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1、第8章 热电式传感器8.1 热电偶传感器8.2 热电阻传感器8.3 热敏电阻传感器教学基本要求和重点n掌握有关热电偶、热电阻和热敏电阻的基本 概念n掌握三类热电式传感器的基本工作原理n掌握热电偶的基本定律、基本类型、温度补 偿方法、使用热电偶的测温方法n掌握热电阻的内部引线方式及其适用场合n掌握热敏电阻的电阻温度特性n会使用分度表*38.1.1 热电偶n1热电效应 n热电效应就是把两种不同的导体或半导 体（A和B）串接成一个闭合回路，如果 两导体接点处温度（ 和 ）不同，则两点 之间便产生电动势，从而在回路中便形 成了电流的现象。由此效应产生的电动 势，通常称为热电动势。n1821年由Seeb
2、ack发现的，故又称为赛 贝克效应。8.1 热电偶传感器热电偶回路 *5热电势由两部分组成n两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两 种导体称为“热电极”，产生的电势则称为 “热电势”，热电偶的两个结点，一个称为 测量端（工作端或热端），另一个称为 参考端（自由端或冷端）。n一部分是两种导体的接触电势，另一部 分是单一导体的温差电势。接触电动势接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。两接点的接触电动势eAB(T)和eAB（T0）可表示为 含义：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。大小表示：温差电动势机理：高温
3、端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电， 低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。*8热电动势示意图 *9热电偶的电势 n设导体A、B组成热电偶的两结点温度分别为 T和T0，热电偶回路所产生的总电动势， 热电偶的接触电动势要远大于温差电动势，忽略 温差电动势，热电偶的热电势可表示为，*10结论n（1）如果热电偶两材料相同，则无论结点处 的温度如何，总电势为0。n（2）如果两结点处的温度相同，尽管A、B材 料不同，总热电势为0。n（3）热电偶热电势的大小，只与组成热电偶 的材料和两结点的温度有关，
4、而与热电偶的形 状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热 电势便是两结点电势差。n（4）如果使冷端温度0保持不变，则热电动 势便成为热端温度的单一函数。 影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关两热电极相同时，总电动势为0两接点温度相同时，总电动势为0对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即 可见：只要测出eAB（T,T0）的大小，就能得到 被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。 讨论热电偶的分度表n不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有 不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定， 并将不同温度下测得的结果
5、列成表格，编制出热 电势与温度的对照表，即分度表。n供查阅使用，每10分档 。中间值按内插法计算 。S型(铂铑10-铂)热电偶分度表 在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。中间导体定律应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。2. 热电偶基本定律测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路 中间温度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0) 在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t, t0)等于热电偶AB在
6、接点温度t、tc和tc、t0时的热电势eAB(t, tc)和eAB(tc, t0)的代数和，即 中间温度定律 中间温度定律的应用 根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热 电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。 该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中, 利用热电偶这一性质, 可对参考端温度不为0的热电势进行修正。标准导体（电极）定律标准导体定律的意义n通常选用高纯铂丝作标准电极n只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势， 则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根 据标准电极定律计算出来。 例子n热端为100
7、，冷端为0时，镍铬合金 与纯铂组成的热电偶的热电动势为 2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的 热电动势为4.0mV，则镍铬和考铜组 成的热电偶所产生的热电动势应为：n2.95(4.0)=6.95(mV)均质导体定律由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两种不 同性质的均质材料构成。 意义：有助于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀 性。 为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有：普通型热电偶特殊热电偶铠装型热电偶薄膜热电偶等。 热电偶的结构与种类*24普通型热电偶 n普
8、通型结构热电偶工业上使用最多，它 一般由热电极、绝缘套管、保护管和接 线盒组成。n普通型热电偶按其安装时的连接形式可 分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活 动法兰连接、无固定装置等多种形式。普通型热电偶结构 *26普通装配型热电偶的 外形安装 螺纹安装 法兰*27普通装配型热 电偶的 结构放大图 接线 盒引出线套管 固定螺纹 （出厂时用塑料包裹 ）热电偶工作端（热端） 不锈钢保护管 *28铠装型热电偶 n铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由 热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经 拉伸加工而成的坚实组合体 .n它可以做得很细很长，使用中随需要能 任意弯曲。铠装型热电偶的主要优点是 测温端热容量小，动态
