第10章热电式传感器

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1、传感器原理与应用传感器原理与应用第第10章章 热电式传感器热电式传感器第第10章章 热电式传感器热电式传感器 热热电电式式传传感感器器是是一一种种利利用用测测温温敏敏感感元元件件电电或或磁磁的的参参数数随随温温度度变变化化而而改改变变的的特特性性，将将温温度度变变化化转转换换为为电电量量变变化化的的传传感感器器。本本章章主主要要介介绍绍热热电电偶偶、热热电电阻、热敏电阻和阻、热敏电阻和PN结传感器。结传感器。 第第10章章 热电式传感器热电式传感器10.1 热电偶传感器热电偶传感器10.2 热电阻传感器热电阻传感器10.3 热敏电阻热敏电阻10.4 PN结型温度传感器结型温度传感器10.5 热

2、电式传感器应用举例热电式传感器应用举例10.1 热电偶传感器热电偶传感器 热热电电偶偶传传感感器器简简称称热热电电偶偶，是是目目前前接接触触式式测测温温中中应应用用最最广广的的热热电电式式传传感感器器。其其测测温温范范围围较较宽宽，一一般般为为501600 ，最最高高可可达达到到3000 ，并并且且有有较较高高的的测测量量精精度度。其其产产品品已已标标准准化化、系系列列化化，运运用用十分方便。十分方便。10.1 热电偶传感器热电偶传感器10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构1

3、0.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应 1. .基本原理基本原理 1821年年赛赛贝贝克克发发现现，在在铜铜、铁铁两两种种金金属属构构成成的的闭闭合合回回路路中中，对对两两个个接接头头中中的的一一个个加加热热即即可可产产生电流。这种装置称为生电流。这种装置称为热电偶热电偶。10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应 2. .热电效应热电效应 将将两两种种不不同同的的导导体体( (或或半半导导体体) )组组成成闭闭合合回回路路，若若两两结结点点处处温温度度不不同同，则

4、则回回路路中中将将有有电电流流流流动动，即即回回路路中中有有热热电电势势存存在在。此此电电势势的的大大小小除除了了与与材材料料本本身身的的性性质质有有关关以以外外，还还决决定定于于结结点点处处的的温温差差，这这种种现象称为现象称为热电效应热电效应或或塞贝克效应塞贝克效应。 热热电电效效应应产产生生的的热热电电势势由由接接触触电电势势和和温温差差电电势势两部分组成。两部分组成。10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应 ( (1) )接接触触电电势势 当当两两种种导导体体( (或或半半导导体体) )接接触触在在一一起起时时，由由于于不不同同导导体体的的自自由由电电子子密密度度不不同同，在

5、在结结点点处处就就会会发发生生电电子子迁迁移移扩扩散散。失失去去电电子子的的导导体体呈呈正正电电位位，得得到到电电子子的的导导体体呈呈负负电电位位。当当扩扩散散达达到到平平衡衡时时，在在两两种种金金属属的的接接触触处处形形成成电电位位差差，此此电电位位差差称称为为接接触触电电势势。其其大大小小与与两两种种导导体体的的性性质质及及结结点点的的温温度有关，可表示为度有关，可表示为10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应 式式中中，EAB( (T) )为为A、B两两种种导导体体在在温温度度T时时的的接接触触电电势势；K为为玻玻尔尔兹兹曼曼常常数数；e为为电电子子电电荷荷量量( (取取正正值

6、值) )；NA、NB为为导导体体A、B的的自自由由电电子子密密度度；T为为结结点点处处的的绝对温度。绝对温度。10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应 ( (2) )温温差差电电势势 也也称称汤汤姆姆逊逊电电势势，产产生生原原因因是是，金金属属导导体体两两端端的的温温度度不不同同，则则其其自自由由电电子子的的浓浓度度亦亦不不相相同同，温温度度高高的的一一端端浓浓度度较较大大，因因此此高高温温端端的的自自由由电电子子将将向向低低温温端端扩扩散散，高高温温端端失失去去电电子子带带正正电电，低低温温端端得到多余的电子带负电，从而形成温差电势得到多余的电子带负电，从而形成温差电势式式中中，E

7、A( (T, ,T0) )为为导导体体A两两端端温温度度分分别别为为T与与T0时时的的温温差差电电势势；s sA为为温温度度系系数数( (又又称称汤汤姆姆逊逊系系数数) )，它它表表示示单单一导体的两端温差为一导体的两端温差为1 时所产生的温差电势。时所产生的温差电势。10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应热电偶的热电势如图所示，可表示为热电偶的热电势如图所示，可表示为所以所以由于由于 当当TT0或或AB时，EAB( (T, ,T0) )0。EAB( (T, ,T0) )是是T和和T0的的函函数数，必必须固固定定参参比比端端( (冷冷端端) )的的温温度度T0，才才能能确确定定热电

8、势与与被被测温温度度T的的对应关关系系。目目前前统一一规定定在在T00 的的条条件件下下，给出出被被测温温度度与与热电势的的数数值对照表，即分度表。照表，即分度表。10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应10.1 热电偶传感器热电偶传感器10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 1. .匀质导体定律匀质导体定律

9、由由同同一一种种匀匀质质导导体体或或半半导导体体组组成成的的闭闭合合回回路路中中，不不论论其其截截面面积积和和长长度度如如何何，不不论论其其各各处处的的温温度度分分布布如如何何，都都不不能能产产生生热热电电势势，这这就就是是匀匀质质导导体定律体定律。 由此定律可以得出以下结论由此定律可以得出以下结论10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 ( (1) )热热电电偶偶必必须须由由两两种种不不同同的的匀匀质质材材料料制制成成。此此时时热热电电势势的的大大小小只只与与热热电电极极材材料料及及两两个个结结点点的的温温度有关，而与热电极的截面及温度分布无关。度有关，而与热电极的截面及温度分布无关。

10、 ( (2) )此此定定律律可可用用来来检检验验热热电电极极材材料料是是否否为为匀匀质质材材料料。若若组组成成回回路路的的材材料料不不均均匀匀，只只要要存存在在温温差差即即有热电势输出。有热电势输出。10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 2. .中间导体定律中间导体定律 在在热热电电偶偶回回路路中中接接入入第第三三种种金金属属导导体体，只只要要该该金金属属导导体体C与与金金属属导导体体A、B的的两两个个结结点点处处在在同同一一温温度度，则则此此导导体体对对于于回回路路总总的的热热电电势势没没有有影影响响，称称为为中中间间导导体定律体定律。10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律

11、 证证明明：如如图图所所示示，热热电电偶偶回回路路接接入入中中间间导导体体C后后的热电势为的热电势为10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律所以所以由由得得又因为又因为10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 将此式与式将此式与式( (10. .3) )比较比较得得10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 此此定定律律具具有有特特别别重重要要的的实实用用意意义义，因因为为利利用用热热电电偶偶测测温温时时必必须须接接入入仪仪表表( (第第三三种种材材料料) )，根根据据此此定定律律，只只要要仪仪表表两两接接入入点点的的温温度度保保持持一一致致，仪仪表表的的接接入入就就不不会会影

12、影响响热热电电势势。而而且且A、B结结点点的的焊焊接接方方法法也也可以是任意的可以是任意的。 根根据据此此定定律律，除除了了可可以以在在热热电电偶偶测测温温回回路路中中接接入入各各种种类类型型的的显显示示仪仪表表或或调调节节器器外外，也也可可以以推推广广到到对液态金属材料和固态金属材料表面的温度测量。对液态金属材料和固态金属材料表面的温度测量。10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 可可以以将将热热电电极极A和和B直直接接焊焊在在固固体体金金属属表表面面上上或或插插入入液液态态金金属属。例例如如用用热热电电偶偶连连续续测测量量铁铁水水的的温温度度。在在连连续续测测量量过过程程中中，热热

13、电电极极不不断断地地被被铁铁水水熔熔掉掉，而而根根据这个定律，就不需要先焊接了。据这个定律，就不需要先焊接了。 10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 3. .连接导体定律和中间温度定律连接导体定律和中间温度定律 在在热热电电偶偶回回路路中中，若若热热电电极极A与与B分分别别连连接接导导线线a、b，结结点点温温度度分分别别为为T、Tn和和T0。则则回回路路的的总总热热电电势势EABba( (T, ,Tn, ,T0) )等等于于热热电电偶偶的的热热电电势势EAB( (T, ,Tn) )与与连连接接导导线线的的热热电电势势Eab( (Tn, ,T0) )之之和和，这这就就是是连连接接导体定

