《传感器原理及应用》课件第9章

第9章温度传感器9.1温度测量的基本概念9.2热电偶传感器的工作原理9.3热电偶的材料及结构9.4热电偶的应用9.5热电阻传感器及其应用9.6集成温度传感器本章小结习题实验、实训建议

9.1温度测量的基本概念

9.1.1温度的基本概念

1．温度

众所周知，当两个冷热不同的物体相互接触时，热量会从热物体传向冷物体，使热物体变冷，冷物体变热，最后使两物体的冷热程度相同，此时称两物体达到热平衡。因此从宏观讲，温度表征了物体的冷热程度，物体温度的高低确定了热量传递的方向；热量总是从温度高的物体传给温度低的物体。

2．温标

1）热力学温标

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：（9-1）式中，Q1为热源给予热机的传热量；Q2为热机传给冷源的传热量。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，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，并以它的1/273.16定义为一度，这样热力学温标就完全确定了，即T=273.16(Q1/Q2)。

2）国际实用温标

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(简称IPTS—68)，又称国际温标。

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，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。注意：摄氏温度的分度值与开氏温度的分度值相同，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。

以下四个温度段用于规定各温度段所使用的标准仪器：

（1）低温铂电阻温度计（13.81~273.15K）。

（2）铂电阻温度计（273.15~903.89K）。

（3）铂铑-铂热电偶温度计（903.89~1337.58K）。

（4）光测温度计（1337.58K以上）。

3）摄氏温标

摄氏温标是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100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。摄氏温标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，T=t+273.15（9-2）

4）华氏温标

华氏温标目前使用较少，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，用符号℉表示。华氏温标与摄氏温标的关系如下：

θF=18(t)℃+32（9-3）9.1.2温度测量及传感器分类

1.接触式温度传感器

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，特别是被测物体的热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式测得物体真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。这种温度传感器具有结构简单、工作稳定可靠的优点。常见的接触式温度传感器有以下几种：（1）常用热电阻：测温范围为－260～＋850℃；精度为0.001℃。改进后可连续工作2000h，失效率小于1％，使用期为10年。

（2）管缆热电阻：测温范围为－20～＋500℃，最高上限为1000℃，精度为0.5级。

（3）陶瓷热电阻：测温范围为－200～+500℃，精度为0.3、0.15级。（4）超低温热电阻：可分别测量－268.8～253℃至272.9～272.99℃的温度。

（5）热敏电阻器：适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用，经济性好且价格便宜。

2.非接触式温度传感器

（1）辐射高温计：用来测量1000℃以上高温。该传感器分为四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。

（2）光谱高温计：前苏联研制的YCI-I型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为400～6000℃,它是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。（3）超声波温度传感器：特点是响应快(约为10ms)，方向性强。目前国外有可测到5000℉的产品。

（4）激光温度传感器：适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为1％。美国麻省理工学院正在研制一种激

光温度计，最高温度可达8000℃，专门用于核聚变研究。

瑞士BrowaBorer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)的高温。除了将温度传感器分为接触式和非接触式以外，我们还可以按照测温的范围、测温的特性以及测温的精度来分类，见表9-1~表9-3。

9.2热电偶传感器的工作原理

9.2.1热电效应

两种不同的导体或半导体A和B组合成如图9-1所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（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，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜克效应。图9-1热电偶原理图图9-1中A和B导体或半导体称为热电偶的电极。两个接点，一端称为工作端或热端(T)，另一端称为参比端或冷端(T0)。由这两种不同导体或半导体的组合将温度转换成电

动势的传感器称为热电偶。

当A

、B

材料确定，且冷端温度T0恒定，则热电动势仅与测量端温度T有关。热电偶两端的热电动势是由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势所组成的。

1.接触电势

设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA＞NB，电子扩散的结果使导体

A

失去电子而带正电，导体

B

则因获得电子而带负电，接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，当达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势，即eAB，如图9-2所示。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。图9-2接触电势原理图

