传感器原理及应用第三章温度传感器

1、ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT教学目的与要求：要求学生了解集成温度传感器的原理及教学目的与要求：要求学生了解集成温度传感器的原理及 应用应用; ;掌握热电偶、热敏电阻、铂电阻等掌握热电偶、热敏电阻、铂电阻等 常用测温传感器的原理、特性及应用。常用测温传感器的原理、特性及应用。教学重点：教学重点：热电偶、热敏电阻、铂电阻的工作电路及应用热电偶、热敏电阻、铂电阻的工作电路及应用教学难点：热电偶的冷端温度补偿、热电阻的三线制接法教学难点：热电偶的冷端温度补偿、热电阻的三线制接法第三章第三章 温度传感器温度传感器 ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器

2、与测试技术EXITch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT第一节第一节 概概 论论 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20002000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使多年前，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。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、医学及环保等人类社会中，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。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一半左右。工业生产自动化流程，温度测量点要

3、占全部测量点的一半左右。温度是温度是反映物体冷热状态的物理参数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。ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXITu热力学温标热力学温标u国际实用温标国际实用温标u摄氏温标摄氏温标u华氏温标华氏温标 一、温度的基本概念一、温度的基本概念t=T-273.15 T=t+273.15 K ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT几种温标的对比几种温标的对比 ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 二、温度传感

4、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ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 根据所用测温物质的不

5、同和测温范围不同根据所用测温物质的不同和测温范围不同 有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差温度计、辐射温度计、光测温度计等等。电阻温度计、温差温度计、辐射温度计、光测温度计等等。2 2、温度传感器的分类、温度传感器的分类温度传感器的种类很多，分类方法有多种。温度传感器的种类很多，分类方法有多种。 按价格和性能可分为：按价格和性能可分为： 热膨胀温度传感器，有液体、气体的玻璃式温度计、体温热膨胀温度传感器，有液体、气体的玻璃式温度计、体温 计，结构简单，应用广泛；计，结构简单，应用广泛； 家电、汽车上使用的传感器，价

6、格便宜、用量大、成本低、家电、汽车上使用的传感器，价格便宜、用量大、成本低、 性能差别不大；性能差别不大； 工业上使用的温度传感器，性能价格差别比较大，因为传工业上使用的温度传感器，性能价格差别比较大，因为传 感器的精度直接关系到产品质量和控制过程，通常价格比感器的精度直接关系到产品质量和控制过程，通常价格比 较昂贵。较昂贵。 ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXITch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXITl 按测温方法不同：按测温方法不同：接触式温度传感器接触式温度传感器：（热平衡）：（热平衡） 传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由

7、于被测物体的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，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度降低。因此采用这种方式要测得物体的真实量较小时，测量精度降低。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。温度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非接触式温度传感器（热辐射）（热辐射） 利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，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。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从可进行遥测

8、。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。会产生消耗；反应快等。 （P106P107 表表3-2、3-3）ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT测量方式测量方式 仪表名称仪表名称测温原理测温原理精度范围精度范围特点特点测温范围测温范围/接接触触式式测测温温仪仪表表双金属双金属温度计温度计固体热膨胀变形固体热膨胀变形量随温度变化量随温度变化12.5 结构简单，指示清楚，读数结构简单，指示清楚，读数方便；精度较低，不能远传方便；精度

9、较低，不能远传-100600一般一般-80600压力式压力式温度计温度计气气( (汽汽) )体、液体体、液体在定容条件下，在定容条件下，压力随温度变化压力随温度变化12.5 结构简单可靠，可较远距离结构简单可靠，可较远距离传输传输50 m50 m；精度较低，受环境温；精度较低，受环境温度影响较大度影响较大0600一般一般0300玻璃管玻璃管液体液体温度计温度计液体热膨胀体积液体热膨胀体积量随温度变化量随温度变化0.12.5 结构简单，精度较高；读数结构简单，精度较高；读数不便，不能远传不便，不能远传-200600一般一般-100600热电阻热电阻温度计温度计金属或半导体电金属或半导体电阻值随温

