第七章热电式传感器

1、第七章 热电式传感器2015年4月29日要求n1.了解热电阻和热电偶两种热电式传感器的工作原理n2.了解组成热电传感器的材料、结构及种类 n3.理解热电式传感器的补偿和测温过程和测温电路的构成 n4.了解其应用第七章 热电式传感器n热电式传感器是一种能将温度变化转换热电式传感器是一种能将温度变化转换为电量变化的装置（热能为电量变化的装置（热能-电能）。电能）。n本节涉及两种接触式热电式传感器本节涉及两种接触式热电式传感器n热电阻热电阻：将温度变化转换为电阻变化；：将温度变化转换为电阻变化；n热点偶热点偶：将温度变化转换为电势变化；：将温度变化转换为电势变化；7.1 热电阻温度传感器n1.结构及

2、工作原理热电阻效应：热电阻效应：导体的电阻率随其本身的温度导体的电阻率随其本身的温度的变化而变化的物理现象。的变化而变化的物理现象。 在一定的温度范围内，大多数金属的在一定的温度范围内，大多数金属的电阻率电阻率几乎几乎与温度成正比。电阻与温度的关系与温度成正比。电阻与温度的关系 纯金属是热电阻的主要材料，虽然大多数金属都有一定的温度系数，但作为测温元件的材料必须具有良好的线性、稳定性和较高的电阻率。 常用的金属热电阻材料是铂和铜。 （1）常用的热电阻材料）常用的热电阻材料稀有金属，年产量为黄金的5%。价格便宜约10元 其物理与化学性能都非常稳定，即使是在高温和氧化介质中也是如此,是目前制造热电

3、阻的最好材料。Pt还具有较大的电阻率（=0.1 mm2/m）和高的熔化温度（1772），因此体积可做得较小，测温范围也比较宽。按IEC标准, 铂热电阻的使用温度范围为-200 - +850。 铜的电阻率0.017 铁0.09 镍0.12铂热电阻 铂电阻在高精度的工业测量及计量检定中得到广泛的应用。通常用作标准热电阻。 Pt电阻的电阻值和温度的关系在-190-0之间为 2301(100)(72)TRRATBTC TT在0-630.74之间为 201(7 1)TRRATBT铂热电阻铂热电阻式中， R0、RT为0、T时的电阻； A、B、C为分度系数，A=3.96847103(1/)； B=5.841

4、07(1/)2； C=4.221012(1/)4。 由以上两式可见，要确定电阻RT与温度T的关系，首先要确定R0的数值，R0称为热电阻的标称值。 铂热电阻 电阻在温度T时的电阻值与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。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表, 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。 分度表的查法n热电阻温度与电阻值之间的关系可以列成一个表格,称为分度表. n分度号用来命名区分不同温度传感器对应的分度表。nhttp:/ 1 2

5、 3 4 5 6 7 8 9 对应温度的零头n中间显示的是测量电阻nPt100的铂电阻，在室温0度时，对应的测量温度应该是100度左右 铂电阻温度与阻值曲线n根据分度表画出050100150200250300350温度-170-130-90-50-102060100140180220260300340380420460500540580620阻值Cu热电阻 由于Pt为贵金属，在测量精度要求不高和测量范围较小时，大多采用Cu电阻。 Cu热电阻。 Cu价格低廉（45800元/吨=0.04558元/克），容易提纯，在-50-150的温度范围内化学、物理性能稳定，灵敏度高(温度系数大)，输出输入特性接

6、近线性，且价格便宜。Cu热电阻 其缺点是电阻率较Pt小，电阻丝细而长，机械强度较差。 由于Cu热电阻的体积较大，且当温度高于100时易被氧化，因此Cu热电阻适用于工作在温度较低的介质中，及测量精度要求不太高、测温范围比较小的场合。Cu热电阻 在-50150的温度范围内，Cu电阻的阻值和温度的关系如以下公式，特性线性度较好)/10*233. 1)/10*133. 2)/10*28899. 4)1 (9-7-3-320CCCBCACtBtAtRRooot常量（常量（常量（式中，（2 2）普通型普通型热电阻的结构热电阻的结构 利用热电阻测量温度实际是测量热电阻工作状态利用热电阻测量温度实际是测量热电

