第09章 温度传感器

测量技术基础第九章温度传感器温度测量基本概念热电偶传感器热电阻式传感器集成温度传感器本章内容：温度：反映了物体的冷热程度，与自然界中各种物理和化学过程相联系。温度测量：以热平衡为基础。温度基本特性：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热、换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，具有相同的温度。温度测量方式：接触式和非接触式。一、温度测量基本概念§9.1温度测量基本概念二、温标1、温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度读数的起点(即零点)以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标和国际实用温标等。§9.1温度测量基本概念华氏温标与摄氏温标：F=9/5C°+32摄氏温标与热力学温标：C°=K-273.15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。§9.1温度测量基本概念三、温度传感器分类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、光辐射传感器种类铂测温电阻、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6.气体压力温度计1．

热铁氧体2．

Fe-Ni-Cu合金§9.1温度测量基本概念热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅分类特征传感器名称超高温用传感器1500℃以上光学高温计、辐射传感器高温用传感器1000～1500℃光学高温计、辐射传感器、热电偶中高温用传感器500～1000℃光学高温计、辐射传感器、热电偶中温用传感器0～500℃低温用传感器-250～0℃极低温用传感器-270～-250℃BaSrTiO3陶瓷晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计见表下内容测温范围§9.1温度测量基本概念分类特征传感器名称测温范围宽、输出小测温电阻器、晶体管、热电偶半导体集成电路传感器、可控硅、石英晶体振动器、压力式温度计、玻璃制温度计线性型测温范围窄、输出大热敏电阻指数型函数开关型特性特定温度、输出大感温铁氧体、双金属温度计测温特性测温特性§9.1温度测量基本概念1热电偶测温原理2热电偶基本定律3热电偶冷端处理和补偿4标准化热电偶5热电偶分度表6热电偶传感器的应用§9.2热电偶传感器热电偶测温主要优点

1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；

2、测温范围广：下限可达-270

C，上限可达1800

C以上；

3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。§9.2.1热电偶测温原理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AB§9.2.1热电偶测温原理

热电偶：两种不同的金属A和B构成闭合回路，当两个接触端T﹥T0时，回路中会产生热电势。

热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定ABTT0§9.2.1热电偶测温原理§9.2.1热电偶测温原理1)接触电势(帕尔贴热电势)

两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。

2)温差电势(汤姆逊热电势)§9.2.1热电偶测温原理3)热电偶回路的总热电势

热电势存在必须具备两个条件：

a)两种不同的金属材料组成热电偶；b)两端存在温差。

热电势是T和T0的温度函数的差，而不是温度的函数。当T0=0℃时，f(T0)=0则有：

E与T间有唯一对应的单值函数关系，因此可用测量到的热电势E来得到对应的温度值T，热电偶热电势的大小，只与导体A和B的材料及冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及接触面积无关。1)匀质导体定律2)中间导体定律3)连接导体定律§9.2.2热电偶基本定律1)匀质导体定律

热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。TT0

由一种匀质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积及导体的各处温度如何分布，都不能产生热电势。热电偶必须采用两种不用材料的导体组成。§9.2.2热电偶基本定律2)中间导体定律

在热电偶回路中接入与另一种导体称中间导体C，只要中间导体的两端温度相同，热电偶回路总电动势不受中间导体接入的影响。为用测量仪表测量回路的热电动势提供理论依据TT0V§9.2.2热电偶基本定律

两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极3)连接导体定律§9.2.2热电偶基本定律

热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，才能通过测量热电势的大小得到热端的温度。

热电偶的冷端处理和补偿：

当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为0℃。§9.2.3热电偶冷端处理和补偿几种冷端处理方法1)热电偶冷端温度恒温法2)计算修正法3)冷端补偿电桥法§9.2.3热电偶冷端处理和补偿1)热电偶冷端温度恒温法§9.2.3热电偶的冷端处理和补偿

在实际应用中，热电偶的参比端往往不是0ºC，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。

可用室温计测出环境温度T1，从分度表中查出的E(T1,0)值，然后加上热电偶回路热电势E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到准确的被测温度值。2)计算修正法§9.2.3热电偶的冷端处理和补偿例：用镍铬--镍硅(K型)热电偶测温，热电偶参比端温度为30℃。测得的热电势为28mV，求热端温度。反查K分度表T=701.5℃计算修正曲线2)计算修正法§9.2.3热电偶的冷端处理和补偿

利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值3)冷端补偿电桥法§9.2.3热电偶的冷端处理和补偿

桥臂铜电阻RCu必须和热电偶的冷端处于同一温度下。电桥在0℃设计的RCu的阻值与其余三个桥臂电阻相等，这时电桥处于平衡状态，图中b和a之间的电压Uba=0(冷端补偿器输出电压)。当冷端t0>0℃时，热电偶电势将减少，RCu增大，使电桥不平衡，出现Uba>0。这时Uba与热电势E(T,T0)同向串联，电势相加增大，起到了补偿作用，相当于把热电偶冷端置于0℃，完成了热电偶冷端处理和补偿功能。3)冷端补偿电桥法§9.2.3热电偶的冷端处理和补偿

