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1、CH8 热电式传感器原理：利用敏感元件的电磁参数随温度变化的特性，把被测温度变化转换为敏感元件的电阻变化、电势的变化，经过测量电路输出电压或电流。类型：热电阻、热敏电阻、热电偶。应用：测温。8.1 热电阻热电阻测温的基础：电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系数特点：精度高，适宜于测低温1、热电阻的材料及工作原理（1）铂电阻：精度高，稳定性好，性能可靠。测温范围：08500C Rt=R0(1+At+Bt2)， -20000C Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)3A=3.940*10-3/0C, B=-5.820*10-7/0C2, C=-4.274*10-12/0C3分度号：Pt50
2、,Pt100纯度： w(100)=R100/R0 工业铂电阻w(100)=1.3781.390（2）铜电阻：铂是贵金属，价格昂贵，因此在测温范围比较小(-50+150)的情况下，可采用铜制成的测温电阻，称铜电阻。 Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3) A=4.28899*10-3/0C B=-2.133*10-7/0C2 C=1.233*10-9/0C3分度号：CU100，CU50（3）铁电阻和镍电阻：铁和镍这两种金属的电阻温度系数较高、电阻率较大，故可作成体积小，灵敏度高的电阻温度计，其缺点是容易氧化，化学稳定性差，不易提纯，复制性差，而且电阻值与温度的线性关系差。2、测量电路热电阻温度计
3、最常用的测量电路是电桥电路 图8-1 热电阻温度计测量电桥电路 （图中G为指示电表、R1，R2、R3为固定电阻、Ra为零位调节电阻） 图8-2 热电阻测温电桥的四线连接法8.2 热电偶1、热电偶作为敏感元件优点为：结构简单：其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的；具有较高的准确度 ；测量范围宽，常用的热电偶，低温可测到-50，高温可以达到1600左右，配用特殊材料的热电极，最低可测到-180，最高可达到+2800的温度；具有良好的敏感度；使用方便等。2、热电效应定义：将两种不同性质的导体A、B组成闭合回路，如果结点1、2处于不同的温度，回路中就会产生热电势，
4、因而就有电流产生。相应的热电势称为温差电势或塞贝克电势，通称热电势。回路中产生的电流称为热电流，导体A、B称为热电极。测温时结点1置于被测的温度场中，称为测量端(工作端、热端)；结点2一般处在某一恒定温度，称为参考端(自由端、冷端)。由这两种导体的组合并将温度转换成热电势的传感器称为热电偶。（1）两种导体的接触电势 式中 k波尔兹曼常数，为1.3810-16； T 接触处的绝对温度； e 电子电荷数； NA、NB 金属A、B的自由电子密度。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： 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。（2
5、）单一导体的温差电势 当导体两端的温度分别为T、T0时，温差电势可由下式表示： 式中sAA导体的汤姆逊系数。 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。如图8-3所示。 图8-3 热电偶回路的总热电势用式子可表示为： (8-1) 由式(8-1)可得出以下结论： 如果热电偶两电极材料相同，则虽两端温度不同(TT0)。但总输出电势仍为零。因此必须由两种不同的材料才能构成热电偶。如果热电偶两结点温度相同，则回路中的总电势必等于零 。由上述分析知，热电势的大小只与材料和结点温度有关，与热电偶的尺寸、
6、形状及沿电极温度分布无关。（应注意，如果热电极本身性质为非均匀的，由于温度梯度存在，将会有附加电势产生。）3、热电偶基本规律（1） 中间导体定律： 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，对热电偶回路的总热电势无影响。（如图8-4）图8-4 具有中间导体的热电偶回路可用式子表示为： （2） 标准电极定律： 如果将导体C(热电极，一般为纯铂丝)作为标准电极(也称参考电极)，并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，则在相同结点温度(T，T0)下，任意两导体A、B组成的热电偶。（如图8-5）图8-5三个导体分别组成的热电偶其热电势可由下式求得： 结点温度为，由导体A、B组成热
