测试技术-焦生杰、吕彭民-第8章热电传感器教程课件

2025/4/9songyonggang1第八章热电传感器8-1测温方法一、接触式测温通过热传递，达到热平衡的原理，再根据测温元件随温度变化的规律来确定温度的高低。接触式测温分为：膨胀式、电阻式和热电偶三类。1、膨胀式①液体膨胀式：利用液体的热胀冷缩特性，如酒精、水银等；②气体膨胀式：利用气体的热胀冷缩特性，如氮气；③固体膨胀式：利用固体的热胀冷缩特性，如复合双金属。2025/4/9songyonggang22、电阻式工作原理：利用金属或者半导体材料的电阻温度特性工作。分类：热电阻和热敏电阻。3、热电偶工作原理：两种不同的金属组成的闭合回路的热电效应工作。二、非接触式测温工作原理：热辐射原理。任何物体的温度高于绝对零度（-273。15°C），都有一部分能量向外辐射，温度越高，辐射能量越大。辐射能量是以电磁波的形式向外传递的。包括β射线，X射线，紫外线，可见光，红外线等。其中红外线和可见光可以转变为热能。利用红外辐射和可见光测量温度的方法称为热辐射测温。2025/4/9songyonggang38－2电阻式温度传感器利用感温元件的电阻值随温度变化的特性制成的传感器。热电阻---金属电阻温度传感器。热敏电阻—半导体温度传感器。一、热电阻大多数金属的电阻值随温度变化而变化。常用做热电阻的金属有铂和铜。常用热电阻：1、铂热电阻A、B、C—分度系数，A=3.96847×10-3/℃，B=－5.847×10-7/℃，

C=－4.22×10-12/℃。铂热电阻的R0分别为46Ω和100Ω。2025/4/9songyonggang4百度电阻比：

表示纯度不同时，100℃与0℃的电阻值之比，即。工业常用的铂热电阻的。铂的纯度越高，电阻率越大。纯度越高，上述比值也越大。2、铜热电阻其中：

铜的电阻率小，体积大，易氧化，只适用于低温及无腐蚀环境工作。

铜热电阻的R0分别为50Ω和100Ω。2025/4/9songyonggang52025/4/9songyonggang62025/4/9songyonggang7

三线式测量电桥与普通电桥所不同的是考虑了导线电阻对于电桥平衡的影响，设置了调零电阻Ra。其中r1,r2,r3分别代表导线电阻。Rt为热电阻，Ra为调零电阻。R1,R2为桥臂电阻。当UA=UB,电桥平衡，使r1=r2，则Ra=Rt。二、热电阻的测量电路常用电桥作为热电阻的测量电路。因为热电阻的阻值很小，所以连接导线的电阻值不可忽视。为此，常用三线式电桥连接法。2025/4/9songyonggang8三、热敏电阻利用半导体材料的电阻值随温度变化的特性工作。分类：1、负温度系数（NTC，NegativeTemperatureCoefficient）：电阻值随温度升高而下降，标为绿色；2、临界温度电阻（CTR,CriticalTemperatureResistor）：电阻值随温度升高而急剧下降，标为白色；3、正温度系数（PTC，PositiveTemperatureCoefficient）：电阻值随温度升高而升高，标为红色。2025/4/9songyonggang9热敏电阻的特性1、电阻—温度特性热敏电阻的电阻值与温度之间为非线性关系。