14、律导体定律，可表示，可表示为为10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 当当A和和a，B和和b的的材材料料分分别别相相同同时时，其其各各结结点点的的温度仍为温度仍为T，Tn和和T0时，总热电势由上式可得时，总热电势由上式可得 这这就就是是中中间间温温度度定定律律。它它表表明明结结点点温温度度为为T和和T0的的热热电电偶偶，其其热热电电势势等等于于结结点点温温度度分分别别为为T和和Tn( (中中间间温温度度) )，及，及Tn和和T0两支同性质热电偶热电势的代数和。两支同性质热电偶热电势的代数和。10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 中中间间温温度度定定律律也也有有重重要要的的应应

15、用用。热热电电偶偶的的分分度度表表均均是是以以参参比比端端T00 为为标标准准的的，而而热热电电偶偶在在实实际际使使用用时时其其参参比比端端温温度度不不是是0 ，一一般般是是高高于于0 的的某某个个数数值值，如如Tn20 ，此此时时可可根根据据公公式式( (10.6) )来修正热电势，从而得到被测温度。来修正热电势，从而得到被测温度。ABACCBTTTT0T0T010.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 4. .参考电极定律参考电极定律( (标准电极定律标准电极定律) ) 如如果果两两种种导导体体A、B分分别别与与第第三三种种导导体体C组组成成的的热热电电偶偶所所产产生生的的热热电电势势

16、是是已已知知的的，则则这这两两种种导导体体所所组成的热电偶的热电势也是已知的，且组成的热电偶的热电势也是已知的，且 根据此定律，可以给出根据此定律，可以给出所有热电偶材料与标准电极所有热电偶材料与标准电极的热电势，方便热电偶电极的热电势，方便热电偶电极的选配。的选配。10.1 热电偶传感器热电偶传感器10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路10.1.3 热电偶的材料、

17、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 1. .热电偶材料热电偶材料 热电偶的热电极材料应满足以下要求热电偶的热电极材料应满足以下要求 物理、化学性能稳定；物理、化学性能稳定； 测温范围宽；测温范围宽； 热电性能好；热电性能好； 电阻温度系数小；电阻温度系数小； 热容量小；热容量小； 有良好的机械加工性能等。有良好的机械加工性能等。10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 完完全全满满足足上上述述条条件件的的材材料料很很难难找找到到，故故一一般般只只能能根根据据被被测测温温度度的的范范围围，选选择择适适当当的的热热电电极极材材料料。目目前前热热电电极极材材料料有有金金属属、非

18、非金金属属和和半半导导体体几几大大类类。金金属属中中又又分分为为廉廉价价金金属属、贵贵金金属属和和难难熔熔金金属属等等。常常见见的的热热电电偶偶材材料料有有：康康铜铜、Cu、Fe、W、NiCr、NiAl、Ni、Pt、PtRh、Ag等。等。 10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 2. .热电偶的分类热电偶的分类 热电偶分为热电偶分为标准化标准化与与非标准化非标准化两大类。两大类。 ( (1) )标标准准化化热热电电偶偶 标标准准化化热热电电偶偶是是指指国国家家标标准准规规定定了了其其热热电电势势与与温温度度关关系系及及允允许许误误差差，并并有有统统一一标准标准分度表分度

19、表的热电偶。的热电偶。 目目前前在在国国际际上上被被公公认认比比较较好好的的热热电电偶偶材材料料只只有有几几种种。国国际际电电工工委委员员会会( (IEC) )向向世世界界各各国国推推荐荐8种种标标准准化化热热电电偶偶。我我国国已已采采用用IEC标标准准生生产产热热电电偶偶，并并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。按标准分度表生产与之相配的显示仪表。10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 PtRh10- -Pt热热电电偶偶。这这是是贵贵金金属属热热电电偶偶。正正极极是是由由质质量量分分数数为为90 %的的Pt和和10 %的的Rh制制成成的的合合金金丝丝，负负极极为为纯纯

20、Pt丝丝。可可用用于于较较高高的的温温度度，能能长长时时间间在在01300 中工作，短时间可测到中工作，短时间可测到1600 。 NiCr- -NiSi( (NiCr- -NiAl) )热热电电偶偶。这这是是廉廉价价金金属属热热电电偶偶。正正极极是是NiCr合合金金，其其成成分分为为Ni( (89 %) )，Cr( (10 %) )，Fe( (1 %) )；负负极极是是NiSi合合金金。可可长长时时间间在在900 使用，短时间可以用到使用，短时间可以用到1200 。10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 铜铜- -康康铜铜热热电电偶偶。它它在在低低温温下下使使用用较较普

21、普遍遍。其其正正极极为为纯纯Cu，负负极极为为CuNi合合金金。铜铜- -康康铜铜价价格格低低廉廉，可可测测200 的的低低温温，一一般般测量上限测量上限300 。是常用的。是常用的低温热电偶低温热电偶。10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 ( (2) )非标准化热电偶非标准化热电偶 常见的有常见的有 W- -Mo热热电电偶偶。具具有有较较高高的的熔熔点点，可可测测量量高高达达2200 的的温温度度。在在1200 以以上上的的一一段段温温区区才才出出现现热热电电势势与与温温度度的的线线性性对对应应关关系系，故故只只能能用用于于13002200 的高温测量。的高温测量。

22、 W- -Re系系热热电电偶偶。常常用用的的是是WRe5- -WRe20热热电电偶。最高温度可达偶。最高温度可达26003000 。10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 Ir- -Rh系系热热电电偶偶。最最常常用用的的是是IrRh40- -Ir热热电偶。测量温度可达电偶。测量温度可达2200 。 10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构常用热电偶的热电特性如图所示常用热电偶的热电特性如图所示10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 3. .热电偶的结构热电偶的结构 ( (1) )普普通通型型热热电电偶偶 普普通通型型结结构构

23、热热电电偶偶在在工工业业上上使使用用最最多多，它它一一般般由由热热电电极极、绝绝缘缘套套管管、保保护护管管和和接接线线盒盒组组成成，如如图图所所示示。主主要要用用于于测测量量气气体体，蒸蒸气气和和液液体体等等介介质的温度。质的温度。10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 ( (2) )铠铠装装热热电电偶偶 它它是是把把热热电电偶偶丝丝、绝绝缘缘材材料料和和金金属属保保护护套套管管三三者者组组成成一一个个整整体体，并并经经复复合合拉拉伸伸而而成成的的组组合合热热电电偶偶。外外径径一一般般18 mm，最最小小可可达达0.2 mm，长长度度120 m。特特点点是是：动动态态响

24、响应应快快，热热容容量量小，强度高，可挠性好，便于安装。小，强度高，可挠性好，便于安装。10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 ( (3) )薄薄膜膜热热电电偶偶 其其形形状状可可分分为为片片状状、针针状状等等，它它是是利利用用真真空空镀镀膜膜、化化学学涂涂层层和和电电泳泳等等方方法法，将将两两种种热热电电极极材材料料直直接接蒸蒸镀镀( (或或沉沉积积) )于于绝绝缘缘的的基基片片上上而而制制成成的的，图图示示为为片片状状薄薄膜膜热热电电偶偶。特特点点是是热热容容量量小小，动动态态响应快，可直接贴附于被测表面，测量方便而迅速。响应快，可直接贴附于被测表面，测量方便而迅速

25、。10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 ( (4) )表表面面热热电电偶偶 它它是是一一种种专专门门用用来来测测量量各各种种固固体体表表面面温温度度的的热热电电偶偶，可可根根据据需需要要自自行行设设计计、加加工工和安装使用。和安装使用。 ( (5) )快快速速热热电电偶偶 又又称称为为消消耗耗热热电电偶偶，它它是是专专门门为为测测量量钢钢水水、铝铝水水、铜铜水水及及熔熔融融合合金金的的温温度度而而设设计计的，主要特点是可直接插入液态金属中进行测量。的，主要特点是可直接插入液态金属中进行测量。10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构10.1 热电偶

26、传感器热电偶传感器10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线 在在实实际际使使用用中中若若冷冷端端不不能能保保持持在在0 或或冷冷端端温温度度随随环环境境变变化化，将将引引入入测测量量误误差差。这这就就必必须须对对热热电电偶偶的的冷端冷端( (参比端参比端) )进行温度补偿进行温度补偿。参比端形式。参

