第8章 热电式传感器

1、第8章 热电式传感器8.1 热电偶热电偶8.2 热电阻热电阻8.3 热敏电阻热敏电阻本章知识要点本章知识要点热电效应的含义；热电效应的含义；热电偶、热电阻和热热电偶、热电阻和热敏电阻的敏电阻的结构及测温范围结构及测温范围。热电偶热电偶的特点、基本定律，冷端补偿方的特点、基本定律，冷端补偿方法及测温电路。法及测温电路。铂热电阻和铜热电阻铂热电阻和铜热电阻的特点；热电阻的的特点；热电阻的测温电路。测温电路。热敏电阻热敏电阻的特点及分类。的特点及分类。l 在工业生产过程中，在工业生产过程中，温度温度通常是需要测量和控制的重通常是需要测量和控制的重要参数之一。要参数之一。l 热电式传感器：温度变化热电

2、式传感器：温度变化电量变化电量变化l 将将温度温度变化转化为变化转化为电动势电动势或或电阻电阻的方法最为普遍。的方法最为普遍。8.1 8.1 热电偶热电偶 热电偶测温范围：热电偶测温范围：1001300 特点：结构简单、制作容易、精度高、温度测量范特点：结构简单、制作容易、精度高、温度测量范围宽、动态响应特性好、输出信号便于远传、使用围宽、动态响应特性好、输出信号便于远传、使用方便方便。 是一种是一种有源传感器有源传感器，测量时不需外加电源。，测量时不需外加电源。 应用：测量炉子或管道的气体、液体的温度或固体应用：测量炉子或管道的气体、液体的温度或固体的表面温度的表面温度。 8.1.1 8.1

3、.1 热电偶测温原理热电偶测温原理1 1、热电效应、热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度闭合回路，当两接点温度T T和和T T0 0不同时，则在该回路中就会不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。产生电动势的现象。热电动势热电动势（来源：（来源：接触电动势接触电动势和和温差电动势温差电动势）、）、热电偶热电偶（两（两种材料的组合体）、种材料的组合体）、热电极热电极（A A、B B两导体）两导体）热端热端（测量端或工作端）、（测量端或工作端）、冷端冷端（参考端或自由端）（参考端或自由端）MABT0T（1 1）两种导体的接

4、触电动势）两种导体的接触电动势含义：由于两种不同导体的自由电子含义：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。密度不同而在接触处形成的电动势。 接触电动势的大小与导体的材料、接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关，而与导体的直径、接点的温度有关，而与导体的直径、长度、几何形状等无关。长度、几何形状等无关。 lnAABBntktEtent 0000lnAABBntktEtent两接点的接触电动势两接点的接触电动势E EABAB( (T T) )和和E EABAB（T T0 0）可表示为）可表示为 KJk/1038. 123Ce19106 . 1BAnn、扩散扩散BAnn 扩

5、散扩散电场电场)(TEAB漂移漂移AB 同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。（2 2）单一导体的温差电动势）单一导体的温差电动势机理：机理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，的要多，结果高温端因失去电子而带正电， 低温端因低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。动势。TTBBTTAAdTTTEdTTT

6、E00),(),(00A0TT、(3)(3)热电偶回路中产生的总热电势热电偶回路中产生的总热电势 热电偶回路有四个电动势：两个接触电动势、两个温差电热电偶回路有四个电动势：两个接触电动势、两个温差电动式。动式。),(),()()(),(0000TTETTETETETTEBAABABABTTBTTABABAdTdTnnekTnnekT00lnln0TTBABAdTnnTTek0)(ln)(0MABT0TTTBABAABdTnnTTekTTE0)(ln)(),(000,TTnnBABA0,TTnnBABA0),(0TTEAB)()(),(00TETETTEABABABBAnnTTekln)(0结论

