《傳感器原理及應用》課件第9章

第9章溫度傳感器9.1溫度測量的基本概念9.2熱電偶傳感器的工作原理9.3熱電偶的材料及結構9.4熱電偶的應用9.5熱電阻傳感器及其應用9.6集成溫度傳感器本章小結習題實驗、實訓建議

9.1溫度測量的基本概念

9.1.1溫度的基本概念

1．溫度

眾所周知，當兩個冷熱不同的物體相互接觸時，熱量會從熱物體傳向冷物體，使熱物體變冷，冷物體變熱，最后使兩物體的冷熱程度相同，此時稱兩物體達到熱平衡。因此從宏觀講，溫度表征了物體的冷熱程度，物體溫度的高低確定了熱量傳遞的方向；熱量總是從溫度高的物體傳給溫度低的物體。

2．溫標

1）熱力學溫標

根據熱力學中的卡諾定理，如果在溫度T1的熱源與溫度為T2的冷源之間實現了卡諾循環(huán)，則存在下列關系式：（9-1）式中，Q1為熱源給予熱機的傳熱量；Q2為熱機傳給冷源的傳熱量。如果在式中再規(guī)定一個條件,就可以通過卡諾循環(huán)中的傳熱量來完全地確定溫標。1954年，國際計量會議選定水的三相點為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，并以它的1/273.16定義為一度，這樣熱力學溫標就完全確定了，即T=273.16(Q1/Q2)。

2）國際實用溫標

為解決國際上溫度標準的同意及實用問題，國際上協(xié)商決定，建立一種既能體現熱力學溫度（即能保證一定的準確度），又使用方便、容易實現的溫標，即國際實用溫標(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，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的分度值相同，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。

以下四個溫度段用于規(guī)定各溫度段所使用的標準儀器：

（1）低溫鉑電阻溫度計（13.81~273.15K）。

（2）鉑電阻溫度計（273.15~903.89K）。

（3）鉑銠-鉑熱電偶溫度計（903.89~1337.58K）。

（4）光測溫度計（1337.58K以上）。

3）攝氏溫標

攝氏溫標是工程上最通用的溫度標尺。攝氏溫標是在標準大氣壓(即101325Pa)下將水的冰點與沸點中間劃分100個等份，每一等份稱為攝氏一度(攝氏度，℃)，一般用小寫字母t表示。攝氏溫標與熱力學溫標單位開爾文并用。

攝氏溫標與國際實用溫標溫度之間的關系如下：

t=T－273.15，T=t+273.15（9-2）

4）華氏溫標

華氏溫標目前使用較少，規(guī)定在標準大氣壓下冰的融點為32華氏度，水的沸點為212華氏度，中間等分為180份，每一等份稱為華氏一度，用符號℉表示。華氏溫標與攝氏溫標的關系如下：

θF=18(t)℃+32（9-3）9.1.2溫度測量及傳感器分類

1.接觸式溫度傳感器

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，特別是被測物體的熱容量較小時，測量精度較低。因此采用這種方式測得物體真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。這種溫度傳感器具有結構簡單、工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。常見的接觸式溫度傳感器有以下幾種：（1）常用熱電阻：測溫范圍為－260～＋850℃；精度為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：測溫范圍為－200～+500℃，精度為0.3、0.15級。（4）超低溫熱電阻：可分別測量－268.8～253℃至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，經濟性好且價格便宜。

2.非接觸式溫度傳感器

（1）輻射高溫計：用來測量1000℃以上高溫。該傳感器分為四種：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)，方向性強。目前國外有可測到5000℉的產品。

（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。除了將溫度傳感器分為接觸式和非接觸式以外，我們還可以按照測溫的范圍、測溫的特性以及測溫的精度來分類，見表9-1~表9-3。

9.2熱電偶傳感器的工作原理

9.2.1熱電效應

兩種不同的導體或半導體A和B組合成如圖9-1所示閉合回路，若導體A和B的連接處溫度不同（設T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現象叫做熱電效應。這種現象早在1821年首先由西拜克（Seeback）發(fā)現,所以又稱西拜克效應。圖9-1熱電偶原理圖圖9-1中A和B導體或半導體稱為熱電偶的電極。兩個接點，一端稱為工作端或熱端(T)，另一端稱為參比端或冷端(T0)。由這兩種不同導體或半導體的組合將溫度轉換成電

動勢的傳感器稱為熱電偶。

當A

、B

材料確定，且冷端溫度T0恒定，則熱電動勢僅與測量端溫度T有關。熱電偶兩端的熱電動勢是由兩種導體的接觸電動勢和單一導體的溫差電動勢所組成的。

1.接觸電勢

設導體A和B的自由電子密度為NA和NB，且有NA＞NB，電子擴散的結果使導體

A

失去電子而帶正電，導體

B

則因獲得電子而帶負電，接觸面形成電場。這個電場阻礙了電子繼續(xù)擴散，當達到動態(tài)平衡時，在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電位差，即接觸電動勢，即eAB，如圖9-2所示。接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關。圖9-2接觸電勢原理圖

