湘潭大学传感器原理传感器期末复习

湘潭大学传感器原理传感器期末复习第1页/共100页概述

温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都少不了温度传感器。3第2页/共100页概述

常见温度计：煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差温度计、辐射温度计、光测温度计等等。4第3页/共100页概述温度传感器应满足的条件: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，对检测对象的影响要小；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；无危险性，无公害等。5第4页/共100页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。6第5页/共100页第6页/共100页7

热电式传感器是利用转换器的电磁参数(电阻、电势、磁导)随温度变化的特性来完成测量温度目的。其中将温度转换为电阻变化的称为热电阻和热敏电阻传感器；将温度转换成电势变化的称为热电偶传感器。这两种传感器目前已在工业和科研领域中得到广泛应用，并有与其相配套的显示和记录及控制仪表可选用。第九章热电式传感器第7页/共100页8温度变化第九章热电式传感器热电式传感器电量变化电阻电势热电阻热电偶晶体管第8页/共100页9携带式表面热电偶NR-30型号：Nr-81530

分度号：K、E、J

导线长度：1800㎜

手柄材质：塑料

使用温度范围：-50℃~+700℃

应用：液体、熔体；铠装、SUS316第9页/共100页109.1热电阻传感器热阻效应：大部分材料的电阻或电阻率随温度变化而变化。尺寸变量都是随温度变化的，但假定只有电阻率随温度的变化是最显著的。纯金属电阻随温度的升高而升高，称“正温度系数”半导体的电阻随温度的升高而减小，称“负温度系数”。测温范围为200～500℃；随着科学技术的进步，热电阻的测温范围已扩展到1—5K的超低温领域，同时，在1000—1200℃温度范围内也有足够好的特性。第10页/共100页11热敏电阻的物理过程：吸收辐射，产生升温，从而引起材料电阻的变化，其机理很复杂。半导体材料制成的热敏电阻可以定性的解释为，吸收辐射后，材料中电子的动能和晶格的振动能都有增加。因此，其中部分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，从而使电阻减小。金属材料制成的热电阻，因其内部有大量的自由电子，在能带结构上无禁带，吸收辐射产生升温后，自由电子浓度的增加是微不足道的，相反，因晶格振动的加剧，妨碍了电子的自由运动，从而电阻系数是正的，且其绝对值小于半导体。第11页/共100页12热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。应用于-200~600℃范围内的温度测量第12页/共100页13一、金属热电阻：2、热电阻的材料特点：

A、温度系数高（Ω/C0），电阻率高；B、化学、物理性质稳定，以确保测量准确性；C、线性输出特性：△R与△T成正比；D、好加工，成本低。1、原理：电阻率的温度系数定义对于线性区的金属，用二次展开式可以很好的描述电阻率0℃时的标准电阻率电阻率线性温度系数，典型值5×10-3/K第13页/共100页143、铂、铜热电阻的特性（应用最广）：①铂电阻与温度关系：0-630.755℃：Rt=R0(1+At+Bt2)-190℃-0：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]②铂电阻的材料特性：

R100，R0—100，0℃时的铂电阻值；W（100）越高表示铂电阻纯度越高。①W（100）=1.391时②A----常数（3.96847×10-3/℃）③B----常数（-5.847×10-7/℃2）④C----常数（-4.22×10-12/℃4）国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）≥1.391。分度号:Pt10表示0℃时电阻为10欧姆

Pt100表示0℃时电阻为100欧姆第14页/共100页15

用于高精度的工业测量，但铂贵，一般用铜，铜在-50到150℃稳定可靠。铜电阻与温度关系：Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)