几种常用热敏电阻的电阻—温度特性如右图所示。2025/4/9songyonggang102、伏安特性①负温度系数热敏电阻的伏安特性分为二个区域：线性区：电流小于Ia时，热敏电阻的端电压与电流保持线性关系，遵循欧姆定律。功耗小，温升可以忽略。负阻区：电流继续增大时，功耗和温升增大，电阻值Rt增大放慢。若电流继续增大，电阻值急剧下降，电压随电流的增大而下降，曲线呈非线性。2025/4/9songyonggang11②正温度系数热敏电阻的伏安特性也有两个区域。线性区：当电流从零开始增大过程中，电压与电流成线性关系。当功耗继续增大时，热敏电阻温度超过环境温度，引起电阻值增大，曲线开始弯曲，当电压增至Um时，对应的电流为最大电流Im。电压继续增大，温升引起的电阻值的增加超过电压增加的速度，电流反而减小。2025/4/9songyonggang12热敏电阻伏安特性的作用：用来正确选择热敏电阻的最佳工作范围。主要使用线性区，用于测温、控制温度和进行温度补偿。2025/4/9songyonggang13热敏电阻的应用：1、温度测量：用于测量气体、液体、固体、高空气象、海洋、深井等方面的温度测量。由于热敏电阻的阻值大，灵敏度高，故常与普通直流电桥一起使用。用于热水器、冰箱等温度测量。2、温度补偿：利用负温度系数的热敏电阻对具有正温度系数的元件进行温度补偿。3、温度控制：将热敏电阻放置在测温场中，利用热敏电阻的继电效应，与继电器或其他保护装置的线圈连接，实现温度控制。2025/4/9songyonggang144、过热保护：小电流工况：采用直接保护。将PTC（正温度系数）热敏电阻串接在电路中与被保护对象靠近放置。变压器过热保护电机过热保护大电流工况：采用间接保护。利用负电阻温度系数电阻，通过晶体管或继电器等对被保护装置进行保护。5、在家用电器中作为电热源：①电吹风：用蜂巢式PTC热敏电阻作为加热源。②室温调节器：用蜂巢式PTC热敏电阻作为发热体，通过改变通风量，调节室内温度。2025/4/9songyonggang158－3热电偶一、热电变换原理：

把两种不同金属导体接成闭合回路，如果两端温度不同(设

T＞TO)，则在回路中就会产生热电势。这种由于温度不同而产生电动势的现象，称为热电效应。若两端的温差越大，产生的热电势也越大。通常把上述两种不同导体的组合称为热电偶，称A、B两导体为热电极。两个接点中，一个为工作端(或称为热端)T，测温时将它置于被测温度场中；另一个叫自由端(或称为冷端)TO，一般要求冷端恒定在某一温度。

热电偶回路中，所产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。2025/4/9songyonggang16

由导体A和B组成的闭合回路,当两个结点的温度T＞T0时,回路的总热电势为两个结点的接触电势和两个导体的温差电势的代数和，即:式中：T，T0---结点处的绝对温度；

K--------波耳滋曼常数（关于温度及能量的物理常数）；

e---------电子电荷量；

---导体A和B的自由电子密度；

---温差系数，与导体材料和温度有关。2025/4/9songyonggang17

实践证明：金属中的自由电子数量足够多，温度变化对其影响很小，所以，同一导体的温差电势极小，可以忽略。上式为：

当电极材料A，B选定之后，热电势是结点温度T，T0的函数值之差，即：

若保持冷端温度T0不变（通常为0℃），为一个常数，则热电势仅为热端温度T的单值函数C。通过测量热电势即可测量热端温度。这就是热电偶测温原理的基本公式。2025/4/9songyonggang18热电偶工作的基本要求：1、若热电偶两电极A和B材料相同，两接点温度不同时，接触电势EAB(T)和EAB(TO)皆为零。温差电势EA(T，TO)和EB(T，TO)大小相等，方向相反，所以不会产生热电势，即热电偶的电极必须由两种不同的材料构成；2、若热电偶两接点温度相同，两电极材料不同时，无温差电势，接触电势大小相等方向相反，也不会产生热电势，即热电偶的两个结点之间必须有温度差；3、热电势的大小仅与热电极材料的性质、两结点之间的温度差有关，而与热电偶的尺寸及形状无关。即热电极都是A、B两种材料组成的热电偶可以完全互换，不管热电偶的尺寸、形状如何。2025/4/9songyonggang19二、热电偶的基本定律

(1)均质导体定律两种均质金属组成的热电偶，其电势大小与热电极直径、长度及沿热电极长度的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。由一种均质金属组成的热电偶，即使有温差，也无热电势。

(2)中间导体定律在热电偶回路中插入第三、四……种导体，只要插入导体的两端温度相等，且插入导体是匀质的，则无论插入导体的温度分布如何，都不会影响原来热电偶热电势的大小。因此，将毫伏表接入热电偶回路并保证两个结点温度一致，不影响热电偶的输出，即可对热电势进行正确测量。2025/4/9songyonggang20

(3)中间温度定律热电偶AB在接点温度分别为T，T。时的热电势，等于热电偶在接点温度为T、Tn和TO时的热电势的代数和。即

EAB(T，TO)＝EAB(T，Tn)十EAB(Tn，TO)

