传感器应用技术温敏传感器

传感器应用技术温敏传感器第一页，共八十五页，2022年，8月28日温敏传感器及应用技术教学目的：1、了解温敏传感器的作用、分类和发展趋势；2、了解集成温度传感器使用方法；3、熟悉常用温敏传感器的特点及应用范围；4、掌握常用温敏传感器的工作原理及使用方法；5、学会正确选用温敏传感器的方法。第二页，共八十五页，2022年，8月28日第二章温敏传感器及应用技术第一节温敏传感器的定义、分类与特点—温度与温标—定义、分类与特点第二节常用温敏传感器工作原理—电阻式温敏传感器—热电阻—热敏电阻—热电偶传感器第三节温敏传感器应用电路分析与训练—0~100℃温度测量电路设计

—电脑机箱温度控制电路设计—集成温度传感器应用电路分析第三页，共八十五页，2022年，8月28日一、温度与温标1）温度温度（temperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。两个不同温度相接触的物体将会产生热交换。2）温标用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有：

华氏温标(°F)、摄氏温标（°C）、热力学温标(K)、国际实用温标第一节温敏传感器的定义、

分类与特点第四页，共八十五页，2022年，8月28日（1）摄氏温标把在标准大气压下冰的熔点定为零度（°C），把水的沸点定为100

度，两个温度点划分100份，每份为1摄氏度。符号为t，单位为°C

。（2）华氏温标把在标准大气压下冰的熔点定为32F，水的沸点定为212F，两温度点划分180份，每份为1华氏度。符号为θ。它与华氏度的关系为

第五页，共八十五页，2022年，8月28日（3）热力学温标

在国际单位制中,以热力学温标为基本温标，它定义的温度为热力学温度T，单位为开尔文，符号为K。热力学温标以水的三相点平衡共存时的温度为基本定点，并规定其温度为273.15K。摄氏温标与热力学温标温度之间的关系如下：

例如，100°C时的热力学温度T=（100+273.15）K

三相点是指在热力学里，可使一种物质三相（气相，液相，固相）共存的一个温度和压力的数值。举例来说，水的三相点在0.01℃（273.15K）及611.73Pa出现t=T-273.15

℃第六页，共八十五页，2022年，8月28日（4）国际实用温标

为解决国际上温度标准的统一及实用问题，国际上协商决定，建立一种既能体现热力学温度（即能保证一定的准确度），又使用方便、容易实现的温标，即国际实用温标InternationalPracticalTemperatureScaleof1968(简称IPTS-68)，又称国际温标。

1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用t表示，其单位是开尔文，符号为K。1K定义为水三相点热力学温度的1/273.16，水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为273.16K，这是建立温标的惟一基准点。注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔1K=1℃。T0是在标准大气压下冰的融化温度，T0=273.15K。水的三相点温度比冰点高出0.01K。第七页，共八十五页，2022年，8月28日1.定义温敏传感器是将温度变化转换为电量变化的装置。利用敏感元件电磁参数随温度变化而变化的特征达到测量目的。2.温敏传感器的物理原理二、温敏传感器定义、分类与特点

随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；蒸气压的温度变化；电极的温度变化热电偶产生的电动势；光电效应热电效应介电常数、导磁率的温度变化；物质的变色、融解；强性振动温度变化；热放射；热噪声。第八页，共八十五页，2022年，8月28日3）温度传感器应满足的条件特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，且随温度呈线性变化；除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；特性随时间变化要小；重复性好，没有滞后和老化；灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响

要小；机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；能大批量生产，价格便宜；无危险性，无公害等。第九页，共八十五页，2022年，8月28日4)温度传感器的种类及特点

接触式温度传感器非接触式温度传感器接触式温度传感器的特点：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量较小时，测量精度较低。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。非接触式温度传感器主要是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。第十页，共八十五页，2022年，8月28日物理现象

体积热膨胀

电阻变化温差电现象导磁率变化电容变化压电效应超声波传播速度变化物质颜色P–N结电动势晶体管特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射种类铂测温电阻、热敏电阻热电偶BaSrTiO3陶瓷石英晶体振动器超声波温度计示温涂料液晶半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅辐射温度传感器光学高温计1.气体温度计2.玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计5.液体压力温度计6.气体压力温度计1．