7、：结论：1）两热电极相同时，总电动势为）两热电极相同时，总电动势为0。2）两接点温度相同时，总电动势为）两接点温度相同时，总电动势为0。3）热电偶产生的热电动势大小与材料和接点温度有关，与）热电偶产生的热电动势大小与材料和接点温度有关，与其尺寸、形状等无关。其尺寸、形状等无关。BAABnnTTekTTEln)(),(004）电子浓度取决于热电偶材料的特性和温度，当）电子浓度取决于热电偶材料的特性和温度，当A、B选选定后，热电动势就是两接触点定后，热电动势就是两接触点T和和T0的函数差的函数差，即，即 当参考端温度当参考端温度T0恒定时，恒定时，eAB(T0)=c为常数，则总的热为常数，则总的热

8、电动势就只与温度电动势就只与温度T成单值函数关系。成单值函数关系。 )()(),(00TETETTEABABAB热电偶的分度表热电偶的分度表 不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将其结果列函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将其结果列成表格，即成表格，即分度表分度表。 供查阅使用，每供查阅使用，每1010分档分档 。中间值按内插法计算。中间值按内插法计算。()MLMLHLHLEEttttEEt tMM被测温度值；被测温度值；t tHH较高的温度值；较高的温度值；t tLL较低的温度值；较低的温度

9、值；E EM M、E EH H、E ELL分别为温度分别为温度t tM M、t tH H、t tL L对应的热电动势。对应的热电动势。S型型(铂铑铂铑10-铂铂)热电偶分度表热电偶分度表 在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。（1 1）中间导体定律）中间导体定律2. 热电偶的基本定律热电偶的基本定律MABCT0T123MCABBT0T1T1234 在热电偶测温回路中，在热电偶测温回路中，Tc为热电极上某一点的温度，为热电极上某一点的温度，热电

10、偶热电偶AB在接点温度为在接点温度为T、T0时的热电势时的热电势EAB(T, T0)等于热等于热电偶电偶AB在接点温度在接点温度T、Tc和和Tc、T0时的热电势时的热电势EAB(T, Tc)和和EAB(Tc, T0)的代数和，即的代数和，即 （2 2）中间温度定律）中间温度定律),(),(),(00TTETTETTTEcABcABcAB),(),(),(00TTETTTETTEcABcABcABCTCTn。，其中，000（3 3）标准导体（电极）定律）标准导体（电极）定律BAABCC0TT标准电极：铂标准电极：铂),(0TTEAB),(),(00TTETTEBCAC例：例： 热端为热端为100

11、，冷端为，冷端为0时，镍铬合金与纯铂组成的热时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为的热电动势为4.0mV，则镍铬和考铜组成的热电偶所，则镍铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：产生的热电动势应为： 2.95(4.0)6.95(mV)（4 4）均质导体定律）均质导体定律 由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由

12、两形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。种不同性质的均质材料构成。 为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有：的结构形式有：普通型热电偶普通型热电偶特殊热电偶特殊热电偶铠装型热电偶铠装型热电偶薄膜热电偶等。薄膜热电偶等。 8.1.2 8.1.2 热电偶的结构与种类热电偶的结构与种类普通型热电偶普通型热电偶 优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。挠性好，可安装在结构复杂的装置上。 铠装型热电偶铠装型热电偶薄膜热电偶

13、薄膜热电偶 特点：特点：热接点可以做得很小（热接点可以做得很小（mm），具有热容量小、），具有热容量小、反应速度快（反应速度快（msms）等特点，适用于微小面积上的表面温度以）等特点，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。及快速变化的动态温度测量。 种种类类 特特点点 普普通通热热电电偶偶 测测量量气气体体、蒸蒸汽汽和和液液体体等等介介质质的的温温度度， 标标准准化化 铠铠装装热热电电偶偶 （缆缆式式热热电电偶偶） 动动态态响响应应快快、测测量量端端热热容容量量小小、挠挠性性好好、强强度度高高、种种类类多多 薄薄膜膜热热电电偶偶 测测量量微微小小面面积积和和瞬瞬时时变变化化的的

