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1、第七章 热电式传感器,第七章 热电式传感器,第一节 概 述 第二节 热 电 偶 第三节 热电阻传感器 第四节 半导体温度传感器,第一节 概 述,表7-1 温度传感器的类型、特征及应用范围,第一节 概 述,表7-1 温度传感器的类型、特征及应用范围,第二节 热 电 偶,一、热电偶的测温原理 二、热电偶的基本定律 三、常用热电偶 四、常用热电偶的结构 五、热电偶冷端的温度补偿 六、热电偶实用测温电路,一、热电偶的测温原理,1.热电效应 2.接触电动势 3.温差电动势 4.热电偶回路的总热电动势,1.热电效应,图7-1 热电偶结构原理图,2.接触电动势,图7-2 接触电动势,3.温差电动势,图7-3
2、 导体温差电动势,4.热电偶回路的总热电动势,1)如果构成热电偶回路的两种导体材料相同，即使两个节点之间存在温度差，热电偶回路内的总热电动势也为零，即 2)如果热电偶的两个节点的温度相同(即TT0)，即使导体A、B的材料不同，A、B回路内的总热电动势也为零，即 3)热电偶AB的热电动势与A、B材料的中间温度无关，而只与节点温度有关。,二、热电偶的基本定律,1.中间温度定律 2.中间导体定律 3.标准电极定律,1.中间温度定律,图7-4 中间温度定律,2.中间导体定律,1)在热电偶AB回路中，断开自由端节点接入第三种导体C，并且要保证新引入的两个节点的温度仍为T0(如图7-5a所示)。 2)在热
3、电偶AB回路中，将其中的一个导体A断开，接入导体C(如图7-5b所示)，并且要使导体C与A形成的两个新节点保持相同的温度T1。,图7-5 热电偶接入中间导体的回路,3.标准电极定律,图7-6 标准电极定律,三、常用热电偶,1.标准化热电偶 2.非标准热电偶,三、常用热电偶,表7-2 热电偶的种类,1.标准化热电偶,(1)铂铑10-铂热电偶(S型) 此种热电偶是由0.5mm的纯铂丝和相同直径的铂铑丝(铂90，铑10)制成。 (2)铂铑30-铂铑6热电偶(B型) 此种热电偶以铂铑30丝(铂70，铑30)为正极，铂铑6丝(铂94，铑6)为负极。 (3)镍铬-镍硅(镍铬-镍铝)热电偶(K型) 此种热电
4、偶由镍铬和镍硅材料制成。 (4)镍铬-康铜热电偶(E型) 由镍铬与镍、铜合金材料组成。,(1)铂铑10-铂热电偶(S型),此种热电偶是由0.5mm的纯铂丝和相同直径的铂铑丝(铂90，铑10)制成。在此热电偶中，铂铑丝为正极，纯铂丝为负极。铂铑10-铂热电偶可长期在1300以下的温度范围内使用，短期也可测量1600的高温。由于容易得到高纯度的铂和铂铑，所以S型热电偶的复制精度和测量的准确性较高，适宜做成标准热电偶。此外，此种热电偶在氧化性和中性介质中具有较高的物理和化学稳定性。它的主要缺点是热电动势率低；不能在还原性及含有金属或非金属的气氛中使用(会受到蒸气的侵害而变质，进而失去测量的准确性)；
5、材料为贵重金属，成本较高。,(2)铂铑30-铂铑6热电偶(B型),此种热电偶以铂铑30丝(铂70，铑30)为正极，铂铑6丝(铂94，铑6)为负极。B型热电偶可长期测量1600的高温，短期可测量1800。它的特点是性能稳定，精度高，适用于氧化性或中性介质中使用。但它的热电动势率比铂铑10-铂热电偶更小。当冷端温度低于50时，产生的热电动势很小，可以不考虑冷端误差(即不需要对热电动势进行修正)。此外，它的价格也较贵。,(3)镍铬-镍硅(镍铬-镍铝)热电偶(K型),图7-7 几种标准热电偶的温度- 电动势特性曲线,(4)镍铬-康铜热电偶(E型),表7-3 铂铑-铂热电偶(分度号为S)分度表,2.非标
