第八章 热电式传感器教材

第八章热电式传感器

热电式传感器是利用某些材料或元件的物理特性与温度有关这一性质，将温度变化转化为电学量变化；热电式传感器的数量在各种传感器中占据首位，根据统计，约占各种传感器使用数量的一半左右；热电式传感器的种类：热敏电阻、热电偶、PN结型、石英晶体、热释电等。3热电式传感器

温度分类:应用:测温接触测温非接触测温热辐射测温热传导测温压电效应热阻效应热电势效应金属热电阻半导体热敏电阻热电偶温度传感器压电陶瓷（热释电效应）→敏感元件→电参数光电效应红外温度传感器、光纤温度传感器热电阻电涡流传感器PN结热电效应热敏二极管/三极管、集成温度传感器工作原理：1、温度测量的基本概念

温度Temperature：温度是一个基本物理量。温度的宏观概念是对一个物体冷热程度的度量。互为热平衡的两物体，其温度相等。温度的微观概念是指物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。概述：52、温标（1）温标的定义：温标是指温度的数值表示方法。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：

摄氏温标：用0C表示

华氏温标：用0F表示

热力学温标：用K表示（1）摄氏温度和开氏温度之间的换算（2）华氏温度和摄氏温度之间的换算T=tC+273.15K≈tC+273（K）tF=9/5tC+32（0F）第一节热电阻式传感器几乎所有物质的电阻率都随其本身温度的变化而变化，这一物理现象称为热电阻效应。利用热电阻效应制成的温度敏感元件称为热敏电阻（或热电阻），一般采用导体或半导体材料。主要有金属热电阻和半导体热敏电阻。R0、Rt---金属导体在0℃、t℃时的电阻值；α、β---金属导体的电阻温度系数（℃-1）。大多数金属导体的电阻都随温度变化，其变化方程为：对于绝大多数金属导体，α、β等并不是一个常数，而是温度的函数。但在一定的温度范围内，二者可近似地视为一个常数。不同的金属导体，α、β等保持常数所对应的温度范围不同。铂电阻：-200~0℃

R0、

Rt-----温度为0℃、t℃时的铂电阻值；A=3.983×10-3(℃)-1；B=-5.86×10-7(℃)-2；

C=-4.22×10-12(℃)-4；0~630℃

铜电阻：

-50~150℃R0、

Rt-----温度为0℃、t℃时的铜电阻值；

A=4.289×10-3(℃)-1；B=-2.133×10-7(℃)-2；C=1.233×10-9(℃)-3一、金属热电阻1、金属热电阻的电阻-温度特性：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℃。2、金属热电阻的主要材料：纯金属（铂、铜）

----良好的线性、稳定性、较高的电阻率（1）铂热电阻：物理、化学性能非常稳定，是目前制造热电阻最好的材料。国际上作为-259.34~630.74℃范围内的温度基准。

铂热电阻的测量精度：（测量值与真值的偏离程度）与铂的纯度有关，通常用百度电阻比W(100)表示铂的纯度。W(100)=R100/R0R100、R0----100℃和0℃时的电阻值W(100)越高，表示铂电阻丝的纯度越高，测温精度也越高。国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）≥1.391铂热电阻的结构：一般由直径为0.02-0.07mm的铂丝绕在片形云母骨架上且采用无感绕法，然后装入玻璃或陶瓷管等保护管内，铂丝的引线采用银线，引线用双孔瓷绝缘套管绝缘。铂热电阻的分度号：电阻与温度和初始电阻有关，不同初始电阻对应不同的分度号。我国主要有Pt50和Pt100两种，其0℃时的电阻值R0分别为50Ω和100Ω。（2）铜热电阻：

灵敏度比铂电阻高，容易提纯、价格便宜。但铜易氧化，一般用于150℃以下且没有水分和腐蚀性介质中的温度测量。

铜热电阻的精度：也可用百度电阻比W(100)来表示。

铜热电阻的分度号：一般设计为100Ω和50Ω两种，对应的分度号为Cu100和Cu50。3、金属热电阻常用测温电路----平衡电桥

由于金属热电阻的温度系数较小，电阻值低，测量时应特别注意以下误差源：

引线电阻的温度误差

一般采用三导线接法可以消除；

各触点上的热电动势将所有触点置于同一温度下;