7、阻工作状态下的阻值，由电阻和温度之间的关系，求出被测温度，下的阻值，由电阻和温度之间的关系，求出被测温度，整个测温系统主要由热电阻传感器、测量电桥、显示整个测温系统主要由热电阻传感器、测量电桥、显示仪表及连接导线组成。仪表及连接导线组成。 由于热电阻的阻值较小由于热电阻的阻值较小(几欧姆到几十欧姆几欧姆到几十欧姆范围范围)，热电阻本体的引线电阻热电阻本体的引线电阻和和连接导线的电连接导线的电阻阻会给温度测量结果带来很大的影响，为了解决会给温度测量结果带来很大的影响，为了解决这一问题，热电阻的连接线路从二线制发展到三这一问题，热电阻的连接线路从二线制发展到三线制和四线制线制和四线制.采用三线制或

8、四线制测量电路，可以克服采用三线制或四线制测量电路，可以克服长连接导线的电阻在环境温度变化时造成测量误长连接导线的电阻在环境温度变化时造成测量误差。差。uA1R2R4RtRrrrE1142)(RrRrRRRt)()(421rRRrRRt21RR 若142RRRRt则 第7章 热电式传感器.2热敏电阻热敏电阻1.热敏电阻的特点热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。按物理特性，可分为三类：(1).负温度系数热敏电阻(NTC)；(2).正温度系数热敏电组(PTC)；(3).临界温度系数热敏电阻(CTR)。下面以负温度系数的热敏电阻为例作一下介绍。第7章 热电式传感器 负温度系数热敏电

9、阻是一种氧化物的复合烧结体，通常用它测量-100+300范围内的温度，与热电阻相比，其特点是：(1).电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的10倍。(2).结构简单，体积小，可以测量点温度。(3).电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。(4).易于维护和进行远距离控制。(5).制造简单，使用寿命长。缺点是互换性差，非线性严重。第7章 热电式传感器 图7.1为负温度系数热敏电阻的电阻-温度特性曲线，用如下经验公式描述： 式中 RT温度为T(K)时的电阻值； A与热敏电阻的材料和几何尺寸有关的常数； B热敏电阻常数。/BTTRA e2.负温度系数热敏电阻的特性第7章 热电式传感器 若已知T1和T2时的

10、电阻为RT1和RT2，则可通过公式求取A、B值，即 由图7.2可知，当流过热敏电阻的电流较小时，曲线呈直线状，服从欧姆定律。当电流增加时，热敏电阻自身温度明显增加，由于负温度系数的关系，阻值下降，于是电压上升速度减慢，出现了非线性。当电流继续增加时，热敏电阻自身温度上升更快，阻值大幅度下降，其减小速度超过电流增加速度，于是出现电压随电流增加而降低的现象。由于热敏电阻特性的严重非线性，扩大测温范围和提高精度必须进行补偿校正。/11BTTARe1212ln21TTTTRBTTR(7-5)(7-6)第7章 热电式传感器解决办法：串联或并联温度系数很小的金属电阻，使热敏电阻阻值在一定范围内呈线性关系。

11、图7-3介绍一种金属电阻与热敏电阻串联以实现非线性校正的方法。只要金属电阻Rx选得合适，在一定温度范围内可得到近似双曲线特性图(b) Rs，即温度与电阻的倒数成线性关系，从而使温度与电流成线性关系图(c)。近年来已出现利用微机实现较宽温度范围内线性化校正的方案。第7章 热电式传感器3 近代热敏电阻的特性(1).近年来研制的玻璃封装热敏电阻具有较好的耐热性、可靠性、频响特性。(2).氧化物热敏电阻的灵敏度都比较高，但只能在低于300时工作。(3).负温度系数热敏电阻的特性曲线非线性严重。(4).近年来发现四氰醌二甲烷新型有机半导体材料，具有电阻率随温度迅速变化的特性。7.2 热电偶热电偶1、热电

