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1、第九章第九章 热电式传感器热电式传感器热电偶温度传感器热电偶温度传感器热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器ICIC温度传感器温度传感器通过本章的学习了解温度传感器的作通过本章的学习了解温度传感器的作用、地位、分类和发展趋势；理解热用、地位、分类和发展趋势；理解热电效应定义，掌握热电偶三定律及相电效应定义，掌握热电偶三定律及相关计算，热电偶冷端补偿原因及补偿关计算，热电偶冷端补偿原因及补偿方法；掌握热敏电阻不同类型的特点、方法；掌握热敏电阻不同类型的特点、特性曲线及应用场合；特性曲线及应用场合；第一节 概 论 温温度度传传感感器器是是实实现现温温度度检检测测和和控控制制的的重重要要器器件件。在在
2、种种类类繁繁多多的的传传感感器器中中，温温度度传传感感器器是是应应用用最最广广泛泛、发发展展最最快快的传感器之一。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2000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，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。并开始使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。及环保等部门都与温度有着密切的关系。l工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的工业生产自动化流程，温度测量点要占
3、全部测量点的一半左右。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。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。一、温度的基本概念一、温度的基本概念热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。量。分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度。动的剧烈程度。能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配状能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量。况的物理量。温标：表示温度大小的尺度是温度的标尺。温标：表示温度大小的尺
4、度是温度的标尺。u热力学温标热力学温标thermodynamictemperaturescaleu国际实用温标国际实用温标Internationalpracticaltemperaturescaleu摄氏温标摄氏温标Celsiustemperaturescaleu华氏温标华氏温标Fahrenheittemperaturescale如如果果在在式式中中再再规规定定一一个个条条件件,就就可可以以通通过过卡卡诺诺循循环环中中的的传传热热量量来来完完全全地地确确定定温温标标。1954年年，国国际际计计量量会会议议选选定定水水的的三三相相点点为为273.16，并并以以它它的的1/273.16定定为为一一
5、度度，这样热力学温标就完全确定了，即这样热力学温标就完全确定了，即T=273.16(Q1/Q2)。1848年年威威廉廉汤汤姆姆首首先先提提出出:以以热热力力学学第第二二定定律律为为基基础础，建建立立温温度度仅仅与与热热量量有有关关，而而与与物物质质无无关关的的热热力力学学温温标标，又又称称开开尔尔文文温温标标(scaleofKelvin)，用用符符号号K表表示示。它是国际基本单位制之一它是国际基本单位制之一。根根据据热热力力学学中中的的卡卡诺诺定定理理，如如果果在在温温度度T1的的热热源源与与温温度为度为T2的冷源之间实现了卡诺循环，则存在下列关系式的冷源之间实现了卡诺循环，则存在下列关系式1
6、 1热力学温标热力学温标thermodynamic temperature scaleQ1热源给予热机的传热量热源给予热机的传热量Q2热机传给冷源的传热量热机传给冷源的传热量为为解解决决国国际际上上温温度度标标准准的的同同意意及及实实用用问问题题，国国际际上上协协商商决决定定，建建立立一一种种既既能能体体现现热热力力学学温温度度（即即能能保保证证一一定定的的准准确确度度），又又使使用用方方便便、容容易易实实现现的的温温标标，即即国国际际实用温标实用温标(简称简称IPTS-68)，又称国际温标。又称国际温标。2 2国际实用温标国际实用温标注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温注意：摄氏
7、温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔度间隔1K=1。T0是在标准大气压下冰的融化温度，是在标准大气压下冰的融化温度，T0=273.15K。水的三相点温度比冰点高出水的三相点温度比冰点高出0.01K。1968年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，年国际实用温标规定热力学温度是基本温度，用用t表示，其单位是开尔文，符号为表示，其单位是开尔文，符号为K。1K定义为水三定义为水三相点热力学温度的相点热力学温度的1/273.16，水的三相点是指纯水在固，水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三态、液态及气态三项平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为相点温度为27
