1、2.2 2.2 热电式传感器热电式传感器 热电式传感器：热电式传感器：温度变化温度变化 电量变化电量变化 在工业生产过程和机械加工过程中，在工业生产过程和机械加工过程中，温度温度是常见的需要测量和控是常见的需要测量和控制的重要参数之一。制的重要参数之一。传感器传感器 接触式测温接触式测温：基于：基于热平衡热平衡原理，接触温度场，二者进行原理，接触温度场，二者进行热交换热交换（如：热（如：热电偶、热电阻温度传感器），因此存在滞后现象。电偶、热电阻温度传感器），因此存在滞后现象。接触式测温简单、可靠、精度较高；受材料耐高温性能的限制，测温范接触式测温简单、可靠、精度较高；受材料耐高温性能的限制，测
2、温范围在围在-250-25018001800。非接触式测温非接触式测温：无需接触被测体，利用物体的：无需接触被测体，利用物体的热辐射能量热辐射能量随温度变化而随温度变化而变化的原理实现测量。变化的原理实现测量。类型有：光电高温传感器、红外辐射温度传感器、光纤高温传感器等。类型有：光电高温传感器、红外辐射温度传感器、光纤高温传感器等。测温速度快，可对测温速度快，可对运动体运动体进行测温，测温范围在进行测温，测温范围在60060060006000，但误差较大。，但误差较大。根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成可分成接触式接触式和和非接触式非接触
3、式两大类。两大类。各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围2.2.1 2.2.1 热电偶传感器热电偶传感器 热电偶热电偶是工程上应用最是工程上应用最广泛广泛的温度传感器。的温度传感器。优点：优点：结构简单、制作容易、精度高、温度测量范围宽、动结构简单、制作容易、精度高、温度测量范围宽、动 态响应特性好、输出信号便于远传、使用方便。态响应特性好、输出信号便于远传、使用方便。测温范围：测温范围：1001300 在温度测量中占有重要的地位。在温度测量中占有重要的地位。应用：应用：测量炉子或管道的气体、液体的温度或固体的表面温度测量炉子或管道的气体、液体
4、的温度或固体的表面温度 热电偶的测温原理基于热电偶的测温原理基于热电热电效应效应。将两种不同的导体。将两种不同的导体A A和和B B连连成闭合回路，当两个接点处的温成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生度不同时，回路中将产生热电势热电势，由于这种热电效应现象是由于这种热电效应现象是18231823年年塞贝克塞贝克（SeebackSeeback）首先发现提）首先发现提出，故又称出，故又称塞贝克效应塞贝克效应。一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理 图中的闭合回路称为图中的闭合回路称为热电偶热电偶，导体，导体A A和和B B称为热电偶的称为热电偶的热电
5、极热电极。热电偶的两个接点中，置于被测介质（温度为。热电偶的两个接点中，置于被测介质（温度为T T）中的接点称为中的接点称为工作端或热端工作端或热端，置于温度为参考温度，置于温度为参考温度T T0 0的一端的一端称为称为参考端或冷端参考端或冷端。1、热电偶的结构、热电偶的结构2、热电效应：、热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路闭合回路，当两接点温度，当两接点温度T和和T0不同时，则在该回路中就会不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。产生电动势的现象。热电动势热电动势（来源：（来源：接触电动势接触电动势和和温差电动势温差电动势）、）、
6、热电偶热电偶（两（两种材料的组合体）、种材料的组合体）、热电极热电极（A、B两导体）两导体）热端热端（测量端或工作端）、（测量端或工作端）、冷端冷端（参考端或自由端）（参考端或自由端）3 3、两种导体的接触电动势、两种导体的接触电动势 接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。点的温度。两接点的接触电动势两接点的接触电动势 EAB(T)和和 EAB（T0）可表示为）可表示为 含义：含义：由于两种不同导体的自由电子密度不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。同而在接触处形成的电动势。接触电动势的大小与导体的材
