热电势传感器

第8章热电式传感器热电式传感器的定义：热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。下页返回图库第8章热电式传感器8.1热电阻8.2热电偶8.3热敏电阻本章要点下页上页返回图库8.1热电阻热电阻测温的基础：电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系数特点:精度高，适宜于测低温下页上页返回8.1.1热电阻的材料及工作原理图库8.1.1热电阻的材料及工作原理铂电阻:精度高，稳定性好，性能可靠。铜电阻:铂是贵金属，价格昂贵，因此在测温范围比较小(-50～+150℃)的情况下，可采用铜制成的测温电阻，称铜电阻。铁电阻和镍电阻铁和镍:这两种金属的电阻温度系数较高、电阻率较大，故可作成体积小，灵敏度高的电阻温度计，其缺点是容易氧化，化学稳定性差，不易提纯，复制性差，而且电阻值与温度的线性关系差。下页上页返回图库热电阻工作原理：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碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。热电阻的材料要求：电阻温度系数要大；电阻率尽可能大，热容量要小，在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。R1R2R3Rtr1r3r2EABM图8-1热电阻测温电桥的三线连接法1.三线式电桥连接法Rt为热电阻,r1

、r2、r3为引线电阻,R1

、R2为两桥臂电阻,R1=R2,R3为调整电桥的精密电阻。M表内阻很大，故电流近似为零。当UA=UB时电桥平衡。若使r1=r2,则R3=Rt,就可消除引线电阻的影响。8.1.2测量电路2.四线式电桥连接法图8-2热电阻测温电桥的四线连接法调零的电位器的接触电阻和指示电表串联，接触电阻的不稳定不会破坏电桥的平衡和正常工作状态。8.2热电偶热电偶作为敏感元件优点为：①结构简单：其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的；②具有较高的准确度；③测量范围宽，常用的热电偶，低温可测到-50℃，高温可以达到1600℃左右，配用特殊材料的热电极，最低可测到-180℃，最高可达到+2800℃的温度；④具有良好的敏感度；⑤使用方便等。下页上页返回图库8.2热电偶热电效应热电偶基本规律热电偶材料及常用热电偶热电偶测温电路热电偶参考端温度下页上页返回图库8.2.1热电效应

热电效应或塞贝克效应：

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年首先由西拜克（See－back）发现,所以又称西拜克效应。下页上页返回图库图8-3热电效应示意图

固定温度的接点称基准点（冷端）T0

，恒定在某一标准温度；待测温度的接点称测温点（热端）T，置于被测温度场中。

这种将温度转换成热电动势的传感器称为热电偶，金属称热电极。测温过程：只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。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。工作原理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。2.温差电势AToTeA(T,To)温差电势原理图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/℃。3.回路总电势ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)图8-7热电偶回路的总热电势若T＞T0，则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。（8-9）8.2.1热电效应

由式(8-9)可得出以下结论：①如果热电偶两电极材料相同，则虽两端温度不同(T≠T0)。但总输出电势仍为零。因此必须由两种不同的材料才能构成热电偶。②如果热电偶两结点温度相同，则回路中的总电势必等于零由上述分析知，热电势的大小只与材料和两端结点温度有关，与热电偶的长度、粗细、形状无关。下页上页返回图库8.2.2热电偶基本规律中间导体定律标准电极定律连接导体定律和中间温度定律下页上页返回图库8.2.2热电偶基本规律下页上页返回图库图8-8具有中间导体的热电偶回路（1）中间导体定律

在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶回路的总热电势无影响。可用式子表示为：8.2.2热电偶基本规律下页上页返回图库

（2）标准电极定律

如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知。其热电势由下式求得图8-9三种导体分别组成的热电偶证明：8.2.2热电偶基本规律下页上页返回图库（3）中间温度定律

热电偶在两接点温度分别为T、T0时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为T、Tn和接点温度分别为Tn、T0时的相应热电动势的代数和。BBA

