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1、关于热电式传感器 第一页，讲稿共七十二页哦第第9章章 热电式传感器热电式传感器第一节第一节 热电偶测温传感器热电偶测温传感器第二节第二节 热电阻式传感器热电阻式传感器第三节第三节 新型温度传感器新型温度传感器 热电热电第二页，讲稿共七十二页哦热电式传感器热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。其中将温度变化转换为的参量进行检测的装置。其中将温度变化转换为电阻电阻变化的称为变化的称为热电阻热电阻传感器传感器；将温度变化转换为；将温度变化转换为热电势热电势变化的称为变化的称为热电偶热电偶传
2、感器。传感器。第一节第一节 热电偶测温传感器热电偶测温传感器热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。热电偶测温传感器是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。热电偶测温传感器是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。具有具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号信号便于远传或信号转换等优点。便于远传或信号转换等优点。第三页，讲稿共七十二页哦一、一、热电偶测温原理热电偶测温原理热电效应热电效应把两种不同导体材料把两种不同导体材料 A、B 的两端分别连接在一起，组成闭合回路
3、，这种的两端分别连接在一起，组成闭合回路，这种组合称为热电偶。组合称为热电偶。当接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，当接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，这个物理现象称为金属丝的热电效应。这个物理现象称为金属丝的热电效应。此现象是此现象是1823年塞贝克（年塞贝克（T.J.Seebeck）用铜和锑做实验时发现的，称为塞贝）用铜和锑做实验时发现的，称为塞贝克电势。克电势。TT0BA热电效应原理图热电效应原理图工作端热端自由端冷端如图所示：如图所示：将两个接点置于温度为将两个接点置于温度为 T 和和 T0（设（设TT0），），T 称为热端（工作端）称为热端（工作端）T0 称为冷端（自由
4、端）称为冷端（自由端）在该回路会产生电动势（热电在该回路会产生电动势（热电势），势），用用 EAB(T,T0)表示。表示。第一节第一节 热电偶测温传感器热电偶测温传感器第四页，讲稿共七十二页哦（1）接触电势）接触电势所有金属内部都有大量的自由电子，不同金属材料其自由电子密度不同。所有金属内部都有大量的自由电子，不同金属材料其自由电子密度不同。设：设：导体导体A自由电子密度为自由电子密度为nA导体导体B自由电子密度为自由电子密度为nBnAnB图中：eAB(T)接触点在温度T时的接触电势e 电子电荷量，其值e=1.610-19CT 接触面的温度nA 导体A自由电子密度nB 导体B自由电子密度+-A
5、BeAB（T）接触电势接触电势nAnB当两种不同金属接触时，当两种不同金属接触时，在接触面上因自由电子密度不同而在接触面上因自由电子密度不同而发生电子扩散，发生电子扩散，电子扩散速率电子扩散速率与导体的自由电子密度有关，与导体的自由电子密度有关，和接触区的温度成正比。和接触区的温度成正比。热电势由两部分组成，即热电势由两部分组成，即接触电势和温差电势。接触电势和温差电势。第五页，讲稿共七十二页哦设：设：导体导体A自由电子密度为自由电子密度为nA导体导体B自由电子密度为自由电子密度为nBnAnB在接触面由在接触面由A扩散到扩散到B的自由电子必然比的自由电子必然比B扩扩散到散到A的电子数多；的电子
6、数多；因此在两种导体的接触面附近，导体因此在两种导体的接触面附近，导体A中部中部分原子失去电子而带正电，导体分原子失去电子而带正电，导体B中部分原子因中部分原子因获得电子而带负电，获得电子而带负电，在导体在导体A、B接触面上形成一个由接触面上形成一个由A指向指向B的静的静电场；电场；这个电场阻碍了电子的继续扩散，当达到动态这个电场阻碍了电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势，其可表示为：即接触电势，其可表示为：BAABnneKTTeln)(式中：eAB(T)接触点在温度T时的接触电势e 电子电荷量，其值e=1.610-1
