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1、第二章热电式传感器第1页，本讲稿共44页第二章第二章 热电式传感器热电式传感器热电式传感器是工程上应用最广泛的温度热电式传感器是工程上应用最广泛的温度传感器。它将传感器。它将热能热能直接转化成直接转化成电量电量输出，输出，具有构造简单，使用方便，具有构造简单，使用方便，准确度、稳定准确度、稳定性及复现性较高，温度测量范围宽等优点，性及复现性较高，温度测量范围宽等优点，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。本章主要介绍：本章主要介绍：1热电偶传感器热电偶传感器4石英温度传感器石英温度传感器2热电阻传感器热电阻传感器5半导体温度传感器半导体温度传感器3热敏电阻传感器热敏电阻传感器
2、6集成温度传感器集成温度传感器第2页，本讲稿共44页学习要求学习要求1.1.了解热电偶传感器基本结构和工作原理了解热电偶传感器基本结构和工作原理2.2.掌握热电偶传感器温度补偿方法掌握热电偶传感器温度补偿方法3.3.了解热电阻传感器基本结构和工作原理了解热电阻传感器基本结构和工作原理4.4.掌握热敏电阻的工作原理掌握热敏电阻的工作原理5.5.了解热敏电阻的主要参数了解热敏电阻的主要参数第3页，本讲稿共44页第一节第一节热电偶传感器热电偶传感器一、热电效应一、热电效应 将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A和和B B串接成串接成一个一个闭合回路闭合回路，当两个，当两个节点温度不同时节点温
3、度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为此现象称为热电效应热电效应。热电势由导体中的热电势由导体中的接触电势接触电势和和温差温差电势电势决定。决定。热电偶热电偶-2001300C热电阻热电阻 -200850C第4页，本讲稿共44页热电偶工作原理热电偶工作原理 热电偶的测温原理基于热电效应。热电偶的测温原理基于热电效应。工作端工作端 参比端参比端 图图2-1 2-1 热电效应热电效应 TT TT0 0 这种由两种导体的组合并将温度转化为热电动势这种由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶的传感器叫做热电偶。第5页，本讲稿共44页注意
4、注意：热电偶构成条件热电偶构成条件1、两种不同导体、两种不同导体2、闭合回路、闭合回路3、两接合点处温度不同、两接合点处温度不同“塞贝克温差电动势”简称“热电动势”热电动势：热电动势：两种导体两种导体接触电势接触电势单一导体单一导体温差电势温差电势第6页，本讲稿共44页接触电势接触电势由于不同金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种由于不同金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。ABTT0第7页，本讲稿共44页温差电势温差电势因导体两端温度不同而产生的电动势称为因导体两端温度不同而产生的电动势称
5、为温差电势温差电势。高温。高温（T）端电子将向低温端（）端电子将向低温端（T0）扩散，致使高温端因失去电）扩散，致使高温端因失去电子带正电，低温端因获电子而带负电。因而在同一导体两端子带正电，低温端因获电子而带负电。因而在同一导体两端也产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，于是电也产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，于是电子扩散形成动平衡，此时所建立的电位差称为温差电势即子扩散形成动平衡，此时所建立的电位差称为温差电势即汤汤姆逊电势。姆逊电势。ABTT0第8页，本讲稿共44页热电偶的热电势是随着介质的温度变化而变化的，其量热电偶的热电势是随着介质的温度变化而变化的，其量值关系可由
6、式所表示：值关系可由式所表示：式中：式中：热电偶的热电势，单位热电偶的热电势，单位V；温度为温度为T时的热电势，单位时的热电势，单位V；温度为温度为T0时的热电势，单位时的热电势，单位V。上一页 下一页返回第9页，本讲稿共44页结论结论:1.1.热电偶必须采用两种不同的材料作为热电极；热电偶必须采用两种不同的材料作为热电极；2.2.如果热电偶两结点温度相同，即如果热电偶两结点温度相同，即T T=T T0 0，则尽管导，则尽管导体体A A、B B的材料不同，热电偶回路中的总电动势也为零。的材料不同，热电偶回路中的总电动势也为零。3.3.热电偶热电偶ABAB的热电动势与的热电动势与A A、B B材