2.溫差電勢

對于單一導體，如果兩端溫度不同，在兩端間會產生電動勢，即溫差電動勢。這是由于兩端電子所具有的能量不同，溫度高的電子能量高，運動速度大，電子將從速度大的區(qū)域向速度小的區(qū)域擴散，擴散的結果使高溫端失去電子而帶正電，低溫端由于獲得電子而帶負電，從而在導體兩端形成電勢差，如圖9-3所示。圖9-3溫差電勢

3.回路總電勢

由導體材料A、B組成的閉合回路如圖9-4所示，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，回路總電勢為

EAB(T,T0)=eAB(T)－eAB(T0)－eA(T,T0)+eB(T,T0)（9-4）

或用攝氏溫度表示:

EAB(t,t0)=eAB(t)－eAB(t0)－eA(t,t0)+eB(t,t0)（9-5）在式（9-4）中，EAB（T，T0）為熱電偶電路中的總電動勢；eAB（T）為熱端接觸電動勢；eB（T，T0）為B導體的溫差電動勢；eAB（T0）為冷端接觸電動勢；eA（T，T0）為A導體的溫差電動勢。

在總電動勢中，溫差電動勢比接觸電動勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的熱電動勢可表示為

EAB（T，T0）=eAB（T）－eAB（T0）（9-6）對已選定的熱電偶，當參考溫度T0恒定時，eAB（T0）=

C為常數，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數關系，即

EAB（T，T0）=eAB（T）－C=f（T）（9-7）

這一關系式在實際測量中是很有用的，即只要測出EAB（T，T0）的大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。圖9-4熱電偶回路電動勢通過熱電偶理論可以得到如下幾點結論：

（1）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，與熱電偶的長度、粗細無關。

（2）只有用不同性質的導體(或半導體)才能組合成熱電偶，相同材料不會產生熱電勢，因為當A、B兩種導體是同一種材料時EAB（T，T0）=0。（3）只有當熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導體材料不同時，才能有熱電勢產生。

（4）對于有幾種不同材料串聯組成的閉合回路，接點溫度分別為T1、

T2

、…、Tn，冷端溫度為零度的熱電勢。其熱電勢為

E=EAB（T1）+EBC（T2）+…+ENA（Tn）9.2.2基本定律

1.中間導體定律

利用熱電偶進行測溫，必須在回路中引入連接導線和儀表，但接入導線和儀表后是否會影響回路中的熱電勢呢？中間導體定律說明，在熱電偶測溫回路內，接入第三種導體時，只要第三種導體的兩端溫度相同，就對回路的總熱電勢沒有影響。將導體A

和B

構成熱電偶，并將冷端T0斷開，無論插入導體C的溫度分布如何，只要中間導體兩端溫度相同，則對熱電偶回路的總電動勢就沒有影響。這就是中間導體定律，如圖9-5所示。圖9-5具有中間導體的熱電偶回路證明(1)在T=T0的情況下回路中總電動勢為零，即

EABC（T0，T0）=EAB（T0）+EBC（T0）+EAC（T0）=0

(9-8)

（2）若A和B接觸點溫度為T，其余接觸點溫度為T0，且T>T0,則回路中的總電動勢為

EABC（T，T0）=EAB（T）+EBC（T0）+EAC（T0）(9-9)

由式(9-8)解得

EAB（T0）=－［EBC（T0）+EAC（T0）］=0

(9-10)將式(9-10)代入式(9-9)，得

EABC（T，T0）=EAB（T）－EAB（T0）=EAB（T，T0）(9-11)

證畢。

如果任意兩種導體材料的熱電勢是已知的，它們的冷端和熱端的溫度又分別相等，如圖9-6所示，則它們相互間熱電勢的關系為

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0)(9-12)圖9-6熱電勢之間的關系圖

2.連接導體定律和中間溫度定律

連接導體定律指出：在熱電偶回路中，若導體A

、B

分別與連接導線A′、B′相接，其接點溫度分別為T、Tn、T0，那么回路中的熱電勢將等于熱電偶的熱電勢EAB(T,Tn)

與連接導線A′、B′在溫度Tn、T0時熱電勢的代數和，即

EABA′B′(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EA′B′(Tn,T0)

(9-13)由式（9-13）可引出重要結論:當A與A′、B與B′材料分別相同且接點溫度為T、Tn、T0時，根據連接導體定律，可得到該回路的熱電勢為

EAB（T，T0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn，T0）(9-14)

