教学课件第七章热电式传感器

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1、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第七章第七章 热电式传感器热电式传感器第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器7-1 7-1 热电阻传感器热电阻传感器热电阻传感器热电阻传感器是利用导体的电阻随温度变化的特性，是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和温度有关的参数进行检测的装置。对温度和温度有关的参数进行检测的装置。热电阻效应热电阻效应物质的电阻率随温度变化而变化的现象。物质的电阻率随温度变化而变化的现象。金属原子最外层的电子能自由移动，当加上电压以后，金属原子最外层的电子能自由移动，当加上电压以后，这些无规则移动的电子就按一定的方向流动，形成电流。随这些无规则移

2、动的电子就按一定的方向流动，形成电流。随着温度的增加，电子的热运动剧烈，电子之间、电子与振动着温度的增加，电子的热运动剧烈，电子之间、电子与振动的金属离子之间的碰撞机会就不断增加，因此电子的定向移的金属离子之间的碰撞机会就不断增加，因此电子的定向移动将受到阻碍，金属的动将受到阻碍，金属的电阻率电阻率也随之增大。也随之增大。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学实践证明，纯金属、铂、铜、铁和镍是比较适合的材料，实践证明，纯金属、铂、铜、铁和镍是比较适合的材料，其中主要应用的是其中主要应用的是铂和铜铂和铜。铂铂是一种贵重金属，其物理和化学性能非常稳定，是制是一种贵重金属，其物理和化学性能非常稳定，是制造热电

3、阻的最好材料，主要作标准电阻温度计。造热电阻的最好材料，主要作标准电阻温度计。铜铜可用来制造可用来制造-50150范围内工业用电阻温度外，特范围内工业用电阻温度外，特点是点是价格低廉价格低廉，缺点是，缺点是电阻率低电阻率低，且，且容易氧化容易氧化，一般用在较，一般用在较低温度和没有水分和浸蚀性的介质之中。低温度和没有水分和浸蚀性的介质之中。l铂丝的电阻值与温度之间的关系铂丝的电阻值与温度之间的关系在在-2000范围内，范围内，RtR01+At+Bt 2+C(t100)t 3在在0850范围内，范围内，RtR01+At+Bt 2R0当温度为当温度为0时的电阻值；时的电阻值；Rt温度为温度为t时的

4、电阻值；时的电阻值；A、B、C由实验确定的常数。由实验确定的常数。A3.9080210-3/B=-5.80210-7/2C-4.2735010-12/4第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学铂电阻的主要技术指标铂电阻的主要技术指标等等级分度号分度号测温范温范围/ C允允许偏差偏差/ C电阻比阻比R100/ R0名名义值允允许误差差APt10-200850(0.15+0.002|t|)1.3850.001Pt100BPt10(0.30+0.005|t|)Pt100第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传

5、感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学即便在氧化性介质中，其物理、化学性能都很稳定；易提纯，复现性好，有良好的工艺性 ；有较高的电阻率 ； 在还原性介质中性能易受影响；电阻温度系数不太高 ；价格贵 。铂电阻的特点铂电阻的特点第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学几种铂电阻几种铂电阻第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器WZP系列装配式铂电阻系列装配式铂电阻及铠装电阻芯及铠装电阻芯用于一般工业场测温用于

6、一般工业场测温使用温度-200700高强度石英管测温铂电阻高强度石英管测温铂电阻温度范围温度范围-100C至至+500C适用于镀锌锅炉、耐酸、耐适用于镀锌锅炉、耐酸、耐碱等强腐蚀场合碱等强腐蚀场合注注:不耐氢氟酸及磷酸不耐氢氟酸及磷酸哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器精密温度传感器精密温度传感器PtWD1A型-100300误差小于0.1，精度为超A级天燃气流量计天燃气流量计温度补偿用铂电阻温度补偿用铂电阻天燃气涡轮流量计等用天燃气涡轮流量计等用油浸变压器用铂电阻油浸变压器用铂电阻哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学医疗器械铂电阻医疗器

7、械铂电阻第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器薄模铂电阻元件薄模铂电阻元件用用于汽车工业、白色家电，食品加工业、医疗行业。于汽车工业、白色家电，食品加工业、医疗行业。尺寸：尺寸：2.3mm2.1mm0.9mm（长（长宽宽高）高）线长线长10mm哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器防水封装铂电阻防水封装铂电阻核心元件：德国进口精密铂电阻（核心元件：德国进口精密铂电阻（PT100PT1000）元件精度：元件精度：0.15(A级级)0.30(B级级)封装材料：镀镍铜管或不锈钢管封装材料：镀镍铜管或不

