《传感器与检测技术》课件全套 广教版 项目1-8 传感器与测量技术基础 -现代智能式传感器及应用

项目1传感器与检测技术基础任务1.1认识传感器

任务1.2认识测量及数据处理

任务1.3认识传感器接口电路任务1.1认识传感器1.1.1传感器的定义、组成与分类1.传感器的定义传感器是指能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

任务1.1认识传感器2.传感器的组成传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，有时也可以称为换能器、检测器、探头等，通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。任务1.1认识传感器电位器式压力原理表示意图a)原理示意图b)外形图1－弹簧管2－电位器3－电刷4－传动机构（齿轮-齿条）任务1.1认识传感器3.传感器的分类传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。按输入量即测量对象的不同分类输入量分别为温度、压力、位移、速度、湿度、光线、气体等非电量时，则相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、称重传感器等。按工作(检测)原理分类检测原理指传感器工作时所依据的物理效应、化学效应和生物效应等机理。有电阻式、电容式、电感式、压电式、电磁式、磁阻式、光电式、压阻式、热电式、核辐射式、半导体式等传感器。按传感器能量转换情况分类可分为能量变换型(发电型)传感器和能量控制型(参量型)传感器两种。任务1.1认识传感器1.1.2传感器的基本特性

传感器的基本特性是指传感器的输入-输出关系特性，是传感器的内部结构参数作用关系的外部特性表现。不同的传感器有不同的内部结构参数，决定了它们具有不同的外部特性。

传感器所测量的物理量基本上有两种形式稳态（静态或准静态）信号不随时间变化（或变化很缓慢）静态特性动态（周期变化或瞬态）信号随时间变化动态特性任务1.1认识传感器1.静态特性传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入-输出关系。静态特性所描述的传感器的输入-输出关系式中不含时间变量。灵敏度分辨力线性度迟滞重复性漂移静态特性的主要指标任务1.1认识传感器1）灵敏度(Sensitivity)

灵敏度是传感器在稳态下输出量变化对输入量变化的比值。用S

来表示：任务1.1认识传感器2）分辨力(Resolution)指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率，分辨率常以百分比或几分之一表示，是量纲为1的数。右表的分辨力为多少？分辨力=0.1A分辨率=0.1A÷99.9≈0.1%任务1.1认识传感器3）线性度（Linearity）

线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百分比。将传感器输出起始点与满量程点连接起来的直线作为拟合直线，这条直线称为端基理论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线性度。

线性度的计算公式如下：

式中

ΔLmax——最大非线性偏差；

ymax

-ymin——输出范围。

端基线性度示意图1-拟合直线y=Kx+b2-实际特性曲线任务1.1认识传感器4）迟滞（Hysteresis）

迟滞又称为回差或变差，是指在规定的测量范围内，输入量增大行程期间和输入量减小行程期间，任一被测量值处输出量的最大差值，也就是指传感器的正向特性和反向特性不一致程度。可用下式表示：

式中

ΔHmax——最大非线性偏差；

ymax

-ymin——输出范围。某位移传感器迟滞特性曲线1-正向特性2-反向特性任务1.1认识传感器5）重复性（Repeatability）

重复性是指当传感器在相同工作条件下，输入量按同一方向全量程连续多次测试时,所得特性曲线不一致的程度。如图所示，正行程的最大重复性偏差为ΔRmax1，反行程的最大重复性偏差为ΔRmax2。重复性误差取这两个最大偏差中较大的一个（设为ΔRmax），再与满量程输出的百分比表示，即：

任务1.1认识传感器6）漂移（DriftorShift）

漂移是指传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象。漂移将影响传感器的稳定性或可靠性。一是传感器自身结构参数发生老化，如零点漂移（简称零漂）二是在测试过程中周围环境（如温度、湿度、压力等）发生变化，最常见的是温度漂移（简称温漂）产生漂移的原因漂移任务1.1认识传感器2.动态特性传感器动态特性是指传感器的输入为随时间变化的信号时，其输出与输入之间的关系。传感器的输入信号是随时间变化的动态信号，这时就要求传感器能时刻精确地跟踪输入信号，按照输入信号的变化规律输出信号。当传感器输入信号的变化缓慢时，是容易跟踪的，但随着输入信号的变化加快，传感器随动跟踪性能会逐渐下降。输入信号变化时，引起输出信号也随时间变化，这个过程称为响应。任务1.1认识传感器1.1.3传感器的标定与校准标定利用某种标准仪器对新研制或生产的传感器进行技术检定和标度；它是通过实验建立传感器输入量与输出量间的关系，并确定不同使用条件下的误差关系或测量精度。校准校准是指对使用或储存一段时间后的传感器性能进行再次测试和校正，校准的方法和要求与标定相同。任务1.1认识传感器

任务1.2认识测量及数据处理

任务1.3认识传感器接口电路任务1.2认识测量及数据处理1.2.1检测技术及自动检测系统1.检测技术检测是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法和装置，将生产、科研、生活中的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测技术。

检测与计量不同。计量是指利用精度等级更高的标准量具、器具或标准仪器，对被测样品、样机进行考核性质的非实时、离线的测量。而检测是指在生产、实验等现场，利用某种合适的检测仪器或综合测试系统对被测对象进行在线、连续的测量。2.自动检测系统自动检测系统是指在物理量的测试中，能自动地按照一定的程序选择测量对象，获得测量数据，并对数据进行分析和处理，最后将结果显示或记录下来的系统。一个完整的检测系统通常由传感器、测量电路、显示记录装置、数据处理装置和执行机构等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示、处理和控制等功能。任务1.2认识测量及数据处理（1）传感器。传感器已在任务1.1中详细介绍过，本任务不再赘述。（2）信号调理电路。信号调理电路包括放大（或衰减）电路、滤波电路、隔离电路等。放大电路的作用是把传感器输岀的电量变成具有一定驱动和传输能力的电压、电流或频率等信号，以推动后级的显示器、数据处理装置及执行机构。（3）显示装置。显示装置是人机联系的重要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。常用的有模拟显示、数字显示和图像显示三种。任务1.2认识测量及数据处理（4）数据处理装置。数据处理装置用于对测试所得的实验数据进行处理、运算、逻辑判断、变换，以及对动态测试结果做频谱分析（包括幅值谱分析、功率谱分析）、相关分析等，完成这些工作必须釆用计算机技术。（5）执行机构。执行机构是运动部件，通常釆用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。任务1.2认识测量及数据处理任务1.2认识测量及数据处理1.2.2测量与测量误差1.测量的概念测量是人们借助专门的技术和设备，通过实验的方法，把被测量与单位标准量进行比较，以确定出被测量是标准量的多少倍数的过程，所得的倍数就是测量值。测量结果可用一定的数值表示，也可以用一条曲线或某种图形表示。但无论其表现形式如何，测量结果应包括两部分：比值和测量单位。测量过程的核心就是比较。2.测量方法实现被测量与标准量比较得出比值的方法，称为测量方法。针对不同测量任务进行具体分析以找出切实可行的测量方法，对测量工作是十分重要的。对于测量方法，从不同角度，有不同的分类方法。（1）根据被测量是否随时间变化，可分为静态测量和动态测量。例如，用激光干涉仪对建筑物的缓慢沉降作长期监测就属于静态测量；又如，用光导纤维陀螺仪测量火箭的飞行速度和方向就属于动态测量。任务1.2认识测量及数据处理（2）根据测量的手段不同，可分为直接测量和间接测量。用仪表直接读取被测量的测量结果，称为直接测量。间接测量的过程比较复杂，首先要对几个与被测量有确定函数关系的量进行直接测量，将测量值代入函数关系式y=f(x1，x2，x3，…)，经过计算求得被测量。（3）根据测量结果的显示方式，可分为模拟式测量和数字式测量。目前多采用数字式测量。（4）根据测量时是否与被测对象接触，可分为接触式测量和非接触式测量。（5）为了监视生产过程或在生产流水线上监测产品质量的测量称为在线测量；反之，称为离线测量。任务1.2认识测量及数据处理（6）根据测量的方式来分，又可分为偏位式测量、零位式测量和微差式测量。①偏位式测量：在测量过程中，被测量作用于仪表内部的比较装置，使该比较装置产生偏移量，直接用仪表的偏移量表示被测量的测量方式称为偏位式测量。②零位式测量：在测量过程中，被测量与仪表内部的标准量相比较，当测量系统达到平衡时，用已知标准量的值决定被测量的值，这种测量方式称为零位式测量。③微差式测量：微差式测量法综合了偏位式测量法速度快和零位式测量法准确度高的优点。这种测量方法预先使被测量与测量装置内部的标准量取得平衡，当被测量有微小变化时，测量装置失去平衡。任务1.2认识测量及数据处理3.测量误差及表达方式

