第四章+熱電檢測器件

熱電檢測器件熱敏電阻熱電偶和熱電堆熱釋電探測器件2/2/20231熱電檢測器件的特性1、光電器件基于光量子效應(yīng)、熱電器件基于熱效應(yīng)，即熱電檢測器件吸收入射輻射產(chǎn)生溫升，從而引起材料物理性質(zhì)的變化，而輸出電信號。2、從光譜響應(yīng)看，熱電檢測器件屬于無選擇器件，室溫下不需致冷，應(yīng)用上不同于光電器件。3、熱電檢測器件將輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，這是每個器件都要經(jīng)歷的階段，屬于熱電檢測器件的共性。4、將熱能轉(zhuǎn)換為電能隨每個器件的結(jié)構(gòu)原理不同而存在差異，屬于熱電檢測器件的個性。2/2/20232

熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的傳感器。它是利用測溫敏感元件的電或磁的參數(shù)隨溫度變化而改變的特性，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化達(dá)到測量溫度的目的。主要介紹熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和熱釋電探測器。

2/2/20233熱電偶傳感器

熱電偶傳感器簡稱熱電偶，是目前接觸式測溫中應(yīng)用最廣的熱電式傳感器。其測溫范圍較寬，一般為-50~1600℃，最高的可達(dá)到3000℃，并有較高的測量精度。另外，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、熱慣性小、輸出信號便于遠(yuǎn)傳等優(yōu)點。其產(chǎn)品已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、運(yùn)用十分方便。2/2/202344.1.1基本原理及熱電效應(yīng)1.基本原理

1821年賽貝克發(fā)現(xiàn)了銅、鐵這兩種金屬的溫差電現(xiàn)象。即在這兩種金屬構(gòu)成的閉合回路中，對兩個接頭中的一個加熱即可產(chǎn)生電流，如圖所示。在冷接頭處，電流從鐵流向銅。由于冷、熱兩個端（接頭）存在溫差而產(chǎn)生的電勢差E，就是溫差熱電勢。這種由兩種不同的金屬構(gòu)成的能產(chǎn)生溫差熱電勢的裝置稱為熱電偶。2/2/202352.熱電效應(yīng)

將兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B組合成閉合回路，若兩結(jié)點處溫度不同，則回路中將有電流流動，即回路中有熱電動勢存在。此電動勢的大小除了與材料本身的性質(zhì)有關(guān)以外，還決定于結(jié)點處的溫差，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。

熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成的。2/2/20236

（1）接觸電勢

當(dāng)兩種導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）接觸在一起時，由于不同導(dǎo)體的自由電子密度不同，在結(jié)點處就會發(fā)生電子遷移擴(kuò)散。失去電子的導(dǎo)體呈正電位，得到電子的導(dǎo)體呈負(fù)電位。當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到平衡時，在兩種金屬的接觸處形成電位差，此電位差稱為接觸電勢。其大小與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)及結(jié)點的溫度有關(guān)，可表示為：2/2/20237

式中，EAB(T)為A、B兩種導(dǎo)體在溫度T時的接觸電勢；K為玻爾茲曼常數(shù)；e為電子電荷；NA，NB為導(dǎo)體A、B的自由電子密度；T為結(jié)點處的絕對溫度。

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（2）溫差電勢也稱為湯姆遜電勢，產(chǎn)生原因是，金屬導(dǎo)體兩端的溫度不同，則其自由電子的濃度亦不相同，溫度高的一端濃度較大;因此高溫端的自由電子將向低溫端擴(kuò)散，高溫端失去電子帶正電，低溫端得到多余的電子帶負(fù)電，從而形成溫差電勢：2/2/20239

式中，EA(T,T0)為導(dǎo)體A的兩端溫度分別為T與T0時的溫差電勢；бA為溫度系數(shù)（又叫湯姆遜系數(shù)），它表示單一導(dǎo)體的兩端溫差為1℃時所產(chǎn)生的溫差電勢。熱電偶的熱電勢如圖所示，可表示為2/2/202310可進(jìn)一步寫成2/2/202311幾點結(jié)論：

①如果組成熱電偶的兩個電極的材料相同，即使是兩結(jié)點的溫度不同也不會產(chǎn)生熱電勢。

②組成熱電偶的兩個電極的材料雖然不相同，但是兩結(jié)點的溫度相同也不會產(chǎn)生熱電勢。

③由不同電極材料A、B組成的熱電偶，當(dāng)冷端溫度T0恒定時，產(chǎn)生的熱電勢在一定的溫度范圍內(nèi)是熱端溫度T的單值函數(shù)。2/2/202312賽貝克效應(yīng)2/2/202313高溫貴金屬熱電偶、鎧裝熱電偶高溫貴金屬熱電偶高溫貴金屬熱電偶高溫貴金屬熱電偶2/2/202314高溫防腐熱電偶2/2/202315防爆熱電偶2/2/202316鎳鉻-銅鎳熱電偶

2/2/202317多點熱電偶（同時測量多點）2/2/2023184.1.2熱電偶的基本定律1.勻質(zhì)導(dǎo)體定律

由同一種勻質(zhì)（電子密度處處相同）導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路中，不論其截面積和長度如何，不論其各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢，這就是勻質(zhì)導(dǎo)體定律。

（1）熱電偶必須由兩種不同的勻質(zhì)材料制成，熱電勢的大小只與熱電極材料及兩個結(jié)點的溫度有關(guān)，而與熱電極的截面及溫度分布無關(guān)。