7、电偶时产生的热电势；，结点温度仍为由导体A、B分别与标准电极C组成热电偶时产生的热电势。（3） 连接导体定律和中间温度定律连接导体定律：在热电偶回路中，如果热电极A、B分别与连接导线A、B相连接，结点温度分别为T、Tn、T0 ，那么回路的热电势将等于热电偶的热电势EAB(T,Tn ) 与连接导线A、B在温度Tn、T0 时热电势 EAB(T,Tn ) 的代数和(见图8-6)。图8-6 用连接导线的热电偶回路即： EABBA(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)4、热电偶材料及常用热电偶对热电偶的电极材料主要要求是：配制成的热电偶应具有较大的热电势，并希望热电势与温度之间成线
8、性关系或近似线性关系。能在较宽的温度范围内使用并且在长期工作后物理化学性能与热电性能都比较稳定。电导率要求高，电阻温度系数要小。易于复制，工艺简单，价格便宜。标准化热电偶有：铂铑一铂热电偶、镍铬一镍铝热电偶、镍铬考铜热电偶及铜一康铜热电偶等。5、热电偶测温电路（1）热电偶直接与指示仪表配用 热电偶与动圈式仪表连接，如图8-7所示。这时流过仪表的电流不仅与势电势大小有关，而且与测温回路的总电阻有关，因此要求回路总电阻必须为恒定值，即 Rr+Rc+RG=常数 （8-14） 式中 Rr热电偶电阻； Rc 连接导线电阻； RG 指示仪表的内阻 这种线路常用于测温精度要求不高的场合，因其结构简单，价格便
9、宜。 图8-7 一支热电偶直接配一台仪表 串联 为了提高测量精度和灵敏度，也可将n支型号相同的热电偶依次串接，如图8-8所示。图8-8 热电偶串联测温线路这时线路的总电势为 EG = E1 + E2 + + En = nE 式中的E1，E2， ,En为单支热电偶的热电势。显然总电势比单支热电偶的热电势增大n倍。 若每支热电偶的绝对误差为E1，E2，,En，则整个串联线路的绝对误差为 如果DE1 = DE2= DEn= DE，则 故串联电路的相对误差为： 并联 用若干个热电偶并联，测出各点温度的算术平均值。如图8-9所示。图8-9 热电偶并联测温线路如果n支热电偶的电阻值相等，则并联电路总热电势
10、为 图8-10所示为测两点温度差的线路。两支型号相同的热电偶配用相同的补偿导线，并反串连接，使两热电势相减，从而测出T1和T2的温度差。图8-10 热电偶测温差的线路（2） 桥式电位差计线路如果要求高精度测温并自动记录，常采用自动电位差计线路。图8-15为XWT系列自动平衡记录仪表采用的线路。图中RW，为调零电位器，在测量前调节它使仪表指针置于标度尺起点。 6、热电偶参考端温度（1）0恒温法 把冰屑和清洁的水相混合，放在保温瓶中，并使水面略低于冰屑面，然后把热电偶的参考端置于其中，在一个大气压的条件下，即可使冰水保持在0，这时热电偶输出的热电势与分度值一致。实验室中通常使用这种办法。近年来，已
11、生产一种半导体致冷器件，可恒定在0。（2）热电偶参考端温度为tn时的补正方法热电势补正法、温度补正法、调整仪表起始点法、热电偶补偿法、电桥补偿法 图8-11 热电偶特性曲线8.3 热敏电阻热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感元件，其特点是电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变化转换为能量的变化。制造热敏电阻的材料很多，如锰、铜、镍、钴和钛等氧化物，它们按一定比例混合后压制成型，然后在高温下焙烧而成。热敏电阻具有灵敏度高、体积小、较稳定、制作简单、寿命长、易于维护、动态特性好等优点，因此得到较为广泛的应用，尤其是应用于远距离测量和控制中。1、热敏电阻分类及结构热敏电阻(Thermistor)
12、是一种对温度敏感的元件。从特性分类可分为三类：(1) 负温度系数热敏电阻(NTC-Nogative Temperature Coefficient Thermistor)，它的阻值随温度上升而减小，使用范围为-50+3000C，主要用于测温；(2)正温度系数热敏电阻(PTC-Positive Temperature Coefficient Thermistor)，它的阻值随温度上升而增大，具有开关特性，使用范围为-50+1500C，主要用于彩电消磁、电器设备的过热保护及用作温度开关；(3)临界温度热敏电阻(CTR-Critical Temperature Resistor)，也具有开关特性，使用范围为0+1500C，主要用于温度报警。 热敏电阻有珠粒状、圆柱状、圆片状。一般珠粒状由玻璃封装，圆柱状由树脂或玻璃封装，而圆片状一般由树脂封装。 圆柱状热敏电阻，其外形与一般玻璃封装二极管一样，珠粒状热敏电阻因体积小、时间常数小，适合于制造点温度计、表面温度计。2、热敏电阻的特性曲线及特点（1）电阻-温度特性 典型的NTC热敏电阻、PTC热敏电阻及CTR热敏电阻的特性曲线如图所示。 NTC热敏电阻的电阻温度特性曲线可用如下经验公式描述：式中 RT温度为T时的电阻值； A与热敏电阻材料和几何尺寸有关的常数；B热敏电阻常数。 若已知T1和T2时电阻为RTl和RT2，则可由公式求取A、B值，即
