常用传感器工作原理(热电式)

第3章常用传感器的工作原理13.8热电式传感器将温度变化转换为电量变化的装置。最常用的热电式传感器：将温度转换为电势的变化－－－热电偶将温度转换为电阻的变化－－－热电阻21.热电偶测温原理－热电效应

TT0AB热端（工作端）冷端（自由端）两种不同的导体(或半导体)A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的两个连接点处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象叫做热电效应。两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电势”。这种现象早在1821年首先由塞贝克（See－back）发现,所以又称塞贝克效应。3.8.1热电偶3热电动势由两部分电动势组成，一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。热电偶原理图TT0AB接触电势温差电势热电势EAB(T,T0)4（1）接触电势所有金属中都有大量自由电子，而不同的金属材料其自由电子密度不同。当两种不同的金属导体接触时，若金属A的自由电子密度大于金属B的，则在同一瞬间由A扩散到B的电子将比由B扩散到A的电子多，因而A对于B因失去电子而带正电，B获得电子而带负电，在接触处便产生电场。A、B之间便产生了一定的接触电动势。接触电势原理图+ABTEAB(T)-5接触电势的大小与两种金属的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。对于温度为T的接点，有下列接触电动势公式：上式说明接触电动势的大小与接点温度的高低及导体中的电子密度有关。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。6对于任何一种导体，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成温差电动势，又称汤姆森电动势。（2）温差电势AEA(T,To)ToT温差电势原理图7温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。导体A两端的温差电动势可用下式表示：EA（T，T0）——导体A两端温度分别为T、T0时形成的温差电动势；T、T0——高、低温端的绝对温度；

—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。其大小与材料和温度有关同样导体B两端的温差电动势如下式所示：8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，nA>nB

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)AB（3）回路总电势9由此可以得出以下结论：①如果热电偶两电极材料相同，即，即使两端温度不同，但闭合回路的总电势仍为0，因此热电偶必须用两种不同材料作热电极；②如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，即，闭合回路中也不产生热电势。③

热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关；与热电偶的长度、粗细、形状无关。10由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。在工程上常用上式来表征热电偶回路的总电势。并通常使为常数，即这样回路总热电势就是温度的单值函数，这给工程中热电偶测量温度带来极大方便。并通常令，然后在不同的测量端温度下精确地测量出回路中的总热电势，并将所测的结果绘制成曲线或表格，以供在使用时查阅。1112为什么所有的曲线均过原点（零度点）？132.热电偶基本定理由一种均质导体组成的热电偶，即使两个接点的温度不同，回路中的总电势也等于零。（1）均质导体定律如果两个热电极是非均质导体，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指标之一。因此在热电偶的检定实验中要检查两种导体材料是否相同，也要检查热电极材料的均匀性，以便判断热电偶是否合格。14（2）中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体C，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变，即中间导体对回路总电势没有影响。T0T0BTAC右图回路中的总电动势为：如果回路中三个接点的温度都相同，即T＝T0，则回路总电动势必为零，即：即则15如果按右图接入第三种导体C，则回路中的总电动势为：T1CT0T1TBA而所以由以上分析可见，在利用热电偶测温时，一定要尽量保证接入的导线和仪表在其两接入端点温度相同，否则测试结果不准确。同时利用这个定则还可以使用开路热电偶测量液态金属和金属壁面的温度。16在炼钢厂中有时直接将廉价热电极(易耗品，例如镍铬-镍硅热偶丝，时间稍长即熔化)插入钢水中测量钢水温度，如图所示：试说明

1)为什么不必将工作端焊在一起?