式(9-14)表明，熱電偶在溫度為T、T0時的熱電勢

EAB（T，T0）等于熱電偶在(T,Tn)、(Tn,T0)時相應的熱電勢EAB（T，Tn）與EAB（Tn，T0）的代數和，這就是中間溫度定律，其中Tn稱為中間溫度，如圖9-7所示。圖9-7用連接導線的熱電偶回路

3.參考電極定律

當接點溫度為T、T0時，用導體A

、B

組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的代數和，即

EAB′(T,T0)=EAC(T,T0)+EC′B′(T,T0)

(9-14)

導體C稱為標準電極(一般用鉑制成)，這一規(guī)律稱為參考電極定律，如圖9-8所示。圖9-8參考電極定律9.3熱電偶的材料及結構

9.3.1熱電極材料

理論上講，任何兩種不同材料的導體都可以組成熱電偶，但為了準確可靠地測量溫度，對組成熱電偶的材料必須經過嚴格的選擇。工程上用于熱電偶的材料應滿足以下條件：熱電勢變化盡量大，熱電勢與溫度關系盡量接近線性關系，物理、化學性能穩(wěn)定，易加工，復制性好，便于成批生產，有良好的互換性。完全滿足上述條件要求的材料很難找到。一般來說，純金屬的熱電極容易復制，但其熱電勢小，平均約為20μV/℃，非金屬的電極的熱電勢較大，可達1000μV/℃，且熔點高，但復制性和穩(wěn)定性都較差；合金熱電極的熱電性能和工藝性介于前面兩者之間，所以合金熱電極用得較多。目前在國際上被公認為有代表性的或比較普遍采用的熱電偶并不多，這些熱電偶的熱電極材料都是經過大量實驗并分別被應用在各溫度范圍內，測量效果良好。

1.國際標準熱電偶及其材料簡述

(1)鉑銠10-鉑熱電偶(分度號為S)。它是一種貴金屬熱電偶，其正極為(Pt90%+Rh10%)鉑銠絲，負極為(Pt100%)純鉑絲。由于容易得到高純度的鉑和鉑銠，故它的復制精度和測量精確度較高，可用于精密溫度測量。測溫上限最高可達1600℃，適于在氧化或中性氣氛介質中使用。其主要缺點是金屬材料的價格昂貴，熱電動勢小，靈敏度低，在高溫還原介質中容易被侵蝕和污染，從而失去測量精確度。（2）鉑銠30-鉑銠6熱電偶(分度號為B)。它也是一種貴金屬熱電偶，其正極為(Pt70%+Rh30%)鉑銠絲，負極為(Pt94%+Rh6%)鉑銠絲。它的優(yōu)點是比鉑銠10-鉑熱電偶具有更高的測量上限，短期使用可達1800℃，具有較高的穩(wěn)定性和機械強度，抗污染能力強。其主要缺點是靈敏度低，室溫下熱電動勢比較小，因此，許多情況下不需要參考端補償和修正，可作標準熱電偶。（3）鎳鉻-康銅熱電偶(分度號為E)。它是一種賤金屬熱電偶，其正極為(Ni89%+Cr10%+Fe1%)鎳鉻，負極為(Cu60%+Ni40%)康銅。它的優(yōu)點是熱電動勢較大，電阻率小，價格便宜。缺點是抗氧化及抗硫化介質的能力差，適用于還原性和中性氣氛下測溫，測量上限較低。（4）鎳鉻-鎳硅熱電偶(分度號為K)。它是一種賤金屬熱電偶。它的正極為(Ni89%+Cr10%+Fe1%)鎳鉻，負極為(Ni97%+Si2.5%+Mn0.5%)鎳硅。它的優(yōu)點是熱電動勢較大，和溫度的關系接近線性關系，有較強的抗氧化性和抗腐蝕性，化學穩(wěn)定性好，復制性好，價格便宜，可選其中較好的作標準熱電偶。缺點是測量精度比鉑銠10-鉑熱電偶低，熱電動勢穩(wěn)定性差。（5）鉑銠13-鉑熱電偶(分度號為R)。它也是一種貴金

屬熱電偶。它的正極為(Pt87%+Rh13%)鉑銠絲，負極為

(Pt100%)純鉑絲。它的優(yōu)點是精度高，物理化學性能穩(wěn)

定，測溫上限高，最高可達1600℃，適于在氧化或中性氣氛介質中使用。但其熱電動勢小，靈敏度低，在高溫還原介質中容易被侵蝕和污染，價格昂貴。

2.幾種特殊用途的熱電偶

（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：發(fā)展于60年代，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或氫氣介質中，但高溫抗氧能力差。國產鎢錸-鎢錸20熱電偶使用溫度范圍為

