传感器课件第8章热电式传感器

第八章热电式传感器学习要求1.了解热电偶传感器基本结构和工作原理2.掌握热电偶传感器温度补偿方法3.了解热电阻传感器基本结构和工作原理

热电偶-200~1300°C

热电式传感器

热电阻-200~850°C

热电偶热电偶热电偶热电偶防腐热电偶固定螺纹接头式热电偶直形管接头式热电偶铂电阻热电阻热电阻热电阻热电阻热电阻热电阻固定法兰式热电阻热敏电阻热敏电阻主要用于空调、电子台历、冰箱、电磁炉、电饭煲、烤枪，充电器等等豆浆机温度传感器

镀镍铜壳温度传感器主要用于家用冰箱、空调器、电热水器、控温仪器、饮水机、汽车8-1热电偶传感器一、热电偶工作原理热电偶的测温原理基于热电效应。工作端

参比端图8-1热电效应T>T0

这种由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶。注意：热电偶构成条件1、两种不同导体2、闭合回路3、两接合点处温度不同

“塞贝克温差电动势”

简称“热电动势”

热电动势：

两种导体接触电势

单一导体温差电势

1.接触电动势

设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且NA＞NB。图8-2热电效应接触电势：

式中k——玻耳兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；e——电子电荷量，e＝1.6×10-19C；T——接触处的温度，K；

NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。2.温差电势

又称为汤姆逊电势其大小为：

式中σ为汤姆逊系数，表示温差1℃所产生的电动势值，其大小与材料性质及两端的温度有关。

3.热电势

导体A和B组成的热电偶闭合电路在两个接点处有两个接触电势：eAB(T)与eAB(T0)

因为T＞T0，在导体A和B中还各有一个温差电势：和

图8-3闭合回路温差电动势

即

（10-3）式中NAT、NAT0—导体A在结点温度为T、T0时的电子密度；NBT、NBT0—导体B在结点温度为T、T0时的电子密度；σA、σB

—导体A、B的汤姆逊系数。所以闭合回路总热电动势EAB(T,T0)应为接触电动势和温差电势的代数和，即：结论:1.热电偶必须采用两种不同的材料作为热电极；2.如果热电偶两结点温度相同，即T=T0，则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路中的总电动势也为零。3.热电偶AB的热电动势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。二、热电偶基本定律1、中间导体定律：

在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，第三导体的引入不会影响热电偶的热电动势。图8-4具有第三导体的热电偶回路证明如下：

A、B结点温度为T，其余结点温度为T0，

且T＞T0时，则回路中总热电势为

(8-4)当T=T0时，回路中总电动势为零，即

（8-5）则有（8-6）代入式（8-4）得：（8-7）

在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，第三导体的引入不会影响热电偶的热电动势。这就是中间导体定律。

根据这个定律，可以将第三导线换成测试仪表或连接导线，只要保持两结点温度相同，就可以对热电势进行测量而不影响原热电动势的数值。结论：2、参考电极定律

当结点温度为T、T0时，用导体A,B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和,即

（8-8）

对于AC热电偶：

（8-9）对于BC热电偶：（8-10）于是图8-5参考电极定律示意图

（8-11）

由于则有因此，式（8-11）可写为（8-12）这就是参考电极定律。3、中间温度定律

热电偶AB在接点温度为、中间温度为该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。三、标准化热电偶根据前面所述，似乎任何两种不同导体，都可以组成一对热电偶。但是在实际应用时，为了应用可靠，并且有足够的测量准确度，并不是所有材料均可以用来作热电偶的，对组成热电偶的材料应具备以下一些条件：1.在测温的范围内，热电特性要稳定，不随时间而变化。2.在测温的范围内，物理、化学性能要稳定，不易氧化或腐蚀3.在测温中产生的热电动势要大，并且热电动势随温度变化为单值的、线性的、或者接近线性的。4.电阻温度系数要小，电阻率要高。5.材料的复制性好，易焊接、拉丝和加工。根据上述要求，国际上目前得到应用的热电偶材料有300多种，广泛应用的有40~50种。国际电工委员会IEC对已被公认为性能比较好的七种热电偶制订了统一的标准。我国已采用IEC标准，按标准生产，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。IEC推荐的标准化热电偶如表10-1所示。表8-1热电偶标准分度表热电偶名称IEC分度号我国分度号国家标准号新旧铂铑10-铂铂铑30-铂铑6镍铬-镍硅铜-铜镍（康铜）镍铬-铜镍（康铜）铁-铜镍（康铜）铂铑13-铂SBKTEJRSBKTEJRLB-3LL-2EU-2CK---GB3772-83GB2902-82GB2614-85GB2903-82GB4993-85GB4994-85GB1598-79四、常用热电偶