8、锈钢管管料尺寸：管料尺寸：4*25mm连接线：连接线：PVC包胶电缆线（可选择耐高温型的）包胶电缆线（可选择耐高温型的）哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学在在-50150温度范围内，铜电阻与温度之间的关系为：温度范围内，铜电阻与温度之间的关系为：RtR0(1+At+Bt 2+Ct 3)Rt温度为温度为t时的铜电阻值时的铜电阻值R0温度为温度为0时的铜电阻值时的铜电阻值A、B、C常数常数A4.2889910-3/B-2.13310-7/2C1.23310-9/3l铜丝的电阻值与温度之间的关系铜丝的电阻值与温度之间的关系目前，铂和铜生产是标准的。目前，铂和铜生产是标准的。铂：铂：Pt50、Pt100、P

9、t300主要是主要是Pt100（R050、100、300）铜：铜：Cu50、Cu100铂的测温精度很高，达铂的测温精度很高，达0.001铜铜0.5（5050），），1（50150）第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学铜电阻的主要技术指标铜电阻的主要技术指标分度号分度号测温范温范围/ C允允许偏差偏差/ C电阻比阻比R100/ R0名名义值 允允许误差差Cu50-50150(0.30+0.006|t|)1.4280.002Cu100第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大

10、学铜电阻的特点铜电阻的特点电阻率小 ；容易氧化 ；价格便宜 。第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学WZC-111/12*1000mmCu50第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学l热电阻的结构热电阻的结构保护管保护管内部导线内部导线绝缘管绝缘管热电阻热电阻盖盖接线座接线座骨架骨架漆包铜线漆包铜线引出线引出线铜热电阻结构示意图铜热电阻结构示意图云母骨架云母骨架铂丝铂丝弹簧支承片弹簧支承片银引出线银引出线云母弹簧型云母弹簧型玻璃封装型玻璃封装型塑封型塑封型第七章第七章第

11、七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器R1R2R3ERtGRpl热电阻测量线路热电阻测量线路热电阻测温电桥三线连接法热电阻测温电桥三线连接法作用作用：当温度变化时，导线长度和电阻温度系数相等，它们当温度变化时，导线长度和电阻温度系数相等，它们的电阻变化不会影响电桥的状态，即不会产生温度误差。的电阻变化不会影响电桥的状态，即不会产生温度误差。Rp的触点接触电阻和检流计串联，接触电阻的不稳定的触点接触电阻和检流计串联，接触电阻的不稳定不会破坏电桥的平衡和正常工作状态。不会破坏

12、电桥的平衡和正常工作状态。r2r1r3哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学热电阻测温电桥四线连接法热电阻测温电桥四线连接法当热电阻安装当热电阻安装的地方比较远，则的地方比较远，则其导线电阻当环境其导线电阻当环境温度变化时也要变温度变化时也要变化，会造成测量误化，会造成测量误差。差。图中图中R1、R2、R3为固定电阻，为固定电阻，Rp为为调零电位器调零电位器第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器R1R2R3ERtGRpr1r2r3r4哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学其它热电阻其它热电阻铁铁/镍热电阻：电阻温度系数比铂和铜高，电镍热电阻：电阻温度系数比铂和铜高，电阻率也较大

13、，可做成体积小、灵敏度高的温阻率也较大，可做成体积小、灵敏度高的温度计，但易氧化，不宜提纯且电阻与温度非度计，但易氧化，不宜提纯且电阻与温度非线性，仅用于线性，仅用于-50100；用的较少。；用的较少。铟电阻：铟电阻：-269-258；测量精度高，灵敏；测量精度高，灵敏度高，但重现性差。度高，但重现性差。锰电阻：锰电阻：-271-210；灵敏度高，但脆性；灵敏度高，但脆性高，易损坏；高，易损坏；炭电阻：炭电阻：-273-268.5；热容量小，灵敏度；热容量小，灵敏度高，价格低，易操作，但热稳定性较差。高，价格低，易操作，但热稳定性较差。第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传

14、感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学7-2 7-2 热敏电阻传感器热敏电阻传感器热敏电阻是用半导体材热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件，与金属料制成的热敏器件，与金属热电阻比较而言，具有热电阻比较而言，具有温度温度系数高系数高，灵敏度高灵敏度高，热惯性热惯性好（适宜动态测量）好（适宜动态测量）但其但其稳稳定性和互换性较差定性和互换性较差。温度温度半导体半导体热敏电阻热敏电阻电电阻阻铂热电阻铂热电阻金属的电阻随温度的升高而金属的电阻随温度的升高而增大，但半导体却相反，它增大，但半导体却相反，它的电阻值随温度的升高而急的电阻值随温度的升高而急剧减小，并呈现非线性。剧减小，并呈现非线性。一