27、比端形式如表所示如表所示。参比端参比端形形 式式冰点式冰点式常用的冰点瓶是在保温瓶内盛满冰水混合物。常用的冰点瓶是在保温瓶内盛满冰水混合物。电子式电子式利利用用半半导导体体制制冷冷的的原原理理，冷冷却却密密封封的的水水槽槽，从从而而把参考端温度保持在把参考端温度保持在0 0 ，体积小，操作简单。，体积小，操作简单。恒温槽式恒温槽式利利用用温温度度调调节节器器将将温温度度恒恒定定。如如果果它它的的温温度度不不是是0 0 ，要用其他温度计测出其温度并进行修正。，要用其他温度计测出其温度并进行修正。补偿式补偿式利用不平衡电桥进行补偿，又称补偿电桥法。利用不平衡电桥进行补偿，又称补偿电桥法。室温式室温

28、式无无参参比比端端恒恒定定装装置置，或或将将参参比比端端置置于于油油中中利利用用油油的惰性使参比端温度保持一致及接近室温。的惰性使参比端温度保持一致及接近室温。10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线 1. .热电偶冷端补偿方法热电偶冷端补偿方法 ( (1) )冰冰浴浴法法 把把冷冷端端放放在在盛盛有有绝绝缘缘油油的的试试管管中中，然然后后再再将将其其放放入入装装满满冰冰水水混混合合物物的的保保温温容容器器中中，可可使使冷冷端端T0保保持持在在0 。现现已已有有半半导导体制冷器件。体制冷器件。10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线

29、( (2) )计计算算修修正正法法 当当热热电电偶偶冷冷端端温温度度T00 时时，可用下面公式对热电势进行修正。可用下面公式对热电势进行修正。式式中中，EAB( (T, ,0) )为为测测量量端端温温度度为为T、冷冷端端温温度度为为T0时时经经修修正正后后的的热热电电势势；EAB( (T, ,T0) )为为测测量量端端温温度度为为T、冷冷端端温温度度为为T0( (0 ) )时时实实际际测测量量得得到到的的热热电电势势；EAB( (T0, ,0) )为为测测量量端端温温度度为为T0、冷冷端端温温度度为为0 时时的的热电势，即冷端温度不为热电势，即冷端温度不为0 时的时的热电势修正值热电势修正值。

30、10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线 例例10. .1 利利用用PtRh- -Pt热热电电偶偶( (S型型) )测测温温时时，设设测测量得到量得到T020 ，EAB( (T, ,T0) )7.322 mV，求求T。 解解 查查PtRh- -Pt热热电电偶偶S分分度度表表，可可得得EAB( (20, ,0) ) 0.113 mV，根据式，根据式( (10.7) )有有 EAB( (T, ,0) )EAB( (T, ,T0) )EAB( (T0, ,0) ) 7.322 mV0.113 mV 7.435mV 反查分度表，可得反查分度表，可得T808.3 。10.1

31、.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线 ( (3) )仪仪表表机机械械零零点点调调整整法法 现现场场测测量量中中，如如不不需需要要很很精精确确，或或热热电电偶偶冷冷端端温温度度T0较较为为稳稳定定，则则可可将将显显示示仪仪表表的的机机械械零零点点预预先先调调整整到到T0( (按按温温度度刻刻度的度的) )，或者，或者EAB( (T0, ,0)()(按毫伏刻度的按毫伏刻度的) )。 ( (4) )补补偿偿电电桥桥法法 利利用用不不平平衡衡电电桥桥产产生生的的电电压压来来补补偿偿热热电电偶偶冷冷端端温温度度变变化化引引起起的的热热电电势势变变化化。如下图所示。如下图所示。1

32、0.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线 电电桥桥四四个个桥桥臂臂与与冷冷端端处处于于同同一一温温度度，其其中中R1R2R3为为温温度度系系数数非非常常小小的的锰锰铜铜电电阻阻，R4为为铜铜导导线线绕绕制制的的补补偿偿电电阻阻，R为为限限流流电电阻阻，其其阻阻值值与与热热电电偶偶型型号号及及温温度度补补偿范围有关。偿范围有关。10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线 适适当当选选择择阻阻值值，使使得得热热电电偶偶冷冷端端温温度度为为T0时时电电桥桥平平衡衡，Uba0。当当冷冷端端温温度度升升高高时时R4阻阻值值随随之之增增大大，电电桥桥

33、产产生生不不平平衡衡输输出出电电压压Uba。若若Uba的的增增量量等等于于热热电电势势Et的的减减小小量量，则则回回路路总总电电势势UBA的的值值就就不不会会随随热热电偶电偶冷端温度冷端温度的变化而变化。的变化而变化。 10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线 2. .补偿导线补偿导线 补补偿偿导导线线的的使使用用是是以以热热电电偶偶连连接接导导体体定定律律为为依依据据的的。补补偿偿导导线线是是指指在在一一定定的的温温度度范范围围内内，其其热热电电性性能能与与其其相相应应热热电电偶偶的的热热电电性性能能十十分分匹匹配配的的一一种种廉廉价导线价导线。使用方法如下图所

34、示。使用方法如下图所示。10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线 补补偿偿导导线线的的作作用用：用用廉廉价价补补偿偿导导线线作作为为贵贵金金属属热热电电偶偶的的延延长长线线，以以节节约约贵贵金金属属热热电电偶偶；将将热热电电偶偶的的冷冷端端迁迁移移到到离离被被测测对对象象较较远远且且环环境境温温度度较较恒恒定定的的地地方方，这样有利于冷端温度的修正和测量误差的减小。这样有利于冷端温度的修正和测量误差的减小。 10.1 热电偶传感器热电偶传感器10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律10.1.3 热电偶的材料、

35、分类与结构热电偶的材料、分类与结构10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路+-10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路 1. .工业用热电偶测温电路工业用热电偶测温电路 一一般般与与动动圈圈表表( (左左图图) )或或电电子子电电位位差差计计( (右右图图) )配配套使用。套使用。10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路 2. .实验室用热电偶测温电路实验室用热电偶测温电路 在在科科学学研研究究、计计量量检检定定等等场场合合，热热电电偶偶冷冷端端补补偿偿采采用用冰冰浴浴法法，并并与与电电位位差差计计配配套套使使用用。通

36、通常常的的做做法法是是用用冰冰点点槽槽将将冷冷端端恒恒定定在在0 ，然然后后用用UJ系系列列电电位位差差计计测量热电势。测量热电势。10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路 3. .利用热电偶测量两点之间温差的连接电路利用热电偶测量两点之间温差的连接电路 用用两两支支相相同同型型号号热热电电偶偶及及配配用用相相同同的的补补偿偿导导线，可以测量两点之间的温差，线，可以测量两点之间的温差，如图所示如图所示。 上上述述连连接接方方法法测测量量温温差差时时，要要求求热热电电偶偶热热电电特特性性的的线线性性要要好好，且且应应尽尽量量使使T1和和T2处处于于线线性性误误差差小小于于规规定定值值的的温温度

37、范围内。度范围内。10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路 4. .利用热电偶测量平均温度时的连接电路利用热电偶测量平均温度时的连接电路 图图中中A1、B1和和A2、B2为为两两支支型型号号相相同同的的热热电电偶。等效电路如右图所示。偶。等效电路如右图所示。R1E1R2E2+-EI根据等效电路，有根据等效电路，有根据等效电路，有根据等效电路，有 令令R1R2，则，则R1E1R2E2+-EI10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路 若若T1和和T 2处处于于热热电电偶偶热热电电特特性性的的线线性性区区间间，且且热热电电偶偶回回路路内内阻阻R1和和R2相相同同，则则可可求求得得两两个个测测量量

38、点点的的平平均均温温度度。也也可可用用类类似似方方法法测测量量多多个个点点的的平平均均温温度度。为为了了保保证证热热电电偶偶回回路路内内阻阻尽尽量量相相同同，可可以以分分别别串入电阻值较大的电阻。串入电阻值较大的电阻。10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路5. .多点测温电路多点测温电路10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路 6. .热电偶典型测温线路热电偶典型测温线路 图图( (a) )为为普普通通测测温温线线路路；图图( (b) )为为带带有有补补偿偿器器的的测测温温线线路路；图图( (c) )为为具具有有温温度度变变送送器器的的测测温温线线路路；图图( (d) )为具有一体化温度

39、变送器的测温线路。为具有一体化温度变送器的测温线路。10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路 7. .热电偶串、并联线路热电偶串、并联线路 图图( (a) )为为正正向向串串联联；图图( (b) )为为反反向向串串联联；图图( (c) )为为并联。并联。10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路10.1 热电偶传感器热电偶传感器10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电

