1、第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器第7章 热电式传感器 Thermoelectric sensors教学要求：教学要求：掌握热电偶的工作原理、基本定律和冷端温度补偿方法；掌握热电偶的工作原理、基本定律和冷端温度补偿方法；掌握常用热电阻的工作原理、材料、结构以及测量电路；掌握常用热电阻的工作原理、材料、结构以及测量电路；掌握热敏电阻的电阻温度特性、测温范围及测量电路掌握热敏电阻的电阻温度特性、测温范围及测量电路；能根据测温范围和使用条件正确选用温度传感器。能根据测温范围和使用条件正确选用温度传感器。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器7.1 7.1 概论概论7.2 7.2 热电偶热电偶
2、7.3 7.3 热电阻热电阻7.4 7.4 热敏电阻热敏电阻7.5 7.5 新型温度传感器新型温度传感器第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器 7.1 7.1 概论概论 温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用感器中，温度传感器是应用最广泛最广泛、发展、发展最快最快的传感器之一。的传感器之一。l温度是与人类生活息息相关的物理量。温度是与人类生活息息相关的物理量。l在在20002000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度
3、。用温度传感器检测温度。l人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。部门都与温度有着密切的关系。l工业生产自动化流程工业生产自动化流程,温度测量点要占全部测量点的一半左右。温度测量点要占全部测量点的一半左右。温度是反映物体冷热状态的物理参数。温度是反映物体冷热状态的物理参数。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器温度传感器的种类及特点温度传感器的种类及特点l 接触式温度传感器接触式温度传感器l 非接触式温度传感器非接触式温度传感器接触式温度传感器的特点接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触
4、进行温度：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。采用这种方式的特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。采用这种方式的前提条件是被测物体的热容量必须远大于温度传感器。前提条件是被测物体的热容量必须远大于温度传感器。非接触式温度传感器非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测，这是接触式做不到的。其制从而测量物体的温度，可进行遥测，这是接触式做不到的。其制造成本较高
5、，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。快等。1.1.按测量方式分类按测量方式分类第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器分 类器 件分 类器 件电阻式电阻式铂电阻铂电阻热电式热电式热电偶热电偶铜电阻铜电阻热膨胀式热膨胀式水银水银半导体陶瓷热敏电半导体陶瓷热敏电阻阻双金属双金属P-P-N N结式结式温敏二极管温敏二极管液体压力液体压力温敏晶体管温敏晶体管气体压力气体压力温敏闸流晶体管温敏闸流晶体管其他其他全辐射高温计
6、全辐射高温计集成温度传感器集成温度传感器超声波超声波辐射式辐射式光学高温计光学高温计红外线红外线比色高温计比色高温计光纤温度计光纤温度计光电高温计光电高温计热敏电容热敏电容温度传感器分类温度传感器分类 1.1.按工作原理分类按工作原理分类第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器3.3.按输出信号的模式分类按输出信号的模式分类l模拟温度传感器模拟温度传感器l逻辑输出性温度传感器逻辑输出性温度传感器l数字式温度传感器数字式温度传感器4.4.测温范围对应的传感器测温范围对应的传感器见下表见下表第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器分分 类类特特 征征传传 感感 器器 名名 称称超高温用超高温用传感
7、器传感器15001500以上以上光学高温计、辐射传感器光学高温计、辐射传感器高温用高温用传感器传感器1000100015001500光学高温计、辐射传感器、光学高温计、辐射传感器、热电偶热电偶中高温用中高温用传感器传感器50050010001000光学高温计、辐射传感器、光学高温计、辐射传感器、热电偶热电偶中温用中温用传感器传感器0 0500500低温用低温用传感器传感器-250-25000极低温用极低温用传感器传感器-270-270-250-250BaSrTiOBaSrTiO3 3陶瓷陶瓷晶体管晶体管、热敏电阻热敏电阻、压力式玻璃温度计压力式玻璃温度计测温电阻器、晶体管、测温电阻器、晶体管、
8、热电偶、半热电偶、半导体集成电路传感器导体集成电路传感器、热敏电阻等热敏电阻等 测测 温温 范范 围围第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器7.2 7.2 热电偶热电偶(Thermocouple)热电偶测温的主要优点热电偶测温的主要优点 1.1.它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；驱动动圈式仪表；2.2.测温范围广：下限可达测温范围广：下限可达-270-270 C C，上限可达，上限可达18001800 C C以上；以上；3.3.精度高：精度高：0.10.10.20.2，仅次于热电阻。由于热电偶具有良好，仅次
