第06章 熱電式傳感器課件

1、第第6 6章章 熱電式傳感器熱電式傳感器第第6 6章章 熱電式傳感器熱電式傳感器6.1 6.1 熱電偶熱電偶 6.2 6.2 熱電阻熱電阻 6.1 6.1 熱電偶熱電偶6.1.1 6.1.1 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理 6.1.2 6.1.2 熱電偶的基本定律熱電偶的基本定律 6.1.3 6.1.3 熱電偶的類(lèi)型熱電偶的類(lèi)型 6.1.4 6.1.4 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式熱電偶的結(jié)構(gòu)形式 6.1.5 6.1.5 熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償 6.1 6.1 熱電偶熱電偶6.1.1 6.1.1 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理 將兩根不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接在一起組成一個(gè)閉將兩根不同的

2、導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接在一起組成一個(gè)閉合回路，如圖合回路，如圖6-1(a)6-1(a)所示，當(dāng)兩結(jié)點(diǎn)溫度不同時(shí)，則在所示，當(dāng)兩結(jié)點(diǎn)溫度不同時(shí)，則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)，該該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電勢(shì)，這兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電勢(shì)，這兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱(chēng)為熱電偶。稱(chēng)為熱電偶。6.1 6.1 熱電偶熱電偶 兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，一個(gè)稱(chēng)為工作端，又稱(chēng)測(cè)量端或熱端，兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，一個(gè)稱(chēng)為工作端，又稱(chēng)測(cè)量端或熱端，測(cè)溫時(shí)將它置于被測(cè)介質(zhì)中；另一個(gè)稱(chēng)為自由端，又稱(chēng)測(cè)溫時(shí)將它置于被測(cè)介質(zhì)中；另一個(gè)稱(chēng)為自由端，又稱(chēng)參考端或冷端，與測(cè)量?jī)x表引出的

3、導(dǎo)線(xiàn)相連接，如圖參考端或冷端，與測(cè)量?jī)x表引出的導(dǎo)線(xiàn)相連接，如圖6-6-1(b)1(b)所示。在該回路中，所產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩部分組成：所示。在該回路中，所產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩部分組成：溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。6.1 6.1 熱電偶熱電偶 (a) (a) 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 (b) (b) 測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)圖圖6-1 6-1 熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)6.1 6.1 熱電偶熱電偶 接觸電勢(shì)是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同接觸電勢(shì)是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。兩種導(dǎo)體接觸時(shí)，自由電子而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。兩種導(dǎo)體接觸時(shí)，自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度

4、小的導(dǎo)體擴(kuò)散，在接觸處失去電由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散，在接觸處失去電子一側(cè)帶正電，得到電子一側(cè)帶負(fù)電，擴(kuò)散達(dá)到平衡時(shí)，子一側(cè)帶正電，得到電子一側(cè)帶負(fù)電，擴(kuò)散達(dá)到平衡時(shí)，在接觸面的兩側(cè)就形成穩(wěn)定的接觸電勢(shì)。接觸電勢(shì)的數(shù)在接觸面的兩側(cè)就形成穩(wěn)定的接觸電勢(shì)。接觸電勢(shì)的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。 6.1 6.1 熱電偶熱電偶兩結(jié)點(diǎn)的接觸電勢(shì)和可表示為兩結(jié)點(diǎn)的接觸電勢(shì)和可表示為(6-1)(6-1)(6-2)(6-2)式中式中 K K波爾茲曼常數(shù)；波爾茲曼常數(shù)； e e單位電荷電量；單位電荷電量； N NATAT、N NBTBT溫度為溫度

5、為T(mén) T時(shí)，時(shí)，A A、B B兩種材料的電子密度；兩種材料的電子密度； N NATAT0 0、N NBTBT0 0溫度為溫度為T(mén) T0 0時(shí)，時(shí)，A A、B B兩種材料的電子密度。兩種材料的電子密度。ATABBT( )lnNKTETeN00AT0AB0BT()lnNKTETeN6.1 6.1 熱電偶熱電偶 溫差電勢(shì)是由于同一導(dǎo)體的兩端因溫度不同而產(chǎn)生溫差電勢(shì)是由于同一導(dǎo)體的兩端因溫度不同而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)。同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí)，高溫度端的一種電動(dòng)勢(shì)。同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí)，高溫度端的電子能量要比低溫度端的電子能量大，因而從高溫度的電子能量要比低溫度端的電子能量大，因而從高溫度端跑到低溫度