7、9CK 玻耳兹曼常数 K=1.3810-23 J/K T 接触面的温度nA 导体A自由电子密度nB 导体B自由电子密度+-ABeAB（T）接触电势接触电势nAnB第六页，讲稿共七十二页哦（2）温差电势温差电势TTdTTTeA0),(0单一导体中，如果两端温度不同，在两端间会产生电势，即单一导体单一导体中，如果两端温度不同，在两端间会产生电势，即单一导体的温差电势。的温差电势。这是由于导体内自由电子在高温端具有较大的这是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能动能，因而向低温端扩，因而向低温端扩散（运动），结果高温端中的原子因失去电子而带正电荷，低温端中散（运动），结果高温端中的原子因失去电子而
8、带正电荷，低温端中的原子因得到电子而带负电荷，从而形成一个静电场；的原子因得到电子而带负电荷，从而形成一个静电场；这个电场阻碍了电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在导体两端形这个电场阻碍了电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在导体两端形成一个稳定的电位差，成一个稳定的电位差，即温差电势，其可表示为：即温差电势，其可表示为：式中：eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时的温差电势 汤姆逊系数，表示单一导体两端温度差为 1时产生的温差电势，其值与材料性质和 两端温度有关+-AeA（T,T0）温差电势温差电势TT0第七页，讲稿共七十二页哦（3）热电偶回路热电势）热电偶回路热电势BAABnneKTTe
9、ln)(对于由导体对于由导体A、B组成的热电偶闭合回路，当温度组成的热电偶闭合回路，当温度TT0，nAnB时，闭合回时，闭合回路总的热电势为路总的热电势为EAB（T,T0），可用下式表示），可用下式表示eAB(T)eAB(T0)BA回路总电势回路总电势eA(T,T0)eB(T,T0)或写成或写成TTABBTATBTATABdTnneKTnneKTTTE000)(lnln),(00式中：nAT，nAT0 导体A在接点温度为T和T0时的电子密度nBT，nBT0 导体B在接点温度为T和T0时的电子密度A，B 导体A和B的汤姆逊系数 EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)+-eA(T,T0)
10、+eB(T,T0)TTdTTTeA0),(0第八页，讲稿共七十二页哦在金属导体中自由电子数目很多，但温度不能显著地改变导体中自由电子的动能在金属导体中自由电子数目很多，但温度不能显著地改变导体中自由电子的动能，所以，在同一种金属导体内，温差电势极小，可以忽略。，所以，在同一种金属导体内，温差电势极小，可以忽略。)()()()(),(000TeTeTeTeTTEBAABABABAB因此，在一个热电偶回路中因此，在一个热电偶回路中起决定作用起决定作用的是两个接点处材料的性质和该点所的是两个接点处材料的性质和该点所处温度有关的处温度有关的接触电势接触电势。故上式可以近似为：。故上式可以近似为：eAB
11、(T)eAB(T0)TT0热电偶回路接触电势热电偶回路接触电势EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)+-eA(T,T0)+eB(T,T0)第九页，讲稿共七十二页哦)()()()(),(000TeTeTeTeTTEBAABABABAB在工程中，常用上式表示热电偶回路的总热电势。在工程中，常用上式表示热电偶回路的总热电势。从上式可以看出，回路的总电势是随从上式可以看出，回路的总电势是随T和和T0而变化的，而变化的，即总电势为即总电势为T和和T0的函数差，这在实际使用中不方便。的函数差，这在实际使用中不方便。为此，在使用和标定热电势时，使为此，在使用和标定热电势时，使T0为常数，即为常数，
12、即:eAB(T0)=f(T0)=C(常数)则上式可写成则上式可写成EAB(T,T0)=eAB(T)-f(T0)=f(T)-C当热电偶回路的一个端点（冷端）保持温度不变，当热电偶回路的一个端点（冷端）保持温度不变，则热电势则热电势EAB（T,T0）只随另一个端点（热端）的温度变化而变化）只随另一个端点（热端）的温度变化而变化，回路总电势是（热端）温度，回路总电势是（热端）温度T的的单值函数单值函数。第十页，讲稿共七十二页哦结论：结论：热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。度、粗细无关。)()(
13、)()(),(000TeTeTeTeTTEBAABABABABBAABnneKTTeln)(只有用不同性质的导体只有用不同性质的导体(或半导体或半导体)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势，因为当热电势，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)=0，也即，也即EAB(T，T0)=0。只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生；只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生；且两个端点温差（且两个端点温差（T-T0）越大，回路总电势）越大，回路总电势EAB（T,T0）也越大。）
