第三章温度检测课件

§3-4热电偶传感器一、热电偶传感器的工作原理第三章温度检测1、热电效应赛贝克（Seebeck）效应(热电势)1821年赛贝克发现了铜、铁这两种金属的温差电现象。即在这两种金属构成的闭合回路中，对两个接头的中一个加热即可产生电流。在冷接头处，电流从铁流向铜。由于冷、热两个端（接头）存在温差而产生的电势差e，就是温差热电势。这种由两种不同的金属构成的能产生温差热电势的装置称为热电偶。

第三章热电式传感器第三章温度检测

将两根不同材料的导体或半导体（A和B）联接起来构成一个回路，如果两个接合点处的温度不同（T0≠T），则在两导体间产生热电势，并在回路中有一定大小的电流，这种现象称为热电效应。AB1T0T2

由热电效应制成的测温传感器就是热电偶。测温时：

结点2置于被测温度场中，称为测量端（工作端或热端）；

结点1处于某一恒定温度（或已知温度），称为参考端（自由端或冷端）。

2、热电偶的热电势经研究发现，热电势实际上由接触电势和温差电势组成。

由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA>NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势。(1)接触电动势第三章温度检测第三章温度检测其大小可表示为：式中：K—波尔兹曼常数，K＝1.38×10-23

e—电子电荷量e=1.6×10-19C

NA(NB)为A(B)材料的自由电子密度。ABT0T接触电势

同一导体中的，如果两端温度不同，在两端间会产生电动势，即产生单一导体的温差电动势，这是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散的结果。高温端因失去电子而带正电，低温端由于获得电子而带负电，在高低温端之间形成一个电位差。温差电动势的大小与导体的性质和两端的温差有关。(2)温差电势第三章温度检测温差电势跟接触电势相比小很多，故可忽略不计.

σA—A材料的汤姆逊系数。（表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势）第三章温度检测ABT0T温差电势T>T0(3)回路总电势回路接触电势回路温差电势第三章温度检测ab赛贝克（Seebeck）效应ABT0T总温差热电势T>T0第三章温度检测⑷几点讨论①如果组成热电偶的两个电极的材料相同，即使是两结点的温度不同也不会产生热电势。②组成热电偶的两个电极的材料虽然不相同，但是两结点的温度相同也不会产生热电势。③热电偶AB的热电动势与A、B材料的中间温度无关，只与节点温度有关1、中间导体定律二、热电偶的基本定律第三章温度检测

将由A、B两种导体组成的热电偶的冷端（T0端）断开而接入的三种导体C后，只要冷、热端的T0

、T保持不变，则回路的总热电势不变。BT0TABT0TT0AC第三章温度检测abT>T0ABT0TT0C推导过程第三章温度检测

此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时必须接入仪表(第三种材料)，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致(T0)仪表的入就不会影响热电势。而且A、B结点的焊接方法也可以是任意的。2、参考电极定律（标准电极定律）BT0TACT0TABT0TC第三章温度检测

如果两种导体A、B分别与第三种导体C所组成的热电偶所产生的热电势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电势也是已知的，且

根据此定律，可以便于给出所有热电偶材料的有关参数，方便热电偶电极的选配。证明：第三章温度检测BT0TACT0TABT0TC3、中间温度定律BT0TABT1TABT0T1A

这是中间温度定律，因为热电势与两个结的温度有关，要测得某一结所处的温度，则另一个结必须0℃，而实际上这样的条件是难办到的；但只要测得（E表示热电势，A、B表示两种不同金属，T、T1表示两个结处在T、T1温度下），并且可测得T1，则可以查表确定，用与的和，便可确定T处温度。第三章温度检测第三章温度检测镍铬-镍硅热电偶（K型）分度表第八章热电式传感器上节回顾热电传感器热电偶原理：热电效应三大定律及其作用第三章温度检测对电极材料的要求：在同样的温差下产生的热电势大，且其热电势与温度之间呈线性或近似线性的单值函数关系；耐高温，抗辐射性能好，在较宽的范围内性能稳定；电导率高、电阻温度系数和比热容小；复制性和工艺性好，价格低廉。三、常用的热电偶热电偶名称分度号极性化学成分100℃时电势(mV)使用温度允许误差长期短期(℃)铂铑10－铂LB-3正Pt90%Rh10%0.64313001600≤600＞600负Pt100%±2.4±0.4%t铂铑30－铂铑6LL2正Pt70%Rh30%0.03416001800≤600＞600负Pt94%Rh6%±3±0.5%t镍铬－镍硅EU-2正Cr9~10%Si0.4%Ni90%4.1010001200≤400＞400负Si2.5~3.0%Co≤0.6%Ni97%±4±0.75%t镍铬－考铜EA-2正Cr9~10%Si0.4%Ni90%6.95600800≤400＞400负Cu56~57%Ni43~44%±4±1%t铜－康铜正Cu100%4.26200300-200~-400-40~400负Cu55%Ni45%±2%t±0.75%第三章温度检测第三章温度检测非标准化的热电偶