其中：A=4.28899×10-3/℃

B=--2.133×10-7/℃

2C=1.233×10-9/℃3

温度高于100℃易氧化，故用于低温测量。3、其他热电阻：近年发展了一些超低温测量电阻。

铟电阻：-269—-258℃此段灵敏度比铂高10倍；材料软，复制性差锰电阻：-271—-210℃灵敏度高，但易脆，难拉丝；碳电阻：--273—-268.5℃灵敏度高，热容小，低廉，操作方便，但热稳定性差。4、测量电路：常用电桥电路。电阻温度计的测量电路最常用的是电桥电路，精度要求高为了消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差，常采用三线和四线制连接方法。第15页/共100页16第16页/共100页1718第17页/共100页1819第18页/共100页19二、半导体热敏电阻各种金属氧化物、硫化物、硒化物或硅、锗。半导体热敏电阻的精度和稳定性比金属热敏电阻差一些，但它们大规模生产成本较低，并且能够提供集成的接口电路，以便与其他元件一起集成。Thermistor---半导体热敏电阻。Thermoresistor---金属热敏电阻。第19页/共100页201、热敏电阻的特点：A、负温度系数热敏电阻（NTC）B、正温度系数热敏电阻（PTC）C、临界温度系数热敏电阻（CTR）与热电阻相比：①电阻温度系数大，灵敏度高；②结构简单，体积小，可测点温度；③电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；④易于维护和进行远距离控制；⑤制造简单，使用寿命长；不足之处互换性差，非线性严重。第20页/共100页21负温度导电机理：温度低时，大部分电子落在势阱中，不能导电。温度越高时，跳出势阱的电子就越多，即电阻就越低，故表现出负的温度系数。PTC和CTR主要用于温度开关装置，如过热保护、发热源的定温控制，也可作为限流元件。

NTC主要是由Mn、C0、Ni、Fe等过渡金属氧化物组成的复合烧结体，根据其成分可调节电阻值和温度特性。第21页/共100页22热敏电阻的结构热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（Co）、锰（Mn）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高温烧结而成。其形状有珠状、片状、杆状、垫圈状等。（b）片状（c）杆状（d）垫圈状热敏电阻的结构类型（a）珠状玻璃壳热敏电阻引线第22页/共100页23热敏电阻外形

MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻第23页/共100页24其他形式的热敏电阻

玻璃封装

NTC热敏电阻MF58型热敏电阻大功率PTC热敏电阻第24页/共100页25第25页/共100页26第26页/共100页27第27页/共100页28

2、负温度系数热敏电阻的特性。

（1）温度特性：参考温度为25度。是材料常数。半导体热敏电阻的电阻系数为：第28页/共100页29电阻随温度的变化较大，因此可以将半导体热敏电阻和基本的运算放大器一起使用，而不必与精密的电桥使用。例如，只需使用一个带有标准电阻R的分压器和一个电压放大器如741运算放大器来缓冲信号就足够了。RR温度传感器741VCCVOUT0第29页/共100页30（2）伏安特性由图热敏电阻的伏安特性曲线知，电流通过热敏电阻电流较小时，呈直线关系，服从欧姆定律；当电流增加时，热敏电阻自身温度明显增加。由于负温度系数关系，阻值下降。于是电压上升减慢，当电流再增加，电压下降。由此可见，热敏电阻非线性严重。当电流增大到一定值时，流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻特性，因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降，其所能升高的温度与环境条件(周围介质温度及散热条件)有关。当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。根据这一原理，可用它来测量流体流速和介质密度等。第30页/共100页31（3）安时特性流过热敏电阻的电流与时间的关系，称为安时特性，如图所示。所谓安时特性，是表示热敏电阻在不同外加电压下，电流达到稳定最大值所需要的时间。