2.温差电势

对于单一导体，如果两端温度不同，在两端间会产生电动势，即温差电动势。这是由于两端电子所具有的能量不同，温度高的电子能量高，运动速度大，电子将从速度大的区域向速度小的区域扩散，扩散的结果使高温端失去电子而带正电，低温端由于获得电子而带负电，从而在导体两端形成电势差，如图9-3所示。图9-3温差电势

3.回路总电势

由导体材料A、B组成的闭合回路如图9-4所示，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，回路总电势为

EAB(T,T0)=eAB(T)－eAB(T0)－eA(T,T0)+eB(T,T0)（9-4）

或用摄氏温度表示:

EAB(t,t0)=eAB(t)－eAB(t0)－eA(t,t0)+eB(t,t0)（9-5）在式（9-4）中，EAB（T，T0）为热电偶电路中的总电动势；eAB（T）为热端接触电动势；eB（T，T0）为B导体的温差电动势；eAB（T0）为冷端接触电动势；eA（T，T0）为A导体的温差电动势。

在总电动势中，温差电动势比接触电动势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电动势可表示为

EAB（T，T0）=eAB（T）－eAB（T0）（9-6）对已选定的热电偶，当参考温度T0恒定时，eAB（T0）=

C为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即

EAB（T，T0）=eAB（T）－C=f（T）（9-7）

这一关系式在实际测量中是很有用的，即只要测出EAB（T，T0）的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。图9-4热电偶回路电动势通过热电偶理论可以得到如下几点结论：

（1）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）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）9.2.2基本定律

1.中间导体定律

利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，但接入导线和仪表后是否会影响回路中的热电势呢？中间导体定律说明，在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，就对回路的总热电势没有影响。将导体A

和B

构成热电偶，并将冷端T0断开，无论插入导体C的温度分布如何，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶回路的总电动势就没有影响。这就是中间导体定律，如图9-5所示。图9-5具有中间导体的热电偶回路证明(1)在T=T0的情况下回路中总电动势为零，即

EABC（T0，T0）=EAB（T0）+EBC（T0）+EAC（T0）=0

(9-8)

（2）若A和B接触点温度为T，其余接触点温度为T0，且T>T0,则回路中的总电动势为

EABC（T，T0）=EAB（T）+EBC（T0）+EAC（T0）(9-9)

由式(9-8)解得

EAB（T0）=－［EBC（T0）+EAC（T0）］=0

(9-10)将式(9-10)代入式(9-9)，得

EABC（T，T0）=EAB（T）－EAB（T0）=EAB（T，T0）(9-11)

证毕。

如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图9-6所示，则它们相互间热电势的关系为

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0)(9-12)图9-6热电势之间的关系图

2.连接导体定律和中间温度定律

连接导体定律指出：在热电偶回路中，若导体A

、B

分别与连接导线A′、B′相接，其接点温度分别为T、Tn、T0，那么回路中的热电势将等于热电偶的热电势EAB(T,Tn)

与连接导线A′、B′在温度Tn、T0时热电势的代数和，即

EABA′B′(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EA′B′(Tn,T0)

(9-13)由式（9-13）可引出重要结论:当A与A′、B与B′材料分别相同且接点温度为T、Tn、T0时，根据连接导体定律，可得到该回路的热电势为

EAB（T，T0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn，T0）(9-14)

式(9-14)表明，热电偶在温度为T、T0时的热电势

EAB（T，T0）等于热电偶在(T,Tn)、(Tn,T0)时相应的热电势EAB（T，Tn）与EAB（Tn，T0）的代数和，这就是中间温度定律，其中Tn称为中间温度，如图9-7所示。图9-7用连接导线的热电偶回路

3.参考电极定律

当接点温度为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

EAB′(T,T0)=EAC(T,T0)+EC′B′(T,T0)

(9-14)

