第8章热电式传感器

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第8章热电式传感器

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。8.1热电阻8.2热电偶8.3热敏电阻本章要点温标

不是温度标准(TemperatureStandard)，而是温度标尺(TemperatureScale)的简称。国际上规定的温标有很多种，最常用的是华氏温标(美国)、摄氏温标、热力学温标等。下页上页返回温标名称有关规定华氏温标（℉）1714年，Fahrenheit把标准大气压下纯水的沸点和冰点这两个恒定温度作固定点(212℉和32℉)，这两个温度点之间用水银温度计分成180等份，每等份定为1华氏度(℉)。列氏温标(oR’)1731年Réaumur提出：水的冰点被定为列氏0度，而沸点则为列氏80度。因为标准浓度的酒精在水的冰点和沸点之间体积从1000单位膨胀到1080单位。摄氏温标(℃)1742年Celsius提出：最初定义“水的冰点定为一百摄氏度，沸点定为零摄氏度，其间分成一百等分，一等分为一摄氏度”。第二年将刻度颠倒过来使用，即当今用法。当前应用最广，ITS-90有专门定义。开氏温标(K)1854年Kelvin提出：把绝对零度(0K)到水的三相点温度(273.16K)等分为273.16份，每份就是1开氏度。其分度间隔和摄氏温标间隔一致，Δt(1℃)=ΔT(1K)。兰氏温标(oR)Rankine

温标是美国工程界使用的一种温标。起点也为绝对零度，水的冰点和沸点分别为491.67和671.67兰氏度(oR)，中间分成180等分，每一等分为1oR。下页上页返回几种温标间的换算关系摄氏度=5(华氏度-32)/9摄氏度=开氏度-273.15摄氏度=5兰氏度/9-273.15摄氏度=1.25列氏度====================华氏度=1.8摄氏度+32华氏度=1.8开氏度-459.67华氏度=兰氏度-459.67华氏度=2.25列氏度+32====================开氏度=摄氏度+273.15开氏度=1.25列氏度+273.15开氏度=5(华氏度-32)/9+273.15开氏度=5兰氏度/9下页上页返回下页上页返回8.1热电阻测温原理：大多数金属的电阻率随温度升高而增大，即具有正温度系数。特点：

一般用于测量-200～+500℃范围内的温度参数，精度较高，适宜于测低温。8.1.1热电阻的材料及工作原理下页上页返回铂电阻：精度高，稳定性好，性能可靠，测温复现性好，但价格昂贵，成本高。（0～850℃）（-200～0℃）根据国家标准工业用标准铂电阻R0有100Ω

和50Ω两种，并将电阻值与温度t对应关系列成表格，称为铂电阻分度表，分度号分别为Pt100和Pt50。

铂电阻的纯度通常用W(100)表示（R100与R0的比值），目前铂电阻的纯度最高可达5个九。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。

（-50～+150℃）下页上页返回铜电阻在低温测温范围内线性和稳定性较好，温度系数较大，且价格便宜，但测量精度较低。铜电阻的R0亦有100Ω和50Ω两种，其分度号分别为Cu100和Cu50。铜热电阻Cu50分度表下页上页返回铟电阻：是一种高精度低温热电阻。在4.2-15K测温范围内灵敏度极高，缺点是材料很软，复制性很差。锰电阻：在63-2K低温范围内，灵敏度高，缺点是脆性大，难以拉制成丝。碳电阻：低温下灵敏度高，热容量小，对磁场不敏感，价格便宜，使用方便。缺点是热稳定性较差。铁电阻和镍电阻：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。下页上页返回工业热电阻的基本结构

直径1mm的银丝或镀银铜丝云母、石英或陶瓷塑料双线无感绕法外接线路相连电阻丝和电阻支架图8-1几种纯金属的电阻相对变化率与温度变化间关系下页上页返回下页上页返回8.1.2测量电路最常用的测量电路是电桥电路

下页上页返回图8-3热电阻测温电桥的四线连接法下页上页返回8.2热电偶

把两种不同导体或半导体连接成闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度各为T和T0（设T＞T0)的热源中，则在该回路内就会产生热电动势，这种现象称作热电效应。由这两种导体的组合并将温度转换成热电势的传感器称为热电偶。图8-4热电效应示意图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。下页上页返回下页上页返回8.2.1热电效应

热电偶产生的热电势称为温差电势或塞贝克电势，通称热电势。回路中产生的电流称为热电流，导体A、B称为热电极。测温时结点1置于被测的温度场中，称为测量端(工作端、热端)；结点2一般处在某一恒定温度，称为参考端(自由端、冷端)。热电效应（塞贝克效应）：下页上页返回两种导体的接触电势

