第7章热电式传感器

朱启兵zhuqib@163.com传感器与检测技术

第7章热电式传感器一、概述二、热电阻传感器三、热电偶传感器四、热电式传感器应用传感器与检测技术热电式传感器一、概述热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度相关的参量进行检测的装置。

对应于测温原理的不同，热电式传感器可分为：热电偶传感器-----温度变化转化为电势变化热电阻传感器-----温度变化转化为电阻变化，其由可分为金属热电阻式（热电阻式）和半导体热电阻式（热敏式）。辐射测温仪-------利用不同温度下，物体的辐射功率的不同。前两种，接触测温，后一种非接触测温。二、热电阻传感器1.金属热电阻（热电阻）热电阻广泛用来测量－200～850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000℃。标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。对用于制造热电阻材料的要求：具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率

R-t关系最好成线性物理化学性能稳定复现性好等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。热电式传感器(1)铂热电阻

铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围为-200～850℃。铂热电阻的特性方程为：在-200～0℃的温度范围内Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］在0～850℃的温度范围内Rt=R0(1+At+Bt2)A=3.96847×10-3/℃B=-5.847×10-7/℃2

C=-4.22×10-12/℃4

系数：我国规定工业用铂热电阻有R0=10Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其中以Pt100为常用。热电式传感器铂电阻分度表热电式传感器

(2)铜热电阻

在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，它的测量范围为-50～150℃。铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为Rt=R0（1+αt）α=4.28×10-3/℃两种分度号：Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。

铜热电阻的电阻温度系数较大、线性性好、价格便宜。缺点：电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定性较差，在100℃以上时容易氧化，因此只能用于低温及没有浸蚀性的介质中。特点热电式传感器（3）测量电路测量电路经常采用电桥电路。热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。内部引线方式热电式传感器（3）测量电路两线制这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。热电式传感器（3）测量电路三线制用于工业测量，一般精度热电式传感器（3）测量电路实验室用，高精度测量热电式传感器2.半导体热电阻（热敏电阻）热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点①是电阻率随温度而显著变化，灵敏度高②热惯性小，适宜动态测量。缺点是非线性严重，元件稳定性、互换性差。大多数：负温度系数。热敏电阻在不同值时的电阻－温度特性，温度越高，阻值越小，且有明显的非线性。NTC热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于：－100～＋300℃之间测温。PTC热敏电阻的阻值随温度升高而增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。其用途主要是彩电消磁、各种电器设备的过热保护等。CTR也具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高。主要用作温度开关。热电式传感器2.半导体热电阻（热敏电阻）（1）基本参数：标称电阻值R25(Ω)热敏电阻在25℃时的值，值的大小由热敏电阻材料和几何尺寸决定。电阻温度系数指热敏电阻的温度变化1℃时，其阻值变化率与阻值之比。即：热电式传感器2.半导体热电阻（热敏电阻）材料常数B描述热敏材料物理特性的一个常数。B越大，阻值越大，灵敏度越高。时间常数数值上等于热敏电阻在零功率的测量状态下，当环境温度突变时，热敏电阻随温度的变化量从0～63.2％所需的时间。表明了热敏电阻加热和冷却的速度。其余：耗散系数、额定功率、测量功率等。热电式传感器(2)主要特性：电阻-温度特性①具有负电阻温度系数的热敏电阻的电阻-温度特性曲线如下图所示，其一般数学表达式为：4080120160T(℃)RT(Ω)10102103104注意：为应用方便，可将上式两边取对数，电阻温度-特性曲线转化为线性。热电式传感器②具有正电阻温度系数的热敏电阻的电阻-温度特性曲线如下图所示，其一般数学表达式为：TP2100TP1200T(℃)RT(Ω)10102103104注意：为应用方便，可将上式两边取对数，电阻温度-特性曲线转化为线性。由图中可见：正温度系数的热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区的两端，曲线有两个拐点TP1和TP2。在温度TP1和TP2之间为工作范围。

