新型传感技术及应用 课件 第五部分：典型传感器-热电式传感器

新型传感技术及应用第五部分：典型传感器（1）-热电式传感器主要内容第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的材料与工艺第四部分：敏感结构的建模第五部分：典型传感器

第六部分：传感器的典型应用2

（1）-热电式传感器3第五部分思考题（1）发表在MOOC讨论区里1.说明温度测量的特殊性；2.讨论热电阻自热现象对温度测量的影响及减小的措施；3.举例说明温度测量中，产生测量误差的机制；4.说明热电偶分度表的意义与实际应用价值5.1.1温度测量的意义5.1.2电阻式温度传感器5.1.3热电偶式温度传感器5.1.4半导体温度传感器5.1.5非接触式温度传感器5.1.6基于热电阻的气体质量流量传感器45.1.1温度测量的意义51.温度测量的重要性自然界几乎所有物理、化学过程都与温度密切相关；系统工作过程与温度密切相关；环境温度变化对传感器产生影响；→需掌握温度对系统、对测量过程影响规律，实现温度补偿61.温度测量的重要性自然界几乎所有物理、化学过程都与温度密切相关；系统工作过程与温度密切相关；环境温度变化对传感器产生影响；→需掌握温度对系统、对测量过程影响规律，实现温度补偿2.温度是内涵量表征物体冷、热程度；反映物体内部分子运动平均动能大小；温度高，分子运动剧烈，动能大；反之亦然；

测温基础—热平衡：不同温度物体接触，发生热交换，热量由高温物体向低温物体传递，直至温度相等；不同物质具有不同物理特性，与温度关系不同，因而有不同测温方法及测温传感器；测量温度方法分为接触式和非接触式两类5.1.1温度测量的意义

中国国际测量控制与仪器仪表展览会，2018热电阻

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中国国际测量控制与仪器仪表展览会，2018热电偶8

中国国际测量控制与仪器仪表展览会，201895.1.1温度测量的意义5.1.2电阻式温度传感器5.1.3热电偶式温度传感器5.1.4半导体温度传感器5.1.5非接触式温度传感器5.1.6基于热电阻的气体质量流量传感器10111.基本原理：温度升高，自由电子动能增加，改变自由电子运动，使之定向运动所需能量增加；多数金属电阻随温度升高而增加，温度t

℃

时的电阻值为温度0℃时热电阻值由电阻材料和制造工艺所决定的系数

2.铂热电阻：最佳金属热电阻

优点：物理、化学性能稳定，耐氧化能力强，温度范围宽；电阻率高，易加工，可制成很薄铂箔或极细铂丝；缺点：电阻温度系数较小，成本高，在还原性介质中易变脆；

温度模型-200～0

℃0～850

℃，5.1.2电阻式温度传感器（金属热电阻）

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3.铜热电阻：常用金属热电阻

优点：性价比高、物理、化学性能稳定；缺点：精度不高、测温范围较小；电阻率比铂低，在空气中容易被氧化，不适宜在高温和腐蚀性介质中工作；

温度模型-50～150

℃，

4.其他热电阻：特种热电阻

镍电阻、铟电阻和锰电阻；

这些电阻各有特点，如铟电阻属高精度低温热电阻；锰电阻阻值随温度变化大，在275～336

℃

温度范围使用，质脆易损坏；镍电阻灵敏度较高，热稳定性较差5.1.2电阻式温度传感器（金属热电阻）

135.热电阻的绕制结构

为避免通过交流电时产生感抗，或有交变磁场时产生感应电动势，绕制时要采用双线无感绕制法；通过这两股导线的电流方向相反，从而使其产生的磁通相互抵消。左图为铜热电阻结构，有铜引出线、补偿绕线电阻、铜热电阻线、线圈骨架等；右图为铂热电阻结构。有铜铆钉、铂热电阻线、云母支架、银导线等；为改善热传导，将铜制薄片与两侧云母片和盖片铆在一起，并用银丝做成引出线，铜热电阻结构示意图铂热电阻结构示意图5.1.2电阻式温度传感器（金属热电阻）