热铁氧体2．

Fe-Ni-Cu合金第十一页，共八十五页，2022年，8月28日2.4温度传感器的特点(1)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、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1000～1500℃光学高温计、辐射传感器、热电偶中高温用传感器500～1000℃光学高温计、辐射传感器、热电偶中温用传感器0～500℃低温用传感器-250～0℃极低温用传感器-270～-250℃BaSrTiO3陶瓷晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计见表下内容

测温范围第十二页，共八十五页，2022年，8月28日温度传感器分类(2)分类特征传感器名称测温范围宽、输出小测温电阻器、晶体管、热电偶半导体集成电路传感器、可控硅、石英晶体振动器、压力式温度计、玻璃制温度计线性型测温范围窄、输出大热敏电阻指数型函数开关型特性特定温度、输出大感温铁氧体、双金属温度计

测温特性第十三页，共八十五页，2022年，8月28日温度传感器特性(3)分类特征传感器名称测定精度±0.1～±0.5℃铂测温电阻、石英晶体振动器、玻璃制温度计、气体温度计、光学高温计温度标准用测定精度±0.5～±5℃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±1～±5℃

测定精度第十四页，共八十五页，2022年，8月28日（－）接触式温度传感器1．常用热电阻范围：-260～＋850℃；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～＋500℃，最高上限为1000℃，精度为0.5级。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–268.8～253℃-272.9～272.99℃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。第十五页，共八十五页，2022年，8月28日（二）非接触式温度传感器l．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．光谱高温计前苏联研制的YCI—I型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为400～6000℃,它是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。

3．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．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。瑞士BrowaBorer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)的高温。第十六页，共八十五页，2022年，8月28日

此外，还有微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。第十七页，共八十五页，2022年，8月28日4、温度传感器的发展概况公元1600年，伽里略研制出气体温度计。一百年后，研制成酒精温度计和水银温度计。随着现代工业技术发展的需要，相继研制出金属丝电阻、温差电动式元件、双金属式温度传感器。1950年以后，相继研制成半导体热敏电阻器。最近，随着原材料、加工技术的飞速发展、又陆续研制出各种类型的温度传感器。接触式温度传感器非接触式温度传感器第十八页，共八十五页，2022年，8月28日电阻式温度传感器

1.定义利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的性质而工作的，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值对应的温度值。2.分类

金属热电阻传感器—称热电阻半导体热电阻传感—称热敏电阻第二节常用温敏传感器工作原理第十九页，共八十五页，2022年，8月28日二.电阻式温度传感器工作原理

(一)热电阻

1.热电阻测温原理热电阻主要是利用电阻随温度升高而增大的特性来测量温度的。温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻力增大，宏观上表现出电阻率变大，总电阻值增加。热电阻的阻值与温度的关系为：

Rt=Ro(1+At+Bt2+Ct3+Dt4)式中：R0为热电阻在0℃时的电阻值A、B、C、D为温度系数作为测温热电阻的金属材料应具有如下特性：电阻温度系数大，电阻率要大，热容量小，在整个测温范围内应具有稳定的物理和化学性质，电阻与温度的关系最好近似于线性

第二十页，共八十五页，2022年，8月28日2.常用热电阻种类(1)铂电阻(WZP型号）

目前中国常用的铂电阻有两种，分度号Ptl00和Ptl0，最常用的是Ptl00，R(0℃)=100.00Ω，纯度为R（100℃）/R（0℃）=1.3851

常用测温范围-200℃～850℃铂电阻结构如图所示。银引出线铂丝云母骨架银绑带保护套管石英骨架常用热电阻有

铂电阻铜电阻第二十一页，共八十五页，2022年，8月28日常用热电阻（PT100）分度表

第二十二页，共八十五页，2022年，8月28日（2）铜电阻（WZC型号）

目前我国工业上用的铜电阻分度号为Cu50和Cul00.纯度为R（100℃）/R（0℃）=1.428±0.002

。常用测温范围-50℃～150℃铜热电阻丝线圈骨架补偿组铜引出线第二十三页，共八十五页，2022年，8月28日3.热电阻测温原理分析为了准确地测出电阻的大小以反映温度的高低，常采用电桥来测量Rt阻值的变化，并转化为电压输出△U。