9、响应快，机械强 度高，挠性好，可安装在结构复杂的装 置上，因此被广泛用在许多工业部门中 。 优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。 铠装型热电偶*30铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可 长达上百米薄壁金属 保护套管 （铠体） BA绝缘 材料铠装型热电偶 横截面*31薄膜热电偶 n用真空蒸镀（或真空溅射）、化学涂层等工艺 ，将热电极材料沉积在绝缘基板上形成的一层 金属薄膜。热电偶测量端既小又薄（厚度可达 0.010.1m），因而热惯性小，反应快，可 用于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度 。 n其结构有片状、针状和把热电极材料直接蒸镀 在被测表面上等3
10、种。所用的电极类型有铁-康 铜、铁镍、铜-康铜、镍铬-镍硅等。测温范围 为200300。 *32铁-镍薄膜热电偶结构 1测量接点 2铁膜 3铁丝 4镍丝 5接头夹具 6镍膜 7衬架薄膜热电偶特点：热接点可以做得很小（m），具有热容量小、反应速度快（s）等特点，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。 *34表面热电偶 n表面热电偶是用来测量各种状态的固体 表面温度的，如测量轧辊、金属块、炉 壁、橡胶筒和涡轮叶片等表面温度。n此外还有测量气流温度的热电偶、浸入 式热电偶等。热电极材料的选取n性能稳定 n温度测量范围广n物理化学性能稳定 n导电率要高，并且电阻温度系数要小n材料的机械
11、强度要高，复制性好、复制工艺简单，价 格便宜工程用热电偶材料应满足条件：热电势变化尽量大，热电势与温度关系尽量接近线性关系，物理、化学性能稳定，易加工，复现性好，便于成批生产，有良好的互换性。 热电偶的种类国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐8种标准化热电偶（已列入工业标准化文件中，具有统一的分 度表）。我国已采用IEC标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。标准化热电偶的主要性能和特点 热电偶名称正热电 极负热电 极分度号测温范围特 点铂铑30铂 铑6铂铑30铂铑6B0 1700 （超高温）适用于氧化性气氛中测温，测温上 限高，稳定性好。在冶金、钢水等 高温领域得到广泛应用。
12、铂铑10铂铂铑10纯铂S0 1600 （超高温）适用于氧化性、惰性气氛中测温， 热电性能稳定，抗氧化性强，精度 高，但价格贵、热电动势较 小。 常用作标准热电偶或用于高温测量 。镍铬镍硅镍铬合 金镍硅K200 1200 （高温）适用于氧化和中性气氛中测温，测 温范围很宽、热电动势 与温度关 系近似线性、热电动势 大、价格 低。稳定性不如B、S型热电偶， 但是非贵金属热电偶中性能最稳定 的一种。镍铬康铜镍铬合 金铜镍合 金E200 900 （中温）适用于还原性或惰性气氛中测温， 热电动势较 其他热电偶大，稳定 性好，灵敏度高，价格低。铁康铜铁铜镍合 金J200 750 （中温）适用于还原性气氛中
13、测温，价格低 ，热电动势较 大，仅次于E型热电 偶。缺点是铁极易氧化。铜康铜铜铜镍合 金T200 350 （低温）适用于还原性气氛中测温，精度高 ，价格低。在2000可制成标 准热电偶。缺点是铜极易氧化。*38热电偶传感器温度补偿方法n常用的补偿方法有：n补偿导线法，n冷端恒温法，n温度修正法，n电桥补偿法等。8.1.3 热电偶的冷端温度补偿当热端温度为t时，分度表所对应的热电势eAB(t, 0)与热电偶实际产生的热电势eAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式： eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0) 由此可见，eAB(t0，0)是冷端温度t0的函数，因此需要
14、对热电偶冷端温度进行处理。 热电偶一般做得较短， 一般为3502000mm。在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样, 冷端温度t0比较稳定。(1) 热电偶补偿导线 解决办法：工程中采用一种补偿导线。在0100温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。 *41补偿导线法 常用补偿导线 热电偶类型补偿导线类 型 补偿导线正极负极铂铑10铂铜铜镍合金铜铜镍合金 （镍的质量分数为0.6%）镍铬镍硅I型：镍铬镍硅镍铬镍硅镍铬镍硅II型：铜康铜铜康铜镍铬康铜镍铬康铜镍铬康铜铁康铜铁康铜铁康铜铜康铜铜康铜铜康铜在实验室及精密测量中，通
15、常把冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。 (2) 冷端0恒温法 当冷端温度t0不等于0，需要对热电偶回路的测量电势值eAB（t，t0）加以修正。当工作端温度为t时，分度表可查eAB(t,0)与eAB(t0,0)。根据中间温度定律得到： eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0) (3) 冷端温度修正法 例子用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30，测得热电势eAB（t，t0）为33.29mV, 求加热炉温度。 解：查镍铬-镍硅热电偶分度表得eAB（30，0）1.203 mV。 可得 eAB（
16、t，0）= eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.8 。 (4) 冷端温度自动补偿法（电桥补偿法）8.1.4 热电偶测温线路测量单点的温度特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。如热电偶正向串联， 可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联；利用热电偶并联可以测量平均温度。测量两点间温度差（反向串联）测量平均温度（并联或正向串联） 特点：当有一只热电偶烧断时， 难以觉察出来。当然，它也不会 中断整个测温系统的工作。优点：热电动势大，仪表的灵敏度大 大增加，且避免了热电偶并联线路存 在的缺点，可立即可以发现有断路。 缺点：只要有一支热电偶断路，整个 测温系统将停止工作。8.1.5 热电偶的应用n常用炉温测量控制系统如