导体C称为标准电极(一般用铂制成)，这一规律称为参考电极定律，如图9-8所示。图9-8参考电极定律9.3热电偶的材料及结构

9.3.1热电极材料

理论上讲，任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶，但为了准确可靠地测量温度，对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件：热电势变化尽量大，热电势与温度关系尽量接近线性关系，物理、化学性能稳定，易加工，复制性好，便于成批生产，有良好的互换性。完全满足上述条件要求的材料很难找到。一般来说，纯金属的热电极容易复制，但其热电势小，平均约为20μV/℃，非金属的电极的热电势较大，可达1000μV/℃，且熔点高，但复制性和稳定性都较差；合金热电极的热电性能和工艺性介于前面两者之间，所以合金热电极用得较多。目前在国际上被公认为有代表性的或比较普遍采用的热电偶并不多，这些热电偶的热电极材料都是经过大量实验并分别被应用在各温度范围内，测量效果良好。

1.国际标准热电偶及其材料简述

(1)铂铑10-铂热电偶(分度号为S)。它是一种贵金属热电偶，其正极为(Pt90%+Rh10%)铂铑丝，负极为(Pt100%)纯铂丝。由于容易得到高纯度的铂和铂铑，故它的复制精度和测量精确度较高，可用于精密温度测量。测温上限最高可达1600℃，适于在氧化或中性气氛介质中使用。其主要缺点是金属材料的价格昂贵，热电动势小，灵敏度低，在高温还原介质中容易被侵蚀和污染，从而失去测量精确度。（2）铂铑30-铂铑6热电偶(分度号为B)。它也是一种贵金属热电偶，其正极为(Pt70%+Rh30%)铂铑丝，负极为(Pt94%+Rh6%)铂铑丝。它的优点是比铂铑10-铂热电偶具有更高的测量上限，短期使用可达1800℃，具有较高的稳定性和机械强度，抗污染能力强。其主要缺点是灵敏度低，室温下热电动势比较小，因此，许多情况下不需要参考端补偿和修正，可作标准热电偶。（3）镍铬-康铜热电偶(分度号为E)。它是一种贱金属热电偶，其正极为(Ni89%+Cr10%+Fe1%)镍铬，负极为(Cu60%+Ni40%)康铜。它的优点是热电动势较大，电阻率小，价格便宜。缺点是抗氧化及抗硫化介质的能力差，适用于还原性和中性气氛下测温，测量上限较低。（4）镍铬-镍硅热电偶(分度号为K)。它是一种贱金属热电偶。它的正极为(Ni89%+Cr10%+Fe1%)镍铬，负极为(Ni97%+Si2.5%+Mn0.5%)镍硅。它的优点是热电动势较大，和温度的关系接近线性关系，有较强的抗氧化性和抗腐蚀性，化学稳定性好，复制性好，价格便宜，可选其中较好的作标准热电偶。缺点是测量精度比铂铑10-铂热电偶低，热电动势稳定性差。（5）铂铑13-铂热电偶(分度号为R)。它也是一种贵金

属热电偶。它的正极为(Pt87%+Rh13%)铂铑丝，负极为

(Pt100%)纯铂丝。它的优点是精度高，物理化学性能稳

定，测温上限高，最高可达1600℃，适于在氧化或中性气氛介质中使用。但其热电动势小，灵敏度低，在高温还原介质中容易被侵蚀和污染，价格昂贵。

2.几种特殊用途的热电偶

（1）铱和铱合金热电偶：如铱50铑-铱10钌热电偶，它能在氧化气氛中测量高达2100℃的高温。

（2）钨铼热电偶：发展于60年代，是目前一种较好的

高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围为

300～2000℃，分度精度为1％。（3）金铁-镍铬热电偶：主要用在低温测量，可在

2～273K范围内使用，灵敏度约为10μV／℃。

（4）钯-铂铱15热电偶：一种高输出性能的热电偶，在1398℃时的热电势为47.255mV，比铂-铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。（5）铁-康铜热电偶（分度号为TK）：灵敏度高，约为53μV/℃。优点是线性度好，价格便宜，可在800℃以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。