8、3.16K，这是建立温标的惟一基准点。这是建立温标的惟一基准点。四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器四个温度段：规定各温度段所使用的标准仪器低温铂电阻温度计（低温铂电阻温度计（13.81K273.15K）；）；铂电阻温度计（铂电阻温度计（273.15K903.89K）；）；铂铑铂铑-铂热电偶温度计（铂热电偶温度计（903.89K1337.58K）；）；光测温度计（光测温度计（1337.58K以上）。以上）。国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别国际实用开尔文温度与国际实用摄氏温度分别用符号用符号T68和和t68来区别（一般简写为来区别（一般简写为T与与t）。）。3 3摄氏温标摄氏温标Ce
9、lsius temperature scale是是工工程程上上最最通通用用的的温温度度标标尺尺。摄摄氏氏温温标标是是在在标标准准大大气气压压(即即101325Pa)下下将将水水的的冰冰点点与与沸沸点点中中间间划划分分一一百百个个等等份份，每每一一等等份份称称为为摄摄氏氏一一度度(摄摄氏氏度度，)，一一般般用用小小写写字字母母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。表示。与热力学温标单位开尔文并用。摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系：摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系：4 4华氏温标华氏温标Fahrenheit temperature scale目前使用较少，规定在标准大气压下冰的融点为目前使用
10、较少，规定在标准大气压下冰的融点为32华华氏度，水的沸点为氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为华氏度，中间等分为180份，每份，每一等份称为华氏一度，符号一等份称为华氏一度，符号，与摄氏温度的关系：，与摄氏温度的关系：T=t+273.15 Kt=T-273.15 m=1.8n+32n=5/9(m-32)二、温度传感器的特点与分类二、温度传感器的特点与分类u随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化；u蒸气压的温度变化；蒸气压的温度变化；u电极的温度变化电极的温度变化u热电偶产生的电动势；热电偶产生的电动势；u光电效应光电效应u热电效应热电效应u介电常数、
11、导磁率的温度变化；介电常数、导磁率的温度变化；u物质的变色、融解；物质的变色、融解；u强性振动温度变化；强性振动温度变化；u热放射；热放射；u热噪声。热噪声。1 1 温度传感器的物理原理温度传感器的物理原理(11)(11)l特性与温度之间的关系要适中，并容易检特性与温度之间的关系要适中，并容易检 测和测和处理，且随温度呈线性变化；处理，且随温度呈线性变化；l除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；l特性随时间变化要小；特性随时间变化要小；l重复性好，没有滞后和老化；重复性好，没有滞后和老化；l灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的灵敏度高，坚固耐用
12、，体积小，对检测对象的影响要小；影响要小；l机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；l能大批量生产，价格便宜；能大批量生产，价格便宜；l无危险性，无公害等。无危险性，无公害等。2.2.温度传感器应满足的条件温度传感器应满足的条件3.3.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l 非接触式温度传感器接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触接触式温度传感器的特点：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，特别是被测物体热容量较小时，测低了被测
13、物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。的前提条件是被测物体的热容量要足够大。非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出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，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸本较高，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；连续测量不会产收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消