（2）此定律可用來檢驗熱電極材料是否為勻質(zhì)材料。2/2/2023192.中間導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中接入第三種金屬導(dǎo)體，如圖所示，只要該金屬導(dǎo)體C與金屬導(dǎo)體A、B的兩個結(jié)點處在同一溫度，則此導(dǎo)體對于回路總的熱電勢沒有影響，稱為中間導(dǎo)體定律。熱電偶回路接入中間導(dǎo)體C后的熱電勢為：2/2/202320所以因而中間導(dǎo)體定律得到證明。

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此定律具有特別重要的實用意義，因為用熱電偶測溫時必須接入儀表(第三種材料)，根據(jù)此定律，只要儀表兩接入點的溫度保持一致，儀表的接入就不會影響熱電勢。而且A、B結(jié)點的焊接方法也可以是任意的。

根據(jù)此定律，除可在熱電偶測溫回路中接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器外，也可以推廣到對液態(tài)金屬材料和固態(tài)金屬材料表面的溫度測量。2/2/202322

如圖所示，將熱電極A和B直接插入液態(tài)金屬或焊在固體金屬表面上。例如，用熱電偶連續(xù)測量鐵水的溫度就是這樣的。在連續(xù)測量過程中，熱電極不斷地被鐵水熔掉，而根據(jù)這個定律，就不需要先焊接了。

3.連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律

在熱電偶回路中，如果熱電極A與B分別連接導(dǎo)線a、b，其結(jié)點溫度分別為T、Tn和T0，如圖所示。2/2/202323

則回路的總熱電勢EABba(T,Tn,T0)等于熱電偶的熱電勢EAB(T,Tn)與連接導(dǎo)線的熱電勢Eab(Tn,T0)之和，這就是連接導(dǎo)體定律，可用下式表示：

2/2/202324

當(dāng)A和a，B和b的材料分別相同時，其各結(jié)點的溫度仍為T，Tn和T0時，總熱電勢由上式可得：

這就是中間溫度定律。它表明結(jié)點溫度為T和T0的熱電偶，其熱電勢等于結(jié)點溫度分別為T和Tn(中間溫度)，以及Tn和T0兩只同性質(zhì)熱電偶熱電勢的代數(shù)和。

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中間溫度定律也有重要的應(yīng)用。熱電偶的分度表均是以參比端T0=0℃為標(biāo)準(zhǔn)的，而熱電偶在實際使用時其參比端溫度不是0℃，一般是高于0℃的某個數(shù)值，如Tn=20℃，此時可根據(jù)相關(guān)公式來修正熱電勢，從而得到被測溫度。2/2/2023264.參考電極定律（標(biāo)準(zhǔn)電極定律）

如果兩種導(dǎo)體A、B分別與第三種導(dǎo)體C所組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢是已知的，則這兩種導(dǎo)體所組成的熱電偶的熱電勢也是已知的，且ABACCBTTTT0T0T0根據(jù)此定律，可以給出所有熱電偶材料與標(biāo)準(zhǔn)電極的熱電勢，方便熱電偶電極的選配。2/2/2023272/2/2023282/2/2023294.1.3熱電偶的材料、分類與結(jié)構(gòu)1、熱電偶材料

熱電偶的熱電極材料應(yīng)滿足以下要求：①物理、化學(xué)性能穩(wěn)定；②測溫范圍寬；③熱電性能好；④電阻溫度系數(shù)小；⑤熱容量?。虎抻辛己玫臋C(jī)械加工性能等。

完全滿足上述條件的材料很難找到，故一般只根據(jù)被測溫度的范圍，選擇適當(dāng)?shù)臒犭姌O材料。目前熱電極材料有金屬、非金屬和半導(dǎo)體幾大類。金屬中又有廉價金屬、貴金屬和難熔金屬等。常見的熱電偶材料有：康銅、Cu、Fe、W、NiCr、NiAl、Ni、Pt、PtRh、Ag等。2/2/2023302.熱電偶的分類

熱電偶分為標(biāo)準(zhǔn)化與非標(biāo)準(zhǔn)化兩大類。

（1）標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶

標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度關(guān)系及允許誤差，并有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶。

目前在國際上被公認(rèn)比較好的熱電偶的材料只有幾種。國際電工委員會(IEC)向世界各國推薦8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。我國已采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶，并按標(biāo)準(zhǔn)分度表生產(chǎn)與之相配的顯示儀表。2/2/202331

①PtRh10-Pt（鉑銠合金）熱電偶。這是一種貴金屬熱電偶，正極是由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的Pt和10%的Rh制成的合金絲，負(fù)極為純Pt絲?？捎糜谳^高的溫度，能長時間在0~1300℃中工作，短時間可測到1600℃。它的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，因此具有較好的復(fù)制性、精確性、穩(wěn)定性和可靠性，易于在氧化性和中性氣氛中使用。（在空氣中能被氧化的氣體都可稱“還原性氣體”，如：氫氣、一氧化碳，硫化氫,甲烷，一氧化硫。氣體還原性是相對的，如：一氧化碳，加氫氣可能被還原成碳和水，氫氣在鉀，鈉面前也不具還原性。以上“還原性氣體”只是在空氣中能被氧化的氣體。）2/2/202332

缺點是熱電勢小、熱電特性的非線性較大，不宜在還原性氣體、金屬蒸氣、金屬氧化物、氧化硅和氧化硫等氣氛中使用。否則會很快受到腐蝕而變質(zhì)。在上述氣氛中使用時，必須加保護(hù)套管。另外，它的價格貴，熱電偶金屬絲的直徑在0.5mm以下，機(jī)械強(qiáng)度低。②NiCr-NiSi(NiCr-NiAl)熱電偶

