傳感器應用技術(shù)溫敏傳感器優(yōu)秀課件

傳感器應用技術(shù)溫敏傳感器第1頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三傳感器技術(shù)

SensorTechnology梁長垠教授ProfessorLiang第2頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三溫敏傳感器及應用技術(shù)教學目的：1、了解溫敏傳感器的作用、分類和發(fā)展趨勢；2、了解集成溫度傳感器使用方法；3、熟悉常用溫敏傳感器的特點及應用范圍；4、掌握常用溫敏傳感器的工作原理及使用方法；5、學會正確選用溫敏傳感器的方法。第3頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三第二章溫敏傳感器及應用技術(shù)第一節(jié)溫敏傳感器的定義、分類與特點—溫度與溫標—定義、分類與特點第二節(jié)常用溫敏傳感器工作原理—電阻式溫敏傳感器—熱電阻—熱敏電阻—熱電偶傳感器第三節(jié)溫敏傳感器應用電路分析與訓練—0~100℃溫度測量電路設(shè)計

—電腦機箱溫度控制電路設(shè)計—集成溫度傳感器應用電路分析第4頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三一、溫度與溫標1）溫度溫度（temperature）是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度。兩個不同溫度相接觸的物體將會產(chǎn)生熱交換。2）溫標用來量度物體溫度數(shù)值的標尺叫溫標。它規(guī)定了溫度讀數(shù)起點（零點）和測量溫度的基本單位。目前國際上用得較多的溫標有：

華氏溫標(°F)、攝氏溫標（°C）、熱力學溫標(K)、國際實用溫標第一節(jié)溫敏傳感器的定義、

分類與特點第5頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三（1）攝氏溫標把在標準大氣壓下冰的熔點定為零度（°C），把水的沸點定為100

度，兩個溫度點劃分100份，每份為1攝氏度。符號為t，單位為°C

。（2）華氏溫標把在標準大氣壓下冰的熔點定為32F，水的沸點定為212F，兩溫度點劃分180份，每份為1華氏度。符號為θ。它與華氏度的關(guān)系為

第6頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三（3）熱力學溫標

在國際單位制中,以熱力學溫標為基本溫標，它定義的溫度為熱力學溫度T，單位為開爾文，符號為K。熱力學溫標以水的三相點平衡共存時的溫度為基本定點，并規(guī)定其溫度為273.15K。攝氏溫標與熱力學溫標溫度之間的關(guān)系如下：

例如，100°C時的熱力學溫度T=（100+273.15）K

三相點是指在熱力學里，可使一種物質(zhì)三相（氣相，液相，固相）共存的一個溫度和壓力的數(shù)值。舉例來說，水的三相點在0.01℃（273.15K）及611.73Pa出現(xiàn)t=T-273.15

℃第7頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三（4）國際實用溫標

為解決國際上溫度標準的統(tǒng)一及實用問題，國際上協(xié)商決定，建立一種既能體現(xiàn)熱力學溫度（即能保證一定的準確度），又使用方便、容易實現(xiàn)的溫標，即國際實用溫標InternationalPracticalTemperatureScaleof1968(簡稱IPTS-68)，又稱國際溫標。

1968年國際實用溫標規(guī)定熱力學溫度是基本溫度，用t表示，其單位是開爾文，符號為K。1K定義為水三相點熱力學溫度的1/273.16，水的三相點是指純水在固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)三項平衡時的溫度，熱力學溫標規(guī)定三相點溫度為273.16K，這是建立溫標的惟一基準點。注意：攝氏溫度的分度值與開氏溫度分度值相同，即溫度間隔1K=1℃。T0是在標準大氣壓下冰的融化溫度，T0=273.15K。水的三相點溫度比冰點高出0.01K。第8頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三1.定義溫敏傳感器是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。利用敏感元件電磁參數(shù)隨溫度變化而變化的特征達到測量目的。2.溫敏傳感器的物理原理二、溫敏傳感器定義、分類與特點

隨物體的熱膨脹相對變化而引起的體積變化；蒸氣壓的溫度變化；電極的溫度變化熱電偶產(chǎn)生的電動勢；光電效應熱電效應介電常數(shù)、導磁率的溫度變化；物質(zhì)的變色、融解；強性振動溫度變化；熱放射；熱噪聲。第9頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三3）溫度傳感器應滿足的條件特性與溫度之間的關(guān)系要適中，并容易檢測和處理，且隨溫度呈線性變化；除溫度以外，特性對其它物理量的靈敏度要低；特性隨時間變化要小；重復性好，沒有滯后和老化；靈敏度高，堅固耐用，體積小，對檢測對象的影響

