传感器与自动检测技术 第2版 课件 5温度与湿度传感器

5.温度与湿度传感器5.1概述

温度是反映物体冷热状态的物理参数。在2000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度。人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。工业生产自动化流程,温度测量点要占全部测量点的一半左右。温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。

5.1.1温标

温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。温度是与人类生活息息相关的物理量。在2000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度。人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。工业生产自动化流程,温度测量点要占全部测量点的一半左右。温度是反映物体冷热状态的物理参数。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量。表示温度大小的尺度是温度的标尺，简称温标。热力学温标国际实用温标摄氏温标华氏温标5.1.1温标如果在式中再规定一个条件,就可以通过卡诺循环中的传热量来完全地确定温标。1954年，国际计量会议选定水的三相点为273.16，并以它的1/273.16定为一度，这样热力学温标就完全确定了，即T=273.16(Q1/Q2)。1848年威廉·汤姆首先提出以热力学第二定律为基础，建立温度仅与热量有关，而与物质无关的热力学温标。因是开尔文总结出来的，故又称开尔文温标，用符号K表示。它是国际基本单位制之一。根据热力学中的卡诺定理，如果在温度T1的热源与温度为T2的冷源之间实现了卡诺循环，则存在下列关系式(1)热力学温标Q1——热源给予热机的传热量

Q2——热机传给冷源的传热量为解决国际上温度标准的同意及实用问题，国际上协商决定，建立一种既能体现热力学温度（即能保证一定的准确度），又使用方便、容易实现的温标，即国际实用温标InternationalPracticalTemperatureScaleof1968(简称IPTS-68)，又称国际温标。(2)国际实用温标注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔1K=1℃。T0是在标准大气压下冰的融化温度，T0=273.15K。水的三相点温度比冰点高出0.01K。1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用t表示，其单位是开尔文，符号为K。1K定义为水三相点热力学温度的1/273.16，水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为273.16K，这是建立温标的惟一基准点。氢氧三相点沸点54.36190.188-218.798-182.962水三相点沸点273.16373.150.01100.0锌凝固点692.73419.58银凝固点1235.08961.93金凝固点1337.581064.43物质三相点平衡状态温度T68/KT68/℃13.817.04220.827.102-259.31-256.108-252.87-246.048沸点25/76atm沸点沸点国际实用温标（IPTS-68）的固定点①低温铂电阻温度计（13.81K—273.15K）；②铂电阻温度计（273.15K—903.89K）；③铂铑-铂热电偶温度计（903.89K—1337.58K）；④光测温度计（1337.58K以上）。国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号T68和t68来区别（一般简写为T与t）。

四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器(3)摄氏温标工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，℃)，一般用小写字母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：T=t+273.15

Kt=T-273.15

℃(4)华氏温标

目前已用得较少，它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用℉，它和摄氏温度的关系如下：m=1.8n+32℉n=5/9(m-32)℃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合金温度传感器的物理原理5.1.2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。5.2热电偶传感器

热电偶在温度的测量中应用十分广泛。它构造简单，使用方便，测温范围宽，并且有较高的精确度和稳定性。实验----热电偶工作原理演示

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AB5.2.1热电偶测温原理1.热电效应热电偶的工作原理从实验到理论：热电效应

1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。通过演示得出结论——有关热电偶热电势的讨论将两种不同的导体（或半导体）A、B组合成闭合回路。若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有热电动势存在。此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外,还决定于结点处的温差，这种现象称为热电效应或西拜克效应。热电偶就是根据此原理设计制作的将温差转换为电势量的热电式传感器。热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。如图所示，两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该回路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电势。热电效应1.热电效应

假设两种金属A、B的自由电子密度分别为nA和nB,且nA>nB。当两种金属相接时，将产生自由电子的扩散现象。达到动态平衡时，在A、B之间形成稳定的电位差，即接触电势eAB，如图所示。

两种导体的接触电势

2.两种导体的接触电势接触电势原理图+ABeAB(T)-eAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e——单位电荷，e=1.6×10-19C；

k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——导体A、B在温度为T时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。(2)两种导体的接触电势3.单一导体的温差电势单一导体温差电势

导体中的自由电子，在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散，在导体两端产生了电势，这个电势称为单一导体的温差电势。

对于单一导体，如果两端温度分别为T、TO，且T>TO，如图所示。AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0——高低端的绝对温度；σA——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，例如在0℃时，铜的σ=2μV/℃。温差电势温差电势原理图3.单一导体的温差电势由导体材料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)AB4.势电偶回路中产生的总热电势(回路总电势)NAT、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。根据电磁场理论得EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=f(T)-C=g(T)由于NA、NB是温度的单值函数在工程应用中，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。实际应用时可通过热电偶分度表查出温度值。分度表是在参考端温度为00C时，通过实验建立的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。4.势电偶回路中产生的总热电势(回路总电势)热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。2.只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。3.只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。4.导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。结论(4点)：对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为T1、T2、