9、于热电阻。由于热电偶具有良好的复现性和稳定性，所以国际实用温标中规定热电偶作为复的复现性和稳定性，所以国际实用温标中规定热电偶作为复现现630.74630.741064.431064.43范围的标准仪表。范围的标准仪表。4.4.动态特性好。由于热电偶的测量端可以制成很小的接点，动态特性好。由于热电偶的测量端可以制成很小的接点，响应速度快，其时间常数可达毫秒级甚至微秒级。响应速度快，其时间常数可达毫秒级甚至微秒级。5.5.结构简单，制造极为方便。结构简单，制造极为方便。6.6.用途非常广泛。除了用来测量各种流体的温度外，还常用来用途非常广泛。除了用来测量各种流体的温度外，还常用来测量固定表面的温
10、度。测量固定表面的温度。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器热电偶的工作原理基于热电效应热电偶的工作原理基于热电效应 热电效应：热电效应：将两种不同材料的导体（或半导体）将两种不同材料的导体（或半导体）A A与与 B B两两端结合在一起组成一个闭合回路，当两接点处的端结合在一起组成一个闭合回路，当两接点处的温度不同（温度不同（T T0 0T T），则在该回路中就会产生电），则在该回路中就会产生电动势动势 ，并在回路中有一定大小的电流，这，并在回路中有一定大小的电流，这种现象称为种现象称为热电效应热电效应。0(,)ABET T7.2.17.2.1热电偶的工作原理热电偶的工作原理由这两种导体的
11、组合叫做由这两种导体的组合叫做热电偶热电偶。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器热电极热电极A A自由端自由端（参考端、（参考端、冷端）冷端）测量端测量端（工作端、（工作端、热端）热端）热电极热电极B B热电势热电势AB 通过上面的演示，你能得出什么结论通过上面的演示，你能得出什么结论 热电效应热电效应第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器1 1）两种导体的两种导体的接触电动势接触电动势 接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同接触电势是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而在接触处形成的电动势。热电动势是由热电动势是由接触电势接触电势和和温差电动势温差电动势所组
12、成。所组成。e单位电荷单位电荷，e=1.610-19C；k波尔兹曼常数波尔兹曼常数，k=1.3810-23 J/K；nA、nB 导体导体A A、B B在温度为在温度为T T 时的电子密度时的电子密度。接触电势的大小与接点温度及导体中的电子密度有关。接触电势的大小与接点温度及导体中的电子密度有关。BAABnnekTTEln)(BAnn)(TEAB第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器 lnAABBKTnETneT T端：端：00lnAABBKTnETenT T0 0 端：端：00()lnAABABBK TTnETETen回路总接触电动势：回路总接触电动势：第第7 7章章 热电式传感器热电式传感
13、器2 2）单一导体的单一导体的温差电动势温差电动势/汤姆逊效应汤姆逊效应00,TAATET TdTA A导体：导体：00,TBBTET TdTB B导体：导体：TT0+汤姆逊系数，表示导体两端的温度差为汤姆逊系数，表示导体两端的温度差为11时所产生的温差电动势。时所产生的温差电动势。单一导体，如果两端温度不同，在两端间会产生单一导体，如果两端温度不同，在两端间会产生电动势电动势000,TABABTET TET TdT总温差电动势：总温差电动势：第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器0000(,)()(,)()(,)ABABBABAET TETET TETET T)(0TEAB)(TEAB),
14、(0TTEA),(0TTEB 000,TABABABABTET TETETdT3 3）回路总热电动势）回路总热电动势第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器 总热电势总热电势E EABAB(T,T(T,T0 0)为两接点温度为两接点温度T T、T T0 0的函数，的函数，如果如果保持保持T T0 0温度不变温度不变，则，则E EABAB(T,T(T,T0 0)与与T T有单值对应有单值对应关系：关系：E EABAB(T,T(T,T0 0)=E(T)-C)=E(T)-C 结论结论：如果热电偶两个电极的材料相同，则如果热电偶两个电极的材料相同，则 、即使接点温度不同，也不会产生电势；即使接点温度不
15、同，也不会产生电势；ABABnn如果热电偶两个电极的材料不同，但两接点温度如果热电偶两个电极的材料不同，但两接点温度相同，即相同，即 ，也不会产生电势；，也不会产生电势；0TT 这就是热电偶测温原理。这就是热电偶测温原理。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器 1)1)均匀导体定律均匀导体定律(Law of homogeneous circuits)由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势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节电温度有关，与热电的大小只与两材料及两节电温度有关，与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关。关。因