要?。粰C械性能好，耐化學腐蝕，耐熱性能好；能大批量生產(chǎn)，價格便宜；無危險性，無公害等。第10頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三4)溫度傳感器的種類及特點

接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器接觸式溫度傳感器的特點：傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。非接觸式溫度傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點是：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗；反應快等。第11頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三物理現(xiàn)象

體積熱膨脹

電阻變化溫差電現(xiàn)象導磁率變化電容變化壓電效應超聲波傳播速度變化物質(zhì)顏色P–N結(jié)電動勢晶體管特性變化可控硅動作特性變化熱、光輻射種類鉑測溫電阻、熱敏電阻熱電偶BaSrTiO3陶瓷石英晶體振動器超聲波溫度計示溫涂料液晶半導體二極管晶體管半導體集成電路溫度傳感器可控硅輻射溫度傳感器光學高溫計1.氣體溫度計2.玻璃制水銀溫度計3.玻璃制有機液體溫度計4.雙金屬溫度計5.液體壓力溫度計6.氣體壓力溫度計1．

熱鐵氧體2．

Fe-Ni-Cu合金第12頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三2.4溫度傳感器的特點(1)熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、感溫鐵氧體、石英晶體振動器、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導體集成電路傳感器、可控硅分類特征傳感器名稱超高溫用傳感器1500℃以上光學高溫計、輻射傳感器高溫用傳感器1000～1500℃光學高溫計、輻射傳感器、熱電偶中高溫用傳感器500～1000℃光學高溫計、輻射傳感器、熱電偶中溫用傳感器0～500℃低溫用傳感器-250～0℃極低溫用傳感器-270～-250℃BaSrTiO3陶瓷晶體管、熱敏電阻、壓力式玻璃溫度計見表下內(nèi)容

測溫范圍第13頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三溫度傳感器分類(2)分類特征傳感器名稱測溫范圍寬、輸出小測溫電阻器、晶體管、熱電偶半導體集成電路傳感器、可控硅、石英晶體振動器、壓力式溫度計、玻璃制溫度計線性型測溫范圍窄、輸出大熱敏電阻指數(shù)型函數(shù)開關(guān)型特性特定溫度、輸出大感溫鐵氧體、雙金屬溫度計

測溫特性第14頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三溫度傳感器特性(3)分類特征傳感器名稱測定精度±0.1～±0.5℃鉑測溫電阻、石英晶體振動器、玻璃制溫度計、氣體溫度計、光學高溫計溫度標準用測定精度±0.5～±5℃熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導體集成電路傳感器、可控硅絕對值測定用管理溫度測定用相對值±1～±5℃

測定精度第15頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三（－）接觸式溫度傳感器1．常用熱電阻范圍：-260～＋850℃；精度：0.001℃。改進后可連續(xù)工作2000h，失效率小于1％，使用期為10年。2．管纜熱電阻測溫范圍為-20～＋500℃，最高上限為1000℃，精度為0.5級。3．陶瓷熱電阻測量范圍為–200～+500℃，精度為0.3、0.15級。4．超低溫熱電阻兩種碳電阻，可分別測量–268.8～253℃-272.9～272.99℃的溫度。5．熱敏電阻器適于在高靈敏度的微小溫度測量場合使用。經(jīng)濟性好、價格便宜。第16頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三（二）非接觸式溫度傳感器l．輻射高溫計用來測量1000℃以上高溫。分四種：光學高溫計、比色高溫計、輻射高溫計和光電高溫計。2．光譜高溫計前蘇聯(lián)研制的YCI—I型自動測溫通用光譜高溫計,其測量范圍為400～6000℃,它是采用電子化自動跟蹤系統(tǒng),保證有足夠準確的精度進行自動測量。

3．超聲波溫度傳感器特點是響應快(約為10ms左右)，方向性強。目前國外有可測到5000℉的產(chǎn)品。4．激光溫度傳感器適用于遠程和特殊環(huán)境下的溫度測量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射計可測很高的溫度，精度為1％。美國麻省理工學院正在研制一種激光溫度計，最高溫度可達8000℃，專門用于核聚變研究。瑞士BrowaBorer研究中心用激光溫度傳感器可測幾千開(K)的高溫。第17頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三