6、端的電子數(shù)比從低溫度端跑到高溫度端的端跑到低溫度端的電子數(shù)比從低溫度端跑到高溫度端的要多，結(jié)果高溫度端因失去電子帶正電，低溫度端因獲要多，結(jié)果高溫度端因失去電子帶正電，低溫度端因獲得多余的電子而帶負(fù)電得多余的電子而帶負(fù)電. .6.1 6.1 熱電偶熱電偶因此，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電勢(shì)，其大小可表示為因此，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電勢(shì)，其大小可表示為(6-3)(6-3)(6-4)(6-4)式中式中 N NAtAt、N NBtBtAA導(dǎo)體和導(dǎo)體和B B導(dǎo)體的電子密度，是溫度導(dǎo)體的電子密度，是溫度的函數(shù)。的函數(shù)。0A tA0A td ()1()ddTTNtKETTteNt,0BtB0Btd()1()dd

7、TTN tKET TteNt,6.1 6.1 熱電偶熱電偶如圖如圖6-1(a)6-1(a)所示的熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì)為所示的熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì)為(6-5)(6-5)在總熱電勢(shì)中，溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多，可忽略不在總熱電勢(shì)中，溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多，可忽略不計(jì)，則熱電偶的熱電勢(shì)可表示為計(jì)，則熱電偶的熱電勢(shì)可表示為(6-6)(6-6)AB0ABB0AB0A0( ,)( )( ,)( )( ,)ET TETE T TETE T TAB0ABAB0( ,)( )()ET TETET6.1 6.1 熱電偶熱電偶 在通常的測(cè)量中要求冷端的溫度恒定，在通常的測(cè)量中要求冷端的溫度恒定， =

8、=常數(shù)，常數(shù)，則總的熱電勢(shì)就只與溫度則總的熱電勢(shì)就只與溫度T T成單值函數(shù)關(guān)系，即成單值函數(shù)關(guān)系，即(6-7)(6-7) 實(shí)際應(yīng)用中，熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系是通過(guò)熱電實(shí)際應(yīng)用中，熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系是通過(guò)熱電偶分度表來(lái)確定的。分度表是在參考端溫度為偶分度表來(lái)確定的。分度表是在參考端溫度為00時(shí)，時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立起來(lái)的熱電勢(shì)與工作端溫度之間的數(shù)值對(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立起來(lái)的熱電勢(shì)與工作端溫度之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系。用熱電偶測(cè)量溫度，還要掌握熱電偶基本定律。應(yīng)關(guān)系。用熱電偶測(cè)量溫度，還要掌握熱電偶基本定律。AB0( )ETAB0AB( ,)( )( )ET TETcf T6.1 6.1 熱電偶熱電偶6.1.

9、2 6.1.2 熱電偶的基本定律熱電偶的基本定律 熱電偶是由兩種不同材料構(gòu)成的閉合回路，但由熱電偶是由兩種不同材料構(gòu)成的閉合回路，但由于實(shí)際測(cè)溫時(shí)，這個(gè)回路必須在冷端部分?jǐn)嚅_(kāi)，接入于實(shí)際測(cè)溫時(shí)，這個(gè)回路必須在冷端部分?jǐn)嚅_(kāi)，接入測(cè)電動(dòng)勢(shì)的儀表測(cè)電動(dòng)勢(shì)的儀表( (如電壓表或電位差計(jì)如電壓表或電位差計(jì)) )，因此要引入，因此要引入第第3 3種附加材料和結(jié)點(diǎn)。下面引述種附加材料和結(jié)點(diǎn)。下面引述3 3個(gè)常用的熱電偶定個(gè)常用的熱電偶定律。律。6.1 6.1 熱電偶熱電偶6.1.2.1 6.1.2.1 中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 當(dāng)熱電偶回路的一個(gè)或兩個(gè)結(jié)點(diǎn)被斷開(kāi)，接入一當(dāng)熱電偶回路的一個(gè)或兩個(gè)結(jié)點(diǎn)被斷開(kāi)，接

10、入一種或多種金屬材料的中間導(dǎo)體后，如果全部的新結(jié)點(diǎn)種或多種金屬材料的中間導(dǎo)體后，如果全部的新結(jié)點(diǎn)處的溫度和原來(lái)結(jié)點(diǎn)的溫度相同，那么對(duì)回路的總熱處的溫度和原來(lái)結(jié)點(diǎn)的溫度相同，那么對(duì)回路的總熱電勢(shì)沒(méi)有影響。電勢(shì)沒(méi)有影響。6.1 6.1 熱電偶熱電偶3 3種導(dǎo)體的熱電偶回路，如圖種導(dǎo)體的熱電偶回路，如圖6-26-2所示。由于溫差電勢(shì)所示。由于溫差電勢(shì)可忽略不計(jì)，則回路中的總熱電勢(shì)等于各結(jié)點(diǎn)的接觸可忽略不計(jì)，則回路中的總熱電勢(shì)等于各結(jié)點(diǎn)的接觸電勢(shì)之和，即電勢(shì)之和，即(6-8)(6-8)當(dāng)當(dāng)T=TT=T0 0時(shí)，有時(shí)，有(6-9)(6-9)ABC0ABBC0CA0( ,)( )()()ET TETETE