7、料、接点接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关，而与导体的直径、长度、几何的温度有关，而与导体的直径、长度、几何形状等无关。形状等无关。BAABnnekTTEln)(BAOOABnnekTTEln)(如果传感器设计好了，即导体如果传感器设计好了，即导体A A、B B已经选定，已经选定，则则接触电势接触电势只与只与温度温度有关有关 同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。大小大小表示：表示：4 4、单一导体的温差电动势、单一导体的温差电动势机理：机理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高
8、温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。)()(1),()()(1),(0000ttndtnekTTEttndtnekTTEBTTBBATTAA 如果传感器设计好了，即导体如果传感器设计好了，即导体A A、B B已经选定，已经选定，则则接触电势接触电势只与只与温度温度有关有关5 5、热电偶回路中产生的总热电势、热电偶回路中产生的总热电势 EAB(T,T0)=
9、eAB(T)eB(T,T0)eAB(T0)eA(T,T0)忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为：忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为：热电偶回路有热电偶回路有四个电动势四个电动势：两个接触电动势、两个温差电动式（：两个接触电动势、两个温差电动式（）。实践证明：实践证明：热电偶回路所产生的电动势主要是由接触电动势引起的，热电偶回路所产生的电动势主要是由接触电动势引起的，温差电动势所占比例极小，可以忽略不计；又因为温差电动势所占比例极小，可以忽略不计；又因为EAB(t)和和EAB(t0)的极性的极性相反，假设导体相反，假设导体A的电子密度大于导体的电子密度大于导体B的电子密度，则的电子密度，则
10、A为正极、为正极、B为负极，为负极，因此回路的总电动势为：因此回路的总电动势为：AB(T,T0)eAB(T)-eAB(T0)AB(T,T0)因此测得热电势的值，即可知道温度因此测得热电势的值，即可知道温度T的大小，利用热的大小，利用热电偶这一性质可以用来电偶这一性质可以用来测温测温。0000lnln()TATATBATBTBTNNKTKTdTeNeN当参考端温度当参考端温度T0恒定时恒定时：AB(T,T0)=f(T)-C即总的热电势只与热端温度即总的热电势只与热端温度T成单值函数关系。成单值函数关系。但是在实际应用过程中，这样做很麻烦，即必须通过繁杂但是在实际应用过程中，这样做很麻烦，即必须通
11、过繁杂的计算才能得到温度的计算才能得到温度T，工程上有没有比较简便的方法呢？，工程上有没有比较简便的方法呢？可知：热电势的大小反映两个接点的可知：热电势的大小反映两个接点的温度差温度差。根据：根据：例如：镍铬镍硅热电偶分度表（参考端温度为0 ）实际应用中，为了简便，温度与热电势之间的关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度T0为0时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度T之间的数值对应关系。通过查表可以查通过查表可以查得得输出热电势输出热电势相相对应的工作端温对应的工作端温度度T，避免了繁杂，避免了繁杂的运算的运算-1、热电偶回路的、热电偶回路的热电动势热电动势只与组成只与组成热电
12、偶的材料热电偶的材料及两端接点的温度有及两端接点的温度有关；与热电偶的形状无关。关；与热电偶的形状无关。热电偶基本性质热电偶基本性质2、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，相同材料不会产生才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电热电动势动势。3、只有当热电偶两端、只有当热电偶两端温度不同温度不同时，不同材料组成的热电偶时，不同材料组成的热电偶才能有热电才能有热电动势动势产生。产生。4、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、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,是是T的单值函数的单值函数，这就是利用，这就是利用热电偶测温的基本原理热电偶测
13、温的基本原理。二、热电偶基本定律二、热电偶基本定律 1 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，点的温度如何，热电动势均为零热电动势均为零.根据这一定律，可以检验根据这一定律，可以检验两个热电极材料的成分两个热电极材料的成分是否是否相同相同(称为称为同名极检验法同名极检验法)，也可以检查，也可以检查热电极材料的均匀热电极材料的均匀性性。2 2、中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体在热电偶回路中接入第三种导体C，只要第三种导体的，只要第三种导体的两接点温两接点温度相同度相同，则回路