在一定条件下被测物理量客观存在的实际值，称为真值，真值是一个理想的概念。在实际测量时，由于实验方法和实验设备的不完善、周围环境的影响以及人们认识能力所限等因素，使得测量值与其真值之间不可避免地存在着差异。测量值与真值之间的差值称为测量误差。

测量误差可用绝对误差表示，也可用相对误差表示。任务1.2认识测量及数据处理（1）绝对误差绝对误差是指测量值与真值之间的差值，它反映了测量值偏离真值的多少，即Δx=Ax-A0

（1-5）式(1-5)中A0为被测量真值，Ax为被测量实际值。由于真值的不可知性，在实际应用时，常用实际真值（或约定真值）A代替，即用被测量多次测量的平均值或上一级标准仪器测得的示值作为实际真值，故有Δx=Ax-A

（1-6）任务1.2认识测量及数据处理（2）相对误差

相对误差能够反映测量值偏离真值的程度，用相对误差通常比其绝对误差能更好地说明不同测量的精确程度。它有以下三种常用形式：①实际相对误差。实际相对误差是指绝对误差Δx与被测量真值A0的百分比，用γA表示，即

（1-7）任务1.2认识测量及数据处理②示值(标称)相对误差。示值相对误差是指绝对误差Δx与被测量实际值Ax的百分比，用γx表示，即

（1-8）任务1.2认识测量及数据处理③引用(满度)相对误差。引用相对误差是指绝对误差Δx与仪表满度值Am的百分比，用γm表示，即

（1-9）任务1.2认识测量及数据处理由于γm是用绝对误差Δx与一个常量Am(量程上限)的比值所表示的，所以实际上给出的是绝对误差，这也是应用最多的表示方法。当|Δx|取最大值时，其满度相对误差常用来确定仪表的精度等级S,精度等级数值就是取γm绝对值并省略百分号得到的，即

（1-10）任务1.2认识测量及数据处理例如，若γm=l.5%，则精度等级S=1.5级。为统一和方便使用，国家标准GB776-76(测量指示仪表通用技术条件》规定，测量指示仪表的精度等级S分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个等级，这也是工业检测仪器(系统)常用的精度等级。例如用5.0级的仪表测量，其绝对误差的绝对值不会超过仪表量程的5%。满度相对误差中的分子、分母均由仪表本身性能所决定，所以它是衡量仪表性能优劣的一种简便实用的方法。任务1.2认识测量及数据处理【例1-2】某温度计的量程范围为0℃～500℃,校验时该表的最大绝对误差为6℃,试确定该仪表的精度等级。【解】根据题意知|Δx|m=6℃,Am=500℃，代入式(1-8)中可得

该温度计的基本误差介于1.0%与1.5%之间，因此该表的精度等级应定为1.5级。任务1.2认识测量及数据处理【例1-3】现有精度等级为0.5级的0℃～300℃和1.0级的0℃～100℃的两个温度计，欲测量80℃的温度，试问选用哪一个温度计好？为什么？【解】0.5级温度计测量时可能出现的最大绝对误差和测量80℃可能出现的最大示值相对误差分别为任务1.2认识测量及数据处理1.0级温度计测量时可能出现的最大绝对误差和测量80℃可能出现的最大示值相对误差分别为根据计算结果,显然用1.0级温度计比0.5级温度计测量时，示值相对误差反而小。因此在选用仪表时,不能单纯追求高精度，而是应兼顾精度等级和量程。任务1.2认识测量及数据处理4.测量误差的分类（1）按被测量与时间关系划分①静态误差。被测量稳定不变时所产生的测量误差称为静态误差。②动态误差。被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上却跟不上输入量的变化，这时所产生的误差称为动态误差。任务1.2认识测量及数据处理（2）按误差表现的规律划分根据测量数据中的误差所呈现的规律，将误差分为三种，即系统误差、随机误差和粗大误差。这种分类方法便于测量数据的处理。①系统误差。对同一被测量进行多次重复测量时，若误差固定不变或者按照一定规律变化，这种误差称为系统误差。②随机误差。对同一被测量进行多次重复测量时，若误差的大小随机变化、不可预知，这种误差称为随机误差。③粗大误差。测量结果明显地偏离其实际值所对应的误差，称为粗大误差或疏忽误差，又叫过失误差。这类误差是由于测量者疏忽大意或环境条件的突然变化而引起的。任务1.2认识测量及数据处理任务1.2认识测量及数据处理1.2.3测量数据处理在实际测量工作中，所测得的数据并不一定十分理想。为了能得到较精确的测量结果，应对多次测量的数据进行分析与处理。测量结果的数据处理可以按照下列步骤进行：1.将一系列等精度测量的数据xi（i=1,2,…,n）按先后顺序列成表格(在测量时应尽可能消除系统误差)。2.求出测量数据xi的算术平均值

