1、12.1 概述概述12.2 热电偶测温传感器热电偶测温传感器12.3 热电阻式传感器热电阻式传感器12.4 半导体半导体P-N结测温传感器结测温传感器12.5 集成温度传感器集成温度传感器12.6 非接触式温度测量系统非接触式温度测量系统下一页返 回1第1页，共110页。热电势热电势AB2第2页，共110页。03第3页，共110页。若金属若金属A的自由电子浓度大于金属的自由电子浓度大于金属B的，则在同一瞬的，则在同一瞬间由间由A扩散到扩散到B的电子将比由的电子将比由B扩散到扩散到A的电子多，因而的电子多，因而A A对于对于B B因失去电子而带正电，因失去电子而带正电，B B获得电子而带负电，在
2、接触获得电子而带负电，在接触处便产生电场。处便产生电场。A、B之间便产生了一定的接触电动势。之间便产生了一定的接触电动势。4第4页，共110页。接触电动势的大小与两种金属的材料、接点的温度有关，与导体接触电动势的大小与两种金属的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。的直径、长度及几何形状无关。对于温度为对于温度为T的结点，有下列接触电动势公式：的结点，有下列接触电动势公式：电子电荷量：材料的自由电子浓度，玻尔兹曼常量ennTnnekTTeBABAAB:ln5第5页，共110页。回路的总接触电动势为：回路的总接触电动势为：BABABAABABnnTTknnekTnnekTTeT
3、eln)(lnln0006第6页，共110页。对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低度低的一端浓度小，动能也小。因此高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成负电，形成温差电动势，又称汤姆森电动势温差电动势，又称汤姆森电动势。),(0TTeA),(0TTeB7第7页，共110页。温
4、差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。导体温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。导体A两端两端的温差电动势可用下式表示：的温差电动势可用下式表示：dTTTeTTAA 00，eA（T，T0）导体导体A两端温度分别为两端温度分别为T、T0时形成的温差时形成的温差电动势；电动势；T、T0高、低温端的绝对温度；高、低温端的绝对温度；A汤姆逊系数，表示导体汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为两端的温度差为1时所产时所产生的温差电动势。生的温差电动势。8第8页，共110页。同样导体同样导体B两端的温差电动势如下式所示：两端的温差电动势如下式所示：dTTTeT T BB00，回路的总的温差电势
5、为：回路的总的温差电势为：dTdTdTTTeTTeTTBATTBTTABA)(00000，9第9页，共110页。图图12-4 12-4 闭合回路总的热电势闭合回路总的热电势 0 0 0 0 00000ln)(,00TETETedTTedTnneTTkTTeTTeTeTeTTEABABTABTABTTBAABABABAB10第10页，共110页。由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势，则主要作用的是接触电动势，
6、则 有有 BAABABABnnTTekTeTeTTEln,000在标定热电偶时，一般使在标定热电偶时，一般使T0为常数，则为常数，则 CTfTeTeT,TEABABAB 0011第11页，共110页。热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关；温度有关；与热电偶的长度、粗细、形状无关。与热电偶的长度、粗细、形状无关。只有用只有用不同性质的材料不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材料不才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电动势。会产生热电动势。因为当因为当A、B两种导体是同一种材料时，两种导体是同一种材料时，ln（nA/nB）
