第5 章 热电式传感器第五章 热电式传感器第一节 热电偶传感器第二节 热敏电阻传感器第三节 PN结温度传感器第四节 热电式温度传感器应用第5 章 热电式传感器接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体 接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器 ，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时 ，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实 温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而 发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制 造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体 上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不 会产生消耗；反应快等。温度传感器的种类及特点第5 章 热电式传感器1常用热电阻 范围：-260850；精度：0.001。改进后可连 续工作2000h，失效率小于1，使用期为10年。 2管缆热电阻 测温范围为-20500，最高上限 为1000，精度为0.5级。（）接触式温度传感器3陶瓷热电阻 测量范围为200+500，精度为0.3 、0.15级。 4超低温热电阻 两种碳电阻，可分别测量268.8 253-272.9272.99的温度。 5热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合 使用。经济性好、价格便宜。第5 章 热电式传感器l辐射高温计 用来测量 1000以上高温。分四种： 光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。 2光谱高温计 前苏联研制的YCII型自动测温通用光 谱高温计,其测量范围为4006000,它是采用电子化自 动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。 （二）非接触式温度传感器3超声波温度传感器 特点是响应快(约为10ms左右)， 方向性强。目前国外有可测到5000的产品。 4激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度 测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测 很高的温度，精度为1。美国麻省理工学院正在研制 一种激光温度计，最高温度可达8000，专门用于核聚 变研究。瑞士Browa Borer研究中心用激光温度传感器 可测几千开(K)的高温。 第5 章 热电式传感器第一节 热电偶传感器一、热电效应二、热电偶基本定律三、热电偶的常用材料与结构四、常用测量电路五、热电偶冷端补偿方式六、热电偶的选择、安装使用和校验第5 章 热电式传感器定义：两种不同的导体或半导体A和B组合成闭 合回路，连接点处于不同的温度场中（设TT0 ），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是 说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效 应。这种现象早在1821年首先由西拜克（See back）发现,所以又称西拜克效应。热电偶原理图TT0AB一、热电效应回路中所产生的电 动势，叫热电势。 热电势由两部分组 成，即接触电势和 温差电势。热端冷端第5 章 热电式传感器 1、 接触电势+ +eAB(T)TAB- -eAB(T) 导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势；e 单位电荷， e =1.610-19C；k 波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ； NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。第5 章 热电式传感器AeA(T,To )ToTeA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势； T，T0高低端的绝对温度； A汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温 差电动势，例如在0时，铜的 =2V/。2、 温差电势温差电势的大小与材料性质及两端温度有关。第5 章 热电式传感器由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T 、T0,如果TT0、 NA NB，则必存在着两个接触电势和 两个温差电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3、 回路总电势NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度； A 、 B导体A和B的汤姆逊系数。第5 章 热电式传感器导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度 有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就 只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电 偶测温的原理。只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同 时才能有热电势产生。热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有 关；与热电偶的长度、粗细无关。只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶； 相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同 一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。4、有关热电偶的几点结论：第5 章 热电式传感器二、热电偶基本定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体 是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生 电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一 定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材 料作为电极。1. 均质导体定律2. 中间导体定律ABCT0T0T第5 章 热电式传感器将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，A、C 接点与C、B的接点均处于相同温度T0之中，此回路的 总电势不变. ET0T1T1TET0T0T第5 章 热电式传感器 3. 参考电极定律T0 BCBACAT T0 T T0 T 即：如果两种导体分别与 第三种导体组成的热电偶 所产生的热电势已知，则 此两种导体组成的热电偶 的热电势已知。第5 章 热电式传感器 4. 连接导体定律ABABT Tn T0 Tn BAT Tn BATn T0 +由此可知，回路总热电势等于热电偶电势EAB(T,Tn)与连 接导线热电势EAB(Tn,T0)的代数和，连接导定律是工业 上应用补偿导线进行温度测量理论的基础。ABTTnTnABT0T0热电偶补偿 导线接线图E第5 章 热电式传感器5. 中间温度定律BAT2T1 T3 BAABEAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）T2=0时EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3）=EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3） 定律4中导体A与A，B与B材料相同时第5 章 热电式传感器 三、热电偶的常用材料与结构1工业用热电偶结构下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶 丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验 室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。 1接线盒；2保险套管3绝缘套管4热电偶丝1234热电偶的常用材料P81表5-1第5 章 热电式传感器(a)(b)(c)(d)1322铠装式热电偶（又称套管式热电偶）优点是小型化（直径从 12mm到0.25mm）、寿命 长、热惯性小，使用方便。 测温范围在1100 以下的有：镍铬镍硅 、镍铬考铜铠装式热电偶。 断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属 套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同 ，可分为四种型式如图。1 金属套管; 2绝缘材料; 3热电极(a)碰底型; (b)不碰底型; (c)露头型; (d)帽型第5 章 热电式传感器3快速反应薄膜热电偶用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而 形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.010.lm) 41231热电极; 2热接点; 3绝缘基板; 4引出线因此，特别适用于对壁面温 度的快速测量。安装时,用粘 结剂将它粘结在被测物体壁 面上。目前我国试制的有铁 镍、铁康铜和铜康铜 三种,尺寸为 6060.2mm;绝 缘基板用云母、陶瓷片、玻 璃及酚醛塑料纸等；测温范 围在300以下；反应时间仅 为几ms。 第5 章 热电式传感器 四、常用测量电路1.测量单点温度电路2.测量温差的基本电路ABAUiT2T1BABATABABT0T0Ui第5 章 热电式传感器3.测量平均温度基本电路ABUiT1B ABT2ABT3R1R2R3AT0T0T0T0T0第5 章 热电式传感器1. 冰点槽法把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使 T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰 水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两 个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0五、热电偶冷端补偿方式第5 章 热电式传感器 2. 计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算例 用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境 TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温 计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知， 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，与2.831mV对应的热端温度T=68。 注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49，也 不能把49加上21，认为T=70。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)第5 章 热电式传感器 3. 补正系数法把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查 分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即式中：T为未知的被测温度； T为参比端在室温下热电 偶电势与分度表上对应的某个温度； TH室温； k为补正系数，其它参数见下表。例 用铂铑10铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35， 这时热电动势为11.348mV查S型热电偶的分度表，得 出与此相应的温度T=1150。再从下表中查出，对应 于1150的补正系数k=0.53。于是，被测温度T=1150+0.5335=1168.3（） 用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大 一点，但误差不大于0.14。 T T k TH第5 章 热电式传感器温度T/补正系数k 铂铑10-铂(S)镍铬-镍硅（K） 1000.821.00 2000.721.00 3000.690.98 4000.660.98 5000.631.00 6000.620.96 7000.601.00 8000.591.00 9000.561.00 10000.551.07 11000.531.11 12000.53 13000.52 14000.52 15000.53 16000.53热电偶补正系数 第5 章 热电式传感器例 用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到 室温TH的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是 0而是TH。而热电偶的冷端温度已是TH,则只有当热端温度T=TH 时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一致 了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在 TH不变，指示值就永远正确。 4. 零点迁移法应用领域：如果冷端不是0，但十分稳定（如恒温车间或有空 调的场所）。实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不 变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法， 加大某个适当的值而实现补偿。第5 章 热电式传感器 5. 冷端补偿器法 利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热 电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RC