当<<时，ΔU与ΔRt之间呈现较好的正比关系。根据ΔU可以知道Rt的变化，从而测得温度。第二十四页，共八十五页，2022年，8月28日工业上常采用三线制接法。第二十五页，共八十五页，2022年，8月28日（6）热电偶和热电阻的区别

原理与特点不同：热电偶的测温原理是基于热电效应;热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。信号性质不同：热电阻产生的是阻值变化；热电偶是产生感应电压的变化。检测的温度范围不一样：热电阻是低温检测；热电偶是高温检测。材料不同：热电阻是一种金属材料；热电偶是双金属材料。工作中的现场判断不同：热电阻用万用表判断短路和断路即可；热电偶有正负极、补偿导线也有正负之分。第二十六页，共八十五页，2022年，8月28日(二)热敏电阻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,是半导体测温元件。

1.分类与特性

热敏电阻的种类很多，按阻值与温度关系特性可分为：

(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3～4个数量级，即具有很大负温度系数。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。二.电阻式温度传感器工作原理

第二十七页，共八十五页，2022年，8月28日1234铂丝40601201600100101102103104105106RT/Ω温度T/ºC热敏电阻的特性热敏电阻的电阻--温度特性曲线1、NTC；2、CTR；3-4、PTC第二十八页，共八十五页，2022年，8月28日热敏电阻材料的分类（1）分类小分类代表例子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、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系第二十九页，共八十五页，2022年，8月28日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）、（ZnCdHg）BaTiO3单晶V、P、（Ba·Sr）氧化物Ag2S–CuS分类小分类代表例子第三十页，共八十五页，2022年，8月28日外形与电路符号第三十一页，共八十五页，2022年，8月28日

2、热敏电阻的基本参数(1)标称电阻R25（冷阻）标称电阻值是热敏电阻在25±0.2℃时的阻值。(2)电阻温度系数（%/℃）热敏电阻的温度变化1℃时电阻值的变化率。(3)最高工作温度Tmax热敏电阻器在规定技术条件下长期连续工作所允许最高温度：T0—环境温度；PE—环境温度为T0时的额定功率；H—耗散系数

(4)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。

(5)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。第三十二页，共八十五页，2022年，8月28日(6)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。在此功率下,它自身温度不应超过Tmax。(7)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％时所消耗的功率(8)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。(9)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。第三十三页，共八十五页，2022年，8月28日第二节常用温敏传感器工作原理二、热电偶温度传感器

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，输出信号为电信号便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的温度。★热电偶的分类★热电偶的外形、材料与结构★热电偶的工作原理★冷端处理及补偿★热电偶的选择、安装使用和校验第三十四页，共八十五页，2022年，8月28日1、热电偶的分类热电偶的种类标准热电偶非标准化热电偶

经国际电工委员会(IEC)认证的性能较好的热电偶为标准热电偶否则为非标准热电偶第三十五页，共八十五页，2022年，8月28日1）标准热电偶

目前，经国际电工委员会(IEC)认证的性能较好的标准热电偶有8种，分别是：名称分度号名称分度号铂铑30--铂铑6B镍铬硅--镍硅N铂铑13--铂R镍铬--铜镍(康铜)E铂铑10--铂S铁--铜镍(康铜)J镍铬--镍硅K铜--铜镍(康铜)T第三十六页，共八十五页，2022年，8月28日2）非标准化热电偶

末经国际电工委员会(IEC)认证的热电偶为非标准热电偶包括：铂铑系、铱铑系、钨铼系及金铁热电偶、双铂钼等热电偶

2、热电偶的外形、材料与结构热电偶温度传器通过连接导线与显示仪表相连接组成测温系统。

1）热电偶的外形第三十七页，共八十五页，2022年，8月28日

2）热电偶的材料与结构热电偶材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于制造；复现性好，便于成批生产。第三十八页，共八十五页，2022年，8月28日

（1）铂—铂铑热电偶(S型)

分度号LB—3工业用热电偶丝：Φ0.5mm，实验室用可更细些。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：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。测量温度较高，一般用来测量1000℃以上高温。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。材料属贵金属，成本较高。热电势较弱。第三十九页，共八十五页，2022年，8月28日