x。3.计算出各测量值的残余误差Vi(Vi=xi-

x),并列入表中每个测量数值旁。4.检查

Vi=0（i=1～n）的条件是否满足。若不满足，说明计算有错误，须再计算。5.在每个残余误差旁列出Vi2，然后利用公式（1-10）求出方均根误差

。

（1-10）6.判别是否存在粗大误差（即是否有|Vi|＞3

）,若有，应舍去此数，然后从步骤2开始重新计算。7.在确定不存在粗大误差（即|Vi|≤3

）后，利用公式（1-11）求出算术平均值的标准差

。

（1-11）8.写出最后的测量结果x=

x±3

，并注明置信概率（99.7%）。任务1.2认识测量及数据处理任务1.1认识传感器

任务1.2认识测量及数据处理

任务1.3认识传感器接口电路任务1.3认识传感器接口电路1.3.1传感器输出信号的特点由于传感器种类繁多，其输出信号也各不相同。所以了解传感器输出信号的特点对于接口电路尤其重要。传感器接口电路的特点主要表现为：1.传感器输出信号的形式多样化，有电阻、电感、电荷、电压等。2.传感器输出信号微弱，不易于检测。3.传感器的输出阻抗较高，会产生较大的信号衰减。4.传感器输出信号动态范围宽，输出信号会受到环境因素的影响，影响到测量的精度。任务1.3认识传感器接口电路1.3.2常见传感器接口电路1.放大电路传感器输出信号一般比较微弱，因此在大多数情况下需要使用放大电路。放大电路主要将传感器输出的微弱的直流信号或交流信号放大到合适的程度。放大电路一般采用运算放大器构成。任务1.3认识传感器接口电路（1）反相放大器图1-13所示是反相放大器的基本电路。输入电压加到运算放大器的反相输入端，输出电压经RF反馈到反相输入端。输出电压为：

（1-12）反相放大器的放大倍数取决于RF与R1的比值，负号表示输出电压与输入电压反相。该放大电路应用广泛。任务1.3认识传感器接口电路（2）同相放大器图1-14所示是同相放大器的基本电路。输入电压加到运算放大器的同相输入端，，输出电压经RF反馈到反相输入端。输出电压为：

（1-13）同相放大器的放大倍数取决于RF与R1的比值，输出电压与输入电压同相。任务1.3认识传感器接口电路（3）差动放大器图1-15为差动放大器的基本电路。两个输入信号分别加到运算放大器的同相输入端和反相输入端，输出电压经RF反馈到反相输入端。若R1=R2，R3=RF，则输出电压为：

（1-14）差动放大器的优点是抑制共模信号的能力和抗干扰能力强。任务1.3认识传感器接口电路2.阻抗匹配器

传感器输出阻抗都比较高，比一般电压放大电路的输入阻抗要大得多，若将传感器直接与放大电路进行连接，则信号衰减很大，甚至不能正常工作。常常使用高输入阻抗和低输出阻抗的阻抗匹配器。常用的阻抗匹配器是半导体阻抗匹配器、场效应管阻抗匹配器及集成电路阻抗匹配器等。

半导体阻抗匹配器，实际上是共集电极放大电路，又称为射极输出器。射极输出器的输出相位与输入相位相同，放大倍数略小于1，输入阻抗高，输出阻抗低。场效应管阻抗匹配器的输入阻抗高达1012Ω以上，而且其结构简单、体积小，得到了广泛的应用。任务1.3认识传感器接口电路3.电桥电路

电桥电路是传感器系统中经常使用的转换电路，主要用来把电阻、电容、电感的变化转换为电压或电流。根据其供电电源性质的不同，可分为直流电桥、交流电桥。直流电桥主要用于电阻式传感器，交流电桥可用于电阻、电容及电感式传感器。

电桥的基本电路如图1-16所示，阻抗Z构成电桥电路的桥臂，桥路的一对角线接工作电源，另一对角线是输出端。

电桥的输出电压为

（1-15）任务1.3认识传感器接口电路当电桥的输出电压为0时，电桥平衡，由此可知电桥的平衡条件为R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3。当电桥的四个桥臂的阻抗由于被测量引起变化时，电桥平衡被打破，此时电桥的输出与被测量有直接对应关系。

任务1.3认识传感器接口电路4.电荷放大器

有些传感器输出的信号是电荷量的变化，要将其转换成电压信号，可采用电荷放大器。电荷放大器是一种带电容负反馈的高输入阻抗、高放大倍数的运算放大器，其输出电压只取决于输入电荷与负反馈电容。

任务1.3认识传感器接口电路1.3.3传感器与计算机的接口

实际应用中传感器与计算机的接口通常包含硬件接口和软件接口两部分。硬件接口上通常有开关量接口方式、数字量接口方式和模拟量接口方式三种。

开关量输入接口的主要指标是抗干扰能力和可靠性，如果是接点开关量通常需要考虑硬件消抖或软件消抖，而无接点开关量信号，要考虑输入电路中接入比较器。数字接口方式可通过三态门缓冲器或并行接口芯片传送给计算机。模拟量接口方式可分为电压输出变化型、电流输出变化型及阻抗变化型三种。

软件接口功能通常指的是如何把计算机连接的外部传感器输出信号读取到计算机内部的相关程序，如温度采集系统中温度信号的读取程序等。项目2温度检测任务2.1基于热电阻的温度测量电路

任务2.2基于热敏电阻的水温上下限控制

任务2.3基于热电偶的冶金加热炉温度检测项目3温度检测项目背景温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、而电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展，新型温度传感器还会不断涌现。由于工农业生产中温度测量的范围极宽，从零下几百度到零上几千度，而各种材料做成的温度传感器只能在一定的温度范围内使用温度传感器与被测介质的接触方式分为两大类：接触式和非接触式。接触式温度传感器需要与被测介质保持热接触，使两者进行充分的热交换而达到同一温度。这一类传感器主要有电阻式、热电偶、PN结温度传感器等。非接触式温度传感器无需与被测介质接触，而是通过被测介质的热辐射或对流传到温度传感器，以达到测温的目的。这一类传感器主要有红外测温传感器。这种测温方法的主要特点是可以测量运动状态物质的温度（如慢速行使的火车的轴承温度，旋转着的水泥窑的温度）及热容量小的物体（如集成电路中的温度分布）。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。本项目重点介绍热电阻、热敏电阻传感器、热电耦、工作原理和应用。任务2.1基于热电阻的温度测量电路任务导入：盛夏的下午，刚上大一的小能正在自己宿舍里用电脑在做作业，突然电脑熄屏了，电脑主机摸上去非常的热，主机的风扇也不转了，也开不了机了。小能急忙抱着电脑找到了自己的电工老师王老师，经过王老师的检查，原来是温度检测的电路坏了，导致环境温度升高时风扇不转。好学的小能一听非常感兴趣。什么是温度检测电路呢？由那些元件组成呢？在老师的讲解下，小能了解了测温电路的工作和热电阻的工作原理。于是他决定自己用热电阻制作一个测温电路。热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。相关知识1.热电式传感器

热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，把温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中将温度转换为电势的热电式传感器叫热电偶，将温度转换为电阻值的热电式传感器叫热电阻。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜。此外，现在已开始采用铟、镍、锰和铑等材料制造热电阻。铂热电阻是一种国际公认的成熟产品，它性能稳定、重复性好、精度高，所以在工业用温度传感器中得到了广泛应用。它的测温范围一般为-200℃～850℃，铂热电阻的阻值与温度之间的关系近似线性。由于铂是贵重金属，因此，在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，普遍釆用铜热电阻进行温度的测量，它的测量范围一般为-50℃～150℃。铜热电阻的工艺性好，价格便宜，但它易氧化，不适于在腐蚀性介质或高温下工作。相关知识2.温度

