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1、8、热电式传感器,通过本章的学习： 掌握热电偶、热电阻、热敏电阻测温的工作原理及应用方法。 熟悉热电偶温度计在测量中的冷端补偿方法。 熟悉热电阻温度计测温时三线制测量电路原理及特点。 了解热敏电阻的分类、特点。 了解热敏电阻的温度特性、伏-安特性及应用。,温度的基本概念和测量方法,温度反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。 温度概念的建立及测量：以热平衡为基础的， 温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。 测量方法：接触式测温和非接触式测温,接触式测温,温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两
2、者温度相等。 常用的接触式测温仪表： (1) 膨胀式温度计。 (2) 热电阻温度计。 (3)热电偶温度计。 (4)其他原理的温度计。,特点：,优点：直观、可靠，测量仪表也比较简单。 缺点： 由于敏感元件必须与被测对象接触，在接触过程中就可能破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误差。 有的测温元件不能和被测对象充分接触，不能达到充分的热平衡，使测温元件和被测对象温度不一致，也会带来误差。 在接触过程中，介质腐蚀性，高温时对测温元件的影响，影响测温元件的可靠性和工作寿命。,非接触测温,温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。 常用的非接触式测
3、温仪表： (1) 辐射式温度计：基于普朗克定理 光电高温计，辐射传感器，比色温度计。 (2) 光纤式温度计：光纤的温度特性、传光介质。 光纤温度传感器，光纤辐射温度计。 优点：不与被测物体接触，不破坏原有的温度场，在被测物 体为运动物体时尤为适用。 缺点：精度一般不高。,温度传感器分类,热电阻广泛用来测量200850范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000。标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。,金属热电阻,温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻
4、值与温度的变化趋势相同。,热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒,作为热电阻的材料要求： 电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度； 电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸； 热容量要小，以便提高热电阻的响应速度； 在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能； 电阻与温度的关系最好接近于线性； 应有良好的可加工性，且价格便宜。 使用最广泛的热电阻材料是铂和铜,二、热电阻的材料,常用热电阻, 铂热电阻 主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。 铜热电阻 测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为50150。,热电阻的主要技术性能,2、铂热电阻 目前最好材料,是目前测温复现性最好的
5、一种温度计。,铂电阻的精度与铂的提纯程度有关,百度电阻比,W（100）越高，表示铂丝纯度越高， 国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W（100）1.3925 目前技术水平已达到W（100）1.3930， 工业用铂电阻的纯度W（100）为1.3871.390。,R100是水沸点100摄氏度时的铂电阻值 R0是水冰点0摄氏度时的铂电阻值,铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。 按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围为-200850。铂热电阻的特性方程为： 在-2000的温度范围内,Rt=R01+At+Bt2+C (t-100) 3,在0850的温度范围内 ,
6、Rt = R0(1+At+Bt2),在ITS90 中，这些常数规定为,A=3.908310-13/ B=-5.77510-7/2 C=-4.18310-12/4,可见：热电阻在温度t时的电阻值与0时的电阻值R0有关。 目前我国规定工业用铂热电阻有R0=50和R0=100两种，它们的分度号分别为Pt50和Pt100，其中以Pt100为常用。 铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rt-t的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。,附录 铂热电阻分度表,铂电阻分度表,2、 铜热电阻,应用：测量精度要求不高且温度较低的场合 测量范围：50150 优点： 温度
7、范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。 缺点： 易于氧化，一般只用于150以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。 与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。,铜热电阻的分度表 分度号：Cu50,用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。 热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。 热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。,三、 热电阻的测量电路,内部引线方式,1.两线制,这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。 两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。,2.三线
8、制测量桥路,用于工业测量，一般精度,实验室用，高精度测量,接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。,同理可以计算出A、B两种金属构成回路在温度T0端的接触电势为 但 与 方向相反，所以回路的总接触电势 由上式可见，当两结点的温度相同，即T=T0 ，回路中总电势将为零。,对于两种金属A、B组成的热电偶回路， 汤姆逊电势等于它的代数和，即,综上所述，对于匀质导体A、B组成的热电偶，其总电势为接触电势与温差电势之和。用式子可表示为：,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
9、同材料作为电极。,在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶回路的总电势无影响。,2、中间导体定律,EABC(T,T0)=EAB(T,T0),E,T0,T0,T,E,T0,T1,T1,T,电位计接入 热电偶回路,根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。,导体C(热电极，一般为纯铂丝)作为标准电极(也称参考电极),其中,例 用（S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度Tn=30，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T,查分度表有E（30，0）= 0
10、.173 mV,反查分度表有T=830，测量端实际温度为830,1铂铂铑热电偶 分度号LB3 工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。 正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(重量比)冶炼而成。 负极：铂丝。 测量温度：长期：1300、短期：1600。 特点： 材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶 或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。 测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。 在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵 蚀，需要用保护套管。 材料属贵金属，成本较高。 热电势较弱。,（一）热电偶常用材料,2镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型) 分度号EU2 工业用热电偶
11、丝： 1.22.5mm，实验室用可细些。 正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。 负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴冶炼而成)。 测量温度：长期1000，短期1300。 特点： 价格比较便宜，在工业上广泛应用。 高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2， H2S等气体中易被侵蚀。 复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。,3镍铬考铜热电偶(E型) 分度号为EA2 工业用热电偶丝:1.22mm，实验室用可更细些。 正极：镍铬合金 负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。 测量温度：长期600，短期800。 特点
12、： 价格比较便宜，工业上广泛应用。 在常用热电偶中它产生的热电势最大。 气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变 质，适于在还原性或中性介质中使用。,4铂铑30铂铑6热电偶(B型) 分度号为LL2 正极：铂铑合金（用70铂，30铑冶炼而成）。 负极：铂铑合金（用94铂，6铑冶炼而成）。 测量温度：长期可到1600，短期可达1800。 特点： 材料性能稳定，测量精度高。 还原性气体中易被侵蚀。 低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。 成本高。,（6）铜康铜热电偶，分度号MK 热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43V/。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用
13、于20K473K的低温实验室测量中。,（5）铁康铜热电偶，分度号TK 灵敏度高，约为53V/，线性度好，价格便宜，可在800以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。,热电偶的分度表,热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法,我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。,直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。,热电偶的分度表,工业用热电偶 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
14、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。,原因 热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定； 热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。,第三节 热敏电阻,热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。 在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。,热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分。 NTC又可分为两大类： 第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系； 第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降 。,1、负温度系数热敏电阻的RTT曲线 2、临界负温度系数热敏电阻的RTT曲线 3、开关型热敏电阻器RTT曲线 4、缓变型正温度系数热敏电阻器RTT曲线,