标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。国际电工委员会(IEC)共推荐了8种标准化热电偶从1988年1月1日起，我国热电偶和热电阻的生产全部按IEC的标准，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。但其中的R型（铂铑13-铂）热电偶，因其温度范围与S型（铂铑10-铂）重合，我国没有生产和使用。§9.2.4标准化热电偶标准化热电偶技术数据热电偶名称分度号热电极识别E（100,0）（mV）测温范围（℃）对分度表允许偏差（℃）新极性识别长期短期等级使用温度允差铂铑10-铂S正亮白较硬0.6460~13001600Ⅲ≤600±1.5℃负亮白柔软＞600±0.25%t铂铑13-铂R正较硬0.6470~13001600Ⅱ＜600±1.5℃负柔软＞1100±0.25%t铂铑30-铂铑B正较硬0.0330~16001800Ⅲ600~900±4℃负稍软＞800±0.5%t镍铬-镍硅K正不亲磁4.0960~12001300Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t负稍亲磁Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t镍铬硅-镍硅N正不亲磁2.774-200~12001300Ⅰ-40~1100±1.5℃或±0.4%t负稍亲磁Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t镍铬-康铜E正暗绿6.319-200~760850Ⅱ-40~900±2.5℃或±0.75%t负亮黄Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t铜-康铜T正红色4.279-200~350400Ⅱ-40~350±1℃或±0.75%t负银白色Ⅲ-200~40±1℃或±1.5%t铁-康铜J正亲磁5.269-40~600750Ⅱ-40~750±2.5℃或±0.75%t负不亲磁§9.2.4标准化热电偶镍铬-镍硅热电偶(K型)

使用量最大的廉金属热电偶，用量为其它热电偶的总和。正极(KP)的名义化学成分为：Ni:Cr=90:10，负极(KN)的名义化学成分为：Ni:Si=97:3。其使用温度为-200～1300℃。优点：线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性均好，抗氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛中。缺点：K型热电偶不能在高温下直接用于还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。§9.2.4标准化热电偶热电偶的分度表

——热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法

我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”(简称ITS-90)的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。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0

C。§9.2.5热电偶的分度表几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析

思考：

1)哪几种热电偶的测温上限较高？

2)哪一种热电偶的灵敏度较高？

3)哪一种热电偶的灵敏度较低？

4)哪几种热电偶的线性较差？为什么所有的曲线均过原点(零度点)？§9.2.4标准化热电偶如何利用热电偶的分度表

假设热电偶的冷端温度为0

C，请根据工业中常用的镍铬-镍硅(K)热电偶的分度表，查出－100

C、0

C、100

C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§9.2.5热电偶的分度表K热电偶

的分度表比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？§9.2.5热电偶的分度表普通装配型热电偶的结构放大图接线盒引出线套管固定螺纹(出厂时用塑料包裹)热电偶工作端(热端)不锈钢保护管§9.2.6热电偶结构形式铠装型热电偶外形铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）BA绝缘材料铠装型热电偶横截面§9.2.6热电偶结构形式其它热电偶外形小形K型热电偶§9.2.6热电偶结构形式1金属热电阻2半导体热敏电阻热电阻式传感器的应用§9.3热电阻式传感器常用热电阻(1)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。(2)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℃。§9.3热电阻式传感器(1)铂热电阻

铂电阻的精度与铂的提纯程度有关。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。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。百度电阻比目前最好材料§9.3.1金属热电阻pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。§9.3热电阻式传感器

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)≥1.391R0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)铂热电阻§9.3.1金属热电阻(2)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。§9.3.1金属热电阻铜电阻的阻值与温度之间的关系为α为铜的温度系数，α＝(4.25～4.28)×10-3/℃。铜电阻的阻值与温度之间的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。(2)铜热电阻§9.3.1金属热电阻

利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结。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。§9.3.2半导体热敏电阻热敏电阻(Thermistor)分类正温度系数(PTC，PositiveTemperatureCoefficient)负温度系数(NTC，NegativeTemperatureCoefficient)临界温度热敏电阻(CTR，CriticalTemperatureResistor)§9.3.2半导体热敏电阻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。§9.3.3热敏电阻式传感器的应用(1)温度测量热敏电阻点温计§9.3.3热敏电阻式传感器的应用简易温度控制器(2)温度控制§9.3.3热敏电阻式传感器的应用

仪表中的电阻温度补偿电路金属一般具有正的温度系数，采用负温度系数的热敏电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差。(3)温度补偿§9.3.3热敏电阻式传感器的应用热敏传感器§9.3.3热敏电阻式传感器的应用温控器热敏传感器汽车发动机传感器水温感应塞广泛应用于空调、暖气、电子体温计等§9.3.3热敏电阻式传感器的应用集成温度传感器

集成温度传感器(温度IC)将温度敏感元件和放大、运算和补偿等电路采用微电子技术和集成工艺集成在一片芯片上，从而构成集测量、放大、电源供电回路于一体的高性能的测温传感器。§9.4集成温度传感器PN结的温度特性二极管的正向电压降UD以-2mV/℃变化1、集成温度传感器的测温原理

§9.4集成温度传感器2、集成温度传感器的类型

集成温度传感器可分为：模拟型集成温度传感器和数字型集成温度传感器。模拟型的输出信号形式有电压型和电流型两种。电压型的灵敏度多为10mV/℃(以摄氏温度0℃作为电压的零点)

电流型的灵敏度多为1μA/K(以绝对温度0K作为电流的零点)；数字型又可以分为开关输出型、并行输出型、串行输出型