…、Tn

，冷端温度为零度的热电势。其热电势为

E=EAB（T1）+EBC（T2）+…+ENA（Tn）

由一种导体组成的闭合回路，无论截面和形状如何，都不能产生电动势。由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同（称为同名极检验法），也可以检查热电极材料的均匀性。

5.2.2热电偶的基本定律1.均质导体定律

E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三种不同导体组成的热电偶回路TABCTT2.中间导体定律一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则

将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：T2T1AaBC23EABaAT023ABEABT1T2CT0EAB（T1,T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三种材料接入热电偶回路图2.中间导体定律ET0T0TET0T1T1T电位计接入热电偶回路用途根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。2.中间导体定律

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。

用途：纯金属很多，合金更多，如果要得出它们之间的热电动势很困难。铂的物理化学性质稳定，熔点高、易提纯。通常选用高纯铂丝作为标准电极。3.标准电极定律EAC(T，T0)=eAC(T)–eAC(T0)EBC(T，T0)=eBC(T)–eBC(T0)

如图所示。已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为(T，T0)时的热电动势分别为EAC(T，T0)、EBC(T，T0)，则相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势EAB(T，T0)可按下面公式计算：

EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0)

大大简化了热电偶选配电极的工作。参考电极定律示意图

3.标准电极定律例:当T为100℃，T0为0℃时，鉻合金—铂热电偶的E（100℃，0℃）=+3.13mV，铝合金—铂热电偶E（100℃，0℃）为-1.02mV，求鉻合金—铝合金组成热电偶的热电势E（100℃，0℃）。解：设鉻合金为A，铝合金为B，铂为C。即EAC（100℃，0℃）=+3.13mVEBC（100℃，0℃）=-1.02mV则EAB(100℃,0℃)=+4.15mV例题分析4.中间温度定律

如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1,T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2,T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1,T3)，则BBAT2T1

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）用途：制定热电式分度表奠定理论基础，参考温度0度EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）

=EAB（T1,0）-EAB（T3,0）=EAB（T1）-EAB（T3）

ABT1T2T2A’B’T0T0热电偶补偿导线接线图E对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0℃时，则：只要T1、T0不变，接入AˊBˊ后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EAB=EAB(T1)–EAB(T0)说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A′、B′(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA΄(T2)=EBB΄(T2)，则回路总电动势为4.中间温度定律

5.2.3热电偶材料、结构及种类1.热电偶材料(1)对热电偶材料要求①测量范围广。在规定的温度测量范围内具有较高的测量精确度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关系是单值函数。②性能稳定。要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定，有较好的均匀性和复现性。③化学性能好。要求在规定的温度测量范围内使用时有良好的化学稳定性、抗氧化或抗还原性能，不产生蒸发现象。(2)热电偶材料目前，我国大量生产和使用的性能符合专业标准或国家标准并具有统一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料，共有6个品牌。它们分别是：铂铑30-铂铑6，铂铑10-铂，镍铬-镍硅，镍铬-镍铜，铁-铜镍，铜-铜镍。

2.热电偶的结构

1-热电极;2-绝缘瓷管;3-保护管;4-接线座;5-接线柱;6-接线盒直形无固定装置普通工业用热电偶(1)普通型热电偶

普通型热电偶一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。

①热电极

热电极又称偶丝，它是热电偶的基本组成部分。用普通金属做成偶丝，其直径一般为0.5～3.2mm；用贵重金属做成的偶丝，直径一般为0.3～0.6mm。偶丝的长度则由工作端插入在被测介质中的深度来决定，通常为300～2000mm，常用的长度为350mm。绝缘管又称绝缘子，是用于热电极之间及热电极与保护套之间进行绝缘保护的零件，以防止它们之间互相短路。

热电偶的工作端被焊接在一起，热电极之间需要用绝缘套管保护。通常测量温度在1000℃以下选用粘土质绝缘套管，在1300℃以下选用高铝绝缘套管，在1600℃以下选用刚玉绝缘套管。②绝缘套管：

保护套管是用于保护热电偶感温元件免受被测介质化学腐蚀和机械损伤的装置。因此保护管的作用是使热电偶电极不直接与被测介质接触。保护套管应具有耐高温、耐腐蚀且导热性好的特性，可以用作保护套管的材料有金属、非金属及金属陶瓷三大类。它不仅可延长热电偶的寿命，还可起到支撑和固定热电极，增加其强度的作用。③保护管：④接线盒