此外，還有微波測溫溫度傳感器、噪聲測溫溫度傳感器、溫度圖測溫溫度傳感器、熱流計、射流測溫計、核磁共振測溫計、穆斯保爾效應測溫計、約瑟夫遜效應測溫計、低溫超導轉(zhuǎn)換測溫計、光纖溫度傳感器等。這些溫度傳感器有的已獲得應用，有的尚在研制中。第18頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三4、溫度傳感器的發(fā)展概況公元1600年，伽里略研制出氣體溫度計。一百年后，研制成酒精溫度計和水銀溫度計。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展的需要，相繼研制出金屬絲電阻、溫差電動式元件、雙金屬式溫度傳感器。1950年以后，相繼研制成半導體熱敏電阻器。最近，隨著原材料、加工技術(shù)的飛速發(fā)展、又陸續(xù)研制出各種類型的溫度傳感器。接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器第19頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三電阻式溫度傳感器

1.定義利用導體或半導體的電阻隨溫度變化而變化的性質(zhì)而工作的，用儀表測量出熱電阻的阻值變化，從而得到與電阻值對應的溫度值。2.分類

金屬熱電阻傳感器—稱熱電阻半導體熱電阻傳感—稱熱敏電阻第二節(jié)常用溫敏傳感器工作原理第20頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三二.電阻式溫度傳感器工作原理

(一)熱電阻

1.熱電阻測溫原理熱電阻主要是利用電阻隨溫度升高而增大的特性來測量溫度的。溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導體時的阻力增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，總電阻值增加。熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系為：

Rt=Ro(1+At+Bt2+Ct3+Dt4)式中：R0為熱電阻在0℃時的電阻值A(chǔ)、B、C、D為溫度系數(shù)作為測溫熱電阻的金屬材料應具有如下特性：電阻溫度系數(shù)大，電阻率要大，熱容量小，在整個測溫范圍內(nèi)應具有穩(wěn)定的物理和化學性質(zhì)，電阻與溫度的關(guān)系最好近似于線性

第21頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三2.常用熱電阻種類(1)鉑電阻(WZP型號）

目前中國常用的鉑電阻有兩種，分度號Ptl00和Ptl0，最常用的是Ptl00，R(0℃)=100.00Ω，純度為R（100℃）/R（0℃）=1.3851

常用測溫范圍-200℃～850℃鉑電阻結(jié)構(gòu)如圖所示。銀引出線鉑絲云母骨架銀綁帶保護套管石英骨架常用熱電阻有

鉑電阻銅電阻第22頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三常用熱電阻（PT100）分度表

第23頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三（2）銅電阻（WZC型號）

目前我國工業(yè)上用的銅電阻分度號為Cu50和Cul00.純度為R（100℃）/R（0℃）=1.428±0.002

。常用測溫范圍-50℃～150℃銅熱電阻絲線圈骨架補償組銅引出線第24頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三3.熱電阻測溫原理分析為了準確地測出電阻的大小以反映溫度的高低，常采用電橋來測量Rt阻值的變化，并轉(zhuǎn)化為電壓輸出△U。

當<<時，ΔU與ΔRt之間呈現(xiàn)較好的正比關(guān)系。根據(jù)ΔU可以知道Rt的變化，從而測得溫度。第25頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三工業(yè)上常采用三線制接法。第26頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三（6）熱電偶和熱電阻的區(qū)別

原理與特點不同：熱電偶的測溫原理是基于熱電效應;熱電阻的測溫原理是基于導體或半導體的電阻值隨著溫度的變化而變化的特性。信號性質(zhì)不同：熱電阻產(chǎn)生的是阻值變化；熱電偶是產(chǎn)生感應電壓的變化。檢測的溫度范圍不一樣：熱電阻是低溫檢測；熱電偶是高溫檢測。材料不同：熱電阻是一種金屬材料；熱電偶是雙金屬材料。工作中的現(xiàn)場判斷不同：熱電阻用萬用表判斷短路和斷路即可；熱電偶有正負極、補償導線也有正負之分。第27頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三(二)熱敏電阻熱敏電阻是利用某種半導體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的,是半導體測溫元件。

1.分類與特性

熱敏電阻的種類很多，按阻值與溫度關(guān)系特性可分為：

(1)正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）電阻值隨溫度升高而增大的電阻器，簡稱PTC熱敏阻器。它的主要材料是摻雜的BaTiO3半導體陶瓷。

(2)負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）電阻值隨溫度升高而下降的熱敏電阻器簡稱NTC熱敏電阻器。它的材料主要是一些過渡金屬氧化物半導體陶瓷。

(3)突變型負溫度系數(shù)熱敏電阻器（CTR)