温度是国际单位制七个基本量之一，是一个与人们生活环境有着密切关系的物理量，是“工质热力”重要参数之一，也是在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量。比如空调温度、窑炉温度、机车轴温、蔬菜大棚温度等的检测与控制，其目的是测量和显示被测对象的温度，并将其控制在所需要的上、下限之间，从而满足生产、科研、生活的需要。(1)摄氏温标（℃）摄氏温标把在标准大气压下冰的熔点定为零度（0℃）,水的沸点定为100度（100℃）。在这两固定点间划分一百等分，每一等分为1摄氏度，符号为t(2)华氏温标（℉）它规定在标准大气压下，冰的熔点为32℉,水的沸点为212℉，两固定点间划分180个等分，每一等分为1华氏度，符号为θ。它与摄氏温标的关系式如下:相关知识3.温标(3)热力学温标（K）热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K）。热力学温标规定分子运动停止（即没有热存在）时的温度为绝对零度，水的三相点（气、液、固三态同时存在且进入平衡状态时的温度）的温度为273.16K,把从绝对零度到水的三相点之间的温度均匀分为273.16格，每格为1K。由于以前曾规定冰点的温度为273.15K,所以现在沿用这个规定，用下式进行开氏温度和摄氏温度的换算t/℃=T/K-273.15 相关知识3.温标2.1.1铂热电阻的工作原理

用万用表测量一只100W/220V白炽灯的电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，但是用公484Ω,两者相差许多倍。由此可知，金属丝在不同温度式R=U2/P算得到的额定热态电阻值应为下的电阻是不相同的，温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧.从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻力增大，宏观上表现为电阻率变大。大多数金属的温度系数为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。可以利用金属的电阻值随温度升高而增大这一特性来测量温度。目前较为广泛应用的热电阻材料是铂和铜，它们的电阻温度系数在(3-5)范围内。作为热电阻材料，通常希望其具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易

：2.1.1铂热电阻的结构

按铂热电阻的结构类型分类，有装配式、铠装式、薄膜式等。

装配式铂热电阻由感温元件（金属电阻丝）、支架、引岀线、保护套管及接线盒等基本部分组成，为避免电感分量，电阻丝常采用双线并绕，制成无感电阻。装配式铂热电阻的内部结构如图2-2所示，其外形及结构如图2-3所示。铠装式铂热电阻外形及结构如图2-4所示，比较细长，具有能弯曲、抗冲击、便于安装、寿命长等特点。薄膜式铂热电阻如图2-5所示。它是利用真空镀膜法或用糊浆印刷烧结法使铝金属薄膜附着在耐高温基底上，其尺寸可以小到几平方毫米。可将其粘贴在被测高温物体上测量局部温度，具有热容量小、反应快的特点。2.1.1铂热电阻的结构

2.1.2热电阻的主要技术指标1.铂电阻目前国内统一设计的工业用铂电阻的R0值有10Ω、100Ω等两种，分度号分别用PT10、PT100表示。实际使用时，可根据分度号査相应的分度表以获得Rt与t的关系。当温度t在-200℃～0℃范围内时，铂的电阻值与温度的关系可表示为：当温度t在-200℃～0℃范围内时，铂的电阻值与温度的关系可表示为：式中Rt—热电阻在温度为t时的电阻值；R0—热电阻在0℃时的电阻值；A、B、C—温度系数。A=3.98647×10-3;B=-5.847×10-7;C=-4.22×10-12。分度表

热电阻R的阻值,不仅与t有关，还与其在0℃时的电阻值R0有关，即在同样温度下R0取值不同，Rt的值也不同。目前国内统一设计的工业用铂电阻的R0值有46Ω和100Ω。等几种，并将R0与t相应关系列成表格形式，称为分度表,如表2-1所示。上述两种铂电阻的分度号分别用BA1和BA2表示，使用分度表时，只要知道热电阻Rt值，便可查得对应温度值。目前工业用铂电阻分度号为Pt10和Pt100,后者更常用。2.1.2热电阻的主要技术指标2.1.2热电阻的主要技术指标2.铜电阻铜电阻的特点是价格便宜(而铂是贵重金属)、纯度高、重复性好、电阻温度系数大其测温范围为-50℃～150℃，当温度再高时，裸铜就发生氧化。在上述测温范围内，铜的电阻值与温度呈线性关系，可表示为：2.1.2热电阻的主要技术指标

铜热电阻的主要缺点是电阻率小(仅为铂的一半左右)，所以制成一定电阻时与铂材料相比，铜电阻要细，造成机械强度不高，或铜电阻要长则体积较大，而且铜电阻容易氧化，测温范围小。因此，铜电阻常用于介质温度不高、腐蚀性不强、测温元件体积不受限制的场合。铜电阻R0的值有50Ω和100Ω两种，分度号分别为Cu50、Cul00。3.其他热电阻除了铂和铜热电阻外，还有镍和铁材料的热电阻。镍和铁的电阻温度系数大，电阻率高，可用于制成体积大、灵敏度高的热电阻。但由于容易氧化，化学稳定性差，不易提纯，重复性和线性度差，目前应用还不多近年来在低温和超低温测量方面，开始采用一些较为新颖的热电阻，例如铑铁电阻、铟电阻、锰电阻、碳电阻等。铑铁电阻是以含0.5%铑原子的铑铁合金丝制成的，常用于测量0.3～20K范围内的温度，具有较高的灵敏度和稳定性、重复性较好等优点。铟电阻是一种高精度低温热电阻，铟的熔点约为429K,在4.2～15K温域内其灵敏度比铂高10倍，故可用于铂热电阻不能使用的测温范围。2.1.2热电阻的主要技术指标2.1.3热电阻的测量电路

最常用的热电阻测温电路是电桥电路，如图2-6所示。图中R1、R2、R3和Rt（或Rq、RM）组成电桥的四个桥臂，其中Rt是热电阻Rq和RM分别是调零和调满刻度的调整电阻（电位器）。测量时先将切换S扳到“1”位置，调节Rq使仪表指示为零，然后将S扳到“3”位置，调节RM使仪表指示到满刻度，做这种调整后再将S扳到“2”位置，则可进行正常测量。由于热电阻本身电阻值较小（通常约为100Ω以内），而热电阻安装处（测温点）距仪表之间总有一定距离，则其连接导线的电阻也会因环境温度的变化而变化，从而造成测量误差。为了消除导线电阻的影响，一般采用三线制连接法，如图2-7所示。图2-7(a)的热电阻有三根引出线，而图2-7(b)的热电阻只有两根引出线，但都采用了三线制连接法。采用三线制接法，引线的电阻分别接到相邻桥臂上且电阻温度系数相同,因而温度变化时引起的电阻变化亦相同，使引线电阻变化产生的附加误差减小。2.1.3热电阻的测量电路

