第四章热电传感器

第四章热电传感器第1页，共57页，2023年，2月20日，星期三我国目前实行的是1990年国际温标(ITS—90）定义国际开尔文温度（T90）国际摄氏温度（t90）；

T90：单位（K）开尔文

t90：单位（C）摄氏两者关系为：

t90/℃=T90/K–273.15或

t/℃

=T/K–273.15温度单位：热力学温度是国际上公认的最基本温度第2页，共57页，2023年，2月20日，星期三

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热电式传感器。概述第3页，共57页，2023年，2月20日，星期三热电式传感器是一种将温度变化转换为电量的装置。它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性来进行测量的。例如将温度变化转换为电阻、热电动势、热膨胀、导磁率等的变化，再通过适当的测量电路达到检测温度的目的。概述第4页，共57页，2023年，2月20日，星期三概述各种热电偶第5页，共57页，2023年，2月20日，星期三概述各种热电阻第6页，共57页，2023年，2月20日，星期三

热电式传感器按工作原理主要有以下几类：

热电偶，利用金属温差电动势，有耐高温、精度高的特点；

热电阻，利用导体电阻随温度变化，测温不高；

热敏电阻，利用半导体材料随温度变化测温，体积小、灵敏度高、稳定性差；

集成温度传感器，利用晶体管PN结电流、电压随温度变化，有专用集成电路，体积小、响应快、价廉，测量150℃以下温度。概述第7页，共57页，2023年，2月20日，星期三4.6..1热电偶

1热电效应两种不同类型的金属导体两端，分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等（T＞T0）有温差时，回路里会产生热电势，形成电流。这种现象称为热电效应。利用这种效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。第8页，共57页，2023年，2月20日，星期三

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9页，共57页，2023年，2月20日，星期三热电效应

1、两种导体的接触电势（珀尔帖效应）不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会产生电子扩散，浓度大的向浓度小的金属扩散。浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。第10页，共57页，2023年，2月20日，星期三热电效应温度T时热端接触电势：冷端（T0）接触电势：

式中：

A、B代表不同材料；T，T0

为两端温度；

k＿波尔兹曼常数；

e＿电子电荷量；

是A、B材料的电子浓度；第11页，共57页，2023年，2月20日，星期三热电效应在闭合回路中，总的接触电势为：第12页，共57页，2023年，2月20日，星期三热电效应2、单一导体的温差电势（汤姆逊电势）对单一金属如果两边温度不同，两端也产生电势。产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电。＋－Ｔ＞Ｔ０第13页，共57页，2023年，2月20日，星期三A、B两导体构成闭合回路总的温差电势为：单一导体的温差电势为：σ:汤姆逊系数第14页，共57页，2023年，2月20日，星期三热电效应根据两导体的接触电势（珀尔帖电势）和单一导体温差电势（汤姆逊电势）。热电偶总的热电势为：第15页，共57页，2023年，2月20日，星期三热电效应结论：热电偶两电极材料相同，NA=NB时，无论两端点温度如何，总热电势为零；2.如果热电偶两接点温度相同，T=T0时，A、B材料不同，回路总电势为零；热电偶产生热电势的必要条件:热电偶必须用不同材料做电极；在T、T0两端必须有温差梯度.

第16页，共57页，2023年，2月20日，星期三热电偶基本定律1、均质导体定律两种均质导体，其电势大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时，将产生附加热电势，造成无法估计的测量误差。第17页，共57页，2023年，2月20日，星期三2热电偶基本定律2、中间导体定律如果将热电偶T0端断开，接入第三导体C，回路中电势EAB（T，T0）应写为：ＡＢＣＴＴ０Ｔ０第18页，共57页，2023年，2月20日，星期三2。热电偶基本定律设

时，

将

代入上式有：

第19页，共57页，2023年，2月20日，星期三2热电偶基本定律结论：当引入第三导体C时，只要C导体两端温度相同，回路总电势不变，根据这一定律，将导体C作为测量仪器接入回路，就可以由总电势求出工作端温度，条件是：保证两端温度一致。第20页，共57页，2023年，2月20日，星期三2热电偶基本定律3、参考电极定律（中间温度定律）当结点温度为T、T0时的热电势EAB（T,T0）等于结点温度T、Tc和Tc、T0

时，热电势与

的代数和为：

实际测量时，利用这一性质，对参考端温度不为零度时的热电势进行修正。第21页，共57页，2023年，2月20日，星期三3热电偶的温度补偿热电偶输出的电热是两结点温度差的函数。为了使输出的电势是被测温度的单一函数，一般将T作为被测温度端，T0作为固定冷端(参考温度端)。通常要求T0保持为0℃(恒定)，但是在实际使用中要做到这一点比较困难，因而产生了热电偶冷端温度补偿问题。第22页，共57页，2023年，2月20日，星期三3热电偶的温度补偿(1)0℃恒温法即在标准大气压下，将清洁的水和冰屑混合后放在保温容器内，可使T0保持0℃。近年来已研制出一种能使温度恒定在0℃的半导体致冷器件。(2)补正系数修正法利用中间温度定律可以求出T0≠0时的电势。该法较精确，但繁琐。因此，工程上常用补正系数修正法实现补偿。设冷端温度为Tn，此时测得温度为T1