14、也越大。第十一页，讲稿共七十二页哦1.均质导体定律均质导体定律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接点温度有关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接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。种不同性质的均质材料构成。应用：应用：可用于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀性。可用于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀性。二、二、热电偶基本定律热电偶基本定律第十二页，讲稿共七十二页哦在热电偶测温回路内，接入第三
15、种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。则对回路的总热电势没有影响。2.中间导体定律中间导体定律 EABC（T，T0）=EAB（T，T0）三种不同导体组成的热电偶回路TABCT0T0如图，由如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，由中间导体定律有：三种材料组成的闭合回路，由中间导体定律有：（9-1）第十三页，讲稿共七十二页哦公式推导：公式推导：TABCT0T0在热电偶在热电偶AB回路中，断开参考结点，接入第三种导体回路中，断开参考结点，接入第三种导体C，只要保持两个新，只要保持两个新结点结点AC和
16、和BC的温度仍为参考结点温度的温度仍为参考结点温度T0，根据热电偶的热电势等于各结，根据热电偶的热电势等于各结点热电势的代数和，即：点热电势的代数和，即：EABC（T,T0）=EAB（T）+EBC（T0）+ECA（T0）（9-2）如果回路中各结点温度相等，均为如果回路中各结点温度相等，均为T0，则回路中的总热电势应等于零，即：，则回路中的总热电势应等于零，即：EAB（T0）+EBC（T0）+ECA（T0）=0（9-3）将式（将式（9-3）代入式（）代入式（9-2），得：），得：EABC（T,T0）=EAB（T）-EAB（T0）=EAB（T，T0）EABC（T，T0）=EAB（T，T0）（9-1
17、）此式即为（此式即为（9-1）式。）式。第十四页，讲稿共七十二页哦利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，根据利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，根据中间导体定律中间导体定律，只要保，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，接入导线和仪表后不会影响回路证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。中的热电势。接入的方式如下图所示。接入的方式如下图所示。应用：应用：第十五页，讲稿共七十二页哦3.中间温度定律中间温度定律 在热电偶测温回路中，在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶为热电极上某一点的温度，热电偶AB在结点
18、温在结点温度为度为t、t0时的热电势时的热电势eAB(t,t0)等于热电偶等于热电偶AB在结点温度在结点温度t、tc的热电势的热电势 eAB(t,tc)和和tc、t0时的热电势时的热电势eAB(tc,t0)之和，即之和，即 eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)第十六页，讲稿共七十二页哦 根据中间温度定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体根据中间温度定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A和和B，将热电偶冷端将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线补偿导线提供了理论依据。提供了理论依据。该定律是该定律
19、是参考端温度计算修正参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中法的理论依据。在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为可对参考端温度不为0的热电势进行修正。的热电势进行修正。应用：应用：第十七页，讲稿共七十二页哦4.标准电极定律标准电极定律 当热电偶回路的两个结点温度为当热电偶回路的两个结点温度为T、T0时，用导体时，用导体AB组成热电偶的热电势等组成热电偶的热电势等于热电偶于热电偶AC和热电偶和热电偶CB的热电势的代数和，即：的热电势的代数和，即：0C0C0(,)(,)(,)ABABEt tEt tEt t导体导体C称为标准电极。称为标准电极
