熱電式傳感器

熱電式傳感器第一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日11.1概述

溫度是表征物體冷熱程度的物理量。它體現(xiàn)了物體內(nèi)部分子運動狀態(tài)的特征。溫度是不能直接測量的。只能通過物體隨溫度變化的某些特性（如體積、長度、電阻等）來間接測量。熱電式傳感器將溫度變化轉(zhuǎn)換成電量（電阻、電勢等），應(yīng)用廣泛。按測溫方法不同，熱電式傳感器分為接觸式和非接觸式兩種。第二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日接觸式測溫是基于熱平衡原理，即測溫敏感元件(傳感器)必須與被測介質(zhì)接觸，是兩者處于平衡狀態(tài)，具有同一溫度。如水銀溫度計、熱敏電阻、熱電偶等。非接觸式測溫是利用熱輻射原理，測溫的敏感元件不與被測介質(zhì)接觸，利用物體的熱輻射隨溫度變化的原理測定物體溫度，故又稱輻射測溫。如輻射溫度計，紅外測溫儀等。第三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日表11.1接觸式與非接觸式測溫方法比較

接觸式非接觸式必要條件感溫元件必須與被測物體相接觸。感溫元件能接收到物體的輻射能。特點不適宜熱容量小的物體溫度測量；不適宜動態(tài)溫度測量；便于多點、集中測量和自動控制被測物體溫度不變；適宜動態(tài)溫度測量；適宜表面溫度測量。測量范圍適宜1000℃以下的溫度測量.適宜高溫測量.測溫精度測量范圍的1%左右.一般在10℃左右.滯后較大.較小.第四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日表11.2常用熱電式傳感器類型及特點測溫方式傳感器類型測溫范圍（℃）精度（%）特點接觸式熱膨脹

式水銀-100～6000.1～1結(jié)構(gòu)簡單、耐用，但感溫部體積較大雙金屬-50～5001～3壓力液-100～600-200～6001氣熱電偶鎢—錸1000～28000.3～0.5種類多、適應(yīng)性強，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛。須注意冷端溫度補償及動圈式儀表電阻對測量結(jié)果的影響鉑銠-鉑0～16000.2～0.5其他-200～12000.4～1.0熱電阻鉑鎳銅-200～600-150～300-50～1500.1～0.30.2～0.50.1～0.3標(biāo)準(zhǔn)化程度高，精度及靈敏度均較好，感溫部大，須注意環(huán)境溫度的影響熱敏電阻-50～3000.3～1.5體積小，響應(yīng)快，靈敏度高；線性差，須注意環(huán)境溫度影響第五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日非接觸式輻射溫度計光高溫計100～3500200～320011非接觸測溫，不干擾被測溫度場，輻射率影響小，應(yīng)用簡便，不能用于低溫?zé)犭娞綔y器熱敏電阻探測器光子探測器200～2000-50～32000～3500111非接觸測溫，不干擾被測溫度場，響應(yīng)快，測量范圍大，適于測溫度分布，易受外界干擾，定標(biāo)困難本章主要介紹熱電阻、熱電偶及新型熱電式傳感器。

第六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日

溫標(biāo)是溫度的數(shù)值表示方法，是用來衡量物體溫度的尺度。它規(guī)定了溫度讀數(shù)的起點(零點)和測量溫度的單位，常用的有攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)等。溫標(biāo)的基本概念(1)攝氏溫標(biāo)(℃)

攝氏溫標(biāo)的物理基礎(chǔ)是水銀溫度變化與體膨脹成線性關(guān)系。分度方法是把標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的冰點定為零度（0℃），把水的沸點定為100度（100℃），在這兩固定點間劃分100等分，每一等分為攝氏一度，計為1℃。第七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日(2)華氏溫標(biāo)（oF）在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點為32度，水的沸點為212度，中間劃分180等分，每等分為華氏1度，符號為oF。(3)熱力學(xué)溫標(biāo)(K)