铁－康铜热电偶：灵敏度高高温热电偶：钨铼系热电偶，测温上限可达2450摄氏度低温热电偶：铜－铜锡0.005可测-271~-243摄氏度的低温；镍铬－铁金0.03可测-269~-0摄氏度按结构分类——普通型第三章温度检测第三章温度检测按结构分类——铠装型第三章温度检测按结构分类——隔爆型四、热电偶的使用1、冷端温度补偿及修正

在实际使用时，由于热电偶的热端（测量端）与冷端离的很近，冷端又暴露于空间，容易受到环境温度的影响，因而冷端温度很难保持恒定。为此需要进行温度补偿。

由热电偶测温原理可知，只有当热电偶的冷端温度保持不变，热电势才是被测温度的单值函数。

工程技术上使用的热电偶分度表和根据分度表刻划的测温显示仪表的刻度都是根据冷端温度为0℃而制作的。第三章温度检测（1）0℃恒温法

将热电偶的冷端置于冰水混合物中，保证冷端温度恒定为0℃。根据热电偶测得的输出热电势，再查找该热电偶的分度表，即可得到测量端的温度。第三章温度检测第三章温度检测（2）热电势修正法在实际使用中，使冷端保持在0℃很不方便，有时也使冷端保持在某一恒定的温度Tn，这种情况下采取热电势修正法。

EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)

EAB

(T,Tn)—实测值；

EAB(Tn,T0)—冷端为0℃时，工作端为Tn区段热电势，可查分度表得到，即为修正法。（3）电桥补偿法第三章温度检测T0I2I1+ERSRTR3R1R2－ATT0BU

电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度不在0℃时引起的热电势变化值，在热电偶与测温仪表之间串接一个直流不平衡电桥，电桥中的R1、R2、R3、由电阻温度系数很小的锰铜丝制作，另一桥臂的RT由温度系数较大的铜线绕制。电桥的4个电阻均和热电偶冷端处在同一环境温度，但由于RT的阻值随环境温度变化而变化，使电桥产生的不平衡电压的大小和极性随着环境温度的变化而变化，从而达到自动补偿的目的。补偿原理第三章温度检测第三章温度检测自己设计一个冷端补偿器，需要注意考虑到哪些问题？(4)、冷端延长线

工业应用时，被测点与指示仪表之间往往有很长的距离，这就要求热电偶有较长的尺寸，但由于热电偶材料较贵，热电偶尺寸不能过长，所以冷端（即接仪表端）常常不能放到任意点上去；且冷端温度不可能恒定，是波动的，为解决这一问题，采用冷端延长线（或称冷端补偿导线）。第三章温度检测

所谓延长线实际上是把在一定温度范围内（一般为0～100℃）与热电偶具有相同热电特性的两种较长金属导线与热电偶配接。它的作用是将热电偶冷端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，从而消除冷端温度变化带来的影响，即该补偿导线所产生的热电势等于工作热电偶在此温度范围内产生的热电势。B′ABTT0TNTNA′冷端延长线连接示意图第三章温度检测冷端延长线法并不能消除冷端温度不为0℃时产生的影响，应用前面介绍的修正方法把冷端修正到0℃。应用延长线应注意：①延长线只能与相应型号的热电偶配用，（专用）；②注意极性，不能接反（否则会造成更大的误差）；③延长线和热电偶连接处，两结点温度必须相同。热电偶补偿导线热端为100℃。冷端为0℃时的标准热电势(mV)正极负极材料颜色材料颜色铂铑—铂镍铬—镍硅镍铬—考铜铁—考铜铜—康铜铜铜镍、铬铁铜红红褐、绿白红镍铜康铜考铜考铜康铜白白白白白0.64土0.034.10士0.156.95士0.305.75土0.254.10土0.15第三章温度检测第三章温度检测补偿导线第三章温度检测§3-2-1热电阻传感器