式中k

—波尔兹曼常数，为1.38×10-16；

T

—接触处的绝对温度；

e—电子电荷数；

NA、NB—金属A、B的自由电子密度。图8-5接触电势下页上页返回同理可以计算出A、B两种金属构成回路在温度T0端的接触电势为：

但与方向相反，所以回路的总接触电势

由上式可见，当两结点的温度相同，即T=T0

，回路中总电势将为零。下页上页返回

当导体两端的温度分别为T、T0时，温差电势可由下式表示:

式中A—A导体的汤姆逊系数。对于两种金属A、B组成的热电偶回路，汤姆逊电势等于它的代数和，即:

单一导体的温差电势图8-6温差电势下页上页返回

综上所述，对于匀质导体A、B组成的热电偶，其总电势为接触电势与温差电势之和，用式子可表示为：图8-7热电偶回路的总热电势下页上页返回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结点温度有关，与热电偶的尺寸、形状及沿电极温度分布无关。应注意，如果热电极本身性质为非均匀的，由于温度梯度存在，将会有附加电势产生。讨论：下页上页返回8.2.2热电偶基本定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8.2.2热电偶基本规律

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：

EABC(T,T0)=EAB(T,T0)

下页上页返回图8-8具有中间导体的热电偶电路下页上页返回

如果将导体C（热电极，一般为纯铂丝）作为标准电极（也称参考电极），并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，则在相同结点温度(T，T0)下，任意两导体A、B组成的热电偶，其热电势可由下式求得：

EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)标准电极定律下页上页返回图8-9三种导体分别组成的热电偶

连接导体定律：在热电偶回路中，如果热电极A、B分别与连接导线A’、B’相连接，结点温度分别为T、Tn、T0

，那么回路的热电势将等于热电偶的热电势EAB(T,Tn

)与连接导线A’、B’在温度Tn、T0

时热电势EA’B’(T,Tn

)的代数和，即：

EABB’A’(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EA’B’(Tn,T0)

连接导体定律和中间温度定律下页上页返回图8-10用连接导线的热电偶回路

中间温度定律：

热电偶在结点温度为T、T0时的热电势值EAB(T,T0)，等于热电偶在(T,Tn

)、(Tn,T0)时相应的热电势EAB(T,Tn

)与EAB(Tn,T0)的代数和。如下式所示：

EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)下页上页返回如A与A’、B与B’材料相同，且结点温度分别为T、Tn、T0时，有：如：A、B组成的热电偶在（1000C，00C）时热电势为1mV,且A、B组成的热电偶在（10000C，00C）时热电势为10mV,则它们在（10000C，1000C）时的热电势为：

10-1=9mV下页上页返回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10—铂（S型）热电偶、镍铬—镍硅（K型）热电偶、镍铬—康铜（E型）热电偶等。下页上页返回下页上页返回常用热电偶铂铑10—铂热电偶（S型）这种热电偶可在1300℃以下范围内长期使用，短期可测1600℃高温，复制精度和测量准确性高，但LB热电偶的材料为贵金属，成本较高。镍铬—镍硅热电偶（K型）化学稳定性较高，测量范因为–50—+1312℃，复制性好，产生热电势大，线性好，价格便宜，是工业生产中最常用的一种热电偶。镍铬—铜镍（康铜）热电偶（E型）适用于还原性或中性介质，热电偶灵敏度高，价格便宜，但测温范窄而低。热电偶名称正热电极负热电极分度号测温范围特点铂铑30－铂铑6铂铑30铂铑6B0～＋1700℃（超高温）适用于氧化性气氛中测温，测温上限高，稳定性好。在冶金、钢水等高温领域得到广泛应用。铂铑10－铂铂铑10纯铂S0～＋1600℃（超高温）适用于氧化性、惰性气氛中测温，热电性能稳定，抗氧化性强，精度高，但价格贵、热电动势较小。常用作标准热电偶或用于高温测量。镍铬－镍硅镍铬合金镍硅K－200～＋1200℃（高温）适用于氧化和中性气氛中测温，测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大、价格低。稳定性不如B、S型热电偶，但是非贵金属热电偶中性能最稳定的一种。镍铬－康铜镍铬合金铜镍合金E－200～＋900℃（中温）适用于还原性或惰性气氛中测温，热电动势较其他热电偶大，稳定性好，灵敏度高，价格低。铁－康铜铁铜镍合金J－200～＋750℃（中温）适用于还原性气氛中测温，价格低，热电动势较大，仅次于E型热电偶。缺点是铁极易氧化。铜－康铜铜铜镍合金T－200～＋350℃（低温）适用于还原性气氛中测温，精度高，价格低。在－200～0℃可制成标准热电偶。缺点是铜极易氧化。