15、、工作原理一、工作原理 第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学半导体这种温度特性，是因为半导体的导电方式半导体这种温度特性，是因为半导体的导电方式是载流子（电子、空穴）导电。由于半导体中载流子是载流子（电子、空穴）导电。由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子少得多，所以它的电阻的数目远比金属中的自由电子少得多，所以它的电阻率很大。率很大。随着温度的升高随着温度的升高，半导体中参加导电的载流，半导体中参加导电的载流子数目就会增多，故子数目就会增多，故半导体导电率就增加，它的电阻半导体导电率就增加，它的电阻率也就降低了率也就降低

16、了。热敏电阻正是利用半导体的电阻值随温度显著变热敏电阻正是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的热敏元件。它是由某些金属氧化物化这一特性制成的热敏元件。它是由某些金属氧化物按不同的配方比例烧结制成的。在一定的范围内，根按不同的配方比例烧结制成的。在一定的范围内，根据测量热敏电阻阻值的变化，便可知被测介质的温度据测量热敏电阻阻值的变化，便可知被测介质的温度变化。变化。第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学NTC热敏电阻的材料是一种由锰（热敏电阻的材料是一种由锰（Mn）、镍）、镍（Ni）、铜（）、铜（Cu）、钴（）、钴（Co）

17、、铁（）、铁（Fe）等金属）等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，改变混氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，改变混合物的成分和配比就可以获得测温范围、阻值及温合物的成分和配比就可以获得测温范围、阻值及温度系数不同度系数不同NTC热敏电阻热敏电阻。它具有。它具有负的电阻温度系负的电阻温度系负的电阻温度系负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。数，随温度上升而阻值下降。数，随温度上升而阻值下降。数，随温度上升而阻值下降。NTC热敏电阻应用广泛。热敏电阻应用广泛。二、热敏电阻的基本类型二、热敏电阻的基本类型 1、NTC热敏电阻热敏电阻根据热敏电阻率随温度变化的特性不同，热敏根据热敏电阻率随温

18、度变化的特性不同，热敏电阻基本可分为三种类型。电阻基本可分为三种类型。第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2、CTR热敏电阻热敏电阻CTR热敏电阻是以三氧化热敏电阻是以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成，它呈半玻璃状，具烧结而成，它呈半玻璃状，具有负温度系数。通常，有负温度系数。通常，CTR热热敏电阻用树脂包封成珠状或厚敏电阻用树脂包封成珠状或厚膜形使用，其阻值在膜形使用，其阻值在1k 10M之间。之间。CTR热敏电阻随温度变化热敏电阻随温度

19、变化的特性属剧变型，具有开关特的特性属剧变型，具有开关特性，如左图所示。当温度高于性，如左图所示。当温度高于居里点居里点TC时，其阻值会减小到时，其阻值会减小到临界状态，突变的数量级为临界状态，突变的数量级为24。因此又称这类热敏电阻为临界因此又称这类热敏电阻为临界热敏电阻热敏电阻。Tc温度温度T（）200150100500103101105107电阻率电阻率（.cm）第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学3、PTC热敏电阻热敏电阻TNTC1062001000101102103104105107温度温度T（）电阻率电阻率（.cm）

20、PTC热敏电阻是以钛酸钡掺合热敏电阻是以钛酸钡掺合稀土元素烧结而成的半导休陶瓷元稀土元素烧结而成的半导休陶瓷元件，具有正温度系数。其温度特性件，具有正温度系数。其温度特性曲线如左图所示，从特性曲线上可曲线如左图所示，从特性曲线上可以看到以看到PTC热敏电阻具有以下特性：热敏电阻具有以下特性：(1)当温度低于居里点当温度低于居里点TC时，具有时，具有半导体特性；半导体特性；(2)当温度高于居里点当温度高于居里点TC时，电阻时，电阻值随温度升高而急剧增大，至值随温度升高而急剧增大，至TN温温度时出现负阻现象；度时出现负阻现象；(3)具有通电瞬间产生强大电流而具有通电瞬间产生强大电流而后很快衰减的特

21、性。后很快衰减的特性。基于基于PTC热敏电阻的特性，可利热敏电阻的特性，可利用其自控作用，做成各种恒温器、用其自控作用，做成各种恒温器、限流保护元件或温控开关。还可以限流保护元件或温控开关。还可以用用PTC组成发热元件，功率一般为组成发热元件，功率一般为几瓦到数百瓦。几瓦到数百瓦。第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学三、热敏电阻的伏安特性三、热敏电阻的伏安特性 R RT TA A( (T T-1)exp(-1)exp(B B/ /T T) )RT 温度为温度为T时电阻值时电阻值A与材料和几何尺寸有关的常数与材料和几何尺寸有关的常

22、数B热敏电阻常数（与半导体物理性能有关）热敏电阻常数（与半导体物理性能有关）若已知若已知T1和和T2时电阻为时电阻为RT1和和RT2，则：，则：第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学将热敏电阻接上一个电流源将热敏电阻接上一个电流源，并在它两端测得端电压，可，并在它两端测得端电压，可得到热敏电阻的伏安特性。得到热敏电阻的伏安特性。V（电压）（电压）IaImI（电流）（电流）d0abc曲线分四段，曲线分四段，0a段：段：电电流小于流小于Ia，功耗小，电流，功耗小，电流不足以使热敏电阻发热，不足以使热敏电阻发热，元件上的温度基本是环境元