热电偶的接线盒用于固定接线座和连接外界导线，起着保护热电极免受外界环境侵蚀和保证外接导线与接线柱接触良好的作用。接线盒一般由铝合金制成，根据被测介质温度对象和现场环境条件要求，可设计成普通型、防溅型、防水型、防爆型等接线盒。

铠装热电偶也称缆式热电偶，是将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘物溶铸在一起，外表再套不锈钢管等构成。如图所示这种热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用。(2)铠装式热电偶（又称套管式热电偶）1-热电极;2-绝缘材料;3-金属套管;4-接线盒;5-固定装置铠装热电偶

(a)(b)(c)(d)

132

(2)铠装式热电偶（又称套管式热电偶）优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。

测温范围在1100℃以下的有：镍铬—镍硅、镍铬—考铜铠装式热电偶。

断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。铠装式热电偶断面结构示意图

1—

金属套管;2—绝缘材料;3—热电极

(a)—碰底型;(b)—不碰底型;(c)—露头型;(d)—帽型

(2)铠装式热电偶（又称套管式热电偶）用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.01～0.lμm)4123快速反应薄膜热电偶1—热电极;2—热接点;3—绝缘基板;4—引出线因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁—镍、铁—康铜和铜—康铜三种,尺寸为60×6×0.2mm;绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300℃以下；反应时间仅为几ms。(3)快速反应薄膜热电偶(3)快速反应薄膜热电偶

为了准确可靠地进行温度测量，必须对热电偶组成材料严格选择。常用的4种标准化热电偶丝材料为铂铑30－铂铑6、

铂铑10－铂、

镍铬－镍硅、

镍铬－铜镍（我国通常称为镍铬－康铜）。组成热电偶的两种材料，写在前面的为正极，写在后面的为负极。3.标准化热电偶和分度表热电偶的热电动势与温度的关系表，称之为分度表。热电偶（包括后面要介绍的金属热电阻及测量仪表）分度表是IEC（国际电工委员会）发表的相关技术标准（国际温标）。该标准以表格的形式规定各种热电偶/阻在-271℃～2300℃每一个温度点上的输出电动势（参考端温度为0℃），各种热电偶/阻命名统一代号，称为分度号。我国于1988年1月1日起采用该标准（以前用的称之为旧标准），我国指定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。3.热电偶类型和分度表（1）标准型热电偶①铂铑10－铂热电偶（分度号为S，也称为单铂铑热电偶，旧分度号为LB－3

特点是性能稳定，精度高，抗氧化性强，长期使用温度可达1300℃。②铂铑13－铂热电偶（分度号为R，也称为单铂铑热电偶）同S型相比，它的热电动势率大15%左右，其它性能几乎相同。标准化热电偶性能③铂铑30－铂铑6热电偶（分度号为B，也称为双铂铑热电偶，旧分度号为LL－2）在室温下，其热电动势很小，故在测量时一般不用补偿导线，可忽略冷端温度变化的影响。长期使用温度为1600℃，短期为1800℃，因热电动势较小，故需配用灵敏度较高的显示仪表。即使在还原气氛下，其寿命也是R或S型的10～20倍。缺点是价格昂贵。标准化热电偶性能④镍铬－镍硅（镍铝）热电偶（分度号为K，旧分度号为EU－2）是抗氧化性较强的贱金属热电偶，可测量0～1300℃温度。热电动势与温度的关系近似线性，价格便宜，是目前用量最大的热电偶。⑤铜－铜镍热电偶（分度号为T，旧分度号为CK）价格便宜，使用温度是-200～350℃。标准化热电偶性能⑥铁－铜镍热电偶（分度号为J）价格便宜,适用于真空、氧化或惰性气氛中，温度范围为-200～800℃。⑦镍铬－铜镍热电偶（分度号为E，旧分度号为EA－2）是一种较新的产品，裸露式结构无保护管，在常用的热电偶中，其热电动势最大。适用于0～400℃温度范围。标准化热电偶性能（2）非标准型热电偶非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。铂铑系热电偶有铂铑20-铂铑5、铂铑40-铂铑20等一些种类，其共同的特点是性能稳定，适用于各种高温测量。铱铑系热电偶有铱铑40-铱、铱铑60-铱。这类热电偶长期使用的测温范围在2000℃以下，且热电动势与温度线性关系好。钨铼系热电偶有钨铼3-钨铼25、钨铼5-钨铼20等种类。它的最高使用温度受绝缘材料的限制，目前可达到2500℃左右，主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。5.2.4热电偶的冷端补偿