這是一種廉價的金屬熱電偶，工業(yè)上應(yīng)用最廣泛。2/2/202333

正極是NiCr合金，其成分為Ni(89%)，Cr(10%)，F(xiàn)e(1%)；負(fù)極是NiSi合金，其成分為Si(2.5~3)%，Cr(≤0.69%)，其余為Ni。因為熱電極中含有大量的Ni，故這種熱電偶在高溫下抗氧化能力及抗腐蝕能力都很強(qiáng)。另外熱電勢與溫度的線性關(guān)系好，熱電勢也較大，復(fù)制性好，價格低廉，可長時間在900℃使用，短時間可以用到1200℃，因此應(yīng)用廣泛。2/2/202334

NiCr-NiSi熱電偶的缺點是在還原性介質(zhì)、硫及硫化物介質(zhì)(SO2，H2S)氣氛中測量500℃以上溫度時容易被腐蝕，這種情況下必須另加保護(hù)套管。另外，其精度低于PtRh-Pt熱電偶。但由于它的熱電勢較大，故還是可以保證有足夠的精度，其誤差一般在6℃~8℃范圍內(nèi)。

由于NiCr-NiSi熱電偶有一系列優(yōu)點，尤其是性能穩(wěn)定、經(jīng)長期考驗可作為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶使用。因此，我國已正式?jīng)Q定選用NiCr-NiSi熱電偶作為三級標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。

2/2/202335

③銅-康銅熱電偶

它在低溫下使用較普遍。其正極為純Cu，負(fù)極為CuNi合金（Cu60%，Ni40%）。銅-康銅價格低廉，且在低溫下有較好的穩(wěn)定性，可測-200℃的低溫。是常用的低溫?zé)犭娕肌Ｄ壳霸?~100℃范圍內(nèi)，銅-康銅熱電偶被選定為三級標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，用來檢測低溫測量儀表。因為銅極易氧化，故一般測量上限≤300℃。

2/2/202336（2）非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶

①W-Mo熱電偶。正極為W，負(fù)極為Mo。具有較高的熔點，因此可測量高達(dá)2200℃的溫度。W、Mo化學(xué)穩(wěn)定性差，易被氧化，在還原介質(zhì)中高溫穩(wěn)定性也差，故只能在真空或中性介質(zhì)中工作；它在1200℃以上的一段溫區(qū)才出現(xiàn)熱電勢與溫度的線性對應(yīng)關(guān)系，故只能用于1300～2200℃的高溫測量。2/2/202337

②W-Re系(鎢錸）熱電偶。常用的是WRe5-WRe20熱電偶，正極為95%的W與5%的Re制成的合金；負(fù)極為80%的W、20%的Re制成的合金。W-Re合金熱電偶可在惰性、還原性氣體及真空中使用，最高溫度可達(dá)2600~3000℃，線性較好，熱電勢較大，價格低廉。2/2/202338

但這種熱電偶易氧化，不能在氧化氣體中使用。此外，這類合金的雜質(zhì)含量不穩(wěn)定，不同批的熱電偶絲熱電特性是有差別的，每一批應(yīng)單獨分類。

③Ir-Rh（銥銠）系熱電偶。最常用的是IrRh40-Ir熱電偶，其正極為60%的Ir、40%的Rh制成的合金，負(fù)極為純Ir。

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這類熱電偶可在氧化、真空或中性氣氛中使用。測量溫度可達(dá)2200℃。它的熱電勢雖然較小，但線性好。這類熱電偶的不足之處是不宜在還原性氣氛中使用；壽命較短，在空氣中2000℃使用時，壽命只有20小時。

2/2/202340常用熱電偶的熱電特性如圖所示2/2/2023413.熱電偶的結(jié)構(gòu)

（1）普通型熱電偶

普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成，如圖所示。主要用于測量氣體，蒸氣和液體等介質(zhì)的溫度。2/2/202342

（2）鎧裝熱電偶(鎧裝”就是在產(chǎn)品的最外面加裝一層金屬保護(hù)，以免內(nèi)部的效用層在運(yùn)輸和安裝時受到損壞)

鎧裝熱電偶是20世紀(jì)60年代興起的新型結(jié)構(gòu)熱電偶。它是把熱電偶絲、絕緣材料和金屬保護(hù)套管三者組成一個整體，并經(jīng)復(fù)合拉伸而成的組合熱電偶，如圖所示。其外徑可拉得很細(xì)，一般直徑為1mm~8mm，最小可達(dá)0.2mm，長度1m~20m。其特點是：動態(tài)響應(yīng)快，熱容量小，強(qiáng)度高，可撓性好，便于安裝。2/2/202343

（3）薄膜熱電偶

薄膜熱電偶的形狀可分片狀、針狀等形式，它是利用真空鍍膜、化學(xué)涂層和電泳等方法，將兩種熱電極材料直接蒸鍍（或沉積）于絕緣的基片上而制成，如圖所示是片狀薄膜熱電偶。其特點是熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快，可直接貼附于被測表面，測量方便而迅速。2/2/202344