14、温温度度、热热容容量量小小、动动态态响响应应快快 表表面面热热电电偶偶 测测量量金金属属块块、炉炉壁壁、橡橡胶胶筒筒、涡涡轮轮叶叶片片、轧轧辊辊等等固固体体的的表表面面温温度度 浸浸入入式式热热电电偶偶 直直接接插插入入液液体体中中测测量量：钢钢水水、铜铜水水、铝铝水水、熔熔融融合合金金 国际电工委员会（国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐）向世界各国推荐8种种标准标准化热电偶（已列入工业标准化文件中，具有统一的分化热电偶（已列入工业标准化文件中，具有统一的分度表）。我国已采用度表）。我国已采用IEC标准生产六种热电偶。标准生产六种热电偶。常用热电偶的型号常用热电偶的型号 标准化热电偶的主要

15、性能和特点标准化热电偶的主要性能和特点 8.1.3 8.1.3 热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端温度补偿 热电偶产生的热电动势只有在冷端温度不变的条件下，热电偶产生的热电动势只有在冷端温度不变的条件下，才与工作温度成单值函数关系。才与工作温度成单值函数关系。 但是在实际应用中，由于热电偶冷端离工作端很近，但是在实际应用中，由于热电偶冷端离工作端很近，且又处于大气中，这样且又处于大气中，这样冷端温度难以保持恒定冷端温度难以保持恒定，会带来测，会带来测量误差，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。量误差，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。 热电偶长度热电偶长度 一般为一般为3502000mm左右，较短

16、。要保证左右，较短。要保证冷端温度不变，可以把热电极加长，使其远离工作端。这冷端温度不变，可以把热电极加长，使其远离工作端。这样样, 冷端温度比较稳定。冷端温度比较稳定。 (1) (1) 热电偶补偿导线热电偶补偿导线 解决办法解决办法：工程中采用一种工程中采用一种补偿导线补偿导线。在。在0150温度范温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。 常用补偿导线常用补偿导线 在实验室及精密测量中，通常把冷端放入在实验室及精密测量中，通常把冷端放入00恒温器恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持或装满冰水混合物的容器中，以便冷端

17、温度保持00。 这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。 (2) (2) 冷端冷端00恒温法恒温法 当冷端温度当冷端温度t t0 0不等于不等于00，需要对热电偶回路的测量电，需要对热电偶回路的测量电势值势值E EABAB（t t，t t0 0）加以修正。当工作端温度为）加以修正。当工作端温度为t t时，分度表时，分度表可查可查E EABAB( (t t,0),0)与与E EABAB( (t t0,0,0)0)。 根据中间温度定律得到：根据中间温度定律得到： EAB(t,0)= EAB(t,t0)+EAB(t0,0) (3) (3) 冷端温度

18、修正法冷端温度修正法 t t工作段温度工作段温度 t t0 0冷端的实际温度冷端的实际温度 00冷端的标准温度（冷端的标准温度（00，便于查表），便于查表）E E（t t，t t0 0）热电偶工作在热电偶工作在t t与与t t0 0时，仪表测出的热电动势值时，仪表测出的热电动势值E E（t t，0 0）和）和E E（t t0 0，0 0）冷端温度为冷端温度为0 0 ，工作点温度为，工作点温度为t t和和t t0 0时的电时的电动势值（由热电偶分度表中查得）动势值（由热电偶分度表中查得）例：例：用镍铬用镍铬- -镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t t0

19、 0=30=30，测得热电势，测得热电势e eABAB（t t，t t0 0）为）为39.17mV, 39.17mV, 求加热炉求加热炉温度。温度。 eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=39.17+1.203=40.373mV再从表中查得再从表中查得 E(970,0)=40.096mV，E(980,0)=40.488mV 解：解：查镍铬查镍铬-镍硅热电偶分度表得：镍硅热电偶分度表得： eAB(30，0)=1.203 mV可得可得 ：可得加热炉温度为：可得加热炉温度为：CCt977)970980(096.40488.40096.40373.40970(4) (4) 冷端温