从热电效应的原理可知，热电偶产生的热电动势不仅与热端温度有关，而且与冷端的温度有关。只有将冷端的温度恒定，热电动势才是热端温度的单值函数。由于热电偶分度表是以冷端温度为0℃时做出的，因此在使用时要正确反映热端温度（被测温度），最好设法使冷端温度恒为0℃；否则将产生测量误差。但在实际应用中，热电偶的冷端通常靠近被测对象，且受到周围环境温度的影响，其温度不是恒定不变的。为此，必须采取一些相应的措施进行补偿或修正，以消除冷端温度变化和不为0℃所产生的影响。1.冷端0℃恒温法

在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0℃恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0℃。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。2.补偿导线法

热电偶由于受到材料价格的限制不可能做得很长，而要使其冷端不受测温对象的温度影响，必须使冷端远离温度对象，采用补偿导线就可以做到这一点。所谓补偿导线，实际上是一对材料的化学成分不同的导线，在0～150℃温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所（如仪表室），其实质是相当于将热电极延长。根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的两个接点温度一致，是不会影响热电动势输出的。3.冷端温度修正法

在实际应用中，冷端温度并非一定为0℃，所以测出的热电动势还是不能正确反映热端的实际温度。为此，必须对温度进行修正。修正公式为EAB(T，0)=EAB(T，T1)+EAB(T1，0)式中，EAB(T，0)为热电偶热端温度为T，冷端温度为0℃时的热电动势；EAB(T，T1)为热电偶热端温度为T，冷端温度为T1时的热电动势；EAB(T1，0)为热电偶热端温度为T1，冷端温度为0℃时的热电动势。4.冷端温度自动补偿法（电桥补偿法）

补偿电桥法利用不平衡电桥产生的不平衡电势来补偿因冷端温度变化引起的热电势变化值，可以自动地将冷端温度校正到补偿电桥的平衡点温度上。补偿器（补偿电桥）的应用如图所示。桥臂电阻R1、R2、R3、RCu与热电偶冷端处于相同的温度环境，R1、R2、R3均为由锰铜丝绕制的1Ω电阻，RCu是用铜导线绕制的温度补偿电阻。E=4V，是经稳压电源提供的桥路直流电源。Rs

是限流电阻，阻值因配用的热电偶的不同而不同。例如：用K型（镍铬-镍硅）热电偶测炉温时，参考端温度t0=30℃，由分度表可查得E(30℃,0℃)=1.203mv，若测炉温时测得E(t,30℃)=28.344mv，则可计算得

E(t,0℃)=E(t,30℃)+E(30℃,0℃)=29.547mv

由29.547mv再查分度表得t=710℃，是炉温。例题5.仪表机械零点调整法法

对于具有零位调整的显示仪表而言，如果热电偶冷端的温度T0的值较为恒定，可采用测温系统未工作前，预先将显示仪表的机械零点调整到T0上，当系统投入工作后，显示仪表的示值就是实际的被测温度。常用的热电偶测温电路示意图

（d）为两热电偶反向串联测量两点温差（b）表示两个热电偶并联测量两点平均温度（c）为两热电偶正向串联测两点温度之和。5.2.5热电偶测温线路

(1)热电偶测温基本电路1.测量某一点的温度

用于测量某一点的温度电路如图所示，由一支热电偶与一个测量仪表配合使用的连接电路，A′、B′为补偿导线。这两种连接方式的区别在于：图a中的热电偶冷端被延伸到仪表内，而图b中的热电偶冷端在仪表外面，RD为连接冷端与仪表的导线的电阻。2.测量两点之间的温度差（热电偶反向串联）

测量两点之间的温度差电路如图所示，是用两支热电偶（两个热电偶反向串联）与一个仪表进行配合，测量两点之间温差的线路。图中用了两支型号相同的热电偶并配用相同的补偿导线。工作时，两支热电偶产生的热电动势方向相反，故输入仪表的是其差值，这一差值正反映了两支热电偶热端的温差。为了减少测量误差，提高测量精度，要尽可能选用热电特性一致的热电偶，同时要保证两热电偶的冷端温度相同。3.测量多点之间的平均温度（热电偶并联线路）有些大型设备需测量多点的平均温度，可以通过与热电偶并联的测量电路来实现。将n支同型号热电偶的正极和负极分别连接在一起的线路称并联测量线路。如果n支热电偶的电阻均相等，则并联测量线路的总热电动势等于n支热电偶热电动势的平均值，即在热电偶并联线路中，当其中一支热电偶断路时，不会中断整个测温系统的工作。

4.测量多点之间的温度之和（热电偶同向串联）

热电偶同向串联线路的主要优点是热电动势大，使仪表的灵敏度大为增加。缺点是只要有一支热电偶断路，整个测量系统便无法工作。

将n支同型号热电偶依次按正负极相连接的线路称同向串联测量线路，如图所示。串联测量线路的总热电动势等于n支热电偶热电动势之和，即

热电偶串、并联测温时，应注意两点：第一，必须应用同一分度号的热电偶；第二，两热电偶的参考端温度应相等。热电偶测温基本电路冰浴法接线原理动圈式温度指示仪工作原理燃气热水器防熄火防缺氧

