第三章温度传感器

第三章温度传感器主要内容：热电偶热电效应热电偶的基本定律热电阻金属热电阻半导体热敏电阻PN结温度传感器1■了解温度传感器的作用、地位和分类■理解热电效应定义，掌握热电偶三定律及相关计算，热电偶冷端补偿原因及补偿方法■掌握热敏电阻不同类型的特点、特性曲线及应用场合■了解其他温度传感器工作原理学习要点2第一节概论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。温度是与人类生活息息相关的物理量。温度检测始于2000多年前。工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。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。3一、温度的基本概念温度：衡量物体冷热程度的物理量。温度的高低反映了物体内部分子运动平均动能的大小。温标：表示温度大小的尺度是温度的标尺。热力学温标国际实用温标摄氏温标华氏温标4热通量：单位时间内流过单位面积的热量。 类似于电流。

热传导率：材料直接传导热量的能力称为热传导 率，或称热导率（Thermal Conductivity）。热导率定义为单位 截面、长度的材料在单位温差下和 单位时间内直接传导的热量。热导 率的单位为瓦每米每开尔文 （(W/m.K)）。

5热容：是度量物体内所能包含热能的一种参数，类似于电容。热容是当物质吸收热量温度升高时，温度每升高1K所吸收的热量称为该物质的热容。（符号C，单位J/K）。卡：定义为将1克水从14.5℃升高到15.5℃所需的热量。6其它一些常用的热能单位：1焦耳=0.2389卡热传递方式：热的传递主要有以下三种方式。(1)传导：指热量在固体内或静止的液体内通过扩散来传播的方式。(2)对流：对流是指热量通过液体或气体的运动来传递。(3)辐射：是指热量通过电磁波的发射来传递。7二、温度传感器的特点与分类1

温度传感器的物理原理8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1．

热铁氧体2．

Fe-Ni-Cu合金9▲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2.温度传感器应满足的条件103.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

接触式温度传感器是将测温敏感元件直接与被测介质接触，使被测介质与测温敏感元件进行充分热交换，当两者具有相同温度时，达到测量的目的。这种传感器的测量精度较高，但由于被测介质的热量传递给传感器，从而降低了被测介质的温度，特别是被测介质热容量较小时，会给测量带来误差。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。11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。特点：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，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。第二节热电偶温度传感器★热电偶的工作原理★热电偶回路的性质★热电偶的常用材料与结构★冷端处理及补偿12两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路，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1823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一、工作原理回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势thermo-electricforce由两部分组成，即温差电势和接触电势。热端冷端A,B组成的系统------热电偶称A,B导体为热电极热端（工作端）;冷端（自由端）131.接触电势（珀尔帖效应）+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。接触电势原理图14AeA(T,To)ToTeA(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/℃。2.温差电势（汤姆逊效应）温差电势原理图15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：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.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。16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。热电偶回路热电势的大小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。17在实际测量中只需用仪表测出回路中总电势即可。由于温差电势与接触电势相比较，其值很小，因此，在工程技术中认为热电势近似等于接触电势。在工程应用中，测出回路总电势后，用查热电偶分度表的方法确定被测温度。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。二、热电偶回路的性质1.均质导体定律18

E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三种不同导体组成的热电偶回路TABCTT2.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19两点结论：

l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：T2T1AaBC23EABAT023ABEABT1T2

CT0EAB（T1,T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三种材料接入热电偶回路图20ET0T1T1T电位计接入热电偶回路根据上述原理，在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。

T0T0BTAC（a）（b）21如果回路中三个接点的温度都相同，即T＝T0，则回路总电动势必为零，即：即则22

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：23例题解：根据中间导体定律结论公式，有EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）依题意可知，EAC（T,T0）＝13.967mV；ECB（T,T0）＝－8.345mV则EAB(T,T0)＝13.967mV－8.345mV＝5.622mV因此，在此特定条件下材料A与材料B配对后的热电势为5.622mV。已知在某特定条件下材料A与铂配对的热电动势为13.967mV，材料B与铂配对的热电动势为8.345mV，求出在此特定条件下材料A与材料B配对后的热电势。243.中间温度定律

如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1,T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2,T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1,T3)，则BBA

T2

T1

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）25EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）

=EAB（T1,0）-EAB（T3,0）=EAB（T1）-EAB（T3）

ABT1T2T2A’B’T0T0热电偶补偿导线接线图E对于冷端温度不是零度时，热电偶如何用分度表的问题提供了依据。如当T2=0℃时，则：只要T1、T0不变，接入AˊBˊ后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EAB=EAB(T1)–EAB(T0)说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A′、B′(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA΄(T2)=EBB΄(T2)时，则回路总电动势为26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。三、热电偶的常用材料与结构27