（6）铜-康铜热电偶（分度号为MK）：热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43μV/℃。优点是复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20～473K的低温实验室测量中。9.3.2热电偶的结构和常用热电偶

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶，是指国家标准规定了其热电动势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准热电偶在使用范围或数量级上均不及标准热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。

1.普通型热电偶

普通型热电偶在工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒组成，其结构如图9-9所示。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(如图

9-10所示)。普通型热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体等介质的温度，可根据测量条件和测量范围来选用。为了防止有害介质对热电极的侵蚀，工业用的热电偶一般都有保护套。热电偶的外形有棒形、三角形、锥形等。图9-9普通型热电偶结构示意图图9-10常见普通工业装配式热电偶的外形结构

(1)热电极：又称偶丝，它是热电偶的基本组成部分。普通金属做成的偶丝，其直径一般为0.5～3.2mm，贵重金属做成的偶丝，直径一般为0.3～0.6mm。偶丝的长度则由使

用情况、安装条件，特别是工作端在被测介质中插入的深度来决定，通常为300～2000mm，常用的长度为350mm。

(2)绝缘套管：又称绝缘子，用于热电极之间及热电极与保护套管之间进行绝缘保护的零件。形状一般为圆形或椭圆形，中间开有二个、四个或六个孔。偶丝穿孔而过。材料为粘土质、高铝质、刚玉质等，材料选用视使用的热电偶而定。在室温下，绝缘管的绝缘电阻应在5MΩ以上。

(3)保护套管：用来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。保护套管应具有耐高温、耐腐蚀的性能，要求导热性能好，气密性好。其材料有金属、非金属以及金属陶瓷三大类。金属材料有铝、黄铜、碳钢、不锈钢等，其中1Cr18Ni9Ti不锈钢是目前热电偶保护套管使用的典型材料。非金属材料有高铝质(85%～90%A1203)、刚玉质(99％Al2O3)，使用温度都在1300℃以上。金属陶瓷材料（如氧化镁加金属钼）的使用温度为1700℃，且在高温下有很好的抗氧化能力，适用于钢水温度的连续测量，其形状一般为圆柱形。

(4)接线盒：用来固定接线座和作为连接补偿导线的装置。根据被测量温度的对象及现场环境条件，设计有普通式、防溅式、防水式和接插座式等四种结构形式。普通式接线盒无盖，仅由盒体构成，其接线座用螺钉固定在盒体上，适用于环境条件良好、无腐蚀性气体的现场。防溅式、防水式接线盒有盖，且盖与盒体由密封圈压紧密封，适用于雨水能溅到的现场或露天设备现场。插座式接线盒结构简单，安装所占空间小，接线方便，适用于需要快速拆卸的环境。

2.铠装型热电偶

铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由热电极、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体，如图9-11所示。它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。图9-11铠装型热电偶结构示意图铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应时间快和坚固耐用等优点，它和工业用装配式热电偶一样，作为测量温度的变送器，通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配

套使用，同时亦可作为装配式热电偶的感温元件。它可以直接测量各种生产过程中从0~800℃范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。铠装热电偶的结构原理是由导体、高绝缘氧化镁、外套1Cr18Ni9Ti不锈钢保护管经多次一体拉制而成。铠装热电偶分接壳式、绝缘式、圆接插式、扁接插式、手柄式及补偿导线式等多种形式，如图9-12所示。图9-12常见铠装热电偶的外形结构