（4）表面熱電偶

表面熱電偶是一種專門用來測量各種固體表面溫度的熱電偶。它可根據(jù)需要自行設(shè)計，加工和安裝使用。

（5）快速熱電偶

這種熱電偶又稱為消耗熱電偶，它是專為測量鋼水，鋁水，銅水及熔融合金的溫度而設(shè)計的，其主要特點是可以直接插入液態(tài)金屬中進(jìn)行測量。2/2/202345輻射熱電偶2/2/202346半導(dǎo)體熱電偶半導(dǎo)體材料具有較高的溫差電位差，可達(dá)500μV/℃將p和N兩種半導(dǎo)體材料用涂黑金箔連在一起，增加對輻射的吸收能力。在熱輻射作用下，由于熱端溫度升高，半導(dǎo)體材料的載流子密度增加，平均動能也增大，熱端載流子向冷端擴(kuò)散，使N型材料熱端帶正電，冷端帶負(fù)電，P型材料相反。2/2/202347熱電偶及測溫儀表2/2/202348鎧裝熱電偶2/2/2023494.1.4熱電偶測溫電路1.工業(yè)用熱電偶測溫電路

一般與動圈表或電子電位差計配套使用，測溫電路如圖所示。左圖為與動圈表配套使用的電路，熱電偶冷端溫度補(bǔ)償用的是補(bǔ)償電橋法，右圖為與自動電子電位差計配套使用的電路。圖中T0為熱電偶冷端處的溫度。+-2/2/2023502.實驗室用熱電偶測溫電路

在科學(xué)研究、計量檢定等場合，熱電偶冷端補(bǔ)償采用冰浴法，并與電位差計配套使用。通常的做法是用冰點槽將冷端恒定在0℃，然后用UJ系列電位差計測量熱電勢。2/2/2023513.熱電偶串、并聯(lián)線路如圖所示。圖為(a)正向串聯(lián)；圖為(b)反向串聯(lián)；圖為(c)并聯(lián)。2/2/2023522/2/202353熱電堆1、熱電堆結(jié)構(gòu)為減少熱電偶的響應(yīng)時間，提高靈敏度，常常把輻射接受面分為若干塊，每塊接上一個熱電偶，并把這些熱電偶串接起來，形成了熱電堆。2/2/2023544.2熱電阻傳感器

利用電阻隨溫度的變化而變化的物理現(xiàn)象制成的熱電式傳感器稱為熱電阻傳感器。和熱電偶相比：①同樣溫度下，輸出信號大，易于測量。0-100℃，K型熱電偶輸出4.095mV；Pt熱電阻電阻變化39.1Ω。②熱電阻輸出的是電阻增量，熱電偶輸出的是電動勢。③熱電偶輸出不需要外加電源，熱電阻輸出需要外加電源。④熱電阻感溫部分尺寸大，熱電偶感溫部分尺寸小。⑤同類材料熱電阻測溫上限小。2/2/202355

熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。1、熱電阻測溫原理及材料

熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。2、熱電阻的類型1）普通型熱電阻從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。2）鎧裝熱電阻鎧裝熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體，它的外徑一般為φ2--φ8mm，最小可達(dá)1mm。2/2/202356與普通型熱電阻相比，它有下列優(yōu)點：①體積小，內(nèi)部無空氣隙，熱慣性小，測量滯后??；②機(jī)械性能好、耐振，抗沖擊；③能彎曲，便于安裝④使用壽命長。3）端面熱電阻:感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計端面。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機(jī)件的端面溫度。4）隔爆型熱電阻:隔爆型熱電阻通過特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，把其外殼內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒內(nèi)，生產(chǎn)現(xiàn)場不會引超爆炸。隔爆型熱電阻可用于B1a--B3c級區(qū)內(nèi)具有爆炸危險場所的溫度測量。2/2/202357WZ裝配式熱電阻2/2/202358防爆熱電阻

2/2/2023594.2熱電阻傳感器4.2.1熱電阻的工作原理及材料結(jié)構(gòu)4.2.2熱電阻的結(jié)構(gòu)及測量電路2/2/2023604.2.1熱電阻的工作原理及材料結(jié)構(gòu)1.熱電阻工作原理

熱電阻就是利用物質(zhì)（一般為純金屬）的電阻隨溫度變化并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性，制成溫度傳感器來進(jìn)行測溫的。一般結(jié)構(gòu)如圖所示。將鉑絲繞在有鋸齒的云母骨架上，構(gòu)成感溫元件，用銀導(dǎo)線作為引出線與顯示儀表連接。2/2/202361

當(dāng)感溫元件上的熱電阻材料處于不同溫度時，感溫元件的電阻值隨溫度而變化，并呈一定的函數(shù)關(guān)系。將變化的電阻值作為信號輸入具有平衡或非平衡電橋回路的顯示儀表，即可測得被測溫度的值。2/2/202362

如圖所示為WZ系列熱電阻，是工業(yè)用熱電阻，作為溫度測量傳感器，通常和顯示儀表配套，直接測量各種生產(chǎn)過程中0~850oC范圍內(nèi)液體，蒸氣和氣體介質(zhì)以及固體表面等溫度。

特點：具有能彎曲，耐高壓，反應(yīng)時間快和堅固耐用等許多特點。常作為溫度測量和調(diào)節(jié)型的檢測元件。2/2/2023632.常用熱電阻材料

（1）對熱電阻材料的要求如下：

①具有較大的電阻率及較高的電阻溫度系數(shù)，以便有較高的靈敏度和測量精度；

②在使用范圍內(nèi)，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定；

③電阻與溫度關(guān)系特性好。電阻與溫度的函數(shù)呈單值函數(shù)（最好是呈線性關(guān)系）；對同一種材料來講，其復(fù)制性要好，以便批量生產(chǎn)。2/2/202364

（2）常用熱電阻材料

①Pt熱電阻。其物理與化學(xué)性能都非常穩(wěn)定，即使是在高溫和氧化介質(zhì)中也是如此。此外，Pt容易提純，保證它具有非常好的重現(xiàn)性能，并有高的測量精度。Pt還具有較大的電阻率（r=0.1W?mm2/m）和高的熔化溫度（1772℃），因此體積可做得較小，測溫范圍也比較寬。2/2/202365