熱力學(xué)溫標(biāo)是以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，已由國際計量大會采納作為國際統(tǒng)一的基本溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)所確定的溫度數(shù)值稱為熱力學(xué)溫度（單位為K）。定義為水三相點（冰水氣共存）的熱力學(xué)溫度的1/273.16為1K。即從絕對零度到水的三相點之間的溫度分為273.16等分，一等分為1K。第八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日11.2熱電阻

利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化來測量溫度。熱電阻按感溫元件的材質(zhì)分金屬與半導(dǎo)體兩類。金屬熱電阻常用鉑、銅兩種熱電阻；半導(dǎo)體熱電阻為熱敏電阻等。

1、金屬熱電阻

對于絕大多數(shù)金屬，具有正的溫度系數(shù)，電阻隨溫度升高而增大的特性方程為:

不同的金屬導(dǎo)體，ai取值的范圍不同。通常情況下，它是溫度的函數(shù)。

第九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日金屬熱電阻選用感溫材料的要求：（1）溫度系數(shù)ai值要大，熱電阻的靈敏度就越高。（2）在測量范圍內(nèi)，其材料的物理、化學(xué)性質(zhì)應(yīng)穩(wěn)定，以保持電阻基值的穩(wěn)定性。（3）在測量范圍內(nèi)，電阻溫度系數(shù)要保持常數(shù)，以確保輸入——輸出線性，提高測量精度。（4）具有較高的電阻率,采用較高電阻率的感溫材料，可以減少熱電阻體積和熱慣性。（5）材料容易提純，確保較好的復(fù)制性。

第十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日(1)鉑熱電阻

鉑的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，測量精度高、電阻率較高；鉑絲在0℃以上，其電阻值與溫度之間具有較好的線性度。

鉑熱電阻使用范圍是－200℃～850℃。除作為溫度標(biāo)準(zhǔn)外，還廣泛用于高精度的工業(yè)測量。第十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日(2)銅熱電阻

銅熱電阻的線性較好，具有電阻溫度系數(shù)大，價格便宜，互換性好等優(yōu)點。銅熱電阻的使用范圍是-50~150℃。熱電阻的測量電路

——電橋電路第十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日2、熱敏電阻

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。優(yōu)點：(1)電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻大10~100倍；(2)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以測量“點”溫度；(3)電阻率高，熱慣性小，適宜動態(tài)測量；(4)功耗小，不需要參考端補償，適于遠(yuǎn)距離的測量與控制。缺點：阻值與溫度的關(guān)系呈非線性，元件的穩(wěn)定性和互換性較差。第十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日

熱敏電阻是由兩種以上的金屬氧化物如Mn、Co、Ne、Fe

等氧化物構(gòu)成的燒結(jié)體，根據(jù)組成的不同，可以調(diào)整溫度特性——正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)。

負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻最常用，溫度特性為RT第十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日

熱敏電阻由熱敏探頭，引線和殼體等構(gòu)成。

圖示：第十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日

根據(jù)不同的使用需求，熱敏電阻可制成不同的結(jié)構(gòu)形式。

圖示：第十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日熱敏電阻的測量電路——電橋電路第十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日產(chǎn)品第十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日11.3熱電偶

熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測器件之一。優(yōu)點：測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800℃（如鎢-錸）。構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小的限制，外有保護套管，使用非常方便；適用于遠(yuǎn)距離測量和自動控制

第十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日1、熱電效應(yīng)

由A、B兩種不同的導(dǎo)體組成一個閉合回路，當(dāng)兩接點的溫度不等時，回路中就會產(chǎn)生電勢，從而形成電流，這一現(xiàn)象通常稱為熱電效應(yīng)。相應(yīng)的電勢通常稱為熱電勢。第二十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日熱電偶工作原理演示

結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢熱電極A右端稱為：

自由端參考端冷端左端稱為：

測量端工作端熱端熱電極B熱電勢AB第二十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日

熱電偶產(chǎn)生的熱電勢EAB(T,T0)是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢EAB和單一導(dǎo)體的溫差電勢EA和EB所形成。

接觸電勢

溫差電勢(a)電子擴散示意圖

(b)等價電路第二十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日接觸電勢溫差電勢由導(dǎo)體A、B組成的熱電偶回路總的熱電勢為：由此可知：只有當(dāng)熱電偶的兩個電極材料不同，且兩個接點的溫度也不同時，才會產(chǎn)生電勢，熱電偶才能進行溫度測量。第二十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日