(仪表测得温度)，其实际温度应为：

T=T1

+kTn

式中k——补正系数。第23页，共57页，2023年，2月20日，星期三3热电偶的温度补偿(3)延伸热电极法(即补偿导线法)

热电偶长度一般只有一米左右，在实际测量时，需要将热电偶输出的电势传输到数十米外的显示仪表或控制仪表，根据中间导体定律即可实现上述要求。一般选用直径粗、导电系数大的材料制作延伸导线，以减小热电偶回路的电阻，节省电极材料。第24页，共57页，2023年，2月20日，星期三3热电偶的温度补偿(4)补偿电桥法该法利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶参考端温度变化引起的电势变化。电桥四个桥臂与冷端处于同一温度，其中R1=R2=R3为锰铜线绕制的电阻，R4为铜导线绕制的补偿电阻，E是电桥的电源，R为限流电阻，阻值取决于热电偶材料。

使用时选择R4的阻值使电桥保持平衡，电桥输出Uab=0。当冷端温度升高时，R4阻值随之增大，电桥失去图示

补偿电桥法示意图平衡，Uab相应增大，此时热电偶电势Ex由于冷端温度升高而减小。若Uab的增量等于热电偶电势Ex的减小量，回路总的电势Uab的值就不会随热电偶冷端温度变化而变化，即：

UAB=EX+Uab

第25页，共57页，2023年，2月20日，星期三4热电偶的结构和种类结构：普通热电偶，测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构；薄膜热电偶，用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄；铠装热电偶，用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲；表面热电偶，用于弧形表面物体测温；消耗式热电偶，主要用于钢水温度测量。a)普通热电偶b)薄膜热电偶c)铠装热电偶第26页，共57页，2023年，2月20日，星期三4

热电偶的结构和种类热电偶种类：贵金属热电偶铂铑——铂铑（600～1700）℃铂铑——铂（0～1600）℃普通金属热电偶镍铬——镍硅（-200～1200）℃镍铬——镍铜（-40～750）℃铁——康铜（0～400）℃热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好，这是其它热电式传感器无法替代的。第27页，共57页，2023年，2月20日，星期三5

热电偶测量电路通过查热电偶分度表可知热电偶产生的热电势；例如K型：0℃时0mV，600℃时E=24.902mv；分度表以t=0℃作基准，而实际应用中t≠0℃；若参考端温度不为0℃，工作端温度为t时，由分度表可查出EA（t,0），与实际热电势EAB（t,t0）之间的关系可通过参考电极定律得出：第28页，共57页，2023年，2月20日，星期三5

热电偶测量电路电路调试步骤：调零：T=0℃时调整调零电位器RP2使运放输出为零；调增益：温度600℃时调节负反馈电阻，使运放输出在6V。放大器增益为240.94，得到满量程输出6V（600℃）。第29页，共57页，2023年，2月20日，星期三热电阻主要有两大类：金属热电阻半导体热敏电阻广泛用于测量-200～+850℃，少数可测1000℃。4.5.2热电阻贴片式薄膜式

大功率

第30页，共57页，2023年，2月20日，星期三金属热电阻一般用于-200～+500℃温度测量；材料多为纯铂金属丝，也有铜、镍，绕制在云母板、玻璃或陶瓷线圈架上，构成热电阻。铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为：4.5.2热电阻

1金属热电阻-200～O℃

+0～850℃

式中：

为温度和

时的电阻a值。温度时，

的公称值是。第31页，共57页，2023年，2月20日，星期三热电阻＝电阻体（最主要部分）＋绝缘套管＋接线盒作为热电阻的材料要求：电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度；电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸；热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。使用最广泛的热电阻材料是铂和铜铂热电阻主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。铜热电阻测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为―50～150℃。1

金属热电阻第32页，共57页，2023年，2月20日，星期三⑴铂热电阻长时间稳定的复现性可达10-4K，是目前测温复现性最好的一种温度计。铂电阻的精度与铂的提纯程度有关纯度电阻比W（100）越高，表示铂丝纯度越高，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W（100）≥1.3925目前技术水平已达到W（100）＝1.3930，工业用铂电阻的纯度W（100）为1.387～1.390。1