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范圍內使用，靈敏度約為10μV／℃。

（4）鈀-鉑銥15熱電偶：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)。（5）鐵-康銅熱電偶（分度號為TK）：靈敏度高，約為53μV/℃。優(yōu)點是線性度好，價格便宜，可在800℃以下的還原介質中使用。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（分度號為MK）：熱電偶的熱電勢略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43μV/℃。優(yōu)點是復現性好，穩(wěn)定性好，精度高，價格便宜。缺點是銅易氧化，廣泛用于20～473K的低溫實驗室測量中。9.3.2熱電偶的結構和常用熱電偶

常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所謂標準熱電偶，是指國家標準規(guī)定了其熱電動勢與溫度的關系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準熱電偶在使用范圍或數量級上均不及標準熱電偶，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。

1.普通型熱電偶

普通型熱電偶在工業(yè)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護套管和接線盒組成，其結構如圖9-9所示。普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動法蘭連接、無固定裝置等多種形式(如圖

9-10所示)。普通型熱電偶主要用于測量氣體、蒸汽和液體等介質的溫度，可根據測量條件和測量范圍來選用。為了防止有害介質對熱電極的侵蝕，工業(yè)用的熱電偶一般都有保護套。熱電偶的外形有棒形、三角形、錐形等。圖9-9普通型熱電偶結構示意圖圖9-10常見普通工業(yè)裝配式熱電偶的外形結構

(1)熱電極：又稱偶絲，它是熱電偶的基本組成部分。普通金屬做成的偶絲，其直徑一般為0.5～3.2mm，貴重金屬做成的偶絲，直徑一般為0.3～0.6mm。偶絲的長度則由使

用情況、安裝條件，特別是工作端在被測介質中插入的深度來決定，通常為300～2000mm，常用的長度為350mm。

(2)絕緣套管：又稱絕緣子，用于熱電極之間及熱電極與保護套管之間進行絕緣保護的零件。形狀一般為圓形或橢圓形，中間開有二個、四個或六個孔。偶絲穿孔而過。材料為粘土質、高鋁質、剛玉質等，材料選用視使用的熱電偶而定。在室溫下，絕緣管的絕緣電阻應在5MΩ以上。

(3)保護套管：用來保護熱電偶感溫元件免受被測介質化學腐蝕和機械損傷的裝置。保護套管應具有耐高溫、耐腐蝕的性能，要求導熱性能好，氣密性好。其材料有金屬、非金屬以及金屬陶瓷三大類。金屬材料有鋁、黃銅、碳鋼、不銹鋼等，其中1Cr18Ni9Ti不銹鋼是目前熱電偶保護套管使用的典型材料。非金屬材料有高鋁質(85%～90%A1203)、剛玉質(99％Al2O3)，使用溫度都在1300℃以上。金屬陶瓷材料（如氧化鎂加金屬鉬）的使用溫度為1700℃，且在高溫下有很好的抗氧化能力，適用于鋼水溫度的連續(xù)測量，其形狀一般為圓柱形。

(4)接線盒：用來固定接線座和作為連接補償導線的裝置。根據被測量溫度的對象及現場環(huán)境條件，設計有普通式、防濺式、防水式和接插座式等四種結構形式。普通式接線盒無蓋，僅由盒體構成，其接線座用螺釘固定在盒體上，適用于環(huán)境條件良好、無腐蝕性氣體的現場。防濺式、防水式接線盒有蓋，且蓋與盒體由密封圈壓緊密封，適用于雨水能濺到的現場或露天設備現場。插座式接線盒結構簡單，安裝所占空間小，接線方便，適用于需要快速拆卸的環(huán)境。

2.鎧裝型熱電偶

鎧裝型熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電極、絕緣材料和金屬套管三者經拉伸加工而成的堅實組合體，如圖9-11所示。它可以做得很細很長，使用中隨需要能任意彎曲。圖9-11鎧裝型熱電偶結構示意圖鎧裝熱電偶具有能彎曲、耐高壓、熱響應時間快和堅固耐用等優(yōu)點，它和工業(yè)用裝配式熱電偶一樣，作為測量溫度的變送器，通常和顯示儀表、記錄儀表及電子調節(jié)器配

套使用，同時亦可作為裝配式熱電偶的感溫元件。它可以直接測量各種生產過程中從0~800℃范圍內的液體、蒸汽和氣體介質以及固體表面的溫度。鎧裝熱電偶的結構原理是由導體、高絕緣氧化鎂、外套1Cr18Ni9Ti不銹鋼保護管經多次一體拉制而成。鎧裝熱電偶分接殼式、絕緣式、圓接插式、扁接插式、手柄式及補償導線式等多種形式，如圖9-12所示。圖9-12常見鎧裝熱電偶的外形結構