16、此热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量因此热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。的重要指标之一。2 2热电偶的工作定律热电偶的工作定律第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器 1)1)均匀导体定律均匀导体定律(Law of homogeneous circuits)由单一的均匀金属构成的热电偶闭合回路由单一的均匀金属构成的热电偶闭合回路(即满即满足足 ，无论冷、热端的温差多大，也，无论冷、热端的温差多大，也不会产生热电动势。不会产生热电动势。ABAB()nn，利用均匀导体定律对热电偶电极丝材质的均匀性的利用均匀导体定律对热电偶电极丝材质的均匀性的检验实验检验实验 第第7 7章章 热电
17、式传感器热电式传感器 在热电偶回路中接入第三种材在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度料的导体，只要其两端的温度相等，第三导线的引入不会影相等，第三导线的引入不会影响热电偶的热电动势。响热电偶的热电动势。图图15-3 15-3 热电偶中加入第三种材料热电偶中加入第三种材料利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，中间导体定律说明，在热电偶测温回路内，接入第三种导中间导体定律说明，在热电偶测温回路内，接入第三种导体，只要其两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。体，只要其两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。2 2
18、）中间导体定律）中间导体定律（Law of intermediate metal）第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器0T0T1T2TmV 121221212,ABCABBCCAABET TETETETET TET T当当T T1 1=T=T2 2,则则121212,0,0,0,ABCABET TET TET T因此因此:2222220That is:ABBCCABCCAABETETETETETET 1212121212,ABCABABABABET TETETET TET TET T证明：证明：第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器),(),(),(322131ttEttEttEABAB
19、AB1t2t3t1t3t 3 3）中间温度定律中间温度定律（Law of intermediate temperature）如果不同的两种导体材料组成热电偶回路如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为其接点温度分别为t t1 1、t t2 2时时,则其热电势为则其热电势为E EABAB(t t1 1,t,t2 2)；当接点温度为；当接点温度为t t2 2、t t3 3时，其热时，其热电势为电势为E EABAB(t t2 2,t t3 3)；当接点温度为；当接点温度为t t1 1、t t3 3时，其热电势为时，其热电势为E EABAB(t t1 1,t t3 3)，则，则第第7 7
20、章章 热电式传感器热电式传感器若若t2=0,t2=0,则：则：)0,()0,(),0()0,(),313131tEtEtEtEttEABABABABAB（它是制定热电偶分度表的理论基础。热电偶的分它是制定热电偶分度表的理论基础。热电偶的分度表都是以冷端为度表都是以冷端为0 0 时作出的。根据这一定律，时作出的。根据这一定律，只要给出自由端只要给出自由端00时的热电势和温度关系，就时的热电势和温度关系，就可求出冷端为任意温度的热电偶电动势。可求出冷端为任意温度的热电偶电动势。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器7.2.27.2.2热电偶的类型及结构热电偶的类型及结构 指制造工艺比较成熟，能批
21、量生产，性能指制造工艺比较成熟，能批量生产，性能优良而稳定，并已例入工业标准化元件中的热优良而稳定，并已例入工业标准化元件中的热电偶，标准化热电偶有统一的分度表。电偶，标准化热电偶有统一的分度表。如表如表7-27-2所列所列1.1.标准化热电偶标准化热电偶第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器 7-1 7-1 标准化热电偶标准化热电偶第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器 1 1）铂）铂铂铑热电偶铂铑热电偶(S(S型型)分度号分度号LBLB3 3工业用热电偶丝：工业用热电偶丝：0.5mm0.5mm，实验室用可更细些。，实验室用可更细些。正极：铂铑合金丝正极：铂铑合金丝,用用9090铂和铂和