11、TA B0B C0C A0()()()ETETET6.1 6.1 熱電偶熱電偶圖圖6-2 36-2 3種導(dǎo)體的熱電偶回路種導(dǎo)體的熱電偶回路 6.1 6.1 熱電偶熱電偶將式將式(6-9)(6-9)代入式代入式(6-8)(6-8)中得中得(6-10)(6-10)同理，加入第同理，加入第4 4、第、第5 5種導(dǎo)體后，只要加入的導(dǎo)體兩端種導(dǎo)體后，只要加入的導(dǎo)體兩端溫度相等，同樣不影響回路中的總熱電勢(shì)。溫度相等，同樣不影響回路中的總熱電勢(shì)。ABC0ABAB0AB0( , )( )( )( , )ET TETETET T6.1 6.1 熱電偶熱電偶6.1.2.2 6.1.2.2 中間溫度定律中間溫度定律

12、 熱電偶熱電偶ABAB在結(jié)點(diǎn)溫度為在結(jié)點(diǎn)溫度為T(mén) T、T T0 0時(shí)的熱電勢(shì)時(shí)的熱電勢(shì)E EABAB(T,T(T,T0 0) )等于熱電偶等于熱電偶ABAB在結(jié)點(diǎn)溫度在結(jié)點(diǎn)溫度T T、T Tc c和和T Tc c、T T0 0時(shí)的熱電勢(shì)時(shí)的熱電勢(shì)E EABAB(T,T(T,Tc c) )和和E EABAB(T(Tc c,T),T)的代數(shù)和，如圖的代數(shù)和，如圖6-36-3所示，即所示，即(6-11)(6-11)AB0ABcABc0( ,)( ,)(,)ET TET TET T6.1 6.1 熱電偶熱電偶 該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。通該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。通常，熱電

13、偶分度表是以冷端為常，熱電偶分度表是以冷端為00時(shí)作出的。而實(shí)際時(shí)作出的。而實(shí)際測(cè)量溫度的過(guò)程中，常常會(huì)遇到冷端不為測(cè)量溫度的過(guò)程中，常常會(huì)遇到冷端不為00的情況，的情況，這時(shí)可以根據(jù)中間溫度定律很方便地從分度表中查取這時(shí)可以根據(jù)中間溫度定律很方便地從分度表中查取熱電偶在各種溫度時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)。熱電偶在各種溫度時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)。6.1 6.1 熱電偶熱電偶圖圖6-3 6-3 中間溫度定律中間溫度定律 6.1 6.1 熱電偶熱電偶6.1.2.3 6.1.2.3 均質(zhì)導(dǎo)體定律均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中不論導(dǎo)體的截由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中不論導(dǎo)體的截面、長(zhǎng)度如何以及各處的溫度分布如

14、何，都不能產(chǎn)生面、長(zhǎng)度如何以及各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。這條定理說(shuō)明，熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)熱電勢(shì)。這條定理說(shuō)明，熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。的均質(zhì)材料構(gòu)成。6.1 6.1 熱電偶熱電偶6.1.3 6.1.3 熱電偶的類(lèi)型熱電偶的類(lèi)型 實(shí)際上并非所有材料都能滿(mǎn)足上述要求，目前在實(shí)際上并非所有材料都能滿(mǎn)足上述要求，目前在國(guó)際上公認(rèn)的比較好的熱電材料只有幾種。國(guó)際電工國(guó)際上公認(rèn)的比較好的熱電材料只有幾種。國(guó)際電工委員會(huì)委員會(huì)(IEC)(IEC)向世界各國(guó)推薦了向世界各國(guó)推薦了8 8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。所種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，是指已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中，具謂標(biāo)準(zhǔn)化熱

15、電偶，是指已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中，具有統(tǒng)一的分度表的熱電偶。我國(guó)從有統(tǒng)一的分度表的熱電偶。我國(guó)從19881988年開(kāi)始采用年開(kāi)始采用IECIEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶。我國(guó)采用的幾種熱電偶的主要標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶。我國(guó)采用的幾種熱電偶的主要性能和特點(diǎn)見(jiàn)表性能和特點(diǎn)見(jiàn)表6-16-1。6.1 6.1 熱電偶熱電偶表表6-1 6-1 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn)熱電偶熱電偶名稱(chēng)名稱(chēng)分度號(hào)分度號(hào)允許偏差允許偏差特點(diǎn)特點(diǎn)新新舊舊等等級(jí)級(jí)適用溫適用溫度度( () )允差值允差值( () )銅銅- -銅鎳銅鎳T T CKCK-40-403503500.50.5或或0.0040.004| |t