热敏电阻通电以后，一方面使自身温度升高；另一方面向周围介质散热，只有在单位时间内从电流得到的能量与向周围介质散发的热量相等而达到热平衡时，才有相应的平衡温度输出、即有确定的电阻值。完成一个热平衡过程所需要的时间，就是达到稳定最大电流值的时间。可通过采用选择热敏电阻的结构及应用相应的电路来调整这个时间。对于一般结构的热敏电阻，其值在0.5—1s之间。I01020304012345第31页/共100页323、近代热敏电阻的特性：①玻璃封装热敏电阻：125℃上升到300℃响应时间由30秒加快到6秒，稳定性为+/-（3-1）％②氧化物热敏电阻的灵敏度都比较高，但只能低于300℃时工作，近期用硼卤化物与氢还原研究成硼热敏电阻，在700℃高温时仍然满足灵敏度，可用于测量液体流速、压力、成分等。③近期研制的CaO,Sb2O3,WO3和CaO,Sn2O3,WO3两种热敏电阻，在-100-300℃范围内，特性曲线呈线性关系，解决了负温度系数热敏电阻存在非线性问题④有机导体四碌二甲烷新型材料，电阻率随温度迅速变化的特性，可做定时器。第32页/共100页33用金属电阻与热敏电阻串并联实现非线性校正。利用温度系数很小的电阻与热敏电阻串联或并联，使等效电阻与温度的关系在一定的温度范围内呈线性，如图所示。4、非线性校正热敏电阻的最大缺点是温度特性呈曲线状态，很难用均匀的刻度来表示宽温度范围。故在当今数字化的进程中，热敏电阻的线性化显得极为重要。RtRcRA并联第33页/共100页34RtRcEB串联同理可推导：第34页/共100页35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。它除具有结构简单，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等优点外，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。

9-2热电偶传感器第35页/共100页36一、热电效应及其工作定律：

1、热电效应：

热电效应示意图ABTT0EAB（T，T0）如图所示由A、B两种材料组成的回路，接点处的温度为T、T0，且不等，两者之间将产生一热电势，在回路中形成一定大小的电流。这种现象叫做叫热电效应。利用这种效应制成的传感器称为热电偶。热电势由两部分组成：接触电势和温差电势，分别是由珀尔贴效应和汤姆逊效应引起的。第36页/共100页37工作原理热端冷端T0冷端热端

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。第37页/共100页38工作原理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。热端冷端T0冷端热端

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。第38页/共100页39①接触电势（珀尔贴效应）A+-|珀尔贴效应示意图B同温度的两种不同金属接触时，由于不同导体的自由电子密度不同，金属电子的逸出功不同，就有电子从逸出功低的一方迁到另一方，失去电子一方呈正电位，得到电子的为负电位。当扩散到平衡时，接触处形成电势称为接触电势。其大小与材料有关，也与温度有关。EAB(T)---为A、B在T时的接触势；K----波尔兹曼常数；

e-----电子电荷；NA、NB-----金属A、B的自由电子密度；

T-----结点的绝对温度。在热电效应示意图中总接触电势为

E’AB(T)-E’AB(T0)=K（T-T0）/e㏑(NA/NB)ABTT0第39页/共100页40②温差电势（汤姆逊效应）：TT0ABTT0对同一金属，如果两端的温度不同，则温度高端的自由电子向低端迁移，形成电势，称为温差电势。EA(T，T0)---金属A两端的温度为T、T0时的温差电势；σA---温差系数；

EA(T，T0)-EB(T，T0)=∫T0T（σA–σB）dT在热电效应示意图中总温差电势为：

第40页/共100页41EAB(T)称为热端分热电势；EAB(T0)称为冷端分热电势；ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)回路总的热电势第41页/共100页42

③当热电偶两个电极的材料不同，且A和B材料固定后，热电势EAB(T，T0)便为两结点温度T，T。的函数，即

EAB(T，T0)=EAB(T)-EAB(T0)①若两电极材料相同，即NA=NB，σA=σB。虽然两端温度不同，但闭合回路总电势为0，因此必须用两种不同材料做热电极。②若T=T0，虽材料不同，闭合回路中也不会产生热电势。第42页/共100页43由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)∴EAB(T,T0)≈f(T)-C第43页/共100页442、工作定律：（热电偶的基本定律）②中间导体定律：③连接导体定律与中间温度定律：④参考电极定律：ABACBC①均质导体定律：第44页/共100页45①均质导体定律：

如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势均为零；反之，如果有热电动势产生，两个热电极的材料则一定是不同的。