在进行精密测量时，常采用四线制连接法，如图2-8所示。由图可知，调零电阻Rq分为两部分，分别接在两个桥臂上，其接触电阻与检流计G串联，接触电阻的不稳定不会影响电桥的平衡和正常工作状态，其测量电路常配用双电桥或电位差计。2.1.3热电阻的测量电路任务实施

1.热电阻的选型

温度传感器是工业上应用最多的一款传感器，但是我们市面上见的大多温度传感器的芯体是Pt100，而不是Pt1000或者其他芯体。这是什么原因呢？工业用热电阻一般采用Pt10、Pt100、Pt1000、Cu50、Cu100。铂热电阻的测温范围一般在-200℃～+800℃,铜热电阻为-40℃～+140℃。如果用铂做成热电阻,其分度号为Pt100,即铂热电阻在0℃时电阻为100Ω,在-200℃时候电阻为18.52Ω,在200℃时候电阻为175.86Ω,在800℃时候电阻为375.70Ω.Pt1000比Pt100精度要好,但成本较高,一般情况下,测温范围在-200℃～+450℃时选用Pt100的热电阻性价比较高.2.电路方案3.电路原理任务实施

本电路热电阻的引线制方式为二线制,二线制度引线方式简单,费用低,但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差.二线制适用与引线不长,测温精度要求较低的场所。

二线制是用电桥法测量，最后给出的是温度值与模拟量输出值的关系。电流回路和电压测量回路合二为一。电路采用TL431和电位器VR1调节产生4.096V的参考电源：采用R1，R2，VR2，Pt100构成测量电桥（其中R1=R2,VR2为100Ω精密电阻），当Pt100的电阻值和VR2的电阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这个压差信号经过运放LM324放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。差动放大电路中R3=R4，R5=R6,放大倍数=R5/R3。运放采用单一5V供电。

4.电路调试（1）同幅度调整R1和R2的电阻值可以改变电桥输出的压差大小；（2）改变R5/R3的比值可改变电压信号的放大倍数，以便满足设计者对温度范围的要求；（3）放大电路需接成负反馈方式，否则放大电路不能正常工作；（4）VR为滑动变阻器，调节滑动变阻器的阻值大小可以改变温度的零点设定，例如，Pt100的零点温度为0℃，即0℃时电阻为100Ω，当阻值调节到109.855Ω时，温度的零点就被设在了25℃。测量滑动变阻器的阻值时须在没有接入电路时调节，这是因为接入电路后测量的电阻值发生了改变；任务实施（5）理论上,运放输出的电压为输入压差信号乘以放大倍数，但实际在电路工作时测量输出电压与输入压差信号并非由这样的关系，压差信号比理论值小很多实际输出信号为:4.096×（Rpt100/(R1+Rpt100)-Rvr2/(R1+Rvr2))式中电阻值以电路工作时量取的为准.（6）电桥的正电源必须接稳定的参考基准，因为如果直接接VCC，当电网波动造成VCC发生波动时，运放输出的信号也会发生改变，此时再到VCC未发生波动时建立的温度-电阻表中去查表求值时就不正确了，这可以根据上式进行计算得知任务实施知识拓展1.基于金属热电阻的流量检测金属热电阻传感器进行温度测量的主要特点是精度高，适用于测低温（测高温时常用热电偶传感器），便于远距离、多点、集中测量和自动控制。利用热电阻上的热量消耗和介质流速的关系可以测量流量、流速、风速等。利用铂热电阻测量气体流量（即热电阻流量计原理）如图2-11所示。知识拓展

图2-11中，热电阻探头Rt1放置在气体流路中央位置，它所耗散的热量与被测介质的平均流速成正比；另一热电阻Rt2放置在温度与被测介质相同、但不受介质流速影响的连通室中，它们分别接在电桥的两个相邻桥臂上。测量电路在流体静止时处于平衡状态，桥路输出为零。当气体流动时，介质会将热量带走，从而使Rt1和Rt2的散热情况不一样，致使的阻值发生相应的变化，使电桥失去平衡，产生一个与流量变化相对应的不平衡信号，并由检流计P显示出来，检流计的刻度值可以做成气体流量大小数值。任务2.1基于热电阻的温度测量电路

任务2.2基于热敏电阻的水温上下限控制

任务2.3基于热电偶的冶金加热炉温度检测任务2.2基于热敏电阻的水温上下限控制

任务导入：小能在王老师的指导下完成了测温电路后对各类检测温度的传感器产生了着浓厚的兴趣。这回小能又遇到跟温度相关难题了，恰逢寒冬腊月，小能宿舍里养的几条热带鱼岌岌可危。于是小能决定用热敏电阻设计一个水温控制系统，实现当鱼缸水温过低时候自动加热，水温过高了自动报警和降温。以此保证鱼儿安全过冬。水温上下限的确定：根据热敏电阻对于不同温度有不同的电阻值的特性来得到。通过实际侧量，得到所要求温度上下限对应的电阻值（本次使用的热敏电阻为负温度系数即温度越高阻值越低）。电路的实现：主要通过NTC传感器的作用，将温度引起的阻值变化转化为电势的变化，再经过集成运算放大器来控制输出，从而得到对水温上下限的控制。最后经过后续电路，完成亮灯和报警系统。2.2.1热敏电阻的类型与特性1.NTC热敏电阻NTC热敏电阻研制得较早，也较成熟。最常见的是由多种金属氧化物，如锰、钴、铁、镍、铜等氧化物混合烧结而成.其25℃时的标称阻值视氧化物的比例而定，可以在0.1Ω至1MΩ范围内选择。根据不同的用途，NTC热敏电阻又可分为两大类：第一类为负温度系数的NTC热敏电阻，它的电阻值与温度之间呈负指数关系，如图2-12中的曲线2所示，关系式为:

式中Rt—NTC热敏电阻在热力学温度为T时的电阻值；R0—NTC热敏电阻在热力学温度为T0时的电阻值，T0设定为298K（25℃）。B—NTC热敏电阻的温度常数。负指数型NTC热敏电阻的B值由制造工艺、氧化物含量等因数决定。B值的范围从1000到10000,其准确度和一致性可达0.1%。NTC热敏电阻的离散性较小，测量准确度较高，用户可根据需要选择。例如，某系列NTC热敏电阻在25℃时的标称阻值为10KΩ,在30℃时阻值可能高达130KΩ。；而在100℃时，可能只有800Ω,相差两个数量级，可用于空调、电热水器等在0-100℃范围内作测温元件。第二类为突变型NTC热敏电阻，又称临界温度型（CTR热敏电阻）。当被测温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降，可抑制各种电子电路的浪涌电流。例如，在整流回路串联一只突变型NTC热敏电阻，可减小上电时的冲击电流。各种热敏电阻的特性曲线示意图如图2-12所示。2.2.1热敏电阻的类型与特性2.PTC热敏电阻典型的PTC热敏电阻是在钛酸钡中掺入其他金属离子，以改变其温度系数和临界点温度，它的温度-电阻特性曲线呈非线性，如图2-12中的曲线4所示。它在电子线路中可起限电流、短路保护作用。当流过PTC热敏电阻的电流超过一定限度或PTC热敏电阻感受到的温度达到材料的居里点（临界温度转折点）时，PTC热敏电阻的阻值会陡然增加，可用于制作自恢复熔断器。大功率的PTC陶瓷热敏电阻还可以用于电热暖风机。当PCT热敏电阻的温度达到设定值（例如190℃）时，PTC热敏电阻的阻值急剧上升，流过PTC热敏电阻的电流减小，使暖风机的温度基本恒定于设定值上，提高了安全性。近年来还研制出掺有大量杂质的Si单晶PTC热敏电阻。它的电阻变化接近线性，如图2-12中的曲线3所示，其最高工作温度上限约为140℃。2.2.1热敏电阻的类型与特性2.2.1热敏电阻的类型与特性2.2.2热敏电阻的结构与符号