16、 t| | 測(cè)溫精度高，穩(wěn)測(cè)溫精度高，穩(wěn)定性好，低溫時(shí)靈定性好，低溫時(shí)靈敏度高，價(jià)格低廉。敏度高，價(jià)格低廉。適于在適于在-200-200400400范圍內(nèi)使用范圍內(nèi)使用1 1或或0.00750.0075| |t t| |6.1 6.1 熱電偶熱電偶續(xù)表續(xù)表鎳鉻鎳鉻- -銅銅鎳鎳E E -40-408008001.51.5或或0.0040.004| |t t| |適用于氧化及弱還原性氣適用于氧化及弱還原性氣氛中測(cè)溫，按其偶絲直徑氛中測(cè)溫，按其偶絲直徑不同，測(cè)溫范圍為不同，測(cè)溫范圍為-200-200900900。穩(wěn)定性好，靈敏。穩(wěn)定性好，靈敏度高，價(jià)格低廉度高，價(jià)格低廉-40-409009002.

17、52.5或或0.00750.0075| |t t| |鐵鐵- -銅鎳銅鎳J J -40-407507501.51.5或或0.0040.004| |t t| |適用于氧化、還原氣氛中適用于氧化、還原氣氛中測(cè)溫，亦可在真空、中性測(cè)溫，亦可在真空、中性氣氛中測(cè)溫，穩(wěn)定性好，氣氛中測(cè)溫，穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉價(jià)格低廉2.52.5或或0.00750.0075| |t t| |6.1 6.1 熱電偶熱電偶續(xù)表續(xù)表鎳鉻鎳鉻- -鎳鎳硅硅K KEU-EU-2 2-40-401 0001 0001.51.5或或0.0040.004| |t t| |適用于氧化和中性氣氛中適用于氧化和中性氣氛中測(cè)溫，按其偶絲直徑不同，

18、測(cè)溫，按其偶絲直徑不同，測(cè)溫范圍為測(cè)溫范圍為-200-2001 3001 300。若外加密封保。若外加密封保護(hù)管，還可在還原氣氛中護(hù)管，還可在還原氣氛中短期使用短期使用-40-401 2001 2002.52.5或或0.00750.0075| |t t| |鉑銠鉑銠1010- -鉑鉑S SLB-LB-3 30 01 1001 1001 1適用于氧化氣氛中測(cè)溫，適用于氧化氣氛中測(cè)溫，其長(zhǎng)期最高使用溫度為其長(zhǎng)期最高使用溫度為1 3001 300，短期最高使用，短期最高使用溫度為溫度為1 6001 600。使用溫。使用溫度高，性能穩(wěn)定，精度高，度高，性能穩(wěn)定，精度高，但價(jià)格貴但價(jià)格貴6006001

19、6001 6000.00250.0025| |t t| |6.1 6.1 熱電偶熱電偶續(xù)表續(xù)表鉑銠鉑銠3030- -鉑銠鉑銠6 6B BLL-LL-2 26006001 7001 7001.51.5或或0.0050.005| |t t| |適用于氧化氣氛中測(cè)溫，適用于氧化氣氛中測(cè)溫，其長(zhǎng)期最高使用溫度為其長(zhǎng)期最高使用溫度為1 6001 600，短期最高使用，短期最高使用溫度為溫度為1 8001 800，穩(wěn)定性，穩(wěn)定性好，測(cè)量溫度高。參考端好，測(cè)量溫度高。參考端溫度在溫度在0 04040范圍內(nèi)不范圍內(nèi)不可以補(bǔ)償可以補(bǔ)償8008001 7001 7000.0050.005| |t t| |注：表中

20、所列的每一種熱電偶，前者為熱電偶的正極、后者為負(fù)極。注：表中所列的每一種熱電偶，前者為熱電偶的正極、后者為負(fù)極。目前工業(yè)上常用的有目前工業(yè)上常用的有4 4種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，即鉑銠種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，即鉑銠10-10-鉑，鉑銠鉑，鉑銠30-30-鉑銠鉑銠6 6，鎳鉻，鎳鉻- -鎳硅和鎳鉻鎳硅和鎳鉻- -銅鎳熱電偶，它們的分度表見(jiàn)附錄二。銅鎳熱電偶，它們的分度表見(jiàn)附錄二。 6.1 6.1 熱電偶熱電偶6.1.4 6.1.4 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式熱電偶的結(jié)構(gòu)形式 為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)測(cè)溫的要求和條件，熱電偶為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)測(cè)溫的要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜型的結(jié)構(gòu)形式有普通型