23、件上的温度基本是环境温度。此时热敏电阻相当温度。此时热敏电阻相当于一个固定电阻，电压与于一个固定电阻，电压与电流之间符合欧姆定律。电流之间符合欧姆定律。 ab段：段：随着电流增加，热敏电阻功耗增加，导致电流加热引随着电流增加，热敏电阻功耗增加，导致电流加热引起热敏电阻自身温度超过环境温度（介质温度），其阻值降低，起热敏电阻自身温度超过环境温度（介质温度），其阻值降低，因此出现因此出现非线性正阻区非线性正阻区，电流增长速度阻值减小的速度。，电流增长速度阻值减小的速度。cd段：段：随着电流增加，为随着电流增加，为Im时，电压达到最大值，电流继续时，电压达到最大值，电流继续增加，热敏电阻本身加热更为

24、剧烈，阻值迅速减小，增加，热敏电阻本身加热更为剧烈，阻值迅速减小，阻值减小的阻值减小的速度大于电流增加的速度速度大于电流增加的速度，出现，出现cd段段负阻区负阻区。第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学0a段：正常使用热敏电阻测温时。段：正常使用热敏电阻测温时。cd段：可用来测量风速、真空度、流量等参段：可用来测量风速、真空度、流量等参数。数。热敏电阻非线性严重，使用中要进行非线性补热敏电阻非线性严重，使用中要进行非线性补偿。偿。在硬件电路方法上，采用温度系数较小的电阻在硬件电路方法上，采用温度系数较小的电阻与热敏电阻串、并联接法

25、，使得热敏电阻的电阻与热敏电阻串、并联接法，使得热敏电阻的电阻温度曲线变为平坦。温度曲线变为平坦。第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学热敏电阻的特点热敏电阻的特点电阻温度系数大，灵敏度高；形状多样，体积小，热惯性小，响应速度快；电阻值大，远距离测量时可不考虑导线电阻的影响；在-50C350C范围内具有良好的稳定性；阻值分散性大、复现性差；非线性大；老化较快。第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和

26、珠形等，其结构及温度特性如图所示。其结构及温度特性如图所示。 第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学热敏电阻的结构热敏电阻的结构第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学实物图片实物图片第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器1.耗散系数：耗散系数：5mW/2.热时间常数热时间常数:10S3.测温范围测温范围:-40+110主要用于电饭锅等烹饪用具。主要用于电饭锅等烹饪用具。耐高温，反应快而精确耐高温，反应快而精确哈尔滨工业大学哈尔滨工业

27、大学第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器ABS材质外壳，材质外壳，PVC导线导线,用于电冰箱、冰柜。耐腐防用于电冰箱、冰柜。耐腐防潮潮1.耗散系数：耗散系数：5mW/2.热时间常数热时间常数:NB，电子扩散的结果使导体，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，失去电子而带正电，导体导体B则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势。成一个稳定的电位差，即接触电动势。(1)接触电动势接

28、触电动势第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器其大小可表示为：其大小可表示为：式中：式中：K波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，K1.3810-23e 电子电荷量电子电荷量e =1.610-19CNA(NB)为为A(B)材料的自由电子密度。材料的自由电子密度。ABT0T接触电势接触电势哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学同一导体中的，如果两端温度不同，在两端间会产同一导体中的，如果两端温度不同，在两端间会产生电动势生电动势，即产生单一导体的温差电动势，这是由于，即产生单一导

29、体的温差电动势，这是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散的结果。高温端因失去电子而带正电，低温温端扩散的结果。高温端因失去电子而带正电，低温端由于获得电子而带负电，在高低温端之间形成一个端由于获得电子而带负电，在高低温端之间形成一个电位差。温差电动势的大小与导体的性质和两端的温电位差。温差电动势的大小与导体的性质和两端的温差有关。差有关。(2)温差电势温差电势第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 AA材料的汤姆逊系数。材料的汤姆逊系数。（表示导体（表示导体A两端

30、的温度差为两端的温度差为1时所产生的温差电动势时所产生的温差电动势）第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器ABT0T温差电势T T0哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学(3)回路总电势回路总电势回路接触电势回路接触电势回路温差电势回路温差电势第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器ab赛赛贝贝克克（Seebeck）效效应应ABT0T总温差热电势T T0哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器几点讨论几点讨论如果组成热电偶的两个电极的材料相同，即使是两结点的如果组成热电偶的