40、路第第10章章 热电式传感器热电式传感器10.1 热电偶传感器热电偶传感器10.2 热电阻传感器热电阻传感器10.3 热敏电阻热敏电阻10.4 PN结型温度传感器结型温度传感器10.5 热电式传感器应用举例热电式传感器应用举例10.2 热电阻传感器热电阻传感器 利利用用电电阻阻随随温温度度的的变变化化而而变变化化的的物物理理现现象象制制成成的热电式传感器称为的热电式传感器称为热电阻传感器热电阻传感器。 和和热热电电偶偶相相比比：同同样样温温度度下下，输输出出信信号号大大，易易于于测测量量。0100 ，K型型热热电电偶偶输输出出4.095 mV；Pt热热电电阻阻电电阻阻变变化化39.1 W W。

41、热热电电阻阻输输出出的的是是电电阻阻增增量量，热热电电偶偶输输出出的的是是电电动动势势。热热电电偶偶不不需需外外加加电电源源，热热电电阻阻需需要要。热热电电阻阻感感温温部部分分尺尺寸寸大大，热热电偶小。电偶小。同类材料热电阻测温上限小。同类材料热电阻测温上限小。10.2 热电阻传感器热电阻传感器10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构10.2.2 热电阻的结构及测量电路热电阻的结构及测量电路10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构 1. .热电阻工作原理热电阻工作原理 热热电电阻阻是是利利用用物物质质( (一一般般为为纯纯金金属属) )的的电

42、电阻阻随随温温度度变变化化并并呈呈一一定定函函数数关关系系的的特特性性，制制成成温温度度传传感感器器来来进进行行测测温温的的。一一般般结结构构如如图图所所示示。将将铂铂丝丝绕绕在在有有锯锯齿齿的的云云母母骨骨架架上上，构构成成感感温温元元件件，用用银银导导线线作作为为引引出出线线与与显显示示仪仪表连接。表连接。10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构 如如图图所所示示为为WZ系系列列热热电电阻阻，是是工工业业用用热热电电阻阻，作作为为温温度度测测量量传传感感器器，通通常常和和显显示示仪仪表表配配套套，直直接接测测量量各各种种生生产产过过程程中中0850 C范范围围内内

43、液液体体、蒸蒸气气和和气气体体介介质质以及固体表面等温度。以及固体表面等温度。10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构 2. .常用热电阻材料常用热电阻材料 ( (1) )对热电阻材料的要求对热电阻材料的要求 具具有有较较大大的的电电阻阻率率及及较较高高的的电电阻阻温温度度系系数数，以便有较高的灵敏度和测量精度；以便有较高的灵敏度和测量精度； 在使用范围内，物理、化学性能稳定；在使用范围内，物理、化学性能稳定； 电电阻阻与与温温度度关关系系特特性性好好。电电阻阻与与温温度度的的函函数数呈呈单单值值函函数数( (最最好好是是呈呈线线性性关关系系) )；对对同同一一种种材

44、材料料，其复制性要好，以便批量生产。其复制性要好，以便批量生产。10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构 ( (2) )常用热电阻材料常用热电阻材料 Pt热热电电阻阻。其其物物理理与与化化学学性性能能都都非非常常稳稳定定，即即使使是是在在高高温温和和氧氧化化介介质质中中也也是是如如此此。此此外外，Pt容容易易提提纯纯，保保证证它它具具有有非非常常好好的的重重现现性性能能，并并有有高高的的测测量量精精度度。Pt还还具具有有较较大大的的电电阻阻率率( (r r0.1 W W mm2/ /m) )和和高高的的熔熔化化温温度度( (1772 ) )，因因此此体体积积可可做做得

45、得较较小小，测测温温范范围围也也比比较较宽宽。在在高高精精度度的的工工业业测测量量及及计计量量检检定定中中得得到到了了广泛的应用，通常用作标准热电阻。广泛的应用，通常用作标准热电阻。10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构Pt电阻的电阻值和温度的关系在电阻的电阻值和温度的关系在1900 之间为之间为 在在0630.74 之间为之间为 式式中中，R0、RT为为0 、T 时时的的电电阻阻；A、B、C为为分分度系数，度系数，C4.221012( (1/ /) )4。 10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构 要要确确定定电电阻阻RT与与温温度度T的

46、的关关系系，首首先先要要确确定定R0的的值值，R0称称为为热热电电阻阻的的标标称称值值。目目前前Pt热热电电阻阻标标称称值值有有10 W W及及100 W W两两种种。一一般般测测温温场场合合下下可可略略去去B、C的的影影响响，则则RTR0( (1AT) )，即即Pt电电阻阻的的电电阻阻温温度度特特性性接接近近线线性性。由由于于Pt为为贵贵金金属属，在在测测量量精精度度要要求求不不高高和和测量范围较小时，大多采用测量范围较小时，大多采用Cu电阻。电阻。10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构 Cu热热电电阻阻。Cu价价格格低低廉廉，容容易易提提纯纯，在在5 50150

47、 内内化化学学、物物理理性性能能稳稳定定，输输出出输输入入特特性性接接近近线线性性，但但其其测测量量精精度度不不如如Pt热热电电阻阻高高，测测量量范范围围也也比比Pt热热电电阻阻小小。另另外外，其其电电阻阻率率较较Pt小小，电电阻阻丝丝细细而而长长，机机械械强强度度较较差差。由由于于其其体体积积比比较较大大，热热惯惯性性也也较较大大。当当温温度度高高于于100 时时易易被被氧氧化化，因因此此适适用用于于工工作作在在温温度度较较低低的的介介质质中中。标称值有标称值有50 W W及及100 W W两种。两种。10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构 在在5 50150 的

48、的温温度度范范围围内内，Cu电电阻阻的的阻阻值值和温度的关系为和温度的关系为式中，式中，A、B、C为常数。为常数。 在在0100 之间基本上是线性的，之间基本上是线性的，关系为关系为式中，式中，a a4.33103( (1/ /) )。10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构常用热电阻的特性曲线如图所示。常用热电阻的特性曲线如图所示。10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构常用热电阻材料特性参数如表所示常用热电阻材料特性参数如表所示10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构 例例10. .2 一一支支分分度度号号为为C

49、u100的的热热电电阻阻，在在130 时时它它的的电电阻阻RT是是多多大大？要要求求精精确确计计算算和和估估算。估算时取算。估算时取RTR0( (1a aT) )。10.2 热电阻传感器热电阻传感器10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构10.2.2 热电阻的结构及测量电路热电阻的结构及测量电路10.2.2 热电阻的结构及测量电路热电阻的结构及测量电路 1. .热电阻的结构热电阻的结构 ( (1) )普普通通型型热热电电阻阻 在在工工业业上上使使用用最最广广泛泛。外外形形结结构构与与普普通通型型热热电电偶偶基基本本相相同同，左左图图为为热热电电偶偶外外形形，但但两两者

50、者的的内内部部结结构构却却完完全全不不同同。热热电电阻阻中中的的感感温温元元件件不不是是热热电电极极而而是是热热电电阻阻体体，右右图图为为热热电阻体的构成。电阻体的构成。10.2.2 热电阻的结构及测量电路热电阻的结构及测量电路 ( (2) )铠铠装装热热电电阻阻 铠铠装装热热电电阻阻类类似似于于铠铠装装热热电电偶偶，参参看看下下图图。它它具具有有以以下下优优点点：热热惯惯性性小小，响响应应速度快；耐振、抗冲击，坚固性好；寿命长。速度快；耐振、抗冲击，坚固性好；寿命长。10.2.2 热电阻的结构及测量电路热电阻的结构及测量电路 ( (3) )薄薄膜膜热热电电阻阻 它它是是利利用用真真空空镀镀膜

51、膜、化化学学涂涂层层、电电泳泳等等方方法法，将将纯纯金金属属( (如如Cu) )蒸蒸镀镀( (或或沉沉积积) )于于绝绝缘缘的的基基片片上上而而制制成成，其其外外形形有有棒棒状状和和片片状状。这这类类热电阻的最大优点是响应速度非常快。热电阻的最大优点是响应速度非常快。10.2.2 热电阻的结构及测量电路热电阻的结构及测量电路 2. .热电阻的测量电路热电阻的测量电路 在在实实际际测测量量中中，通通常常用用电电桥桥来来测测量量热热电电阻阻的的电电阻阻值值。由由于于其其阻阻值值只只有有几几W W到到几几十十W W，因因此此，热热电电阻阻的的引引线线及及连连接接导导线线的的电电阻阻对对温温度度测测量