21、熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜型熱電偶等。熱電偶等。6.1.4.1 6.1.4.1 普通型熱電偶普通型熱電偶 普通型熱電偶在工業(yè)上使用最多，它一般由熱電普通型熱電偶在工業(yè)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣管、保護(hù)管和接線(xiàn)盒組成，其結(jié)構(gòu)如圖極、絕緣管、保護(hù)管和接線(xiàn)盒組成，其結(jié)構(gòu)如圖6-46-4所示。所示。6.1 6.1 熱電偶熱電偶圖圖6-4 普通型熱電偶結(jié)構(gòu)普通型熱電偶結(jié)構(gòu)6.1 6.1 熱電偶熱電偶6.1.4.2 6.1.4.2 鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶 鎧裝型熱電偶又稱(chēng)套管熱電偶。它是由熱電偶絲、鎧裝型熱電偶又稱(chēng)套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合絕緣材料和

22、金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體，如圖體，如圖6-56-5所示。它可以做得很細(xì)、很長(zhǎng)，使用中所示。它可以做得很細(xì)、很長(zhǎng)，使用中根據(jù)需要能任意彎曲。鎧裝型熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)根據(jù)需要能任意彎曲。鎧裝型熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門(mén)中。業(yè)部門(mén)中。6.1 6.1 熱電偶熱電偶圖圖6-5 6-5 鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶6.1 6.1 熱電偶熱電偶6.1.4.3 6.1.4.3 薄膜型熱電偶薄膜型熱電偶 薄膜型熱電偶是

23、將兩種薄膜熱電極材料用真空蒸薄膜型熱電偶是將兩種薄膜熱電極材料用真空蒸鍍和化學(xué)涂層等辦法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種鍍和化學(xué)涂層等辦法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶，如圖特殊熱電偶，如圖6-66-6所示。薄膜型熱電偶的熱結(jié)點(diǎn)所示。薄膜型熱電偶的熱結(jié)點(diǎn)可以做得很小可以做得很小( (可薄到可薄到0.010.010.1)0.1)，具有熱容量小和，具有熱容量小和反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，熱響應(yīng)時(shí)間達(dá)到微秒級(jí)，適用于反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，熱響應(yīng)時(shí)間達(dá)到微秒級(jí)，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。6.1 6.1 熱電偶熱電偶圖圖6-6 6-6

24、薄膜型熱電偶薄膜型熱電偶11熱電極；熱電極；22熱結(jié)點(diǎn)；熱結(jié)點(diǎn)；33絕緣基板；絕緣基板；44引出線(xiàn)引出線(xiàn)6.1 6.1 熱電偶熱電偶 6.1.5 6.1.5 熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償 從熱電效應(yīng)的原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)從熱電效應(yīng)的原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)與兩端的溫度有關(guān)，只有將冷端的溫度恒定，熱電動(dòng)與兩端的溫度有關(guān)，只有將冷端的溫度恒定，熱電動(dòng)勢(shì)才是熱端溫度的單值函數(shù)。由于熱電偶的分度表是勢(shì)才是熱端溫度的單值函數(shù)。由于熱電偶的分度表是以冷端溫度為以冷端溫度為00時(shí)作出的，因此在使用時(shí)要正確反時(shí)作出的，因此在使用時(shí)要正確反映熱端溫度映熱端溫度( (即被測(cè)溫度即被測(cè)溫

25、度) )，最好設(shè)法使冷端溫度恒定，最好設(shè)法使冷端溫度恒定為為00，但實(shí)際應(yīng)用中熱電偶的冷端一般不為，但實(shí)際應(yīng)用中熱電偶的冷端一般不為00，所，所以，必須采取相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)償或修正。常用的方以，必須采取相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)償或修正。常用的方法有以下幾種。法有以下幾種。6.1 6.1 熱電偶熱電偶 6.1.5.1 06.1.5.1 0恒溫法恒溫法 通常用冰點(diǎn)恒溫槽作為通常用冰點(diǎn)恒溫槽作為00恒溫容器，冰點(diǎn)恒溫恒溫容器，冰點(diǎn)恒溫容器實(shí)際上是存有冰水混合物的保溫瓶。將熱電偶的容器實(shí)際上是存有冰水混合物的保溫瓶。將熱電偶的冷端置于冰點(diǎn)恒溫槽內(nèi)，保證了冷端的溫度恒定為冷端置于冰點(diǎn)恒溫槽內(nèi)，保證了冷端的溫度恒

