToT(2)单一导体温差电势（汤姆逊电势）dTTTeTTAA0),(0温差电势原理图热电偶原理图TT0AB热端冷端 对单一金属如果两边温度不同，两端也产生电势。 产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电。 由导体材料A、B组成闭合回路，其接

17、点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势。0000lnln()TATATABTBTBTNkTNkTdTeNeNT0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB(3) 回路总电势),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABABNAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；A 、 B导体A和B的汤姆逊系数。 在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势，温差电动势可以忽略不计。EAB(T,T0)=EAB(T )-EAB(T0 )=f(T )-C=g(T )在标

18、定热电偶时，一般使T0为常数，则： 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：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 和零度以及和零度以及T0和零和零度的热电势之差。度的热电势之差。EAB(T,T0)EAB(T )-EAB(T0 )结论： 热电偶两电极材料相同，NA=NB时，无论两端点温度如何，总热电势为零； 如果热电偶两接点温度相同，T=T0时，A、B材料不同，回

19、路总电势为零； 热电偶必须用不同材料做电极；在T、T0两端必须有温差梯度，这是热电偶产生热电势的必要条件。(1) 均质导体定律热电偶的性质热电偶的性质 由一种均质导体组成的闭合回路，不论是否存在温度梯度，不产生电动势；反之，若有电流，一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。 E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0TABCTT(2) 中间导体定律 不同导体材料连接成的闭合回路，只要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。两点结论： l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图a, A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路

20、的总电势不变，即同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：T2T1AaBC23EABaAT023ABEABT1T2 CT0EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三种材料接入热电偶回路图ET0T1T1T电位计接入热电偶回路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计E，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，接入的方式见下图所示。 ET0T0T EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）T0

21、TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB2）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，如图所示，它们相互间热电势的关系为：(3) 中间温度定律 如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1, T3)，则BBA T2 T1 T3 AAB EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+

22、EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3） ABT1T2T2ABT0T0热电偶补偿导线接线图E 对于冷端温度不是零度时，热电偶如何测量的问题提供了依据。如当T2=0时，则： 只要T1、T0不变，接入AB后不管接点温度T2如何变化，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A、B同样热电特性的材料A、B(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA(T2)=EBB(T2)，则回路总电动势为（1）工业用普通热电偶 图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、

23、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。 工业热电偶结构示意图1接线盒；2保险套管3绝缘套管4热电偶丝1234(a)(b)(c)(d) 132（2）铠(kai)装式热电偶（又称套管式热电偶）优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。 测温范围在1100以下的有：镍铬镍硅、镍铬考铜铠装式热电偶。 断面如图所示。由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。图3.2-12 铠装式热电偶断面结构示意图 1 金属套管; 2绝缘材料; 3热电极 (a)碰底型; (b)不碰底型; (c)露头型

24、; (d)帽型（3）快速反应薄膜热电偶用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.010.lm) 4123快速反应薄膜热电偶1热电极; 2热接点;3绝缘基板; 4引出线因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁镍、铁康铜和铜康铜三种,尺寸为 6060.2mm；绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300以下；反应时间仅为几ms。 （4）快速消耗微型热电偶 图为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为0.050.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，

25、外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可达土57。14235678 91110快速消耗微型 1刚帽； 2石英； 3纸环； 4绝热泥；5冷端； 6棉花； 7绝缘纸管； 8补偿导线；9套管； 10塑料插座； 11簧片与引出线方法u 冰点槽法u 计算修正法u 补正系数法u 零点迁移法u 冷端补偿器法u 软件处理法原因l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0为依据，否则会产生误差。冷端处理及补偿冷端处理及补偿 补偿导线 问题引出 解

26、决方法热电极长度有限，冷端受到被测温热电极长度有限，冷端受到被测温度变化的影响度变化的影响;热电偶冷端暴露于热电偶冷端暴露于空间，受环境温度影响空间，受环境温度影响把热电偶的冷端延伸到远离被测对象且温度比较稳定的地方把热电偶的冷端延伸到远离被测对象且温度比较稳定的地方造成浪费造成浪费选用一种具有和所连接的热电偶相同的热电性能，其材料又是廉价金属导线选用一种具有和所连接的热电偶相同的热电性能，其材料又是廉价金属导线补偿导线 其一实现了冷端迁移；其一实现了冷端迁移；其二是降低了成本其二是降低了成本。 功 能不同型号的热电偶所配用的补偿导线不同不同型号的热电偶所配用的补偿导线不同; ;连接补偿导线时

27、要注意区分正负极，使其分别与热电偶的正负极连接补偿导线时要注意区分正负极，使其分别与热电偶的正负极一一对应一一对应; ;补偿导线连接端的工作温度不能超出（补偿导线连接端的工作温度不能超出（01000100）, ,否则会给测量否则会给测量带来误差。带来误差。 使用补偿导线注意问题 问题引出 冷端温度补偿热电偶的分度表所表征的是冷端温度为热电偶的分度表所表征的是冷端温度为00时的时的热电势热电势- -温度关系，与热电偶配套使用的显示仪温度关系，与热电偶配套使用的显示仪表就是根据这一关系进行刻度的。表就是根据这一关系进行刻度的。 解决方法0恒温法恒温法 冷端温度修正法冷端温度修正法 仪表机械零点调整法仪表机械零点调整法 补偿电桥法补偿电桥法 (1)冰点槽法 把热