热电式传感器-课件

第8章热电式传感器热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。用金属或半导体材料作为感温元件的传感器，分别称为金属热电阻和热敏电阻。热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，一般把金属热电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏电阻。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℃。热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成。热电阻也可与温度变送器连接，转换为标准电流信号输出。8.1热电阻传感器热电式传感器

取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484

。

一、热电阻的材料工作原理8.1热电阻传感器热电式传感器易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻

8.1热电阻传感器热电式传感器表:热电阻的主要技术性能

8.1热电阻传感器热电式传感器铂电阻温度计的使用范围是-200℃～850℃。在0℃～850℃的范围内在-200℃～0℃的范围内式中Rt、R0——铂热电阻在t℃和0℃时的电阻值；A、B、C——分度常数。在ITS—90中，这些常数规定为A=3.940×10-3/℃，B=-5.802×10-7/℃2，C=-4.274×10-12/℃41.铂热电阻8.1热电阻传感器目前我国规定工业用铂热电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号分别为Pt50和Pt100，其中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rt－t的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比W(100)表示，即式中R100——铂热电阻在100℃时的电阻值；R0——铂热电阻在0℃时的电阻值。电阻比W(100)越大，其纯度越高。按IEC标准，工业使用的铂热电阻的W(100)≥1.3870。目前技术水平可达到W(100)=1.3930，其对应铂的纯度为99.9995%。一般情况下，工业铂热电阻由直径为0.03mm～0.07mm的纯铂丝绕在平板形支架，用银线作为引出线。8.1热电阻传感器热电式传感器优点：铂是一种贵金属。它的特点是精度高，稳定性好，性能可靠，尤其是耐氧化性能很强。铂在很宽的温度范围内约1200C以下都能保证上述特性。铂很容易提纯，复现性好，有良好的工艺性，可制成很细的铂丝(0.02mm或更细)或极薄的铂箔。与其它材料相比，铂有较高的电阻率，因此普遍认为是一种较好的热电阻材料。缺点：铂电阻的电阻温度系数比较小；价格贵8.1热电阻传感器热电式传感器薄膜型及普通型铂热电阻

8.1热电阻传感器热电式传感器小型铂热电阻

8.1热电阻传感器热电式传感器铂电阻温度显示、变送器8.1热电阻传感器热电式传感器可设定温度的温度控制箱

旋转式机械设定开关

拨码式设定开关8.1热电阻传感器热电式传感器2.铜热电阻铜热电阻的电阻温度系数比铂高，电阻与温度的关系(R-t)曲线几乎是线性的，并且铜价格便宜、易于提纯、工艺性好。因此，在一些测量精度要求不高、测温范围不大且温度较低的测温场合，可采用铜热电阻进行测温。在-50℃～150℃的使用范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的。式中——铜热电阻的电阻温度系数，取=4.28×10-3/℃；Rt、R0——铜热电阻在t℃和0℃时的电阻值。铜热电阻有两种分度号，分别为Cu50(R0=50)和Cu100(R0=100)铜热电阻线性好，价格便宜，但它的电阻率小、体积大、热惯性也大，容易氧化，测量范围窄，因此不适宜在腐蚀性介质中或高温下工作。8.1热电阻传感器热电式传感器8.1热电阻传感器热电式传感器其它热电阻铁/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。二.热电阻的结构工业用热电阻的外形和热电偶基本相同，它由热电阻体、引出线、绝缘骨架、保护套管、接线盒等部分组成。其中保护套管和接线盒的外形及其功能、要求和热电偶基本相同。热电阻的电阻体由电阻丝和电阻支架组成。电阻丝采用双线无感绕法绕制在一定形状的云母、石英或陶瓷塑z料支架上，支架起支撑和绝缘作用，引出线通常采用直径1mm的银丝或镀银铜丝，它与接线盒柱相接，以便与外接线路相连而测量及显示温度。8.1热电阻传感器热电式传感器三.热电阻的测量电路用热电阻传感器进行测温时，热电阻与检测仪表相隔一段距离，因为热电阻的引线对测量结果有较大的影响，所以测量电路经常采用电桥电路。热电阻内部的引线方式有二线制、三线制和四线制三种，如图所示。二线制中引线电阻对测量影响大，用于测温精度不高的场合；三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差；四线制可以完全消除引线电阻对测量结果的影响，用于高精度温度检测。(a)二线制接线(b)三线制接线(c)四线制接线8.1热电阻传感器热电式传感器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。8.1热电阻传感器热电式传感器三线制用于工业测量，一般精度8.1热电阻传感器热电式传感器四线制实验室用，高精度测量8.1热电阻传感器热电式传感器四.热电阻的应用1)热电阻温度计