金属热电阻传感器一般称作热电阻传感器，是利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理进行测温的。金属热电阻的主要材料是铂、铜、镍。热电阻广泛用来测量-220～+850℃范围内的温度，少数情况下,低温可测量至1K（-272℃），高温可测量至1000℃。5.3金属热电阻传感器

最基本的热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，如图所示。金属热电阻传感器测量示意图

1.3金属热电阻传感器1.铂热电阻结构

5.3.1铂热电阻传感器

用直径0.02～0.07mm铂丝绕在云母等绝缘骨架上，装入保护套管，接出引线，ρ＝0.0981×10－6Ωm；或箔式结构，薄膜式结构，测温范围为－259.34～630.74℃；主要作为标准电阻温度计

热电阻传感器由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等组成。铂电阻的精度与铂的提纯程度有关，用W(100)表示纯度。百度电阻比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）≥1.39256，纯度99.9995％，精度：

0.001℃～

0.0001℃。目前技术水平已达到W（100）＝1.3930。工业用标准热电阻：W(100)≥1.391，精度：

200℃～0℃，

1℃、0℃～100℃，

0.5℃、100℃～650℃，

(0.5％)t。

2.百度电阻比

铂电阻的特点是测温精度高，稳定性好，得到了广泛应用，应用温度范围为-200～+850℃。铂电阻的电阻—温度特性，在-200～0℃的温度范围内为

Rt=RO[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]

在0～+850℃的温度范围内为

Rt=RO(1+At+Bt2)3.铂热电阻的电阻—温度特性

1.铜热电阻的结构

5.3.2铜热电阻传感器

铜热电阻由铜丝绕成，铜的α＝（4.25～4.28）×10－3/℃、ρ＝0.017×10－6Ω·m。测温范围在

50℃～100℃，用于测量精度要求不高且温度较低的场合。

由于铂是贵金属，在测量精度要求不高，温度范围在-50～+150℃时普遍采用铜电阻。铜电阻与温度间的关系为

Rt=R0(1+α1t+α2t2+α3t3)

由于α2、α3比α1小得多，所以可以简化为

Rt≈R0(1+α1t)2.铜热电阻的电阻－温度特性5.3.3热电阻测温线路热电阻测温电路主要采用直流电桥线路，常采用三线接法。常采用四线接法。在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40～＋350℃）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。热敏电阻是利用某些金属氧化物或单晶锗、硅等材料，按特定工艺制成的感温元件。

5.4半导体热敏电阻5.4.1热敏电阻的特点与分类1.热敏电阻的分类

（1）正温度系数热敏电阻器（PTC）电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏阻器。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。（2）负温度系数热敏电阻器（NTC）电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。（3）突变型负温度系数热敏电阻器（CTR)该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低3～4个数量级，即具有很大负温度系数。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。2.热敏电阻的特点

（1）电阻温度系数的范围甚宽有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突变的三种热敏电阻元件。电阻温度系数的绝对值比金属大10～100倍左右。（2）材料加工容易、性能好可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够作到小型化。最小的珠状热敏电阻其直径仅为0.2mm。（3）阻值在1～10MΩ之间可供自由选择一般可不必考虑线路引线电阻的影响；由于其功耗小、故不需采取冷端温度补偿，所以适合于远距离测温和控温使用。（4）稳定性好在0.01℃的小温度范围内，其稳定性可达0.0002℃的精度。（5）原料资源丰富，价格低廉1.标称阻值标称电阻值是热敏电阻在25±0.2℃时的阻值。

厂家通常将热敏电阻25℃时的零功率电阻值作为R0

，称为额定电阻值或标称阻值，记作R25

，85℃时的电阻值R85作为RT

。标称阻值常在热敏电阻上标出。

R85也由厂家给出。

5.4.2热敏电阻的基本参数

表征负温度系数(NTC)热敏电阻器材料的物理特性常数。

BN值决定于材料的激活能∆E,具有BN=∆E／2k的函数关系，式中k为波尔兹曼常数。一般BN值越大，则电阻值越大，绝对灵敏度越高。在工作温度范围内，BN值并不是一个常数，而是随温度的升高略有增加的。

2.材料常数BN

5.4.2热敏电阻的基本参数

3.电阻温度系数（%/℃）热敏电阻的温度变化1℃时电阻值的变化率，即4.耗散系数H热敏电阻器温度变化1℃所耗散的功率变化量。在工作范围内，当环境温度变化时,H值随之变化,其大小与热敏电阻的结构、形状和所处介质的种类及状态有关。5.时间常数τ热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的63.2％所需的时间。它与热容量C和耗散系数H之间的关系为5.4.2热敏电阻的基本参数