7、=0，所以，所以EAB（T，T0）=0。12第12页，共110页。只有当只有当热电偶两端温度不同时热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热电偶，不同材料组成的热电偶才能有热电动势产生；当热电偶两端温度相同时，不同材才能有热电动势产生；当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶也不产生热电动势，即料组成的热电偶也不产生热电动势，即EAB（T，T0）=0。导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使有关。如果使eAB（T0）=常数，则回路热电动势常数，则回路热电动势EAB（T，T0）就只与温度就只与温度T有关，而且是有关，而且是T
8、的单值函数，这就是利用的单值函数，这就是利用热电热电偶测温的基本原理偶测温的基本原理。13第13页，共110页。对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，若各接对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，若各接点温度分别为点温度分别为T1、T2TN，闭合回路总的热电动势为：，闭合回路总的热电动势为：NNABCABNABTeTeeE 21T14第14页，共110页。(1)均质导体定律均质导体定律 如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势均为零；反之，如果有热电动点的温度如何，热电动势均为零；反之，如果有热电动势产生，两个热电极的材料
9、则一定是不同的。势产生，两个热电极的材料则一定是不同的。根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分是否相同同(称为称为同名极检验法同名极检验法)，也可以检查热电极材料的均匀性。，也可以检查热电极材料的均匀性。15第15页，共110页。0CA0BCAB0ABCTeTeTeTT ，ET0T0BTAC16第16页，共110页。0TeTeTe0CA0BC0AB 0AB0CA0BCTeTeTe 00ABAB0ABCTeTeTTTTEEAB，17第17页，共110页。T1CT0T1TBA 1CA10BAAB0ABCTeTTeTeTT ACeE，1CA1TeT
10、 ACe 00ABAB0BA0ABCTeTeTeTTTTTEeEABAB，18第18页，共110页。如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就可知。可知。19第19页，共110页。0AC0ACTeTTT，ACeE 0BC0BCTeTTT，BCeE TeTTeTTT00AC00AC00ACTeTeeTeTeeTTEEBCBCACBCBCACBC，20第20页，共110页。若一个热电偶由若一个热电偶由A、B、C三种导体组成，且
11、回路中三个接三种导体组成，且回路中三个接点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即：点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即：0 TeTe0T0BA00AC TeTeTeeCBBACBAC TeTeT0AB00AC TeTeTeeBCABBCAC21第21页，共110页。00AB00AC00ACe TeTTTTTETeTTeTeeTTEEABABBCBCACBC，22第22页，共110页。解：由标准电极定律，镍铬和考铜热电偶的热电动势应等于镍铬解：由标准电极定律，镍铬和考铜热电偶的热电动势应等于镍铬合金与纯铂热电偶与考铜与纯铂热电偶的热电动势的差，即合金与纯铂热电偶与考铜与纯铂热电偶的热电动势的
12、差，即例例 热端为热端为100、冷端为、冷端为0时，镍铬合金与纯铂组成的热电时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为动势为-4.0mV，求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电，求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势。动势。23第23页，共110页。热电偶在两接点温度分别为热电偶在两接点温度分别为T、T0时的热电动势等于该热时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为电偶在接点温度分别为T、Tn和接点温度分别为和接点温度分别为Tn、T0时的时的相应热电动势的代数和。相应热电动势的代数和。24第2
13、4页，共110页。)()()()(00TeTeTeTeEBAABABAB 0000ABABEETTETeTeTeTeTeTeTTTTABABABABnABnABABnn，0ABAB0ABEEETTTTTTnn，对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。25第25页，共110页。000E0EE00ABAB0AB，TETETTTTABAB 上式说明：只要上式说明：只要A、B组成的热电偶在冷端温度为零时的组成的热电偶在冷端温度为零时的“热电动势热电动势 温度温度”关系已知，则它在冷端温度不为零时的关系已知，则它在冷端温度不为零