通常工业上用于测温是采用铂电阻和铜电阻作为敏感元件，测量电路用得较多的是电桥电路。为了克服环境温度的影响常采用图所示的三导线四分之一电桥电路。由于采用这种电路，热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中，如果，则由于环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被相互抵消。8.1热电阻传感器热电式传感器2)热电阻式流量计右图是一个热电阻流量计的电原理图。两个铂电阻探头Rt1、Rt2，Rt1放在管道中央，它的散热情况受介质流速的影响。Rt2放在温度与流体相同，但不受介质流速影响的小室中。当介质处于静止状态时，电桥处于平衡状态，流量计没有指示。当介质流动时，由于介质流动带走热量，温度的变化引起阻值变化，电桥失去平衡而有输出，电流计的指示直接反映了流量的大小。8.1热电阻传感器热电式传感器一、热电偶传感器的工作原理1、热电效应先看一个实验——热电偶工作原理演示

结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）

左端称为：测量端（工作端、热端）

热电极B热电势AB8.2热电偶热电式传感器一、热电偶传感器的工作原理赛贝克（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。

8.2热电偶热电式传感器

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），则在两导体内产生热电势，并在回路中有一定大小的电流，这种现象称为热电效应。AB1T0T2mA铜铁热电偶的温差热电势与温度关系曲线8.2热电偶热电式传感器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、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）。

可见热电偶由温差产生的热电势是随介质温度变化而变化，即： Et＝eAB(T)－eAB(T0)；

eAB(T0)—温度为T0处热电势；

eAB(T)—温度为T处热电势。

Et

—热电偶的热电势；8.2热电偶热电式传感器AB1T0T2热电偶示意图ABT0T测量仪表或电路热电偶与测量仪表连接示意图8.2热电偶热电式传感器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8.2热电偶热电式传感器其大小可表示为：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8.2热电偶热电式传感器

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8.2热电偶热电式传感器

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）ABT0T温差电势T>T08.2热电偶热电式传感器(3)回路总电势由导体材料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)ABNAT、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。8.2热电偶热电式传感器两热电极相同时，总电动势为?两接点温度相同时，总电动势为?结论：热电偶必须采用两种不同材料作为热电极，热电偶的热端和冷端必须具有不同的温度。均为0T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB(3)回路总电势8.2热电偶热电式传感器1、中间导体定律二、热电偶的基本定律

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。BT0TABT0TT0AC8.2热电偶热电式传感器T>T0ABT0TT0Cab8.2热电偶热电式传感器推导过程

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。8.2热电偶热电式传感器2、参考电极定律（标准电极定律）BT0TACT0TABT0TC

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。热电式传感器8.2热电偶证明：BT0TACT0TABT0TC8.2热电偶热电式传感器3、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。8.2热电偶热电式传感器对电极材料的要求：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。8.2热电偶热电式传感器三、常用的热电偶8.2热电偶热电式传感器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。

直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。

8.2热电偶热电式传感器S型(铂铑10-铂)热电偶分度表8.2热电偶热电式传感器返回7/23/202343如何利用热电偶的分度表

假设热电偶的冷端温度为0C，请根据“工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表”，查出－100C

