第4讲B温度传感器

1、四、热电偶温度传感器四、热电偶温度传感器 热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计等分 类特 征传 感 器 名 称超高温用传感器1500以上光学高温计、辐射传感器高温用传感器10001500光学高温计、辐射传感器、热电偶中高温用传感器5001000光学高温计、辐射传感器、热电偶中温用传感器0500低温用传感器-2500极低温用传感器-270-250BaSrTiO3陶瓷晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计见表下内容 测 温 范 围（一）、温度传感器分类(1)分 类特 征传 感 器 名 称测定精度0.10.5铂测温电阻、石英晶体振动器、玻璃制温度计、气体温度计、光学高温

2、计温度标准用测定精度0.55热电偶、测温电阻器、热敏电阻、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅绝对值测定用管理温度测定用相对值15 测 定 精 度温度传感器分类(2)四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器低温铂电阻温度计（13.81K273.15K）；铂电阻温度计（273.15K903.89K）；铂铑-铂热电偶温度计（903.89K 1337.58K）；光测温度计（1337.58K以上）。 1常用热电阻 范围：-260850；精度：0.001。改进后可连续工作2000h，失效率小于1，使用期为10年。2管缆热电阻 测温范围为-20

3、500，最高上限为1000，精度为0.5级。（二）接触式温度传感器3陶瓷热电阻 测量范围为200+500，精度为0.3、0.15级。4超低温热电阻 两种碳电阻，可分别测量268.8253-272.9272.99的温度。5热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。l l辐射高温计辐射高温计 用来测量 1000以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2 2光谱高温计光谱高温计 其测量范围为4006000。 （三）非接触式温度传感器3 3超声波温度传感器超声波温度传感器 特点是响应快(约为10ms左右)，方向性强。目前国外有可测到5000 的产品

4、。4 4激光温度传感器激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为1。美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达8000，专门用于核聚变研究。 两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应热电效应。 （四）、热电偶的工作原理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。热电偶原理图TT0AB热端冷端1. 接触电势接触电势原理图+ABTeAB(T)-BAABNNekTTeln)(eAB(T)导体A、

5、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。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两端的温度差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的 =2V/。2. 温差电势dTTTeTTAA0),(0AeA(T,To)ToT温差电势原理图 导体材料确定后，热电势的大小只与热电导体材料确定后，热电势的大

6、小只与热电偶两端的温度有关。而且是偶两端的温度有关。而且是T T的单值函数，这就的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。是利用热电偶测温的原理。 只有当热电偶两端温度不同只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。材料不同时才能有热电势产生。 热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。 只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势。3. 回路总电势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(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必

7、须采用两种不同材料作为电极。（五）、热电偶回路的性质1. 均质导体定律三种不同导体组成的热电偶回路2. 中间导体定律在热电偶回路中，接入第三种材料的导线，只要其两端的温度相等，第三导线的引入不会影响热电偶的热电势。3. 3. 参考电极定律参考电极定律 当结点温度为当结点温度为T、T0时，用导体时，用导体A、B组成的热电偶的热组成的热电偶的热电势等于电势等于AC热电偶和热电偶和CB热电偶的热电势的代数和，即：热电偶的热电势的代数和，即：导体导体C称为标准电极（一般由铂制成）。这一规律称为参考称为标准电极（一般由铂制成）。这一规律称为参考电极定律。电极定律。),(),(),(000TTETTETT

8、ECBACAB 1铂铂铑热电偶(S型) 分度号LB3工业用热电偶丝：0.5mm。正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(重量比)冶炼而成。负极：铂丝。测量温度：长期：1300、短期：1600。特点：n 材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶 或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。n 测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。n 在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵 蚀，需要用保护套管。（六）热电偶常用材料（六）热电偶常用材料 2镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型) 分度号EU2工业用热电偶丝： 1.22.5mm，实验室用可细些。正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬

9、，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴冶炼而成)。测量温度：长期1000，短期1300。特点：u 价格比较便宜，在工业上广泛应用。u 高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2， H2S等气体中易被侵蚀。u 复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。 3镍铬考铜热电偶(E型) 分度号为EA2工业用热电偶丝:1.22mm，实验室用可更细些。正极：镍铬合金负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。测量温度：长期600，短期800。特点：l 价格比较便宜，工业上广泛应用。l 在常用热电偶中它产生的热电势最大。l 气体硫化物对热电偶有

10、腐蚀作用。考铜易氧化变 质，适于在还原性或中性介质中使用。 4铂铑30铂铑6热电偶(B型) 分度号为LL2正极：铂铑合金（用70铂，30铑冶炼而成）。负极：铂铑合金（用94铂，6铑冶炼而成）。测量温度：长期可到1600，短期可达1800。特点：l 材料性能稳定，测量精度高。l 还原性气体中易被侵蚀。l 低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。l 成本高。 5、几种持殊用途的热电偶（1 1）铱和铱合金热电偶）铱和铱合金热电偶 如铱50铑铱10钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达2100的高温。（2 2）钨铼热电偶）钨铼热电偶 可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨

11、铼20热电偶使用温度范围3002000分度精度为1。（3 3）金铁）金铁镍铬热电偶镍铬热电偶 主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为10V。（4 4）钯）钯铂铱铂铱1515热电偶热电偶 是一种高输出性能的热电偶，在1398时的热电势为47.255mV，比铂铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。 （6 6）铜）铜康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号MKMK 热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43V/。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20K473K的低温实验室测量中。 （5 5）铁）铁康铜

12、热电偶，分度号康铜热电偶，分度号TKTK 灵敏度高，约为53V/，线性度好，价格便宜，可在800以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。 （七）常用热电偶的结构类型 1工业用热电偶 下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、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

13、式热电偶。 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。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; (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 60

14、60.2mm;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 下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，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 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的性质制成的

15、。 在温度传感器中应用最多的有热电偶热电偶、热热电阻电阻（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻热敏电阻。在（-40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。 五、热敏电阻温度传感器五、热敏电阻温度传感器（一）热敏电阻的特点 1电阻温度系数的范围甚宽 有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突变的三种热敏电阻元件。电阻温度系数的绝对值比金属大10100倍左右。 2材料加工容易、性能好 可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够作到小型化。目前，最小的珠状热敏电阻其直径仅为 0.2mm。 3阻值在110M之间可供自由选择 使用时，一般可不必考虑线路引线电阻的影响；由于其功耗小、故不需采取冷端温度补偿

16、，所以适合于远距离测温和控温使用。 4稳定性好 商品化产品已有30多年历史，加之近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在0.01的小温度范围内，其稳定性可达0.0002的精度。相比之下，优于其它各种温度传感器。 5原料资源丰富，价格低廉 烧结表面均已经玻璃封装。故可用于较恶劣环境条件；另外由于热敏电阻材料的迁移率很小，故其性能受磁场影响很小，这是十分可贵的特点。 热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为： 1正温度系数热敏电阻器（PTC） 电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏阻器。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。 2负温度系数热

17、敏电阻器（NTC） 电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。 3突变型负温度系数热敏电阻器（CTR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34个数量级，即具有很大负温度系数负温度系数。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。 （二）热敏电阻的分类（二）热敏电阻的分类 热敏电阻材料的分类热敏电阻材料的分类（1）大分类小分类代表材料NTC单晶金刚石、Ge、Si金刚石热敏电阻多晶迁移金属氧化物复合烧结体 、无缺陷形金属氧化烧结体多结晶单体 、固溶体形多结晶氧化物SiC系Mn、Co、Ni、Cu、Al氧化物烧结体、ZrY氧化物烧结体