热敏电阻可根据使用要求，封装加工成各种形状的探头，如圆片形、柱形、珠形、铠装式、厚膜式、贴片式等，如图2-13所示。各种热敏电阻的外形如2-14所示2.2.3热敏电阻的主要参数（1）标称阻值一般指环境温度为25℃时热敏电阻的电阻值。在直标法中，阻值直接印在热敏电阻上，如：20kΩ等，见图2-13b；另一种是用数字表示，共三位，前两位为有效数字，最后一位数为的10的幂数。例如：473表示47×103见图2-13a。（2）B值是反映NTC热敏电阻阻值随温度变化的参数，量纲为1。B值越大，表示NTC热敏电阻的灵敏度越高。（3）居里温度TK对于PTC热敏电阻的应用来说，将电阻值开始陡峭地增高时的温度定义为居里温度。居里温度点所对应的PTC热敏电阻RTK=Rmin，Rmin为PTC热敏电阻的最小阻值。（4）电阻温度系数α它表示温度变化1℃时的阻值变化率，单位为%/℃。（5）时间常数τ是描述热敏电阻热惯性的参数。将初始温度为T0的热敏电阻突然置于温度为t的介质中，当热敏电阻达到稳定值的63.2%所需的时间为τ，τ越小，表明热敏电阻的热惯性越小。（6）最大工作电流IM热敏电阻在低阻态时所允许的电流值上限。超过IM时，可能引起自热，严重时烧毁。（7）额定功率PM热敏电阻长期、连续接到电源上时，所允许的消耗功率。2.2.3热敏电阻的主要参数

某电子公司的MZ6电动机保护PTC热敏电阻的主要技术指标如表2-2所示。2.2.3热敏电阻的主要参数任务实施1.传感器的选型我们使用的热敏电阻为负温度系数热敏电阻，特别适用于-100～300℃之间测温，在较小的温度范围内，其电阻-温度特性曲线是一条指数曲线，即随着温度的升高阻值不断减小。由于热敏电阻是由半导体材料制成的，其中的载流子数目是随温度的升高按指数规律迅速增加的。载流子数目越多，导电能力越强，其电阻率也就越小，因此热敏电阻的电阻值岁温度的升高将按指数规律迅速减小。这和金属中自由电子的导电机制恰好相反，金属中的电阻值是随着温度的上升而缓慢增大的。热敏电阻有正温度系数，临界温度系数与负温度系数之分，本实验所用的101为负温度系数（NTC）,在较小的温度范围内，其电阻-温度特性曲线是一条指数曲线，可表示为：式中，为温度为t时的电阻值，a与β为与半导体性能有关的常数，T为热敏电阻的热力学温度。经实际测量，30℃时热敏电阻阻值达到95Ω，而80℃时达到22Ω。任务实施

2.电路原理图电路整体的组成和原理图如图2-152-16所示：

根据设计要求以及热敏电阻的工作原理，电路采用12V电源电压作为工作电压，本次实验采用的热敏电阻的阻值范围约为0-100Ω，30℃时热敏电阻阻值达到95Ω，而80℃时达到22Ω。由于该实验选用的热敏电阻是负系数的，通过感应外界温度的变化来改变自身电阻值。温度越高，热敏电阻的电阻值越小，温度越低，热敏电阻的电阻值越大。如图，热敏电阻感受温度高于80℃时，接入电路的电阻将会小于20Ω，通过电路分压作用，LM324输入端电压约为6V，在LM324的输出端可知，VT1放大器正向输入值小于反向输入，VT1截止，此时，VT2放大器正向输入大于反向输入，VT2导通，LED2红灯亮表示温度过高报警；降低热敏电阻的外界温度，此时，热敏电阻接入电路的电阻值变大，当达到92Ω以后，由于电路前端分压作用，使得VT1的正向输入大于负向输入，下端VT2的正向输入小于负向输入，上端VT1导通，下端VT2截止。此时，LED1绿灯亮显示温度过低报警。任务实施

任务实施3.信号处理电路我们采用了LM324四运放集成电路。它采用14脚双列直插塑料封装，其内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用以外，四组运放相互独立。每一组运放都可以用图一所示的符号来表示，它共有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号出入端“V+”、“V-”为正、负电源端，“V0”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相入端，表示运放输出端V0的信号与该输入端的相位相反；Vi+(+)为同相输入端，表示运放输出端V0的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图2-18。

任务实施4．电路调试严格按照图2-16所示连接电路图，LM324的4脚接+5V，11脚接地。焊接时应注意以下几个方面：（1）发光二极管的极性不能搞混，脚长的一端为正极，另一端为负极。或使用万用表测量。（2）LM324不能直接焊接在电路板上，那样的话既不容易调试，还容易烧坏片子，应焊接8脚的集成电路管座，在焊接完成后将LM324插于管座上。（3）扬声器的极性已标出，注意不能反接。焊接完成后的电路基本不用调试，用高于80度的热水给NTC传感器加热，其电阻发生变化，使管脚2、3与管脚5、6的电压发生变化，从而使LM324的第一组或第二组导通或截止，进而红色二极管亮时，实现高温报警，即温度上限报警；用低于25度的冷水给NTC传感器冷却，绿色二极管发光时，实现低温报警，即温度下限报警。知识拓展

1.PTC热敏电阻用于电动机过载保护PTC热敏电阻用于电动机过载保护控制电路如图3-19所示，Rta、Rtb、Rtc是特性相同的MZ6型热敏电阻，分别用环氧树脂固定在电动机的三相定子绕组中。MZ6PTC热敏电阻在20℃时的阻值小于300Ω,转折温度点为±5℃时的阻值分别为小于1kΩ和大于4kΩ。