20、。第十八页，讲稿共七十二页哦标准电极标准电极C通常选用通常选用高纯铂丝高纯铂丝制成，因为铂的物理、化学性能稳定，易提纯，制成，因为铂的物理、化学性能稳定，易提纯，熔点高。熔点高。如果已求得各种热电极对铂极的热电动势，即可以用标准电极定如果已求得各种热电极对铂极的热电动势，即可以用标准电极定律，求出其中任意两种材料配成热电偶后的的热电势，这大大简律，求出其中任意两种材料配成热电偶后的的热电势，这大大简化了热电偶的选配工作。化了热电偶的选配工作。应用：应用：第十九页，讲稿共七十二页哦例：例：设热端为设热端为100，冷端为，冷端为0时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为时，镍铬合金与纯铂组成的热
21、电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为4.0mV，则镍，则镍铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：2.95(4.0)=6.95(mV)第二十页，讲稿共七十二页哦三、常用热电偶及结构类型三、常用热电偶及结构类型目前，常用热电材料分贵金属和普通金属两大类目前，常用热电材料分贵金属和普通金属两大类我国使用的热电偶有以下几种我国使用的热电偶有以下几种铂铑铂铑-铂铂 热电偶热电偶镍铬镍铬-镍硅镍硅 热电偶热电偶分度号为分度号为 S 测温范围：测温范围：0-1300 分度号为分度号为 K 测温范
22、围：测温范围：0-1000 镍铬镍铬-考铜考铜 热电偶热电偶分度号为分度号为 E 测温范围：测温范围：0-600 分度号为分度号为 B 测温范围：测温范围：0-1800 分度号为分度号为 T 测温范围：测温范围：0-1000 铂铑铂铑30-铂铑铂铑6 热电偶热电偶铜铜-康铜康铜 热电偶热电偶1.常用的热电偶常用的热电偶第二十一页，讲稿共七十二页哦2.常用的热电偶的结构类型常用的热电偶的结构类型（1）工业用热电偶（普通热电偶）工业用热电偶（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、绝缘套管、保护套管以及接线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
23、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。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。工业热电偶结构示意图1接线盒；2保险套管；3绝缘套管；4热电偶丝1234第二十二页，讲稿共七十二页哦（2）铠装式热电偶（又称套管式热电偶）铠装式热电偶（又称套管式热电偶）下图为铠装式热电偶结构示意图。它由热电极、绝缘材料、金属保护套下图为铠装式热电偶结构示意图。它由热电极、绝缘材料、金属保护套等部分组成。其结构比较特殊，可做得很细、很长，可以弯曲等。等部分组成。其结构比较特殊，可做得很细、很长，可以弯曲等。优点优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好测温端热容量小，
24、动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上，可安装在结构复杂的装置上。第二十三页，讲稿共七十二页哦特点：热接点可以做得很小（特点：热接点可以做得很小（m），具有热容量小、反应速度快（），具有热容量小、反应速度快（s）等特点）等特点，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。（3）薄膜热电偶）薄膜热电偶下图为薄膜热电偶的结构示意图。它由热电极、绝缘基板、接头夹具等部分组成。采下图为薄膜热电偶的结构示意图。它由热电极、绝缘基板、接头夹具等部分组成。采用真空蒸镀、化学涂层和电镀等工艺制成。用真空蒸镀、化学涂层和电镀等工
25、艺制成。第二十四页，讲稿共七十二页哦四、热电偶冷端误差及补偿四、热电偶冷端误差及补偿原因热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，如果冷端温度不为0，就会产生误差。为了消除或补偿这个误差，常采用以下几种补偿方法。为了消除或补偿这个误差，常采用以下几种补偿方法。第二十五页，讲稿共七十二页哦把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。为了避免冰水导电引起两个连。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，浸入同一冰点