該類電阻器的電阻值在某特定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而降低3～4個數(shù)量級，即具有很大負溫度系數(shù)。其主要材料是VO2并添加一些金屬氧化物。二.電阻式溫度傳感器工作原理

第28頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三1234鉑絲40601201600100101102103104105106RT/Ω溫度T/oC熱敏電阻的特性熱敏電阻的電阻--溫度特性曲線1、NTC；2、CTR；3-4、PTC第29頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三熱敏電阻材料的分類（1）分類小分類代表例子NTC單晶金剛石、Ge、Si金剛石熱敏電阻多晶遷移金屬氧化物復合燒結(jié)體

、無缺陷形金屬氧化燒結(jié)體多結(jié)晶單體

、固溶體形多結(jié)晶氧化物SiC系Mn、Co、Ni、Cu、Al氧化物燒結(jié)體、ZrY氧化物燒結(jié)體、還原性TiO3、Ge、SiBa、Co、Ni氧化物濺射SiC薄膜玻璃Ge、Fe、V等氧化物硫硒碲化合物玻璃V、P、Ba氧化物、Fe、Ba、Cu氧化物、Ge、Na、K氧化物、（As2Se3）0.8、（Sb2SeI）0.2有機物芳香族化合物聚酰亞釉表面活性添加劑液體電解質(zhì)溶液熔融硫硒碲化合物水玻璃As、Se、Ge系第30頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三熱敏電阻材料的分類（2）PTC無機物BaTiO3系Zn、Ti、Ni氧化物系Si系、硫硒碲化合物（Ba、Sr、Pb）TiO3燒結(jié)體有機物石墨系有機物石墨、塑料石臘、聚乙烯、石墨液體三乙烯醇混合物三乙烯醇、水、NaClCTR

V、Ti氧化物系、Ag2S、（AgCu）、（ZnCdHg）BaTiO3單晶V、P、（Ba·Sr）氧化物Ag2S–CuS分類小分類代表例子第31頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三外形與電路符號第32頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三

2、熱敏電阻的基本參數(shù)(1)標稱電阻R25（冷阻）標稱電阻值是熱敏電阻在25±0.2℃時的阻值。(2)電阻溫度系數(shù)（%/℃）熱敏電阻的溫度變化1℃時電阻值的變化率。(3)最高工作溫度Tmax熱敏電阻器在規(guī)定技術(shù)條件下長期連續(xù)工作所允許最高溫度：T0—環(huán)境溫度；PE—環(huán)境溫度為T0時的額定功率；H—耗散系數(shù)

(4)最低工作溫度Tmin熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下能長期連續(xù)工作的最低溫度。

(5)轉(zhuǎn)變點溫度Tc熱敏電阻器的電阻一溫度特性曲線上的拐點溫度，主要指正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻和臨界溫度熱敏電阻。第33頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三(6)額定功率PE熱敏電阻器在規(guī)定的條件下，長期連續(xù)負荷工作所允許的消耗功率。在此功率下,它自身溫度不應超過Tmax。(7)測量功率P0熱敏電阻器在規(guī)定的環(huán)境溫度下,受到測量電流加熱而引起的電阻值變化不超過0.1％時所消耗的功率(8)工作點電阻RG在規(guī)定的溫度和正常氣候條件下，施加一定的功率后使電阻器自熱而達到某一給定的電阻值。(9)熱電阻值RH指旁熱式熱敏電阻器在加熱器上通過給定的工作電流時,電阻器達到熱平衡狀態(tài)時的電阻值。第34頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)常用溫敏傳感器工作原理二、熱電偶溫度傳感器

溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬、準確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號便于遠傳或信號轉(zhuǎn)換等優(yōu)點外，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度?！餆犭娕嫉姆诸悺餆犭娕嫉耐庑?、材料與結(jié)構(gòu)★熱電偶的工作原理★冷端處理及補償★熱電偶的選擇、安裝使用和校驗第35頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三1、熱電偶的分類熱電偶的種類標準熱電偶非標準化熱電偶

經(jīng)國際電工委員會(IEC)認證的性能較好的熱電偶為標準熱電偶否則為非標準熱電偶第36頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三1）標準熱電偶

目前，經(jīng)國際電工委員會(IEC)認證的性能較好的標準熱電偶有8種，分別是：名稱分度號名稱分度號鉑銠30--鉑銠6B鎳鉻硅--鎳硅N鉑銠13--鉑R鎳鉻--銅鎳(康銅)E鉑銠10--鉑S鐵--銅鎳(康銅)J鎳鉻--鎳硅K銅--銅鎳(康銅)T第37頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三2）非標準化熱電偶