由于Pt為貴金屬，在測量精度要求不高和測量范圍較小時，大多采用Cu電阻。②Cu熱電阻。Cu價格低廉，容易提純，在-50~150℃的溫度范圍內(nèi)化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，靈敏度高(溫度系數(shù)大)，輸出輸入特性接近線性，但其測量精度不如Pt熱電阻高，測量范圍也比Pt熱電阻小，但價格便宜。2/2/202366

其缺點是電阻率較Pt小，電阻絲細(xì)而長，機(jī)械強(qiáng)度較差。由于Cu熱電阻的體積較大，熱慣性也較大，且當(dāng)溫度高于100℃時易被氧化，因此Cu熱電阻適用于工作在溫度較低的介質(zhì)中，適用于測量精度要求不太高、測溫范圍比較小的場合。Cu熱電阻的標(biāo)稱值有R0=50W及R0=100W兩種。2/2/202367常用熱電阻的特性如圖所示。2/2/202368常用熱電阻材料特性如表所示。2/2/202369圖10.132/2/202370WZ系列熱電阻2/2/2023714.2.2熱電阻的結(jié)構(gòu)及測量電路1.熱電阻的結(jié)構(gòu)

熱電阻的結(jié)構(gòu)形式有如下幾種：

（1）普通型熱電阻

工業(yè)上使用最為廣泛的熱電阻是普通型熱電阻，其外形結(jié)構(gòu)與普通型熱電偶的外形結(jié)構(gòu)基本相同，參看圖10.6。僅從外形上是難以區(qū)分二者的，但兩者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻完全不同。2/2/202372

普通型熱電偶內(nèi)部的感溫元件是熱電極，而在熱電阻中代替它們的是熱電阻體，熱電阻體的有關(guān)構(gòu)成參看圖10.13。（2）鎧裝熱電阻

鎧裝熱電阻類似于鎧裝熱電偶，它是將感溫元件焊到預(yù)先拉制好的、與保護(hù)套及絕緣材料組成一體的導(dǎo)線上，然后在外邊焊上一小段短的保護(hù)管，在感溫元件及保護(hù)管之間充填氧化鎂絕緣材料，最后在端部焊上封頭而成。2/2/202373

它具有以下優(yōu)點：熱慣性小，響應(yīng)速度快；耐振、抗沖擊，堅固性好；壽命長。

（3）薄膜熱電阻

它是利用真空鍍膜、化學(xué)涂層、電泳等方法，將純金屬（如Cu）蒸鍍（或沉積）于絕緣的基片上而制成，其外形有棒狀和片狀。這類熱電阻的最大優(yōu)點是響應(yīng)速度非?？?。2/2/2023744.3熱敏電阻

原理：半導(dǎo)體材料吸收入射輻射，引起晶格振動加劇，器件溫度升高致使器件的電阻值發(fā)生變化。利用半導(dǎo)體的電阻值與溫度呈現(xiàn)一定函數(shù)關(guān)系的原理可以制成的溫度傳感器。

典型的熱敏電阻元件有圓形、桿形和珠形等，其結(jié)構(gòu)及溫度特性如圖所示。溫度特性圖中曲線上所標(biāo)的是其室溫下的電阻值。熱敏電阻的符號如圖所示。2/2/202375熱電阻與熱敏電阻的區(qū)別是：一般熱電阻都是指金屬熱電阻（PT100）等，熱敏電阻都是指半導(dǎo)體熱電阻由于半導(dǎo)體熱電阻溫度系數(shù)要比金屬大10～100倍以上，能檢測出10-6℃的溫度變化，而且電阻值可在0.1～100kΩ間任意選擇。所以稱為熱敏電阻，但是熱敏電阻阻值隨溫度變化的曲線呈非線性，而且每個相同型號的線性度也不一樣，并且測溫范圍比較小。所以工業(yè)上一般用金屬熱電阻~也就是我們平常所說的熱電阻，而熱敏電阻一般用在電路板里，比如可以類似于一個保險絲。由于其阻值隨溫度變化大，可以作為保護(hù)器使用。當(dāng)然這只是一方面，它的用途也很多，如熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償就是靠熱敏電阻來補(bǔ)償，另外，由于其阻值與溫度的關(guān)系非線性嚴(yán)重，所以元件的一致性很差，并不能像熱電阻一樣有標(biāo)準(zhǔn)信號。2/2/2023761.熱敏電阻的特點

①電阻溫度系數(shù)大，約為金屬電阻的10～100倍，靈敏度高；②結(jié)構(gòu)簡單，體積小，熱慣性小，可以用來測定點溫度及變化溫度。元件尺寸可做到直徑為0.2mm，能夠測出一般溫度計無法測量的空隙、腔體、內(nèi)孔、生物體血管等處的溫度；③使用壽命長；電阻率高，適宜作動態(tài)測量。④利用半導(dǎo)體摻雜技術(shù)，可以測量42～100K之間的溫度，是一種重要的低溫傳感器。⑤使用方便，電阻值可在0.1~100kW之間任意選擇。其不足之處是互換性差，離散性嚴(yán)重。2/2/202377熱敏電阻的特性

（1）近年來研制的玻璃封裝熱敏電阻具有較好的耐熱性、可靠性和頻響特性。如圖所示為玻璃封裝熱敏電阻的結(jié)構(gòu)示意圖。它適用于作高性能溫度傳感器的熱敏器件。當(dāng)溫度由125℃上升到300℃時，響應(yīng)時間由30s加快到6s，工作穩(wěn)定性由±5%改善為±(3~1)%。2/2/202378