12、效应及热电偶的组成、热电效应及热电偶的组成 两种不同的金属组成回路时，若两个接触点的温度两种不同的金属组成回路时，若两个接触点的温度不同，则回路中就会产生电动势，这种现象称为不同，则回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效热电效应。应。相应的电动势称为相应的电动势称为热电动势。热电动势。 热电偶传感器就是利用热电效应制成的热敏传感器。热电偶传感器就是利用热电效应制成的热敏传感器。它具有测温范围宽、性能稳定、准确可靠等优点。它具有测温范围宽、性能稳定、准确可靠等优点。温差电现象温差电现象 在热电效应中，若维持两个接触点的温度差，这种在热电效应中，若维持两个接触点的温度差，这种回路就可作为电源，称

13、为回路就可作为电源，称为温差电偶或温差电池温差电偶或温差电池。 温差电池的电动势，称为温差电池的电动势，称为温差电动势。温差电动势。热电动势由两种相互独立的效应组成：热电动势由两种相互独立的效应组成： 第一种效应是由于两种不同的金属相接触和接点温度第一种效应是由于两种不同的金属相接触和接点温度所产生的一种电动势，称为所产生的一种电动势，称为接触电势接触电势。它与触电温度及两。它与触电温度及两金属的电子密度有关。接触电势近似地与触点的温度成正金属的电子密度有关。接触电势近似地与触点的温度成正比。比。 第二种效应是沿着同一导体的温度梯度所产生的，第二种效应是沿着同一导体的温度梯度所产生的，称为称为

14、温差电势温差电势。（热端带正电，冷端带负电）。（热端带正电，冷端带负电）而哪种效应起主要作用，取决于所使用的材料。而哪种效应起主要作用，取决于所使用的材料。3.热电偶的基本定律热电偶的基本定律 为了正确地使用热电偶，必须掌握它的三个基本定律。为了正确地使用热电偶，必须掌握它的三个基本定律。 (1)均质导体定均质导体定律律：由相同成分材料的热电极组成回路，由相同成分材料的热电极组成回路，若只受到温度的作用，不论导体的直径和长度如何，均不若只受到温度的作用，不论导体的直径和长度如何，均不产生热电势。产生热电势。 即热电偶必须由两种不同性质的均质材料组成。即热电偶必须由两种不同性质的均质材料组成。

15、(2)中间导体定中间导体定律律：在热电偶回路中接入第三种金在热电偶回路中接入第三种金属材料，只要该第三种金属材料两端温度相同，则热电属材料，只要该第三种金属材料两端温度相同，则热电偶所产生的热电势保持不变。即不受第三种金属材料接偶所产生的热电势保持不变。即不受第三种金属材料接入的影响。入的影响。 由此推论，连接热电偶的许多引线，只要新形成的由此推论，连接热电偶的许多引线，只要新形成的各个连接点均处在同一温度下，就不会影响被测热电势各个连接点均处在同一温度下，就不会影响被测热电势的精度。的精度。 从而测量时在回路中引入导线和仪表不会影响从而测量时在回路中引入导线和仪表不会影响回路中的热电势。回路

16、中的热电势。 (3)中间温度定中间温度定律律：当热电偶的两当热电偶的两个节点温度分别为个节点温度分别为Tl和和T3时产生的热时产生的热电动势为电动势为E(T1，T3);当两接点所处温度分别为当两接点所处温度分别为T2和和T3时产时产生的热电动势为所产生的热电动势为生的热电动势为所产生的热电动势为E(T3，T2)。则当两接点温度是则当两接点温度是Tl和和T2时，则产生时，则产生的热电动势就是的热电动势就是E(T1，T2)=E(T1，T3)+E(T3，T2)。（T1 T3 T2） 该定律是该定律是参考端温度计算修正参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热法的理论依据。在实际热电偶测温回路中电偶测温

17、回路中, 利用热电偶这一性质利用热电偶这一性质, 可对参考端温度不可对参考端温度不为为0的热电势进行修正。的热电势进行修正。根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A和和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用电偶回路中应用补偿导线补偿导线提供提供了理论依据。了理论依据。 4.热电偶的结构形式热电偶的结构形式 (1).普通型热电偶普通型热电偶 ：应用最多：应用最多引线口不锈钢套管接线盒焊点 瓷绝缘套管安装固定件(2)铠装热电偶铠装热电偶 ：具有可弯曲性能，除头部外，可以作任意方