1．铂—铂铑热电偶(S型)

分度号LB—3测量温度：长期：1300℃、短期：1600℃。（一）热电偶常用材料2．镍铬—镍硅(镍铝)热电偶(K型)

分度号EU—2测量温度：长期1000℃，短期1300℃。3．镍铬—考铜热电偶(E型)

分度号EA—2测量温度：长期600℃，短期800℃。4．铂铑30—铂铑6热电偶(B型)

分度号LL—2测量温度：长期可到1600℃，短期可达1800℃。28

（二）常用热电偶的结构类型1．普通热电偶2．铠装式热电偶（又称套管式热电偶）3．快速反应薄膜热电偶4．快速消耗微型热电偶

29普通热电偶30铠装热电偶铠装热电偶断面结构铠装热电偶外形31薄膜热电偶薄膜热电偶32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四、冷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。331.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四、冷端处理及补偿T0342.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)=1.979mV，又用室温计测出TH=21℃,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.84mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.979+0.84=2.819(mV)再次查分度表，与2.819mV对应的热端温度T=69℃。注意:既不能只按1.979mV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)35363.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。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′＋

kTH375.电桥补偿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。电桥补偿的作用注意：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)T0T0TBA-+-abUUabRCuR1R2R3RT0RCu

UaUabEAB(T,T0)供电4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范围起补偿作用。+38实际电势为396电位补偿法电位补偿法电路图40则回路总的热电势为式中：UA≈IRt，是随环境温度Tn的变化而变化的；故UA=EAB(Tn，T0)，起补偿环境温度影响作用。所以41测量单点温度的基本测温线路

五热电偶实用测量电路

基本测量电路42

式中分别为热电偶、导线（包括铜线、补偿导线和平衡电阻）和仪表的内阻（包含负载电阻R）。

43测量两点温度电路图测量两点之间温差的测温线路44回路内的总电势为

因B、D材料性质相同，故

又C、A材料性质相同，

所以

45平均温度测量电路平均温度电路图平均温度电路46测量温度和的电路温度和的测量电路图温度和的测量电路图473.3电阻型温度传感器12热电阻热敏电阻48一热电阻材料的特点作为测量温度用的热电阻材料，必须具备以下特点：电阻温度系数α要尽可能大，且稳定；电阻率ρ要高；比热小，亦即热惯性小；电阻值随温度变化关系最好是线性关系；在较宽的测量范围内具有稳定的物理化学性质；良好的工艺性，即特性的复现性好，便于批量生产。49电阻和温度的关系

式中：Rt、R0分别为热电阻在t℃和t0℃时的电阻值；α为热电阻的电阻温度系数（1/℃），t为被测温度（℃）。从式可见，只要α保持不变（常数），则金属电阻Rt将随温度线性地增加。其灵敏度为二电阻和温度的关系50常用金属热电阻的性能51铂电阻与温度的关系

在0～630.74℃以内为：在-190～0℃以内为：

式中:Rt-温度为t℃时的电阻；R0-温度为0℃时的电阻；t-任意温度；A,B,C-分度系数1铂电阻52铂电阻体结构工业用铂热电阻体结构53铜电阻与温度的关系式中，Rt为温度t℃时的电阻值，Ω；R0为温度0℃时的电阻值，Ω；a为铜电阻的温度系数，a＝4.25×10-3～4.28×10-3／℃。2铜电阻54铜热电阻的特点优点是：

输出一输入特性近似线性；工艺性好，价格便宜。缺点是：电阻率小，仅为铂的1/6，故体积大，热惯性大当温度高于100℃时，易氧化、测量范围小，不适于在腐蚀性介质或高温下工作。55铜热电阻的结构

铜热电阻体结构56三热电阻测量电路三线式电桥连接法三线接法因为电压表M的内阻很大，故流过r3的电流很小r3上的压降可不计，因此电压表M的读数可认为等于电桥的不平衡输出。57四线式电阻测量电路583.3.2热敏电阻热敏电阻的工作原理热敏电阻温特性59电阻温度系数大，灵敏度高。通常温度变化1℃，阻值变化1%～6%，电阻温度系数绝对值比一般金属电阻大10～100倍。结构简单，体积小。珠形热敏电阻探头的最小尺寸为0.2mm，能测量热电偶和其他温度传感器无法测量的空隙、腔体、内孔等处的点温度。如人体血管内温度等。电阻率高，热惯性小，不像热电偶需要冷端补偿，适宜动态测量。使用方便，容易实现远距离测量，功耗小。