26、槽，使相互绝缘。接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。1.冰点槽法（冰点槽法（00C恒温法）恒温法）这种方法是一种准确度很高的冷端处理方法，但使用起来比较麻烦，需保持冰水这种方法是一种准确度很高的冷端处理方法，但使用起来比较麻烦，需保持冰水两相共存，仅限于科学实验中使用。两相共存，仅限于科学实验中使用。第二十六页，讲稿共七十二页哦EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)2.计算修正法计算修正法在实际使用中，热电偶冷端保持在实际使用中，热电偶冷端保持00C比较麻烦，但将其保持在某一恒温下，置比较麻烦，但将其保持在某一恒温下，置热电偶冷端在一
27、个恒温箱内比较容易做到。此时，可以采用冷端温度修正法（即热电偶冷端在一个恒温箱内比较容易做到。此时，可以采用冷端温度修正法（即计算修正法）。计算修正法）。根据中间温度定律：根据中间温度定律：当冷端温度当冷端温度TH为某一个非为某一个非00C的恒定值时，由冷端温度引入的误差的恒定值时，由冷端温度引入的误差EAB（TH，T0）是一个常数，可以由分度表查得其电势值。是一个常数，可以由分度表查得其电势值。将测得的热电势值将测得的热电势值EAB（T,TH）加上）加上EAB（TH，T0)值，即可获得冷端温度值，即可获得冷端温度T0=00C时时的热电势的热电势EAB（T，T0），经查热电偶分度表，即可得到被
28、测热源的真实温度），经查热电偶分度表，即可得到被测热源的真实温度T。第二十七页，讲稿共七十二页哦例例 用铜用铜-康铜热电偶测某一温度康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境，参比端在室温环境TH中，测得热电动势中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出，又用室温计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知，查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，求被测热源的真实温度，求被测热源的真实温度T。注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49，也不能把49加上21，认为T=70。由已知条件可得：由已知条件可得：EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB
29、(21，0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度对应的热端温度T=68。由公式：由公式：EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)第二十八页，讲稿共七十二页哦不平衡电桥由不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在计时，在0下使电桥平衡下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，电桥输出，电桥输出Uab=0，电桥对仪表读数无影，电桥对仪表读数无影响。响。注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。T0
30、 Uab EAB(T,T0)当冷端温度升高时，补偿桥臂当冷端温度升高时，补偿桥臂RCu阻值增大，电桥失去平衡，电桥输出随之增大。而热电偶阻值增大，电桥失去平衡，电桥输出随之增大。而热电偶的热电势的热电势EAB（T，T0），由于冷端温度升高而减小，若电桥输出值的增大量），由于冷端温度升高而减小，若电桥输出值的增大量Uab等于等于热电偶电势的减小量热电偶电势的减小量E EAB，则总输出值，则总输出值U=EAB+Uab，就不随着冷端温度的变化而变化。，就不随着冷端温度的变化而变化。3.补偿电桥法补偿电桥法冷端温度补偿电桥冷端温度补偿电桥测温时若保持冷端温度为某一恒温有困难，可采用电桥补偿法。利用不平
31、衡电测温时若保持冷端温度为某一恒温有困难，可采用电桥补偿法。利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。如下图所示桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。如下图所示。E是电桥的电源，是电桥的电源，R为限流电阻。为限流电阻。第二十九页，讲稿共七十二页哦第二节第二节 热电阻式传感器热电阻式传感器物质的电阻率随温度变化而变化的物理现象称为物质的电阻率随温度变化而变化的物理现象称为热电阻效应热电阻效应。热电阻传感器就是根据热电阻效应制成的。热电阻传感器就是根据热电阻效应制成的。热电阻传感器按材料不同，可分为金属热电阻（一般称为热电阻传感器按材料不同，可分为金