(1)接殼式：熱電偶的測量端與金屬套管接觸并焊接在一起。該形式的熱電偶適用于測量溫度高、壓力高、腐蝕性較強的介質。

(2)絕緣式：熱電偶的測量端焊接后填以絕緣材料再與金屬套管焊接。該形式的熱電偶適用范圍同接殼式，特點是偶絲與保護金屬套管不接觸，具有電氣絕緣性能。

(3)圓接插式：金屬套管端頭部分的直徑為原直徑的一半，故時間常數更小。

(4)扁接插式：分為接殼型和絕緣型兩種，其時間常數最小，反應速度更快。

(5)手柄式：自帶數字顯示器,使用最方便、直接。

(6)補償導線式：帶有補償導線,可延長信號測試距離，適于離線遙測。

鎧裝熱電偶冷端連接補償導線的接線盒結構，在不同的使用條件下有不同的形式。如簡易式、帶補償導線式、插座式等，這里不作詳細介紹，選用時可參考有關資料。由于鎧裝熱電偶具有壽命長、機械性能好、耐高壓、可撓性等優(yōu)點，因而深受歡迎。

3.薄膜熱電偶

薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料用真空蒸鍍、化學涂層等辦法蒸鍍到絕緣基板上而制成的一種特殊熱電偶，如圖9-13所示。薄膜熱電偶的熱接點可以做得很小(可薄到

0.01～0.1μm)，具有熱容量小、反應速度快等特點，熱響應時間達到微秒級，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量。圖9-13薄膜熱電偶的典型結構

4.快速消耗微型熱電偶

圖9-14為一種測量鋼水溫度的熱電偶。它用直徑為

0.05～0.1mm的鉑銠-10-鉑銠30熱電偶裝在U型石英管中，再鑄以高溫絕緣水泥，外面再用保護鋼帽所組成。這種熱電偶使用一次就焚化，但它的優(yōu)點是熱慣性小，只要注意它的動態(tài)標定，測量精度可達±5～7℃。圖9-14快速消耗微型熱電偶9.4熱電偶的應用

9.4.1熱電偶冷端的延長

由熱電偶測溫原理可知，熱電偶的熱電動勢的大小不僅與工作端的溫度有關，而且與冷端溫度有關，是工作端和冷端溫度的函數差。只有當熱電偶的冷端溫度保持不變，熱電動勢才是被測溫度的單值函數。工程技術上使用的熱電偶分度表中的熱電動勢值是根據冷端溫度為0℃而制作的。在一般采用一種導線(或稱補償導線)將熱電偶的冷端延伸出來，這種導線采用廉價金屬，在一定溫度范圍內(0～100℃)具有和所連接的熱電偶相同的熱電性能，兩個連接點溫度必須相等，正負極性不能接反，如圖9-15所示。圖9-15補償導線法示意圖延長型：補償導線合金絲的名義化學成分及熱電勢標

稱值與配用的熱電偶相同，用字母“Ｘ”附在熱電偶分度號后表示。

補償型：其合金絲的名稱化學成分與配用的熱電偶不同，但其熱電勢值在100℃以下時與配用的熱電偶的熱電勢標稱值相同，用字母“C”附在熱電偶分度號后表示。

采用熱電偶的補償導線如表9-4所示。其中補償導線型號的頭一個字母與配用熱電偶的型號相對應；第二個字母“X”表示延長型導線；字母“C”表示補償型導線。使用補償導線時應注意以下幾個問題：

（1）補償導線只能用在規(guī)定的溫度范圍內（0~100℃）。（2）熱電偶和補償導線的兩個接點處要保持溫度相同。（3）不同型號的熱電偶配有不同的補償導線。

（4）補償導線的正、負極需分別與熱電偶正、負極相連。

（5）補償導線的作用是對熱電偶冷端延長。9.4.2熱電偶溫度補償的技術處理

在實際測量中，熱電偶的冷端溫度將受到環(huán)境的影響，并不為0℃。為了實現溫度的準確測量，對冷端溫度變化引起的溫度誤差，常需要進行冷端溫度補償或修正，通常采用的方法除了上面我們介紹過的補償導線法外，還有0℃恒溫法、補償電橋法、冷端溫度修正法、零點遷移法和軟件處理法。

1.0℃恒溫法（冰浴法）

熱電偶的分度表是以0℃為標準的。所以在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0℃，這種方法又稱為冰浴法。這

是一種理想的補償方法，但工業(yè)中使用極為不便,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,如圖9-16所示。圖9-16冰浴法示意圖

2.補償電橋法(冷端溫度自動補償法)