10、度变化阻值随温度变化0.53.0 精度高；便于远传；需外加精度高；便于远传；需外加电源电源-2581200一般一般-200650热电偶热电偶温度计温度计热电效应热电效应0.51.0 测温范围大，精度高，便于测温范围大，精度高，便于远传；低温测量精度较差远传；低温测量精度较差-2692800一般一般2001800接触式与非接触式测温方法及其特点接触式与非接触式测温方法及其特点 ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT测量方式测量方式 仪表名称仪表名称测温原理测温原理精度范围精度范围特点特点测温范围测温范围/非非接接触触式式测测温温仪仪表表光光 学学高温计高温计物体单色

11、辐射物体单色辐射强度及亮度随强度及亮度随温度变化温度变化1.01.5 结构简单，携带方便，不破坏结构简单，携带方便，不破坏对象温度场；易产生目测主观误差，对象温度场；易产生目测主观误差，外界反射辐射会引起测量误差外界反射辐射会引起测量误差2003200一般一般6002 400辐辐 射射高温计高温计物体全辐射能物体全辐射能随温度变化随温度变化1.5 结构简单，稳定性好，光路上结构简单，稳定性好，光路上环境介质吸收辐射，易产生测量误环境介质吸收辐射，易产生测量误差差1003 200一般一般7002 000（续）ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 介绍几种温度测量方

12、法介绍几种温度测量方法 示温涂料（变色涂料）示温涂料（变色涂料）装满热水后图案变得装满热水后图案变得清晰可辨清晰可辨ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT变色涂料在电脑内部温度中的示温作用变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散热风散热风扇扇低温时显示蓝低温时显示蓝色色温度升高后变为红色温度升高后变为红色ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT体积体积热膨胀式热膨胀式 不需要电源，耐用；但感温部不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。件体积较大。 气体的体积与热力气体的体积与热力学温度成正比学温度成正比ch3 温度传感器温度传感器传感器

13、与测试技术传感器与测试技术EXIT红外温度计红外温度计ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使温差热电偶（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。它除具有用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面点的温度。微型热电偶还度、测量固体以及固体壁面点的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测

14、量。可用于快速及动态温度的测量。第二节第二节 热电偶温度传感器热电偶温度传感器ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT1、热电效应、热电效应 将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A和和B B串接成一个闭合回路，串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。电流，此现象称为热电效应。热电极热电极测量端测量端工作端工作端热端热端参考端参考端自由端自由端冷端冷端 一、热电偶的工作原理一、热电偶的工作原理ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EX

15、IT热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 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。 热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端自由端（参考端、（参考端、冷端）冷端） 左端称为：左端称为：测量端测量端（工作端、（工作端、热端）热端） 热电极热电极B B热电势热电势ABch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 接触电动势（不同导体）（主要）接触电动势（不同导体）（主要）热电势热电势 温差电动势（同一导体）温差电动势（同一导体）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

16、子密度有关。接触电动势接触电动势温差电动势温差电动势ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT回路总电势：回路总电势：BTATNNekTln00ln0BTATNNekTdTTTBA0)(T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABABN NATAT、N NAT0AT0导体导体A A在结点温度为在结点温度为T T和和T T0 0时的电子密度；时的电子密度； N NBTBT、N NBT0BT0导体导体B B在结点温度为在结点温度为T T和和T T0 0时的电子密度；时的电子密度

17、；A A 、B B导体导体A A和和B B的汤姆逊系数。的汤姆逊系数。ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 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。如果使E EABAB( (T T0 0)=)=常数，则回路热电势常数，则回路热电势E EABAB( (T T，T T0 0) )就只与温度就只与温度T T有有关，而且是关，而且是T T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。 热电偶回路热电势只与组成热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料热电偶的材料及及两端

18、温度两端温度有关；有关；与热电偶的长度、粗细无关。与热电偶的长度、粗细无关。若电极材料确定，冷端温度保持恒定，此时若电极材料确定，冷端温度保持恒定，此时EAB(T,T0)= f(T)ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温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，回路中没有电流度梯度，回路中没有电流( (即不产生电动势即不产生电动势) )；反之，如果有电；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不热电偶必须采用两种不同材料作为电极。同材料作