52、量结结果果有有很很大大影影响响。特特别别是是引引线线，处处于于被被测测介介质质以以外外的的环环境境中中，温温度度波波动动较较大大，其其阻阻值值随随温温度度的的变变化化难难以以估估计计和和修修正正。为为此此，工工业业用用热热电电阻阻的的引引线线从从两两线线制制发发展展到到了了三三线线制制和和四四线线制制。三线制接法如下图所示。三线制接法如下图所示。10.2.2 热电阻的结构及测量电路热电阻的结构及测量电路 RT为为热热电电阻阻，R1、R2为为两两桥桥臂臂电电阻阻，取取R1 R2，R3为为调调整整电电桥桥用用的的精精密密电电阻阻。r1、r2、r3为为三三根根引引线线电电阻阻，r1r2r3。在在某某

53、个个温温度度下下，调调节节R3使使电电桥桥平平衡衡，则则在在该该温温度度附附近近可可减减小小引引线线电电阻阻的的影响。影响。10.2 热电阻传感器热电阻传感器10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构10.2.2 热电阻的结构及测量电路热电阻的结构及测量电路第第10章章 热电式传感器热电式传感器10.1 热电偶传感器热电偶传感器10.2 热电阻传感器热电阻传感器10.3 热敏电阻热敏电阻10.4 PN结型温度传感器结型温度传感器10.5 热电式传感器应用举例热电式传感器应用举例10.3 热敏电阻热敏电阻 它它是是利利用用半半导导体体的的电电阻阻值值与与温温度度呈呈现现一

54、一定定函函数数关系的原理制成的温度传感器。关系的原理制成的温度传感器。 典典型型的的热热敏敏电电阻阻元元件件有有圆圆形形、杆杆形形和和珠珠形形等等，其其结结构构及及温温度度特特性性如如图图所所示示。图图中中曲曲线线上上所所标标的的是是其室温下的电阻值。其室温下的电阻值。10.3 热敏电阻热敏电阻 1. .热敏电阻的特点热敏电阻的特点 温温度度系系数数大大，约约为为热热电电阻阻的的10倍倍，灵灵敏敏度度高高；结结构构简简单单，体体积积小小，热热惯惯性性小小，可可用用来来测测定定点点温温度度及及变变化化温温度度。元元件件直直径径可可做做到到0.2 mm，能能测测出出一一般般温温度度计计无无法法测测

55、量量的的空空隙隙、腔腔体体、内内孔孔、生生物物体体血血管管等等处处的的温温度度；寿寿命命长长；利利用用半半导导体体掺掺杂杂技技术术，可可测测量量42100 K之之间间的的温温度度，是是一一种种重重要要的的低低温温传传感感器器。使用方便，电阻值可在使用方便，电阻值可在0.1100 kW W之间任意选择。之间任意选择。 其不足之处是互换性差，离散性严重其不足之处是互换性差，离散性严重。10.3 热敏电阻热敏电阻 近代热敏电阻的特性如下近代热敏电阻的特性如下 ( (1) )玻玻璃璃封封装装热热敏敏电电阻阻 具具有有较较好好的的耐耐热热性性、可可靠靠性性和和频频响响特特性性。图图示示为为其其结结构构示

56、示意意图图。它它适适用用于于制制作作高高性性能能温温度度传传感感器器的的热热敏敏器器件件。当当温温度度由由125 上上升升到到300 时时，响响应应时时间间由由30 s加加快快到到6 s，工工作作稳稳定定性性由由5 %改善为改善为( (31) ) %。10.3 热敏电阻热敏电阻 ( (2) )硼硼热热敏敏电电阻阻 氧氧化化物物热热敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度都都比比较较高高，但但只只能能在在300 以以下下工工作作。近近期期用用硼硼的的卤卤化化物物与与氢氢还还原原研研制制成成的的硼硼热热敏敏电电阻阻，在在700 高高温温时时仍仍能能满足灵敏度、互换性、稳定性的要求。满足灵敏度、互换性、稳定性的

57、要求。 ( (3) )线线性性关关系系热热敏敏电电阻阻 一一般般负负温温度度系系数数热热敏敏电电阻阻的的特特性性曲曲线线非非线线性性严严重重，近近期期研研制制的的CdO- -Sb2O3- -WO3和和CdO- -Sn2O3- -WO3两两种种热热敏敏电电阻阻，在在100300 温度范围内，特性曲线呈线性关系。温度范围内，特性曲线呈线性关系。10.3 热敏电阻热敏电阻 ( (4) )四四氰氰醌醌二二甲甲烷烷 它它属属于于有有机机半半导导体体材材料料，其其特特性性如如图图所所示示。当当温温度度自自低低温温上上升升至至TH时时，电电阻阻值值迅迅速速减减小小到到R0；当当温温度度自自高高温温下下降降至

58、至TL时，迅速达到时，迅速达到Rp。 利利用用上上述述特特性性可可制制成成定定时时器器。用用它它制制成成的的电电子子定定时时元元件件，定定时时时时间间宽宽( (从从数数秒秒数数十十小小时时) )、体体积积小、造价低。小、造价低。10.3 热敏电阻热敏电阻 2. .热敏电阻的结构形式热敏电阻的结构形式 热热敏敏电电阻阻是是用用一一些些金金属属氧氧化化物物，按按一一定定的的比比例例混混合合进进行行研研磨磨，掺掺入入一一定定的的粘粘合合剂剂成成型型，再再经经高高温温烧烧结结而而成成。采采用用不不同同的的封封装装形形式式，热热敏敏电电阻阻可可制制成成各各种种形形状。状。作为感温元件通常选用珠状和圆片形

59、作为感温元件通常选用珠状和圆片形。10.3 热敏电阻热敏电阻 一些型号的热敏电阻一些型号的热敏电阻如如下下高分子高分子PTC热敏电阻热敏电阻SMD热敏电阻热敏电阻 10.3 热敏电阻热敏电阻 应用范围：应用范围：电磁炉、电电磁炉、电饭煲、电热水器、电烤箱、饭煲、电热水器、电烤箱、消毒柜、饮水机、洗碗机、消毒柜、饮水机、洗碗机、手机电池及充电器。手机电池及充电器。MF58型热敏电阻型热敏电阻10.3 热敏电阻热敏电阻一些负温度系数热敏电阻如下一些负温度系数热敏电阻如下MF55系列绝缘薄系列绝缘薄膜膜NTC热敏电阻器热敏电阻器CMF片式片式NTC热敏电阻器热敏电阻器 MF74超大功率型超大功率型N

60、TC热敏电阻器热敏电阻器10.3 热敏电阻热敏电阻MF73超大功率型超大功率型NTC热敏电阻器热敏电阻器MF72功率型功率型NTC热敏电阻器热敏电阻器10.3 热敏电阻热敏电阻MF11、MF12补偿补偿型型NTC热敏电阻器热敏电阻器 MF57型水箱温度感应塞型水箱温度感应塞专用专用NTC热敏电阻器热敏电阻器10.3 热敏电阻热敏电阻MF51玻封高精密测温玻封高精密测温型型NTC热敏电阻器热敏电阻器MF52珠状精密型珠状精密型NTC热敏电阻器热敏电阻器10.3 热敏电阻热敏电阻 3. .热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性 热热敏敏电电阻阻主主要要有有三三种种类类型型，即即正正温温度度系系数数(

61、 (PTC) )热热敏敏电电阻阻、负负温温度度系系数数( (NTC) )热热敏敏电电阻阻及及在在某某一一特特定定温温度度下下电电阻阻值值会会发发生生突突变变的的临临界界温温度热敏电阻度热敏电阻( (CTR) )。10.3 热敏电阻热敏电阻 几种不同材料热敏电阻的温度特性几种不同材料热敏电阻的温度特性如图所示如图所示。10.3 热敏电阻热敏电阻 ( (1) )温度特性温度特性 正正温温度度系系数数( (PTC) )热热敏敏电电阻阻。PTC型型热热敏敏电电阻阻的的主主要要成成分分为为BaTiO3和和SrTiO3，加加入入少少量量Y2O3和和Mn2O3，经经烧烧结结而而成成。其其色色标标标标记记为为

