第8章热电式传感器

1、第八章 热电式传感器 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。热电式传感器测温原理：热电式传感器测温原理： 热电式传感器测量温度测量温度是利用物体的某些物理性质（电阻电阻、电势电势等）随着温度变化的特征进行测量的。 测量温度的方法，按原理可分为：测量温度的方法，按原理可分为： 接触式和非接触式 接触式测温：接触温度场，二者进行热交换（如：热电偶、热电阻）。 测温范围在-2501800。非接触式测温：无需接触被测体，利用物体的热辐射能量随温度变化而变化的原理实现测量。类型有：光电高温传感器、红外辐射温度传感器、光纤高温传感器等。测温范围一般为6006000。第一节

2、第一节 热电偶传感器热电偶传感器 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。 优点有： 构造简单构造简单, 使用方便使用方便, 具有较高的精度具有较高的精度、稳定性稳定性及复现性好复现性好, 温度测量范围宽温度测量范围宽（1001600）, 在温度测量中占有重要的地位。 一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理热电偶测温是基于热电效应（热电偶测温是基于热电效应（Seeback effectSeeback effect） 图中的闭合回路称为图中的闭合回路称为热电偶热电偶，导体，导体A和和B称为热电偶的称为热电偶的热电极热电极。热电偶的两个接点中，置于被测介质（温度为热电偶的两个接点中，置于被测介质（温度

3、为T）中的接点称为）中的接点称为工作工作端或热端端或热端，置于温度为参考温度，置于温度为参考温度T0的一端称为的一端称为参考端或冷端参考端或冷端。 1、热电偶的结构、热电偶的结构2、热电效应、热电效应 将两种不同性质的导体A、B串接成一个闭合回路，如果两接合点处的温度不同（T0T），则在回路中就会产生电势，这种现象称为热电效应热电效应。所产生的电势，称为热电势热电势。 TT0BA热电偶产生的热电势由两部分组成：热电偶产生的热电势由两部分组成：即两种导体的接触电势和同一导体的温差电势(1) (1) 接触电势接触电势产生原因：产生原因：由于两种不同导体不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动

4、势。 当两种导体接触时,自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散, 假设NANB，则电子扩散由A到B，在接触处A失去电子带正电, B得到电子带负电, 形成稳定的接触电势。接触电势的大小取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。 式中: K波尔兹曼常数，k=1.38*10-23J/K; e单位电荷电量，e=1.6*10-19C; NAT、NBT和NAT0、NBT0分别指在温度为T和T0时, 导体A、B的自由电子密度。 热电偶两接点的接触电势 和 大小可表示为 ：0000()lnATABBTNKTeTeN()lnATABBTNKTeTeN()ABeT0()ABeT如果传感器设计好了，即导体A、B已经

5、选定，则接触电势只与温度有关（2） 温差电势温差电势产生原因：产生原因：同一导体同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。同一导体的两端温度不同时, 高温端的电子能量要比低温端的电子能量大, 因而电子从高温端跑到低温端, 结果高温端因失去电子而带正电, 低温端因获得多余的电子而带负电, 并且形成一个静电场静电场，该静电场阻止电子继续向低温端迁移，最终达到动态平衡动态平衡。因此，在同一导体两端便形成温差电势形成温差电势。00( ,)TAATe T TdT温差电势的大小由下面的公式给出：A：汤姆逊系数，分别表示导体A、B两端的温度差为1时所产生的温差电动势。如果传感器设计好了，即导体A、B已经

6、选定，则温差电势也只与温度有关00( ,)TBBTe T TdTBAB(T, T0)=eAB(T) -eAB(T0) +eB(T, T0) -eA(T, T0)0000lnln()TATATBATBTBTNNKTKTdTeNeN（3 3） 热电势热电势 = = 接触电势接触电势 + 温差电势温差电势 综上：综上：热电偶回路中存在：两个接触电势eAB(T)和eAB(T0)，两个温差电势eA(T,T0)和eB(T,T0)。设TT0，自由电子密度NANB，总的热电势为：在总的热电势中, 温差电势比接触电势小很多, 在精度要求不高的情况下, 热电偶的热电势可近似表示为：AB(T, T0) eAB(T)