14半导体热敏电阻温度特性曲线

1.工作机制半导体中参与导电载流子密度比金属自由电子密度小得多，电阻率远大于金属电阻，变化程度高；温度升高，一方面增加电子-空穴对，表现为电阻率减小；另一方面载流子平均运动速度升高，表现为电阻率增大；

2.典型特性类型图示三种典型半导体热敏电阻类型负温度系数热敏电阻NTC(最常用)；正温度系数热敏电阻PTC；特定温度下电阻值发生突然变化的临界温度电阻器CTR5.1.2电阻式温度传感器（热敏电阻）

15半导体热敏电阻温度特性曲线

3.负温度系数热敏电阻模型初始温度时热电阻值热敏电阻材料常数(K)，由实验获得4.热敏电阻的结构主要有柱形、珠状、探头式、片状等柱形热敏电阻结构示意图a）珠状b）探头式c）片状其他形状热敏电阻结构示意图5.1.2电阻式温度传感器（热敏电阻）

5.自热问题热电阻上的工作电流产生热量，会引起电阻的变化；对于负温度系数热敏电阻，“自热问题”尤为重要，自热引起负温度系数热敏电阻附加电阻值下降，带来测量误差；使用时要注意16半导体热敏电阻温度特性曲线5.1.2电阻式温度传感器（热敏电阻）

5.1.1温度测量的意义5.1.2电阻式温度传感器5.1.3热电偶式温度传感器5.1.4半导体温度传感器5.1.5非接触式温度传感器5.1.6基于热电阻的气体质量流量传感器1718热电偶原理示意图1.原理描述热电偶式温度传感器基于热电效应产生的热电动势实现测量；两种不同金属导体两端相互紧密连接在一起组成闭合电路，由于两个节点温度的不同，形成热电势，如图；a、b两导体为热电极，T端为测量端，T0端为参考端或冷端冷端T0保持恒定，测量端温度T的大小由热电势

Eab确定2.接触热电势a、b两种不同导电材料在T、T0

端的接触热电势分别为—电子电荷量—玻尔兹曼常数5.1.3热电偶式温度传感器19热电偶原理示意图2.温差热电势同一根导体由于两端温度不同而产生温差电动势；a、b两导体的温差热电势分别为δa

、δb为分别为导体a、b的汤姆系数3.热电偶的总热电势热电势大小与两种金属材料及热端与冷端的温度有关；热电势可看成测量端T、冷端0℃热电偶的热电势Eab(T，0)与测量端T0、冷端0℃热电势电势Eab(T0，0)之差→由热电偶热电势Eab(T，T0)测量

T时，需知道T0，即需要对冷端T0进行补偿5.1.3热电偶式温度传感器204.冷端温度补偿常用方法：恒温法、冷端温度修正法、电桥补偿法；恒温法：

T0保持不变冷端温度修正法：实际测量出T0电桥补偿法：见图一种参考端温度补偿电桥电路E

为电桥的工作电源，R为限流电阻；补偿电桥电路与热电偶参考端处于相同的环境温度下；三个相同的桥臂电阻

R1~R3用温度系数接近于零的锰铜绕制；另一桥臂

RCu为补偿桥臂，用铜导线绕制；使用时选取合适的

RCu

阻值，使电桥处于平衡，输出为Ucd；参考端温度升高，补偿臂RCu阻值增大，电桥电路失去平衡，输出Ucd随之增大；同时，由于参考端温度升高，故热电偶的热电势E0减小；若电桥电路输出值的增加量等于热电偶电势的减少量，则总输出值UAB不随参考端温度的变化而变化，实现补偿5.1.3热电偶式温度传感器215.中间导体定律在热电偶中接入第三种导体c，如图示；若接入导体c的两端温度均为T0，则回路中总的热电动势不变该定律为热电偶的实际应用提供了方便；事实上，当接入的第三导体两端的温度相同，则回路中总的热电动势不变接入第三种导体的热电偶原理示意图5.1.3热电偶式温度传感器22