6.最高工作温度Tmax

热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度：T0—环境温度；PE—环境温度为T0时的额定功率；H—耗散系数。7.最低工作温度Tmin热敏电阻器在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。8.转变点温度Tc热敏电阻器的电阻-温度特性曲线上的拐点温度，主要指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。

5.4.2热敏电阻的基本参数

5.4.3热敏电阻的（Rt—t）特性

1-突变型NTC；2-负指数型NTC；3-线性型PTC；4-突变型PTC各种热敏电阻的特性曲线

1.负温度系数热敏电阻性能

负电阻温度系数(NTC)热敏电阻器的温度特性如图中曲线2所示。NTC的电阻—温度关系的一般数学表达式为：负温度系数(NTC)热敏电阻是一种氧化物的复合烧结体，其电阻值随温度的增加而减小。5.4.3热敏电阻器主要特性

负温度系数(NTC)热敏电阻特点：（1）电阻温度系数大，约为金属热电阻的10倍。（2）结构简单、体积小，可测点温。（3）电阻率高，热惯性小，适用于动态测量。（4）易于维护和进行远距离控制。（5）制造简单、使用寿命长。（6）互换性差，非线性严重。负温度系数热敏电阻性能负温度系数(NTC)热敏电阻结构2.正电阻温度系数（PTC）热敏电阻器的温度特性

正电阻温度系数热敏电阻器的温度特性如图中曲线3所示。PTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻—温度曲线上有两个拐点：Tp1和Tp2。当温度低于Tp1时，温度灵敏度低；当温度升高到Tp1后，电阻值随温度值剧烈增高；当温度升到Tp2时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范围内存在温度Tc，对应有较大的温度系数αtp

。经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻—温度特性可近似用下面的实验公式表示：若对上式取对数，则得3.突变型PTC电阻温度系数热敏电阻器的温度特性突变型PTC电阻温度系数（PTC）热敏电阻器的温度特性如图中曲线1和曲线4所示。

（1）热敏电阻的温度系数值远大于金属热电阻，所以灵敏度很高。（2）同温度情况下，热敏电阻阻值远大于金属热电阻。所以连接导线电阻的影响极小，适用于远距离测量。（3）热敏电阻Rt—t曲线非线性十分严重，所以其测量温度范围远小于金属热电阻。

分析比较

由于热敏电阻Rt—t曲线非线性严重，为保证一定范围内温度测量的精度要求，应进行非线性修正。1.线性化网络利用包含有热敏电阻的电阻网络（常称线性化网络）来代替单个的热敏电阻，使网络电阻RT与温度成单值线性关系。其一般形式如图所示。线性化网络

5.4.4热敏电阻温度测量非线性修正（2）利用电阻测量装置中其它部件的特性进行综合修正

如图是一个温度-频率转换电路，把热敏电阻Rt随温度的变化转变为电容C的充、放电频率的变化输出。虽然电容C的充、放电特性是非线性特性，但适当地选取线路中的电阻R2和R，可以在一定的温度范围内，得到近于线性的温度-频率转换特性。温度-频率转换器原理图

在带有微处理机（或微计算机）的测量系统中，当已知热敏电阻器的实际特性和要求的理想特性时，可采用线性插值法将特性分段，并把各分段点的值存放在计算机的存储器内。计算机将根据热敏电阻器的实际输出值进行校正计算后，给出要求的输出值。

3.计算修正法

集成温度传感器具有体积小、线性好、反应灵敏等优点，所以应用十分广泛。把感温元件（常为PN结）与有关的电子线路集成在很小的硅片上封装而成。由于PN结不能耐高温，所以集成温度传感器通常测量150℃以下的温度。按输出量不同可分为：电流型、电压型和频率型（输出信号为振荡信号，其频率随测量温度而变化）三大类。5.5集成温度传感器图中为集成温度传感器原理示意图。其中V1、V2为差分对管，由恒流源提供的I1、I2分别为V1、V2的集电极电流，则△Ube为

只要I1/I2为一恒定值，则△Ube与温度T为单值线性函数关系。这就是集成温度传感器的基本工作原理。

集成温度传感器基本原理图5.5.1集成温度传感器基本工作原理V1、V2为差分对管，调节电阻R1，可使I1=I2，当对管V1、V2的β值大于等于1时，电路输出电压UO为

由此可得:

R1、R2不变则U0与T成线性关系。若R1=940Ω，R2=30KΩ，γ=37，则输出温度系数为：10mV/K。5.5.2电压输出型集成温度传感器对管V1、V2作为恒流源负载，V3、V4作为感温元件，V3、V4发射结面积之比为γ，此时电流源总电流IT为