當(dāng)熱電偶的兩個不同的電極材料確定后，熱電勢便與兩個接點溫度T、T0有關(guān)。即回路的熱電勢是兩個接點的溫度函數(shù)之差。

若使冷端溫度T0保持不變，則熱電勢為熱端溫度T的單值函數(shù)。這就是熱電偶測溫的基本原理。

在實際測量中，不可能也沒有必要單獨測量接觸電勢和溫差電勢，而只需要用儀表測量總的熱電勢。另外，溫差電勢與接觸電勢相比較，數(shù)值甚小，因此在工程應(yīng)用中認(rèn)為熱電勢近似等于接觸電勢。第二十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日實用中，測量出熱電勢后如何確定溫度值？通常不是利用公式計算，而是用查熱電偶分度表來確定。熱電偶分度表是將冷端溫度保持為0℃，通過實驗建立起來的熱電勢與溫度之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。熱電偶測溫完全是建立在利用實驗熱特性和一些熱電定律的基礎(chǔ)上。會產(chǎn)生新的熱電勢嗎？第二十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日2、熱電偶的基本定律1)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電勢。第二十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日

根據(jù)中間導(dǎo)體定律，可以用開路熱電偶對液態(tài)金屬或金屬壁面測溫。第二十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日2)中間溫度定律當(dāng)熱電偶兩個接點的溫度分別為T和T0時，所產(chǎn)生的熱電勢等于該熱電偶兩接點溫度為T、Tn和Tn、T0時所產(chǎn)生的熱電勢之代數(shù)和，即:

中間溫度定律是制定熱電偶分度表的理論基礎(chǔ)。熱電偶分度表都是以冷端溫度為0時做出的。一般工程測量中冷端都不為零（任一恒定值），因此，只要測出熱端、冷端的熱電勢，便可利用利用熱電偶分度表求出工作端的被測溫度值。第二十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日例如，用鎳鉻—鎳硅熱電偶測量爐溫時，當(dāng)冷端溫度T0=30℃時，測得熱電勢E(T,T0)=39.17mv，求實際爐溫。

由T0=30查分度表得E（30，0）=1.2mv，根據(jù)中間溫度定律得:E（T，0）=E（T，30）+E（30，0）=39.17+1.2=40.37(mv)則查表得爐溫T=946℃。第二十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日3)標(biāo)準(zhǔn)電極定律已知兩個導(dǎo)體A、B分別與另一導(dǎo)體C組成的熱電偶的熱電勢已知，則在相同接點溫度(T,T0)下，由A、B電極組成的熱電偶的熱電勢EAB(T,T0)為:

C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極ABTT0=ACTT0—CBTT0第三十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日例如，鉑銠30—鉑熱電偶的EAC（1084.5,0）=13,976mv,鉑銠6—鉑熱電偶的EBC（1084.5,0）=8.354mv。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律：鉑銠30—鉑銠6熱電偶

EAB(1084.5,0）=13,976-8.354=5.613mv。

在工程測量中，由于純鉑的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，熔點較高，易提鈍，所以目前常將純鉑作為標(biāo)準(zhǔn)電極。標(biāo)準(zhǔn)電極定律使得熱電偶電極的選配提供了方便。第三十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日3、常用熱電偶及熱電勢的測量常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。常用熱電偶第三十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日適于制作熱電偶的材料有300多種，其中廣泛應(yīng)用的有40～50種。常用8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為：第三十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日鉑銠10—鉑熱電偶：性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高，可用于基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。熱電勢較低，價格昂貴，不能用于金屬蒸汽和還原性氣體中；

鉑銠30—鉑銠6熱電偶：較鉑銠10—鉑熱電偶更具較高的穩(wěn)定性和機械強度，最高測量溫度可達1800℃，室溫下熱電勢較低，可作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，一般情況下，不需要進行補償和修正處理。由于其熱電勢較低，需要采用高靈敏度和高精度的儀表；