适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应用的有40~50种。国际电工委员会向世界各国推荐8种热电偶作为标准化热电偶，我国标准化热电偶也有8种。分别是：铂铑10-铂(分度号为S)、铂铑13-铂(R)、铂铑30-铂铑6(B)、镍铬-镍硅(K)、镍铬-康铜(E)、铁-康铜(J)、铜-康铜(T)和镍铬硅-镍硅(N)。下面简要介绍其中几种：(1)铂铑10-铂热电偶

直径：φ0.5mm；

分度号：S；

正极：铂铑丝,

负极：纯铂丝；

特点：a,是热电性能好，抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用。b,长期适用的温度为1400℃，超过此温度时，即使在空气中纯铂丝也将再结晶而使晶粒增大。c,短期使用温度为1600℃。在所有的热电偶中，它的准确度等级最高,

通常用作标准或测量高温的热电偶，其使用温度范围广（0~1600℃），均质性及互换性好。缺点：价格昂贵,热电势较小，需配灵敏度高的显示仪表。

(2)镍铬-镍硅(镍铝)热电偶

分度号：K；

正极：镍铬为，负极：镍硅；

特点：a,使用温度范围宽（-50~1300℃），高温下性能较稳定，热电动势和温度的关系近似线性；b,价格便宜，因此是目前用量最大的一种热电偶；c,它适用于在氧化性和惰性气氛中连续使用，短期使用温度为1200℃，长期使用温度为1000℃；

(3)镍铬—康铜热电偶

分度号：E；

正极：镍铬，负极：康铜；

特点：a,常用热电偶中热电动势最大，即灵敏度最高；b,适宜在－250~870℃范围内的氧化性或惰性气氛中使用,尤其适宜在0℃以下使用；c,在湿度大的情况下,较其他热电偶耐腐蚀。

(4)铜-康铜热电偶分度号：T正极：纯铜，负极：康铜；特点：a,在贱金属热电偶中准确度最高；b,热电丝均匀性好；c,使用温度范围为-200～350℃。此外，还有非标准化热电偶，有钨铼系列（属难融金属），铂铑系列，铱铑系列，铂钼系列及非金属热电偶等等。

五、热电偶温度补偿

根据热电偶测温原理，只有当热电偶的参考端的温度保持不变时，热电动势才是被测温度的单值函数。我们经常使用的分度表及显示仪表，都是以热电偶参考端的温度为0℃为先决条件的。但是在实际使用中，因热电偶长度受到一定限制，参考端温度直接受到被测介质与环境温度的影响，不仅难于保持0℃，而且往往是波动的，无法进行参考端温度修正。因此，要使变化很大的参考端温度恒定下来，通常采用补偿导线法和参考端温度恒定法。

1.0˚C恒温法

这种方法是将热电偶的参比端保持在稳定的0˚C环境中。在实验室中采用冰浴法，通常是把参比端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的保温容器中，使参比端保持0˚C。这种方法是一种理想方法，但只适用于实验室中使用，工业中使用极其不便。

2.电位补偿法

电位补偿法是在热电偶回路中串入一个自动补偿的电动势。如图10-5所示，H是工作端，它的工作温度为t，而冷端放在补偿器C中，温度为tn，在补偿器中还放有R3和具有正温度系数的电阻Rt。外加电源U为一恒定电压，为了调整分压比，电路还串联了电位器R1和电阻R2，经补偿了的热电偶输出为E（t，t0）。图8-5电位补偿法原理

当冷端为一恒定温度时，（假定这个温度不是0˚C），A点供给热电偶回路一个不变的修正电动势，其大小等于E（tn，t0），式中t0=0˚C。当冷端温度波动时，则热电偶回路中的热电动势与补偿电路中的UA会相应地向相反方向变化，从而补偿了热电偶电动势的变化。经适当地选择电阻参数。可以足够准确地对冷端进行补偿。3.电桥补偿法

电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的电动势来补偿热电偶因参比端温度变化而引起的热电势变化值。

不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，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。电桥补偿的作用注意：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++-abUUabRCuR1R2R3RT0RCu

UaUabEAB(T,T0)供电4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范围起补偿作用。注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一样，互换时必须重新调整。4.计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算例用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.979mV，又用室温计测出TH=21℃,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.84mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.979+0.84=2.819(mV)再次查分度表，与2.819mV对应的热端温度T=69℃。注意:既不能只按1.979mV查表，认为T=49℃，也不能把49℃加上21℃，认为T=70℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)5.补偿导线的应用