热电偶组成、分类及其特点选择两种合适金属材料配制成具有一定测温范围的热电偶，有恰当灵敏度、精度和稳定性；一般镍铬-金铁热电偶在低温和超低温下具有较髙的灵敏度；铁-铜镍热电偶在氧化介质中测温范围-40～75℃，在还原介质中可达1000℃；钨铼系列热电偶稳定性好，热电特性接近于直线，工作范围达0～2800℃，但只适合于在真空和惰性气体中使用；热电偶种类很多，其基本组成大致相同；通常由热电极、绝缘材料、接线盒和保护套等组成；热电偶按其结构分5种：普通热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶、并联热电偶、串联热电偶

5.1.3热电偶式温度传感器231.普通热电偶2.铠装热电偶3.薄膜热电偶4.并联热电偶5.串联热电偶

该热电偶由热电极、绝缘套管、保护套管、接线盒及接线盒盖组成；普通热电偶主要用于测量液体和气体的温度；绝缘体常使用陶瓷套管，其保护套有金属和陶瓷两种

普通热电偶结构示意图

热电偶组成、分类及其特点5.1.3热电偶式温度传感器241.普通热电偶2.铠装热电偶3.薄膜热电偶4.并联热电偶5.串联热电偶

该热电偶也称缆式热电偶，由热电极、绝缘体和金属保护套组合成一体，其结构示意如图示；依测量端不同型式，有碰底型（图a）、不碰底型（图b）、露头型（图c）、帽型（图d）特点：测量结热容量小、热惯性小、动态响应快、挠性好、强度高、抗震性好，适于用普通热电偶不能测量的空间温度

铠装热电偶结构示意图bcad

热电偶组成、分类及其特点5.1.3热电偶式温度传感器251.普通热电偶2.铠装热电偶3.薄膜热电偶4.并联热电偶5.串联热电偶

该热电偶分为片状、针状等；图为片状薄膜热电偶结构；由测量结点、薄膜A、衬底、薄膜B、接头夹、引线所构成的探头型；薄膜热电偶主要用于测量固表面小面积瞬时变化的温度；优点：热容量小、响应速度快片状薄膜热电偶结构示意图

热电偶组成、分类及其特点5.1.3热电偶式温度传感器261.普通热电偶2.铠装热电偶3.薄膜热电偶4.并联热电偶5.串联热电偶

如图，把几个同一型号的热电偶的同性电极参考端并联在一起，各个热电偶的测量结处于不同温度下；输出电动势为各热电偶热电动势的平均值，故这种热电偶可用于测量平均温度

并联热电偶原理示意图

热电偶组成、分类及其特点5.1.3热电偶式温度传感器271.普通热电偶2.铠装热电偶3.薄膜热电偶4.并联热电偶5.串联热电偶

该热电偶又称热电堆，把若干个同一型号的热电偶串联在一起；所有测量端处于同一温度T，所有连接点处于另一温度T0，则输出电动势是每个热电动势之和并联热电偶原理示意图

热电偶组成、分类及其特点5.1.3热电偶式温度传感器5.1.1温度测量的意义5.1.2电阻式温度传感器5.1.3热电偶式温度传感器5.1.4半导体温度传感器5.1.5非接触式温度传感器5.1.6基于热电阻的气体质量流量传感器28测温原理半导体二极管、三极管的温度特性；如图，以晶体三极管be结电压降实现测温