末經(jīng)國際電工委員會(IEC)認證的熱電偶為非標準熱電偶包括：鉑銠系、銥銠系、鎢錸系及金鐵熱電偶、雙鉑鉬等熱電偶

2、熱電偶的外形、材料與結(jié)構(gòu)熱電偶溫度傳器通過連接導線與顯示儀表相連接組成測溫系統(tǒng)。

1）熱電偶的外形第38頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三

2）熱電偶的材料與結(jié)構(gòu)熱電偶材料應滿足：物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時間改變；化學性能穩(wěn)定，以保證在不同介質(zhì)中測量時不被腐蝕；熱電勢高，導電率高，且電阻溫度系數(shù)小；便于制造；復現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)。第39頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三

（1）鉑—鉑銠熱電偶(S型)

分度號LB—3工業(yè)用熱電偶絲：Φ0.5mm，實驗室用可更細些。正極：鉑銠合金絲,用90％鉑和10％銠(重量比)冶煉而成。負極：鉑絲。測量溫度：長期：1300℃、短期：1600℃。特點：材料性能穩(wěn)定，測量準確度較高；可做成標準熱電偶或基準熱電偶。用途：實驗室或校驗其它熱電偶。測量溫度較高，一般用來測量1000℃以上高溫。在高溫還原性氣體中（如氣體中含Co、H2等）易被侵蝕，需要用保護套管。材料屬貴金屬，成本較高。熱電勢較弱。第40頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三

（2）鎳鉻—鎳硅(鎳鋁)熱電偶(K型)分度號EU—2工業(yè)用熱電偶絲：Φ1.2~2.5mm，實驗室用可細些。正極：鎳鉻合金(用88.4～89.7％鎳、9～10％鉻，0.6％硅，0.3％錳，0.4～0.7％鈷冶煉而成)。負極：鎳硅合金(用95.7～97％鎳,2～3％硅,0.4～0.7％鈷冶煉而成)。測量溫度：長期1000℃，短期1300℃。特點：價格比較便宜，在工業(yè)上廣泛應用。高溫下抗氧化能力強，在還原性氣體和含有SO2，

H2S等氣體中易被侵蝕。復現(xiàn)性好，熱電勢大，但精度不如WRLB。第41頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三（3）鎳鉻—考銅熱電偶(E型)

分度號為EA—2工業(yè)用熱電偶絲:Ф1.2～2mm，實驗室用可更細些。正極：鎳鉻合金負極：考銅合金（用56％銅，44％鎳冶煉而成）。測量溫度：長期600℃，短期800℃。特點：價格比較便宜，工業(yè)上廣泛應用。在常用熱電偶中它產(chǎn)生的熱電勢最大。氣體硫化物對熱電偶有腐蝕作用?？笺~易氧化變質(zhì)，適于在還原性或中性介質(zhì)中使用。第42頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三（4）鉑銠30—鉑銠6熱電偶(B型)

分度號為LL—2正極：鉑銠合金（用70％鉑，30％銠冶煉而成）。負極：鉑銠合金（用94％鉑，6％銠冶煉而成）。測量溫度：長期可到1600℃，短期可達1800℃。特點：材料性能穩(wěn)定，測量精度高。還原性氣體中易被侵蝕。低溫熱電勢極小，冷端溫度在50℃以下可不加補償。成本高。第43頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三（5）鐵—康銅熱電偶，分度號TK

靈敏度高，約為53μV/℃，線性度好，價格便宜，可在800℃以下的還原介質(zhì)中使用。主要缺點是鐵極易氧化，采用發(fā)藍處理后可提高抗銹蝕能力。（6）銅—康銅熱電偶，分度號MK

熱電偶的熱電勢略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43μV/℃。復現(xiàn)性好，穩(wěn)定性好，精度高，價格便宜。缺點是銅易氧化，廣泛用于20K～473K的低溫實驗室測量中。第44頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三幾種持殊用途的熱電偶（1）銥和銥合金熱電偶如銥50銠—銥10釕熱電偶它能在氧化氣氛中測量高達2100℃的高溫。（2）鎢錸熱電偶是60年代發(fā)展起來的，是目前一種較好的高溫熱電偶，可使用在真空惰性氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中，但高溫抗氧能力差。國產(chǎn)鎢錸-鎢錸20熱電偶使用溫度范圍300～2000℃分度精度為1％。（3）金鐵—鎳鉻熱電偶主要用在低溫測量，可在2～273K范圍內(nèi)使用，靈敏度約為10μV／℃。（4）鈀—鉑銥15熱電偶是一種高輸出性能的熱電偶，在1398℃時的熱電勢為47.255mV，比鉑—鉑銠10熱電偶在同樣溫度下的熱電勢高出3倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應用于航空工業(yè)。第45頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三常用熱電偶的結(jié)構(gòu)類型（1）工業(yè)用熱電偶