22、1010铑铑(重量比重量比)冶炼而成。冶炼而成。负极：铂丝。负极：铂丝。测量温度：长期：测量温度：长期：13001300、短期：、短期：16001600。特点：特点：n 材料性能稳定，材料性能稳定，测量准确度较高；测量准确度较高；可做成标准热电偶可做成标准热电偶 或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。n 测量温度较高，一般用来测量测量温度较高，一般用来测量10001000以上高温。以上高温。n 在高温还原性气体中（如气体中含在高温还原性气体中（如气体中含CoCo、H H2 2等）易被侵等）易被侵 蚀，需要用保护套管。蚀，需要用保护套管。n 材料
23、属贵金属，成本较高。材料属贵金属，成本较高。n 热电势较弱。热电势较弱。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器 2 2）镍铬）镍铬镍硅镍硅(镍铝镍铝)热电偶热电偶(K(K型型)分度号分度号EUEU2 2工业用热电偶丝：工业用热电偶丝：1.221.22.5mm5mm，实验室用可细些。，实验室用可细些。正极：镍铬合金正极：镍铬合金(用用88.488.489.789.7镍、镍、9 91010铬，铬，0.60.6硅，硅，0.30.3锰，锰，0.40.40.70.7钴冶炼而成钴冶炼而成)。负极：镍硅合金负极：镍硅合金(用用95.795.79797镍镍,2,23 3硅硅,0.4,0.40.70.7钴冶炼
24、钴冶炼而成而成)。测量温度：长期测量温度：长期10001000，短期，短期13001300。特点：特点：u 价格比较便宜，在工业上广泛应用。价格比较便宜，在工业上广泛应用。u 高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SOSO2 2，H H2 2S S等气体中易被侵蚀。等气体中易被侵蚀。u 复现性好，热电势大。复现性好，热电势大。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器3 3）镍铬）镍铬考铜热电偶考铜热电偶(E(E型型)分度号为分度号为EAEA2 2工业用热电偶丝工业用热电偶丝:1.2:1.22mm2mm，实验室用可更细些。，实验室用可更细些。正极：镍铬合金正
25、极：镍铬合金负极：考铜合金（用负极：考铜合金（用5656铜，铜，4444镍冶炼而成）。镍冶炼而成）。测量温度：长期测量温度：长期600600，短期，短期800800。特点：特点：l 价格比较便宜，工业上广泛应用。价格比较便宜，工业上广泛应用。l 在常用热电偶中它产生的在常用热电偶中它产生的热电势最大热电势最大。l 气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变 质，适于在还原性或中性介质中使用。质，适于在还原性或中性介质中使用。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器4 4）铂铑）铂铑3030铂铑铂铑6 6热电偶热电偶(B(B型型)分度号为分度号为LLLL
26、2 2正极：铂铑合金（用正极：铂铑合金（用7070铂，铂，3030铑冶炼而成）。铑冶炼而成）。负极：铂铑合金（用负极：铂铑合金（用9494铂，铂，6 6铑冶炼而成）。铑冶炼而成）。测量温度：长期可到测量温度：长期可到16001600，短期可达，短期可达18001800。特点：特点：l 材料性能稳定，测量精度高。材料性能稳定，测量精度高。l 还原性气体中易被侵蚀。还原性气体中易被侵蚀。l 低温热电势极小，冷端温度在低温热电势极小，冷端温度在5050以下可不加补偿。以下可不加补偿。l 成本高。成本高。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器6 6）铜）铜康铜热电偶康铜热电偶（T T型）型），分度号
27、，分度号MKMK 热电偶的热电势略高于镍铬热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为镍硅热电偶，约为43V/43V/。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于铜易氧化，广泛用于20K20K473K473K的低温实验室测量中。的低温实验室测量中。5 5）铁）铁康铜热电偶（康铜热电偶（J J型），分度号型），分度号TKTK 灵敏度高，约为灵敏度高，约为53V/53V/，线性度好，价格便宜，可，线性度好，价格便宜，可在在800800以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处
28、理后可提高抗锈蚀能力。发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器1 1）钨铼热电偶）钨铼热电偶 是目前一种较好的是目前一种较好的高温热电偶高温热电偶，最高可使用，最高可使用到到3000 3000，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高，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。国产钨铼温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼钨铼2020热电偶使用温度范围热电偶使用温度范围30030020002000，分度精度为，分度精度为1 1。2 2）铱和铱合金热电偶）铱和铱合金热电偶 如铱如铱5050铑铑铱铱1010钌热电偶它能在钌热