19、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2. 2. 中间导体定律中间导体定律 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，则此回路各接点产生的热电势的代数和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。为零。 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0Vch3 温度传感器温度传感器传感器

20、与测试技术传感器与测试技术EXIT3. 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, ,其接点温度分其接点温度分别为别为T T1 1、T T2 2( (如图所示如图所示) )时时, ,则其热电势为则其热电势为E EABAB( (T T1 1, T, T2 2) )；当接点温；当接点温度为度为T T2 2、T T3 3时，其热电势为时，其热电势为E EABAB( (T T2 2, , T T3 3) )；当接点温度为；当接点温度为T T1 1、T T3 3时，时，其热电势为其热电势为E EABAB( (T T1 1, , T T3 3

21、) )，则，则BBA T2 T1 T3 AAB EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXITABT1T2T2ABT0T0热电偶补偿热电偶补偿导线接线图导线接线图E 只要只要T T1 1、T T0 0不变，接入不变，接入A AB B后不管接点温度后不管接点温度T T2 2如何变化，都不如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EAB=EAB(T1)EAB(T0) 当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A A、B B同样

22、热电同样热电特性的材料特性的材料AA、B(B(如图如图) )即引入所谓补偿导线时，当即引入所谓补偿导线时，当E EAAAA( (T T2 2)=)=E EBBBB( (T T2 2) )，则回路总电动势为，则回路总电动势为ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 热电偶材料应满足：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蚀；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；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

23、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、热电偶的种类与结构三、热电偶的种类与结构v 热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好，这是其性能好，这是其它温度传感器无法替代的它温度传感器无法替代的 ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 常用热电偶可分为常用热电偶可分为标准热电偶标准热电偶和和非标准热电偶非标准热电偶两大类。两大类。标准热电偶标准热电偶：是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允：是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允 许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有许误差、并有统一的标准分

24、度表的热电偶，它有 与其配套的显示仪表可供选用。与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶非标准化热电偶：在使用范围或数量级上均不及标准化热电：在使用范围或数量级上均不及标准化热电 偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某 些特殊场合的测量。些特殊场合的测量。 我国从我国从19881988年年1 1月月1 1日起，标准化热电偶和热电阻全部按日起，标准化热电偶和热电阻全部按IECIEC国际标准生产，并指定国际标准生产，并指定S S、B B、E E、K K、R R、J J、T T等标准化热电偶为等标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。我国统一设计型热电偶。1、种类

25、、种类ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT工作端工作端温度温度 OC1020304050607080热电动势热电动势/mV+00.3971.2031.2031.6112.0222.4362.8503.2631004.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3382008.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38130012.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55240016.81817.24117.66418.08818.51318.9381

26、9.36319.78850021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05060025.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28870029.54729.96530.38330.79931.21431.62932.04232.45580033.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52490037.72438.12238.51938.91539.31039.70340.09640.488100041.65742.04542.43242.81743.202

27、43.58543.96844.349ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 8 8种标准化热电偶型号种标准化热电偶型号分度号分度号 热电偶热电偶 分度表温区分度表温区 S S 铂铑铂铑1010铂铂 -50-5017681768 R R 铂铑铂铑1313铂铂 505017681768 B B 铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 06 018201820 K K 镍铬镍铬镍硅镍硅 -270-27013721372 N N 镍铬硅镍铬硅镍硅镍硅 -270-27013001300 E E 镍铬镍铬 铜镍合金（康铜）铜镍合金（康铜） -270-27010001000 J J 铁铁铜

28、镍合金（康铜）铜镍合金（康铜） -210-21012001200 T T 铜铜铜镍合金（康铜）铜镍合金（康铜） -270-270400400 ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 普通热电偶普通热电偶：测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构；：测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构； 薄膜热电偶薄膜热电偶：用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄；：用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄； 铠装热电偶铠装热电偶：用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲；：用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲； 表面热电偶表面热电偶：用于弧形表面物体测温；：用于弧形表面物体测温； 消耗式热电偶消耗式热电偶