根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相同(称为同名极检验法)，也可以检查热电极材料的均匀性。第45页/共100页46A、T=T0：②中间导体定律：如图，AB结点为T，其余为T0，可以证明：EABC(T，T0)=EAB(T，T0)在各导体两端温度相同，故温差电势为0，只有接触电势第46页/共100页47B、T>T0;这说明：引入第三导体，只要第三导体两端温度相同，材质均匀，对总回路电势无作用。这也是热电偶测量温度的基础理论。T0T0BTAC第47页/共100页48在热电偶回路中，若导体AB分别与连接导体A1，B1相接，接点温度分别为T，T0，T1，如右图所示，回路的总电势为：③连接导体定律与中间温度定律：第48页/共100页49第49页/共100页50即回路的总电势等于热电偶EAB(T，T1)与连接导线电势EA1B1(T1，T0)的代数和。连接导线定律是工业运用补偿导线进行温度测量的理论基础。当导体A与A’及B与B’材料分别相同时，T1中间温度。中间温度定律为制定分度表奠定了理论基础，只要求得参考端温度为0℃时的热“电势—温度”的关系，就可以根据式求出参考温度不等于0℃时的电势。BBA

Tn

T

T0

AAB第50页/共100页51在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T)-EAB(0)-[EAB(T)-EAB(T0)]=EAB(T，0)-EAB(T0，0)热电偶的热电势，等于两端温度分别为T和零度以及T0和零度的热电势之差。第51页/共100页52第52页/共100页53习题：用镍铬-镍硅势电偶测量某低温箱温度，把热电偶直接与电位差计相连接。在某时刻，从电位差计测得热电热为-1.19mv，此时电位差计所处的环境温度为15℃，试求该时刻温箱的温度是多少度？

请给出分析计算过程。

第53页/共100页54电位差计所处的环境温度为15°C，所以,查表可得：EAB(15°C,T0)=0.60mv

AB15°CT0EAB(T，15°C)=-1.19mv

AB15°CTEAB(T,T0)=EAB(T，15°C)+EAB(15°C,T0)=-1.19mv+0.60mv=-0.59mv

ABT0AB15°CT查表可以得：T=-15°C

第54页/共100页55④参考电极定律：左图为参考电极定律示意图，图中C为参考电极接在热电偶A、B之间，形成三个热电偶组成的回路。因为：ABACBC第55页/共100页56第56页/共100页57上式表明：①参考电极C与各种电极配对时的总热电势为两电极A、B配对后的电势差。②利用这个关系可求出新的两种材料的热电势。

如果导体C热电极作为参考电极，并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，那么在相同结点温度（T,T0）下，任意两导体A、B组成的热电偶，其电势可由下式求得

第57页/共100页58

这里c称为标准电极，在实际应用中，标准电极材料通常取用纯铂，因为铂金易得纯态，物理、化学性能稳定，熔点也高c采用标准电极大大方便热电偶的选配，只要知道某种材料与标准电极的热电势，就可求出任何两种材料配成热电偶的热电势。ABACBCEAB(T，T0)=EAB(T，T0)-EBC(T，T0)第58页/共100页59解：由标准电极定律，镍铬和考铜热电偶的热电动势应等于镍铬合金与纯铂热电偶与考铜与纯铂热电偶的热电动势的差，即例：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，求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV第59页/共100页60二、热电偶传感器测量温度的基本原理根据中间导体定律，把第三种导体C换成毫伏表，并保持两个结点温度一致，就可以完成测量任何温度场的温度，如图所示。导体A和B组成热电偶，第三种导体C为毫伏计，毫伏计与A和B热电偶冷端的两个结点的温度均为冷端温度To，而热电偶A、B的热端置于需要测量的温度场T时，这样根据中间导体定律，由导体A、B、C组成回路的总电势应为：EABC(T，T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T，T0)热电偶测量温度的基本原理，只要保持冷端温度不变，则热电偶的输出电势就是所测温度的单值函数，即热电偶的输出电势EAB(T，T0)反映了被测温度的大小。A