26、定為00。根據(jù)熱電偶測(cè)得的輸出熱電動(dòng)勢(shì)，再查找熱電。根據(jù)熱電偶測(cè)得的輸出熱電動(dòng)勢(shì)，再查找熱電偶的分度表，即可得到測(cè)端的溫度，省去了校正的麻偶的分度表，即可得到測(cè)端的溫度，省去了校正的麻煩。這種補(bǔ)償方法僅適用于實(shí)驗(yàn)室。煩。這種補(bǔ)償方法僅適用于實(shí)驗(yàn)室。6.1 6.1 熱電偶熱電偶 6.1.5.2 6.1.5.2 補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)法補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)法 采用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定采用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)，將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場(chǎng)所，其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長(zhǎng)。根據(jù)中間溫的場(chǎng)所，其實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長(zhǎng)。根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度一致，度定律，只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度一

27、致，就不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)的輸出。常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)就不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)的輸出。常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)見(jiàn)表見(jiàn)表6-26-2。6.1 6.1 熱電偶熱電偶表表6-2 6-2 常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)型號(hào)配用熱電偶配用熱電偶型號(hào)型號(hào)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)絕緣層顏色絕緣層顏色正極正極負(fù)極負(fù)極正極正極負(fù)極負(fù)極SCSCS SSPC(SPC(銅銅) )SNC(SNC(銅鎳銅鎳) )紅紅綠綠KCKCK KSPC(SPC(銅銅) )KNC(KNC(康銅康銅) )紅紅藍(lán)藍(lán)KXKXK KKPX(KPX(鎳鉻鎳鉻) ) KNX(KNX(鎳硅鎳硅) )紅紅黑黑EXEXE EEPX(EPX(鎳鉻

28、鎳鉻) ) ENX(ENX(銅鎳銅鎳) )紅紅棕棕6.1 6.1 熱電偶熱電偶 6.1.5.3 6.1.5.3 計(jì)算修正法計(jì)算修正法 上述兩種方法解決了一個(gè)問(wèn)題，即設(shè)法使熱電偶上述兩種方法解決了一個(gè)問(wèn)題，即設(shè)法使熱電偶的冷端溫度恒定。但是，冷端的溫度并非一定為的冷端溫度恒定。但是，冷端的溫度并非一定為00，所以測(cè)出的熱電動(dòng)勢(shì)還是不能正確反映熱端的實(shí)際溫所以測(cè)出的熱電動(dòng)勢(shì)還是不能正確反映熱端的實(shí)際溫度。為此，必須對(duì)溫度進(jìn)行修正。修正公式如下度。為此，必須對(duì)溫度進(jìn)行修正。修正公式如下(6-12)(6-12)AB0ABcABc0( ,)( ,)(,)ET TET TET T6.1 6.1 熱電偶熱電

29、偶式中式中 熱電偶熱端溫度為熱電偶熱端溫度為T(mén) T，冷端溫度為，冷端溫度為00時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)；時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)； 熱電偶熱端溫度為熱電偶熱端溫度為T(mén) T，冷端溫度為，冷端溫度為T(mén) Tc c時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)；時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)； 熱電偶熱端溫度為熱電偶熱端溫度為T(mén) Tc c，冷端溫度為，冷端溫度為00時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)。時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)。AB0( , )ET TABc( , )ET TA Bc0( , )E T T6.1 6.1 熱電偶熱電偶 【例【例6-16-1】 用鎳鉻用鎳鉻- -鎳硅熱電偶測(cè)爐溫，當(dāng)冷端溫度鎳硅熱電偶測(cè)爐溫，當(dāng)冷端溫度為為3030時(shí)，測(cè)出熱端溫度為時(shí)，測(cè)出熱端溫度為T(mén) T時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)為

30、39.17mV39.17mV，求爐子的實(shí)際溫度。求爐子的實(shí)際溫度。解：由鎳鉻解：由鎳鉻- -鎳硅熱電偶分度表查出鎳硅熱電偶分度表查出E E(30.0)=1.20mV(30.0)=1.20mV，根據(jù)式根據(jù)式(6-12)(6-12)計(jì)算出計(jì)算出E E( (T T, ,T T0 0)=39.17+1.20=40.37mV)=39.17+1.20=40.37mV再通過(guò)分度表查出對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為再通過(guò)分度表查出對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為T(mén) T=977=9776.1 6.1 熱電偶熱電偶6.1.5.4 6.1.5.4 電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法 計(jì)算修正法雖然很精確，但不適用于連續(xù)測(cè)溫。計(jì)算修正法雖然很精確，但不適用于連