2)要满足哪些条件才不影响测量精度?采用上述方法是利用了热电偶什么定律？

3)如果检测物不是钢水，而是熔化的塑料行吗？为什么？

17

用热电偶测量金属壁面温度有两种方案，如下图所示，当热电偶具有相同的参考端温度t0时，问在壁温相等的两种情况下，仪表的示值是否一样？为什么？18（3）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T、T0时,则其热电势EAB(T,T0)等于该热电偶在接点温度为(T,Tm)和(Tm,T0)时相应的热电势的代数和。BATmTT0

ABTm19证明：BATmTT0

ABTm即：即该定则为使用分度表奠定了理论基础。该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。实际中利用热电偶测温时，常常参考端不为0°C，可以利用此定律进行修正。20即该定则为使用分度表奠定了理论基础。热电偶分度表表达的是在参考端温度为0°C时，热端温度与热电势之间的对应关系，并以表格的形式加以表示。例题：用镍铬－镍硅（K型）热电偶测量某一温度时，若冷端（参考端）温度，测得的热电势为，求测量端实际温度2122（4）标准（参考）电极定律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可知。T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC(T,T0)BC23两式相减得：根据中间导体定则可知：24由此可见，当任一电极B,C,…与一标准电极A组成的热电偶所产生的热电势为已知时，就可以利用上述定律求出这些电极任意组合而成热电偶时的热电势。由于纯铂丝的物理化学性能稳定，溶点教高，易提纯，所以在工程上常用作标准电极。代入前式可得：25解：由标准电极定律，镍铬和考铜热电偶的热电动势应等于镍铬合金与纯铂热电偶与考铜与纯铂热电偶的热电动势的差，即例

热端为100℃、冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV263.常用热电偶及其结构、特点

工程上实用的热电偶应该线性度好、稳定性好、互换性好、响应快，以及便于加工。国际电工委员会共推荐了8种标准化热电偶。所谓标准化是指工艺上比较成熟，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。从1988年1月1日起，我国热电偶和热电阻的生产全部按国际电工委员会（IEC）的标准，并指定S、B、E、K、R、J、T（分度号）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。27几种常用热电偶的测温范围及特点

分度号

名称

测量温度范围

特点E镍铬－铜镍－40～800

C优点：适用于还原气氛中，灵敏度高，价格低缺点：使用温度区窄，易氧化，高温有滞后现象K镍铬－镍硅

-40～1000

C优点：线性度好，适于氧化性气体，耐金属蒸汽，价格低缺点：略有滞后现象，高温还原气氛中易腐蚀S铂铑10—铂0～1400

C优点：稳定性好，可做标准电极，可在氧化性和中性介质中使用缺点：铂分子易挥发而变质，热电势小，成本高B铂铑30－铂铑6300～1700

C优点：可长期应用于1600°C以上高温，适合于氧化及中性介质中使用缺点：常温时热电势小，价格高28标准化热电偶热电势和温度的关系2930普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰31接线盒引出线套管

热电偶工作端（热端）

不锈钢保护管

普通装配型热电偶的结构放大图

固定螺纹（出厂时用塑料包裹）32铠装型热电偶外形法兰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33铠装型热电偶

铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。

铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。34薄膜型热电偶用真空蒸镀、化学涂层等方法将热电偶材料蒸镀到绝缘基板上面制成。其本身热容量小，动态响应快，故适合于测量微小面积和瞬时变化的温度。35热电偶的特点

结构简单，制造容易，使用方便，热电偶的电极不受大小和形状的限制，可按照需要进行配制。因为它的输出信号为电动势，因此测量时，可不要外加电源。输出灵敏度一般为μV／℃，室温下的典型输出电压为毫伏数量级。测量范围广，可从－269℃～1800℃。测量精度高，热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响。便于远距离测量、自动记录及多点测量。364.热电偶参考端（冷端）的补偿原因：热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0℃为依据，否则会产生误差。为了准确获得稳定的冷端温度，必须对其进行一定的修正或补偿。方法冷端恒温法热电偶导线补偿法参考端温度自动补偿法37（1）冷端恒温法把热电偶的两个冷端分别插入盛有绝缘油的试管中，然后放入装有冰水混合物的容器中，使T0=0℃。也称为冰点槽法。这是一种精度很高的冷端温度处理方法，适合于实验室中的精密测量和检定热电偶时使用。由于半导体制冷技术和精密控温技术的发展，目前我国已研制出电子式冰点恒温装置，它使参考端保持在0℃，稳定性在正负0.05℃以内，体积小，操作简单，使用方便。38在实际生产中．冷端测度往往不是0°C，而是某一恒值温度Tm，这就引起测量误差。因此，必须对冷端温度进行修正。例如，某—设备其冷端温度为Tm，这时测得的热电势为EAB(T，Tm)。为求得实际T的温度，可利用下式进行修正，即由此可知，冷端温度的修正方法是把测得的热电势EAB(T，Tm)