295.1.4半导体温度传感器晶体三极管感温元件应用特点结构简单、价廉；但非线性误差较大，可制成测量范围在

0～50℃的半导体温度传感器；晶体三极管温度敏感器具有精度高、稳定性好等优点，可制成测量范围在-50～150℃半导体温度传感器；30晶体三极管感温元件应用特点结构简单、价廉；但非线性误差较大，可制成测量范围在0～50℃的半导体温度传感器；晶体三极管温度敏感器具有精度高、稳定性好等优点，可制成测量范围在-50～150℃半导体温度传感器；半导体温度传感器可用于工业自动化、医疗等领域；图示为几种不同结构的晶体管温度敏感器晶体管感温元件结构示意图5.1.4半导体温度传感器5.1.1温度测量的意义5.1.2电阻式温度传感器5.1.3热电偶式温度传感器5.1.4半导体温度传感器5.1.5非接触式温度传感器5.1.6基于热电阻的气体质量流量传感器315.1.5非接触式温度传感器全辐射式温度传感器亮度式温度传感器比色式温度传感器

32该类传感器工作原理物体受热后，电子动能增加，一部分热能转变为与物体温度有关的辐射能；温度较低时，辐射能力很弱；当温度升高时，辐射能力变强；温度高于一定值后，人眼可观察到发光，其发光亮度与温度值有一定关系；高温及超高温检测可采用热辐射和光电检测的方法，实现非接触式测温33全辐射式温度传感器的原理示意图原理结构：如图示；基本原理：被测物辐射能量经物镜聚焦到热电堆靶心铂片上，将辐射能转变为热能，再由热电堆变成热电动势；温度

T

时物体的全辐射发射系数εT，物体真实温度

T与辐射温度

Tr的关系为应用特点：适于远距离、不便直接接触的高温物体，范围100～2000℃

5.1.5非接触式温度传感器（全辐射式）工作过程：①被测物体与标准光源辐射经调制后射向光敏元件；②两束光亮度不同，光敏元件输出放大到电机，驱动电位器触点，调节标准光源电流，改变亮度；③两束光亮度相同，光敏元件输出为零，电位器触点位置代表被测温度；应用特点：测量范围宽，精度较高，测量700～3200℃浇铸、轧钢、锻压和热处理时温度34光电亮度温度传感器原理示意图原理结构：如图示；基本原理：基于物体单色辐射亮度随温度变化原理；以被测物体光谱一狭窄区域内亮度与标准辐射体亮度比较实现测温；波长λ、单色辐射发射系数ελT

，物体真实温度

T与测得的亮度温度

TL的关系为C2——第二辐射常数5.1.5非接触式温度传感器（亮度式）35比色式温度传感器原理示意图原理结构：如图示；基本原理：测量两个波长辐射亮度之比；绝对黑体比色温度TP与非黑体的真实温度T的关系为工作过程：①被测物体辐射经透镜L投射到分光镜G；②反射部分光经滤光片K1

把波长λ1

辐射光投射到光敏元件A1；③透射部分光经滤光片K2

把波长λ2

辐射光投射到光敏元件A2；④光敏元件产生正比于辐射光强度的光电流，在电阻上产生电压；⑤两路电流产生电压不同，放大后驱动伺服电机M带动电位器触点移动，直至上述两路电压相同，电位器触点位置反映被测温度ελ1，ελ2对应波长λ1、波长λ2的单色辐射发射系数5.1.5非接触式温度传感器（比色式）36比色式温度传感器原理示意图工作过程：⑤两路电流产生电压不同，放大后驱动伺服电机M带动电位器触点移动，直至上述两路电压相同，电位器触点位置反映被测温度；⑥电位器输出电阻RP

——电位器总电阻值；电阻值Rx反映被测温度值应用特点：可连续自动检测钢水、铁水、炉渣和表面没有覆盖物的高温物体温度；测量范围800～2000℃，测量精度0.5％；优点是反应速度快，测量范围宽，测量温度接近实际值

5.1.5非接触式温度传感器（比色式）5.1.1温度测量的意义