29、：主要用于钢水温度测量。：主要用于钢水温度测量。a)a)普通热电偶普通热电偶 b)b)薄膜热电偶薄膜热电偶 c)c)铠装热电偶铠装热电偶2、结构、结构ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 典型工业用热电偶结构示意图典型工业用热电偶结构示意图它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。它由热电偶丝、绝缘套管、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。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工业热电偶结构示意图1接线盒；接线盒；2保护套管保护套管3绝缘套管绝缘套管4热电偶丝热电偶丝1234ch3 温

30、度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT(a)(b)(c)(d) 132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）优点是小型化（直径从优点是小型化（直径从12mm12mm到到0.25mm0.25mm）、寿命、）、寿命、热惯性小，使用方便。热惯性小，使用方便。 断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。拉细组合而成一体。 铠装式热电偶断面结构示意图铠装式热电偶断面结构示意图 1 金属套管金属套管; 2绝缘材料绝缘材料; 3热电极热电极 (a)碰底型碰底型; (b)不碰底型不碰底

31、型; (c)露头型露头型; (d)帽型帽型ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT普通装配型普通装配型热电偶的外形热电偶的外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT普通装配型普通装配型热电偶热电偶的结构放大图的结构放大图 接线盒接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 不锈钢不锈钢保护管保护管 ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形法兰法兰铠装型热电偶可铠装型

32、热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保保护套管（铠护套管（铠体）体） BA绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶铠装型热电偶横截面横截面ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 快速反应薄膜热电偶快速反应薄膜热电偶用真空蒸镀等方法使两种热电极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，其热接点极薄装热电偶。如图，其热接点极薄(0.01(0.010.lm) 0.lm) 4123快速反应薄膜热电偶快速反应薄膜热电偶1热电极热电极; 2热接点热接点;3绝缘基板绝缘基板; 4引出线引出线因此，特别适用于对壁面温度的

33、因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时快速测量。安装时, ,用粘结剂将它用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。测温范粘结在被测物体壁面上。测温范围在围在300300以下；反应时间仅为几以下；反应时间仅为几msms。 ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 快速消耗微型热电偶快速消耗微型热电偶 下图为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为下图为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为0.050.050.lmm0.lmm的铂铑的铂铑1010一铂铑一铂铑3030热电偶装在热电偶装在U U型石英管中，再铸以高温绝型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种

34、热电偶使用一次就焚化缘水泥，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，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可达土达土5 577。14235678 91110快速消耗微型快速消耗微型 1钢帽；钢帽； 2石英；石英； 3纸环；纸环； 4绝热泥；绝热泥；5冷端；冷端； 6棉花；棉花； 7绝缘纸管；绝缘纸管； 8补偿导线；补偿导线；9套管；套管； 10塑料插座；塑料插座； 11簧片与引出线簧片与引出线ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 冷端温度补偿方法冷端温度补偿方法u 冰点槽法冰点槽法u

35、 计算修正法计算修正法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；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热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度00为依据，否则会为依据，否则会 产生误差。产生误差。热电极热电极测量端测量端参考参考端端ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技

36、术EXIT 把热电偶的参考端置于冰水混合物容器里，使把热电偶的参考端置于冰水混合物容器里，使T T0 0=0=0。这。这种办法种办法仅限于科学实验中使用仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。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T01. 1. 冰点槽法冰点槽法ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 用普通室温计算出参考端实际温度用普通室温计算出参考端实际温度T

37、 TH H，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 T，参考端在室温环境，参考端在室温环境T TH H中，中，测得热电动势测得热电动势E EABAB( (T T，T TH H) )= =1.999mV1.999mV，又用室温计测出，又用室温计测出T TH H=21,=21,查查此种热电偶的分度表可知，此种热电偶的分度表可知，E EABAB(21,0)=0.832mV(21,0)=0.832mV，故得，故得E EABAB( (T T，0)0)=E=EABAB( (T T，21)21)+E+EABAB(21(21，T T0 0) )= =1.99