下圖為典型工業(yè)用熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖。它由熱電偶絲、絕緣套管、保護套管以及接線盒等部分組成。實驗室用時，也可不裝保護套管，以減小熱慣性。熱電極其絕緣套管接線座線座右銘接線柱測量端絕緣套管熱電極保護管接線盒由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒等主要部分組成。第46頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三

（2）鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶）

斷面如圖所示。它是由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為四種型式如圖。優(yōu)點是小型化（直徑從12mm到0.25mm）、壽命、熱慣性小，使用方便。

測溫范圍在1100℃以下的有：鎳鉻—鎳硅、鎳鉻—考銅鎧裝式熱電偶。

圖3.2-12鎧裝式熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意圖

1—

金屬套管;2—絕緣材料;3—熱電極

(a)—碰底型;(b)—不碰底型;(c)—露頭型;(d)—帽型第47頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三

3、熱電偶的工作原理

熱電偶溫度傳器是利用導體的“熱電效應”制作的儀器，其敏感元件是熱電偶。

兩種不同的導體或半導體A和B組合成如圖所示閉合回路，若導體A和B的連接處溫度不同（設(shè)T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應。這種現(xiàn)象早在1821年首先由塞貝克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱塞貝克效應。熱電偶原理圖TT0AB回路中所產(chǎn)生的電動勢，叫熱電勢。熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。

熱電偶由兩根不同的導體或半導體一端焊接或絞接而成。IT＞T0第48頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三TABT0T0冷端熱電極熱端第49頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三1）接觸電勢接觸電勢原理圖+ABTeAB(T)-eAB(T)——導體A、B結(jié)點在溫度T時形成的接觸電動勢；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；

k——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——導體A、B在溫度為T時的電子密度。接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關(guān),。

溫度越高，接觸電勢越大；兩種導體電子密度的比值越大，接觸電勢也越大。第50頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三2）溫差電勢eA(T，T0)——導體A兩端溫度為T、T0時形成的溫差電動勢；T，T0——高低端的絕對溫度；σA——湯姆遜系數(shù)，表示導體A兩端的溫度差為1℃時所產(chǎn)生的溫差電動勢，例如在0℃時，銅的σ=2μV/℃。溫差電勢原理圖AToTeA(T,To)第51頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三3）回路總電勢由導體材料A、B組成的閉合回路，其接點溫度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，回路總電勢：NAT、NAT0——導體A在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度；NBT、NBT0——導體B在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度；σA

、σB——導體A和B的湯姆遜系數(shù)。eAB(T)TeAB(T0)T0eA(T,T0)ABeB(T,T0)第52頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三在工程應用中，常用實驗的方法得出溫度與熱電勢的關(guān)系并做成表格，以供備查。由公式可得：EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T)-EAB(0)-[EAB(T)-EAB(T0)]=EAB(T，0)-EAB(T0，0)

熱電偶的熱電勢，等于兩端溫度分別為T和零度以及T0和零度的熱電勢之差。第53頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三

4）熱電偶回路的性質(zhì)（1)均質(zhì)導體定律由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路，不論其導體是否存在溫度梯度，回路中沒有電流(即不產(chǎn)生電動勢)；反之，如果有電流流動，此材料則一定是非均質(zhì)的，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。（2)中間導體定律一個由幾種不同導體材料連接成的閉合回路，只要它們彼此連接的接點溫度相同，則此回路各接點產(chǎn)生的熱電勢的代數(shù)和為零,如圖由A、B、C三種材料組成的閉合回路，則

E總=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0TABCTT結(jié)論：可以在回路中接入電氣測量儀表，而且也允許采用任意的方法來焊接熱電偶第54頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三（3)中間溫度定律(制定分度表的理論依據(jù))

熱電偶回路兩接點(溫度為T、T0)間熱電勢，等于熱電偶在溫度為T、Tn時的熱電勢與在溫度為Tn、T0時的熱電勢的代數(shù)和。即：EAB(T，T0)=EAB(T，Tn)+EAB(Tn，T0)