当R、γ为恒定量时,IT与T成线性关系。若R=358Ω，γ=8，则电路输出温度系数为1μA/K。

5.5.3电流输出型集成温度传感器1.双金属温度传感器的应用(1)双金属温度传感器室温测量的应用双金属温度传感器结构简单，价格便宜，刻度清晰，使用方便，耐振动。常用于驾驶室、船舱，粮仓等室内温度测量。如图为盘旋形双金属温度计。温度传感器应用实例盘旋形双金属温度计

采用膨胀系数不同的两种金属片牢固粘合在一起组成感温元件，一端固定，另一端自由端。当温度发生变化时双金属片由于膨胀系数不同而产生弯曲不同，自由端位移通过传动机构带动指针指示出相应的测试。(1)双金属温度传感器室温测量的应用

电冰箱压缩机温度保护继电器内部的感温元件是一片碟形的双金属片，如图所示。在双金属片上固定着两个动触头。在碟形双金属片的下面还安放着一根电热丝。该电热丝与这两个常闭触点串联连接。压缩机电机中的电流过大时，这一大电流流过电热丝后，使它很快发热，放出的热量使碟形双金属片温度迅速升高到它的动作温度，碟形双金属片翻转，带动常闭触点断开，切断压缩机电机的电源，保护全封闭式压缩机不至于损环。(2)双金属温度传感器在电冰箱中的应用碟形双金属温度传感器工作过程

如图所示为汽车水箱水温监测电路。其中Rt为负温度系数热敏电阻。汽车水箱测温电路2.热敏电阻温度传感器的应用(1)热敏电阻在汽车水箱温度测量中的应用(2)热敏电阻在空调器控制电路中的应用热敏电阻在空调控制电路中的应用

春兰牌KFR-20GW型冷热双向空调中热敏电阻的应用，如图所示。半导体二极管正向电压与温度的关系如图所示。可将温度转换成电压，完成温度传感器的功能。

二极管正向电压—温度特性曲线

3.晶体管温度传感器的应用(1)热敏二极管温度传感器应用举例

图是采用硅二极管温度传感器的测量电路，其输出端电压值随温度而变化。温度每变化1℃，输出电压变化量为0.1V。

二极管温度传感器的温度监测电路

(1)热敏二极管温度传感器应用举例NPN型热敏晶体管在IC恒定时，基极—发射极间电压Ube随温度变化曲线如图所示。硅晶体管UBE与温度之间的关系(2)晶体管温度传感器应用举例晶体管温度传感器的温度测量电路

如图为晶体管温度传感器的一种温度测量电路，温度变化1℃，输出电压变化0.1V。(2)晶体管温度传感器应用举例4.集成温度传感器应用举例简单测温电路

(1)AD590集成温度传感器应用电路

集成温度传感器用于热电偶参考端的补偿电路如图所示，AD590应与热电偶参考端处于同一温度下。热电偶参考端补偿电路(1)AD590集成温度传感器应用电路LM26是美国国家半导体公司生产的电压输出型微型模拟温度传感器，输出可驱动开关管，带动继电器和电风扇等负载。LM26工作电压＋2.7～5.5V，测量温度范围为－55～110℃。4脚接电源正极，2脚接地，3脚为温度传感输出，输出电压与温度的关系为

U0＝［－3.479×10－6×（t－30）2］＋［－1.082×10－2×（t－30）］＋1.8015V(2)LM26集成温度传感器的应用

按芯片内部的控制温度基准电平设定（例如85℃），5脚输出高、低（1、0）电平信号，可直接驱动负载。LM26有A、B、C、D共4种序号，A、C为高于控制温度关断5脚输出信号（输出低电平）；B、D为低于控制温度关断5脚输出信号。LM26A型内部电路结构如图（a）所示。(2)LM26集成温度传感器的应用（a）LM26A内部电路结构图（b）LM26A自动控制风扇电路

图（b）为用LM26A控制的风扇自动控制电路。当高于设定的控制温度时，LM26A中的温度传感器输出电压低于基准电压，运算放大器输出高电平，耗尽型N沟道MOS场效应管导通，5脚输出低电平信号，使：增强型P沟道MOS场效应管NDS356P导通，风扇通电运转，进行降温。(2)LM26集成温度传感器的应用

LM26具有温度滞后特性（1脚接地滞后10℃，接V＋滞后5℃），

不会在阈值温度上下造成风扇反复开和关。(2)LM26集成温度传感器的应用

家用空调专用温度传感器产品型号为KC和KH系列。目前，较先进的室内空调器大都采用由传感器检测并用微机进行控制的模式，其组成如图所示。空调器的控制系统中，在室内部分，安装有热敏电阻和气体传感器；在室外部分安装热敏电阻。5.家用空调专用温度传感器操作开关热敏电阻气体传感器遥控器单片机系统内部风扇双向阀加热器收发信机热敏电阻旁路阀四向阀双向阀外部风扇压缩机室内部分室外部分室内空调机控制系统