知识拓展电动机正常运行时，Rt较小，Ib较大，晶体管V导通，继电器KA线圈得电，常开触点闭合。当电动机过载、断相或某一相短路时，电动机绕组的温度急剧升高。任何一相绕组超过转折温度Tk（例如115℃）时，由于三只PTC热敏电阻串联，只要任何一只Rt阻值急剧增大，都将导致Ib减小，Ic随之减小，V截止，KA线圈失电，触点释放，给电动机控制电路一个报警信号，从而实现过热保护作用。可以根据不同电动机的绝缘等级（见表2-2）及允许温升来选择PTC热敏电阻的型号，从而确定继电器KA的动作点该电路的温度转折点（控温点温度）Tk的重复性好，保护效果优于“双金属片热继电器”知识拓展2.可恢复熔丝可恢复熔丝外形如图2-20所示。在可恢复熔丝（也称可恢复保险丝）本体中，聚合树脂均匀分布在导电氧化物周围。在正常电流下，PTC热敏电阻内部的导电粒子构成链状导电通路，呈现低阻状态。当电路发生短路或过载时，PTC热敏电阻产生较大的热量，使聚合树脂熔化，体积迅速增大，切断导电粒子构成的链状导电通路，使PTC热敏电阻呈现高阻状态，从而使流过PTC热敏电阻的电流迅速减小，起短路保护作用。当PTC热敏电阻温度降低后，聚合树脂重新冷却结晶，体积收缩，导电粒子重新形成导电通路，PTC热敏电阻恢复为低阻状态。可恢复熔丝能承受多次过电流。可恢复熔丝的额定电流范围可以从50mA到50A,动作时间在10～100ms之间。知识拓展3.NTC用于汽车油箱油位判断突变型NTC热敏电阻用于汽车油位报警如图3-18所示将NTC热敏电阻置于汽车燃油箱中的某个高度位置，在检测电路中加12V电压，有微小电流流过Rt，Rt会产生微热。当燃油液位高于报警下限时，燃油带走Rt的热量，Rt的温度较低，电阻值较大。反之，当燃油液面降低到报警下限时，Rt暴露在空气中，Rt的热量散发比在液体中慢，所以温度升高，Rt阻值降低。当Rt的阻值下降到一定值时，与Rt串联的红色LED亮，产生油位报警信号。R1用于限流，在测量装置发生短路故障时，流过短路点的电流不超过15mA,可以避免电火花引发燃油燃烧。NTC热敏电阻在汽车中还用于冷却水温的测量等。任务2.1基于热电阻的温度测量电路

任务2.2基于热敏电阻的水温上下限控制

任务2.3基于热电偶的冶金加热炉温度检测任务2.3基于热电偶的冶金加热炉温度检测任务导入：今天刚大学毕业后小能入职了一家轧钢厂，廖厂长在给新入职的员工们做技术培训。廖厂长说到：在轧钢工业领域中加热炉是主要的工艺设备，其作用是把钢坯加热后送往轧机进行轧制，被加热坯料不断从炉尾送入炉内，在机械传动装置的带动下不断前进，边前进边加热，经过预热段、加热段和均热段，当达到所要求的温度范围后，且坯料内外温度均匀，即可出钢进行轧制。加热炉的温度控制过程一般分为预热、加热和均热三个阶段。炉内加热过程的温度场特性主要由加热钢种和产品用途来决定。一般情况下，钢坯入炉时，坯料的温度为室温或700℃左右；出炉时，温度在1120～1250℃。由于工艺对温度的要求各有不同，所以要对温度进行精确测量。根据冶金加热炉的温度测量范围，可选择热电偶来检测温度。培训后廖厂长给新进员工安排了一个任务，利用热电偶传感器完成冶金加热炉测温电路的设计和制作，并实现温度的补偿与控制。2.3.1热电偶的工作原理1.热电效应将两种不同成分的导体组成一个闭合回路，如图2-22所示，当闭合回路的两个结点分别置于不同的温度场中时，回路中将产生一个电势，这种现象称为“热电效应”。热电效应是1821年由Seeback发现的，故又称为赛贝克效应。两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电势则称为“热电势”，热电偶的两个结点，一个称为测量端（工作端或热端），另一个称为参考端（自由端或冷端）。热电势由两部分组成，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。2.3.1热电偶的工作原理

2.接触电势当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同（即电子密度不同），因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电子带正电荷，导体B得到电子带负电荷。于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场，如图2-23（a）所示。该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。在这种状态下，A与B两导体的接触处产生了电位差，称为接触电势。接触电势的大小与导体材料、结点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。接触电势大小为：2.3.1热电偶的工作原理

2.3.1热电偶的工作原理3.温差电动势如图2-23(b)所示，将某一导体两端分别置于不同的温度场、中，在导体内部,热端自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子,带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场，该静电场阻止电子从热端向冷端移动，最后达到动态平衡。这样，导体两端便产生了电势，我们称为温差电动势。即2.3.1热电偶的工作原理

4.热电偶的电势2.3.1热电偶的工作原理

综上所述，可以得出以下结论：（1）如果热电偶两材料相同，则无论结点处的温度如何，总热电势为0；（2）如果两结点处的温度相同，尽管A、B材料不同，总热电势为0；（3）热电偶热电势的大小，只与组成热电偶的材料和两结点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热电势便是两结点电势差；（4）如果使冷端温度保持不变，则热电动势便成为热端温度T的单一函数。用实验方法求取这个函数关系。通常令T0=0℃，然后在不同的温差T-T0情况下，精确地测定出回路总热电动势，并将所测得的结果列成表格称为热电偶分度表，供使用时查阅。2.3.2热电偶的结构和类型1.普通型热电偶工业上普通型热电偶使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成,其结构如图2-24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2.3.2热电偶的结构和类型

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，如2-25所示。它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装型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

用真空蒸镀（或真空溅射）、化学涂层等工艺，将热电极材料沉积在绝缘基板上形成一层金属薄膜。热电偶测量端既小又薄（厚度一般为0.01～0.1m）,因而热惯性小，反应快，可用于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度。如图2-26所示，其结构有片状、针状和把热电极材料直接蒸镀在被测表面上等三种。所用的电极类型有铁-康铜、铁镍、铜-康铜、镍铬-镍硅等。测温范围为-200℃～300℃热电偶基本定理

1．均质导体定律

由一种均质导体组成的闭合回路中，不论导体的截面和长度如何以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。这一定律说明，热电偶必须采用两种不同材料的导体组成，热电偶的热电动势仅与两结点的温度有关，而与热电极的分布无关。如果热电偶的热电极是非匀质导体，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技术指标之一。热电偶基本定理2.中间导体定律在热电偶中接入第3种均质导体，只要第3种导体的两结点温度相同，则热电偶的热电势不变。如图2-27所示，在热电偶中接入第3种导体C,设导体A与B结点处的温度为T0,A与C、B与C两结点处的温度为,则回路中的热电势为热电偶基本定理3．标准电极定律（参考电极定律）热电偶基本定理

参考电极定律大大简化了热电偶的选配工作。只要获得有关热电极与参考电极配对的热电动势，那么任何两种热电极配对时的热电动势均可利用该定律计算，而不需要逐个进行测定。在实际应用中，由于纯箱丝的物理化学性能稳定、熔点高、易提纯，所以目前常用纯钮丝作为标准电极。热电偶基本定理

4.中间温度定律热电偶基本定理

中间温度定律为在工业测量温度中使用补偿导线提供了理论基础，只要选配与热电偶热电特性相同的补偿导线，便可使热电偶的参考端延长，使之远离热源到达一个温度相对稳定的地方而不会影响测温的准确性。该定律是参考端温度计算修正法的理论依据，其等效示意图如图2-29所示。热电偶基本定理