热电阻传感器是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和温度有关的参数进行检测的装置。热电阻效应——物质的电阻率随温度变化而变化的现象。

金属原子最外层的电子能自由移动，当加上电压以后，这些无规则移动的电子就按一定的方向流动，形成电流。随着温度的增加，电子的热运动剧烈，电子之间、电子与振动的金属离子之间的碰撞机会就不断增加，因此电子的定向移动将受到阻碍，金属的电阻率也随之增大。

实践证明，纯金属、铂、铜、铁和镍是比较适合的材料，其中主要应用的是铂和铜。

铂是一种贵重金属，其物理和化学性能非常稳定，是制造热电阻的最好材料，主要作标准电阻温度计。

铜可用来制造-50～150℃范围内工业用电阻温度外，特点是价格低廉，缺点是电阻率低，且容易氧化，一般用在较低温度和没有水分和浸蚀性的介质之中。

铂丝的电阻值与温度之间的关系在-200～0℃范围内，Rt＝R0[1+At+Bt2+C(t－100)t3]在0～850℃范围内，Rt＝R0[1+At+Bt2]

R0—当温度为0℃时的电阻值；

Rt—温度为t℃时的电阻值；A、B、C—由实验确定的常数。A＝3.90802×10-3/℃B=-5.802×10-7/℃2C＝-4.27350×10-12/℃4第三章温度检测铂电阻的主要技术指标等级分度号测温范围/C允许偏差/C电阻比R100/R0名义值允许误差APt10-200~850±(0.15+0.002|t|)1.385±0.001Pt100BPt10±(0.30+0.005|t|)Pt100第三章温度检测即便在氧化性介质中，其物理、化学性能都很稳定；易提纯，复现性好，有良好的工艺性；有较高的电阻率；在还原性介质中性能易受影响；电阻温度系数不太高；价格贵。铂电阻的特点第三章温度检测几种铂电阻第三章温度检测第三章温度检测WZP系列装配式铂电阻

及铠装电阻芯

用于一般工业场测温

使用温度-200℃～700℃高强度石英管测温铂电阻

温度范围-100°C至+500°C

适用于镀锌锅炉、耐酸、耐碱等强腐蚀场合

注:不耐氢氟酸及磷酸在-50～150℃温度范围内，铜电阻与温度之间的关系为：

Rt＝R0(1+At+Bt2+Ct3)

Rt—温度为t℃时的铜电阻值

R0—温度为0℃时的铜电阻值A、B、C—常数

A＝4.28899×10-3/℃ B＝-2.133×10-7/℃2 C＝1.233×10-9/℃3

铜丝的电阻值与温度之间的关系

目前，铂和铜生产是标准的。铂：Pt50、Pt100、Pt300主要是Pt100（R0＝50、100、300Ω）铜：Cu50、Cu100

铂的测温精度很高，达0.001℃

铜±0.5°（－50～50℃），±1℃（50～150℃）

第三章温度检测铜电阻的主要技术指标分度号测温范围/C允许偏差/C电阻比R100/R0名义值允许误差Cu50-50~150±(0.30+0.006|t|)1.428±0.002Cu100第三章温度检测铜电阻的特点电阻率小；容易氧化；价格便宜。第三章温度检测WZC-111/Φ12*1000mmCu50

第三章温度检测第三章温度检测R1R2R3ERtGRp

热电阻测量线路热电阻测温电桥三线连接法作用：①当温度变化时，导线长度和电阻温度系数相等，它们的电阻变化不会影响电桥的状态，即不会产生温度误差。②Rp的触点接触电阻和检流计串联，接触电阻的不稳定不会破坏电桥的平衡和正常工作状态。r2r1r3热电阻测温电桥四线连接法

当热电阻安装的地方比较远，则其导线电阻当环境温度变化时也要变化，会造成测量误差。图中R1、R2、R3为固定电阻，Rp为调零电位器第三章温度检测R1R2R3ERtGRpr1r2r3r4其它热电阻铁/镍热电阻：电阻温度系数比铂和铜高，电阻率也较大，可做成体积小、灵敏度高的温度计，但易氧化，不宜提纯且电阻与温度非线性，仅用于-50~100℃；用的较少。铟电阻：-269~-258℃