62、红红色色。特特性性曲曲线如图所示。线如图所示。10.3 热敏电阻热敏电阻 它它的的阻阻值值在在过过了了居居里里点点之之后后发发生生突突变变，有有斜斜率率最最大大的的区区段段，通通过过成成分分配配比比和和添添加加剂剂的的改改变变，可可使使斜斜率率最最大大的的区区段段处处在在不不同同的的温温度度范范围围里里，例例如如加加入入适适量量铅铅其其居居里里温温度度升升高高；若若将将铅铅换换成成锶锶，其居里温度下降。其居里温度下降。10.3 热敏电阻热敏电阻 其其温温度度系系数数从从低低温温到到居居里里点点以以前前是是负负值值，一一旦旦过过了了居居里里点点，其其电电阻阻值值就就迅迅速速增增加加，温温度度系系

63、数数变变为为正正值值，直直到到达达到到最最高高电电阻阻值值之之后后，又又开开始始平平缓缓地地变为负温度系数。变为负温度系数。10.3 热敏电阻热敏电阻 因因此此，使使处处于于低低阻阻态态的的元元件件通通过过额额定定电电流流后后，元元件件迅迅速速升升温温而而处处于于高高阻阻态态，可可起起到到限限流流作作用用。利利用用它它的的限限流流特特性性已已制制成成彩彩电电自自动动消消磁磁器器、马马达达启启动动装装置置以以及及现现代代汽汽车车中中的的“软软”启启动动装装置置。目目前前已已越越来来越越多多地地应应用用于于日日常常生生活活中中，如如房房间间温温度度调调节节器器、荧光灯电子镇流器、可恢复保险丝等。荧

64、光灯电子镇流器、可恢复保险丝等。10.3 热敏电阻热敏电阻 临临界界型型( (CTR) )热热敏敏电电阻阻。若若用用V、Ge、W、P等等的的氧氧化化物物在在弱弱还还原原气气氛氛中中形形成成半半玻玻璃璃状状烧烧结结体体，可可以以制制成成临临界界型型( (CTR) )热热敏敏电电阻阻，其其温温度度系系数数是是负负的的，但但是是在在某某个个温温度度范范围围内内阻阻值值急急剧剧下下降降，灵灵敏敏度度极极高高，其其色色标标标标记记为为白白色色。这这种种特特性性可可用用于于自自动动控控温温和报警电路中。和报警电路中。10.3 热敏电阻热敏电阻 负负温温度度系系数数热热敏敏电电阻阻。NTC型型半半导导体体热

65、热敏敏电电阻阻研研究究最最早早，生生产产最最成成熟熟，是是应应用用最最广广泛泛的的热热敏敏电电阻阻之之一一，通通常常是是多多种种氧氧化化物物的的复复合合烧烧结结体体，特特别别适适合合于于100300 之之间间的的温温度测量，其度测量，其色标标记为绿色色标标记为绿色。10.3 热敏电阻热敏电阻 NTC型热敏电阻的型热敏电阻的阻值与温度的关系为阻值与温度的关系为式式中中，A、B为为取取决决于于材材质质和和结结构构的的常常数数，其其中中A的的量纲为量纲为W W，B的量纲为的量纲为K，T为绝对温度。为绝对温度。 由上面关系可得由上面关系可得式式中中，RT0为为标标准准温温度度T0时时的的阻阻值值，B为

66、为温温度度系系数数，也也称为称为B常数常数。10.3 热敏电阻热敏电阻 上上面面公公式式是是经经验验公公式式。实实验验表表明明，无无论论是是用用氧氧化化物物还还是是用用单单晶晶做做成成的的NTC型型热热敏敏电电阻阻，在在不不太太宽宽的的温温度范围内度范围内( (小于小于400 ) )都能用上式描述。都能用上式描述。 需需要要指指出出的的是是，B常常数数并并不不是是固固定定值值，而而是是温温度度T的的函函数数，即即Bf( (T) )，如如图图所所示示。不不同同厂厂家家生生产产的的热热敏电阻敏电阻B值都不一样。值都不一样。10.3 热敏电阻热敏电阻可求出可求出B常数为常数为 如如果果被被测测温温度

67、度比比较较低低，且且不不需需要要很很高高的的精精度度，可可把把B看成常数。这时计算温度的公式为看成常数。这时计算温度的公式为 根据根据10.3 热敏电阻热敏电阻可得，热敏电阻的温度系数可得，热敏电阻的温度系数为为由由10.3 热敏电阻热敏电阻 例例10. .3 已已知知某某负负温温度度系系数数热热敏敏电电阻阻在在温温度度为为298 K时时阻阻值值RT13 144 W W；当当温温度度为为303 K时时阻阻值值RT22 772 W W。试试求求该该热热敏敏电电阻阻的的材材料料常常数数B和和温温度为度为298 K时的电阻温度系数时的电阻温度系数a a为多大为多大? 解解 按式按式( (10. .1

68、7) )得得所以所以10.3 热敏电阻热敏电阻 ( (2) )热热敏敏电电阻阻的的伏伏安安特特性性 当当通通过过的的电电流流很很小小时时，遵遵循循欧欧姆姆定定律律；当当电电流流增增大大时时，热热敏敏电电阻阻自自身身开始发热，出现负阻效应开始发热，出现负阻效应( (NTC型型) )，如图所示。，如图所示。10.3 热敏电阻热敏电阻 ( (3) )热热敏敏电电阻阻的的安安时时特特性性 流流过过热热敏敏电电阻阻的的电电流流与与时时间间的的关关系系，称称为为安安时时特特性性。它它表表示示热热敏敏电电阻阻在在不不同电压下，电流达到稳定最大值所需要的时间。同电压下，电流达到稳定最大值所需要的时间。10.3

69、 热敏电阻热敏电阻 4. .热敏电阻的非线性校正热敏电阻的非线性校正 热热敏敏电电阻阻输输出出输输入入特特性性的的严严重重非非线线性性是是扩扩大大测测量量范范围围和和提提高高精精度度必必须须解解决决的的关关键键问问题题。解解决决办办法法是是，利利用用温温度度系系数数很很小小的的金金属属电电阻阻与与热热敏敏电电阻阻串串联联或或者者并并联，使串并联后的阻值在一定范围内呈线性关系。联，使串并联后的阻值在一定范围内呈线性关系。10.3 热敏电阻热敏电阻 图图( (a) )是是金金属属电电阻阻RS与与热热敏敏电电阻阻RT串串联联实实现现非非线线性性校校正正的的一一种种方方法法。只只要要RS选选得得合合适

70、适，在在一一定定温温度度范范围围内内可可得得到到图图( (b) )所所示示的的近近似似双双曲曲线线特特性性，即即温温度度与与电电阻阻的的倒倒数数成成线线性性关关系系。从从而而使使温温度度与与电电流流成成线线性性关关系，系，如图如图( (c) )所示所示。还可利用微机实现非线性校正。还可利用微机实现非线性校正。第第10章章 热电式传感器热电式传感器10.1 热电偶传感器热电偶传感器10.2 热电阻传感器热电阻传感器10.3 热敏电阻热敏电阻10.4 PN结型温度传感器结型温度传感器10.5 热电式传感器应用举例热电式传感器应用举例10.4 PN结型温度传感器结型温度传感器 利利用用半半导导体体二

71、二极极管管、三三极极管管、可可控控硅硅等等的的伏伏安安特性与温度的关系可制作温敏器件。特性与温度的关系可制作温敏器件。 它它具具有有体体积积小小、反反应应快快、线线性性较较好好且且价价格格低低廉廉的的优优点点。在在不不少少仪仪表表里里用用来来进进行行温温度度补补偿偿。特特别别适适合合对对电电子子仪仪器器或或家家用用电电器器的的过过热热保保护护，也也常常用用于于简简单单的的温温度度显显示示和和控控制制。不不过过由由于于受受PN结结耐耐热热性性和和特特性范围的限制，只能用来测量性范围的限制，只能用来测量150 以下的温度。以下的温度。10.4 PN结型温度传感器结型温度传感器10.4.1 温敏二极

72、管温敏二极管10.4.2 温敏三极管温敏三极管10.4.3 集成温度传感器集成温度传感器10.4.1 温敏二极管温敏二极管 1. .工作原理工作原理 根根据据PN结结理理论论，对对于于理理想想二二极极管管，当当正正向向压压降降UF大于几个大于几个kT/ /e时，时，UF与温度与温度T之间满足之间满足式式中中，C1为为常常数数；Ug0为为绝绝对对零零度度时时PN结结材材料料的的禁禁带带宽宽度度；K为为玻玻尔尔兹兹曼常数曼常数。10.4.1 温敏二极管温敏二极管 从从上上式式可可以以看看出出，二二极极管管的的正正向向电电压压与与温温度度T之之间间呈呈线线性性关关系系。在在一一定定的的电电流流下下，