（2）镍铬—镍硅(镍铝)热电偶(K型)分度号EU—2工业用热电偶丝：Φ1.2~2.5mm，实验室用可细些。正极：镍铬合金(用88.4～89.7％镍、9～10％铬，0.6％硅，0.3％锰，0.4～0.7％钴冶炼而成)。负极：镍硅合金(用95.7～97％镍,2～3％硅,0.4～0.7％钴冶炼而成)。测量温度：长期1000℃，短期1300℃。特点：价格比较便宜，在工业上广泛应用。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。复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。第四十页，共八十五页，2022年，8月28日（3）镍铬—考铜热电偶(E型)

分度号为EA—2工业用热电偶丝:Ф1.2～2mm，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：价格比较便宜，工业上广泛应用。在常用热电偶中它产生的热电势最大。气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。第四十一页，共八十五页，2022年，8月28日（4）铂铑30—铂铑6热电偶(B型)

分度号为LL—2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：材料性能稳定，测量精度高。还原性气体中易被侵蚀。低温热电势极小，冷端温度在50℃以下可不加补偿。成本高。第四十二页，共八十五页，2022年，8月28日（5）铁—康铜热电偶，分度号TK

灵敏度高，约为53μV/℃，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。（6）铜—康铜热电偶，分度号MK

热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43μV/℃。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20K～473K的低温实验室测量中。第四十三页，共八十五页，2022年，8月28日几种持殊用途的热电偶（1）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）钨铼热电偶是60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，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-钨铼20热电偶使用温度范围300～2000℃分度精度为1％。（3）金铁—镍铬热电偶主要用在低温测量，可在2～273K范围内使用，灵敏度约为10μV／℃。（4）钯—铂铱15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。第四十四页，共八十五页，2022年，8月28日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。热电极其绝缘套管接线座线座右铭接线柱测量端绝缘套管热电极保护管接线盒由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒等主要部分组成。第四十五页，共八十五页，2022年，8月28日

（2）铠装式热电偶（又称套管式热电偶）

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。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—考铜铠装式热电偶。

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)—帽型第四十六页，共八十五页，2022年，8月28日

3、热电偶的工作原理

热电偶温度传器是利用导体的“热电效应”制作的仪器，其敏感元件是热电偶。

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T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由塞贝克（See－back）发现,所以又称塞贝克效应。热电偶原理图TT0AB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。

热电偶由两根不同的导体或半导体一端焊接或绞接而成。IT＞T0第四十七页，共八十五页，2022年，8月28日TABT0T0冷端热电极热端第四十八页，共八十五页，2022年，8月28日1）接触电势接触电势原理图+ABTeAB(T)-eAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e——单位电荷，e=1.6×10-19C；

k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/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,。

温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电势也越大。第四十九页，共八十五页，2022年，8月28日2）温差电势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；σA——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σ=2μV/℃。温差电势原理图AToTeA(T,To)第五十页，共八十五页，2022年，8月28日3）回路总电势由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：NAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度；NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；σA

、σB——导体A和B的汤姆逊系数。eAB(T)TeAB(T0)T0eA(T,T0)ABeB(T,T0)第五十一页，共八十五页，2022年，8月28日在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T)-EAB(0)-[EAB(T)-EAB(T0)]=EAB(T，0)-EAB(T0，0)

热电偶的热电势，等于两端温度分别为T和零度以及T0和零度的热电势之差。第五十二页，共八十五页，2022年，8月28日

4）热电偶回路的性质（1)均质导体定律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，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。（2)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,如图由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则

E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0TABCTT结论：可以在回路中接入电气测量仪表，而且也允许采用任意的方法来焊接热电偶第五十三页，共八十五页，2022年，8月28日（3)中间温度定律(制定分度表的理论依据)

热电偶回路两接点(温度为T、T0)间热电势，等于热电偶在温度为T、Tn时的热电势与在温度为Tn、T0时的热电势的代数和。即：EAB(T，T0)=EAB(T，Tn)+EAB(Tn，T0)

热电偶分度表按冷端温度为0C时分度，若冷端温度不为0℃，则可视实际冷端温度T0为中间温度Tn，则满足：EAB(T，0)=EAB(T，T0)+EAB(T0，0)