31、两个电极的材料相同，即使是两结点的温度不同也不会产生热电势。温度不同也不会产生热电势。组成热电偶的两个电极的材料虽然不相同，但是两结点的组成热电偶的两个电极的材料虽然不相同，但是两结点的温度相同也不会产生热电势。温度相同也不会产生热电势。由不同电极材料由不同电极材料A、B组成的热电偶，当冷端温度组成的热电偶，当冷端温度T0恒定恒定时，产生的热电势在时，产生的热电势在一定的温度范围内一定的温度范围内仅是热端温度仅是热端温度T 的单值函的单值函数。数。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学1、中间导体定律、中间导体定律二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器

32、热电式传感器热电式传感器 将由将由A A、B B两种导体组成的热电偶的冷端（两种导体组成的热电偶的冷端（T0 0端）断端）断开而接入的三种导体开而接入的三种导体C C后，只要冷、热端的后，只要冷、热端的T0 0 、T 保持保持不变，则回路的总热电势不变。不变，则回路的总热电势不变。BT0TABT0TT0AC哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学T T0ABT0TT0C第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器ab哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学推导过程推导过程推导过程推导过程第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器 此定律具有特别重要的实用意

33、义，因为用热电偶测温时此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时必须必须接入仪表接入仪表( (第三种材料第三种材料) )，根据此定律，只要仪表两接入点的温度，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致保持一致( (T0 0 ) )仪表的入就不会影响热电势。而且仪表的入就不会影响热电势。而且A A、B B结点的焊接结点的焊接方法也可以是任意的。方法也可以是任意的。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2、参考电极定律参考电极定律（标准电极定律）（标准电极定律）BT0TACT0TABT0TC第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器 如果两种导体如果两种导体A A、B

34、B分别与第三种导体分别与第三种导体C C所组成的热电偶所产生所组成的热电偶所产生的热电势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电势也是的热电势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电势也是已知的，且已知的，且 根据此定律，可以便于给出所有热电偶材料的有根据此定律，可以便于给出所有热电偶材料的有关参数，方便热电偶电极的选配。关参数，方便热电偶电极的选配。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学证明证明：第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器BT0TACT0TABT0TC哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学3、中间温度定律、中间温度定律BT0TABT1TABT0T1A这是中间温

35、度定律，因为热电势与两个结的温这是中间温度定律，因为热电势与两个结的温度有关，要测得某一结所处的温度，则另一个结必度有关，要测得某一结所处的温度，则另一个结必须须0，而实际上这样的条件是难办到的；但只要测，而实际上这样的条件是难办到的；但只要测得得（E表示热电势，表示热电势，A、B表示两种不同金属，表示两种不同金属，T、T1表示两个结处在表示两个结处在T、T1温度下），并且可测得温度下），并且可测得T1，则，则可以查表确定，用可以查表确定，用与与的和，便的和，便可确定可确定T处温度。处温度。第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第

36、七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器对电极材料的要求：在同样的温差下产生的热电势大，且其热电势与温度之间呈线性或近似线性的单值函数关系；耐高温，抗辐射性能好，在较宽的范围内性能稳定；电导率高、电阻温度系数和比热容小； 复制性和工艺性好，价格低廉。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学三、常用的热电偶三、常用的热电偶热电偶名称偶名称分度号分度号极性极性化学成分化学成分100时电势(mV)使用温度使用温度允允许误差差长期期短期短期()铂铑10铂LB-3正正Pt90%Rh10%0.64313001600600600负Pt100%2.40.4%t铂铑30铂铑6LL2正正Pt7

37、0%Rh30%0.03416001800600600负Pt94%Rh6%30.5%t镍铬镍硅硅EU-2正正Cr910%Si0.4%Ni90%4.1010001200400400负Si2.53.0%Co0.6%Ni97%40.75%t镍铬考考铜EA-2正正Cr910%Si0.4%Ni90%6.95600800400400负Cu5657%Ni4344%41%t铜康康铜正正Cu100%4.26200300-200-400-40400负Cu55%Ni45%2%t0.75%第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第七章第七章第七章第七章 热电

38、式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器非标准化的热电偶非标准化的热电偶铁康铜热电偶：灵敏度高铁康铜热电偶：灵敏度高高温热电偶：钨铼系热电偶，测温上限可达高温热电偶：钨铼系热电偶，测温上限可达2450摄氏度摄氏度低温热电偶：铜铜锡低温热电偶：铜铜锡0.005可测可测-271-243摄氏度摄氏度的低温；镍铬铁金的低温；镍铬铁金0.03可测可测-269-0摄氏度摄氏度哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学按结构分类按结构分类普通型普通型第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式