7、 -eAB(T0)根据AB(T, T0)因此测得热电势的值，即可知道温度T的大小，利用热电偶这一性质可以用来测温。0000lnln()TATATBATBTBTNNKTKTdTeNeN当参考端温度T0恒定时： AB(T, T0) = f(T) - C即总的热电势只与热端温度T成单值函数关系。但是在实际应用过程中，这样做很麻烦，即必须通过繁杂的计算才能得到温度T，工程上有没有比较简便的方法呢？可知：热电势的大小反映两个接点的温度差温度差。例如：镍铬镍硅热电偶分度表（参考端温度为0 ） 实际应用中， 为了简便，温度与热电势之间的关系是通过热电偶分度表分度表来确定的。分度表是在参考端温度T0为0时，通

8、过实验实验建立起来的热电势与工作端温度T之间的数值对应关系。通过查表可以查得输出热电势相对应的工作端温度T，避免了繁杂的运算-讨论讨论 热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。故必须采用两种不同的材料作为热电极。故必须采用两种不同的材料作为热电极。0000lnln()TATATBATBTBTNNKTKTdTeNeNAB(T, T0)根据热电势计算式根据热电势计算式结论（一）结论（一）如果热电偶两结点温度相等（T=T0），则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路内的总电势亦为零。0000lnln()TAT

9、ATBATBTBTNNKTKTdTeNeNAB(T, T0)根据热电势计算式根据热电势计算式结论（二）结论（二）热电偶的热电势与A、B材料的中间温度中间温度无关，只与结点结点温度温度有关。0000lnln()TATATBATBTBTNNKTKTdTeNeNAB(T, T0)根据热电势计算式根据热电势计算式结论（三）结论（三）3 3、 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 （1） 中间导体定律中间导体定律提出问题：利用热电偶进行测温, 测量热电势必须在回路中接入连接导线和仪表, 接入导线和仪表后会不会影响回路中的总热电势大小呢？中间导体定律：在热电偶测温回路内, 接入第三种导体, 只要其两端温度相同

10、, 则对回路的总热电势没有影响。 接入第三种导体回路图可以证明，接入第三导体回路中总的热电势为：(设NANBNC TT0)EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)-eCA(T0) +eB(T, T0) -eA(T, T0) （1）当T= T0 时, 有EABC(T0)=0，即： EABC(T0)=eAB(T0 )+eBC(T0)-eCA(T0) =0 由此得eBC(T0)-eCA(T0) = -eAB(T0 ) 代入（1）式得：(T, T0)=eAB(T)-eAB(T0) +eB(T, T0) -eA(T, T0) =EAB(T, T0) 结论：接入第三种导体后，回路中总的热电势大小

11、没有变化 用热电偶测量金属壁面温度有两种方案，如下图所示，当热电偶具有相同的参考端温度t0时，问在壁温相等的两种情况下，仪表的示值是否一样？为什么？思考题？思考题？（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AB组成的热电偶的热电势等于AC热电偶和CB热电偶的热电势的代数和。000( ,)( ,)( ,)ABACCBET TET TET T证明过程见课本。导体C称为标准电极（一般由铂制成）。即：即： 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。 只要获得各个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计算而无需再逐个去测定。 用作参

12、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。000( ,)( ,)( ,)ABACCBET TET TET T(3) 中间温度定律中间温度定律 作用：在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度t0不为0时的热电势进行计算。 接点温度为接点温度为T、T0的热电偶的热电势，等于接点温度为的热电偶的热电势，等于接点温度为T、 T1和和T1 、T0的两支的两支同性质同性质热电偶的热电势的代数和。热电偶的热电势的代数和。即：即：EAB(T,T0)=EAB(T,T1)+EAB(T1,T0) 例如：用镍铬镍硅热电偶测炉温时

13、，其冷端温度t030 ，在直流电位差计上测得的电动势EAB(t,30)=38500mV，求炉温为多少?镍铬一镍硅热电偶分度表（自由端温度为0 ）-（根据中间温度定律求解）（根据中间温度定律求解）EAB(t,0)=EAB(t,30)+EAB(30,0)解：查镍铬一镍硅热电偶分度表得：(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 二、常用热电偶二、常用热电偶 从理论上讲, 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, 对组成热电偶的材

14、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: 热电势变化尽量大, 热电势与温度关系尽量接近线性关系, 物理、 化学性能稳定, 易加工, 复现性好, 便于成批生产, 有良好的互换性。 实际上并非所有材料都能满足上述要求。 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（IEC）向世界各国推荐7种标准化热电偶。 我国从1988年开始采用IEC标准生产热电偶。目前工业上常用的有四种标准化热电偶1.铂铑10铂 热电偶2.镍铬镍硅 热电偶3.镍铬考铜 热电偶4.钨铼5钨铼20 热电偶三、三、 热电偶的结构形式热电偶的结构形式 为了适应不同对象的测温要求和条件, 热电偶的结构形