31、續(xù)測(cè)溫。為此，有些儀表的測(cè)溫電路中帶有補(bǔ)償電橋，利用不為此，有些儀表的測(cè)溫電路中帶有補(bǔ)償電橋，利用不平衡電橋產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)來(lái)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度不在平衡電橋產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)來(lái)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度不在00時(shí)引起的熱電動(dòng)勢(shì)變化值，如圖時(shí)引起的熱電動(dòng)勢(shì)變化值，如圖6-76-7所示。所示。6.1 6.1 熱電偶熱電偶圖圖6-7 6-7 補(bǔ)償電橋補(bǔ)償電橋6.1 6.1 熱電偶熱電偶 在熱電偶與測(cè)溫儀之間串接一個(gè)直流不平衡電橋，在熱電偶與測(cè)溫儀之間串接一個(gè)直流不平衡電橋，電橋中的電橋中的R R1 1、R R2 2、R R3 3由電阻溫度系數(shù)很小的錳銅絲制由電阻溫度系數(shù)很小的錳銅絲制成，另一橋臂的成，另一橋臂的R

32、 RCuCu由溫度系數(shù)較大的銅線(xiàn)繞制。電橋由溫度系數(shù)較大的銅線(xiàn)繞制。電橋的的4 4個(gè)電阻和熱電偶的冷端處在同一個(gè)環(huán)境溫度，但個(gè)電阻和熱電偶的冷端處在同一個(gè)環(huán)境溫度，但由于由于R RCuCu的阻值隨環(huán)境溫度的變化而變化，使電橋產(chǎn)生的阻值隨環(huán)境溫度的變化而變化，使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓的大小和極性隨環(huán)境溫度的變化而變化，的不平衡電壓的大小和極性隨環(huán)境溫度的變化而變化，從而達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康?。從而達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康摹?.2 6.2 熱熱 電電 阻阻6.2.1 6.2.1 金屬熱電阻傳感器金屬熱電阻傳感器 6.2.2 6.2.2 半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻 6.2 6.2 熱電阻熱電阻6.2.1 6.

33、2.1 金屬熱電阻傳感器金屬熱電阻傳感器 金屬熱電阻傳感器一般稱(chēng)作熱電阻傳感器。金屬熱電阻傳感器一般稱(chēng)作熱電阻傳感器。6.2.1.1 6.2.1.1 熱電阻的溫度特性熱電阻的溫度特性 熱電阻的溫度特性是指熱電阻熱電阻的溫度特性是指熱電阻R R隨溫度變化而隨溫度變化而變化的特性，即變化的特性，即R Rt tt t之間的函數(shù)關(guān)系。之間的函數(shù)關(guān)系。6.2 6.2 熱電阻熱電阻1. 1. 鉑熱電阻的溫度特性鉑熱電阻的溫度特性 鉑熱電阻的特點(diǎn)是測(cè)溫精度高，穩(wěn)定性好，所鉑熱電阻的特點(diǎn)是測(cè)溫精度高，穩(wěn)定性好，所以在溫度傳感器中得到廣泛應(yīng)用。鉑熱電阻的應(yīng)用以在溫度傳感器中得到廣泛應(yīng)用。鉑熱電阻的應(yīng)用范圍為范圍

34、為-220-220850850。 鉑熱電阻的電阻鉑熱電阻的電阻溫度特性方程，在溫度特性方程，在00以下以下溫度范圍為溫度范圍為(6-13)(6-13)23t01(100)RRAtBtCtt6.2 6.2 熱電阻熱電阻在在00以上溫度范圍為以上溫度范圍為(6-14)(6-14)式中式中 R Rt t、R R0 0分別是分別是t t和和00時(shí)的鉑熱電阻值；時(shí)的鉑熱電阻值； A A、B B、C C常數(shù)。常數(shù)。2t0(1)RRAtBt6.2 6.2 熱電阻熱電阻 可見(jiàn)，可見(jiàn)，R Rt t與溫度不成正比關(guān)系。我國(guó)規(guī)定工業(yè)用與溫度不成正比關(guān)系。我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有鉑熱電阻有R R0 0=10=10 和

35、和R R0 0=100=100 兩種，它們的分度號(hào)分兩種，它們的分度號(hào)分別為別為PtPt1010和和PtPt100100，PtPt100100更常用。分度號(hào)為更常用。分度號(hào)為PtPt1010的鉑金屬的鉑金屬熱電阻在熱電阻在00時(shí)電阻值為時(shí)電阻值為1010 ，分度號(hào)為，分度號(hào)為PtPt100100的鉑金屬的鉑金屬熱電阻在熱電阻在00時(shí)電阻值為時(shí)電阻值為100100 。不同分度號(hào)有不同分。不同分度號(hào)有不同分度表，實(shí)際測(cè)量中，測(cè)得熱電阻的阻值度表，實(shí)際測(cè)量中，測(cè)得熱電阻的阻值R Rt t，從分度表，從分度表查出對(duì)應(yīng)的溫度值。查出對(duì)應(yīng)的溫度值。6.2 6.2 熱電阻熱電阻 2. 2. 銅熱電阻的溫度特