73、其其正正向向电电压压随随温温度的升高而降低，故呈现度的升高而降低，故呈现负温度系数负温度系数。 对对于于实实际际的的二二极极管管来来说说，只只要要它它们们工工作作在在PN结结空空间间电电荷荷区区中中的的复复合合电电流流和和表表面面漏漏电电流流可可以以忽忽略略，又又未未发发生生在在大大注注入入效效应应的的电电压压和和温温度度范范围围内内，其其特特性与上述理想二极管是相符合的。性与上述理想二极管是相符合的。10.4.1 温敏二极管温敏二极管 2. .基本特性基本特性 对对温温敏敏二二极极管管来来说说，基基本本特特性性主主要要指指的的是是正正向向电电压压UF与与温温度度T之之间间的的关关系系特特性性

74、。对对于于不不同同的的工工作作电电流流，UFT关关系系是是不不同同的的，但但是是UFT之之间间总总保保持线性关系。持线性关系。10.4.1 温敏二极管温敏二极管 图图示示为为WM型型温温敏敏二二极极管管在在正正向向电电流流IF为为100 m mA时时的的UFT关关系系曲曲线线。可可以以看看出出，在在50150 范围内，范围内，UFT呈很好的线性关系。呈很好的线性关系。10.4.1 温敏二极管温敏二极管 3. .测温电路测温电路 最最常常见见的的测测温温电电路路如如图图所所示示。利利用用DF的的PN结结在在恒流状态恒流状态下正向电压随温度升高而下降的特性。下正向电压随温度升高而下降的特性。10.

75、4 PN结型温度传感器结型温度传感器10.4.1 温敏二极管温敏二极管10.4.2 温敏三极管温敏三极管10.4.3 集成温度传感器集成温度传感器10.4.2 温敏三极管温敏三极管 1. .工作原理工作原理 若若使使三三极极管管中中的的发发射射结结处处于于正正向向偏偏置置，并并使使集集电电极极电电流流IC恒恒定定，则则三三极极管管基基极极与与发发射射极极之之间间的的电电压压Ube和温度和温度T的关系可表示为的关系可表示为式中，式中，C2为常数。为常数。 可可以以看看出出，Ube和和温温度度T之之间间呈呈线线性性关关系系。在在IC恒恒定的情况下，定的情况下，Ube随随T升高而降低，呈现升高而降低

76、，呈现负温度系数负温度系数。 10.4.2 温敏三极管温敏三极管 2. .基本特性基本特性 主主要要是是指指输输出出特特性性，即即不不同同IC情情况况下下，温温敏敏三三极极管的电压管的电压Ube和温度和温度T之间的关系特性，如图所示。之间的关系特性，如图所示。10.4 PN结型温度传感器结型温度传感器10.4.1 温敏二极管温敏二极管10.4.2 温敏三极管温敏三极管10.4.3 集成温度传感器集成温度传感器10.4.3 集成温度传感器集成温度传感器 集集成成温温度度传传感感器器是是将将温温敏敏晶晶体体管管及及辅辅助助电电路路集集成成在在同同一一芯芯片片上上制制成成的的。这这种种传传感感器器自

77、自从从20世世纪纪80年年代代进进入入市市场场以以来来，由由于于具具有有线线性性好好、灵灵敏敏度度高高、体积小、使用简便等优点，得到了广泛应用。体积小、使用简便等优点，得到了广泛应用。 集集成成温温度度传传感感器器的的输输出出形形式式分分为为电电压压型型和和电电流流型型两两种种。其其中中，电电压压型型的的灵灵敏敏度度一一般般为为10 mV/ /，电流型的灵敏度为电流型的灵敏度为1 m mA/ /K。10.4 PN结型温度传感器结型温度传感器10.4.1 温敏二极管温敏二极管10.4.2 温敏三极管温敏三极管10.4.3 集成温度传感器集成温度传感器第第10章章 热电式传感器热电式传感器10.1

78、 热电偶传感器热电偶传感器10.2 热电阻传感器热电阻传感器10.3 热敏电阻热敏电阻10.4 PN结型温度传感器结型温度传感器10.5 热电式传感器应用举例热电式传感器应用举例10.5 热电式传感器应用举例热电式传感器应用举例10.5.1 测温热电偶测温热电偶10.5.2 气体成分分析气体成分分析10.5.3 热敏电阻式过热保护继电器热敏电阻式过热保护继电器10.5.4 AD590温度传感器在远距离检测中的应用温度传感器在远距离检测中的应用10.5.5 用热敏电阻测量流量用热敏电阻测量流量10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器铠装铂电阻液位测量传感器10.5.7 其他测温传感器其他测温传感器

79、10.5.1 测温热电偶测温热电偶 在在锅锅炉炉节节能能控控制制系系统统中中，需需要要对对炉炉膛膛、蒸蒸汽汽、水水等等的的温温度度进进行行测测定定。可可选选用用热热电电偶偶并并利利用用AD590对对热热电电偶偶进进行行冷冷端端温温度度补补偿偿。在在使使用用中中，只只需需将将热热电电偶偶的的冷冷端端与与集集成成温温度度传传感感器器AD590置置于于同同一一环环境境中即可。中即可。10.5.1 测温热电偶测温热电偶 如图所示如图所示。条件：。条件：R4R5，R6R7。10.5 热电式传感器应用举例热电式传感器应用举例10.5.1 测温热电偶测温热电偶10.5.2 气体成分分析气体成分分析10.5.

80、3 热敏电阻式过热保护继电器热敏电阻式过热保护继电器10.5.4 AD590温度传感器在远距离检测中的应用温度传感器在远距离检测中的应用10.5.5 用热敏电阻测量流量用热敏电阻测量流量10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器铠装铂电阻液位测量传感器10.5.7 其他测温传感器其他测温传感器10.5.2 气体成分分析气体成分分析 左左图图为为元元素素分分析析仪仪气气体体成成分分分分析析原原理理图图。它它主主要要由由四四个个外外壳壳用用相相同同材材料料制制成成的的分分析析室室组组成成。四四个个分分析析室的电阻构成桥路。分析室的结构室的电阻构成桥路。分析室的结构如右图所示如右图所示。10.5.2 气

81、体成分分析气体成分分析 分分析析室室Rk1和和Rk2为为参参考考室室，室室内内充充入入洁洁净净的的空空气气，另另外外两两个个分分析析室室Rx1和和Rx2内内充充入入被被分分析析的的混混合合气气体体。测测量量前前先先将将惰惰性性气气体体通通入入分分析析室室，使使电电桥桥达达到到平平衡衡，而而后后使使被被测测混混合合气气体体进进入入分分析析室室，电电桥桥失失去平衡，其不平衡输出是混合气体成分的函数。去平衡，其不平衡输出是混合气体成分的函数。10.5.2 气体成分分析气体成分分析 气气体体的的导导热热系系数数与与气气体体成成分分的的浓浓度度有有关关。导导热热系系数数不不同同，散散热热情情况况不不同同

82、，热热电电阻阻温温度度不不同同。对对于于相相互互不不发发生生化化学学反反应应的的混混合合气气体体，其其导导热热系系数数为为各各气气体体导导热热系系数数的的平平均均值值。设设氢氢气气的的导导热热系系数数为为l l1、气气体体的的百百分分数数含含量量为为a a，氮氮气气的的导导热热系系数数为为l l2，两两种种混混合合气气体体的导热系数为的导热系数为l l，则，则10.5.2 气体成分分析气体成分分析 氢氢气气和和氮氮气气的的导导热热系系数数已已知知，只只要要测测出出l l，就就可可获获得得氢氢气气的的的的百百分分数数含含量量a a，进进而而获获得得氮氮气气的的百百分分数数含含量量( (1a a)

83、 )。大大量量实实验验和和理理论论计计算算表表明明，热热电电阻阻阻阻值值与与气气体体的的导导热热系系数数在在一一定定范范围围内内成成线线性性关关系系。通通过过测测量量热热电电阻阻阻阻值值就就可可求求得得气气体体的的导导热热系系数数，也也就就可可以以间间接求得氮、氢气体的百分数含量。接求得氮、氢气体的百分数含量。10.5 热电式传感器应用举例热电式传感器应用举例10.5.1 测温热电偶测温热电偶10.5.2 气体成分分析气体成分分析10.5.3 热敏电阻式过热保护继电器热敏电阻式过热保护继电器10.5.4 AD590温度传感器在远距离检测中的应用温度传感器在远距离检测中的应用10.5.5 用热敏