29、电偶它能在氧化氧化气氛气氛中测量高达中测量高达21002100的高温。的高温。3 3）金铁）金铁镍铬热电偶镍铬热电偶 主要用在低温测量，可在主要用在低温测量，可在2 2273K273K范围内使用，灵敏度约为范围内使用，灵敏度约为10V10V。4 4）钯）钯铂铱铂铱1515热电偶热电偶 是一种是一种高输出高输出性能的热电偶，在性能的热电偶，在13981398时的热电势为时的热电势为47.255mV47.255mV，比铂，比铂铂铑铂铑1010热电偶在同样温热电偶在同样温度下的热电势高出度下的热电势高出3 3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。常
30、应用于航空工业。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线 第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器3.3.热电偶的结构热电偶的结构 1 1）普通热电偶）普通热电偶 下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。装保护套管，以减小热惯性。工业热电偶结构示意图工业热电偶结构示意图1 1接线盒；接线盒；2 2保险套管保险套管33绝缘套管
31、绝缘套管44热电偶丝热电偶丝1234第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器安装螺纹安装螺纹安装法兰安装法兰第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器接线盒接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端）不锈钢保护管不锈钢保护管 第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器(a)(b)(c)(d)132 2 2）铠装式热电偶）铠装式热电偶优点是：铠装热电偶可优点是：铠装热电偶可以制作得很细，能解决以制作得很细，能解决微小、狭窄场合微小、狭窄场合的测温的测温问题，且具有抗震、可问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。测弯曲、超
32、长等优点。测温范围在温范围在11001100以下的以下的有：镍铬有：镍铬镍硅、镍镍硅、镍铬铬考铜铠装式热电偶考铜铠装式热电偶。断面如图所示。它是将热电偶丝与高温绝缘材料放置在金属断面如图所示。它是将热电偶丝与高温绝缘材料放置在金属套管中，运用比例压缩延伸工艺讲三者拉细合为一体，柔软细长。套管中，运用比例压缩延伸工艺讲三者拉细合为一体，柔软细长。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。铠装式热电偶断面结构示意图铠装式热电偶断面结构示意图 1 金属套管金属套管;2绝缘材料绝缘材料;3热电极热电极(a)碰底型碰底型;(b)不碰底型不碰底型;(c)露头型
33、露头型;(d)帽型帽型第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形法兰法兰铠装型热电偶可长达上百米铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护套保护套管（铠体）管（铠体）第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器 3 3）快速反应薄膜热电偶）快速反应薄膜热电偶用真空蒸镀等方法使两种热电极材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片状薄膜料蒸镀到绝缘板上而形成片状薄膜热电偶。如图，其热接点极薄热电偶。如图，其热接点极薄(0.01(0.010.lm)0.lm)41231 1热电极热电极;2;2热接点热接点;3 3绝缘基
34、板绝缘基板;4;4引出线引出线特别适用于对壁面温度的快速测特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时量。安装时,用粘结剂将它粘结用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁目前我国试制的有铁镍、铁镍、铁康铜和铜康铜和铜康铜三种康铜三种,尺寸为尺寸为 60606 60.2mm;0.2mm;绝缘基板用云母、绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在测温范围在300300以下；反应时以下；反应时间仅为几间仅为几msms。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器7.2.3 7.2.3 热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端温度补偿为什么在热电偶测
35、温时要对冷端温度进行补偿？为什么在热电偶测温时要对冷端温度进行补偿？总热电势总热电势E EABAB(T,T(T,T0 0)为两接点温度为两接点温度T T、T T0 0的函数的函数只有当只有当T T0 0恒定恒定E EABAB(T,T(T,T0 0)才是才是T T的单值函数。的单值函数。而在工程测量中冷端（而在工程测量中冷端（T T0 0）距离热源近，且暴露于空气）距离热源近，且暴露于空气中，易受被测对象温度和环境温度波动的影响，使冷端中，易受被测对象温度和环境温度波动的影响，使冷端温度难以恒定而产生测量误差。为了消除这种误差，可温度难以恒定而产生测量误差。为了消除这种误差，可采取下列温度补偿或