热敏电阻主要特点60三、热敏电阻的基本参数1.标称电阻(NominalResistance)R25（冷阻）2.材料常数(MaterialConstant)BN3.电阻温度系数(ThermalCoefficientofResistance)(%/℃)热敏电阻的温度变化1℃时电阻值的变化率。4.耗散系数(DissipationConstant)H热敏电阻器温度变化1℃所耗散的功率变化量。5.时间常数(TimrConstant)τ在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的63.2％所需的时间。616.最高工作温度Tmax在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度7.最低工作温度Tmin在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。8.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。9.额定功率(RatedPower)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Tmax62热敏电阻的结构形式热敏电阻结构形式1-玻璃壳2-热敏电阻3-引线63NTC二极管封装环氧封装、小型化高精度；响应时间快；稳定性好根据不同用途有多种封装结构；使用温区宽高稳定性、高可靠性根据不同用途有多种封装结构；使用温区宽；高稳定性、高可靠性；为客户提供多种便捷服务

家用冰箱、空调器；电热水器、整体浴室；冰柜、豆浆机64（一）热敏电阻器的电阻——温度特性（RT—T）

12340601201600100101102103104105106RT/Ω温度T/ºC热敏电阻的电阻--温度特性曲线1-NTC；2-CTR；

3PTC二、热敏电阻器主要特性Resistance-temperaturecharacteristicofthermistorT/℃65RT、RT0——温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值；

BN——NTC热敏电阻的材料常数。由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的NTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于450℃），都能利用该式，它仅是一个经验公式。1负电阻温度系数(NTC)热敏电阻器的温度特性NTC的电阻—温度关系的一般数学表达式为：66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：02550751001250.511.522.533.5(25ºC,1)RT/RT0--T特性曲线RT/R25T/℃672.正温度系数（PTC）热敏电阻器的电阻—温度特性其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如图104103102100100200PTC热敏电阻器的电阻—温度曲线T/ºC电阻/ΩTp1Tp268

经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻—温度特性可近似用下面的实验公式表示：式中RT、RT0——温度分别为T、T0时的电阻值；

BP——正温度系数热敏电阻器的材料常数。若对上式取对数，则得：以lnRT、T分别作为纵坐标和横坐标，得到下图。69

）可见：正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数αtp

，正好等于它的材料常数BP的值。lnRr1lnRr2BPβmRBP=tgβ=mR/mrT1T2lnRr0mrlnRT~T表示的PTC热敏电阻器电阻—温度曲线lnRrT若对上式微分，可得PTC热敏电阻的电阻温度系数αtp70αβ

abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC热敏电阻的静态伏安特性（二）热敏电阻器的伏安特性（U—I）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.负温度系数（NTC）热敏电阻器的伏安特性该曲线是在环境温度为T0时的静态介质中测出的静态U—I曲线.热敏电阻的端电压UT和通过它的电流I有如下关系：T0——环境温度；△T——热敏电阻的温升。71

104103102101105Um10110210310010-1ImPTC热敏电阻器的静态伏安特性2．正温度系数（PTC）热敏电阻器的伏安特性72测量电路1.三线制图中G为指示电表，R1、R2、R3为固定电阻，Ra为零位调节电阻。铂电阻通过电阻分别为r2、

r3、

Rg的三根导线和电桥连接，r2和r3分别接在相邻的两臂，当温度变化时，只要它们的长度和电阻温度系数相同，它们的电阻变化就不会影响电桥的状态，即不产生温度误差。而Rg分别接在指示电表和电源回路，其阻值变化也不会影响电桥的平衡状态。

R2RaR1R3ERtr3Rgr2G732.四线制注意：无论三线制或四线制，都必须从铂电阻感温体的根部引出，不能从铂电阻的接线端子上分出。因为从感温体到接线端子之间的导线处于温度变化剧烈的地段(距被测温度太近)，虽然在保护套管里的这一段导线不长，但其电阻的影响不容忽视。743.4

PN结温度传感器

利用PN结的结电压随温度成近似线性变化这一特性实现对温度的检测、控制和补偿等功能。可直接用半导体二极管或将半导体三极管接成二极管做成PN结温度传感器。这种传感器的测温范围为-50℃至150℃，与其他的温度传感器相比有较好的线性度，且尺寸小、响应快、灵敏度高、热时间常数小，因此用途较广。753.4.1温敏二极管、三极管1.温敏二极管的工作原理理想二极管的伏安特性可近似表示为：只要满足正向电压UF大于几个kT/q，其正向电流IF与UF及温度T之间的关系可表示为：76上式表明：在一定电流下，二极管正向电压随温度的升高而降低，呈负温度系数。772.温敏三极管的工作原理