BCCT0T毫伏表T0第60页/共100页61热电偶测量温度必须与被测温度保持单值关系，此时只有:EAB(T0)＝C＝常数，也就是只有T0＝常数，才能得到EAB(T，T0)＝φ(T)，在确定这个函数关系时，不是用精确的数学表达式计算出来，而是用实验方法，采用分度表的形式表达出温度与电势之间的关系值。在制分度表时，通常采用热电偶的冷端温度T0＝0℃的条件下测得的，所以在使用热电偶时，只有满足T0＝0℃的条件，才能直接应用分度表或分度曲线。在工程测温中，冷端温度常随工作环境温度而变化，引入测量误差，因此，必须进行冷端修正或补偿。三、热电偶温度补偿

第61页/共100页62①0℃恒温度:测端T，冷端用T0=0（水，冰点）或半导体制冷器恒温，测出来就是T；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。第62页/共100页63②计算修正法:

实际工作情况中，由于冷端温度不是0度，而是某一温度Tn，则测量的温度为EAB(T，Tn)，而不是EAB(T，T0)，测点为T，冷端为T0，T0=T1=0时：EAB(T，T0)=EAB(T)-EAB(T0)T1≠T0=0时：EAB(T，T1)=EAB(T)-EAB(T1)EAB(T，T1)----实测值；

EAB(T1，T0)----修正温度值。第63页/共100页64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℃。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℃。第64页/共100页65举列：镍洛—镍硅测得某介质的温度，T1自由端温度为30

℃，热电偶测量热电势33.29mv(即EAB(T，T1))，30

℃的热电势1.20mv(即EAB(T1，T0))，∴EAB(T，T0)=33.29mv+1.20mv=34.49mv；再去对表得829.6℃

以上是根据中间温度定律而来的：EABB1A1(T，T1，T0)=EAB(T，T1)+EA1B1(T1，T0)；当A=A1，B=B1时，EABB1A1(T，T1，T0)=EAB(T，T1)+EAB(T1，T0)；第65页/共100页66③温度修正法(也称零点温度修正法)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第66页/共100页67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67页/共100页68举列：镍洛—镍硅测得某介质的温度，T1自由端温度为30

℃，热电偶测量热电势33.29mv(即EAB(T，T1))，30

℃的热电势1.20mv(即EAB(T1，T0))，∴EAB(T，T0)=33.29mv+1.20mv=34.49mv；再去对表得829.6℃

修正法：33.29mv对应查表得出温度为：800℃镍洛—镍硅的K=1，则T=800+1×30=830℃。

第68页/共100页69

利用延引热电极将热电偶的自由端延引到远离高温区地方，从而使其自由端温度相对稳定和变化范围小。这种方法即不能使自由端温度恒为0℃，又不产生任何补偿作用，仅做补偿导线，还要结合0℃恒温法，计算修正法。为保证引延热电热极接入热电偶电路后不改变其热电热值，则必须满足以下两个条件：一是在一定温度范围内，引延热电极必须与热电偶的热电极具有相同或近似的热电特性；二、引延热电极与热电偶的两个接点必须具有相等的温度。具体使用时可从表中查到配用热电偶材料所对应的延伸导线的型号。④延伸热电极法：热电偶补偿导线接线图ABTTnTnCDT0T0M第69页/共100页70⑤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。

冷端补偿器的作用注意：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)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3RT0UaUabEAB(T,T0)供电4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范围起补偿作用。注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一样，互换时必须重新调整。第70页/共100页71⑤Pn结冷端温度补偿法：

Pn结在-100-100℃范围内，端电压与温度有较理想的线性关系，温度系数为-2.2mv/℃。采用二极管做冷端补偿，精度可达到0.3-0.8℃，采用三极管作冷端补偿精度可达0.05-0.2℃。第71页/共100页72四、热电偶的使用误差：