电阻的自热效应限制热电阻的电流（小于10mA），可通过降低桥路电源并增加放大器增益，或用交流电源（脉冲源激励）来实现。内部引线方式有两线制、三线制和四线制三种。二线制中引线电阻对测量影响大,用于测温精度不高场合。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。（一般精度，工业测量）四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响,用于高精度温度检测。工业用铂电阻测温采用三线制或四线制。（实验室用）三导线接法：G为检流计，R1R2R3为固定电阻，R4为零位调节电阻。热电阻Rt通过三根导线和电桥连接，RL1RL2分别接在相邻桥臂内，当温度变化时，只要它们的长度和电阻温度系数相同，它们的电阻变化就不会影响电桥的状态。另一导线不在桥臂上，对电桥平衡状态无影响。电桥可在一定温度（如0℃）进行零位调节三导线接法中，可调电阻R4的触点的接触电阻和电桥臂的电阻相连，可能导致电桥的零点不稳定。可采取四线连接法。A、三线制测温消除导线产生误差原理相临两桥臂增加同一阻值的电阻，对电桥的平衡无影响。B、四线制测温恒流源供电，已知电流I流过热电阻Rt，使其产生压降U，再用电位差计测出U，便可利用欧姆定律得见P154图7-13第二节热电偶式传感器是利用温差电现象制成的热敏传感器;

具有测温范围宽（一般为-50℃~+1600℃，最低可达-200℃，最高达2800℃）;

在良好的测量电路配合下，可实现高精度测量。实验演示：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、工作原理：温差电现象（一）温差电现象(塞贝克效应)：

将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如果两个结点的温度不同，则回路中将产生一定的电流（或电动势），其大小与材料性质及结点温度有关。温差电现象温差电动势若维持两个结点的温度差，则回路可作为电源，称作温差电偶或温差电池。温差电现象是可逆的----热制冷的基础当电流通过两种不同金属接成的回路时，将造成一个结点吸热，另一个结点放热，于是产生温度差。改变电流方向，则温度差也改变符号。

温差电势V=接触电势+汤姆逊电动势接触电势：两种不同金属接触时，会在接触面形成电势差。汤姆逊电动势：同种导体两端温度不同而在两端形成的电势差。----哪种电势起主要作用，取决于所用的材料。α,β----热电偶常数(μV/℃)，由两种金属的特性决定；T1-------第一接触点上的被测温度；T2-------第二接触点上的参比温度，通常为0℃。热电灵敏度S：（μV/℃）α通常是温度的函数，随温度升高而变大。β值不大，在(T1-T2)不太大时，可近似为线性。（拟合）1.接触电势k——

玻耳兹曼常数；T——

接触面的绝对温度；e——

单位电荷量；NA——金属电极A的自由电子密度NB——金属电极B的自由电子密度接触电势帕尔帖电势2.温差电势δ——汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。温差电势（汤姆逊电势）3.热电偶回路的总热电势热电极A和B为同一种材料时，NA=NB,δ

A=δB， 则EAB(T,T0)=0。若热电偶两端处于同一温度下，T=T0

， 则EAB(T,T0)=0。热电势存在必须具备两个条件： 一、两种不同的金属材料组成热电偶， 二、它的两端存在温差。

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)=c则有：E与T之间有唯一对应的单值函数关系，因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T，热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关，与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。（二）热电偶的基本定则：

（1）均质回路定则：两种均质金属组成的热电偶，其热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。只要T1、T2不变，则V不变EAB(T1,T2)EAB(T1,T3,T2)若新连接点均处在同一温度下，则热电势不变。（仪表测量）（2）中间金属定则：