已知由分度表可查第五十四页，共八十五页，2022年，8月28日结论：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。(同材同温总电势为0)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，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。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EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。实际应用中，只用显示仪表测得E，即可知热端温度T。第五十五页，共八十五页，2022年，8月28日实际测量中：保持冷端温度T0不变，对于确定材料的热电偶，E-T之间呈单值关系，可以用精密实验法测得，测得E，即可知道热端温度T。热电偶的热电势与温度对应关系通常使用热电偶分度表来查询，分度表的编制是在冷端温度为0oC时进行的，根据不同的热电偶类型，分别制成表格形式。利用分度表可以查出E(T,0)，即冷端温度为0oC时，热端温度为T时回路热电势。第五十六页，共八十五页，2022年，8月28日第五十七页，共八十五页，2022年，8月28日第五十八页，共八十五页，2022年，8月28日

4、热电偶的冷端处理与温度补偿原因：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；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0℃为依据，否则会产生误差。方法：冰点槽法计算修正法补正系数法零点迁移法冷端补偿器法软件处理法第五十九页，共八十五页，2022年，8月28日1）冰点槽法把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。这种办法仅限于科学实验中使用。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，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。mVABA’B’TCC’仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0第六十页，共八十五页，2022年，8月28日2）计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算例用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21℃,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49℃，也不能把49℃加上21℃，认为T=70℃。第六十一页，共八十五页，2022年，8月28日3）补正系数法把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即

式中：T——为未知的被测温度；T′——为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度；TH——室温；k——为补正系数，其它参数见下表。例用铂铑10－铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35℃，这时热电动势为11.348mV．查S型热电偶的分度表，得出与此相应的温度T′=1150℃。再从下表中查出，对应于1150℃的补正系数k=0.53。于是，被测温度

T=1150+0.53×35=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，但误差不大于0.14％。T＝

T′＋

kTH第六十二页，共八十五页，2022年，8月28日温度T´/℃补正系数k铂铑10-铂(S)镍铬-镍硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.53—13000.52—14000.52—15000.53—16000.53—热电偶补正系数第六十三页，共八十五页，2022年，8月28日4）零点迁移法应用领域：如果冷端不是0℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。例用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是0℃而是TH。而热电偶的冷端温度已是TH,则只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，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，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。第六十四页，共八十五页，2022年，8月28日5）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起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在0℃下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。冷端补偿器的作用注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3RT0UaUabEAB(T,T0)供电4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范围起补偿作用。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R不一样，互换时必须重新调整。第六十五页，共八十五页，2022年，8月28日6）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。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0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。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T0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。第六十六页，共八十五页，2022年，8月28日5、热电偶的选择、安装使用和校验1）热电偶的选择、安装使用热电偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。其安装地点要有代表性，安装方法要正确，图3.2-17是安装在管道上常用的两种方法。在工业生产中，热电偶常与毫伏计连用（XCZ型动圈式仪表）或与电子电位差计联用，后者精度较高，且能自动记录。另外也可通过与温度变送器经放大后再接指示仪表，或作为控制用的信号。第六十七页，共八十五页，2022年，8月28日常用热电偶型号及测温范围第六十八页，共八十五页，2022年，8月28日2）热电偶的定期校验

校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉中进行对比，误差超过规定允许值为不合格。图为热电偶校验装置示意图，最佳校验方法可由查阅有关标准获得。工业热电偶的允许偏差，见下表。工业热电偶允许偏差热电偶分度号校验温度/℃热电偶允许偏差/℃温度偏差温度偏差LB–3600，800，1000，12000～600±2.4>600占所测热电势的±0.4%EU–2400，600，800，1000～400±4>400占所测热电势的±0.75%EA–2300，400，6000～300±4>300占所测热电势的±1%第六十九页，共八十五页，2022年，8月28日

6、热电偶测量应用电路分析

1)测量单点温度的基本测温线路

热电偶显示仪表连接导线第七十页，共八十五页，2022年，8月28日2)测量两点之间温差的测温线路第七十一页，共八十五页，2022年，8月28日

3)测量平均温度的测温线路第七十二页，共八十五页，2022年，8月28日

4)测量几点温度之和的测温线路

第七十三页，共八十五页，2022年，8月28日

5)若干只热电偶共用一台仪表的测量线路

第七十四页，共八十五页，2022年，8月28日

二、集成温度传感器

定义：在一块极小的半导体芯片上集成了包括温度敏感器件、信号放大电路、温度补偿