20、度自动补偿法（电桥补偿法）冷端温度自动补偿法（电桥补偿法）000( , )( , )UABABABCABEt ttEt tURU恒定值)(3231RRRRRREUUUCCAB 8.1.4 8.1.4 热电偶测温线路热电偶测温线路MczABRRRTTEI),(0MczRRR、T0TnTnTABCD0TMLR 特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是是同一分度号同一分度号的热电偶，且的热电偶，且冷端应在同一温度冷端应在同一温度下。如热下。如热电偶正向串联，电偶正向串联， 可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；在测量

21、两点温差时，可采用热电偶反向串联；利用热电在测量两点温差时，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。偶并联可以测量平均温度。102012( , )( , )( , )TABABABEEt tEt tEt t特点：特点：当有一只热电偶烧当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来。当断时，难以觉察出来。当然，它也不会中断整个测然，它也不会中断整个测温系统的工作。温系统的工作。并并 联联12310203012301230( , )( , )( , )33(,3 )(, )33ABABABTABABEEEEt tEt tEt tEEtttttttEt优点：优点：热电动势大，仪表的热电动势大，仪表

22、的灵敏度大大增加，可立即发灵敏度大大增加，可立即发现断路。现断路。缺点：缺点：只要有一支热电偶断只要有一支热电偶断路，整个测温系统将停止工路，整个测温系统将停止工作。作。串联串联),(0)3 ,(),(),(),(032100321030201321ttttEEtttttEttEttEttEEEEEABTABABABABT时，当TEE31平均8.2 8.2 热电阻热电阻 热电阻传感器是利用热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。的原理进行测温的。 热电阻广泛用来测量热电阻广泛用来测量200200850850范围内的温度，少范围内的温度，少数情

23、况下，低温可测量至数情况下，低温可测量至1K1K，高温达，高温达10001000。标准铂电阻标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。 热电阻的结构热电阻的结构 电阻丝采用双线并绕法绕制在具有一定形状的云母、石电阻丝采用双线并绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撑和绝缘作用。英或陶瓷塑料支架上，支架起支撑和绝缘作用。 1. 1. 常用热电阻常用热电阻 对用于制造热电阻材料的要求：对用于制造热电阻材料的要求：1 1）电阻值与温度变化具有良好的）电阻值与温度变化具有良好的线性关系线性关系2 2）电阻温度系数大，以便对

24、）电阻温度系数大，以便对温度变化敏感温度变化敏感，便于精确测量，便于精确测量3 3）电阻率高，热容量小，从而具有较快的）电阻率高，热容量小，从而具有较快的响应速度响应速度4 4）在测量范围内）在测量范围内 具有具有稳定的物理、化学性质稳定的物理、化学性质5 5）容易加工，）容易加工，价格尽量便宜价格尽量便宜 材材料料 温温度度系系数数 （1 1/ /） 比比电电阻阻 （ .mm2/m） 温温度度范范围围 （） 特特 性性 铂铂 3.9210-3 0.0981 -200 +650 近近线线性性 铜铜 4.2510-3 0.0170 -50 +150 线线性性 铁铁 6.5010-3 0.0910

25、 -50 +150 非非线线性性 镍镍 6.6010-3 0.1210 -50 +100 非非线线性性 (1) (1) 铂热电阻铂热电阻 铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所，所以在温度传感器中得到了广泛应用。缺点：以在温度传感器中得到了广泛应用。缺点：价格高价格高。 按按IECIEC标准，铂热电阻的使用温度范围为标准，铂热电阻的使用温度范围为-200-200850850。铂热电阻的特性方程为：铂热电阻的特性方程为：)1 (20BtAtRRt)100(1 320ttCBtAtRRt 可见：热电阻在温度可见：热电阻在温度t时的电阻值与时的电阻值

26、与0时的电阻值时的电阻值R0有关。有关。 目前我国规定工业用铂热电阻有目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和和R0=100两两种，它们的分度号分别为种，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，即铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rt-t的关系表，这的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度，便可从分度表上查出对应的温度值。表上查出对应的温度值。)1 (20BtAtRRt)100(1 320ttCBtAtRRt铂电阻分度表铂电阻分度表 薄膜型及普通型铂热电阻