常用热电偶特性

1.普通型热电偶

普通型热电偶结构热电偶的结构下页上页返回2．铠装热电偶铠装热电偶工作端结构（a）单芯结构；（b）双芯碰底型；（c）双芯不碰底型；（d）双芯露头型；（e）双芯帽型下页上页返回3．薄膜热电偶

薄膜热电偶电极为厚度0.01~0.1m薄膜构成铁-镍薄膜热电偶下页上页返回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

下页上页返回图8-11一支热电偶直接配一台仪表多点温度和测量t三个热电偶工作在线性区时代表着多点温度之和。任一热电偶烧坏都可立即知道，且可得到较大的电动势。每一热电偶引出的补偿导线必须接到仪表的冷端处。BABABAT1T2T3下页上页返回多点平均温度的测量t

三个热电偶工作在线性区时代表着平均温度。每个热电偶需串联较大电阻，且分度与单个热电偶一样。某一热电偶坏了不易及时发现。BABABAT1T2T3下页上页返回两点温度差的测量若热电动势E与温度T呈线性关系，则t=T1-T2。tBAABA’A’B’E=E1－E2E1E2T1T2下页上页返回

桥式电位差计线路可实现高精度测温并自动记录。下页上页返回图8-15自动电位差计测温线路8.2.5热电偶参考端温度

0℃恒温法

下页上页返回0℃恒温法

热电偶参考端温度为tn时的补正方法

1、热电势补正法

下页上页返回图8-16热电偶特性曲线例：用铜-康铜热电偶测某一温度t，参考端在室温环境tn中，测得热电动势E(t,tn)=1.999mV，又用室温计测出tn=21℃，求实际温度t。解：查T分度号表得E(21,0)=0.830mV，故：

E(t,0)=E(t,21)+E(21,0) =1.999+0.830 =2.829(mV)

再次查分度表，得实际温度t=68℃。

注意：

1.分度表中68℃对应2.820mV，69℃时的热电势为2.864mV，实际精确温度应采用插值法计算。

2.如按E(t,tn)=1.999mV直接查分度表，则t=49℃,不能认定t=49℃+21℃=70℃下页上页返回2、温度修正法下页上页返回由实测热电势EAB（T，Tn）查表，得Tz

真实温度为：

式中，K为热电偶修正系数，决定于热电偶于热电偶种类和被测温度范围。例如：实测EAB(T，Tn)=0.465mV，查分度表

Tz=75℃；查修正系数表，此时该热电偶的K=0.82，

Tn=21℃，则实际温度:T=75+0.82×21=92.2℃

这种修正方法工程上应用较广泛。3、调整仪表起始点法下页上页返回

在不需精确测量的前提下，且热电偶冷端温度较为稳定，可将显示仪表的机械零点先调整到t0℃(按温度刻度)或者毫伏E(t0,0)(按毫伏刻度)，从而实现近似补偿。该法常见于动圈式仪表中。指针被预调到冷端温度(40C)图8-17补偿热电偶原理图4、热电偶补偿法反向串联一支同型号热电偶，即补偿热电偶，将其测量端恒定于0℃。下页上页返回5、电桥补偿法图8-18冷端温度补偿线路图下页上页返回补偿导线法下页上页返回

补偿导线是在一定温度范围内(包括常温)具有与所匹配的热电偶的热电动势的标称值相同的一对带有绝缘层的导线。用它们连接热电偶与测量装置，从而可将热电偶的参考端移到离被测介质较远且温度比较稳定的场合，以免参比端温度受到被测介质的热干扰。t0’变化频繁t0较为稳定补偿导线类型(1)按结构可分为普通型和带屏蔽层型；(2)按补偿原理分为补偿型及延伸型两种；(3)按使用温度可分为一般用(0～100℃)和耐热用(0～150℃)；(4)按精度可分为普通级与精密级。补偿导线作用(1)用廉价的补偿导线作为贵金属热电偶的延长导线，以节约贵金属热电偶；(2)将热电偶的参比端迁移至离被侧对象较远且环境温度较恒定的地方，有利于参考端温度的修正和测量误差的减少；(3)用粗直径和导电系数大的补偿导线作为热电偶的延长线，可减小热电偶回路电阻，以利于动圈式仪表的正常工作。下页上页返回补偿导线的使用(1)各种补偿导线只能与相应型号的热电偶用；(2)使用时必须各级相连，切勿将其极性接反；(3)热电偶和补偿导线连接点的温度不能超过规定的使用温度范围，规定为0～100℃及0～150℃两种。下页上页返回8.3热敏电阻热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感元件，其特点是电阻随温度变化而显著变化，能直接将温