14、时的热电动势即可知。热电动势即可知。26第26页，共110页。中间温度定律表明：中间温度定律表明：当在原来热电偶回路中分别引入当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料与导体材料A、B相同热电特性的材料相同热电特性的材料C、D即引入所谓补即引入所谓补偿导线时，只要它们之间连接的两点温度相同，则总回偿导线时，只要它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与两连接点温度无关，只与热电偶两端的路的热电动势与两连接点温度无关，只与热电偶两端的温度有关。温度有关。27第27页，共110页。0000BDABeeETTETeTeTeTeTeTeTTABBAABDCABnCADCn，28第28页，共110页。
15、PT100分度表分度表温度阻值温度阻值温度阻值温度阻值-5080.3120107.7990134.71160161.05-4084.2730111.67100138.51170164.77-3088.2240115.54110142.29180168.48-2092.1650119.40120146.07190172.17-1096.0960123.24130149.83200175.86010070127.08140153.5810103.9080130.90150157.3329第29页，共110页。30第30页，共110页。由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由热电偶丝
16、、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为两种形式如图。由于它的热端形状不同，可分为两种形式如图。31第31页，共110页。用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。其热接点极薄成薄膜装热电偶。其热接点极薄(0.01(0.010.lm)0.lm)。特别适用于对壁面温度特别适用于对壁面温度的快速测量。反应时间的快速测量。反应时间仅为几仅为几msms。32第32页，共110页。可测钢水的温度。用直径为可测钢水的温度。用直径为0.050.050.lmm0.lmm的铂铑的铂铑1010一铂一铂铑铑30
17、30热电偶装在热电偶装在U U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。再用保护钢帽所组成。142 356789111011钢帽；钢帽；22石英；石英；33纸环；纸环；44绝热泥；绝热泥；55冷端；冷端；66棉花棉花；77绝缘纸管；绝缘纸管；88补偿导线；补偿导线；99套管；套管；1010塑料插座；塑料插座；1111簧簧片与引出线片与引出线33第33页，共110页。用作热电极的材料应具备下面的条件：用作热电极的材料应具备下面的条件：温度测量范围广。温度测量范围广。要求在规定的温度测量范围内有较高要求在规定的温度测量范围内有较高的测量精确度，有较
18、大的热电动势。温度与热电动势的关的测量精确度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关系是单值函数，最好是呈线性关系。系是单值函数，最好是呈线性关系。性能稳定。性能稳定。要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定，均匀性和复现性好。稳定，均匀性和复现性好。34第34页，共110页。物理化学性能好。物理化学性能好。要求在规定的温度测量范围内有良好要求在规定的温度测量范围内有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。满足上述条件的热电偶材料并不很多。我国把性能符合满足上述条件的热电偶材料并不很多。我国把性能符合专业标准或国家标
19、准并具有统一分度表的热电偶材料称专业标准或国家标准并具有统一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料。为定型热电偶材料。35第35页，共110页。从从1988年年1月月1日起，我国热电偶和热电阻的生产全部按国日起，我国热电偶和热电阻的生产全部按国际电工委员会（际电工委员会（IEC）的标准，并指定）的标准，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。但其七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。但其中的中的R型（铂铑型（铂铑13-铂）热电偶铂）热电偶，因其温度范围与，因其温度范围与S型（铂铑型（铂铑10-铂）重合铂）重合,我国没有生产和使用。我国没有生产和使用。1.标准型热