39、传感器按结构分类按结构分类铠装型铠装型哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器按结构分类按结构分类隔爆型隔爆型哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学四、热电偶的使用四、热电偶的使用1、冷端温度补偿及修正、冷端温度补偿及修正在实际使用时，由于热电偶的热端（测量端）与冷在实际使用时，由于热电偶的热端（测量端）与冷端离的很近，冷端又暴露于空间，容易受到环境温端离的很近，冷端又暴露于空间，容易受到环境温度的影响，因而冷端温度很难保持恒定。为此需要度的影响，因而冷端温度很难保持恒定。为此需要进行温度补偿。进行温度补偿。由热电偶测温原理可知，只有当热电偶

40、的冷端温度由热电偶测温原理可知，只有当热电偶的冷端温度保持不变，热电势才是被测温度的单值函数。保持不变，热电势才是被测温度的单值函数。工程技术上使用的热电偶分度表和根据分度表刻划工程技术上使用的热电偶分度表和根据分度表刻划的测温显示仪表的刻度都是根据冷端温度为的测温显示仪表的刻度都是根据冷端温度为0而制而制作的。作的。第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学（1）0恒温法恒温法将热电偶的冷端置于冰水混合物中，保证冷端温度恒将热电偶的冷端置于冰水混合物中，保证冷端温度恒定为定为0。根据热电偶测得的输出热电势，再查找该热电偶。根据热电偶

41、测得的输出热电势，再查找该热电偶的分度表，即可得到测量端的温度。的分度表，即可得到测量端的温度。第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器（2）热电势修正法）热电势修正法在实际使用中，使冷端保持在在实际使用中，使冷端保持在0很不方便，有很不方便，有时也使冷端保持在某一恒定的温度时也使冷端保持在某一恒定的温度Tn，这种情况下采，这种情况下采取热电势修正法。取热电势修正法。EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0) EAB (T,Tn)实测值；实测

42、值；EAB(Tn,T0)冷端为冷端为0时，工作端为时，工作端为Tn区段热区段热电势，可查分度表得到，即为修正法。电势，可查分度表得到，即为修正法。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学（3）电桥补偿法）电桥补偿法第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度不在热电偶因冷端温度不在0时引起的热电势变化值，时引起的热电势变化值，在热电偶与测温仪表之间串接一个直流不平衡电桥，在热电偶与测温仪表之间串接一个直流不平衡电桥，电桥中的电桥中的R1、R2、R3、

43、由电阻温度系数很小的锰铜、由电阻温度系数很小的锰铜丝制作，另一桥臂的丝制作，另一桥臂的RT由温度系数较大的铜线绕制。由温度系数较大的铜线绕制。电桥的电桥的4个电阻均和热电偶冷端处在同一环境温个电阻均和热电偶冷端处在同一环境温度，但由于度，但由于RT的阻值随环境温度变化而变化，使电桥的阻值随环境温度变化而变化，使电桥产生的不平衡电压的大小和极性随着环境温度的变化产生的不平衡电压的大小和极性随着环境温度的变化而变化，从而达到自动补偿的目的。而变化，从而达到自动补偿的目的。补偿原理补偿原理第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第七章第七

44、章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学(4)、冷端延长线、冷端延长线工业应用时，被测点与指示仪表之间往往工业应用时，被测点与指示仪表之间往往有很长的距离，这就要求热电偶有较长的尺寸，有很长的距离，这就要求热电偶有较长的尺寸，但由于热电偶材料较贵，热电偶尺寸不能过长，但由于热电偶材料较贵，热电偶尺寸不能过长，所以冷端（即接仪表端）常常不能放到任意点所以冷端（即接仪表端）常常不能放到任意点上去；且冷端温度不可能恒定，是波动的，为上去；且冷端温度不可能恒定，是波动的，为解决这一问题，采用解决这一问题，采用冷端延长线冷端延长线（或称冷端补或称冷端补

45、偿导线）。偿导线）。第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学所谓延长线实际上是把在一定温度范围内（一般所谓延长线实际上是把在一定温度范围内（一般为为0100）与热电偶具有相同热电特性的两种较长）与热电偶具有相同热电特性的两种较长金属导线与热电偶配接。它的作用是将热电偶冷端移金属导线与热电偶配接。它的作用是将热电偶冷端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，从而消除至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，从而消除冷端温度变化带来的影响，即该补偿导线所产生的热冷端温度变化带来的影响，即该补偿导线所产生的热电势等于工作热电偶在此温度范围内产

46、生的热电势。电势等于工作热电偶在此温度范围内产生的热电势。BABTT0TNTNA冷端延长线连接示意图冷端延长线连接示意图第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学回路总电势为回路总电势为: Ec=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)=EAB(T,T0)上式证明了回路中总电势等于上式证明了回路中总电势等于EAB(T,T0)，相，相当于冷端直接延伸到了温度为当于冷端直接延伸到了温度为T0处，但并不能消除处，但并不能消除冷端温度不为冷端温度不为0时产生的影响，应用前面介绍的时产生的影响，应用前面介绍的修正方法把冷端修正到修正方法把冷端修