38、9+0.8321.999+0.832= =2.831(mV)2.831(mV) 再次查分度表，与再次查分度表，与2.831mV2.831mV对应的热端温度对应的热端温度T T=68=68。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)2. 2. 计算修正法计算修正法ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 把参考端实际温度把参考端实际温度T TH H乘上系数乘上系数k k，加到由，加到由E EABAB( (T T，T TH H) )查分度查分度表所得的温度上，成为被测温度表所得的温度上，成为被测温度T T。用公式表达即。用公式表达即 式中：式中：T T

39、为未知的被测温度；为未知的被测温度； T T为参考端在室温下热为参考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； T TH H室温；室温； k 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1010铂热电偶测温，已知冷端温度铂热电偶测温，已知冷端温度T TH H=35=35，这时热，这时热电动势为电动势为11.348mV11.348mV查查S S型热电偶的分度表，得出与此相应的温型热电偶的分度表，得出与此相应的温度度T T=1150=1150。再从下表中查出，对应于。再从下表中查出，对应于11501150的补正系数的补正系数k

40、k=0.53=0.53。于是，被测温度。于是，被测温度 T T=1150+0.53=1150+0.5335=1168.335=1168.3（）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，但误差不大于误差不大于0.140.14。 T T k T H3. 3. 补正系数法补正系数法ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT温度温度T /补正系数补正系数k铂铑铂铑10-铂铂(S)镍铬镍铬-镍硅（镍硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.985000.631.00

41、6000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.5313000.5214000.5215000.5316000.53热电偶补正系数热电偶补正系数 ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT例例 ： 用动圈仪表配合热电偶测温时，如果用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点把仪表的机械零点调到室温调到室温T TH H的刻度上的刻度上, ,在热电动势为零时，指针指示的温度值在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是并不是00而是而是T TH H。而热电偶的冷端温度已是。

42、而热电偶的冷端温度已是T TH H, ,则只有当热端则只有当热端温度温度T T= =T TH H时，才能使时，才能使E EABAB( (T T, ,T TH H)=0)=0，这样，指示值就和热端的实，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温度总保持在T TH H不变，指示值就永远正确。不变，指示值就永远正确。 4. 4. 零点迁移法零点迁移法应用领域应用领域： 如果冷端不是如果冷端不是00，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。所）。ch3 温度传感器

43、温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXITch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 用螺丝刀调用螺丝刀调节仪表面板上的节仪表面板上的“机械零点机械零点”，使指针指到气温使指针指到气温t0（图中为图中为40 40 C）的）的刻度上。刻度上。机械零点机械零点指针被预调到室温（指针被预调到室温（40 C ） 可补偿冷端损失可补偿冷端损失ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT5. 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而引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。起热

44、电势的变化值。 设计时，在设计时，在00下使电桥平衡下使电桥平衡( (R R1 1= =R R2 2= =R R3 3= =R RCuCu) )，此时，此时U Uabab=0 =0 ，电，电桥对仪表读数无影响。桥对仪表读数无影响。 注意：桥臂注意：桥臂R RCuCu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+-abUUabRCuR1R2R3R 供电供电4V4V直流，在直流，在0 04040或或-20-202020的范围起补偿作用。的范围起补偿作用。注意：注意：不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻不同

45、材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻 R R 不一样，互换时必须重新调整。不一样，互换时必须重新调整。ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXITch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT6. 6. 软件处理法软件处理法 对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为如冷端温度恒定但不为00的情况，只需在采样后加一个与冷的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。端温度对应的常数即可。 对于对于T T0 0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把经常波

46、动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T T0 0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。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，如果多个热电偶的冷端温度不相同，还应该有冷端温度信号，如果多个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温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正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T T0 0的

47、输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速度的输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速度也很有利。也很有利。 ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 第三节第三节 热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器 热敏电阻是利用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。的性质制成的。ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为：按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为： 1 1正温度系数热敏电阻（正温度系数热敏电阻（PTCPTC）