15、式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。 (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, 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热电偶。它是由热电偶丝、 绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体, 它可以做得很细很长, 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热容量小, 动态响应快, 机械强度高, 柔性好, 可安装在结构复杂的装置上, 因此被广泛用在许多工业部门中。(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, 用真空蒸镀、 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

16、, 薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.010.1m）。具有热容量小, 反应速度快等特点, 热响应时间达到微秒级, 适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。热电偶安装注意事项 1. 插入深度要求测量端应有足够的插入深度2. 注意保温为防止传导散热产生测温附加误差，保护套管露在设备外部的长度应尽量短，并加保温层。3. 防止变形应尽量垂直安装。在有流速的管道中必须倾斜安装，若需水平安装时，则应有支架支撑。上一页返 回四、热电偶温度补偿四、热电偶温度补偿 即：只有在冷端温度恒定的情况下，热电势才能正确的反映热端温度的高低。在实际应用时，热电偶的冷端放置在距热端很近的大气中，受高温

17、设备和环境温度波动的影响较大，因此冷端温度不可能是恒定值，给测量带来了误差。由于冷端温度变化对测量的影响，于是产生了热电偶冷端补偿问题，所以要采取措施来消除冷端温度变化所产生的影响。当参考端温度T0恒定时： AB(T, T0) = f(T) - C补偿导线法 在实际测温时, 需要把热电偶输出的电压信号传输到远离现场数十米的控制室内的显示仪表或控制仪表。而热电偶一般做得比较短，故可用导线将热电偶的冷端延伸出来（这样可使参考端温度t0比较稳定）。新的问题：造价，因为热电极材料比较昂贵 工程中采用一种补偿导线代替热电极材料作为延长线。它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成, 而且在0100温度范围内

18、, 补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。使用补偿导线时注意问题：补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。补偿导线只能用在规定的温度范围内（0100）；热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同接点处要保持温度相同；不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；补偿导线有正、负极需分别与热电偶正、负极相连； 图2例题：例题：如图所示，A、B为K型热电偶，A、B为补偿导线，Cu为铜导线，已知接线盒1的温度T1=40，冰瓶温度T2=0，接线盒2的温度T3=20。请在下列条件下计算被测温度T ,并说明原因。（1）U3=39.314mV时；（2）若A、B换成铜导线，U3=37.702mV时。附：附：K K型热电偶部

19、分分度表型热电偶部分分度表温度/0102030405060708090热电势/mV0.0000.3970.7981.2031.6122.0232.4362.8513.2673.682温度/700710720730740750760770780790热电势/mV29.12929.54829.96530.38230.79831.21331.62832.04132.45332.865温度/900910920930940950960970980990热电势/mV37.32637.72538.12438.52238.91839.31439.70840.10140.49440.885 (2) 计算修正法采

20、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t0不等于0, 仍需要对热电偶回路的电势值加以修正，修正值为EAB(t0 , 0)。EAB(t, 0) = EAB(t, t0) + EAB(t0, 0) 经修正后的实际热电势, 可由分度表查出被测实际温度值。即：即：(3) 参考端0恒温法 在实验室及精密测量中, 通常把参考端放入装满冰水混合物的容器中, 以使参考端温度保持保持0。这种方法又称冰浴法。 适用于实验室中的精确测量精确测量和检定检定热电偶时使用。上一页下一页返 回(4) 补偿电桥法（电位补偿法）补偿电桥法（电位补偿法）补偿电桥法是在热电偶回路中串入一个自动补偿

21、自动补偿的电动势。热电偶的冷端通过补偿导线延伸到测温仪器同一温度场中。电桥的供电端a、c通过一可调限流电阻Rg接直流电源E。桥臂桥臂R1、R2、R3为锰铜绕组电阻，阻值可视为不随温度变化的固定电阻。为锰铜绕组电阻，阻值可视为不随温度变化的固定电阻。Rt为阻值随温度变化的测温热电阻，用来测量冷端温度，使得b、d端有相应的补偿电势。串入一个自动补偿的电动势 五五 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。 单点温度微机测量单点温度微机测量 六、