36、修正措施。采取下列温度补偿或修正措施。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器比较查出的比较查出的3 3个个热电势，可以热电势，可以看出热电势是看出热电势是否否线性？线性？假设热电偶的冷假设热电偶的冷端温度为端温度为0 0 C C，请查出请查出100100 C C、0 0 C C、100100 C C 时时的热电势。的热电势。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器如何由热电偶的热电势查热端温度值如何由热电偶的热电势查热端温度值?设冷端为设冷端为0 0 C C，根据以下电路中的毫伏表的示值及，根据以下电路中的毫伏表的示值及K K热电偶的热电偶的分度表，查出热端的温度分度表，查出热端的温度t t
37、x x 。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器 1.1.冰点法冰点法把热电偶的冷端置于冰水混合物容器里，使把热电偶的冷端置于冰水混合物容器里，使T T0 0=0=0。这种办。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。这种方法准确度较高，但使用麻烦。冰点槽，使相互绝缘。这种方法准确度较高，但使用麻烦。mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器
38、 2.2.冷端温度修正法冷端温度修正法适用于冷端温度恒定不变，但不是适用于冷端温度恒定不变，但不是0 0 的情况的情况利用中间温度定律公式：利用中间温度定律公式：E EABAB(T,0)=E(T,0)=EABAB(T,T(T,T0 0)+E)+EABAB(T(T0 0,0),0)计算修正。计算修正。冷端温度修正法是对实际测得的热电动势冷端温度修正法是对实际测得的热电动势E EABAB（T T，T T0 0），修），修正为冷端温度为零的热电动势正为冷端温度为零的热电动势E EABAB（T T，0 0），以便查分度表，），以便查分度表，得出测量温度。如不加以修正，则所得的温度值必然小于得出测量温度
39、。如不加以修正，则所得的温度值必然小于实际值。实际值。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器例题：用镍铬例题：用镍铬-镍硅热电偶测量炉温，已知冷端温度镍硅热电偶测量炉温，已知冷端温度t t0 0=30=30,测得热电势测得热电势E EABAB(t,t(t,t0 0)为为30.29mv30.29mv，求加热炉温度。，求加热炉温度。E EABAB(t,0)=E(t,0)=EABAB(t,t(t,t0 0)+E)+EABAB(t(t0 0,0),0)=30.29+1.203=31.493 =30.29+1.203=31.493查表知：查表知：T=756 T=
40、756 第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器3.3.补偿导线法补偿导线法测温测温T TTTTT补偿导线补偿导线T T0 0为保持热电偶冷端温度为保持热电偶冷端温度T0T0恒定，需要将热电偶冷端延伸到恒定，需要将热电偶冷端延伸到数十米外的温度恒定仪表室或温度波动较小的地方。采用数十米外的温度恒定仪表室或温度波动较小的地方。采用补偿导线代替较贵的热电偶材料。补偿导线代替较贵的热电偶材料。补偿导线：补偿导线：在在0 0100100范围内，与热电偶电极有范围内，与热电偶电极有相同热电特相同热电特性性的的廉价金属廉价金属制作成补偿导线。制作成补偿导线。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器随着热电
41、偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列。国际电工随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列。国际电工委员会也制定了国际标准，适合于标准化热电偶使用。委员会也制定了国际标准，适合于标准化热电偶使用。补偿导线的分类型号和分度号如表补偿导线的分类型号和分度号如表7-37-3在使用补偿导线时，必须根据热电偶型号选配补偿导线；补在使用补偿导线时，必须根据热电偶型号选配补偿导线；补偿导线与热电偶两接点处温度必须相同，极性不能接反；不偿导线与热电偶两接点处温度必须相同，极性不能接反；不能超出规定使用温度范围。能超出规定使用温度范围。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器补偿导线型补偿导线型号号配用热电偶的
42、分度号配用热电偶的分度号补偿导线合金丝补偿导线合金丝补偿导线颜色补偿导线颜色正极正极负极负极正极正极负极负极SCSCS S型型(铂铑铂铑1010-铂铂)SPC(SPC(铜铜)SNC(SNC(钢镍钢镍)红红绿绿KCKCK K型型(镍铬镍铬-镍硅镍硅)KPC(KPC(钢钢)KNC(KNC(钢镍钢镍)红红蓝蓝KXKXK K型型(镍铬镍铬-镍硅镍硅)KPX(KPX(镍镍铬铬)KNX(KNX(镍硅镍硅)红红黑黑EXEXE E型型(镍铬镍铬-康铜康铜)EPX(EPX(镍镍铬铬)ENX(ENX(铜镍铜镍)红红棕棕JXJXJ J型型(铁铁-康铜康铜)JPX(JPX(铁铁)JNX(JNX(铜镍铜镍)红红紫紫TX
43、TXT T型型(铜铜-康铜康铜)TPX(TPX(钢钢)TNX(TNX(钢镍钢镍)红红白白表表7-3 7-3 补偿导线的分类型号和分度号补偿导线的分类型号和分度号第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器 补偿导线的分类补偿导线的分类 补偿导线从原理上分补偿导线从原理上分可分为延长型和补偿型。可分为延长型和补偿型。按补偿精度分按补偿精度分，补偿导线可分为普通级和精密级。，补偿导线可分为普通级和精密级。按工作温度分按工作温度分，补偿导线可分为一般用和耐热用两种。一般，补偿导线可分为一般用和耐热用两种。一般用补偿导线的工作温度为用补偿导线的工作温度为0 0100(100(少数为少数为0 070)70)