14、耗；反应快等。生消耗；反应快等。物物理理现现象象体积热膨胀体积热膨胀电阻变化电阻变化温差电现象温差电现象导磁率变化导磁率变化电容变化电容变化压电效应压电效应超声波传播速度变化超声波传播速度变化物质物质颜色颜色PN结电动势结电动势晶体管特性变化晶体管特性变化可控硅动作特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射热、光辐射种种类类铂测温电阻、热敏电阻铂测温电阻、热敏电阻热电偶热电偶BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶体振动器石英晶体振动器超声波温度计超声波温度计示温涂料示温涂料液晶液晶半导体二极管半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅可控硅辐射温度传感器辐射温度传感器光学
15、高温计光学高温计1.气体温度计气体温度计2.玻璃制水银温度计玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计双金属温度计5.液体压力温度计液体压力温度计6.气体压力温度计气体压力温度计1热铁氧体热铁氧体2Fe-Ni-Cu合金合金热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅分分类类特特征征传传感感器器名名
16、称称超高温用超高温用传感器传感器1500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10001500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5001000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0500低温用低温用传感器传感器-2500极低温用极低温用传感器传感器-270-250BaSrTiO3陶瓷陶瓷晶体管、热敏电阻、晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计压力式玻璃温度计见表下内容见表下内容测测温温范范围围温度传感器分类(1)分分类类特特征征传传感感器器名名称称测温范围宽测
17、温范围宽输出小输出小测温电阻器、晶体管、热电偶测温电阻器、晶体管、热电偶半导体集成电路传感器、半导体集成电路传感器、可控硅、石英晶体振动器、可控硅、石英晶体振动器、压力式温度计、玻璃制温度计压力式温度计、玻璃制温度计线性型线性型测温范围窄测温范围窄输出大输出大热敏电阻热敏电阻指数型指数型函数函数开关型开关型特性特性特定温度特定温度输出大输出大感温铁氧体、双金属温度计感温铁氧体、双金属温度计测测温温特特性性温度传感器分类温度传感器分类(2)分分类类特特征征传传感感器器名名称称测定精度测定精度0.10.5铂测温电阻、石英晶体振动铂测温电阻、石英晶体振动器、玻璃制温度计、气体温器、玻璃制温度计、气体
18、温度计、光学高温计度计、光学高温计温度温度标准用标准用测定精度测定精度0.55热热电电偶偶、测测温温电电阻阻器器、热热敏敏电电阻阻、双双金金属属温温度度计计、压压力力式式温温度度计计、玻玻璃璃制制温温度度计计、辐辐射射传传感感器器、晶晶体体管管、二二极极管管、半半导导体集成电路传感器、可控硅体集成电路传感器、可控硅绝对值绝对值测定用测定用管理温度管理温度测定用测定用相对值相对值15测测定定精精度度温度传感器分类(3)此外，还有微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感
19、器等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。公公元元1600年年，伽伽里里略略研研制制出出气气体体温温度度计计。一一百百年年后后，研研制制成成酒酒精精温温度度计计和和水水银银温温度度计计。随随着着现现代代工工业业技技术术发发展展的的需需要要，相相继继研研制制出出金金属属丝丝电电阻阻、温温差差电电动动式式元元件件、双双金金属属式式温温度度传传感感器器。1950年年以以后后，相相继继研研制制成成半半导导体体热热敏敏电电阻阻器器。最最近近，随随着着原原材材料料、加加工工技技术术的的飞飞速速发发展展、又又陆续研制出各种类型的温度传感器。陆续研制出各种类型的温度传感器。三、温度传感器的发展概况三
20、、温度传感器的发展概况接触式温度传感器非接触式温度传感器1常用热电阻常用热电阻范围：-260850；精度：0.001。改进后可连续工作2000h，失效率小于1，使用期为10年。2管管缆缆热热电电阻阻测温范围为-20500，最高上限为1000，精度为0.5级。（）接触式温度传感器（）接触式温度传感器3陶陶瓷瓷热热电电阻阻测量范围为200+500，精度为0.3、0.15级。4超超低低温温热热电电阻阻两种碳电阻，可分别测量268.8253-272.9272.99的温度。5热热敏敏电电阻阻器器适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。l l辐辐射射高高温温计计用用来来测测量量1000以
21、以上上高高温温。分分四四种种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2 2光光谱谱高高温温计计前前苏苏联联研研制制的的YCII型型自自动动测测温温通通用用光光谱谱高高温温计计,其其测测量量范范围围为为4006000,是是采采用用电电子子化化自自动跟踪系统动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。保证有足够准确的精度进行自动测量。（二）非接触式温度传感器（二）非接触式温度传感器3 3超超声声波波温温度度传传感感器器特特点点是是响响应应快快(约约为为10ms左左右右)，方向性强。目前国外有可测到方向性强。目前国外有可测到5000的产品。