⑴、分度误差：实际就测量标准曲线时产生的误差。统一型号的热电偶采用标准分度表。现在采用国际实用温标。⑵、仪表误差：一般均与自动平衡式电子电位差计。动圈式仪表配套使用。引入误差为：σ=（Tmax-Tmin）KTmax、Tmin---仪表量程上下限；

K---仪表的精度等级。⑶、延伸导线误差：引伸导线的热电性不一致，自由端温度不一样；⑷、动态误差：测温元件的质量和热惯性，有个反映（即平衡时间）时间；减小动态误差就要减小感温点，减少保护层。

第72页/共100页73⑸漏电误差：不少无机绝缘材料的绝缘电阻会随着温度升高而减少。列如：Al2O33％，SiO265％材料在常温下电阻率为1。37×106Ω·m，当温度上升到1000℃和1500℃时，电阻率下降到1.08×102Ω·m，因而随温度升高（特别在高温）时，绝缘效果明显变坏，使热电势输出分流，造成漏电误差，一般均看用绝缘性能较好的材料来减少漏电误差。

第73页/共100页74热电偶可把温度信号变换成电信号，因此可通过各种电测仪表来测量电势以显示被测温度。采用直流毫伏计测量的温度表叫做“热电式温度表”；而采用自动平衡式电位差计原理测量温度的温度表，则称为“伺服式温度表”。主要介绍伺服式温度表和数字式温度表。五．热电势的测量第74页/共100页75(1)伺服式温度表电位差计的工作原理图。当开关合向c时，形成测量回路，其回路电压方程为

Ex-IRab=i∑REx-被测电压；I、i-工作回路和测量回路电流；∑R-Rab回路电阻。第75页/共100页76这时，检流计G指示为i，移动触点b，使检流计指零(即i＝0)时，系统达到平衡，即有Ex＝IRab，当电流J和电阻Rab已知时，则可用可变电阻触点b的位置标明被测电势值。由此也可知道，工作电流值I和电阻值Rab的精度和被测电势与已知电压之差的灵敏度是影响电位差计精度的关键。第76页/共100页77使用时要注意下列问题①使用前要校准工作电流I值，在测量过程中，要保证I的精度稳定不变；②检流计应有足够的灵敏度；③测量回路的总电阻值要适当。伺服式温度计在使用时，为了自动地移动触点b以跟踪Ex的变化可采用一套小功率伺服系统，当被测电势Ex发生变化时，不平衡电压将引起伺服系统工作，直到达到新的平衡状态为止。伺服式温度表就是根据这种平衡式电位差计的原理工作的。第77页/共100页78(2)数字式温度计为了实现温度的数字显示，或组成温度的巡检系统，或向计算机过程控制系统提供温度信号，都要对热电偶的热电势进行数字化处理，所以在采用热电偶的测温数字化系统中，最基本的环节是热电偶和A／D转换器。因此在组成数字式温度计时，必须注意：①热电偶输出电势一段很小，在进行A／D转换前，必须经过高增益的直流放大，常用数据放大器；②热电偶的热电特性，一般情况下为非线性的，欲使显示数字或输出脉冲数与被测温度直接相对应，必须采用线性化措施。在带有计算机或微处理机的测量系统中，非线性校正和冷端补偿工作，都直接由计算机完成，即所谓“软件校正法”，但目前用得更多的是所谓“硬件校正法”，即采用的是非线性校正装置，也称为“线性化器”。第78页/共100页79六、热电偶的类型及结构1、热电偶材料：定型的标准化材料有：铂铑—铂，铜康等。非标的，特殊的，钨铼系，铱铑系等。