14、中总的，则回路中总的热电动势不变热电动势不变。T0T0BTAC右图回路中的总电动势为：右图回路中的总电动势为：0CA0BCAB0ABCTeTeTeTTE，如果回路中三个接点的温度都如果回路中三个接点的温度都相同相同，即，即TT0，则回路，则回路总电总电动势动势必为零，即：必为零，即：0TeTeTe0CA0BC0AB0AB0CA0BCTeTeTe即即 0TTETeTeTTEAB0ABAB0ABC，则则 如果按右图接入第三种导体如果按右图接入第三种导体C，则回，则回路中的总电动势为：路中的总电动势为：T1CT0T1TBA 1CA1AC0BAAB0ABCTeTeTeTeTTE，而而 1CA1ACTe
15、Te所以所以 0AB0ABAB0BAAB0ABCTTETeTeTeTeTTE，意义：意义：可用电气测量仪表直接测量热电势可用电气测量仪表直接测量热电势,可焊接热电偶可焊接热电偶3、标准电极定律标准电极定律 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可知。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。EAB(T,T0)EAC(T,T0)EBC(T,T0)()()()0ACAC0ACTeTeTTE，=()()()0BCBC0BCTeTeTTE，=两式相减得：两式相减
16、得：TeTeTeTeTeTeTeTeTTETTEBC0ACBCACBCBC0ACACBC0AC000，若一个热电偶由若一个热电偶由A、B、C三种导体组成，且回路中三个接点的温三种导体组成，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：度都相同，则回路总电动势必为零，即：()()()()()()0 TeTeTeTeTeTe0BACB0ACBACBAC=+0=+0或或()()()()()()TeTeTeTeTeTe0ABBC0ACABBCAC=0即即导体导体A与与B组成的热电偶的热电动势也可知。组成的热电偶的热电动势也可知。代入（代入（1）式可得：）式可得：0000TTETeTe TeT
17、eTeTeTTETTEABABABBC0ACBCACBC0AC，4、中间温度定律中间温度定律 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电偶时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为在接点温度分别为T、Tn和接点温度分别为和接点温度分别为Tn、T0时的相应热电动时的相应热电动势的代数和。势的代数和。证明：证明：0000TTETeTeTeTeTeTeTTETTEABABABABnABnABABnABnAB，即：即：()()()00+=TTETTETTEnABnABAB，对于对于冷端温度不是零度冷端温度不是零度时，热电偶如何时，热电偶如何分度表分度表的问题提供了依
18、据。的问题提供了依据。三、三、热电偶实用测量电路热电偶实用测量电路 (1)、单点温度的测温线路、单点温度的测温线路A、B为热电偶，为热电偶，C、D为补偿导线，冷端温度为补偿导线，冷端温度T0，E为铜导线，为铜导线，M为毫伏表。为毫伏表。(2)、测量两点之间温差的测温线路、测量两点之间温差的测温线路两只热电偶型号相同，配用相同的补偿导线，结果为两只热电偶型号相同，配用相同的补偿导线，结果为:T=T1-T2EAB(t1,t0)-EAB(t2,t0)=EAB(t1,t2)因此：因此：热电偶反向串联，可测量两点温差。热电偶反向串联，可测量两点温差。查分度表可得温差查分度表可得温差(3)、测量平均温度的
19、测温线路、测量平均温度的测温线路1231()3TEEEE同型号的热电偶并联同型号的热电偶并联(4)、热电偶、热电偶正向串联正向串联，测量几点温度之和的测温线路，测量几点温度之和的测温线路123EEEE 必须是相同型号的热电偶，可必须是相同型号的热电偶，可提高灵敏度提高灵敏度（测量微小温测量微小温度度）和获得较大的）和获得较大的热电势输出热电势输出。(5)、若干只热电偶共同一台仪表的测温线路、若干只热电偶共同一台仪表的测温线路 在多点温度测量时，若干只热电偶通过模拟切换开关，在多点温度测量时，若干只热电偶通过模拟切换开关，共同连接到一台测量仪表上，可节省显示仪表，实现多点测共同连接到一台测量仪表上，可节省显示仪表，实现多点测温。同样，热电偶型号须相同。温。同样，热电偶型号须相同。各种热电偶各种热电偶