熱電偶分度表按冷端溫度為0C時分度，若冷端溫度不為0℃，則可視實際冷端溫度T0為中間溫度Tn，則滿足：EAB(T，0)=EAB(T，T0)+EAB(T0，0)

已知由分度表可查第55頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三結(jié)論：熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細無關(guān)。(同材同溫總電勢為0)只有用不同性質(zhì)的導體(或半導體)才能組合成熱電偶；相同材料不會產(chǎn)生熱電勢，因為當A、B兩種導體是同一種材料時，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。只有當熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導體材料不同時才能有熱電勢產(chǎn)生。導體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使EAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢EAB(T，T0)就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的原理。實際應用中，只用顯示儀表測得E，即可知熱端溫度T。第56頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三實際測量中：保持冷端溫度T0不變，對于確定材料的熱電偶，E-T之間呈單值關(guān)系，可以用精密實驗法測得，測得E，即可知道熱端溫度T。熱電偶的熱電勢與溫度對應關(guān)系通常使用熱電偶分度表來查詢，分度表的編制是在冷端溫度為0oC時進行的，根據(jù)不同的熱電偶類型，分別制成表格形式。利用分度表可以查出E(T,0)，即冷端溫度為0oC時，熱端溫度為T時回路熱電勢。第57頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三第58頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三第59頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三

4、熱電偶的冷端處理與溫度補償原因：熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0℃為依據(jù)，否則會產(chǎn)生誤差。方法：冰點槽法計算修正法補正系數(shù)法零點遷移法冷端補償器法軟件處理法第60頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三1）冰點槽法把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于科學實驗中使用。為了避免冰水導電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。mVABA’B’TCC’儀表銅導線試管補償導線熱電偶冰點槽冰水溶液T0第61頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三2）計算修正法用普通室溫計算出參比端實際溫度TH，利用公式計算例用銅-康銅熱電偶測某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測得熱電動勢EAB(T，TH)=1.999mV，又用室溫計測出TH=21℃,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，與2.831mV對應的熱端溫度T=68℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)注意:既不能只按1.999mV查表，認為T=49℃，也不能把49℃加上21℃，認為T=70℃。第62頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三3）補正系數(shù)法把參比端實際溫度TH乘上系數(shù)k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的溫度上，成為被測溫度T。用公式表達即

式中：T——為未知的被測溫度；T′——為參比端在室溫下熱電偶電勢與分度表上對應的某個溫度；TH——室溫；k——為補正系數(shù)，其它參數(shù)見下表。例用鉑銠10－鉑熱電偶測溫，已知冷端溫度TH=35℃，這時熱電動勢為11.348mV．查S型熱電偶的分度表，得出與此相應的溫度T′=1150℃。再從下表中查出，對應于1150℃的補正系數(shù)k=0.53。于是，被測溫度

T=1150+0.53×35=1168.3（℃）用這種辦法稍稍簡單一些，比計算修正法誤差可能大一點，但誤差不大于0.14％。T＝

T′＋

kTH第63頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三溫度T′/℃補正系數(shù)k鉑銠10-鉑(S)鎳鉻-鎳硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.53—13000.52—14000.52—15000.53—16000.53—熱電偶補正系數(shù)第64頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三4）零點遷移法應用領(lǐng)域：如果冷端不是0℃，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調(diào)的場所）。實質(zhì)：在測量結(jié)果中人為地加一個恒定值，因為冷端溫度穩(wěn)定不變，電動勢EAB(TH,0)是常數(shù)，利用指示儀表上調(diào)整零點的辦法，加大某個適當?shù)闹刀鴮崿F(xiàn)補償。例用動圈儀表配合熱電偶測溫時，如果把儀表的機械零點調(diào)到室溫TH的刻度上,在熱電動勢為零時，指針指示的溫度值并不是0℃而是TH。而熱電偶的冷端溫度已是TH,則只有當熱端溫度T=TH時，才能使EAB(T,TH)=0，這樣，指示值就和熱端的實際溫度一致了。這種辦法非常簡便，而且一勞永逸，只要冷端溫度總保持在TH不變，指示值就永遠正確。第65頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三5）冷端補償器法利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢補償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個橋臂和橋路電源組成。設(shè)計時，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時Uab=0，電橋?qū)x表讀數(shù)無影響。冷端補償器的作用注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3RT0UaUabEAB(T,T0)供電4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范圍起補償作用。注意，不同材質(zhì)的熱電偶所配的冷端補償器，其中的限流電阻R不一樣，互換時必須重新調(diào)整。第66頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三6）軟件處理法對于計算機系統(tǒng)，不必全靠硬件進行熱電偶冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為0℃的情況，只需在采樣后加一個與冷端溫度對應的常數(shù)即可。對于T0經(jīng)常波動的情況，可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號輸入計算機，按照運算公式設(shè)計一些程序，便能自動修正。后一種情況必須考慮輸入的采樣通道中除了熱電動勢之外還應該有冷端溫度信號，如果多個熱電偶的冷端溫度不相同，還要分別采樣，若占用的通道數(shù)太多，宜利用補償導線把所有的冷端接到同一溫度處，只用一個冷端溫度傳感器和一個修正T0的輸入通道就可以了。冷端集中，對于提高多點巡檢的速度也很有利。第67頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三5、熱電偶的選擇、安裝使用和校驗1）熱電偶的選擇、安裝使用熱電偶的選用應該根據(jù)被測介質(zhì)的溫度、壓力、介質(zhì)性質(zhì)、測溫時間長短來選擇熱電偶和保護套管。其安裝地點要有代表性，安裝方法要正確，圖3.2-17是安裝在管道上常用的兩種方法。在工業(yè)生產(chǎn)中，熱電偶常與毫伏計連用（XCZ型動圈式儀表）或與電子電位差計聯(lián)用，后者精度較高，且能自動記錄。另外也可通過與溫度變送器經(jīng)放大后再接指示儀表，或作為控制用的信號。第68頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三常用熱電偶型號及測溫范圍第69頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三2）熱電偶的定期校驗

