热电偶传感器

第2章温度传感器2.1温度测量概述2.2热电偶传感器2.3热电阻式传感器2.4集成温度传感器2.5其他温度传感器

温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的一半左右。温度是反映物体冷热状态的物理参数。温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。

模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！低温高温2.1.1温度测量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。2.1温度测量概述

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。

温度传感器的物理原理物理现象

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。2.1.2温标热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量。温标：表示温度大小的尺度是温度的标尺。

1848年威廉·汤姆首先提出以热力学第二定律为基础，建立温度仅与热量有关，而与物质无关的热力学温标。因是开尔文总结出来的，故又称开尔文温标，用符号K表示。它是国际基本单位制之一。1．热力学温标2．国际实用温标

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。3．摄氏温标

是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，℃)，一般用小写字母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：4．华氏温标

目前已用得较少，它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用℉，它和摄氏温度的关系如下：T=t+273.15

Kt=T-273.15

℃m=1.8n+32℉n=5/9(m-32)℃几种温标的对比正常体温为37C

，相当于华氏温度多少度？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。温度传感器的发展概况

示温涂料（变色涂料）装满热水后图案变得清晰可辨变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散热风扇低温时显示蓝色温度升高后变为红色体积热膨胀式

不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。

气体的体积与热力学温度成正比红外温度计2.2热电偶传感器热电偶在温度的测量中应用十分广泛。它构造简单，使用方便，测温范围宽，并且有较高的精确度和稳定性。2.2.1热电偶测温原理1.热电效应两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该回路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电势。

看一个实验——热电偶工作原理演示

结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

热电极A自由端（参考端、冷端）

测量端（工作端、热端）

热电极B热电势AB

热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δt

的函数：

EAB（T，T0）=eAB

（

T）-eAB

（

T0

）热电势大致与两个结点的温差Δt

成正比从实验到理论：热电效应

1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）

。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。

结点产生热电势的微观解释及图形符号

两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。

自由电子＋ABeAB（

T）T热电偶的分度表

热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。

直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。K热电偶的分度表

比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析

哪几种热电偶的测温上限较高？

结论：哪几种热电偶的线性较差？

哪一种热电偶的灵敏度较高？

哪一种热电偶的灵敏度较低？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？（1）接触电动势假设两种金属A、B的自由电子密度分别为nA和nB,且nA>nB。当两种金属相接时，将产生自由电子的扩散现象。达到动态平衡时，在A、B之间形成稳定的电位差，即接触电势eAB。热电偶的接触电势（2）温差电动势导体中的自由电子，在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散，在导体两端产生了电势，这个电势称为单一导体的温差电势。对于单一导体，如果两端温度分别为T、T0，且T>T0。

单一导体温差电势

热电偶回路中产生的总热电势：

EAB(T,T0)=EAB(T)+EB(T,T0)-EAB(T0)-EA(T,T0)或EAB(t,t0)=EAB(t)+EB(t,t0)-EAB(t0)-EA(t,t0)

接触电势示意图

在总电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电势可表示为：

EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)

对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，EAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即：

EAB(T,T0)=EAB(T)-c

=f(T)

实际应用中，热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度表来确定。分度表是在参考端温度为00C时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。

2.热电偶的基本定律(1)匀质导体定律由一种匀质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体的各处温度分布如何，都不能产生热电势。

(2)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相等，则热电偶产生的总热电势不变。图示回路总的热电势

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

具有中间导体的热电偶回路(3)中间温度定律

在热电偶测量回路中，测量端温度为T，自由端温度为T0，中间温度为Ｔ0′，如图所示。则T，T0热电势等于T，T0′与T0′，T0热电势的代数和。即

EAB(T,T0)=EAB(T,T0′)+EAB(T0′,T0)

存在中间温度的热电偶回路

(4)参考电极定律（也称组成定律）

已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为(T，T0)时的热电动势分别为EAC(T，T0)、EBC(T，T0)，则相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势EAB(T，T0)可按下面公式计算：

EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0)