32、属热电阻（一般称为热电阻热电阻）和半导体热电）和半导体热电阻（一般称为阻（一般称为热敏电阻热敏电阻）两大类。）两大类。一、热电阻一、热电阻大多数金属导体的电阻随温度的升高而增加，电阻增加的原因可用其导电机理说明大多数金属导体的电阻随温度的升高而增加，电阻增加的原因可用其导电机理说明。1、金属导体测温机理、金属导体测温机理第三十页，讲稿共七十二页哦在金属中参加导电的为自由电子，当温度升高时，虽然自由电子数目基本在金属中参加导电的为自由电子，当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变，但是每个自由电子的动能将增加。因此，在一定的电场作用下，要不变，但是每个自由电子的动能将增加。因此，在一定的电场作用下
33、，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，导致金属电阻随使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，导致金属电阻随温度的升高而增加，其变化关系可由下式表示：温度的升高而增加，其变化关系可由下式表示：Rt=R01+(t-t0)(9-4)式中：式中：Rt，R0分别为热电阻在分别为热电阻在t0C和和t00C时的电阻值；时的电阻值；为热电阻的电阻温度系为热电阻的电阻温度系数。数。由式（由式（9-4）可见，只要）可见，只要保持不变，则金属电阻保持不变，则金属电阻Rt将随温度线性的增加。将随温度线性的增加。第三十一页，讲稿共七十二页哦铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度
34、传感铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。器中得到了广泛应用。（1）铂热电阻铂热电阻2、常用热电阻、常用热电阻按按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围为标准，铂热电阻的使用温度范围为-200850。第三十二页，讲稿共七十二页哦由特性方程可见：铂热电阻和温度之间近似线性关系；且热电阻在温度由特性方程可见：铂热电阻和温度之间近似线性关系；且热电阻在温度t时的电阻时的电阻值与值与0时的电阻值时的电阻值R0有关。有关。目前我国规定工业用铂热电阻有目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和和R0=100两种，它们的分度号分别两种，它们的分度号分别为为Pt10和和Pt1
35、00，其中以，其中以Pt100为常用。为常用。铂热电阻的特性方程为：铂热电阻的特性方程为：在在-2000的温度范围内：的温度范围内：Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100)在在0850的温度范围内：的温度范围内：Rt=R0(1+At+Bt2)式中：式中：Rt 温度为温度为t时铂电阻的电阻值（时铂电阻的电阻值（）R0 温度为温度为0时铂电阻的电阻值（时铂电阻的电阻值（）A 常数，常数，3.9684710-3/B 常数，常数，-5.84710-7/C 常数，常数，-4.2210-12/t 测量温度测量温度 第三十三页，讲稿共七十二页哦在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电在一
36、些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，阻进行测温，它的测量范围为它的测量范围为-50150。（2）铜热电阻铜热电阻优点：优点：铜热电阻的电阻温度系数较大、线性性好、价格便宜。铜热电阻的电阻温度系数较大、线性性好、价格便宜。缺点：缺点：电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定性较差，在电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定性较差，在100 以上时容易氧化，因此只能用于低温及没有浸蚀性的介质中。以上时容易氧化，因此只能用于低温及没有浸蚀性的介质中。特点：特点：第三十四页，讲稿共七十二页哦铜电阻的温度特性铜电阻的温度特性Rt=R0（1+t）式中：Rt 温度为t时铜
37、电阻的电阻值（）R0 温度为0时铜电阻的电阻值（）常数，4.2889910-3/t 测量温度 铜电阻的分度号：铜电阻的分度号：Cu50 测温范围：测温范围：-50-150Cu100 测温范围：测温范围：-50-150（铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的）（铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的）第三十五页，讲稿共七十二页哦3.热电阻的测温电路热电阻的测温电路用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线