6、准热电偶,(1)钨铼系热电偶 该种热电偶价格低廉，热电动势很大，一般用于超高温的场合，可用来测量高达2760的温度，通常测量低于2316的温度，短时间可测量3000的超高温。 (2)铱铑系热电偶 该系列热电偶属于贵金属热电偶。 (3)镍钴-镍铝热电偶 该种热电偶测温范围为3001000，在300以下的热电动势很小，因此不需要冷端温度补偿。,(1)钨铼系热电偶,该种热电偶价格低廉，热电动势很大，一般用于超高温的场合，可用来测量高达2760的温度，通常测量低于2316的温度，短时间可测量3000的超高温。,(2)铱铑系热电偶,该系列热电偶属于贵金属热电偶。铱铑-铱热电偶适用于中性介质和真空中，可长
7、期用于2000左右的温度测量，不宜在还原性介质中工作，在氧化性介质中使用将会缩短使用寿命。该系列热电偶的热电动势较小，但具有良好的线性。,(3)镍钴-镍铝热电偶,该种热电偶测温范围为3001000，在300以下的热电动势很小，因此不需要冷端温度补偿。,四、常用热电偶的结构,1.普通型热电偶 2.铠装型热电偶 3.薄膜型热电偶,1.普通型热电偶,(1)热电极 热电偶常以热电极的材料种类来命名，其直径大小由价格、机械强度、电导率以及热电偶的用途盒测量范围来确定。 (2)绝缘套管 用来防止两根热电极发生短路，其材料的选用是由使用温度范围和对绝缘性能的要求决定的，常用材料为氧化铝和耐火陶瓷。 (3)保
8、护套管 其作用是使热电极与被测介质隔离，避免受到化学侵蚀或机械损伤，热电极一般是先套上绝缘套管后再装入保护套管中。 (4)接线盒 接线盒供热电偶和补偿导线连接用。 (5)盒盖 用来防止灰尘、水分以及有害气体侵入保护套管内。,1.普通型热电偶,图7-8 普通型热电偶结构示意图 1盒盖 2接线盒 3保护套管 4绝缘套管 5热电极,(1)热电极,热电偶常以热电极的材料种类来命名，其直径大小由价格、机械强度、电导率以及热电偶的用途盒测量范围来确定。贵金属热电极的直径一般在0.130.65mm之间，普通金属热电极直径为0.53.2mm。热电极的长度由使用和安装条件，特别是工作端在被测介质中插入的深度来决
9、定，一般在3502000mm范围内，常用的热电极长度为350mm。,(2)绝缘套管,用来防止两根热电极发生短路，其材料的选用是由使用温度范围和对绝缘性能的要求决定的，常用材料为氧化铝和耐火陶瓷。,(3)保护套管,其作用是使热电极与被测介质隔离，避免受到化学侵蚀或机械损伤，热电极一般是先套上绝缘套管后再装入保护套管中。,(4)接线盒,接线盒供热电偶和补偿导线连接用。接线盒固定在热电偶保护套管上，常用铝合金制成，有普通式和防溅式(密封式)两类。接线端上注明热电极的正、负极性。,(5)盒盖,用来防止灰尘、水分以及有害气体侵入保护套管内。,2.铠装型热电偶,图7-9 铠装型热电偶测量端结构 a)碰底型
10、 b)不碰底型 c)露头型 d)帽型,3.薄膜型热电偶,图7-10 铁-镍片状薄膜型热电偶结构示意图 1测量端接点 2基底 3铁膜 4镍膜 5铁丝 6镍丝 7接头夹具,五、热电偶冷端的温度补偿,1.补偿导线法 2. 0恒温法 3.冷端温度校正(修正)法 4.补偿电桥法,1.补偿导线法,图7-11 补偿导线法示意图,2. 0恒温法,图7-12 冰点槽 1显示仪表 2铜导线 3盖 4试管 5蒸馏水 6水银 7冰点器 8冰水混合体,3.冷端温度校正(修正)法,在实际使用中，热电偶冷端保持0恒定比较繁琐，但欲将其温度保持在某一温度恒定是比较容易的。此时可以采用冷端温度校正法处理。,4.补偿电桥法,图7
11、-13 冷端温度补偿电桥,六、热电偶实用测温电路,1.测量某点温度的电路 2.测量两点之间温度差的电路 3.测量热源平均温度的电路,1.测量某点温度的电路,图7-14 热电偶测温电路,1.测量某点温度的电路,图7-15 热电偶串联测温电路,2.测量两点之间温度差的电路,图7-16 热电偶测温差连接电路 AB热电偶 AB补偿导线,3.测量热源平均温度的电路,图7-17 热电偶测量平均温度连接电路 a)并联电路 b)串联电路,第三节 热电阻传感器,一、热电阻测温原理 二、金属热电阻 三、热敏电阻 四、热电阻传感器的应用,一、热电阻测温原理,图7-18 金属的电阻 温度特性曲线,二、金属热电阻,(一