校驗的方法是用標準熱電偶與被校驗熱電偶裝在同一校驗爐中進行對比，誤差超過規(guī)定允許值為不合格。圖為熱電偶校驗裝置示意圖，最佳校驗方法可由查閱有關(guān)標準獲得。工業(yè)熱電偶的允許偏差，見下表。工業(yè)熱電偶允許偏差熱電偶分度號校驗溫度/℃熱電偶允許偏差/℃溫度偏差溫度偏差LB–3600，800，1000，12000～600±2.4>600占所測熱電勢的±0.4%EU–2400，600，800，1000～400±4>400占所測熱電勢的±0.75%EA–2300，400，6000～300±4>300占所測熱電勢的±1%第70頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三

6、熱電偶測量應用電路分析

1)測量單點溫度的基本測溫線路

熱電偶顯示儀表連接導線第71頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三2)測量兩點之間溫差的測溫線路第72頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三

3)測量平均溫度的測溫線路第73頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三

4)測量幾點溫度之和的測溫線路

第74頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三

5)若干只熱電偶共用一臺儀表的測量線路

第75頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三

二、集成溫度傳感器

定義：在一塊極小的半導體芯片上集成了包括溫度敏感器件、信號放大電路、溫度補償電路、基準電源電路等在內(nèi)的各個單元，它使傳感器和集成電路融為一體。

分類：集成溫度傳感器按輸出信號的不同可分為：模擬式集成溫度傳感器、數(shù)字式集成溫度傳感器。模擬式集成溫度傳感器又分為電流型、電壓型

特點：集成溫度傳感器與傳統(tǒng)的熱電阻、熱電偶溫度計相比最大的優(yōu)點是：線性度好、靈敏度高、輸出信號大，且規(guī)范化標準化

第76頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三

二、集成溫度傳感器1、電流型集成溫度傳感器——AD590系列

AD590是電流型集成溫度傳感器，其輸出電流與環(huán)境絕對溫度成正比，所以可以直接制成絕對溫度儀。AD590有I、J、K、L、M等型號系列，采用金屬管殼封裝。靈敏度1μA/°C外形圖第77頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三

二、集成溫度傳感器2、電壓型集成溫度傳感器——AN6701S

AN6701S是電壓型集成溫度傳感器，其輸出電壓U0和溫度成正比。它采用塑料封裝，外形如圖所示。第78頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三

三、集成溫度傳感器3、電壓型集成溫度傳感器——LM35系列

LM35是電壓型集成溫度傳感器，其輸出電壓與攝氏溫度成正比，無需校準，可以直接制成攝氏溫度測量儀。靈敏度為10mV/°C。第79頁，共89頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)濕度傳感器一、濕度的定義與分類定義:大氣中水蒸氣的含量。它表征了大氣的干燥程度。分類:絕對濕度、相對濕度。絕對濕度：在一定溫度和壓力條件下，單位空間內(nèi)混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，用AH表示。相對濕度：被測混合氣體中的水蒸氣壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣氣壓的百分比，用RH表示。實際使用中