22、的产品。4 4激激光光温温度度传传感感器器适适用用于于远远程程和和特特殊殊环环境境下下的的温温度度测测量量。如如NBS公公司司用用氦氦氖氖激激光光源源的的激激光光做做光光反反射射计计可可测测很很高高的的温温度度，精精度度为为1。美美国国麻麻省省理理工工学学院院正正在在研研制制一一种种激激光光温温度度计计，最最高高温温度度可可达达8000，专专门门用用于于核核聚聚变变研研究究。瑞瑞士士BrowaBorer研研究究中中心心用用激激光光温温度度传传感感器器可测几千开可测几千开(K)的高温。的高温。1超超高高温温与与超超低低温温传传感感器器，如如+3000以以上上和和250以下的温度传感器。以下的温度
23、传感器。2提高温度传感器的精度和可靠性。提高温度传感器的精度和可靠性。3研研制制家家用用电电器器、汽汽车车及及农农畜畜业业所所需需要要的的价价廉廉的的温温度度传感器。传感器。4发发展展新新型型产产品品，扩扩展展和和完完善善管管缆缆热热电电偶偶与与热热敏敏电电阻阻；发发展展薄薄膜膜热热电电偶偶；研研究究节节省省镍镍材材和和贵贵金金属属以以及及厚厚膜膜铂铂的的热热电电阻阻；研研制制系系列列晶晶体体管管测测温温元元件件、快快速速高高灵灵敏敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器。型热电偶以及各类非接触式温度传感器。5发展适应特殊测温要求的温度传感器。发展适应特殊测温要求的温度传感器。6发展数字化、集
24、成化和自动化的温度传感器发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。（三）温度传感器的主要发展方向（三）温度传感器的主要发展方向温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度流体的温度、测量测量固体以及固体壁面的温度固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于。微型热电偶还可用于快速及动态温度快速
25、及动态温度的测量。的测量。第二节第二节 热电偶温度传感器热电偶温度传感器热电偶的工作原理热电偶的工作原理热电偶回路的性质热电偶回路的性质热电偶的常用材料与结构热电偶的常用材料与结构冷端处理及补偿冷端处理及补偿热电偶的选择、安装使用和校验热电偶的选择、安装使用和校验两两种种不不同同的的导导体体或或半半导导体体A A和和B B组组合合成成闭闭合合回回路路，若若导导体体A A和和B B的的连连接接处处温温度度不不同同（设设T TT T0 0），则则在在此此闭闭合合回回路路中中就就有有电电流流产产生生，也也就就是是说说回回路路中中有有电电动动势势存存在在，这这种种现现象象叫叫做做热热电电效效应应。这这
26、种种现现象象早早在在18211821年年首首先先由由西西拜拜克克（SeeSeebackback）发现发现,所以又称西拜克效应。所以又称西拜克效应。热电偶原理图热电偶原理图TT0AB 一、工作原理一、工作原理回回路路中中所所产产生生的的电电动动势势，叫叫热热电电势势。热热电电势势thermo-electric force由由两两部部分分组组成成，即即温温差电势和接触电势。差电势和接触电势。热端热端冷端冷端1.1.接触电势接触电势+ABTeAB(T)-eAB(T)导体导体A、B结点在温度结点在温度T 时形成的接触电动势；时形成的接触电动势；e单位电荷，单位电荷，e=1.610-19C；k波尔兹曼常
27、数，波尔兹曼常数，k=1.3810-23J/K；nA、nB 导体导体A、B在温度为在温度为T 时的电子密度。时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势接触电势原理图原理图AeA(T,To)ToTeA(T，T0)导体导体A两端温度为两端温度为T、T0时形成的温差电动势；时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度；高低端的绝对温度；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时所产生的时所产生的温差电动势，例如在温差电动势，例如在0时，铜的时，铜的=2V/。2.温差电势温差电势温差电势原理图
28、温差电势原理图由由导导体体材材料料A、B组组成成的的闭闭合合回回路路，其其接接点点温温度度分分别别为为T、T0,如如果果TT0，则则必必存存在在着着两两个个接接触触电电势势和和两两个个温温差差电电势，回路总电势：势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路总电势回路总电势结论结论(4(4点点)：E EABAB(T T,T T0 0)=)=E EABAB(T T)-)-E EABAB(T T0 0)=)=f f(T T)-C=)-C=(T T)由于由于nA、nB是温度的单值函数是温度的单值函数在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电在工程应用中，