、0C、

100C

时的热电势。数字式温度表温度上限设定值温度上限值设定键8.2热电偶热电式传感器K热电偶的分度表

45按结构分类——普通型8.2热电偶热电式传感器按结构分类——铠装型8.2热电偶热电式传感器按结构分类——隔爆型8.2热电偶热电式传感器四、热电偶测温线路（1）测量某点温度的基本电路热电偶直接和仪表配用的测温电路：8.2热电偶热电式传感器（2）热电偶反向串联电路（温度差）将两个同型号的热电偶配用相同的补偿导线，反向串联连接。图中A′、B′是与测量热电偶热电性质相同的补偿导线，电路中两热电势反向串联，仪表可测得T1和T2之间的温度差值。8.2热电偶热电式传感器（3）热电偶并联电路

用几个同型号的热电偶并联在一起，在每一个热电偶线路中分别串联均衡电阻R，并要求热电偶都工作在线性段。根据电路理论，当仪表的输入阻抗很大时，回路中总的热电势等于热电偶输出电势之和的平均值，即8.2热电偶热电式传感器（4）热电偶串联电路热电偶串联电路。用几个同型号的热电偶依次将正负相连，回路总的热电势为这种电路输出电势大，可感应较小的信号。但只要有一个热电偶断路，总的热电势消失；若热电偶短路，将会引起仪表值的下降。图3-21热电偶多点温度求和电路8.2热电偶热电式传感器五、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。8.2热电偶热电式传感器（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。8.2热电偶热电式传感器（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。8.2热电偶热电式传感器由分度表查得E(20,0)=？

E(20,0)=0.113mv则E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)=7.32+0.113=7.434mv

再查分度表得其对应的被测温度t=808℃例用S型热电偶测温，热电偶的冷端温度t0=20℃，测得热电势为7.32mv，求被测对象的实际温度t。解8.2热电偶热电式传感器（3）电桥补偿法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++-abUUabR3RcuR1R2R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。8.2热电偶热电式传感器(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）。8.2热电偶热电式传感器

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8.2热电偶热电式传感器回路总电势为:Ec=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)=EAB(T,T0)

上式证明了回路中总电势等于EAB(T,T0)，相当于冷端直接延伸到了温度为T0处，但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℃。B′ABTT0TNTNA′8.2热电偶热电式传感器应用延长线应注意：

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。8.2热电偶热电式传感器

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8.3热敏电阻热电式传感器

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。8.3热敏电阻热电式传感器

半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，适于在-100℃～300℃之间测温。

热敏电阻的缺点是互换性较差，另外其热电特性是非线性的。8.3热敏电阻热电式传感器1、热敏电阻的结构和特点

金属氧化物：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。优点：（1）结构简单、体积小、可测点温度；

（2）电阻温度系数大，灵敏度高（10倍）；

（3）电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。

8.3热敏电阻热电式传感器8.3热敏电阻热电式传感器热敏电阻的主要参数8.3热敏电阻热电式传感器RT＝Ae(B/T) RT—温度为T时电阻值

A—与材料和几何尺寸有关的常数

B—热敏电阻常数（与半导体物理性能有关）若已知T1和T2时电阻为RT1和RT2，则：8.3热敏电阻热电式传感器2、热敏电阻的温度特性

2、热敏电阻的温度特性

负温度系数热敏电阻：NTC正温度系数热敏电阻：PTC临界温度系数热敏电阻：CTR04080120160200106104102100温度℃电阻CTR

NTC

PTC

可见CTR临界热敏电阻有一突变温度，此特性可用于自动控温和报警电路中。8.3热敏电阻热电式传感器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。1、NTC热敏电阻T

R8.3热敏电阻热电式传感器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。当温度高于居里点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）8.3热敏电阻热电式传感器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。8.3热敏电阻热电式传感器

将热敏电阻接上一个电流源，并在它两端测得端电压，可得到热敏电阻的伏安特性。····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