（2）氧化物熱敏電阻的靈敏度都比較高，但只能在低于300℃時工作。用硼的鹵化物與氫還原研制的硼熱敏電阻，在700℃高溫時仍能滿足靈敏度、互換性、穩(wěn)定性的要求?？捎糜跍y量液體流速、壓力成分等。

（3）負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的特性曲線非線性嚴(yán)重。近期研制的CdO-Sb2O3-WO3和CdO-Sn2O3-WO3兩種熱敏電阻，在-100~300℃溫度范圍內(nèi)，特性曲線呈線性關(guān)系，解決了負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻存在的非線性問題。2/2/202379

（4）近年來發(fā)現(xiàn)四氰醌二甲烷有機(jī)半導(dǎo)體材料具有電阻率隨溫度迅速變化的特性，如圖所示。當(dāng)溫度自低溫上升至TH時，因電阻率迅速下降，使電阻值相應(yīng)減小，直至溫度等于或高于TH時，電阻值變?yōu)镽0。當(dāng)溫度自高溫下降至TH附近直至TH時，電阻率變化較小，電阻值變化不大。當(dāng)溫度繼續(xù)下降至TL時，由于電阻率迅速增加，電阻值達(dá)到Rp。2/2/202380利用上述特性可制成定時器，通過保持材料的溫度在TH與TL之間，即可使定時時間限制在R0至Rp的持續(xù)時間里。這種有機(jī)材料不僅可制成厚膜，還可以制成薄膜或壓成桿形。用它制成的電子定時元件，具有定時時間寬（從數(shù)秒~數(shù)十小時）、體積小、造價低的優(yōu)點。2/2/2023812.熱敏電阻的結(jié)構(gòu)形式

熱敏電阻是用一些金屬氧化物，按一定的比例混合進(jìn)行研磨，摻入一定的粘合劑成型，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。采用不同的封裝形式，熱敏電阻可制成珠狀、圓片形、片形、桿狀等各種形狀，如圖所示。作為感溫元件通常選用珠狀和圓片形。一些型號的熱敏電阻如圖所示。2/2/202382熱敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖2/2/202383熱敏電阻結(jié)構(gòu)2/2/202384不同材料熱敏電阻的溫度曲線2/2/2023853．熱敏電阻的主要特性

熱敏電阻主要有三種類型，即正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻及在某一特定溫度下電阻值會發(fā)生突變的臨界溫度熱敏電阻器(CTR)。

如圖所示，為幾種不同材料的熱敏電阻的溫度特性。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻應(yīng)用較為普遍。2/2/202386(1)溫度特性①正溫度系數(shù)（PTC）型熱敏電阻。正溫度系數(shù)（PTC）型熱敏電阻是由在BaTiO3和SrTiO3為主的成分中加入少量Y2O3(化學(xué)名稱是三氧化二釔,白色略帶黃色粉末。熔點:2415℃;相對密度:5.01;溶解性:不溶于水和堿,溶于礦物酸)。

和Mn2O3構(gòu)成的燒結(jié)體。其特性曲線是隨溫度升高而阻值增大，其色標(biāo)標(biāo)記為紅色。開關(guān)型正溫度系數(shù)熱敏電阻在居里點附近阻值發(fā)生突變，有斜率最大的區(qū)段;2/2/202387

通過成分配比和添加劑的改變，可使其斜率最大的區(qū)段處在不同的溫度范圍里，例如加入適量鉛其居里溫度升高；若將鉛換成鍶，其居里溫度下降。正溫度系數(shù)的熱敏電阻，其溫度系數(shù)從常溫到居里點以前是負(fù)值，一旦過了居里點，其電阻值就迅速增加，溫度系數(shù)變?yōu)檎?，直到達(dá)到最高電阻值之后，又開始平緩地變?yōu)樨?fù)溫度系數(shù)。2/2/202388因此，使處于低阻態(tài)的元件通過額定電流后，元件迅速升溫，而處于高阻態(tài)，可起到限流作用。利用它的限流特性已制成彩電自動消磁器、馬達(dá)啟動裝置以及現(xiàn)代汽車中的“軟”啟動裝置。目前已越來越多地應(yīng)用于日常生活中，如房間溫度調(diào)節(jié)器、熒光燈電子鎮(zhèn)流器、可恢復(fù)保險絲等。2/2/202389

②臨界型（CTR）熱敏電阻。如果用V、Ge、W、P等的氧化物在弱還原氣氛中形成半玻璃狀燒結(jié)體，可制成臨界型（CTR）熱敏電阻;它是負(fù)溫度系數(shù)型，但在某個溫度范圍里阻值急劇下降，曲線斜率在此區(qū)段特別陡峭，靈敏度極高，其色標(biāo)標(biāo)記為白色。此特性可用于自動控溫和報警電路中。2/2/202390

③負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻負(fù)溫度系數(shù)(NTC)型半導(dǎo)體熱敏電阻研究最早，生產(chǎn)最成熟，是應(yīng)用最廣泛的熱敏電阻之一;通常是一種氧化物的復(fù)合燒結(jié)體，特別適合于-100～300℃之間的溫度測量，其色標(biāo)標(biāo)記為綠色，其阻值與溫度的關(guān)系為2/2/202391