20、电偶标准型热电偶36第36页，共110页。它的正极是铂铑丝它的正极是铂铑丝(铂铂70%，铑，铑30%)，负极也是铂铑丝，负极也是铂铑丝(铂铂94%，铑，铑6%)，俗称双铂铑。测量温度最高长期可达，俗称双铂铑。测量温度最高长期可达1600，短期可达短期可达1800。优点优点是材料性能稳定，测量精度高，测温上限高。是材料性能稳定，测量精度高，测温上限高。缺点缺点是在还原性气体中易被侵蚀，成本高。是在还原性气体中易被侵蚀，成本高。37第37页，共110页。正极是铂铑丝正极是铂铑丝(铂铂90%，铑，铑l0%)，负极是纯铂丝。测量温度，负极是纯铂丝。测量温度最高长期可达最高长期可达1300，短期可达，短
21、期可达1600，一般用来测量，一般用来测量1000以上的高温。以上的高温。优点优点是材料性能稳定；测量准确度较高，可做成标准热是材料性能稳定；测量准确度较高，可做成标准热电偶或基准热电偶；抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气电偶或基准热电偶；抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中工作。氛中工作。38第38页，共110页。缺点缺点是在高温还原性气体中（如气体中含是在高温还原性气体中（如气体中含C、H2等）易等）易被侵蚀，需要用保护套管；另外其热电极材料属贵金属，成被侵蚀，需要用保护套管；另外其热电极材料属贵金属，成本较高，热电势也较弱。本较高，热电势也较弱。国际温标中规定它为国际温标中规定它为630.74
22、1064.43温度范围内复现温标温度范围内复现温标的标准仪器。的标准仪器。39第39页，共110页。正极是镍铬合金正极是镍铬合金(88.489.7镍、镍、910铬，铬，0.6硅，硅，0.3锰，锰，0.40.7钴钴)，负极为镍硅，负极为镍硅(镍镍95.797镍镍,23硅硅,0.40.7钴钴)。测温范围为。测温范围为-200+1300。优点优点是测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热是测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大、高温下抗氧化能力强、价格低，所以在工业上应电动势大、高温下抗氧化能力强、价格低，所以在工业上应用广泛。用广泛。40第40页，共110页。缺点缺点是热电动势的
23、稳定性和精度较是热电动势的稳定性和精度较B型或型或S型热电偶差，在型热电偶差，在还原性气体和含有还原性气体和含有SO2、H2S等气体中易被侵蚀。测量温等气体中易被侵蚀。测量温度长期可达度长期可达1000，短期可达，短期可达1300。正极是镍铬合金，负极是铜镍合金正极是镍铬合金，负极是铜镍合金(铜铜55%，镍，镍45%)。测温范。测温范围为围为-200+1000。优点优点是热电动势较其他常用热电偶大。适宜在氧化性或惰性是热电动势较其他常用热电偶大。适宜在氧化性或惰性气氛中工作。气氛中工作。41第41页，共110页。正极是铁正极是铁,负极是铜镍合金。测温范围负极是铜镍合金。测温范围-200+130
24、0。其其特点特点是价格低、热电动势较大（仅次于是价格低、热电动势较大（仅次于E型热电偶）、灵型热电偶）、灵敏度高（约为敏度高（约为53V/）、线性度好、价格便宜，可在）、线性度好、价格便宜，可在800以以下的还原介质中使用。下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化。主要缺点是铁极易氧化。42第42页，共110页。正 极 是 铜，负 极 是 铜 镍 合 金，测 温 范 围 为正 极 是 铜，负 极 是 铜 镍 合 金，测 温 范 围 为-200+400，热电势略高于镍铬，热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为镍硅热电偶，约为43V/。优点是精度高、复现性好、稳定性好、价格便宜。优点是精度高、复现性好