(1)接壳式：热电偶的测量端与金属套管接触并焊接在一起。该形式的热电偶适用于测量温度高、压力高、腐蚀性较强的介质。

(2)绝缘式：热电偶的测量端焊接后填以绝缘材料再与金属套管焊接。该形式的热电偶适用范围同接壳式，特点是偶丝与保护金属套管不接触，具有电气绝缘性能。

(3)圆接插式：金属套管端头部分的直径为原直径的一半，故时间常数更小。

(4)扁接插式：分为接壳型和绝缘型两种，其时间常数最小，反应速度更快。

(5)手柄式：自带数字显示器,使用最方便、直接。

(6)补偿导线式：带有补偿导线,可延长信号测试距离，适于离线遥测。

铠装热电偶冷端连接补偿导线的接线盒结构，在不同的使用条件下有不同的形式。如简易式、带补偿导线式、插座式等，这里不作详细介绍，选用时可参考有关资料。由于铠装热电偶具有寿命长、机械性能好、耐高压、可挠性等优点，因而深受欢迎。

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、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成的一种特殊热电偶，如图9-13所示。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、反应速度快等特点，热响应时间达到微秒级，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。图9-13薄膜热电偶的典型结构

4.快速消耗微型热电偶

图9-14为一种测量钢水温度的热电偶。它用直径为

0.05～0.1mm的铂铑-10-铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可达±5～7℃。图9-14快速消耗微型热电偶9.4热电偶的应用

9.4.1热电偶冷端的延长

由热电偶测温原理可知，热电偶的热电动势的大小不仅与工作端的温度有关，而且与冷端温度有关，是工作端和冷端温度的函数差。只有当热电偶的冷端温度保持不变，热电动势才是被测温度的单值函数。工程技术上使用的热电偶分度表中的热电动势值是根据冷端温度为0℃而制作的。在一般采用一种导线(或称补偿导线)将热电偶的冷端延伸出来，这种导线采用廉价金属，在一定温度范围内(0～100℃)具有和所连接的热电偶相同的热电性能，两个连接点温度必须相等，正负极性不能接反，如图9-15所示。图9-15补偿导线法示意图延长型：补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标

称值与配用的热电偶相同，用字母“Ｘ”附在热电偶分度号后表示。

补偿型：其合金丝的名称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，用字母“C”附在热电偶分度号后表示。

采用热电偶的补偿导线如表9-4所示。其中补偿导线型号的头一个字母与配用热电偶的型号相对应；第二个字母“X”表示延长型导线；字母“C”表示补偿型导线。使用补偿导线时应注意以下几个问题：

（1）补偿导线只能用在规定的温度范围内（0~100℃）。（2）热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同。（3）不同型号的热电偶配有不同的补偿导线。

（4）补偿导线的正、负极需分别与热电偶正、负极相连。

（5）补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。9.4.2热电偶温度补偿的技术处理

在实际测量中，热电偶的冷端温度将受到环境的影响，并不为0℃。为了实现温度的准确测量，对冷端温度变化引起的温度误差，常需要进行冷端温度补偿或修正，通常采用的方法除了上面我们介绍过的补偿导线法外，还有0℃恒温法、补偿电桥法、冷端温度修正法、零点迁移法和软件处理法。

1.0℃恒温法（冰浴法）

热电偶的分度表是以0℃为标准的。所以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℃，这种方法又称为冰浴法。这

是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便,仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相

互绝缘,如图9-16所示。图9-16冰浴法示意图

2.补偿电桥法(冷端温度自动补偿法)

补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压Uab作为补偿信号，来自动补偿热电偶测量过程中因冷端温度不为

0℃或变化而引起热电势的变化值。补偿电桥的工作原理如图9-17所示，它由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻R1、R2、R3及电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻RCu和稳压电源组成。补偿电桥与热电偶冷端处在同一环境温度，当冷端温度变化引起的热电势EAB(T，T0)变化时，由于RCu的阻值随冷端温度变化而变化，适当选择桥臂电阻和桥路电流，就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于冷端温度T0变化引起的热电势变化量，从而达到自动补偿的目的。图9-17补偿电桥法示意图