36、性銅熱電阻的溫度特性 鉑是貴重金屬，在測(cè)量精度要求不高，溫度范圍鉑是貴重金屬，在測(cè)量精度要求不高，溫度范圍在在-50-50150150時(shí)普遍采用銅熱電阻。銅熱電阻與溫度時(shí)普遍采用銅熱電阻。銅熱電阻與溫度間的關(guān)系為間的關(guān)系為(6-15)(6-15)式中式中 R Rt t、R R0 0分別是分別是t t和和00時(shí)的銅熱電阻值；時(shí)的銅熱電阻值； 、 、 常數(shù)。常數(shù)。23t0123(1)RRttt1236.2 6.2 熱電阻熱電阻 分度號(hào)分度號(hào)Cu50Cu50的銅熱電阻的的銅熱電阻的R R0 0為為5050 ，分度號(hào)，分度號(hào)Cu100Cu100的銅熱電阻的的銅熱電阻的R R0 0為為100100 。

37、銅的價(jià)格低廉，電阻銅的價(jià)格低廉，電阻溫度特性線(xiàn)性較好，但電溫度特性線(xiàn)性較好，但電阻率僅為鉑的幾分之一。銅熱電阻所用的電阻絲細(xì)而阻率僅為鉑的幾分之一。銅熱電阻所用的電阻絲細(xì)而長(zhǎng)，機(jī)械性能較差，熱慣性較大，在溫度高于長(zhǎng)，機(jī)械性能較差，熱慣性較大，在溫度高于100100以上或侵蝕性介質(zhì)中使用時(shí)，易氧化，穩(wěn)定性較差。以上或侵蝕性介質(zhì)中使用時(shí)，易氧化，穩(wěn)定性較差。因此，只能用于低溫及無(wú)侵蝕性的介質(zhì)中。銅熱電阻因此，只能用于低溫及無(wú)侵蝕性的介質(zhì)中。銅熱電阻在工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)在已逐漸減少。在工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)在已逐漸減少。6.2 6.2 熱電阻熱電阻6.2.1.2 6.2.1.2 熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu)熱電阻傳感器的

38、結(jié)構(gòu) 熱電阻傳感器由電阻體、絕緣管、保護(hù)套管、引熱電阻傳感器由電阻體、絕緣管、保護(hù)套管、引線(xiàn)和接線(xiàn)盒組成，其結(jié)構(gòu)和熱電偶類(lèi)似。線(xiàn)和接線(xiàn)盒組成，其結(jié)構(gòu)和熱電偶類(lèi)似。6.2.1.3 6.2.1.3 熱電阻傳感器的測(cè)量電路熱電阻傳感器的測(cè)量電路 熱電阻傳感器的測(cè)量電路應(yīng)用最多的是電橋電路。熱電阻傳感器的測(cè)量電路應(yīng)用最多的是電橋電路。如圖如圖6-86-8所示為熱電阻測(cè)溫電橋的三線(xiàn)連接法。圖所示為熱電阻測(cè)溫電橋的三線(xiàn)連接法。圖6-86-8中中G G為指示電表，為指示電表，R R1 1、R R2 2、R R3 3為固定電阻，為固定電阻，R Ra a為零位調(diào)為零位調(diào)節(jié)電阻。節(jié)電阻。6.2 6.2 熱電阻熱電

39、阻圖圖6-8 6-8 熱電阻測(cè)溫電橋的三線(xiàn)連接法熱電阻測(cè)溫電橋的三線(xiàn)連接法6.2 6.2 熱電阻熱電阻6.2.2 6.2.2 半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻 熱敏電阻是一種電阻值隨其溫度成指數(shù)變化熱敏電阻是一種電阻值隨其溫度成指數(shù)變化的半導(dǎo)體熱敏元件，廣泛應(yīng)用于家電、汽車(chē)和測(cè)的半導(dǎo)體熱敏元件，廣泛應(yīng)用于家電、汽車(chē)和測(cè)量?jī)x器等領(lǐng)域。量?jī)x器等領(lǐng)域。6.2 6.2 熱電阻熱電阻其優(yōu)點(diǎn)如下：其優(yōu)點(diǎn)如下： (1) (1) 電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻大阻大1010100100倍。倍。 (2) (2) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量“點(diǎn)點(diǎn)”溫度。溫度。 (3) (3)