25、、稳定性好、价格便宜。缺点是铜极易氧化，故在氧化性气氛中使用时，一般不能缺点是铜极易氧化，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过超过300。在在0-100范围内，范围内，铜铜-铜镍热电偶已被定为三级标准热铜镍热电偶已被定为三级标准热电偶电偶，用以检测低温仪表的精度，误差不超过，用以检测低温仪表的精度，误差不超过 0.1。43第43页，共110页。铱和铱合金热电偶：铱和铱合金热电偶：如铱如铱50铑铑铱铱10钌、铱铑钌、铱铑40-铱、铱铑铱、铱铑60-铱热电偶。它能在氧化环铱热电偶。它能在氧化环境中测量高达境中测量高达2100的高温，且热电动势与温度关系线性好的高温，且热电动势与温度关系线性好。60
26、年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼国产钨铼3-钨铼钨铼25、钨铼、钨铼-钨铼钨铼20热电偶使用温度范围在热电偶使用温度范围在3002000，分度精度为，分度精度为1。主要用于钢水连续测温、反应堆测温等。主要用于钢水连续测温、反应堆测温等场合。场合。44第44页，共110页。主要用在低温测量，可在主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏范围内使用，灵敏度约为度约为10V。是一种高输出性能的热电偶，在是一种高输出性能的
27、热电偶，在1398时的热电势为时的热电势为47.255mV，比铂铑，比铂铑铂热电偶在同样温度下的热电势高出铂热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。空工业。45第45页，共110页。46第46页，共110页。47第47页，共110页。将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器可以是盛有避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器可以是盛有变压器油的容器，利用变压器油的热惰性恒温；也可以是电加变压器油的容
28、器，利用变压器油的热惰性恒温；也可以是电加热的恒温器。这类恒温器的温度不是热的恒温器。这类恒温器的温度不是0，所以最后还需对热，所以最后还需对热电偶进行冷端温度修正。电偶进行冷端温度修正。48第48页，共110页。利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如如仪表室仪表室)。根据根据中间温度定律中间温度定律，只要热电偶的两个热电极分别与两，只要热电偶的两个热电极分别与两补偿导线的补偿导线的接点温度接点温度一致，就不会影响热电动势的输出。一致，就不会影响热电动势的输出。49第49页，共110页。01AB1AB0ABEEETTTTTT，50第
29、50页，共110页。TRIET1 TU 51第51页，共110页。如果热电偶的冷端温度变化范围为如果热电偶的冷端温度变化范围为0+50，热电偶选用铂铑，热电偶选用铂铑10-铂。查分度表得出铂。查分度表得出E为为0.299mV，因此补偿电阻，因此补偿电阻Rt的阻的阻值可以根据上式求出。值可以根据上式求出。073505000391029901.tIERt 52第52页，共110页。当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端温度不是端温度不是0，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所），可预先将有零位调整器的显
30、示仪表的指针从刻度的所），可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值。为被测量的实际温度值。53第53页，共110页。对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为如冷端温度恒定但不为0的情况，只需在采样后加一个与冷的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。端温度对应的常数即可。对于对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信信号输入
31、计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。正。54第54页，共110页。MCZABRRRTTEI 0，55第55页，共110页。002001TeTeTeTeTeTeECAACBADBBDABT 00000000 TeTeTeTeCAACDBBD 2121TeTeTeTeEABABBAABT 56第56页，共110页。每只热电偶的输出为：每只热电偶的输出为：TTEETTEETTEEABABAB033022011，回路总的热电动势为回路总的热电动势为:nEEEEnT 2157第57页，共110页。030201TeTeTeTeTeTeEDCAB