，加上热端为Tm

，冷端为00C时的热电偶的热电势EAB(Tm，0)

，才能得到实际温度下的热电势EAB(T，0)

。39（2）热电偶导线补偿利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所。根据中间温度定律，只要热电偶的两个热电极分别与两补偿导线的接点温度一致，就不会影响热电动势的输出。热电偶补偿导线是在一定温度范围内（0～100℃或0～200℃）

，与配用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的廉金属导线。40按照补偿原理分为延长型和补偿型两种补偿导线延长型选用的导体或半导体线状材料的名义化学成分及热电势标称值与配用的热电偶相同，即材料特性与热电极相同，用字母X附加在分度号后面表示，如KX表示与K型热电偶配用的延长型补偿导线；补偿型选用的导体或半导体线状材料的名义化学成分与配用的热电偶不同，但其热电势值在100℃以下时与配用的热电偶的热电势标称值相同，即材料特性与热电极相近，用字母C附加在热电偶分度号后表示，如KC表示与K型热电偶配用的补偿型补偿导线。41（3）参考端(冷端)温度自动补偿法（电桥补偿法）工业中，常采用参考端温度自动补偿法，这种方法就是在热电偶和测量仪表之间增加一个不平衡直流电桥（也称为温度补偿器）。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++-abUUabRCuR1R2R3R42利用不平衡电桥产生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。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20℃下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。T0Ua

Uab

EAB(T,T0)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++-abUUabRCuR1R2R3R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。435.热电偶的实用测量电路（1）测量某一点的温度TnT0T0TnCDEABT注意：多个热电偶一起使用时，只能是同一分度号的热电偶，且参考端温度应相同。C、D为补偿导线44（2）测量两点之间的温度差（反向串联）AT2仪表BT1CDT0T0BAC图中用了两支型号相同的热电偶反向串联，并配用相同的补偿导线。回路内的总电动势为:45因为故AT2仪表BT1CDT0T0BAC46（3）测量多点平均温度（同向并联）T1RT0T2RT0T3RT0仪表ABABAB每只热电偶的输出为：根据电路理论，当仪表的输入阻抗很大时，回路总的热电动势为:多个型号相同的热电偶同向并联，并配用相同的补偿导线。在每一个热电偶线路中分别串联均衡电阻R47（4）测量多点温度之和（同向串联）所以T1T0T2仪表T3T0ABDDDCCCABAB多个型号相同的热电偶同向串联并配用相同的补偿导线。根据中间导体定则，只要在热电极之间接入的材料在接入点温度相同，将对热电偶总热电势没有影响，486.热电偶应用举例

1）热电偶测金属表面温度表面温度测量是温度测量的一大领域。金属表面温度的测量对于机械、冶金、能源、国防等部门来说是非常普通的问题。一般在200～300℃以下温度时，可采用粘接剂将热电偶的结点粘附于金属壁面，工艺比较简单。在温度较高且测量精度高和时间常数小的情况下，常采用焊接的方法，将热电偶头部焊于金属壁面。

2）测控应用图3.75所示为常用炉温测量采用的热电偶测量系统图。493.用镍铬-镍硅热电偶测某一水池内水的温度，测出的热电动势为2.436mV。再用温度计测出环境温度为30℃(且恒定)，求池水的真实温度。2．已知镍铬-镍硅(K)热电偶的热端温度t＝800℃，冷端温度t0＝25℃，求E(t，to)是多少毫伏?1.利用热电偶测温必须具备哪两个条件?作业50513.8.2热电阻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。这种现象称为热阻效应。根据热电阻材料的不同分为：

金属热电阻－－－通常简称为热电阻；

半导体热电阻－－通常简称为热敏电阻。热电阻测温的优点是信号可以远传、灵敏度高、无需参比温度；缺点是需要电源激励、有自热现象会影响测量精度。52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