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。例：镍铬-镍硅热电偶，工作时其自由端温度为30℃，测得热电势为39.17mV,求被测介质的实际温度。解：由T0=0℃,查镍铬-镍硅热电偶分度表，E(30,0)=1.2mV,又知(T,30)=39.17mV,所以E(T,0)=E(30,0)+E(T,30)=1.2mV+39.17mV=40.37mV。再用40.37mV反查分度表得977,即被测介质的实际温度。热电偶基本定理

热电偶基本定理5.热电偶的冷端迁移实际测温时，由于热电偶长度有限，自由端温度将直接受到被测物温度和周围环境温度的影响。例如，热电偶安装在电炉壁上，而自由端放在接线盒内，电炉壁周围温度不稳定，波及接线盒内的自由端，造成测量误差。虽然可以将热电偶做得很长，但这将提高测量系统的成本，是很不经济的。工业中一般是采用补偿导线来延长热电偶的冷端，使之远离高温区，将热电偶的冷端延长到温度相对稳定的地方。

热电偶基本定理由于热电偶一般都是较贵重的金属，为了节省材料，采用与相应热电偶的热电特性相近的材料做成的补偿导线连接热电偶，将信号送到控制室，如图2-30所示(其中、为补偿导线）。它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成，而且在0℃～100℃温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。由此可知，我们不能用一般的铜导线传送热电偶信号，同时对不同分度号的热电偶其采用的补偿导线也不同。常用热电偶的补偿导线列于表2-4。根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的两个结点温度一致，是不会影响热电势输出的。热电偶基本定理

使用补偿导线必须注意以下几个问题：（1）两根补偿导线与两个热电极的结点必须具有相同的温度。（2）只能与相应型号的热电偶配用，而且必须满足工作范围。（3）极性切勿接反。任务实施

小能要利用热电偶制作炉温检测电路，首先要了解热电偶测温电路的工作原理和选择合适的热电偶，再进行电路设计与制作，最后进行电路的调试1.传感器选型根据加热炉的测温范围和使用要求，结合热电偶的相关知识，选用镍铬-镍硅（K型）热电偶作为测温传感器。热电偶安装在管道的中心线位置上，并使测量端面面向流体，使测量端充分与被测介质接触，提高测量的准确性。由于热电偶长期处于高温环境下易氧化变质而引起测量精度下降，为保证测量精度，热电偶在实际使用过程中，要定期进行校验。常用的校验方法是用标准热电偶与被校验热电偶在同一校验炉或恒温水槽中进行比对。任务实施2.测量电路设计热电偶炉温测量转换电路如图2-31所示，采用LM35D对热电偶的基准结点进行补偿温度。模拟调试时温度变化范围为0～500℃，所以此电路作用是把温度变为相应的0～5V电压。除放大电路以外，还有传感器断线检测电路与基准点补偿电路，而线性处理功能由计算机进行。热电偶的输出信号极小，温度每变化1℃,传感器输出约40电压变化量。因此，运算放大器要采用高灵敏度的运算放大器，这里釆用的是AD707J运算放大器。知识拓展

3.电路调试（1）按照电路图2-31所示，将各元件焊接到实验板上，并检査正确性。（2）将仪器放大器输出端S与毫伏表连接，接入热电偶，接通电源。（3）打开加热开关，将热电偶工作端插入电加热炉内。随着加热器温度上升，观察毫伏表的读数变化并记录。（4）因为热电偶冷端温度不为0℃,用温度计读出热电偶参考端所处的室温，对所测的热电势用公式进行修正，并査阅热电偶分度表，求出加热端温度。（5）继续加热，将温度逐步提高到70℃、90℃、110℃、130℃和150℃,重复上述步骤，观察热电偶的测温性能。知识拓展1.热电偶燃气热水器防熄装置

燃气热水器的使用安全性至关重要。在燃气热水器中设置有防止熄火装置、防止缺氧不完全燃烧装置、防缺水空烧安全装置及过热安全装置等，涉及多种传感器。防熄火、防缺氧不完令燃烧的安全装置中使用了热电偶，如图2-32所示。

拓展知识

当使用者打开热水龙头时，自来水压力使燃气分配器中的引火管输气孔在较短的一段时间里与燃气管道接通，喷射出燃气。与此同时高压点火电路发出10～20kV的高电压，通过放电针点燃主燃烧室火焰。热电偶1被烧红，产生正的热电动势，使电磁阀线圈（该电磁阀的电动力由极性电磁铁产生，对正向电压有很高的灵敏度）得电，燃气改由电磁阀进入主燃室。当外界氧气不足时，主燃烧室不能充分燃烧（此时将产生大量有毒的一氧化碳），火焰变红且上升，在远离火孔的地方燃烧（称为离焰）。热电偶1的温度必然降低，热电动势减小，而热电偶2被拉长的火焰加热，产生的热电动势与热电偶1产生的热电动势反向串联，相互抵消，流过电磁阀线圈的电流小于额定电流，甚至产生反向电流，使电磁阀关闭，起到缺氧保护作用。当启动燃气热水器时，若因某种原因无法点燃主燃烧室火焰，由于电磁阀线圈得不到热电偶1提供的电流，处于关闭状态，从而避免了煤气的大量溢出。煤气灶熄火保护装置也釆用相似的原理拓展知识2.热电偶温度计图2-33是由热电偶放大器AD594构成的热电偶温度计电路，该电路适用于电镀工艺流水线以及温度测量范围在0℃～150℃内的各种场合。拓展知识

AD594是美国AnalogDevices公司生产的具有基准点补偿功能的热电偶放大集成电路，适用于各种型号的热电偶。AD594集成块内部电路框图如图2-34所示，主要由两个差动放大器、一个高增益主放大器和基准点补偿器以及热电偶断线检测电路等组成。该IC釆用14脚双列式封装，其各引脚功能见表2-4。拓展知识

在图2-33中，J型热电偶的一对导线末端点作为热电偶的连接点,它是AD594进行补偿的接点。此点必须与AD594保持相同的温度，AD594外壳和印制板在1脚和14脚用铜箔进行热接触，热电偶的引线接到它的外壳引线上，从而保持均温。当热电偶的一条或两条引线断开时，AD594的12脚变为低电平，通过TTL门电路IC3就会控制报警电路发出报警声，提示用户热电偶出现了断线故障。热电偶的温度每变化1℃，AD594集成电路的9脚就有10mV的电压输出，该电压经1Ω电阻加至数字显示电路ICL7107CPL的31脚。ICL7107CPL是一块显示器驱动控制专用数字显示集成电路，其31脚输入的模拟量转换成数字量，经译码后输出驱动控制信号驱动LED显示器以显示当前检测到的温度。项目3重力和压力的检测任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计

任务3.2基于压阻式传感器的汽车发动机吸气压力检测

任务3.3基于压电式传感器的物体压力检测任务3.1基于电阻应变式传感器的电子秤设计3.1.1电阻应变片的工作原理

导体或半导体材料在外