48、 电阻值随温度升高而增大电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称的电阻器，简称PTCPTC热敏电阻。热敏电阻。 2 2负温度系数热敏电阻（负温度系数热敏电阻（NTCNTC） 电阻值随温度升高而下降电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器，简称的热敏电阻器，简称NTCNTC热敏电阻。热敏电阻。 3 3突变型负温度系数热敏电阻（突变型负温度系数热敏电阻（CTRCTR） 该类电阻器的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电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低3 34 4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。 一、热敏电阻的分类一、热敏电阻的分类ch3 温度传感器温度传感

49、器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT二、热敏电阻温度特性（二、热敏电阻温度特性（R RT TT T） 1234铂丝4060120 1600100101102103104105106RT/温度T/C热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻-温度特性曲线温度特性曲线1-NTC1-NTC；2-CTR2-CTR； 3-4 PTC3-4 PTCT TT T 与与R RT TT T 特性曲线一致。特性曲线一致。ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXITRT、RT0温度为温度为T、T0时热敏电阻器时热敏电阻器 的电阻值；的电阻值； BN NTC热敏电阻的材料常数。热敏电阻的材料常数。负电

50、阻温度系数负电阻温度系数(NTC)(NTC)热敏电阻器的温度特性热敏电阻器的温度特性011exp0TTBRRNTTNTCNTC的电阻的电阻温度关系的一般数学表达式为：温度关系的一般数学表达式为：0ln11ln0TNTRTTBR105104103102 0 -101030507085100120T/C电阻/NTCNTC热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻-温度曲线温度曲线ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXITv热敏电阻不宜用于较宽的温度范围，但对于特定的热敏电阻不宜用于较宽的温度范围，但对于特定的温度点的检测却十分灵敏。因此温度点的检测却十分灵敏。因此热敏电阻可在仪表热

51、敏电阻可在仪表中用做检测元件、在电路中做保护元件等。中用做检测元件、在电路中做保护元件等。 ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT点温计点温计ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT产品产品ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXITRTR5R6R3(R1)En+ + U2UTRITEURRr(a)(b)(c)R1EnAR1R2R4R3U+ 热敏电阻测温电桥热敏电阻测温电桥 电阻分压电路电阻分压电路 ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT应用应用还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等还

52、广泛应用于空调、暖气、电子体温计等ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT温控器温控器应用应用ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 图中图中A A为比较器，当环境温度达到为比较器，当环境温度达到TT时，输出信号实现自动调温控制。同时，输出信号实现自动调温控制。同相端输入有相端输入有RP1RP1、R2R2、R3R3分压确定作比较电平，当温度分压确定作比较电平，当温度T T升高时，正温度系数热升高时，正温度系数热敏电阻敏电阻Rt Rt 阻值上升，反相端阻值上升，反相端UaUa升高，当升高，当UaUa升高至与同相端升高至与同相端UbUb相等

53、时，比较器相等时，比较器A A输出电压输出电压UoUo翻转为低电平，可输出控制开关继电器。翻转为低电平，可输出控制开关继电器。R RP P可调节比较器的比较电可调节比较器的比较电平，从而调节所需控制温度。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ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT设计原理：设计原理： 利用半导体利用半导体PNPN结的电流、电压与温度有关的特性。结的电流、电压与温度有关的特性。一般测量温度范围在一般测量温度范围在150150以下。以下。 特点：特点： 输出线性好、测量精度高输出线性好、测量精度高, , 传感驱动电路、信

54、号处传感驱动电路、信号处理电路等都与温度传感部分集成在一起理电路等都与温度传感部分集成在一起, ,因而封装后的因而封装后的组件体积非常小组件体积非常小, ,使用方便使用方便, ,价格便宜价格便宜, ,故在测温技术中故在测温技术中得到越来越广泛应用。得到越来越广泛应用。 第四节第四节 集成温度传感器集成温度传感器 ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT一、集成温度传感器的分类一、集成温度传感器的分类电压型电压型ICIC温度传感器；温度传感器；电流型电流型ICIC温度传感器，温度传感器，数字输出型数字输出型ICIC温度传感器。温度传感器。 电流型电流型ICIC温度传感