44、；耐热用；耐热用补偿导线的工作温度为补偿导线的工作温度为0 0200200。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器把参考端实际温度把参考端实际温度T TH H乘上系数乘上系数k k，加到由，加到由E EABAB(T T，T TH H)查分度表所查分度表所得的温度上，成为被测温度得的温度上，成为被测温度T T。用公式表达，即。用公式表达，即 式中：式中：T T为未知的被测温度；为未知的被测温度；T T为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度；度；T TH H室温；室温；k k为补正系数，其它参数见下表。为补正系数，其它参数见下表。T T
45、 k T H4.4.补偿系数修正法补偿系数修正法第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器例题：用镍铬例题：用镍铬-镍硅热电偶测量炉温，已知冷端温镍硅热电偶测量炉温，已知冷端温度度t0=30,t0=30,测得热电势测得热电势EAB(t,t0)EAB(t,t0)为为30.29mv30.29mv，求加，求加热炉温度。热炉温度。T T k T H=729+1.0*30=759 第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器温度温度T/补正系数补正系数k铂铑10-铂(S)镍铬-镍硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.985000.631.006000.62
46、0.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.5313000.5214000.5215000.5316000.53 第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器5.5.补偿电桥法补偿电桥法适用于冷端温度变化的情况适用于冷端温度变化的情况利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。引起热电势的变化值。如图如图7-127-12所示，不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜所示，不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻丝绕制的电阻
47、R1R1、R2R2、R3R3电阻温度系数较大的铜丝绕制的电电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻阻RCuRCu和稳压电源组成。补偿电桥与热电偶参考端处在同一和稳压电源组成。补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温度，但由于环境温度，但由于RCuRCu的阻值随环境温度变化而变化，如果的阻值随环境温度变化而变化，如果适当选择桥臂电阻和桥路电流，就可以使电桥产生的不平衡适当选择桥臂电阻和桥路电流，就可以使电桥产生的不平衡电压电压UABUAB补偿由于参考端温度变化引起的热电势补偿由于参考端温度变化引起的热电势EABEAB（T T，T0T0）变化量，从而达到自动补偿的目的。变化量，从而达到自动补偿的目的。供电供电
48、4V4V直流，在直流，在0 04040或或-20202020的范围起补的范围起补偿作用。偿作用。第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器7.2.4 7.2.4 热电偶的测量电路及应用热电偶的测量电路及应用1 1测量某一点的温度测量某一点的温度第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器2 2热电偶的串联或并联使用热电偶的串联或并联使用 热电偶正向串联热电偶正向串联热电偶反向串联热电偶反向串联热电偶并联热电偶并联特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分特殊情况下，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，且参考端应在同一温度下。如热电偶正向串度号的热电偶，且参考端应在同一温度
49、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。热电偶串、并联线路如上图所示均温度。热电偶串、并联线路如上图所示第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器 7.3 7.3 热电阻热电阻(RTD:resistive temperature detectiors)利用利用金属材料金属材料电阻率随温度变化而变化的温度电阻效应制电阻率随温度变化而变化的温度电阻效应制成的传感器称为热电阻传感器，在工业上广泛应用于成的传感器
50、称为热电阻传感器，在工业上广泛应用于-200-200+500+500范围的温度检测。范围的温度检测。温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。度的变化趋势相同。7.3.17.3.1热电阻的工作原理热电阻的工作原理R i=R0 1+1T+2T+3T.第第7 7章章 热电式传感器热电式传感器 材料要求材料要求