金属热电阻第33页，共57页，2023年，2月20日，星期三铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下：当温度t在－200℃≤t≤0℃时：当温度t在0℃≤t≤650℃时：国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）≥1.391，R0分为50Ω和100Ω两种，分度号分别为Pt50和Pt100，其分度表（给出阻值和温度的关系）1金属热电阻第34页，共57页，2023年，2月20日，星期三带保护管的铂测温电阻元件第35页，共57页，2023年，2月20日，星期三⑵铜热电阻应用：测量精度要求不高且温度较低的场合测量范围：―50～150℃优点：温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。缺点：易于氧化，一般只用于150℃以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。第36页，共57页，2023年，2月20日，星期三铜电阻的阻值与温度之间的关系为关系是线性的工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取50Ω和100Ω两种，分度号分别为Cu50和Cu100，相应的分度表可查阅相关资料。)1(0tRRtα+=第37页，共57页，2023年，2月20日，星期三

普通工业用热电阻式热电式传感器第38页，共57页，2023年，2月20日，星期三铜热电阻结构示意图铂热电阻结构示意图第39页，共57页，2023年，2月20日，星期三半导体比金属有更大的电阻温度系数。热敏电阻用半导体材料氧化复合烧结而成。主要材料有：Mn、Co、Ni、Cu、Fe氧化物，结构分为：二端、三端、四端、直热式、旁热式。2热敏电阻热敏电阻符号

第40页，共57页，2023年，2月20日，星期三热敏电阻—温度特性

PTC——正温度系数型；NTC——负温度系数型；

负温度系数热敏电阻的特性曲线用经验公式表示：2热敏电阻负温度系数型热敏电阻特性曲线

A－与材料和形状有关；B－常数；－温度为T时的电阻值；

第41页，共57页，2023年，2月20日，星期三多数热敏电阻具有负温度系数，温度升高电阻下降，同时灵敏度下降，所以热电阻限制了它在高温下使用。目前，热敏电阻温度上限约300℃。

优点：(1)热敏电阻的温度系数比金属大（4～9倍）(2)电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。(3)结构简单、机械性能好。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。2热敏电阻第42页，共57页，2023年，2月20日，星期三热敏电阻的结构形式第43页，共57页，2023年，2月20日，星期三

热敏电阻的主要特性

⑴温度特性热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高。第44页，共57页，2023年，2月20日，星期三当流过热敏电阻的电流很小时:不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律。主要用来测温。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，热敏电阻的电阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。可用它来测量流体速度和介质密度。⑵伏安特性第45页，共57页，2023年，2月20日，星期三热敏电阻的主要参数⑴标称电阻值RH在环境温度为25±0.2℃时测得的电阻值，又称冷电阻。其大小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。⑵耗散系数H指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差1℃时热敏电阻所耗散的功率，单位为mW/℃；⑶热容量C热敏电阻的温度变化1℃所需吸收或释放的热量，单位为J／℃；第46页，共57页，2023年，2月20日，星期三⑷能量灵敏度G（W）使热敏电阻的阻值变化1％所需耗散的功率。⑸时间常数τ温度为T0的热敏电阻突然置于温度为T的介质中，热敏电阻的温度增量ΔT=0.63(T－T0)时所需的时间。⑹额定功率PE

在规定的技术条件下，热敏电阻长期连续使用所允许的耗散功率，单位为W。在实际使用时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率第47页，共57页，2023年，2月20日，星期三4.6.3热电式传感器的应用

1、金属热电阻传感器－200～+500℃范围的温度测量特点：精度高、适于测低温。2、半导体热敏电阻传感器应用范围很广，可在宇宙航船、医学、工业及家用电器等方面用作测温、控温、温度补偿、流速测量、液面指示等。热电阻式传感器的应用第48页，共57页，2023年，2月20日，星期三1、金属热电阻传感器工业广泛使用，－200～+500℃范围温度测量。在特殊情况下，测量的低温端可达3.4K，甚至更低，1K左右。高温端可测到1000℃。温度测量的特点：精度高、适于测低温。传感器的测量电路：经常使用电桥、精度较高的是自动电桥。为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，常采用三线制和四线制连接法。第49页，共57页，2023年，2月20日，星期三三线制工业用热电阻一般采用三线制G——检流计，R1，R2，R3——固定电阻，Ra——零位调节电阻，Rt——热电阻热电阻测温电桥的三线制接法精密测量中，采用四线制接法第50页，共57页，2023年，2月20日，星期三

金属丝热电阻作为气体传感器的应用1—连通玻璃管2—流通玻璃管3—铂丝（a）真空度测量方法对环境温度变化比较敏感，实际应用中有恒温或温度补偿装置。可测到133.322×10-5Pa。（b）可检测管内气体介质成分比例变化、热风流速变化第51页，共57页，2023年，2月20日，星期三

流量测量

利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关系可以测量流量、流速、风速等热