38、对测量结果有较大的影响。较大的影响。热电阻内部引线方式有三种：二线制、三线制和四线制。热电阻内部引线方式有三种：二线制、三线制和四线制。第三十六页，讲稿共七十二页哦（1）两线制）两线制两线制连接电路如图所示。两线制连接电路如图所示。将两根导线接在热电阻两端，导线本身的阻值和热电阻串联在一起。将两根导线接在热电阻两端，导线本身的阻值和热电阻串联在一起。两线制接法所带来的测量误差较大。两线制接法所带来的测量误差较大。这是由于导线所带的阻值引起的；并且这是由于导线所带的阻值引起的；并且导线阻值会随其所处环境的温度变化而导线阻值会随其所处环境的温度变化而变化，难以修正。变化，难以修正。这种引线方式简单
39、、费用低，但是引线电阻以及引线电阻这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。的变化会带来附加误差。两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。第三十七页，讲稿共七十二页哦（2）三线制）三线制三线制连接电路如图所示。三线制连接电路如图所示。将热电阻的一端与一根导线相接，另一端同时接两根导线。将热电阻的一端与一根导线相接，另一端同时接两根导线。三线制的连接方案可以消除导线电阻对测温的影三线制的连接方案可以消除导线电阻对测温的影响。响。如图所示，当热电阻与电桥电路配合时，其中一如图所示，当热电阻与电桥电路配合时，其中一根导线串
40、联在电桥的电源上，对电桥的平衡与否根导线串联在电桥的电源上，对电桥的平衡与否毫无影响，另外两根分别串联在电桥的相邻两臂毫无影响，另外两根分别串联在电桥的相邻两臂上，则相邻两臂的阻值都增加相同的阻值上，则相邻两臂的阻值都增加相同的阻值r。当电桥平衡时，可写出下列关系式，即：当电桥平衡时，可写出下列关系式，即：（Rt+r）R2=（R3+r）R1(9-5)第三十八页，讲稿共七十二页哦由式由式(9-5)可得：可得：rRRRRRRt)1(21213(9-6)由式由式(9-6)可见，设计电桥时如满足可见，设计电桥时如满足R1=R2，则式，则式(9-6)中右边含有中右边含有r的项完全消去，的项完全消去，这种
41、情况下连线电阻这种情况下连线电阻r对桥路平衡毫无影响，即可以消除热电阻测量过程中对桥路平衡毫无影响，即可以消除热电阻测量过程中r的影响的影响。三线制比较适合用于工业测量，具有较高的测量精度。三线制比较适合用于工业测量，具有较高的测量精度。第三十九页，讲稿共七十二页哦（3）四线制）四线制四线制连接电路如图所示。四线制连接电路如图所示。将热电阻两端各用两根导线连到仪表上，一般使用直流电位差计作为指示或记录将热电阻两端各用两根导线连到仪表上，一般使用直流电位差计作为指示或记录仪表。仪表。由恒流源提供已知电流由恒流源提供已知电流I，流过热电阻，流过热电阻Rt，使其，使其产生压降产生压降U，再用电位差计
42、测出，再用电位差计测出U，便可利用欧，便可利用欧姆定律得到姆定律得到Rt：Rt=U/I(9-7)由式由式(9-7)可以看出，四线制连接方案中，四可以看出，四线制连接方案中，四根导线的电阻根导线的电阻r对热电阻没有影响。对热电阻没有影响。由恒流源提供已知电流由恒流源提供已知电流I，虽然电流在导线上形成压降，虽然电流在导线上形成压降rI，但不在测量范围之内，但不在测量范围之内。而电压导线上虽有电阻但无电流，所以四根导线的电阻。而电压导线上虽有电阻但无电流，所以四根导线的电阻r对测量均无影响。对测量均无影响。四线制连接方式适合实验室用，具有很高的测量精度。四线制连接方式适合实验室用，具有很高的测量精
43、度。第四十页，讲稿共七十二页哦半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度而变化的性质制半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度而变化的性质制成的温度敏感元件。成的温度敏感元件。二、热敏电阻二、热敏电阻1、半导体热敏电阻测温机理、半导体热敏电阻测温机理半导体中参加导电的是载流子，载流子的密度（单位体积内载流子的数半导体中参加导电的是载流子，载流子的密度（单位体积内载流子的数目）与金属中自由电子的密度相比要多得多，所以半导体的电阻率大。目）与金属中自由电子的密度相比要多得多，所以半导体的电阻率大。随着温度的升高，随着温度的升高，一方面，半导体中的价电子受热激发跃迁到较高的能级而产生新的电子一