3.冷端温度修正法

在实际工况环境中，当热电偶冷端温度不是0℃时，而是TH时，根据热电偶中间温度定律，可得热电动势的计算校正公式为

E（T，0）=E（T，TH）+E（TH，0）（9-15）

式中，E(T,0)表示冷端为0℃而热端为T时的热电动势；

E(T,TH)表示冷端为TH而热端为T

时的热电动势，即实测值；E(TH,0)表示冷端为0℃而热端为TH时的热电动势，即冷端温度不为0℃时的热电动势校正值。

因此，只要知道了热电偶参比端的温度TH，就可以从分度表中查出对应于TH时的热电动势E(TH,0)，然后将这个热电动势值与显示仪表所测得读数值

E(T,TH)相加，得出的结果就是热电偶的参比端温度为0℃时对应于测量端的温度为T

时的热电动势E(T,0)，最后就可以从分度表中查得对应于E(T,0)的温度，这个温度的数值就是热电偶测量端的实际温度。例如：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)=1.999mV，又用室温计测出TH=21℃,查此种热电偶的分度表可知EAB(21,0)=0.832mV，求被测温度。

由热电动势的计算校正公式得

EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，0)

=1.999+0.832

=2.831(mV)

4.零点迁移法

如果冷端不是0℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所），那我们就可以在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。例如：用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是0℃而是TH。而热电偶的冷端温度已是TH,则只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远

正确。

5.软件处理法

对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，可利

用热敏电阻或其他传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的通道数太多，则利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速度也很有利。9.5热电阻传感器及其应用

9.5.1金属热电阻传感器

热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，一般把金属热电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏电阻。热电阻广泛用来测量－200～850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000℃。热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，如图9-18所示。热电阻也可与温度变送器连接，转换为标准电流信号输出。图9-18热电阻传感器大多数金属材料的电阻值都随温度而变化，但是用作测温用的材料必须具备以下特点：

(1)具有尽可能大的电阻率和稳定的温度系数。

(2)电阻与温度的关系(R-T)尽可能成线性关系。

(3)在整个测温范围内具有稳定的物理化学性能。

(4)复现性和互换性好、价格便宜。

1.铂热电阻

铂热电阻的特点是在氧化性介质中，甚至高温下的物理化学性能稳定、精度高、稳定性好、电阻率较大、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。其主要应用于：钢铁、石油化工的各种工艺过程；纤维等工业的热处理工艺；食品工业的各种自动装置；空调、冷冻冷藏工业；宇航和航空、物化设备及恒温槽。按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围为－200～850℃。铂热电阻的阻值与温度之间的特性方程为在－200℃≤T≤0℃的温度范围内：

RT=R0［1+AT+BT2+CT3(t－100)］

在0℃≤T≤850℃的温度范围内：

RT=R0［1+AT+BT2］式中,RT、R0表示铂热电阻在T℃和0℃时的电阻值；

A、B、C表示分度常数。在ITS—90中，这些常数规定如下：

A=3.9083×10－3/℃，B=－5.775×10－7/℃，

C=－4.183×10－12/℃

可以看出，铂热电阻在温度为T℃时的电阻值与0℃时的电阻值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P10和P100，其中以P100为常用。铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比W(100)表示，即式中,R100表示铂热电阻在100℃时的电阻值；

R0表示铂热电阻在0℃时的电阻值。电阻比W(100)越大，其纯度越高。按IEC标准，工业使用的铂热电阻的W(100)≥1.3850。目前技术水平可达到W(100)=1.3930，其对应铂的纯度为99.9995%。

2.铜热电阻

在一些测量精度要求不高、测温范围不大且温度较低的测温场合，可采用铜热电阻进行测温。铜热电阻的测量范围为－50～150℃。

在测量范围－50～150℃内，铜热电阻的电阻值与温度的关系可近似地表示为

RT=R0（1+αT）

式中,α表示铜热电阻的电阻温度系数，取α=4.28×10－3/℃.