32、DCABDCABT 000TeTeTeABBADC-因为因为 030201030201 TTETTETTETeTeTeTeTeTeEABABABABABABABABABT，所以所以58第58页，共110页。热电阻是利用导体材料的热电阻是利用导体材料的电阻随温度变化而变化电阻随温度变化而变化的特性的特性来实现对温度的测量的。来实现对温度的测量的。热电阻是热电阻是中低温区中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻铂热电阻的测量精确度的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标是最高
33、的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。准的基准仪。应用于应用于-200600-200600范围内的温度测量范围内的温度测量 59第59页，共110页。60第60页，共110页。61第61页，共110页。62第62页，共110页。铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示，在示，在0850范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为：范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为：1 20BtAtRRt63第63页，共110页。)t(CBtAtRRt3201001在在-200-20000范围内，金属铂的电阻值与温度的关系为：范围内，金属铂的电阻值
34、与温度的关系为：64第64页，共110页。A、B、C分度系数分度系数其中：其中：A=3.9684710-2/；B=-5.84710-7/2；C=-4.2210-12/3)可以看出，它们的可以看出，它们的高次项很小高次项很小。铂电阻在。铂电阻在0100时的最大时的最大非线性偏差小于非线性偏差小于0.5；R0不同，不同，Rt与与t 的关系也不同。的关系也不同。65第65页，共110页。铂铂容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定。铂电阻的输出定。铂电阻的输出 输入特性接近线性，且测量精度高，输入特性接近线性，且测量精度高，所以它能用作工
35、业测温元件和作为温度标准。所以它能用作工业测温元件和作为温度标准。按国际温标按国际温标IPTS-68规定，在规定，在-259.34630.73温域内，温域内，以铂电阻温度计作基准器。以铂电阻温度计作基准器。66第66页，共110页。1 320CtBtAtRRt67第67页，共110页。铟电阻铟电阻 铟电阻用铟电阻用99.999%高纯度的铟丝绕成电阻，适宜在高纯度的铟丝绕成电阻，适宜在-269-258温度范围内使用。实验证明，在温度范围内使用。实验证明，在4.2K15K范围内，范围内，铟电阻灵敏度比铂电阻高铟电阻灵敏度比铂电阻高10倍。倍。铟电阻的缺点是材料软，复制性差。铟电阻的缺点是材料软，复
36、制性差。68第68页，共110页。锰电阻适宜在锰电阻适宜在-271-210温度范围内使用。其优点温度范围内使用。其优点是在是在2K 63K温度范围内电阻随温度变化大，灵敏度高。温度范围内电阻随温度变化大，灵敏度高。锰电阻的缺点是材料脆，难拉成丝。锰电阻的缺点是材料脆，难拉成丝。碳电阻适宜在碳电阻适宜在-273-268.5温度范围内使用。其优温度范围内使用。其优点是热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便。但是碳电点是热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便。但是碳电阻的热稳定性较差。阻的热稳定性较差。69第69页，共110页。Rt为热电阻为热电阻,r1、r2、r3为引线电阻为引线电阻,R1、R2为
37、两桥臂电阻为两桥臂电阻,R1=R2,R3为调整电为调整电桥的精密电阻。桥的精密电阻。M表内阻很大，故电流近似为零。当表内阻很大，故电流近似为零。当UA=UB时时电桥平衡。若使电桥平衡。若使r1=r2,则则R3=Rt,就可消除引线电阻的影响。就可消除引线电阻的影响。70第70页，共110页。由上式知引线电阻由上式知引线电阻r1 r4将不引起测量误差。电压表的值将不引起测量误差。电压表的值EM可可认为是热电阻认为是热电阻Rt上的压降，据此可计算出微小温度变化。上的压降，据此可计算出微小温度变化。MMVMVMtIEII)rr(IEIER 3271第71页，共110页。热敏电阻是利用热敏电阻是利用半导