。53金属热电阻材料的选择：选择电阻随温度变化成单值连续关系的材料，最好是呈线性或平滑特性，这一特性可以用分度公式和分度表描述。有尽可能大的电阻温度系数。电阻温度系数一般表示为在某一温度间隔内，温度变化1℃时的电阻相对变化量，单位为1/℃。有较大的电阻率，以便制成小尺寸元件，较小测温热惯性。测温范围内物理化学性能稳定。复现性好、易于得到高纯物质，价格便宜等。工业热电阻：热电阻材料主要是铂、铜、镍、铟、锰等。用的最多的是铂和铜。铂热电阻Pt10、Pt100铜热电阻G（R＝53欧）、Cu50、Cu100应用于-200~800℃范围内的温度测量

54

1）铂电阻

铂电阻的电阻体是用直径为0.02mm～0.07mm的铂丝，按一定规律绕在云母、石英或陶瓷支架上而制成的。铂丝绕阻的端头与银线相焊，并套以瓷管加以绝缘保护。铂电阻主要用于制成标准电阻温度计,其测量范围一般为-200～650℃。

当温度t为0℃～650℃时，当温度t为-200℃～0℃范围内式中：A、B、C－常数；铂容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定,且测量精度高，所以它能用作工业测温元件和作为温度标准。按国际温标IPTS-68规定，在-259.34℃~630.73℃温域内，以铂电阻温度计作基准器。查分度表得相应温度值。55

2）铜电阻

铜电阻的电阻体是一个铜丝绕组，绕组是由0.1mm直径的漆包绝缘铜丝分层双向绕在圆形骨架上。为了防止松散，整个元件要经过酚醛树脂浸渍后，在温度为120℃的烘箱内保持24小时，然后自然冷却至常温才能使用。在的温度范围内，铜电阻阻值与温度关系几乎是线性的，可用下式近似表示

式中—温度为时的电阻值；

—温度为时的电阻值；

—铜电阻温度系数，。

铜热电阻国家标准的R0有100Ω、50Ω、53Ω等几种。

在-50～150℃范围内，铜电阻化学、物理性能稳定，输出—输入特性接近线性，价格低廉。铜电阻的缺点是电阻率低，体积大，热惯性大，易氧化，不适合在腐蚀性介质或高温下工作。56温度（0C）0102030405060708090电阻（Ω）-5041.74053.0050.7548.5046.2443.99-053.0055.2557.5059.7562.0164.2666.5268.7771.0273.27-175.5277.7880.0382.2884.5486.79WZB型铜热电阻G分度表57⑴铟电阻铟电阻用99.999%高纯度的铟丝绕成电阻，适宜在-269～-258℃温度范围内使用。实验证明，在4.2K~15K范围内，铟电阻灵敏度比铂电阻高10倍。铟电阻的缺点是材料软，复制性差。3）其他热电阻⑵锰电阻锰电阻适宜在-271℃～-210℃温度范围内使用。其优点是在2K~63K温度范围内电阻随温度变化大，灵敏度高。锰电阻的缺点是材料脆，难拉成丝。⑶碳电阻碳电阻适宜在-273℃～-268.5℃温度范围内使用。其优点是热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便。但是碳电阻的热稳定性较差。58热电阻结构与热电偶类似

WZP2-240/A级3线300/150mmE(0-300℃)隔爆热电阻

WZC-111/Φ12*1000mmCu50铜热电阻

WZPK2-103/B级Φ6*515mm(0-300℃)铂热电阻

4）热电阻结构595)热电阻测量线路热电阻测量电路一般采用电桥电路.rrrrrrrrr若热电阻安装的地方与指示仪表相距甚远时，则其连线的导线电阻r也要受到温度的影响而发生改变，这样测得的温度就存在误差。为了减小这个误差，可采用三线或四线连接法，由于将两根引线分别接入两个相邻的桥臂中，从而使温度影响被抵消.60R1R2R3Rtr1r3r2EABM当热电阻的三根连接导线直径和长度相同，即r1=r2=r3＝r时电桥平衡，则有可见：且电桥平衡状态下，即可消除连线电阻对桥路平衡的影响。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。61r1r2r3r4RtU电压表恒流源热电阻两端各用两根导线连接到仪表上，一般是用直流电位差计作为指示记录仪器，由恒流源供电四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响，常用于高精度温度检测。6