实际使用时，热电偶的参比端必须引入到一个恒定温度环境中或引到补偿电路两端，在此中间不能用一般的铜导线连接。最简单的方法是直接用热电偶电极延长，但实际上有的热电偶是贵金属，价格昂贵，不能拉线过长，即使使用是非贵金属热电偶，有的比较粗也不适合延长。特别在工业装置上使用的热电偶一般都有固定结构，所以也不能随意延长。一般在热电偶使用中都采用补偿导线。所谓补偿导线就是用热电性质与热电偶相近的材料制成导线，用它将热电偶的参比端延长到需要的地方，而且不会对热电偶回路引入超出允许的附加温度误差。随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列。国际电工委员会IEC也制定了国际标准，适合于标准化热电偶使用。见表10-4补偿导线型号配用热电偶的分度号补偿导线合金丝补偿导线颜色正极负极正极负极SCKCKXEXJXTXS（铂铑10-铂）K（镍铬-镍硅）K（镍铬-镍硅）E（镍铬-铜镍）J（铁-铜镍）T（铜-铜镍）SPC（铜）KPC（铜）KPX（镍铬）EPX（镍硅）JPX（铁）TPX（铜）SNC（铜镍）KNC（铜镍）KNX（镍硅）ENX（铜镍）JNX（铜镍）TNX（铜镍）红红红红红红绿蓝黑棕紫白表10-4补偿导线的分类型号与分度号六、热电偶的结构形式

为了适应不同生产对象的测温要求和条件,热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。

1、普通型热电偶普通型结构热电偶工业上使用最多,它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成2、铠装热电偶

铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体,它可以做得很细很长,使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小,动态响应快,机械强度高,挠性好,可安装在结构复杂的装置上,因此被广泛用在许多工业部门中。3、薄膜热电偶

薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料,用真空蒸镀、化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶,薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.01~0.1μm）,具有热容量小,反应速度快等的特点,热相应时间达到微秒级,适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。

七、热电偶测温线路

热电偶测温时,它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、数字表等）配套使用,也可与温度变送器配套,转换成标准电流信号,下图为典型的热电偶测温线路。

例：用镍铬一镍硅热电偶测炉温时，其冷端温度to＝30℃，在直流电位差计上测得的电动势EAB(t,30)=38．500mV，求炉温为多少?镍铬一镍硅热电偶分度表（自由端温度为0℃）解：①查镍铬一镍硅热电偶K分度表得：②根据中间温度定律得：③查镍铬一镍硅热电偶K分度表得：℃8-2热电阻传感器一、概述

热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度的变化的特性，对温度和与温度有关的参数进行检测的装置。热电阻传感器的主要优点有：1.测量准确度高；2.有较大的测量范围，尤其在低温方面；3.易于使用在自动测量和远距离测量中。热电阻传感器一般常用于测量-200~850℃范围内的温度，少数情况下，低温可至1K，高温可达1000

℃。二、热电阻材料和常用热电阻

作为测量温度用的热电阻材料必须具有以下特点：1.高且稳定的温度系数和大的电阻率，以便提高灵敏度和保证测量准确度；2.良好的输出特性，即电阻与温度变化接近线性关系；3.在使用范围内，其化学、物理性能应保持稳定；4.良好的工艺性，以便于批量生产，降低成本。根据上述要求，纯金属是制造热电阻的主要材料。目前广泛应用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等。这些材料的电阻率与温度的关系一般可以近似用一个二次方程描述，即式中ρ——电阻率；

t——温度；a、b、c

——由实验确定的常量。下面介绍常用的几种热电阻材料和它们的特性(1)铂热电阻铂的物理化学性能极为稳定，并有良好的工艺性。以铂作为感温元件具有示值稳定，测量准确度高等优点，其使用范围是-200℃~850℃。除作为温度标准外，还广泛用于高准确度的工业测量。铂热电阻的特性方程为

在-200~0℃的温度范围内:

Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］(8-15)在0~850℃的温度范围内:

Rt=R0(1+At+Bt2)(8-16)式中Rt和R0分别为t℃和0℃时铂电阻值;A、B和C为常数。从上式看出,热电阻在温度t时的电阻值与R0有关。目前我国规定工业用铂热电阻有R0

=10Ω和R0

=100Ω两种,它们的分度号分别为Pt10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。(2)铜热电阻铜热电阻的使用范围是-50~180℃，具有电阻温度系数大，价格便宜，互换性好等优点，但它固有电阻太小，另外铜在250℃以上易氧化。铜热电阻在工业中的应有逐渐减少。铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的,可近似地表示为:

Rt=R0（1+αt）（8-17）式中α为铜热电阻的电阻温度系数,取α=4.28×10-3/℃。铜热电组的两种分度号为Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。三、热电阻的结构

工业用热电阻的结构如图8-7所示。它由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等部分组成。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具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上,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显示温度。用热电阻传感器进行测温时,测量电路经常采用电桥电路。而热电阻与检测仪表相隔一段距离,因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。图8-7热电阻结构热电阻内部引线方式有两线制、三线制和四线制三种,如图8-8所示。图8-8热电阻内部引线方式1、二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二