補償電橋法是利用不平衡電橋產生的不平衡電壓Uab作為補償信號，來自動補償熱電偶測量過程中因冷端溫度不為

0℃或變化而引起熱電勢的變化值。補償電橋的工作原理如圖9-17所示，它由三個電阻溫度系數較小的錳銅絲繞制的電阻R1、R2、R3及電阻溫度系數較大的銅絲繞制的電阻RCu和穩(wěn)壓電源組成。補償電橋與熱電偶冷端處在同一環(huán)境溫度，當冷端溫度變化引起的熱電勢EAB(T，T0)變化時，由于RCu的阻值隨冷端溫度變化而變化，適當選擇橋臂電阻和橋路電流，就可以使電橋產生的不平衡電壓Uab補償由于冷端溫度T0變化引起的熱電勢變化量，從而達到自動補償的目的。圖9-17補償電橋法示意圖

3.冷端溫度修正法

在實際工況環(huán)境中，當熱電偶冷端溫度不是0℃時，而是TH時，根據熱電偶中間溫度定律，可得熱電動勢的計算校正公式為

E（T，0）=E（T，TH）+E（TH，0）（9-15）

式中，E(T,0)表示冷端為0℃而熱端為T時的熱電動勢；

E(T,TH)表示冷端為TH而熱端為T

時的熱電動勢，即實測值；E(TH,0)表示冷端為0℃而熱端為TH時的熱電動勢，即冷端溫度不為0℃時的熱電動勢校正值。

因此，只要知道了熱電偶參比端的溫度TH，就可以從分度表中查出對應于TH時的熱電動勢E(TH,0)，然后將這個熱電動勢值與顯示儀表所測得讀數值

E(T,TH)相加，得出的結果就是熱電偶的參比端溫度為0℃時對應于測量端的溫度為T

時的熱電動勢E(T,0)，最后就可以從分度表中查得對應于E(T,0)的溫度，這個溫度的數值就是熱電偶測量端的實際溫度。例如：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，求被測溫度。

由熱電動勢的計算校正公式得

EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，0)

=1.999+0.832

=2.831(mV)

4.零點遷移法

如果冷端不是0℃，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調的場所），那我們就可以在測量結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，利用指示儀表上調整零點的辦法，加大某個適當的值而實現補償。例如：用動圈儀表配合熱電偶測溫時，如果把儀表的機械零點調到室溫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。

5.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即可。對于T0經常波動的情況，可利

用熱敏電阻或其他傳感器把T0信號輸入計算機，按照運算公式設計一些程序，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，若占用的通道數太多，則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。9.5熱電阻傳感器及其應用

9.5.1金屬熱電阻傳感器

熱電阻傳感器分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩大類，一般把金屬熱電阻稱為熱電阻，而把半導體熱電阻稱為熱敏電阻。熱電阻廣泛用來測量－200～850℃范圍內的溫度，少數情況下，低溫可測量至1K，高溫達1000℃。熱電阻傳感器由熱電阻、連接導線及顯示儀表組成，如圖9-18所示。熱電阻也可與溫度變送器連接，轉換為標準電流信號輸出。圖9-18熱電阻傳感器大多數金屬材料的電阻值都隨溫度而變化，但是用作測溫用的材料必須具備以下特點：

(1)具有盡可能大的電阻率和穩(wěn)定的溫度系數。

(2)電阻與溫度的關系(R-T)盡可能成線性關系。

(3)在整個測溫范圍內具有穩(wěn)定的物理化學性能。

(4)復現性和互換性好、價格便宜。

1.鉑熱電阻

鉑熱電阻的特點是在氧化性介質中，甚至高溫下的物理化學性能穩(wěn)定、精度高、穩(wěn)定性好、電阻率較大、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應用。其主要應用于：鋼鐵、石油化工的各種工藝過程；纖維等工業(yè)的熱處理工藝；食品工業(yè)的各種自動裝置；空調、冷凍冷藏工業(yè)；宇航和航空、物化設備及恒溫槽。按IEC標準，鉑熱電阻的使用溫度范圍為－200～850℃。鉑熱電阻的阻值與溫度之間的特性方程為在－200℃≤T≤0℃的溫度范圍內：

RT=R0［1+AT+BT2+CT3(t－100)］

在0℃≤T≤850℃的溫度范圍內：

RT=R0［1+AT+BT2］式中,RT、R0表示鉑熱電阻在T℃和0℃時的電阻值；

A、B、C表示分度常數。在ITS—90中，這些常數規(guī)定如下：

A=3.9083×10－3/℃，B=－5.775×10－7/℃，

C=－4.183×10－12/℃

可以看出，鉑熱電阻在溫度為T℃時的電阻值與0℃時的電阻值R0有關。目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號分別為P10和P100，其中以P100為常用。鉑熱電阻中的鉑絲純度用電阻比W(100)表示，即式中,R100表示鉑熱電阻在100℃時的電阻值；

R0表示鉑熱電阻在0℃時的電阻值。電阻比W(100)越大，其純度越高。按IEC標準，工業(yè)使用的鉑熱電阻的W(100)≥1.3850。目前技術水平可達到W(100)=1.3930，其對應鉑的純度為99.9995%。

2.銅熱電阻

在一些測量精度要求不高、測溫范圍不大且溫度較低的測溫場合，可采用銅熱電阻進行測溫。銅熱電阻的測量范圍為－50～150℃。

在測量范圍－50～150℃內，銅熱電阻的電阻值與溫度的關系可近似地表示為

RT=R0（1+αT）

式中,α表示銅熱電阻的電阻溫度系數，取α=4.28×10－3/℃.