27、薄膜型及普通型铂热电阻 小型铂热电阻小型铂热电阻 (2) (2) 铜热电阻铜热电阻 在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，热电阻进行测温， 它的测量范围为它的测量范围为-50-50150150。 )1 (320CtBtAtRRt-50 150 )1 (0tRRtCo/1028. 43分度号：分度号：Cu50 Cu50 050R 铜热电阻的特点铜热电阻的特点 铜热电阻的特点：铜热电阻的特点：电阻温度系数较大、线性性好、电阻温度系数较大、线性性好、价格便宜。价格便宜。 缺点：电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较缺点：电阻率

28、较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定性较差，在大，稳定性较差，在100 以上时容易氧化，因此以上时容易氧化，因此只能用于低温及没有浸蚀性的介质中。只能用于低温及没有浸蚀性的介质中。 优优 点点 （ 1 ） 易易 提提 纯纯 ； （ 2 ） 物物 理理 、 化化 学学 特特 性性 稳稳 定定 ； （ 3 ） 输输 出出 近近 线线 性性 ； （ 4 ） 价价 格格 低低 廉廉 。 缺缺 点点 （ 1 ） 电电 阻阻 率率 低低 ； （ 2 ） 体体 积积 较较 大大 ， 热热 惯惯 性性 较较 大大 ； （ 3 ） 温温 度度 高高 于于1 0 0 易易 氧氧 化化 。 汽车用水温传感器及水

29、温表汽车用水温传感器及水温表 铜热电阻铜热电阻用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电桥电路电路。 热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。引线对测量结果有较大的影响。热电阻引线方式有热电阻引线方式有二线制、三线制二线制、三线制和和四线制四线制三种。三种。8.2.3 8.2.3 热电阻的测量电路热电阻的测量电路两线制两线制 这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来的变化会带来附加误差附加误差。 两线制适

30、于引线不长、测温精度要求较低的场合。两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。三线制三线制用于工业测量，精度较好。用于工业测量，精度较好。 uA1R2R4RtRrrrE21RR 若142RRRRt则1142)(RrRrRRRt)()(421rRRrRRt四线制四线制实验室用，高精度测量实验室用，高精度测量 IURt8.3 8.3 热敏电阻热敏电阻 热敏电阻是利用热敏电阻是利用半导体（某些金属氧化物如半导体（某些金属氧化物如NiO,MnONiO,MnO2 2, , CuO,TiOCuO,TiO2 2) )的电阻值随温度显著变化的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一这一特性制成的一种热敏元件，其

31、特点是种热敏元件，其特点是电阻率电阻率随温度而显著变化。一随温度而显著变化。一般测温范围：（般测温范围：（50 50 300300）玻璃壳玻璃壳热敏电阻热敏电阻引线引线 热敏电阻的优缺点：热敏电阻的优缺点：1、优点：具有电阻值和电阻温度系数大、灵敏度高；、优点：具有电阻值和电阻温度系数大、灵敏度高；体积小、结构简单；热惯性小、响应速度快；使用方体积小、结构简单；热惯性小、响应速度快；使用方便；寿命长；易于实现远距离测量。便；寿命长；易于实现远距离测量。2、缺点：、缺点：互换性较差互换性较差，同一型号的产品特性参数有较大，同一型号的产品特性参数有较大区别；区别；稳定性较差稳定性较差；非线性严重非线性严重，不能在高温下使用，不能在高温下使用。8.3.1 8.3.1 热敏电阻的电阻温度特性热敏电阻的电阻温度特性温度温度电阻电阻CTRNTCPTC 负温度系数（负温度系数（negative temperature coefficientnegative temperature coefficient）。热敏电阻在不同值时的。热敏电阻在不同值时的电阻温度特性电阻温度特性，温度越高温度越高，阻值越小，且有明显的非线性。，阻值越小，且有明显的非线性。NTCNTC热敏电阻具有很热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于：高的负电阻温度系数，特别适用于：100100300300之间测温。