2、对热电偶材料的基本要求任何两种导体(或半导体)均可配成热电偶，当两个结点温度不同时，就能产生电势，只不过是热电势大小不同而已。但作为实用的测温元件，不是所有材料都适用于作热电偶，对制作热电偶材料的基本要求是：(1)热电特性稳定，即热电势与温度的对应关系保持恒定；(3)热电势与温度有单值关系，最好呈线性或简单的函数关系。(2)热电势足够大，易于测量，且可得到较高精确度；第79页/共100页80(4)电阻温度系数和电阻率要小，否则热电偶的电阻将随工作端的温度不同而有较大的变化，影响测量结果的准确性；(5)物理性能稳定，化学成分均匀，不易氧化和腐蚀；(6)材料的复制性好；(7)材料的机械强度要高。第80页/共100页81但实际生产中很难找到一种完全满足上述要求的材料。一般来说，纯金属的热电极易于复制，但热电势较小，平均约为20uV／℃，非金属的电极的热电势较大，可达1000uV／℃，且熔点高，但复制和稳定性都差；合金电极的热电性和工艺性能均介于两者之间，因此，需要根据具体测温情况，采用不同材料制做热电偶。第81页/共100页823、热电偶的类型热电偶的类型、规格、结构品种繁多，从不同的分类观点，提出的分类方法也很多，例如可以按使用温度，热电偶材料，热电偶的用途，热电偶的结构等方面进行分类。书上按标准化和非标准化介绍儿种常用热电偶。第82页/共100页834、热电偶的结构：

①普通热电偶；主要用于测量容器或管道内的气体、蒸汽、液体等介质的温度。可根据测量条件及测量范围来选用。②工业用装配式热电偶结构示意图接线盒保险套管绝缘套管热电偶丝第83页/共100页84②铠装热电偶；（又称缆式）铠装热电偶是把保护管(材料为不锈钢或镍基高混合金)，绝缘材料(高纯脱水氧化镁或氧化铝)与热电偶丝组合在一起拉制而成，也称套管热电偶。铠装热电偶的特点是：动态响应快、测量端热容量小、挠度好、强度高、种类多(绕制成双芯、单芯、四芯等)。由于挠性好柔性大，可以弯成各种形状，适用于结构复杂的对象，机械性能好，抗震动和耐冲击。第84页/共100页85④表面热电偶：分为永久性安装和非永久性安装两种，主要用来测量金属块、炉壁、橡胶简，祸轮叶轧辊等团体的表面温度。⑤侵入式热电偶；浸入式热电偶主要用来测量钢水、铜水、铝水以及熔融合金的温度。其主要特点是：可以直接插入液态金属中进行测量温度。③薄膜热电偶；薄膜热电偶分为片状、针状等，是由厚度为0.0l—0.1um两种金属薄膜连接在一起的特殊结构的热电偶。其特点是：热容量小、动态响应快，适用于动态测量小面积时的瞬时变化的温度。第85页/共100页869.3晶体管和集成温度传感器McNamara在1962年首先提出使用二极管和晶体管来代替热传感器。与其他类型热传感器相比，热二极管的潜在优势在于它的制造技术与IC技术匹配而且生产成本低廉。一、二极管P—N结温度传感器这种传感器是利用晶体管半导体材料的P—N结的伏安特性与温度之间的关系研制而成的一种固态传感器。第86页/共100页87热二极管下图是硅P-N二极管的理想电流-电压特性曲线。当电压小于正向导通电压时，没有电流流过二极管当电压大于正向导通电压时，有电流通过二极管。负向偏压VI第87页/共100页88硅P-N结在正向和反向偏压时的能级图和耗尽区如图距离能量IPN距离能量IPN第88页/共100页89当偏压为零时，载流子必须穿过势垒才能由P型区迁移到N型区或者反向迁移。使用正向偏压可以降低该势垒的高度，也可以使用反向偏压提供该势垒的高度。利用这个效应，可以使电流通过P-N结。如图所示，利用电压V可以修正费米能级，但对于P型半导体材料来说，它总是位于价带附近，而对于N型半导体材料来说，它总是位于导带附近。第89页/共100页90根据经典的结理论，电子和空穴电流密度与简单的扩散过程有关，它们可以表示为：电子的扩散率；空穴的扩散率；P型半导体材料耗尽层边缘的电子浓度距离耗尽层边缘的平衡态电子浓度1．测温原理