在热电偶回路中接入第三种金属，只要第三种金属材料两端温度相同，则热电偶所产生的热电势保持不变，即不受第三种金属接入的影响。对于热电偶回路中热电势的大小，必须将其断开，接入仪表才能测出其热电势值。所接入的仪表是另一种材质C所构成的导体。根据上述定则，只要第三种导体C的两端温度相等且均质，就对热电势EAB(T1,T2)无影响。因此，把冷端焊点打开，接入仪表，并保持其两端温度为冷端温度之下，就能测出总热电势。（3）中间温度定则：热电偶在接点温度为T1、T3时的热电势等于该热电偶在接点温度为T1、T2和T2、T3时相应热电势的代数和。EAB(T1,T2)EAB(T2,T3)EAB(T1,T3)=EAB(T1,T2)+EAB(T2,T3)根据这一定则，可用一个已知参比结点的温度所得到的校准曲线去确定另一个参比结点温度的校准曲线。根据这一定则，可用一个已知参比结点的温度所得到的校准曲线去确定另一个参比结点温度的校准曲线。比如：EAB(T1,0)=EAB(T1,20)+EAB(20,0)=EAB(T1,20)-EAB(0,20)，其中已知参比结点为20℃，另一参比结点为0℃。只要改变T1，就可得到以参比结点为0度时的校准曲线。（4）组成定则：如果两种导体（A、B）分别与第三种导体C组合成热电偶的热电势已知，则由这两种导体（A、B）组成热电偶的热电势为前二者之差。EAC(T1,T2)EBC(T1,T2)EAB(T1,T2)=EAC(T1,T2)-EBC(T1,T2)根据这个定则，通常用纯度很高、物理化学性能非常稳定的材料（如铂）做成电极C，称为标准热电极，作为确定各种材料的热电特性的对比基准。如果差值太小，说明灵敏度低，热电特性就不好。(5)连接导体定律为在工业测量温度中使用补偿导线提供了理论基础。当A与A’，B与B’材料分别相同时中间温度定律例6.3.1用（S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度T0=30℃，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，测量端实际温度为830℃（三）热电偶的种类

根据所用材料，热电偶一般可分为K、E、J、T、B、R、S这7种类型（分度号），测温范围一般由热电偶的线径决定，线径越粗所能测量的温度越高。（表7-1）K:镍铬—镍硅

E:镍铬—铜镍（康铜）J:铁—铜镍（康铜）T:铜—铜镍（康铜）B:铂铑30—铂铑6

R:铂铑13—铂

S:铂铑10

1、冰浴法：0℃的恒温器：精度在±0.4℃内0℃冰点槽：精度为±0.05℃---最为妥善，但不够方便，仅限于试验室使用。（一）热电偶传感器的冷端补偿二、热电偶式传感器的测量电路：热电偶测温原理：根据中间金属定则，只要第三种金属材料两端温度相同，则热电偶所产生的热电势保持不变。导体A、B组成热电偶，第三种导体C接毫伏计，毫伏计与A、B热电偶的冷端的两个结点的温度均为冷端温度T2,而热电偶的热端作为测量端。思考题：上图为热电偶测温原理图：（1）ABC各代表什么？（2）T1、T2分别称为什么？（3）冰点槽的作用是什么？（在使用热电偶式传感器时，为什么要对冷端温度进行补偿？）（只有当冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。在应用时，由于热电偶工作端与冷端距离很近，冷端又暴露于空间，容易受周围环境温度波动影响，因而冷端温度难以保持恒定，故采用冰点槽稳定冷端温度）（4）毫伏表测量的是什么？（读数是否为热电偶的温差电动势）（5）从原理上说，C的接入会不会对毫伏表读数产生影响，为什么？（根据中间金属定则，把第三种金属换成电压测量电路，并保持两个结点温度一致，就可完成温度测量。由导体ABC组成回路的总电势应与EAB(T1,T2)相等。温度场远端指示仪表常用廉价的补偿导线来完成远端连接材料要求：使用的补偿导线的冷端热电特性与热电偶冷端的热电特性相同，即EAB(T1,T0)=ECD(T1,T0)热电偶一般为贵金属材料2、补偿导线法----冷端延长线：说明：只有当所移动到的冷端温度或配用仪表本身具有温度自动补偿（对T0的补偿）装置时，应用补偿导线才有意义思考：热电偶冷端延长线（冷端补偿导线）的作用是什么？对这种补偿导线的材料有什么要求？实际工作时，热电偶经常是置于所要测温的温度场中，用于指示的仪表与温度场往往相距很远。热电偶的材料通常为贵金属，直接连接到远处指示仪表上很不经济，常用廉价的补偿导线来完成这种远距离的连接。所用连线称为冷端延长线，或冷端补偿导线。这样做将使热电偶的冷端发生变化，这就要求使用的补偿导线的冷端热电特性与热电偶冷端的热电特性相同。说明：只有当所移动到的冷端温度或配用仪表本身具有温度自动补偿（对T0的补偿）装置时，应用补偿导线才有意义，因此，热电偶的冷端温度必须妥善安置，同时热电偶和补偿导线连接处的温度不应超过100℃。常用热电偶补偿导线铂铑-铂（R/S）铜-镍铜镍铬-镍硅（K）铜-康铜镍铬-康铜（E）本身材料铜-康铜（T）本身材料**常用热电偶及其补偿导线：