3.熱電阻的結構和測量電路

熱電阻的電阻體由電阻絲和電阻支架組成。電阻絲采用雙線無感繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撐和絕緣作用，引出線通常采用直徑為

1mm的銀絲或鍍銀銅絲，它與接線盒柱相接，以便與外接線路相連而測量及顯示溫度。圖9-19所示的是工業(yè)用熱電阻的結構示意圖。圖9-19熱電阻結構(a)熱電阻整體結構；(b)內部結構用熱電阻傳感器進行測溫時，熱電阻與檢測儀表相隔一段距離，因為熱電阻的引線對測量結果有較大的影響，所以測量電路經常采用電橋電路。熱電阻內部的引線方式有二線制、三線制和四線制三種，如圖9-20所示。二線制中引線電阻對測量影響大，用于測溫精度不高的場合；三線制可以減小熱電阻與測量儀表之間連接導線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差；四線制可以完全消除引線電阻對測量結果的影響，用于高精度溫度檢測。圖9-20熱電阻的內部引線方式(a)二線制接線；(b)三線制接線；(c)四線制接線圖9-21所示的是工業(yè)上常采用的熱電阻三線制橋式接線測量電路。圖中RT為熱電阻，r1、r2、

r3為接線電阻，R1，R2為橋臂電阻，通常取R1＝R2，Rw為調零電阻。M為指示儀表，它具有很大的內阻，所以流過r3的電流近似為零。當UA=UB時，電橋平衡，使r1=r2，則Rw=RT，從而消除了接線電阻的影響。圖9-21熱電阻三線制橋式接線測量電路9.5.2半導體熱敏電阻傳感器

1.熱敏電阻測溫原理

熱敏電阻溫度傳感器就是利用半導體的電阻值隨溫度變化的特性，對溫度及與溫度有關的參數進行檢測的裝置。金屬導體的電阻值隨溫度的升高而增大，但半導體卻相反，其電

阻值隨溫度的升高而急劇減小，并呈現非線性。在溫度變化相同時，熱敏電阻的阻值變化約為鉑熱電阻的10倍，因此可以用它來測量0.01℃或更小的溫度差異。

2.結構與材料和特性

熱敏電阻主要由熱敏探頭、引線、殼體構成，如圖9-22所示。圖9-22熱敏電阻的結構及電路符號(a)熱敏電阻的結構；(b)電路符號熱敏電阻一般做成二端器件，但也有做成三端或四端的。二端或三端器件可直接在電路中獲得功率，稱為直熱式。四端器件一般是旁熱式熱敏電阻。根據不同的要求，可以把熱敏電阻做成不同的形狀結構，其典型結構如圖9-23所示。常用的半導體材料有鐵、鎳、錳、鈷、鉬、鎂、鈦、銅等的氧化物或其他化合物，根據產品性能的不同，進行不同的配比燒結而成。表現出來的主要特性有溫度特性和伏安特性。圖9-23熱敏電阻的結構形式(a)圓片型；(b)薄膜型；(c)柱型；(d)管型；(e)平板型；(f)珠型；(g)扁型；(h)墊圈型；(i)桿型

1）溫度特性

熱敏電阻按其性能可分為負溫度系數NTC型熱敏電阻、正溫度系數PTC型熱敏電阻和臨界溫度CTR型熱敏電阻三種。熱敏電阻的電阻-溫度特性曲線如圖9-24所示，其中曲線1、2、3、4分別為NTC型、CTR型、PTC型熱敏電阻和鉑的電阻溫度特性曲線。圖9-24熱敏電阻的電阻-溫度特性曲線半導體熱敏電阻就是利用這種性質來測量溫度的?，F以負溫度系數NTC型熱敏電阻為例進行說明，可用如下經驗公式描述：式中，RT表示溫度為T

時的電阻值；A表示與材料和幾何尺寸有關的常數；B表示熱敏電阻常數。若已知T1和T2時的電阻為RT1和

RT2，則可通過公式求取A

、

B的值，即

2)伏安特性(U-I)