冰箱、冰柜专用温度传感器型号有KC系列。冰箱、冰柜热敏电阻式温控电路如图所示。

A1组成开机检知电路，由A2组成关机检知电路。周而复始地工作，达到控制电冰箱内温度的目的。

6.冰箱、冰柜专用温度传感器冰箱热敏电阻温控电路

热水器专用温度传感器有KC、KG系列产品。耐温度性强，耐湿防潮性好，可靠性好，速度快，可在高温多湿、冷热变化剧烈的环境下工作。7.热水器专用温度传感器

汽车发动机控制系统专用温度传感器有KC系列。为了提高发动机的燃烧效率，必须使用温度传感器，以分别连续地高精度地测定进气温度和用于优化排气净化效率的排气温度。

KC系列汽车发动机控制系统专用温度传感器具有精度高、抗震性强、耐温防潮性强、热冲击下具有高稳定性和可靠性等特点。8.汽车发动机控制系统专用温度传感器

湿度是指物质中所含水蒸气的量，目前的湿度传感器多数是测量气氛中的水蒸气含量。通常用绝对湿度、相对湿度和露点（或露点温度）来表示。（1）绝对湿度

绝对湿度是指单位体积的气氛中含水蒸气的质量，其表达式为

5.6湿度传感器5.6.1概述1.湿度的定义及其表示方法

相对湿度为待测气氛中水汽分压与相同温度下水的饱和水汽压的比值的百分数。(2)相对湿度（RH）在一定大气压下，将含水蒸气的空气冷却，当降到某温度时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露。此时的温度称为露点或露点温度。如果这一特定温度低于0οC，水汽将凝结成霜。

(3)露点2.湿度传感器的基本原理和分类

（1）水分子亲和力型湿度传感器湿敏材料吸附（物理吸附和化学吸附）水分子后，使其电气性能（电阻、电介常数、阻抗等）变化。湿敏电阻、湿敏电容等。（2）非水分子亲和力型湿度传感器利用物理效应的湿度传感器。热敏电阻式、红外吸收式、超声波式和微波式湿度传感器。湿度传感器的感湿特性

湿度传感器是由湿敏元件及转换电路组成的，具有把环境湿度转变为电信号的能力。3.湿敏元件的主要特性参数

（1）湿度量程湿度量程为湿度传感器技术规范规定的感湿范围（RH值，相对湿度）。理想情况：0~100%RH；一般情况：5~95%RH。湿度传感器的感湿特性

感湿特性感湿特性为湿度传感器特征量（如：电阻值、电容值、频率值等）随湿度变化的关系。常用感湿特征量和相对湿度的关系曲线来表示，如图所示。（2）感湿特性曲线

灵敏度为湿度传感器的感湿特征量（如：电阻、电容值等）随环境湿度变化的程度，也是该传感器感湿特性曲线的斜率。

在一定湿度范围内，相对湿度变化1%RH时，其感湿特征量的变化值或变化百分率。(3)感湿灵敏度

湿度传感器在吸湿过程和脱湿过程中吸湿与脱湿曲线不重合，而是一个环形回线，这一特性就是湿滞特性，如图所示。湿度传感器的湿滞特性

(4)湿滞特性(5)响应时间响应时间为在一定环境温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的感湿特征量达到稳定变化量的90%所需的时间。(6)感湿温度系数当环境湿度恒定时，温度每变化1οC，引起湿度传感器感湿特征量的变化量。(7)老化特性湿度传感器在一定温度、湿度气氛下存放一定时间后，其感湿特性将发生变化的特性。3.湿敏元件的主要特性参数

陶瓷表面多孔性吸湿后，导电阻值将发生改变。陶瓷湿敏元件随外界湿度变化而使电阻值变化的特性便是用来制造湿度传感器的依据。5.6.2陶瓷型湿度传感器MgCr2O4—TiO2湿度传感器结构示意图

是一种典型的多孔陶瓷湿度测量器件。具有灵敏度高、响应特性好、测湿范围宽和高温清洗后性能稳定等优点，目前已商品化。结构如图所示。1.MgCr2O4-TiO2系湿度传感器ZrO2湿度传感器的结构图1-电极引线；2-印制的ZrO2感湿层（厚为几十微米）；3-瓷衬底；4-由多孔高分子膜制成的防尘过滤膜；5-用丝网印刷法印制的Au梳状电极

ZrO2系厚膜型湿度传感器的感湿层是用一种多孔ZrO2系厚膜材料制成的，它可用碱金属调节阻值的大小并