3.热电阻的结构和测量电路

热电阻的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为

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及显示温度。图9-19所示的是工业用热电阻的结构示意图。图9-19热电阻结构(a)热电阻整体结构；(b)内部结构用热电阻传感器进行测温时，热电阻与检测仪表相隔一段距离，因为热电阻的引线对测量结果有较大的影响，所以测量电路经常采用电桥电路。热电阻内部的引线方式有二线制、三线制和四线制三种，如图9-20所示。二线制中引线电阻对测量影响大，用于测温精度不高的场合；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；四线制可以完全消除引线电阻对测量结果的影响，用于高精度温度检测。图9-20热电阻的内部引线方式(a)二线制接线；(b)三线制接线；(c)四线制接线图9-21所示的是工业上常采用的热电阻三线制桥式接线测量电路。图中RT为热电阻，r1、r2、

r3为接线电阻，R1，R2为桥臂电阻，通常取R1＝R2，Rw为调零电阻。M为指示仪表，它具有很大的内阻，所以流过r3的电流近似为零。当UA=UB时，电桥平衡，使r1=r2，则Rw=RT，从而消除了接线电阻的影响。图9-21热电阻三线制桥式接线测量电路9.5.2半导体热敏电阻传感器

1.热敏电阻测温原理

热敏电阻温度传感器就是利用半导体的电阻值随温度变化的特性，对温度及与温度有关的参数进行检测的装置。金属导体的电阻值随温度的升高而增大，但半导体却相反，其电

阻值随温度的升高而急剧减小，并呈现非线性。在温度变化相同时，热敏电阻的阻值变化约为铂热电阻的10倍，因此可以用它来测量0.01℃或更小的温度差异。

2.结构与材料和特性

热敏电阻主要由热敏探头、引线、壳体构成，如图9-22所示。图9-22热敏电阻的结构及电路符号(a)热敏电阻的结构；(b)电路符号热敏电阻一般做成二端器件，但也有做成三端或四端的。二端或三端器件可直接在电路中获得功率，称为直热式。四端器件一般是旁热式热敏电阻。根据不同的要求，可以把热敏电阻做成不同的形状结构，其典型结构如图9-23所示。常用的半导体材料有铁、镍、锰、钴、钼、镁、钛、铜等的氧化物或其他化合物，根据产品性能的不同，进行不同的配比烧结而成。表现出来的主要特性有温度特性和伏安特性。图9-23热敏电阻的结构形式(a)圆片型；(b)薄膜型；(c)柱型；(d)管型；(e)平板型；(f)珠型；(g)扁型；(h)垫圈型；(i)杆型

1）温度特性

热敏电阻按其性能可分为负温度系数NTC型热敏电阻、正温度系数PTC型热敏电阻和临界温度CTR型热敏电阻三种。热敏电阻的电阻-温度特性曲线如图9-24所示，其中曲线1、2、3、4分别为NTC型、CTR型、PTC型热敏电阻和铂的电阻温度特性曲线。图9-24热敏电阻的电阻-温度特性曲线半导体热敏电阻就是利用这种性质来测量温度的。现以负温度系数NTC型热敏电阻为例进行说明，可用如下经验公式描述：式中，RT表示温度为T

时的电阻值；A表示与材料和几何尺寸有关的常数；B表示热敏电阻常数。若已知T1和T2时的电阻为RT1和

RT2，则可通过公式求取A

、

B的值，即

2)伏安特性(U-I)

热敏电阻伏安特性表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻和周围介质热平衡(即加在元件上的电功率和耗散功率相等)时的相互关系。