12、)铂热电阻 (二)铜热电阻 (三)其他热电阻,(一)铂热电阻,由于金属铂具有物理和化学性能非常稳定、耐氧能力很强、工作温度范围宽、电阻率较高、易于提纯、复制性好、容易加工(可制成极细的铂丝或极薄的铂箔)等突出的优点，故金属铂是目前制造热电阻的最佳材料。铂热电阻已成为温度标准，可以传递从13.81903.89K范围内的国际实用温标，同时它也可以用于高精度的工业测量。但其缺点是电阻温度系数较小，在还原性介质中工作时会使铂丝变脆，价格昂贵等。,(二)铜热电阻,由于铂是贵重金属，致使铂热电阻价格昂贵，在一些测量精度要求不是很高且温度较低的场合，普遍采用铜热电阻。铜热电阻可用来测量50150的温度。,(
13、三)其他热电阻,(1)铟热电阻 它可用于低温高精度的测量。 (2)锰热电阻 它在271210的低温范围内，电阻温度系数大，灵敏度高，在271257的温度范围内，其电阻率随温度的平方变化。 (3)碳热电阻 它适于273268.5温度范围内使用，具有灵敏度高，热容量小，对磁场不敏感，价格低廉、使用方便等优点，其较明显的缺点是热稳定性较差。,(1)铟热电阻,它可用于低温高精度的测量。在269258温度范围内，其灵敏度是铂热电阻的10倍，故常用于铂热电阻无法使用的低温情况。采用99.999高纯度铟丝制成的铟热电阻，在26920的全部范围内，复现性可达0.001K。其缺点是材料较软，不易复制。,(2)锰
14、热电阻,它在271210的低温范围内，电阻温度系数大，灵敏度高，在271257的温度范围内，其电阻率随温度的平方变化。,(3)碳热电阻,图7-19 各种热敏电阻的典型特性,三、热敏电阻,1.负温度系数热敏电阻(NTC) 2.正温度系数热敏电阻(PTC) 3.临界温度系数热敏电阻(CTR),1.负温度系数热敏电阻(NTC),负温度系数热敏电阻(NTC)具有电阻率随温度升高而显著减小的特性，是一种缓变型热敏电阻，可测温度范围较宽。该电阻具有较为均匀的感温特性。它将负电阻温度系数很大的固体多晶半导体氧化物(如铜、铁、铝、锰、镍等氧化物)按一定比例混合后，烧结制成。通过改变其中氧化物的成分和比例，可以
15、得到不同测温范围、阻值和温度系数的NTC热敏电阻。,2.正温度系数热敏电阻(PTC),PTC具有在工作温度范围内电阻值随温度升高而显著增大的特性，通常由强电介质BaTiO3系列为基本原料，并掺入适量La、Nb等稀土元素，再经陶瓷工艺高温烧结制成。,3.临界温度系数热敏电阻(CTR),CTR热敏电阻的阻值会在某一特定温度(约68)下发生突变，它是由V、Ba、P等氧化物烧结的固熔体。CTR热敏电阻的实用温度范围是6070，电阻的聚变温度约为0.1。它适合在某一较窄的温度范围做温度控制开关或监测使用。,四、热电阻传感器的应用,(一)金属热电阻传感器 (二)半导体热电阻传感器,(一)金属热电阻传感器,
16、图7-20 热电阻传感器测量电路 a)三线式结构 b)四线式结构,(一)金属热电阻传感器,图7-21 热敏电阻测温电路,(二)半导体热电阻传感器,1.温度测量 2.温度控制 3.热过载保护 4.温度补偿,1.温度测量,图7-22 双桥测温差电路,2.温度控制,图7-23 应用热敏电阻的温度自动控制加热器电路,3.热过载保护,图7-24 热继电器,4.温度补偿,图7-25 仪表中电阻的 温度补偿,第四节 半导体温度传感器,一、半导体单晶非结型温度传感器 二、PN结型温度传感器 一、热电偶 二、热敏电阻,一、半导体单晶非结型温度传感器,二、PN结型温度传感器,(一)二极管温度传感器 (二)晶体管温度传感器 (三)集成温度传感器,(一)二极管温度传感器,(一)二极管温度传感器,(一)二极管温度传感器,图7-26 二极管温度传感器特性曲线,(一)二极管温度传感器,7Z27.tif,(二