44、方面，半导体中的价电子受热激发跃迁到较高的能级而产生新的电子-空穴空穴对，使参加导电的载流子数目大大增加，导致电阻率减少；对，使参加导电的载流子数目大大增加，导致电阻率减少；另一方面，半导体材料的载流子的平均运动速度升高，导致电阻率增大。另一方面，半导体材料的载流子的平均运动速度升高，导致电阻率增大。因此，半导体热敏电阻有多种不同类型。因此，半导体热敏电阻有多种不同类型。第四十一页，讲稿共七十二页哦2、半导体热敏电阻的基本类型、半导体热敏电阻的基本类型半导体热敏电阻随温度变化的典型特性有三种类型，即半导体热敏电阻随温度变化的典型特性有三种类型，即负电阻温度系数热敏电阻负电阻温度系数热敏电阻（N
45、TC）、）、正电阻温度系数热敏电阻正电阻温度系数热敏电阻（PTC）和在某一特定温度下电阻值会发生突）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的变的临界温度电阻器临界温度电阻器（CTR）。）。1正温度系数热敏电阻器（正温度系数热敏电阻器（PTC）电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏阻器。它的主要材料是掺热敏阻器。它的主要材料是掺杂的杂的BaTiO3半导体陶瓷。半导体陶瓷。2负温度系数热敏电阻器（负温度系数热敏电阻器（NTC）电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称称NTC热敏电阻器。它的材料主要是一些过渡金热敏电阻器。它的
46、材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。属氧化物半导体陶瓷。3突变型负温度系数热敏电阻器（突变型负温度系数热敏电阻器（CTR）该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低升高而降低34个数量级，即具有很大负温度系个数量级，即具有很大负温度系数。其主要材料是数。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。并添加一些金属氧化物。第四十二页，讲稿共七十二页哦3.热敏电阻的特点热敏电阻的特点热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。相对于一般的金属热电阻而言，它主要有如下特点：相对于一般的金属热电阻而言，它主要有如下特点：
47、灵敏度高，其电阻温度系数比一般金属电阻大灵敏度高，其电阻温度系数比一般金属电阻大10100倍倍工作温度范围较宽工作温度范围较宽常温器件适用于常温器件适用于-55315高温器件适用温度高于高温器件适用温度高于315（目前最高可达到（目前最高可达到2000）低温器件适用于低温器件适用于-27355 结构简单，体积小，可以测量结构简单，体积小，可以测量点温度点温度电阻率高，热惯性小，适宜动态测量电阻率高，热惯性小，适宜动态测量阻值与温度变化呈非线性关系阻值与温度变化呈非线性关系稳定性好，过载能力强稳定性好，过载能力强第四十三页，讲稿共七十二页哦4.热敏电阻的分类热敏电阻的分类热敏电阻器种类繁多，热敏
48、电阻器种类繁多，按阻值温度系数可分为负电阻温度系数（以下简称负温系数）和正电按阻值温度系数可分为负电阻温度系数（以下简称负温系数）和正电阻温度系数（以下简称正温系数）热敏电阻器；阻温度系数（以下简称正温系数）热敏电阻器；按温度变化的灵敏度（大小）分类按温度变化的灵敏度（大小）分类 高灵敏度型（突变型）、低灵敏度型高灵敏度型（突变型）、低灵敏度型（缓变型）热敏电阻器；（缓变型）热敏电阻器；按其受热方式可分为直热式和旁热式；按其受热方式可分为直热式和旁热式；按其工作温度范围可分为常温、高温和超低温热敏电阻器；按其工作温度范围可分为常温、高温和超低温热敏电阻器；按其结构分类有棒状、圆片、方片、垫圈状
49、、球状、线管状、薄膜以及厚按其结构分类有棒状、圆片、方片、垫圈状、球状、线管状、薄膜以及厚膜等热敏电阻器。膜等热敏电阻器。第四十四页，讲稿共七十二页哦5.5.热敏电阻的主要用途热敏电阻的主要用途 家用电器设备家用电器设备电熨斗、电冰箱、电饭锅、洗衣机、电子炉灶、电暖壶、烘干机、电电熨斗、电冰箱、电饭锅、洗衣机、电子炉灶、电暖壶、烘干机、电烤箱烤箱住房设备住房设备空调器、电热褥、电热地毯、太阳能系统、风取暖器、快速煮水器空调器、电热褥、电热地毯、太阳能系统、风取暖器、快速煮水器汽车汽车电子喷油嘴、发动机防热装置、液位计、汽车空调器电子喷油嘴、发动机防热装置、液位计、汽车空调器测量仪器测量仪器流量
50、计、风速表、真空计、浓度计、湿度计、环境污染监测仪流量计、风速表、真空计、浓度计、湿度计、环境污染监测仪办公设备办公设备复印机、传真机、打印机复印机、传真机、打印机农业、园艺农业、园艺暖房培育、育苗、饲养、烟草干燥暖房培育、育苗、饲养、烟草干燥医疗医疗体温计、人工透晰、检查诊断体温计、人工透晰、检查诊断第四十五页，讲稿共七十二页哦第三节第三节 新型温度传感器新型温度传感器 一、一、PN结温度传感器结温度传感器1.PN结温度传感器的原理结温度传感器的原理半导体半导体PN结测温传感器是以结测温传感器是以PN结的温度特性为理论基础的。即半结的温度特性为理论基础的。即半导体导体PN结的电流电压与温度有