29、常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T)-EAB(0)-EAB(T0)-EAB(0)=EAB(T，0)-EAB(T0，0)热电偶的热电势，等于两端温度分别为热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和和零度以及零度以及T0和零度的热电势之差。和零度的热电势之差。导导体体材材料料确确定定后后，热热电电势势的的大大小小只只与与热热电电偶偶两两端端的的温温度度有有关关。如如果果使使E EABAB(T T0 0)=)=常常数数，则则回回路路热热电电势势E EABAB(T T
30、，T T0 0)就就只只与与温温度度T T有有关关，而而且且是是T T的的单单值值函数，这就是利用热电偶测温的原理。函数，这就是利用热电偶测温的原理。只有当热电偶两端温度不同只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。料不同时才能有热电势产生。热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端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。温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。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)才能组合成热才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、
31、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。对对于于有有几几种种不不同同材材料料串串联联组组成成的的闭闭合合回回路路，接接点点温温度度分分别别为为T1、T2、Tn，冷冷端端温温度度为为零零度度的的热热电电势势。其其热电势为热电势为E=EAB（T1）+EBC（T2）+ENA（Tn）由由一一种种均均质质导导体体组组成成的的闭闭合合回回路路，不不论论其其导导体体是是否否存存在在温温度度梯梯度度，回回路路中中没没有有电电流流(即即不不产产生生电电动动势势)；反反之之，如如果果有有电电流流流流动动，此此材材料料则则一一定定是是非非均均质质的的
32、，即即热热电电偶偶必必须须采采用用两两种种不不同同材材料料作作为电极。为电极。二、热电偶回路的性质二、热电偶回路的性质1.1.均质导体定律均质导体定律E总总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三种不同导体组成的热电偶回路TABCTT2.2.中间导体定律中间导体定律一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。点产生的热电势的代数和为零。如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则两点结论：两点结论：l）将将第第三三种种材材料料C接接入入
33、由由A、B组组成成的的热热电电偶偶回回路路，如如图图，则则图图a中中的的A、C接接点点2与与C、A的的接接点点3，均均处处于于相相同温度同温度T0之中，此回路的总电势不变，即之中，此回路的总电势不变，即同同理理，图图b中中C、A接接点点2与与C、B的的接接点点3，同同处处于于温温度度T0之中，此回路的电势也为：之中，此回路的电势也为：T2T1AaBC23EABAT023ABEABT1T2 CT0EAB（T1,T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三种材料第三种材料接入热电偶接入热电偶回路图回路图ET0T0TET0T1T1
34、T电位计接入热电偶回路根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。入的方式见下图所示。3.3.中间温度定律中间温度定律 如如果果不不同同的的两两种种导导体体材材料料组组成成热热电电偶偶回回路路,其其接接点点温温度度分分别别为为T1、T2(如如图图所所示示)时时,则则其其热热电电势势为为EAB(T1,T2)；当当接接点点温温度度为为T2、T3时时，其其热热电电势势为为EAB(T2,T
35、3)；当当接接点温度为点温度为T1、T3时，其热电势为时，其热电势为EAB(T1,T3)，则，则BBA T2 T1 T3 AABEAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）=EAB（T1,0）-EAB（T3,0）=EAB（T1）-EAB（T3）ABT1T2T2ABT0T0热电偶补偿热电偶补偿导线接线图导线接线图E对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提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。如当供了依据。如当T2=0时，则：时，则：只要只要T1、T0不变，接入不变，接入AB后不管接点温度后
36、不管接点温度T2如何变化，如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。EAB=EAB(T1)EAB(T0)说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料同样热电特性的材料A、B(如图如图)即引入所谓补偿导即引入所谓补偿导线时，当线时，当EAA(T2)=EBB(T2)时，则回路总电动势为时，则回路总电动势为热电偶材料应满足：热电偶材料应满足：l物理性能稳定，热电特性不随时间改变；物理性能稳定，热电特性不随时间改变；l化化学学性性能能稳稳定定，以以保保证证在在不不同同介介质质中中测测