Tn

T

T0

AAB即：8.2.3热电偶材料及常用热电偶

对热电偶的电极材料主要要求是：①配制成的热电偶应具有较大的热电势，并希望热电势与温度之间成线性关系或近似线性关系。②能在较宽的温度范围内使用．并且在长期工作后物理化学性能与热电性能都比较稳定。③电导率要求高，电阻温度系数要小。④易于复制，工艺简单，价格便宜。标准化热电偶有：铂铑一铂热电偶、镍铬一镍铝热电偶、镍铬考铜热电偶及铜一康铜热电偶等。标准化热电偶的主要技术数据列于表8-2中。下页上页返回图库8.2.4热电偶测温电路

热电偶直接与指示仪表配用热电偶与动圈式仪表连接，如图8-11所示。这时流过仪表的电流不仅与势电势大小有关，而且与测温回路的总电阻有关，因此要求回路总电阻必须为恒定值，即Rr+Rc+RG=常数（8-14）式中Rr—热电偶电阻；Rc—连接导线电阻；RG—指示仪表的内阻这种线路常用于测温精度要求不高的场合，因其结构简单，价格便宜。下页上页返回图库8.2.4热电偶测温电路串联为了提高测量精度和灵敏度，也可将n支型号相同的热电偶依次串接，如图8-12所示。这时线路的总电势为EG=E1+E2+…+En=nE（8-15）式中的E1，E2，…,En为单支热电偶的热电势。显然总电势比单支热电偶的热电势增大n倍。若每支热电偶的绝对误差为ΔE1，ΔE2，…,ΔEn，则整个串联线路的绝对误差为（8-16）下页上页返回图库8.2.4热电偶测温电路如果E1

=E2=…=

En=E则（8-17）故串联电路的相对误差为：

（8-18）

下页上页返回图库8.2.4热电偶测温电路并联用若干个热电偶并联，测出各点温度的算术平均值。如图8-13所示。如果n支热电偶的电阻值相等，则并联电路总热电势为（8-19）

下页上页返回图库8.2.5热电偶参考端温度0℃恒温法热电偶参考端温度为tn时的补正方法下页上页返回图库误差产生原因：热电偶分度表及根据分度表刻制的直读式仪表，都以热电偶参考端温度等于0度为条件的。所以使用时必须遵守该条件。如果参考端温度不是0度，尽管被测温度不变，热电势将随参考端温度变化而变化，因此要测得真实温度就必须进行修正或采取补偿措施。措施：8.2.5热电偶参考端温度（1）0℃恒温法

把冰屑和清洁的水相混合，放在保温瓶中，并使水面略低于冰屑面，然后把热电偶的参考端置于其中，在一个大气压的条件下，即可使冰水保持在0℃，这时热电偶输出的热电势与分度值一致。实验室中通常使用这种办法。近年来，已生产一种半导体致冷器件，可恒定在0℃。下页上页返回图库8.2.5热电偶参考端温度（2）热电偶参考端温度为tn时的补正方法

1、热电势补正法2、温度补正法3、调整仪表起始点法

4、热电偶补偿法

5、电桥补偿法

下页上页返回图库图8-16热电偶特性曲线8.3热敏电阻下页上页返回图库热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测温的。半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，特别适于在-100℃～300℃之间测温。热敏电阻的缺点是互换性较差，另外其热电特性是非线性的。8.3热敏电阻8.3.1热敏电阻的主要特性8.3.2热敏电阻的特性线性化8.3.3热敏电阻的应用举例下页上页返回图库8.3.1热敏电阻的主要特性下页上页返回图库热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数型(PTC)、负温度系数型(NTC)、和临界温度系数型(CTR)。1081021041060三类热敏电阻的温度特性温度（℃）电阻（Ω）NTCCTRPTC4080120160180对于大多数热敏电阻，它的温度系数均为负值。可见CTR临界热敏电阻有一突变温度，此特性可用于自动控温和报警电路中。8.3.1热敏电阻的主要特性一、电阻-温度特性电阻与温度之间的关系：式中A——与热敏电阻尺寸形状以及它的半导体物理性能有关的常数B——与半导体物理性能有关的常数T——热敏电阻的绝对温度。NTC的电阻—温度关系的一般数学表达式为：为了使用方便，常取环境温度为25℃作为参考温度（即T0=25℃），则NTC热敏电阻器的电阻—温度关系式：8.3.1热敏电阻的主要特性下页上页返回图库二、伏安特性

伏安特性表征热敏电阻在恒温介质下流过的电流I与其上电压降U之间的关系。αβ

abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC热敏电阻