（1)负温度系数(NTC)热敏电阻的伏安特性(U-I)。

特性曲线如图9-25所示，该曲线是在环境温度为T0

时的静态介质中测出的静态U-I曲线。图9-25NTC热敏电阻器的静态伏安特性曲线热敏电阻的端电压UT和通过它的电流I

有如下关系：式中，T0表示环境温度；ΔT表示热敏电阻的温升；BN表示热敏电阻的材料常数。（2)正温度系数(PTC)热敏电阻器的伏安特性(U-I)。

曲线如图9-26所示，它与NTC热敏电阻一样，曲线的起始段为直线，其斜率与热敏电阻在环境温度下的电阻值相等。这是因为流过热敏电阻电流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故。当热敏电阻温度超过环境温度时，引起电阻值增大，曲线开始弯曲。当电压增至Um时，存在一个电流最大值Im；如电压继续增加，由于温升引起电阻值增加速度超过电压增加的速度，电流反而减小，即曲线斜率由正变负。图9-26PTC热敏电阻的静态伏安特性曲线

3.热敏电阻的应用

由于热敏电阻具有许多优点，所以应用范围很广，可用于温度测量、温度控制、温度补偿、稳压稳幅、自动增益调整、气体和液体分析、火灾报警、过热保护等方面。下

面介绍几种主要方法。

(1)热敏电阻测温电桥。

热敏电阻测温电桥电路如图9-27所示。图9-27热敏电阻测温电桥电路(a)实物连接；(b)电路原理（2）热敏电阻作温度补偿用。

通常补偿网络由热敏电阻器

RT和与温度无关的线性电阻器R1、R2串并联组成，如图9-28所示。

热敏电阻的补偿温度范围为T1～T2。对于晶体管低频放大器和功率放大器电路的温度补偿，可用公式来确定热敏电阻器的型号。

9.6集成温度传感器

集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，因而得到广泛应用。集成温度

传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输

出型的灵敏度一般为10mV/K，温度为0℃时的输出为0V，温度为25℃时的输出为2.982V。电流输出型的灵敏度一般为

1mA/K。9.6.1集成温度传感器的测温原理

PN结的电流、电压特性简称为伏安特性，PN结伏安特性可用下式表示：式中：I为PN结正向电流；U为PN结正向压降；k为波尔兹曼常数；q为电子电荷量；T为绝对温度；IS为PN结反向饱和电流。当时，则上式为两边取对数，则可见，只要通过PN结上的正向电流I恒定，则PN结的正向压降U与温度的线性关系只受反向饱和电流IS的影响。IS是温度的缓变函数，只要选择合适的掺杂浓度，就可认为在不太宽的温度范围内，IS近似常数，因此，正向压降U与温度T成线性关系。常数二极管作为温度传感器虽然工艺简单，但线性差，因而把NPN晶体管的bc结短接，利用be结作为感温器件，即通常的三极管，三极管形式更接近理想PN结，其线性更接近理

论推导值。图9-29是集成温度传感器基本原理电路图，VT1、VT2是两只互相匹配的温敏晶体管，I1、I2是集电极电流，由恒流源提供，ΔUbe是两个晶体管发射极和基极之间电压差。图9-29集成温度传感器基本电路原理图集成温度传感器把热敏晶体管和外围电路、放大器、偏置电路及线性电路制作在同一芯片上，利用发射极电流密度在恒定比率下工作的晶体管对的基极发射极电压Ube之间的差

与温度成线性关系，如伏安方程式：式中：

k表示波尔兹曼常数；q表示电子电荷量；T表示绝对温度；

γ表示VT1、VT2发射极面积比。9.6.2集成温度传感器的类型

1.模拟温度传感器

模拟温度传感器于20世纪80年代问世，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测

量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单，是目前应用最为普遍的一种集成传感器。

2.数字温度传感器

一般来说，具有输出数字信号便于电脑处理的传感器就是数字传感器。数字传感器系统可以输出线性无漂移的模拟信号，也可以输出代表特定含义的串行脉冲，甚至可以按照给定程序去控制某个对象（如电机）。将模拟温度传感器与数字转换接口电路集成在一起，就成为具有数字输出能力的数字温度传感器。随着半导体技术的迅猛发展，半导体温度传

感器与相应的转换电路、接口电路以及各种其他功能电路逐渐集成在一起，形成