鎳鉻—鎳硅或鎳鉻—鎳鋁熱電偶：熱電勢較高，熱電特性具有較好線性，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，具有較強的抗氧化性和抗腐蝕性。穩(wěn)定性稍差，測量精度不高。

鎳鉻—考銅熱電偶：熱電勢較高，電阻率小，適于還原性和中性氣氛下測量，價格便宜，測量上限較低；

鎳鉻—康銅熱電偶：熱電勢較高，價格低。高溫下易氧化，適于低溫和超低溫測量。第三十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日組成:熱電極（材料的熱電特性穩(wěn)定）；絕緣套管（防止電極間短路）；保護套管（隔離電極與介質(zhì)，免受機械損傷或化學(xué)腐蝕等）；接線盒。第三十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日產(chǎn)品第三十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日熱電勢的測量

熱電勢在mv范圍，通常用動圈式儀表、電位差計、示波器和數(shù)字式測溫儀表等測量。動圈式儀表實際上是一個磁電式毫伏計，它是利用電流流過儀表動圈時，動圈在磁場的作用下帶動指針偏轉(zhuǎn)的原理進行工作的。精度不高。儀表指示電壓為:RG?Rt+RlUEAB(T,T0)第三十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日

補償法測量電動勢需要一個數(shù)值可以調(diào)節(jié)、大小已知的標(biāo)準(zhǔn)電源，以便能與被測電動勢相補償。補償法測量原理：測量回路中的電流為零，避免了回路電阻的影響，測量精度較高。第三十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日電位差計原理：校準(zhǔn)回路補償回路測量回路第三十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日(1)K1合,K2斷，調(diào)R0使流過檢流計G1的電流為零，得到一個恒定的工作電流,I=EH/RH，即ab兩點之間的壓降與EH平衡。(校準(zhǔn)工作電流)(2)K1斷,K2合，調(diào)節(jié)電位器RP，使G2=0,此時熱電偶測量回路的電流為零。(3)當(dāng)熱電偶因溫度變化產(chǎn)生熱電勢時，G2將有電流流過，再次調(diào)節(jié)RP使G2=0。由電位器RP的刻度變化得到一個電阻增量ΔRP,則所測熱電勢為由于EH和RH均為定值，熱電勢的大小則可以用ΔRP來度量。第四十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日4、熱電偶的冷端溫度補償熱電偶回路的熱電勢是兩個接點溫度的函數(shù)，為此，必須使冷端溫度保持不變，其輸出熱電勢才是熱端溫度的單值函數(shù)。在實際測量中，熱電偶的兩端距離很近，冷端溫度易受測量對象和環(huán)境溫度波動的影響，而難以保持恒定，從而引入測量誤差。冷端溫度補償：冷端溫度恒定；補償冷端溫度t0

＝0℃。補償方法：

0℃恒溫法；修正法；補償導(dǎo)線法；補償電橋法等。第四十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日0℃恒溫法

將熱電偶冷端放在冰和水混合的容器中，保持冷端為0℃不變。這種方法精度高，但在工程中應(yīng)用很不方便，一般在實驗室用于校正標(biāo)準(zhǔn)熱電偶等高精度溫度測量。第四十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日修正法

實際使用中，設(shè)法使冷端溫度保持不變（放置在恒溫器中），然后采用冷端溫度修正的方法，可得到冷端為0℃時的熱電勢。根據(jù)中間溫度定律，EAB(T,T0)＝EAB(T,Tn)＋EAB(Tn,T)，因為保持溫度Tn不變，因而EAB(Tn,0)＝常值，該值可以從熱電偶分度表中查出。測量的熱電勢與查表得到的相加，就可得到冷端為0℃時的熱電勢，然后再查熱電偶分度表，便可得到被測溫度T。第四十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日補償導(dǎo)線法——延長熱電極法

將熱電偶的自由端引至顯示儀表，而顯示儀表放在恒溫或溫度波動較小的地方。采用某兩種導(dǎo)線組成的熱電偶補償導(dǎo)線，在一定溫度范圍內(nèi)（0～100℃）具有與所連接的熱電偶相同的熱電性能。不同的熱電偶要配不同的導(dǎo)線，極性也不能