38、体的电阻值随温度的变化半导体的电阻值随温度的变化而显著而显著变化的特性实现测温的。半导体热敏电阻有很高的电阻变化的特性实现测温的。半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，特别适于在得很小，故动态特性好，特别适于在-100300之间之间测温。测温。热敏电阻的缺点是热敏电阻的缺点是互换性较差互换性较差，另外其热电特性是，另外其热电特性是非线非线性性的。的。72第72页，共110页。热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（Co）、锰）、锰（Mn）、镍（）、镍（Ni）等的
39、氧化物采用不同比例配方，高温烧结）等的氧化物采用不同比例配方，高温烧结而成。其形状有珠状、片状、杆状、垫圈状等。而成。其形状有珠状、片状、杆状、垫圈状等。73第73页，共110页。标称电阻值是热敏电阻在标称电阻值是热敏电阻在250.2、零功率时的阻值，也、零功率时的阻值，也叫冷电阻。叫冷电阻。材料常数是表征负温度系数材料常数是表征负温度系数(NTC)热敏电阻器材料的物理热敏电阻器材料的物理特性常数。特性常数。BN值决定于材料的激活能值决定于材料的激活能E，它们之间满足下面，它们之间满足下面的函数关系式的函数关系式kEBN 74第74页，共110页。热敏电阻的温度每变化热敏电阻的温度每变化1时电
40、阻值的变化率叫做热敏电阻的电时电阻值的变化率叫做热敏电阻的电阻温度系数。阻温度系数。即：即：TR/R 热敏电阻器温度每变化热敏电阻器温度每变化1所耗散的功率变化量。所耗散的功率变化量。75第75页，共110页。热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的温度变化量从开始到最终变量的63.2所需的时间称为热敏所需的时间称为热敏电阻的时间常数电阻的时间常数 热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的热敏电阻器在规定的技术条件下长期连续工作所允许的最高温度。最高温度。76第76页，共110页。热敏电阻主
41、要有三种类型，即正温度系数型热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数型(PTC)(PTC)、负温、负温度系数型度系数型(NTC)(NTC)、和临界温度系数型、和临界温度系数型(CTR)(CTR)。CTRCTR临界热敏电阻有一突变温临界热敏电阻有一突变温度，此特性可用于自动控温和度，此特性可用于自动控温和报警电路中。报警电路中。77第77页，共110页。NTC热敏电阻的阻值热敏电阻的阻值-温度关系为：温度关系为：T1-T1expBR R0N0T BN 为热敏电阻的为热敏电阻的材料常数材料常数，一般，一般BN 为为2000600K，高温，高温下下BN 将增大。将增大。78第78页，共110页。00NT
42、lnR T1-T1B lnR或表示为：或表示为：图中直线的斜率就是图中直线的斜率就是热敏电阻的材料常数热敏电阻的材料常数BN。79第79页，共110页。不同材料的不同材料的BN不同，右不同，右图为图为不同不同BN的的RT/R25T特性曲特性曲线线为了使用方便，常取环境温度为为了使用方便，常取环境温度为25作为参考温度（即作为参考温度（即T0=25），则），则NTC热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻 温度关系式可写成：温度关系式可写成：2981125-TBexpRRNT80第80页，共110页。PTC的电阻的电阻 温度特性是温度特性是利用正温度系数热敏材料利用正温度系数热敏材料在居里点附近结构发生
43、相变在居里点附近结构发生相变引起导电率突变获得的引起导电率突变获得的，如，如图所示。图所示。81第81页，共110页。由实验得到：在工作温度范围内，由实验得到：在工作温度范围内，PTC的电阻的电阻 温度特性温度特性可近似用下面的公式表示：可近似用下面的公式表示：00TTBexpRRPT 对上式取对数得：对上式取对数得：00TPTRlnTTBRln 图线的斜率即为图线的斜率即为BP：rR1212Pm mtanB TTRlnRlnTT82第82页，共110页。对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数很对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串或并联构成电阻网