84、电阻测量流量用热敏电阻测量流量10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器铠装铂电阻液位测量传感器10.5.7 其他测温传感器其他测温传感器10.5.3 热敏电阻式过热保护继电器热敏电阻式过热保护继电器 图图示示为为一一种种应应用用热热敏敏电电阻阻组组成成的的电电机机过过热热保保护护线线路路。三三只只特特性性相相同同的的RRC6型型负负温温度度系系数数热热敏敏电电阻阻RS1、RS2、RS3( (20 时时阻阻值值为为10 kW W；100 时时为为1 kW W；110 时时为为0.6 kW W) )串串联联在在一一起起，固固定定在电机三相绕组附近。过载或缺相时保护电机。在电机三相绕组附近。过载或缺相

85、时保护电机。10.5 热电式传感器应用举例热电式传感器应用举例10.5.1 测温热电偶测温热电偶10.5.2 气体成分分析气体成分分析10.5.3 热敏电阻式过热保护继电器热敏电阻式过热保护继电器10.5.4 AD590温度传感器在远距离检测中的应用温度传感器在远距离检测中的应用10.5.5 用热敏电阻测量流量用热敏电阻测量流量10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器铠装铂电阻液位测量传感器10.5.7 其他测温传感器其他测温传感器10.5.4 AD590温度传感器在远距离检测中的应用温度传感器在远距离检测中的应用 图图示示电电路路可可测测量量300 m内内某某点点的的温温度度，由由于于使使用用

86、了了屏屏蔽蔽的的绞绞合合电电缆缆及及在在电电缆缆两两端端串串、并并了了1 kW W电电阻阻R和和0.33 m mF电电容容C，实实验验结结果果证证明明，输输出出噪噪声声电电压压峰峰- -峰值只有峰值只有10 mV，能够有效地消除噪声和干扰。，能够有效地消除噪声和干扰。10.5.4 AD590温度传感器在远距离检测中的应用温度传感器在远距离检测中的应用 1 kW W电电阻阻上上的的输输出出电电压压接接AD524仪仪表表放放大大器器的的同同相相端端，AD580输输出出的的基基准准电电压压分分压压后后得得273.2 mV，接接反反相相端端，这这样样可可以以以以摄摄氏氏度度读读出出。AD524将将差差

87、值值放放大大100倍，其输出倍，其输出0.5510 V直接对应直接对应5.5100 。10.5 热电式传感器应用举例热电式传感器应用举例10.5.1 测温热电偶测温热电偶10.5.2 气体成分分析气体成分分析10.5.3 热敏电阻式过热保护继电器热敏电阻式过热保护继电器10.5.4 AD590温度传感器在远距离检测中的应用温度传感器在远距离检测中的应用10.5.5 用热敏电阻测量流量用热敏电阻测量流量10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器铠装铂电阻液位测量传感器10.5.7 其他测温传感器其他测温传感器10.5.5 用热敏电阻测量流量用热敏电阻测量流量 工工作作原原理理如如图图所所示示，Rt1

88、、Rt2为为热热敏敏电电阻阻，Rt1放放入入被被测测管管道道中中，Rt2放放入入不不受受流流体体流流速速影影响响的的容容器内，器内，R1、R2为一般电阻，四个电阻组成桥路。为一般电阻，四个电阻组成桥路。10.5 热电式传感器应用举例热电式传感器应用举例10.5.1 测温热电偶测温热电偶10.5.2 气体成分分析气体成分分析10.5.3 热敏电阻式过热保护继电器热敏电阻式过热保护继电器10.5.4 AD590温度传感器在远距离检测中的应用温度传感器在远距离检测中的应用10.5.5 用热敏电阻测量流量用热敏电阻测量流量10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器铠装铂电阻液位测量传感器10.5.7 其他

89、测温传感器其他测温传感器10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器铠装铂电阻液位测量传感器 传传感感器器由由2只只标标准准铂铂电电阻阻温温度度计计Pt100和和Pt10组组成成，2只只温温度度计计的的几几何何尺尺寸寸和和结结构构完完全全相相同同，但但阻值不同。阻值不同。10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器铠装铂电阻液位测量传感器 由由R1、R2和和Pt100、Pt10组组成成测测量量电电桥桥。当当工工作作电电流流很很小小时时，Pt100和和Pt10的的温温度度相相同同( (此此时时Pt100与与Pt10的温升可以忽略的温升可以忽略) )，电桥输出电压为，电桥输出电压为0。10.5.6 铠装铂电阻

90、液位测量传感器铠装铂电阻液位测量传感器 当当传传感感器器用用于于探探测测液液面面位位置置时时，适适当当增增大大工工作作电电流流，2只只铂铂电电阻阻温温度度计计都都将将发发热热升升温温，其其温温度度都都将将高高于于周围介质温度。周围介质温度。10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器铠装铂电阻液位测量传感器 虽虽然然通通过过Pt100和和Pt10的的工工作作电电流流相相同同，但但其其阻阻值值相相差差约约10倍倍，温温升升不不同同，导导致致其其电电阻阻值值的的增增长长幅幅度度不不同，从而电桥上的输出电压不为同，从而电桥上的输出电压不为0。10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器铠装铂电阻液位测量传感器

91、传传感感器器浸浸没没于于水水中中的的散散热热系系数数远远大大于于其其裸裸露露在在蒸蒸汽汽中中的的散散热热系系数数。当当完完全全浸浸没没于于水水中中时时，由由于于散散热热系系数数大大，Rt1与与Rt2间间的的温温差差小小，从从而而使使得得输输出出电电压压信信号号较低。较低。10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器铠装铂电阻液位测量传感器 反反之之，当当完完全全裸裸露露于于蒸蒸汽汽中中时时，由由于于散散热热系系数数小小，Pt100与与Pt10间间的的温温差差大大，使使输输出出电电压压信信号号高高。由由此此即可探测出汽液容器中液面的位置。即可探测出汽液容器中液面的位置。10.5 热电式传感器应用举例热

92、电式传感器应用举例10.5.1 测温热电偶测温热电偶10.5.2 气体成分分析气体成分分析10.5.3 热敏电阻式过热保护继电器热敏电阻式过热保护继电器10.5.4 AD590温度传感器在远距离检测中的应用温度传感器在远距离检测中的应用10.5.5 用热敏电阻测量流量用热敏电阻测量流量10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器铠装铂电阻液位测量传感器10.5.7 其他测温传感器其他测温传感器10.5.7 其他测温传感器其他测温传感器1. .工业用玻璃管液体温度计工业用玻璃管液体温度计10.5.7 其他测温传感器其他测温传感器2. .压力式温度计压力式温度计10.5.7 其他测温传感器其他测温传感器

93、 3. .双金属温度计双金属温度计 双双金金属属温温度度计计的的工工作作原原理理如如左左图图所所示示。实实例例如右图所示如右图所示。10.5.7 其他测温传感器其他测温传感器4. .热释电辐射传感器热释电辐射传感器10.5.7 其他测温传感器其他测温传感器5. .半导体吸收式温度传感器半导体吸收式温度传感器10.5.7 其他测温传感器其他测温传感器6. .全辐射温度计全辐射温度计10.5.7 其他测温传感器其他测温传感器7. .石英谐振温度传感器石英谐振温度传感器10.5.7 其他测温传感器其他测温传感器8. .荧光温度传感器荧光温度传感器10.5.7 其他测温传感器其他测温传感器 9. .热

94、敏铁氧体温度开关热敏铁氧体温度开关 工作原理工作原理如图所示。如图所示。10.5.7 其他测温传感器其他测温传感器电饭锅中的铁氧体温度开关如图所示。电饭锅中的铁氧体温度开关如图所示。10.5 热电式传感器应用举例热电式传感器应用举例10.5.1 测温热电偶测温热电偶10.5.2 气体成分分析气体成分分析10.5.3 热敏电阻式过热保护继电器热敏电阻式过热保护继电器10.5.4 AD590温度传感器在远距离检测中的应用温度传感器在远距离检测中的应用10.5.5 用热敏电阻测量流量用热敏电阻测量流量10.5.6 铠装铂电阻液位测量传感器铠装铂电阻液位测量传感器10.5.7 其他测温传感器其他测温传感器第第10章章 热电式传感器热电式传感器10.1 热电偶传感器热电偶传感器10.2 热电阻传感器热电阻传感器10.3 热敏电阻热敏电阻10.4 PN结型温度传感器结型温度传感器10.5 热电式传感器应用举例热电式传感器应用举例第第10章作业章作业10.7、10.9、10.10