22、六、 热电偶的串联与并联热电偶的串联与并联 特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但要求是同一分度号的热电偶，且参考端参考端应在应在同一温度同一温度下下。(1)、热电偶正向串联1231nEEEEEnEtttt可提高灵敏度和获得较大的热电势输出。(2)、热电偶反向串联ET=EAB（T1，T0）EAB（T2，T0）ET= EAB（T1，T2） 查分度表可得温差根据中间温度定律：根据中间温度定律：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:因此：热电偶反向串联，可测量两点温差。(3)、热电偶并联)(1321nTEEEEnE因此：热电偶并联，可以测量平均温度。用n只型号特性型号

23、特性相同的热电偶并联在一起。第二节 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温度变化而变化的原理进行测温的。优点：1）测量精度高； 2）有较大的低温测量范围，200600； 3）与热电偶相比，它没有冷端的误差问题。分类分类热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类：一般把金属热电阻称为热电阻；把半导体热电阻称为热敏电阻。二、热电阻材料和常用热电阻二、热电阻材料和常用热电阻热电阻电阻体（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 作为制作热电阻的材料要求有作为制作热电阻的材料要求有：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

24、，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； 在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；R-t 关系最好接近于线性；应有良好的可加工性（复现性好），且价格便宜。 目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。1、铂热电阻、铂热电阻 热电特性：热电特性：精度高、稳定性好、性能可靠, 在温度传感器中得到了广泛应用。按IEC标准, 铂热电阻的适用温度范围为-200+850。 在-2000的温度范围内:2301(100) tRRAtBtC tt 在0850的温度范围内:20(1)tRRAtBt 式中Rt和R0分别为t和0时铂电阻值; A、 B和C为常数。铂热电阻的特性方程铂热电阻的特性方程

25、由铂热电阻的特性方程可知：由铂热电阻的特性方程可知：热电阻在温度t时的电阻值Rt与R0 有关。目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和R0=100两种, 它们的分度号分别为Pt10和Pt100, 其中以Pt100为常用。为了避免繁杂的计算，铂热电阻的分度号有相应的分度表，即Rt-t 的关系表, 这样在实际测量中, 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。2、铜热电阻、铜热电阻 由于铂是贵重金属, 因此, 在一些测量精度要求不精度要求不高高且温度较低温度较低的场合, 可采用铜热电阻代替进行测温, 它的测量范围为-50+150。 铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线

26、性线性的, 可近似地表示为: Rt=R0（1+t）式中为铜热电阻的电阻温度系数, 取=4.2810-3/。 铜热电阻特点：铜热电阻特点：线性好, 价格便宜, 但它易氧化, 不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。从上可知从上可知: 铜热电阻Rt也与R0有关，它的两种分度号为Cu50 (R0=50) 和 Cu100（R0=100）。 热电阻的结构热电阻的结构上一页下一页返 回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铜热电阻结构示意图 铂热电阻结构示意图 上一页下一页返 回 三、热电阻传感器的内部引线方式三、热电阻传感器的内部引线方式热电阻内部引线方式有两线制、三线制和四线制三种。二线制中

27、引线电阻引线电阻对测量影响大, 用于测温精度不高的场合。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。 四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响, 用于高精度温度检测工业用铂电阻测温必须采用三线制或四线制。三线制测温减小导线产生误差的原理三线制测温减小导线产生误差的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。，则设计使0RRRRtERRRErRRrRRRRRErRRrRrRRrRUttttt000000)()(可知：与引线电阻r无关。四线制测温四线制测温)1 (0110tIRRRIRRRUftf恒流源供电，R 、R1为引线电阻。1fRR设计使第三节 热

28、敏电阻传感器一、热敏电阻的特点一、热敏电阻的特点电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10100倍结构简单，体积小，可以测量点温度电阻率高，热惯性小，适宜动态测量但阻值与温度变化呈非线性关系，稳定性和互换性较差热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。二、热敏电阻的结构二、热敏电阻的结构热敏电阻主要由热敏探头1、引线2、壳体3构成，如图a所示。电路符号热敏电阻的结构形式 上一页下一页返 回三、热敏电阻类型正温度系数(PTC)负温度系数(NTC) 临界温度系数(CTR) PTC热敏电阻热敏电阻正温度系数 钛酸钡掺合稀土元素烧结而成 用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护， 发热源的定温控制，限流元件。 CTR热敏电阻热敏电阻负温度系数 以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化 物的弱还原气氛中混合烧结而成 用途：温度开关。 NTC热敏电阻热敏电阻很高的负电阻温度系数 主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物 混合烧结而成 应用：点温、表面温度、温差、温场等测量 自动控制及电子线路的热补偿线路常温时，D正常工作；温度过高，RT减小，9013