；测量精度高，灵敏度高，但重现性差。锰电阻：-271~-210℃

；灵敏度高，但脆性高，易损坏；炭电阻：-273~-268.5℃

；热容量小，灵敏度高，价格低，易操作，但热稳定性较差。第三章温度检测§3-2-2热敏电阻传感器

热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件，与金属热电阻比较而言，具有温度系数高，灵敏度高，热惯性好（适宜动态测量）但其稳定性和互换性较差。温度半导体热敏电阻电阻铂热电阻金属的电阻随温度的升高而增大，但半导体却相反，它的电阻值随温度的升高而急剧减小，并呈现非线性。一、工作原理第三章温度检测

半导体这种温度特性，是因为半导体的导电方式是载流子（电子、空穴）导电。由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子少得多，所以它的电阻率很大。随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数目就会增多，故半导体导电率就增加，它的电阻率也就降低了。热敏电阻正是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的热敏元件。它是由某些金属氧化物按不同的配方比例烧结制成的。在一定的范围内，根据测量热敏电阻阻值的变化，便可知被测介质的温度变化。第三章温度检测NTC热敏电阻的材料是一种由锰（Mn）、镍（Ni）、铜（Cu）、钴（Co）、铁（Fe）等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，改变混合物的成分和配比就可以获得测温范围、阻值及温度系数不同NTC热敏电阻。它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。

NTC热敏电阻应用广泛。二、热敏电阻的基本类型1、NTC热敏电阻

根据热敏电阻率随温度变化的特性不同，热敏电阻基本可分为三种类型。第三章温度检测2、CTR热敏电阻CTR热敏电阻是以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成，它呈半玻璃状，具有负温度系数。通常，CTR热敏电阻用树脂包封成珠状或厚膜形使用，其阻值在1k

Ω~10MΩ之间。

CTR热敏电阻随温度变化的特性属剧变型，具有开关特性，如左图所示。当温度高于点TC时，其阻值会减小到临界状态，突变的数量级为2~4。因此又称这类热敏电阻为临界热敏电阻。Tc温度T（℃）200150100500103101105107电阻率ρ（Ω.cm）第三章温度检测3、PTC热敏电阻TNTC1062001000101102103104105107温度T（℃）电阻率ρ（Ω.cm）PTC热敏电阻是以钛酸钡掺合稀土元素烧结而成的半导休陶瓷元件，具有正温度系数。其温度特性曲线如左图所示，从特性曲线上可以看到PTC热敏电阻具有以下特性：

(1)当温度低于居里点TC时，具有半导体特性；

(2)当温度高于居里点TC时，电阻值随温度升高而急剧增大，至TN温度时出现负阻现象；

(3)具有通电瞬间产生强大电流而后很快衰减的特性。基于PTC热敏电阻的特性，可利用其自控作用，做成各种恒温器、限流保护元件或温控开关。还可以用PTC组成发热元件，功率一般为几瓦到数百瓦。第三章温度检测····V（电压）IaImI（电流）d0abc曲线分四段，0－a段：电流小于Ia，功耗小，电流不足以使热敏电阻发热，元件上的温度基本是环境温度。此时热敏电阻相当于一个固定电阻，电压与电流之间符合欧姆定律。a－b段：随着电流增加，热敏电阻功耗增加，导致电流加热引起热敏电阻自身温度超过环境温度（介质温度），其阻值降低，因此出现非线性正阻区，电流增长速度＞阻值减小的速度。

c－d段：随着电流增加，为Im时，电压达到最大值，电流继续增加，热敏电阻本身加热更为剧烈，阻值迅速减小，阻值减小的速度大于电流增加的速度，出现c－d段负阻区。第三章温度检测三、NTC热敏电阻的伏安特性0－a段：正常使用热敏电阻测温时。