热电式传感器伏-安特性

表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻器和周围介质热平衡（即加在元件上的电功率和耗散功率相等）时的互相关系。①具有负电阻温度系数的热敏电阻的伏-安特性oa段为线性工作区域；随温度增加，阻值下降，电流则增加，电压增加，当电流达到Im时，电压值达到最大Um；随电流的不断增加，引起电阻温升加快，当阻值下降速度超过电流增加速度时，电压开始下降；电流超过一定允许值时，热敏电阻将被烧坏。I(mA)U(V)aOUaImIaUm热电式传感器(3)线性化方法：热电式传感器(4)应用：热电式传感器三、热电偶式传感器热电偶传感原理的物理基础是热电效应现象热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。热电势由两部分组成：接触电势、温差电势。热电势、热电偶、热电极热端（测量端或工作端）冷端（参考端或自由端）1.工作原理西拜克效应热电式传感器（1）接触电势接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。两接点的接触电动势eAB(T)和eAB（T0）可表示为原因：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。K为玻耳兹曼常数(1.38×10-6)；e为电子电荷(1.6021892×10-19);NA，NB为A、B两种材料在温度T时的自由电子密度热电式传感器同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。大小表示：机理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。（2）温差电势材料的温差系数热电式传感器（3）热电势热电式传感器（3）热电势导体材料确定后，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。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。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。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。热电式传感器（4）热电偶的分度表不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。供查阅使用，每10℃分档。中间值按内插法计算。热电式传感器S型(铂铑10-铂)热电偶分度表

热电式传感器2.热电偶工作定律在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。（1）中间导体定律应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。热电式传感器（2）中间温度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t,t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代数和用途：导线补偿，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A′和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方参考端热电势修正，可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正ABT1T2T2A’T0T0热电偶补偿导线接线图E热电式传感器（3）标准导体电极定律通常选用高纯铂丝作标准电极只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。用途：热电式传感器（3）标准导体电极定律例子热端为100℃，冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为－4.0mV，则镍铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：2.95－(－4.0)=6.95(mV)热电式传感器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。（4）均质导体电极定律热电式传感器热电偶材料应满足：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。3、热电偶的常用材料与结构热电式传感器（1）常用热电偶：铂铑-铂热电偶：分度号LB—3S型热电偶。特点：精度高，标准热电偶。但热电势小。（<1300℃)镍铬-镍硅热电偶：分度号EU—2K型热电偶。特点：线性好，价格低，最常用。但精度偏低。(-50～1300℃)镍铬-考铜热电偶：EA—2E型热电偶。特点：灵敏度高，价格低，常温测量，但非均匀线性。(-50～500℃)热电式传感器（1）常用热电偶：铂铑30-铂铑6热电偶：分度号为LL—2B型热电偶。特点：精度高，冷端热电势小，40℃下可不修正。但价格高，输出小。铜-康铜热电偶：分度号MKT型热电偶。特点：低温稳定性好，但复制性差。热电式传感器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。普通热电偶结构示意图1－接线盒；2－保险套管3―绝缘套管4―热电偶丝1234

（2）常用热电偶的结构类型普通热电偶热电式传感器(a)(b)(c)(d)

132铠装式热电偶（又称套管式热电偶）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。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。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)—帽型特点：动态响应快，挠性好，强度高热电式传感器快速反应薄膜热电偶用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.01～0.lμm)4123快速反应薄膜热电偶1—热电极;2—热接点;3—绝缘基板;4—引出线因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁—镍、铁—康铜和铜—康铜三种,尺寸为60×6×0.2mm;绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300℃以下；反应时间仅为几ms。特点：热容量小，动态响应快，适宜于测量微小面积热电式传感器热电偶元件所采用的材料随所测的温度范围而定低于1100℃，采用普通金属材料，如铜-康铜镍铬-镍硅1100~1600℃，采用铂类金属高于1600℃，采用耐极高温的材料如钨-铜(掺有1％的铁)图3-36是几种热电偶的热电势与温度间的依存曲线各种热电偶均存在非线性问题后续电路需增加非线性校正，才能得到与温度成线性关系的输出特点总结热电式传感器热电偶测温元件本身有较大的势容量而存在较大的热惯性接近于一阶惯性环节的特性

——测量变化较快的热动态过程很难得到理想的不失真响应只能测定静态、准静态、慢速变化的热过程测量中需由被测对象中吸收较多热量而影响被测对象的温度场具有较大的负载效应，需要予以必要的重视特点总结热电式传感器方法

0度恒温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4、冷端（参比端）处理及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。热电式传感器（1）0度恒温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’铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0热电式传感器（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℃。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℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)热电式传感器（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热电式传感器温度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6章温度检测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。（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。①延长热电偶的长度：安装不便，费用高；②采用补偿导线，要求：a.在0～100℃范围内和所连接的热电偶有相同的热电性能；b.材料是廉价金属热电式传感器（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