式中，RT是溫度為T時的阻值，單位為Ω；T為溫度，單位是K；A、B為取決于材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的常數(shù)，其中A的量綱為W，B的量綱為K。由上面的關(guān)系式不難得到下式式中，RT為任意溫度T時熱敏電阻的阻值，T為任意溫度，RT0為標(biāo)準(zhǔn)溫度T0時的阻值，B稱為負(fù)溫度材料系數(shù)，也稱為B常數(shù)。2/2/202392上式是經(jīng)驗公式。實驗表明，無論是用氧化物還是用單晶做成的熱敏電阻，在不太寬的溫度范圍內(nèi)(小于400℃)都能用上式描述。

這里應(yīng)該指出，B常數(shù)不是固定值，是溫度T的函數(shù)，即B=f(T)，如圖所示。不同廠家生產(chǎn)的熱敏電阻B值都不一樣，從上式可求出B常數(shù)為2/2/202393

如果被測溫度比較低，而且不需要很高的精度時，一般把B看成一個常數(shù)，求出溫度或熱敏電阻的阻值。這時計算溫度的公式為2/2/202394熱敏電阻的溫度系數(shù)為

例3已知某負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，在溫度為298K時阻值RT1=3144W；當(dāng)溫度為303K時阻值RT2=2772W。試求該熱敏電阻的材料常數(shù)B和298K時的電阻溫度系數(shù)a是多少?解按前式求得B=2275K，溫度系數(shù)為2/2/202395

(2)熱敏電阻的伏安特性熱敏電阻兩端電壓與通過熱敏電阻的電流之間的關(guān)系稱為熱敏電阻的伏安特性。當(dāng)通過熱敏電阻的電流很小時，遵循歐姆定律；當(dāng)電流增大時，熱敏電阻自身開始發(fā)熱，出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)（NTC型）。如圖所示。2/2/202396

(3)熱敏電阻的安時特性

流過熱敏電阻的電流與時間的關(guān)系，稱為安時特性，如圖所示。它表示熱敏電阻在不同電壓下，電流達(dá)到穩(wěn)定最大值所需要的時間。2/2/202397熱敏電阻2/2/202398四氰醌二甲烷特性2/2/202399熱敏電阻的結(jié)構(gòu)形式2/2/2023100熱敏電阻1高分子PTC熱敏電阻SMD熱敏電阻

2/2/2023101熱敏電阻2特點：

玻璃封裝、耐熱、小型化、穩(wěn)定性和可靠性高，適用于自動插件機(jī)安裝，性價比高、經(jīng)濟(jì)。應(yīng)用范圍：

電磁爐、電熱水器、電飯煲、電烤箱、消毒柜、飲水機(jī)、洗碗機(jī)等化工設(shè)備、食品加工設(shè)備中溫度測控，手機(jī)電池及充電器。MF58型熱敏電阻2/2/2023102熱敏電阻3MF55系列絕緣薄膜NTC熱敏電阻器CMF片式負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器

MF74超大功率型NTC熱敏電阻器2/2/2023103熱敏電阻4MF72功率型NTC熱敏電阻器MF73超大功率型NTC熱敏電阻器2/2/2023104熱敏電阻5MF11、MF12補(bǔ)償型NTC熱敏電阻器MF57型水箱溫度感應(yīng)塞專用NTC熱敏電阻器2/2/2023105熱敏電阻6MF51玻封高精密測溫型NTC熱敏電阻器MF52珠狀精密型NTC熱敏電阻器2/2/2023106圖10.152/2/2023107B常數(shù)2/2/2023108熱敏電阻與熱電偶的區(qū)別熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成,是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一.熱電偶測溫基本原理:將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個節(jié)點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢,因而在回路中形成一個溫差電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。

熱敏電阻則是用半導(dǎo)體材料制作的電阻，主要有兩種：一種是隨溫度上升而電阻下降,叫負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻,另一種是隨溫度上升電阻也上升,叫正溫度系數(shù)熱敏電阻。

2/2/2023109嚴(yán)格來說所有電阻對溫度都會有響應(yīng)，金屬電阻一般是正溫度系數(shù)，也就是說溫度越高電阻越高而熱敏電阻分正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)兩種，正的是隨溫度升高而升高，負(fù)的相反光敏電阻對光比較敏感，對溫度不是很敏感，但是也是隨溫度升高電阻減小一般來說照度增加電阻減小2/2/20231104.5熱電式傳感器應(yīng)用舉例

熱電式傳感器在實際中有很多應(yīng)用。

4.5.1測溫?zé)犭娕?/p>

4.5.2氣體成分分析

4.5.3熱敏電阻式過熱保護(hù)繼電器

4.5.4AD590溫度傳感器在遠(yuǎn)距離檢測中的應(yīng)用

4.5.5用熱敏電阻測量流量

4.5.6鎧裝鉑電阻液位測量傳感器

4.5.7其他測溫傳感器2/2/20231114.5.1測溫?zé)犭娕荚谑褂弥?，只需將熱電偶的冷端與集成溫度傳感器AD590置于同一環(huán)境中，不論環(huán)境溫度如何改變，均可在電路的輸出端得到正比于熱電偶工作端溫度的電壓值。

如圖所示是這種冷端溫度補(bǔ)償電路的原理圖，圖中，A1、A2、A3三個集成運(yùn)放構(gòu)成數(shù)據(jù)放大器，以放大熱電偶的熱電勢E；2/2/2023112

運(yùn)放A5是一同相比例運(yùn)算電路，它把AD590正比于環(huán)境溫度的電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘朥o2；運(yùn)放A4是一反相輸入求和電路，該電路對Uo1、Uo2求和，抵消隨環(huán)境溫度變化的成分，使輸出電壓Uo正比于熱電偶工作端的溫度。2/2/2023113圖4.12/2/20231144.5.2氣體成分分析