37、量量时时不不被被腐腐蚀；蚀；l热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；l便于制造；便于制造；l复现性好，便于成批生产。复现性好，便于成批生产。三、热电偶的常用材料与结构三、热电偶的常用材料与结构 1 1铂铂铂铑热电偶铂铑热电偶(S(S型型)分度号分度号LB3LB3测量温度：长期：测量温度：长期：1300、短期：、短期：1600。（一）热电偶常用材料（一）热电偶常用材料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EU2EU2测量温度：长期测量温度：长期1000，短期，短期1300。3 3镍铬镍铬考铜热电偶考铜热电偶(E(E型型)分度
38、号分度号EA2EA2测量温度：长期测量温度：长期600，短期，短期800。4 4铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6热电偶热电偶(B(B型型)分度号分度号LL2LL2测量温度：长期可到测量温度：长期可到1600，短期可达，短期可达1800。几种持殊用途的热电偶几种持殊用途的热电偶（1 1）铱铱和和铱铱合合金金热热电电偶偶如如铱铱50铑铑铱铱10钌钌热热电电偶偶它它能能在氧化气氛中测量高达在氧化气氛中测量高达2100的高温。的高温。（2 2）钨钨铼铼热热电电偶偶可可使使用用在在真真空空惰惰性性气气体体介介质质或或氢氢气气介质中，使用温度范围介质中，使用温度范围3002000分度精度为分度精度为1。（3
39、 3）金金铁铁镍镍铬铬热热电电偶偶 主主要要用用在在低低温温测测量量，可可在在2273K范围内使用，灵敏度约为范围内使用，灵敏度约为10V。（4 4）钯钯铂铂铱铱1515热热电电偶偶输输出出性性能能高高，在在1398时时的的热电势为热电势为47.255mV。（6 6）铜）铜康铜热电偶，分度号康铜热电偶，分度号MK MK 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/。复现性好，稳定性好，精复现性好，稳定性好，精度高，广泛用于度高，广泛用于20K473K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，分度号康铜热电偶，分度号TK TK 灵敏度高，线
40、性灵敏度高，线性度好，可在度好，可在800以下的还原介质中使用。以下的还原介质中使用。（二）常用热电偶的结构类型（二）常用热电偶的结构类型1 1工业用热电偶工业用热电偶2 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）3 3快速反应薄膜热电偶快速反应薄膜热电偶4 4快速消耗微型热电偶快速消耗微型热电偶方法方法u冰点槽法冰点槽法u计算修正法计算修正法u补正系数法补正系数法u零点迁移法零点迁移法u冷端补偿器法冷端补偿器法u软件处理法软件处理法四、冷端处理及补偿四、冷端处理及补偿原因原因l热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保
41、证输出热电势是被测温度的单值函数，必须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；使冷端温度保持恒定；l热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为为依据，否则会产生误差。依据，否则会产生误差。1.1.冰点槽法冰点槽法把把热热电电偶偶的的参参比比端端置置于于冰冰水水混混合合物物容容器器里里，使使T0=0。这这种种办办法法仅仅限限于于科科学学实实验验中中使使用用。为为了了避避免免冰冰水水导导电电引引起起两两个个连连接接点点短短路路，必必须须把把连连接接点点分分别别置置于于两两个个玻玻璃璃试试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。管里，浸入同一冰点槽，
42、使相互绝缘。mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液四、冷端处理及补偿四、冷端处理及补偿T02.2.计算修正法计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算利用公式计算例例用用铜铜-康康铜铜热热电电偶偶测测某某一一温温度度T，参参比比端端在在室室温温环环境境TH中中，测测得得热热电电动动势势EAB(T，TH)=1.979mV，又又用用室室温温计计 测测 出出 TH=21,查查 此此 种种 热热 电电 偶偶 的的 分分 度度 表表 可可 知知，EAB(21,0)=0.84mV，故得故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21
43、，T0)=1.979+0.84 =2.819(mV)再次查分度表，与再次查分度表，与2.819mV对应的热端温度对应的热端温度T=69。注意注意:既不能只按既不能只按1.979mV1.979mV查表，认为查表，认为T T=49=49，也也不能把不能把4949加上加上2121，认为，认为T T=70=70。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)3.3.补正系数法补正系数法把把参参比比端端实实际际温温度度TH乘乘上上系系数数k，加加到到由由EAB(T，TH)查查分度表所得的温度上，成为被测温度分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即用公式表达即 式式中中：T为为未未知