47、正到0。第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学应用延长线应注意：应用延长线应注意：延长线只能与相应型号的热电偶配用，（专用）；延长线只能与相应型号的热电偶配用，（专用）；注意极性，不能接反（否则会造成更大的误差）；注意极性，不能接反（否则会造成更大的误差）；延长线和热电偶连接处，两结点温度必须相同。延长线和热电偶连接处，两结点温度必须相同。热电偶热电偶补偿导线补偿导线热端为热端为100。冷。冷端为端为0时的标准时的标准热电势热电势(mV)正极正极负极负极材料材料颜色颜色材料材料颜色颜色铂铑铂铑铂铂镍铬镍铬镍硅镍硅镍铬镍铬考铜考铜铁

48、铁考铜考铜铜铜康铜康铜铜铜铜铜镍、铬镍、铬铁铁铜铜红红红红褐、绿褐、绿白白红红镍铜镍铜康铜康铜考铜考铜考铜考铜康铜康铜白白白白白白白白白白0.64土土0.034.10士士0.156.95士士0.305.75土土0.254.10土土0.15第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器补偿导线补偿导线哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学五、热电偶测温线路五、热电偶测温线路1、热电偶直接与指示仪表配用、热电偶直接与指示仪表配用把把n支相同型号的热电偶依次将正、负极相连接，支相同

49、型号的热电偶依次将正、负极相连接，则线路的总电势为：则线路的总电势为：EG=E1+E2+En=nE串联线路中配用的仪表，按串联线路中配用的仪表，按EGT刻度。刻度。（热电偶串联测温线路图见黑板）（热电偶串联测温线路图见黑板）若每支热电偶的绝对误差分别为若每支热电偶的绝对误差分别为E1、E2、E3En，则整个串联线路的绝对误差：，则整个串联线路的绝对误差：第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学如果如果E1E2EnE，则，则：串联线路的相对误差为：串联线路的相对误差为：可见串联线路的相对误差为单支热电偶相对误差可见串联线路的相对误差为

50、单支热电偶相对误差的的倍。倍。第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2、桥式电位差计线路、桥式电位差计线路（自动桥式电位差计线路见黑板）（自动桥式电位差计线路见黑板）图中：图中： RW为调零电位器；为调零电位器；RH为精密合成膜测量电位器，调节电桥输出的补偿电压；为精密合成膜测量电位器，调节电桥输出的补偿电压；RW和和RH组成的桥路由一稳定的参考电压源组成的桥路由一稳定的参考电压源Vr供电；供电；Rc为限流电阻。为限流电阻。第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第七章

51、第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器工作原理：工作原理：热电偶输出的直流电势热电偶输出的直流电势Ex经过滤波单元加于桥经过滤波单元加于桥路，与桥路输出电阻路，与桥路输出电阻R两端的直流电压两端的直流电压Vs（也称补偿（也称补偿电压）相比较，比较后的差值电压电压）相比较，比较后的差值电压V（即不平衡电（即不平衡电压）经滤波放大后，输出足够的功率以驱动可逆电动压）经滤波放大后，输出足够的功率以驱动可逆电动机机M。可逆电动机。可逆电动机M通过一组传动系统带动测量线路通过一组传动系统带动测量线路中滑线电阻中滑线电阻RH的滑动触头，同时带动仪表指针沿着标的滑动触头，同时带

52、动仪表指针沿着标度尺移动，直到测量桥路输出的补偿电压与被测的直度尺移动，直到测量桥路输出的补偿电压与被测的直流电压信号相平衡为止，此时差值电压等于零，放大流电压信号相平衡为止，此时差值电压等于零，放大器无输出，可逆电动机停止转动，桥路处于平衡状态。器无输出，可逆电动机停止转动，桥路处于平衡状态。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学测两点间的温差测两点间的温差第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学6-4 6-4 热释电红外传感器热释电红外传感器当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符

53、号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附集通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附集在晶体外表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能显示出在晶体外表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能显示出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心产生相对位来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心产生相对位移，晶体自发极化值就会发生变化，在晶体表面就会产生电荷移，晶体自发极化值就会发生变化，在晶体表面就会产生电荷耗尽。耗尽。能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称为

54、热电元件。能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称为热电元件。热电元件常用的材料有单晶热电元件常用的材料有单晶(LiTa03等）、压电陶瓷等）、压电陶瓷(PZT等）等）及高分子薄膜（及高分子薄膜（PVFZ等）。等）。一、热释电效应一、热释电效应第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学如果在热电元件两端并联上电阻，当元件受如果在热电元件两端并联上电阻，当元件受热时，电阻上就有电流流过，在电阻两端也能得热时，电阻上就有电流流过，在电阻两端也能得到电压信号。到电压信号。这里所说的热释电红外传感器是指利用热电这里所说的热释电红外传感器是指利