参考电极定律示意图【例2.1】

用镍铬—镍硅热电偶测炉温时，其冷端温度＝30℃，在直流电位计上测得的热电势＝30.839mV，求炉温。解：查镍铬—镍硅热电偶分度表（30℃，0℃）=1.203mVEAB(T,0℃)=E(T,30℃)+EAB(30℃,0℃)=30.839+1.203=32.042(mV)

再查分度表得T=770℃。【例2.2】已知铬合金—铂热电偶的E(100℃，0℃)=+3.13mV，铝合金—铂热电偶的E(100℃，0℃)=-1.02mV，求铬合金—铝合金组成热电偶材料的热电动势E(100℃，0℃)。

解：设铬合金为A，铝合金为B，铂为C，即

EAC(100℃，0℃)=+3.13mVEBC(100℃，0℃)=-1.02mV

则：

EAB(100℃,0℃)=EAC(100℃,0℃)–EBC(100℃,0℃)=4.15mV2.2.2热电偶的结构形式与热电偶材料1．热电偶的种类（1）普通型热电偶

普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰普通装配型热电偶的

结构放大图

接线盒引出线套管

固定螺纹

（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）

不锈钢保护管

（2）铠装热电偶（缆式热电偶）铠装热电偶是将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘物溶铸在一起，外表再套不锈钢管等构成。这种热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用。铠装型热电偶

铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。

铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。

铠装型热电偶1-热电极；2-绝缘材料；3-金属套管；4-接线盒；5-固定装置铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）

BA绝缘材料铠装型热电偶横截面（3）薄膜热电偶用真空镀膜技术或真空溅射等方法，将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶称为薄膜热电偶。测温范围为-200~500℃。测量端既小又薄，热容量小，响应速度快。适用于测量微小面积上的瞬变温度。薄膜热电偶（4）表面热电偶

主要用于现场流动的测量，广泛用于纺织、印染、造纸、塑料及橡胶工业；探头有各种形状(弓形、薄片形等)，以适应于不同物体表面测温用。在其把手上装有动圈式仪表，读数方便。测量温度范围有0~250℃和0~600℃两种。

（5）防爆热电偶

在石油、化工、制药工业中，生产现场有各种易然、易爆等化学气体，这时需要采用防爆热电偶。它采用防爆型接线盒，有足够的内部空间、壁厚及机械强度，其橡胶密封圈的热稳定性符合国家的防爆标准。因此，即使接线盒内部爆炸性混合气体发生爆炸时，其压力也不会破坏接线盒，其产生的热能不能向外扩散传爆，可达到可靠的防爆效果。隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线其他热电偶外形小形K型热电偶2.热电偶组成材料及分度表

为了准确可靠地进行温度测量，必须对热电偶组成材料严格选择。目前工业上常用的四种标准化热电偶材料为:

铂铑30－铂铑6、铂铑10－铂、镍铬－镍硅镍铬－铜镍（我国通常称为镍铬－康铜）。组成热电偶的两种材料写在前面的为正极，后面的为负极。热电偶的热电动势与温度之关系表，称之为分度表。

八种国际通用热电偶：

B:铂铑30—铂铑6

、R:铂铑13—铂、

S:铂铑10—铂、K:镍铬—镍硅、

N:镍铬硅—镍硅、E:镍铬—铜镍、

J:铁—铜镍、T:铜—铜镍用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝几种常用热电偶的测温范围及热电势

分度号

名称

测量温度范围

1000C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820C0.033R铂铑13—铂-50～1768C0.647S铂铑10—铂-50～1768C0.646K镍铬－镍硅

-270～1370C4.095E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C6.3195种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？（1）补偿导线补偿导线是指在一定的温度范围内(0~150℃)，其热电性能与相应热电偶的热电性能相同的廉价导线。采用补偿导线，可将热电偶的自由端延伸到远离高温区的地方，从而使自由端的温度相对稳定。由此可见，使用补偿导线可以节约大量的贵重金属，减小热电偶回路的电阻，而且柔软易弯便于敷设安装，但必须指出，使用补偿导线仅能延长热电偶的自由端，对测量电路不起任何温度补偿作用。2.2.3热电偶测温及参考端温度补偿补偿导线外形

A’B’屏蔽层保护层

1)计算修正法用普通室温计测出参比端实际温度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℃EAB(T,T0)=E