44、知的的被被测测温温度度；T为为参参比比端端在在室室温温下下热热电偶电势与分度表上对应的某个温度；电偶电势与分度表上对应的某个温度；TH室温；室温；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。例例用用铂铂铑铑10铂铂热热电电偶偶测测温温，已已知知冷冷端端温温度度TH=35，这这时时热热电电动动势势为为11.348mV查查S型型热热电电偶偶的的分分度度表表，得得出出与与此此相相应应的的温温度度T=1150。再再从从下下表表中中查查出出，对对应于应于1150的补正系数的补正系数k=0.53。于是，被测温度于是，被测温度T=1150+0.5335=1168.3（）用这种办法稍稍简单一些，
45、比计算修正法误差可能大用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但误差不大于一点，但误差不大于0.14。T T k T H例例用用动动圈圈仪仪表表配配合合热热电电偶偶测测温温时时，如如果果把把仪仪表表的的机机械械零零点点调调到到室室温温TH的的刻刻度度上上,在在热热电电动动势势为为零零时时，指指针针指指示示的的温温度度值值并并不不是是0而而是是TH。而而热热电电偶偶的的冷冷端端温温度度已已是是TH,则则只只有有当当热热端端温温度度T=TH时时，才才能能使使EAB(T,TH)=0，这这样样，指指示示值值就就和和热热端端的的实实际际温温度度一一致致了了。这这种种办办法法非非常常简简便便，
46、而而且且一一劳劳永永逸逸，只只要要冷冷端端温温度度总总保保持持在在TH不不变变，指示值就永远正确。指示值就永远正确。4.4.零点迁移法零点迁移法应用领域：如果冷端不是应用领域：如果冷端不是0，但十分稳定（如恒温车，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。间或有空调的场所）。实质：实质：在测量结果中人为地加一个恒定值在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温，因为冷端温度稳定不变，电动势度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上是常数，利用指示仪表上调整零点调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。的办法，加大某个适当的值而实现补偿。5.5.冷端补偿器法冷端补偿器法利利用用不不
47、平平衡衡电电桥桥产产生生热热电电势势补补偿偿热热电电偶偶因因冷冷端端温温度度变变化化而而引引起起热热电电势势的的变变化化值值。不不平平衡衡电电桥桥由由R1、R2、R3(锰锰铜铜丝绕制丝绕制)、RCu(铜丝绕制铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在设计时，在0下使电桥平衡下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu),此时此时Uab=0,电桥对仪表读数无影响。电桥对仪表读数无影响。冷端补偿器的作用注注意意：桥桥臂臂RCu必必须须和和热热电电偶偶的的冷冷端靠近，使处于同一温度之下。端靠近，使处于同一温度之下。mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabRCuR1R2
48、R3RT0RCuUa Uab EAB(T,T0)供电供电4V直流，在直流，在040或或-2020的范围起补偿作用。的范围起补偿作用。注注意意，不不同同材材质质的的热热电电偶偶所所配配的的冷冷端端补补偿偿器器，其其中中的的限限流流电电阻阻R不一样，互换时必须重新调整。不一样，互换时必须重新调整。6.6.软件处理法软件处理法u冷端温度恒定冷端温度恒定T0：但：但T0不为不为0时，只需在采样后时，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。加一个与冷端温度对应的常数即可。u冷端温度冷端温度T0波动：可利用热敏电阻或其它传感器把波动：可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些
49、程序，便信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输的输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检
50、的速度也很有利。度也很有利。n n1 1 1 1 极板间距式电容式传感器，极板半径极板间距式电容式传感器，极板半径r=4mmr=4mm，间隙，间隙=0.5mm=0.5mm，极板介质为空气，试求其，极板介质为空气，试求其静态灵敏度。若极板移动，求其电容变化。静态灵敏度。若极板移动，求其电容变化。n n2 2 应变片的灵敏系数与电阻丝（敏感栅）的应变片的灵敏系数与电阻丝（敏感栅）的灵敏系数有何不同？为什么？灵敏系数有何不同？为什么？n n3 3 为什么电容式传感器易受干扰？如何减小为什么电容式传感器易受干扰？如何减小干扰？干扰？n n4 4 用压电式传感器能测量静态或变化很缓用压电式传感器能测量静