44、络小的精密电阻与热敏电阻串或并联构成电阻网络(常称为线性常称为线性化网络化网络)代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系。性关系。83第83页，共110页。图中热敏电阻图中热敏电阻Rt与补偿电阻与补偿电阻Rx 串联串联,串联后的等效电阻串联后的等效电阻R=Rt+Rx ，只要，只要Rx 的阻值选择适当，可使温度在某一范围内与电的阻值选择适当，可使温度在某一范围内与电阻的倒数成线性关系，所以电流阻的倒数成线性关系，所以电流I I与温度与温度T成线性关系。成线性关系。84第84页，共110页。图中热敏电阻图中热敏电阻Rt与补偿电阻与补偿电阻Rx并
45、联，其等效电阻并联，其等效电阻R=Rt/Rx 。由图可知，由图可知，R与温度的关系曲线便显得比较平坦。因此可以在与温度的关系曲线便显得比较平坦。因此可以在某一温度范围内得到线性的输出特性。某一温度范围内得到线性的输出特性。85第85页，共110页。12.6.1 幅射测温的基本原理幅射测温的基本原理12.6.2 光谱辐射温度计光谱辐射温度计12.6.3 比色高温计比色高温计12.6.4 红外测温红外测温12.6.5 红外成像测温仪红外成像测温仪86第86页，共110页。任何物体，其温度超过绝对零度，都会以任何物体，其温度超过绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射能量。这种电磁电磁波的形式向周围辐
46、射能量。这种电磁波是由物体内部带电粒子在分子和原子内波是由物体内部带电粒子在分子和原子内振动产生的，其中与物体本身温度有关传振动产生的，其中与物体本身温度有关传播热能的那部分辐射，称为播热能的那部分辐射，称为热辐射热辐射。而把能对被测物体热辐射能量进行检测，而把能对被测物体热辐射能量进行检测，进而确定被测物体温度的仪表，通称为进而确定被测物体温度的仪表，通称为辐辐射式温度计射式温度计。辐射式温度计的感温元件不。辐射式温度计的感温元件不需和被测物体或被测介质直接接触。需和被测物体或被测介质直接接触。87第87页，共110页。辐射式温度计辐射式温度计的感温元件通常工作在属于可的感温元件通常工作在属
47、于可见光和红外光的波长区域。辐射式温度计的见光和红外光的波长区域。辐射式温度计的感温元件使用的波长范围为感温元件使用的波长范围为0.340m。相关概念相关概念：绝对黑体绝对黑体：在任何温度下，均能全部吸收辐射到它上：在任何温度下，均能全部吸收辐射到它上面的任何辐射能量面的任何辐射能量选择吸收体选择吸收体：对辐射能的吸收：对辐射能的吸收(或辐射或辐射)除与温度有关外，除与温度有关外，还与波长有关还与波长有关灰体灰体：吸收：吸收(或辐射或辐射)本领与波长无关本领与波长无关88第88页，共110页。如果波长如果波长与温度与温度T满足满足C2(T)1，则可把普，则可把普朗克公式简化为维恩朗克公式简化为
48、维恩(Wien)公式。在温度低于公式。在温度低于3000K，对于波长较短的可见光，用维恩公，对于波长较短的可见光，用维恩公式替代普朗克公式产生的误差式替代普朗克公式产生的误差1。210/5CTCLTe，89第89页，共110页。图图12-14 黑体的光谱辐射曲线黑体的光谱辐射曲线 90第90页，共110页。从图中可以看到如下一些规律：每条曲线均有一从图中可以看到如下一些规律：每条曲线均有一个极大值，而且这个极值是随着温度升高而向波个极大值，而且这个极值是随着温度升高而向波长短的方向移动；不同温度下的曲线，其曲线峰长短的方向移动；不同温度下的曲线，其曲线峰值点的波长值点的波长 m和温度和温度T均
49、满足均满足维恩位移定律维恩位移定律。实验和理论分析表明，黑体的总辐射能力与实验和理论分析表明，黑体的总辐射能力与温度的关系满足温度的关系满足斯蒂藩一玻耳兹曼定律：斯蒂藩一玻耳兹曼定律：40)(TTM91第91页，共110页。综上所述，任何实际物体的总辐射亮度综上所述，任何实际物体的总辐射亮度与温度的四次方成正比；通过测量物体与温度的四次方成正比；通过测量物体的辐射亮度就可得到该物体的温度，这的辐射亮度就可得到该物体的温度，这就是辐射测量的基本原理。就是辐射测量的基本原理。92第92页，共110页。依据物体光谱依据物体光谱辐射出射度或辐射亮度辐射出射度或辐射亮度和和其温度其温度T的关系，可以测出
50、物体的温度。的关系，可以测出物体的温度。目前国内外使用的光谱辐射温度计都是目前国内外使用的光谱辐射温度计都是根据被测物体的根据被测物体的光谱辐射亮度光谱辐射亮度来确定物来确定物体的温度。体的温度。分类：分类：光学高温计光学高温计光电高温计光电高温计硅辐射温度计硅辐射温度计93第93页，共110页。特点：结构较简单，使用方便，适用于特点：结构较简单，使用方便，适用于1000 K3500 K范围的温度测量，其精范围的温度测量，其精度通常为度通常为1.0级和级和l.5级，可满足一般工业级，可满足一般工业测量的精度要求。它被广泛用于高温熔测量的精度要求。它被广泛用于高温熔体、高温窑炉的温度测量。体、高