(4)标准电极定律若两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶的热电势已知，则导体A、B组成的热电偶的热电势为：这里C称为标准电极。铂容易提纯，熔点高，性能稳定，使用中一般是以纯铂作为标准电极。2025/4/9songyonggang21三、热电偶的冷端温度补偿：一、冷端恒温法：恒温法就是把热电偶的冷端置于某种温度不变的装置中。将冷端放在冰和水混合的容器中，保持冷端为0℃不变。这种方法精度高，但在工程中应用很不方便，一般用于实验室。在冷端温度不等于0℃但tn为不变时，根据中间温度定律，可将热电势修正到冷端为0℃时的电势E(t，0)＝E(t，tn)十E(tn，0)，因为温度tn保持不变E(tn，0)为常值，该值可从热电偶分度表中查出。测出的热电势E(t，tn)与查表得到的E(tn，0)相加，就可得到冷端为0℃时的热电势E(t，0)

，根据E(t，0)再查热电偶分度表，就可得到t。2025/4/9songyonggang22二、补偿导线法：用在0～100℃温度范围内热电性质与热电偶相近的廉价金属导线，代替贵重金属延长热电极冷端，这种导线称为冷端补偿导线。只要在冷端温度可能的变化范围内(0～100℃)，由C、D所组成的补偿导线与由A、B组成的工作热电偶具有相同的热电特性，即ECD(t’，0)＝EAB(t’，0)，则由中间导体定律可知，C、D的接入不会引起附加误差。应用补偿导线时必须注意：

(l)不同的热电偶必须选用相应的补偿导线。

(2)补偿导线和热电极连接处两接点的温度必须相同，且不可超过规定的温度范围(一般为0～100℃)。

(3)采用补偿导线只是移动了冷接点的位置，当该处温度不为0℃时，仍须进行冷端温度补偿。2025/4/9songyonggang23三、补偿电桥法：电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的电势，去补偿由冷端变化而引起的热电势的变化量。这种装置也称为冷端温度补偿器。如图所示，该补偿器常接在热电偶与显示仪表之间，电阻Rl，R2，R3和限流电阻Rg是用温度系数很小的锰铜丝做成的。RH是用电阻温度系数较大的铜或镍线绕制而成。

当环境温度为20℃时，电桥处于平衡状态。a、b两点电位相等，无电压输出，补偿电桥不影响热电偶回路的热电势。当环境温度变化时，热电偶的冷端和RH感受相同的温度变化，从而RH电阻值也随温度而改变，使电桥失去平衡，有不平衡电势ΔE1输出；同时，冷端温度的变化使热电偶的电势值随之变化ΔE2。如果我们设计ΔE1与ΔE数值相等、极性相反，则叠加后互相抵消，因而起到冷端温度变化自动补偿的作用。2025/4/9songyonggang248－4热电偶的结构及热电势的测量

热电偶的类型、规格、结构品种繁多，根据热电极材料可分为难熔、贵金属、贱金属、非金属热电偶等；根据测温范围可分为高温、中温、低温热电偶；根据工业标准可分为标准化、非标准化热电偶；按结构可分为普通、铠装、薄膜热电偶等。一、热电偶的结构

如图为普通热电偶的结构图示意图，它由热电极、绝缘管(或绝缘子)、保护套管、接线盒等几部分组成。根据测温范围和环境情况，可以选用不同的热电偶和不同的保护套管。2025/4/9songyonggang25

普通热电偶的热电极是一端焊在一起的两根金属丝，两热电极之间用绝缘套管绝缘。为了防止有害介质侵蚀热电极，还常配有保护套管，通过接线盒引出电极线。热电偶在测量温度时，将测量端插入被测对象的内部，主要用于测量容器或管道内气体、蒸汽、液体等介质的温度。

铠装热电偶是由不锈钢保护管，氧化镁绝缘粉，热电偶丝材经模压成型的热电偶。2025/4/9songyonggang26二、热电偶测温电路及其应用1．热电偶测温基本线路2025/4/9songyonggang27

图(a)是测量某点温度的线路，

A、B为热电偶，C、D为补偿导线，冷端温度为T0，E为铜导线(在实际使用时把补偿导线连接到仪表的接线端子，冷端温度即为仪表接线端所处的环境温度)，G为配用仪表。图(b)是测量两点温度差的线路。用两支同型号的热电偶，配用相同的补偿导线，连接的方法应使各自产生的热电势互相抵消。这时仪表G即可测得Tl和T2的温度之差。图(c)是测量平均温度的线路，通常用几支同型号的热电偶并联在一起，要求三支热电偶都工作在线性段，在指示