c－d段：可用来测量风速、真空度、流量等参数。热敏电阻非线性严重，使用中要进行非线性补偿。在硬件电路方法上，采用温度系数较小的电阻与热敏电阻串、并联接法，使得热敏电阻的电阻—温度曲线变为平坦。第三章温度检测热敏电阻的特点电阻温度系数大，灵敏度高；形状多样，体积小，热惯性小，响应速度快；电阻值大，远距离测量时可不考虑导线电阻的影响；在-50C~350C范围内具有良好的稳定性；阻值分散性大、复现性差；非线性大；老化较快。第三章温度检测实物图片第三章温度检测1.耗散系数：5mW/℃2.热时间常数:<10S3.测温范围:-40℃~~~+110℃主要用于电饭锅等烹饪用具。耐高温，反应快而精确第三章温度检测ABS材质外壳，PVC导线,用于电冰箱、冰柜。耐腐防潮1.耗散系数：5mW/℃2.热时间常数:<10S3.测温范围:-40℃~~~+110℃第三章温度检测铜质外壳，PVC导线，用于空调、饮水机铜制、不锈钢外壳，PVC导线，用于热水器第三章温度检测MZ4系列加热用PTC热敏电阻MZ5汽车测温用PTC热敏电阻第三章温度检测MZ41系列卷发器用PTC热敏电阻MZ6系列电机保护用PTC热检测器工作原理：这种传感器是利用PN结的伏安特性与温度之间的关系研制成的一种固态传感器；它将温敏元件、偏置电路、放大电路及线性化电路集成在同一芯片上。特点：使用方便、外围电路简单、性能稳定可靠；但不足的是测温范围较小、使用环境有一定的限制。应用：远距离的精密温度遥感与遥测；多点温度测量系统。一般与计算机组成温度测控系统。分类：电压型:LM34/35,TMP35/36等；电流型：AD590，AD592，TMP17等；数字输出：AD7416，TMP03/04等。第三章温度检测§3-9-1集成温度传感器§3-9-1

集成温度传感器AD590一、测量原理T1T2T3T4RI1I2RL输出电源ITES⊿Ube1)

性能相同的晶体管对T3—T4使IT分为两个相等的电流I1和I2，起恒流作用。2)

T1—T2起感温作用，T2中的电流密度J2为T1中电流密度J1的8倍，即J2=8J13)T1和T2的发射结电压Ube1和Ube2反极性串连后施加在R上，则R的端电压⊿Ube为AD590温度敏感电路原理简图第三章温度检测续：测量原理

可见R两端电压正比于绝对温度T。通过R的电流IR近似等于I1=179T/R，与T成正比，IT=2I1，也与T成正比，若，其比例系数则AD590就是按上述理论制造的第三章温度检测二、主要特点线性电流输出：1A/K，正比于绝对温度；测量温度范围宽：-55~+150℃；精度高：±0.5℃；线性好：±0.3℃；电源电压范围宽：+4~+30V。第三章温度检测三、典型应用1、基本应用电路因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1k时，输出电压VO随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使VO=273.2mV。或在室温下(25℃)条件下调整电位器,使VO=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。

第三章温度检测2、摄氏温度测量电路电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放LF355的增益。调整方法如下：在0℃时调整R2，使输出VO=0，然后在100℃时调整R4使VO=100mV。如此反复调整多次，直至0℃时，VO=0mV，100℃时VO=100mV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25℃，那么VO应为25mV。冰水混合物是0℃环境，沸水为100℃环境。AD581是高精度集成稳压器，输入电压最大为40V，输出10V。第三章温度检测3、温差测量电路两个传感器因温度不同而有不同的电流，它们的电流差值流向运放的输出，引起一定的输出电压T1T2+++---+VCC-VEE10K10KVO第三章温度检测§3-9-2精密摄氏温度传感器LM35美国NS公司生产，其输出电压线性地与摄氏温度成正比一、特性1、有三种封装形式:塑封、金属外壳、SO-8；2、+10mV/℃线性刻度系数；3、精度：0.4℃~0.8℃；4、测量范围：-55℃~+150℃；5、工作电压：4V~30V;6、非线性：±0.25℃。第三章温度检测二、简单配用电路1、基本摄氏温度传感器＋150℃时输出为1500mV＋25℃时输出为250mV－55℃时输出为－550mV＋2℃to＋150℃

2、满量程摄氏温度传感器LM35123VCCoutput0mV~+10mV/℃LM35123VCCoutput-VSR第三章温度检测§3-9-3

数字温度传感器DS1820美国DALLAS公司生产，可把温度信号直接转化成串行的数字信号供微机处理一、特性1、测温范围-55℃~＋125℃，增量值为0.5℃，经转换向外提供9位二进制读数。2、低功耗器件。供电方式有两种：

1）采用信号线寄生供电

2）采用外部供电方式第三章温度检测二、内部RAM数据与温度的对应关系DS1820内部有8字节ROM，首字节代码固定为10H，表示产品型号；随后6个字节是每个DS1820器件各自的编号，最后一字节是CRC校验码。还有2字节存放温度值的RAM，前一字节为温度值和补码，后一字节为符号位。将该二字节二进制补码求真值，除以2再转换成十进制数，即可得被测温度值。第三章温度检测温度（℃）RAM数据值（2进制）RAM数据值（16进制）+125