热电偶冷端必须妥善安置：只有当所移动到的冷端温度或配用仪表本身具有温度自动补偿（对T0的补偿）装置时，应用补偿导线才有意义。热电偶和补偿导线连接处的温度不应超过100℃。3、补偿电桥法：（自动补偿法）

如果参比温度要求模拟冰点，则桥路应在T1=T2=0℃时调整到总线路输出为0。锰铜丝绕制，阻值不随温度而变铜丝绕制，电阻值随温度升高而增大。高输入阻抗R4

利用不平衡电桥产生的热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。T2↑↓→EAB(T1,T2)↓↑T2↑↓→RT↑↓→Uab↑↓思考题：图为热电偶冷端温度补偿电桥电路，R1R2R3R4为锰铜丝绕制，温度稳定性好，其中R4可调；Rt为铜丝绕制，其阻值随温度升高而增大，电桥在0℃时为平衡电桥（参比温度要求模拟冰点），试说明其补偿原理。结构：冷端补偿器内有一个不平衡电桥，其输出端串联在热电偶回路中。R4为限流电阻，一般可调。设计时使Rt(铜电阻）在0℃时的阻值与其余三个桥臂电阻完全相等，这时电桥处于平衡，电桥输出为0，对热电势无影响。此时的温度称为电桥平衡温度。原理：当热电偶冷端温度随环境温度变化，若T2>0，热电势将减小

△E，但这时Rt增大，使电桥不平衡，出现Uab↑,而且极性a正b负，这时的Uab与热电势同向串联，使输出端得到补偿。如果限流电阻R4选择合适，可使Uab在一定温度范围内增大的值恰好等于热电势减小的值即Uab=△E,就完全避免了T2不为0的变化对测量的影响。

±5℃的中等波动时，有效参比温度稳定性为±0.2℃思考：为什么热电阻测温度需要接入电桥,而热电偶不需要？

热电阻是通过电阻值的变化来测量温度的，所以从测温现场到控制室一般都有一段距离，这段距离是要用铜导线进行连接的，尽管铜导线的阻值很小，但这段导线也是有电阻的，它会影响测温准确度，在使用时为了把这段阻值除去，就要通过电桥来完成，所以电阻测温要有桥路电路来消除引线电阻；

热电偶是通过热电动势的变化来测温的，跟引线的电阻值无关，但必须使用相应配套的补偿导线从测温现场到控制室进行连接，所以热电偶测量中没有桥路电路。（二）热电偶的测量芯片：集成了热电势放大电路、基准结点温度补偿电路、断线检测电路等。AD594---专门针对J型AD595---专门针对K型热电偶用接插件连接，接插件处是基准结点，故应与芯片尽量靠近，且芯片附近不要配置发热元件。若测量温度范围较宽，需进行线性补偿。三、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。

直接从热电偶的分度