55、器：温度传感器： 这种传感器的输出电流正比于热力学温度；因电流型输出恒这种传感器的输出电流正比于热力学温度；因电流型输出恒流，所以传感器具有高输出阻抗。这为流，所以传感器具有高输出阻抗。这为远距离传输测温远距离传输测温提供了一提供了一种新型器件。种新型器件。 电压型电压型ICIC温度传感器：温度传感器： 因器件有放大器，故具有输出电压高、输出阻抗低的特性；因器件有放大器，故具有输出电压高、输出阻抗低的特性；不适合长线传输。这类不适合长线传输。这类ICIC温度传感器适合于温度传感器适合于工业现场测量工业现场测量。 数字输出型数字输出型ICIC温度传感器：温度传感器： 抗干扰能力强，应用于抗干扰能

56、力强，应用于节点分布多的测温节点分布多的测温场合。场合。ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 基于晶体管的基于晶体管的PNPN结随温度变化而产生漂移现象研制的。结随温度变化而产生漂移现象研制的。 发射极电流密度在恒定比率下工作的晶体管对的基极发射极电流密度在恒定比率下工作的晶体管对的基极发射发射 极之间电压极之间电压V VBEBE的差与温度呈线性关系。的差与温度呈线性关系。二、二、ICIC温度传感器的测温原理温度传感器的测温原理 晶体管伏安方程式：晶体管伏安方程式：012lnCBECK TIVqIK K0 0 波尔滋蔓常数；波尔滋蔓常数； T T 绝对温度绝对温

57、度; ; V1 V1、V2V2发射极面积比。发射极面积比。 电子电荷量；电子电荷量； q 正比于绝对温度正比于绝对温度 T T，只要保证，只要保证 恒定，恒定， 就可以使就可以使 与与 T T 为单值函数。为单值函数。 BEVBEV12/IIch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT右图为绝对温度比例电路右图为绝对温度比例电路 V1V1、V2V2是两只互相匹配的是两只互相匹配的 温敏晶体管，温敏晶体管， I1I1、I2I2是集电极电流，由是集电极电流，由 恒流源提供，恒流源提供， VbeVbe是两个晶体管发射是两个晶体管发射 极和基极之间电压差。极和基极之间电压差。集

58、成温度传感器基本集成温度传感器基本 电路原理图电路原理图 ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 电压输出型电路电压输出型电路 0lnBEK TVq01ln1RK TIqR电路输出为：电路输出为： 0201lnK TRURqv 可见输出电压可见输出电压U U0 0与绝对温度与绝对温度T T成正比关系成正比关系 ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT1222lnBETVTKIIRqR若若R=358R=358，电路输出温度系数为：，电路输出温度系数为： 2ln1/TTdIKCA KdTqR 电流输出型电路电流输出型电路 ch3 温度传感器

59、温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT1 1伏安特性伏安特性工作电压：工作电压：4V4V30V30V，I I 为一恒流值输出，为一恒流值输出，I IT Tk k，即，即K KT T标定因子，标定因子，AD590AD590的标定因子为的标定因子为1A/1A/ I = KT TK 4V30V0I/AU/V AD590 AD590伏安特性曲线伏安特性曲线-55+25+150218298423三、三、ICIC温度传感器的应用温度传感器的应用 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AD590AD590器件器件 （美国（美国ADAD公司生公司生产）产） 电源电压电源电压4

60、 430V30V， 测温范围测温范围-55-55+150+150。ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 550 150 273.2AI/ ATC / CAD590AD590温度特性曲线温度特性曲线2 2温度特性温度特性 T Tc c摄氏温度；摄氏温度；I I 的单位为的单位为AA。 可见，当温度为可见，当温度为00时，输出电流为时，输出电流为273.2A273.2A。在常温。在常温2525时，标定输出电流为时，标定输出电流为298.2A298.2A。I=KTTc273.2ch3 温度传感器温度传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT AD590AD590在