18、、还原性TiO3、Ge、SiBa、Co、Ni氧化物溅射SiC薄膜玻璃Ge 、Fe、 V等氧化物硫硒碲化合物玻璃V、P、Ba氧化物、Fe、Ba、Cu氧化物、Ge、Na、K氧化物、（As2Se3）0.8、（Sb2SeI）0.2有机物芳香族化合物聚酰亚釉表面活性添加剂液体电解质溶液熔融硫硒碲化合物水玻璃As、Se、Ge系热敏电阻材料的分类（热敏电阻材料的分类（2）PTC无机物BaTiO3系Zn、Ti、Ni氧化物系Si系、硫硒碲化合物（Ba、Sr、Pb）TiO3烧结体有机物石墨系有机物石墨、塑料石腊、聚乙烯、石墨液体三乙烯醇混合物三乙烯醇、水、NaClCTR V、Ti氧化物系、Ag2S、（AgCu）、

19、（ZnCdHg）BaTiO3单晶V、P、（BaSr）氧化物Ag2SCuS大分类小分类代表例子1. 标称电阻R25（冷阻） 标称电阻值是热敏电阻在250.2时的阻值。 （三）、热敏电阻的基本参数2. 材料常数BN 是表征负温度系数(NTC)热敏电阻器材料的物理特性常数。一般BN值越大，则电阻值越大，绝对灵敏度越高。在工作温度范围内，BN值并不是一个常数，而是随温度的升高略有增加。 3. 电阻温度系数（%/） 热敏电阻的温度变化1 时电阻值的变化率。4. 耗散系数H 热敏电阻器温度变化1所耗散的功率变化量。在工作范围内，当环境温度变化时,H值随之变化,其大小与热敏电阻的结构、形状和所处介质的种类及

20、状态有关。 6. 最高工作温度Tmax 热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度 7. 最低工作温度Tmin 热敏电阻器在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。8. 转变点温度Tc 热敏电阻器的电阻一温度特性曲线上的拐点温度，主要指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。5. 时间常数 热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的63.2所需的时间。9. 额定功率PE 热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗功率。10. 测量功率P0 热敏电阻器在规定的环境温度下,受到测量电流加热而引起的电阻值变化不超过0.1时所消耗的

21、功率。11. 工作点电阻RG 在规定的温度和正常气候条件下，施加一定的功率后使电阻器自热而达到某一给定的电阻值。 12. 工作点耗散功率PG 电阻值达到RG时所消耗的功率。13. 功率灵敏度KG 热敏电阻器在工作点附近消耗功率lmW时所引起电阻的变化。14. 稳定性热敏电阻在各种气候、机械、电气等使用环境中，保持原有特性的能力。常用的是以电阻值的年变化率或对应的温度变化率来表示。 15. 热电阻值RH 指旁热式热敏电阻器在加热器上通过给定的工作电流时,电阻器达到热平衡状态时的电阻值。16. 加热器电阻值Rr 指旁热式热敏电阻器的加热器，在规定环境温度条件下的电阻值。18. 标称工作电流 I 指

22、在环境温度25时，旁热式热敏电阻器的电阻值被稳定在某一规定值时加热器内的电流。19. 标称电压 它是稳压热敏电阻器在规定温度下标称工作电流所对应的电压值。20. 元件尺寸 指热敏电阻器的截面积A、电极间距离L和直径d。 17. 最大加热电流Imax 指旁热式热敏电阻器上允许通过的最大电流。1、热敏电阻器的电阻温度特性（RTT） 1234铂丝4060120 1600100101102103104105106RT/温度T/C热敏电阻的电阻-温度特性曲线1-NTC；2-CTR； 3-4 PTC（四）、热敏电阻器主要特性 abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC热敏电阻的静态伏安特性2、热敏电阻器的伏安特性（UI） 热敏电阻器伏安特性表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻器和周围介质热平衡时的互相关系。（1）负温度系数（NTC）热敏电阻器的伏安特性。该曲线是在环境温度为T0时的静态介质中测出的静态UI曲线。 104103102101105Um