18、向的弯曲，因而它适用于测量构造较为复杂，体积较小设备的温度。 (3)薄膜热电偶薄膜热电偶 ： 薄膜热电偶电极为厚度薄膜热电偶电极为厚度0.010.1 m薄膜构成薄膜构成图铁图铁-镍薄膜热电偶镍薄膜热电偶由两种薄膜热电极材料制成，热容量小、反应速度快，适应测量微小面积的表面温度及快速变化的动态温度5. 热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法法热电偶的分度表是以冷端温度为零摄氏度作为基准进行热电偶的分度表是以冷端温度为零摄氏度作为基准进行分度的。而冷端温度又常常不为零，所以必须对冷端分度的。而冷端温度又常常不为零，所以必须对冷端进行处理。进行处理。 （1）冷端）冷端

19、0恒温法恒温法 通常把冷端放在专门设计的保持通常把冷端放在专门设计的保持0的恒温器的恒温器 （2）补偿导线）补偿导线 热电偶一般做得较短，热电偶一般做得较短， 一般为一般为3502000mm。 在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样仪表，这样, 冷端温度冷端温度t0比较稳定。比较稳定。解决办法解决办法：工程中采用一种补偿导线。在：工程中采用一种补偿导线。在0100温温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具

20、有相同的热电特性。电特性。 （3）补偿电桥n利用不平衡电桥产生的不平衡电压来补偿热电偶冷端温度不为零或发生变化而引起热电势的变化值。（4）冷端温度修正）冷端温度修正n分度表是根据冷端温度为零而设置的；n要根据测量电势查分度表得出对应温度，需要电势是以冷端温度为零得到的。n当冷端温度不为零，根据热电偶的中间温度定律，对测量得到的热电势进行修正，再去分度表中查找对应温度：)0 ,(),()0 ,(00TETTETEABABABE型热电偶分度表n1.确定冷端温度T0n2.根据分度表查处以零为参考温度是的n3.测量电势n4.计算n5.再查分度表确定对应热端温度)0 ,(),()0 ,(00TETTET

21、EABABAB)0 ,(0TEAB),(0TTEAB)0 ,(TEAB)0 ,(TEABE型热电偶，n上述方法较精确，但繁琐。因此工程上常用不正系数修正法实现补偿n即简化为：n1.获得冷端温度tnn2.根据测量电势查分度表对应t1n3.查补正系数k并计算tnktt 11nttt其实际温度为：，此时测得温度为设冷端温度为6. 热电偶测量电路热电偶测量电路（1）单点温度测量电路）单点温度测量电路 （2）两点间温差的测量电路）两点间温差的测量电路)()(21TETEEABABT一个同名引出线端串接 （3）平均温度测量电路）平均温度测量电路并联（4）若干点温度之和的测量电路）若干点温度之和的测量电路相

22、同型号热电偶串联7.3热电式传感器的应用n见百度文章热电式传感器的应用 7.4 实验室提供的热电阻特性实验（实验实验室提供的热电阻特性实验（实验33）n1.实验目的n通过实验验证热电阻的电阻与温度的关系式，了解其特性与应用n2.提供器件与单元n（1）传感器n热电阻： Cu50 Pt100；热电偶： K型 N型n（2）可测量温度n温度测量控制仪+温度源n（3）实验模块n温度传感器实验模块n（4）仪表n主控台电压表 自备万用表（1）传感器nCu50：R0为50欧姆的铜热电阻n Pt100： R0为100欧姆的铂热电阻n普通封装，长约15cm，引线长约80cm，引出端有三种不同颜色的线n红色：接桥压

23、电源正极n蓝色和黑色：内部短接（1）传感器n常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。n标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。n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。n标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。n热电偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。n其中S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。以下是对热电偶分度号的解释nS 铂铑10 纯铂；R 铂铑13 纯铂 B 铂铑30 铂铑6 nK 镍铬 镍硅 ；T 纯铜 铜镍 ；J 铁 铜镍 ；N 镍铬硅 镍硅；E 镍铬