55、用热电元件的热释电效应探测人体用的红外传感器。它元件的热释电效应探测人体用的红外传感器。它适用于防盗报警、来客告知及非接触开关等红外适用于防盗报警、来客告知及非接触开关等红外领域。领域。二、热释电红外传感器二、热释电红外传感器第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学热释电红外传感器结构图热释电红外传感器结构图第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第七章第七章第七章第七章

56、 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学滤光片的光谱特性滤光片的光谱特性第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学热释电红外传感器的视野特性热释电红外传感器的视野特性第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学热释电红外传感器主要由外壳、滤光片、热热释电红外传感器主要由外壳、滤光片、热电元件电元件PZT、结场效应管、结场效应管FET、电阻、二极管等、电阻、二极管等组成。其中滤光片设置在窗口处，组成红外线通组成。其中滤光片设置在窗口处，组成红

57、外线通过的窗口。滤光片为过的窗口。滤光片为6m多层膜干涉滤光片，这多层膜干涉滤光片，这种滤光片对于太阳光和荧光灯光的短波长（约种滤光片对于太阳光和荧光灯光的短波长（约5m以下），具有高的反射率，而对以下），具有高的反射率，而对6m以上的从以上的从人体发出来的红外线热源人体发出来的红外线热源(10m)，有高的穿透，有高的穿透性。阻抗变换用的结场效应管性。阻抗变换用的结场效应管FET和电路元件放和电路元件放置在管底部分。热电元件选用置在管底部分。热电元件选用PZT压电陶瓷，其压电陶瓷，其居里点高不会造成因环境温度过高而影响其输出居里点高不会造成因环境温度过高而影响其输出性能，性能，PZT材料也适合

58、批量生产，成本低，且可材料也适合批量生产，成本低，且可靠性高。靠性高。第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学型号型号P228LS-064LHI958典型噪声值（典型噪声值（mV峰峰峰峰)808020响应性（响应性（V/W)650033003500窗口光颇响应（窗口光颇响应（m)715814工作电压（工作电压（V）3152.215315失调电压失调电压(V)0.40.71.0工作温度工作温度()-4060-3070-4070保存温度（保存温度（）-55125-4080-4080元件尺寸（元件尺寸（mm)212121封装形式封装形式T

59、O5TO5TO5几种常见探测人体用的热释电红外传感器的主要技术指标几种常见探测人体用的热释电红外传感器的主要技术指标第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学除了探测人体使用的热释电红外传感器外，还除了探测人体使用的热释电红外传感器外，还有供测温使用的热释电红外传感器，其工作电压为有供测温使用的热释电红外传感器，其工作电压为315V，电压灵敏度在，电压灵敏度在3Hz时为时为70V/W，响应波长，响应波长范围为范围为215m，测温范围可达，测温范围可达-801500。三、热释电红外探测模块三、热释电红外探测模块热释电红外探测模块是一个将

60、热释电红外传热释电红外探测模块是一个将热释电红外传感器、放大器、信号处理电路、延时电路和高低感器、放大器、信号处理电路、延时电路和高低电平输出电路集成于一体的新器件。它具有灵敏电平输出电路集成于一体的新器件。它具有灵敏度高、抗干扰能力强、耐低温（度高、抗干扰能力强、耐低温（-30）及使用方）及使用方便等特点，主要用来探测人体发射出的红外线能便等特点，主要用来探测人体发射出的红外线能量，适用于人体移动的探测报警系统。量，适用于人体移动的探测报警系统。第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学HN911型热释电红外探测模块的外形图型热释电

61、红外探测模块的外形图第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学HN911模块电路框图模块电路框图第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学平时，平时，1端输出低电平，端输出低电平，2端输出高电平。当有端输出高电平。当有移动发热体进入监视范围时，热释电红外传感器接移动发热体进入监视范围时，热释电红外传感器接受到红外能量，并输出检测信号。该信号经放大器受到红外能量，并输出检测信号。该信号经放大器放大，由比较器进行比较判断，再由信号处理电路放大，由比较器进行比较判断，再由信号处理电

62、路处理后输出控制信号。此时，输出端处理后输出控制信号。此时，输出端1变为高电平，变为高电平，输出端输出端2变为低电平。在模块的外部，可接增益调变为低电平。在模块的外部，可接增益调节电位器，以调节放大器的增益。放大器具有温度节电位器，以调节放大器的增益。放大器具有温度补偿功能，其主要作用是当环境温度增高或背景红补偿功能，其主要作用是当环境温度增高或背景红外辐射能量增加时，可使放大器的增益随着它们的外辐射能量增加时，可使放大器的增益随着它们的增高而自动提升，从而保证整个电路工作的稳定性。增高而自动提升，从而保证整个电路工作的稳定性。测量原理测量原理第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学返回返回第七章第七章第七章第七章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器中间导体定律应用中间导体定律应用