如圖所示為元素分析儀氣體成分分析原理圖。它主要由四個外殼用相同材料制成的分析室組成。氣體成分分析室結(jié)構(gòu)如圖所示。分析室Rk1和Rk2為參考室，室內(nèi)充入潔凈的空氣，另外兩個分析室Rx1和Rx2內(nèi)充入被分析的混合氣體，四個分析室組成橋路。2/2/2023115

工作時先將惰性氣體通入分析室，使電橋達(dá)到平衡，而后使被測混合氣體進(jìn)入分析室，電橋失去平衡，其不平衡輸出是混合氣體成分的函數(shù)。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與氣體成分的濃度有關(guān)。導(dǎo)熱系數(shù)不同，散熱情況不同，熱電阻溫度不同。對于相互不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的混合氣體，其導(dǎo)熱系數(shù)為各氣體導(dǎo)熱系數(shù)的平均值。2/2/2023116

設(shè)氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)為l1、氣體的百分?jǐn)?shù)含量為a，氮氣的導(dǎo)熱系數(shù)為l2，兩種混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)為l，則2/2/2023117

氫氣和氮氣的導(dǎo)熱系數(shù)已知，只要測出l，就可獲得氫氣的百分?jǐn)?shù)含量a，進(jìn)而獲得氮氣的百分?jǐn)?shù)含量(1-a)。大量實驗和理論計算表明，熱電阻阻值與氣體的導(dǎo)熱系數(shù)在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系。通過測量熱電阻阻值就可求得氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，也就間接求得氮、氫氣體的百分?jǐn)?shù)含量。2/2/2023118圖4.22/2/2023119氣體成分分析室結(jié)構(gòu)2/2/20231204.5.3熱敏電阻式過熱保護(hù)繼電器

如圖所示是一種應(yīng)用熱敏電阻組成的電機(jī)過熱保護(hù)線路。三只特性相同的RC6型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻Rs1、Rs2、Rs3(阻值20℃時為10kW；100℃時為1kW；110℃時為0.6kW)串聯(lián)在一起，固定在電機(jī)三線繞組附近。2/2/2023121

當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，溫度較低，熱敏電阻阻值較高，三極管不導(dǎo)通，繼電器J不吸合。當(dāng)電機(jī)過載或其中一相與地短路時，電機(jī)繞組溫度劇增，熱敏電阻阻值相應(yīng)減少，三極管導(dǎo)通，繼電器J吸合，電機(jī)電路被斷開，起到過熱保護(hù)作用。

2/2/2023122圖4.32/2/20231234.5.4AD590溫度傳感器在遠(yuǎn)距離檢測中的應(yīng)用

如圖所示電路可測量300m內(nèi)某點的溫度，由于使用了屏蔽的絞合電纜及在電纜兩端串、并了電阻R=1kW和電容C=0.33mF;實驗結(jié)果證明，輸出噪音峰-峰值只有10mV，能夠有效的消除噪音和干擾。

圖中令A(yù)D590的輸出電流流過1kW電阻，產(chǎn)生電壓1mV/K，并將其接AD524儀表放大器的同相輸入端，2/2/2023124AD580作基準(zhǔn)電壓輸出2.5V，用電阻分壓到273.2mV，接儀表放大器的反相輸入端;因為AD590直接測量絕對溫度（標(biāo)稱輸出為1mA/K），為了以攝氏度讀出，其輸出必須以273.2mA偏置，與AD580輸出的電阻分壓值疊加后，AD524將差值放大100倍，其輸出量程-0.55V~+10V(100mV/℃)直接對應(yīng)-5.5～+100℃。2/2/2023125圖4.42/2/20231264.5.5用熱敏電阻測量流量

應(yīng)用熱敏電阻測量管道流量的工作原理如圖所示，Rt1、Rt2為熱敏電阻，Rt1放入被測流量管道中，Rt2放入不受流體流速影響的容器內(nèi)，R1、R2為一般電阻，四個電阻組成橋路。當(dāng)流體靜止時，電橋處于平衡狀態(tài)，電流計沒有指示。當(dāng)流體流動時，Rt1上的熱量被帶走。Rt1因溫度變化引起阻值變化，電橋失去平衡，電流計出現(xiàn)指示，其值與流速成正比。2/2/2023127用熱敏電阻測量流量2/2/20231284.5.6鎧裝鉑電阻液位測量傳感器

傳感器由2只標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計Pt100和Pt10組成，2只溫度計的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)完全相同，如圖所示。2/2/2023129

由R1、R2和Pt100、Pt10組成一測量電橋，Uab為電橋輸出電壓(mV)。當(dāng)工作電流很小時，Pt100和Pt10的溫度相同(此時Pt100與Pt10的溫升可以忽略)，輸出電壓Uab為0。當(dāng)傳感器用于探測液面位置時，適當(dāng)增大工作電流，2只鉑電阻溫度計都將發(fā)熱升溫，其溫度都將高于周圍介質(zhì)溫度。2/2/20231304.5.6鎧裝鉑電阻液位測量傳感器

雖然通過Pt100和Pt10的工作電流相同，但由于其阻值相差約10倍，發(fā)熱功率相差也約為10倍，因而Pt100與Pt10的溫升不同，導(dǎo)致其電阻值的增長幅度不同，從而電橋上的輸出電壓不為0。傳感器浸沒于水中的散熱系數(shù)遠(yuǎn)大于其裸露在蒸汽中的散熱系數(shù)。當(dāng)鉑電阻溫度計Pt100、Pt10完全浸沒于水中時，如圖(a)所示，2/2/2023