熱敏電阻伏安特性表示加在其兩端的電壓和通過的電流，在熱敏電阻和周圍介質熱平衡(即加在元件上的電功率和耗散功率相等)時的相互關系。

（1)負溫度系數(NTC)熱敏電阻的伏安特性(U-I)。

特性曲線如圖9-25所示，該曲線是在環(huán)境溫度為T0

時的靜態(tài)介質中測出的靜態(tài)U-I曲線。圖9-25NTC熱敏電阻器的靜態(tài)伏安特性曲線熱敏電阻的端電壓UT和通過它的電流I

有如下關系：式中，T0表示環(huán)境溫度；ΔT表示熱敏電阻的溫升；BN表示熱敏電阻的材料常數。（2)正溫度系數(PTC)熱敏電阻器的伏安特性(U-I)。

曲線如圖9-26所示，它與NTC熱敏電阻一樣，曲線的起始段為直線，其斜率與熱敏電阻在環(huán)境溫度下的電阻值相等。這是因為流過熱敏電阻電流很小時，耗散功率引起的溫升可以忽略不計的緣故。當熱敏電阻溫度超過環(huán)境溫度時，引起電阻值增大，曲線開始彎曲。當電壓增至Um時，存在一個電流最大值Im；如電壓繼續(xù)增加，由于溫升引起電阻值增加速度超過電壓增加的速度，電流反而減小，即曲線斜率由正變負。圖9-26PTC熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性曲線

3.熱敏電阻的應用

由于熱敏電阻具有許多優(yōu)點，所以應用范圍很廣，可用于溫度測量、溫度控制、溫度補償、穩(wěn)壓穩(wěn)幅、自動增益調整、氣體和液體分析、火災報警、過熱保護等方面。下

面介紹幾種主要方法。

(1)熱敏電阻測溫電橋。

熱敏電阻測溫電橋電路如圖9-27所示。圖9-27熱敏電阻測溫電橋電路(a)實物連接；(b)電路原理（2）熱敏電阻作溫度補償用。

通常補償網絡由熱敏電阻器

RT和與溫度無關的線性電阻器R1、R2串并聯組成，如圖9-28所示。

熱敏電阻的補償溫度范圍為T1～T2。對于晶體管低頻放大器和功率放大器電路的溫度補償，可用公式來確定熱敏電阻器的型號。

9.6集成溫度傳感器

集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。集成溫度

傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸

出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度為0℃時的輸出為0V，溫度為25℃時的輸出為2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為

1mA/K。9.6.1集成溫度傳感器的測溫原理

PN結的電流、電壓特性簡稱為伏安特性，PN結伏安特性可用下式表示：式中：I為PN結正向電流；U為PN結正向壓降；k為波爾茲曼常數；q為電子電荷量；T為絕對溫度；IS為PN結反向飽和電流。當時，則上式為兩邊取對數，則可見，只要通過PN結上的正向電流I恒定，則PN結的正向壓降U與溫度的線性關系只受反向飽和電流IS的影響。IS是溫度的緩變函數，只要選擇合適的摻雜濃度，就可認為在不太寬的溫度范圍內，IS近似常數，因此，正向壓降U與溫度T成線性關系。常數二極管作為溫度傳感器雖然工藝簡單，但線性差，因而把NPN晶體管的bc結短接，利用be結作為感溫器件，即通常的三極管，三極管形式更接近理想PN結，其線性更接近理

論推導值。圖9-29是集成溫度傳感器基本原理電路圖，VT1、VT2是兩只互相匹配的溫敏晶體管，I1、I2是集電極電流，由恒流源提供，ΔUbe是兩個晶體管發(fā)射極和基極之間電壓差。圖9-29集成溫度傳感器基本電路原理圖集成溫度傳感器把熱敏晶體管和外圍電路、放大器、偏置電路及線性電路制作在同一芯片上，利用發(fā)射極電流密度在恒定比率下工作的晶體管對的基極發(fā)射極電壓Ube之間的差

與溫度成線性關系，如伏安方程式：式中：

k表示波爾茲曼常數；q表示電子電荷量；T表示絕對溫度；

γ表示VT1、VT2發(fā)射極面積比。9.6.2集成溫度傳感器的類型

1.模擬溫度傳感器

模擬溫度傳感器于20世紀80年代問世，它是將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用IC。模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一(僅測

量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控溫，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單，是目前應用最為普遍的一種集成傳感器。

2.數字溫度傳感器

一般來說，具有輸出數字信號便于電腦處理的傳感器就是數字傳感器。數字傳感器系統(tǒng)可以輸出線性無漂移的模擬信號，也可以輸出代表特定含義的串行脈沖，甚至可以按照給定程序去控制某個對象（如電機）。將模擬溫度傳感器與數字轉換接口電路集成在一起，就成為具有數字輸出能力的數字溫度傳感器。隨著半導體技術的迅猛發(fā)展，半導體溫度傳

感器與相應的轉換電路、接口電路以及各種其他功能電路逐漸集成在一起，形成