7、料的中间温度无关，材料的中间温度无关，只与结点温度有关。只与结点温度有关。4.4.热电势的大小与两种导体材料的性质及结点温度热电势的大小与两种导体材料的性质及结点温度有关，而与电极的几何尺寸无关。有关，而与电极的几何尺寸无关。第10页，本讲稿共44页热电偶基本定律热电偶基本定律中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种材料的导在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，第三导体的体，只要其两端的温度相等，第三导体的引入不会影响热电偶的热电动势引入不会影响热电偶的热电动势。根据这个定律，可以将根据这个定律，可以将第三导线第三导线换成换成测试仪表或测试仪表或连接导线连接导线，只要保持两结
8、点温度相同，就可，只要保持两结点温度相同，就可以对热电势进行测量而不影响原热电动势的数值。以对热电势进行测量而不影响原热电动势的数值。第11页，本讲稿共44页常用的热电偶常用的热电偶并不是所有材料均可以用来作热电偶的，对组并不是所有材料均可以用来作热电偶的，对组成热电偶的材料应具备以下一些条件：成热电偶的材料应具备以下一些条件：1.在测温的范围内，热电特性要稳定，不随时间而变化。在测温的范围内，热电特性要稳定，不随时间而变化。2.在测温的范围内，物理、化学性能要稳定，不易氧化在测温的范围内，物理、化学性能要稳定，不易氧化或腐蚀或腐蚀3.在测温中产生的热电动势要大，并且热电动势随温度在测温中产生
9、的热电动势要大，并且热电动势随温度变化为变化为单值的、线性的、或者接近线性的。单值的、线性的、或者接近线性的。4.电阻温度系数要小，电阻率要高。电阻温度系数要小，电阻率要高。5.材料的复制性好，易焊接、拉丝和加工。材料的复制性好，易焊接、拉丝和加工。第12页，本讲稿共44页 根据上述要求，国际上目前得到应用的热电偶材料有根据上述要求，国际上目前得到应用的热电偶材料有300300多种，广泛应用的有多种，广泛应用的有40504050种。国际电工委员会种。国际电工委员会IECIEC对已对已被公认为性能比较好的七种热电偶制订了统一的标准。我被公认为性能比较好的七种热电偶制订了统一的标准。我国已采用国已
10、采用IECIEC标准，按标准生产，并按标准分度表生产与之标准，按标准生产，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。相配的显示仪表。IECIEC推荐的标准化热电偶如表所示。推荐的标准化热电偶如表所示。热电偶名称热电偶名称IEC分度号分度号我国分度号我国分度号国家标准号国家标准号新新旧旧铂铑铂铑10-铂铂铂铑铂铑30-铂铑铂铑6镍铬镍铬-镍硅镍硅铜铜-铜镍（康铜）铜镍（康铜）镍铬镍铬-铜镍（康铜）铜镍（康铜）铁铁-铜镍（康铜）铜镍（康铜）铂铑铂铑13-铂铂SBKTEJRSBKTEJRLB-3LL-2EU-2CK-GB3772-83GB2902-82GB2614-85GB2903-82GB4993-8
11、5GB4994-85GB1598-79第13页，本讲稿共44页K K型热电偶型热电偶K K型热电偶是目前在型热电偶是目前在500500以上的测温区用以上的测温区用量最大的金属热电偶，其用量是其他金属量最大的金属热电偶，其用量是其他金属热电偶的总和。热电偶的总和。K K型热电偶线性度好、热电动势较大，所以型热电偶线性度好、热电动势较大，所以能用于氧化性、惰性气氛中。但能用于氧化性、惰性气氛中。但K K型热电偶型热电偶不能直接在高温下用于硫、还原性或还原、不能直接在高温下用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛之中。于弱氧化气氛之中
12、。第14页，本讲稿共44页热电偶的补偿热电偶的补偿根据热电偶测温原理，只有当热电偶的参考端的温度保根据热电偶测温原理，只有当热电偶的参考端的温度保持不变时，热电动势才是被测温度的单值函数。持不变时，热电动势才是被测温度的单值函数。原因：原因：通常要求通常要求T T0 0保持为保持为00，但在实际使用时，但在实际使用时，由于热电偶的两端离的很近，冷端又暴露在由于热电偶的两端离的很近，冷端又暴露在空气中，受其环境温度的影响，冷端的温度空气中，受其环境温度的影响，冷端的温度很难保持恒定的很难保持恒定的00，于是就产生了热电偶冷，于是就产生了热电偶冷端补偿的问题。端补偿的问题。主要方法有：主要方法有：
13、冷端导线延伸补偿法，电桥补偿法，参冷端导线延伸补偿法，电桥补偿法，参考端考端00恒温法恒温法。第15页，本讲稿共44页法法1 1：冷端导线延伸补偿法冷端导线延伸补偿法为了使热电偶的冷端温度保持恒定（最好为为了使热电偶的冷端温度保持恒定（最好为00），常），常用导线将热电偶的冷端延伸出来，使其置于恒温环境用导线将热电偶的冷端延伸出来，使其置于恒温环境中。延伸用的导线在一定温度范围内（中。延伸用的导线在一定温度范围内（0-10000-1000）。）。应具有和所连热电偶相同的热电偶相同的热电性能。应具有和所连热电偶相同的热电偶相同的热电性能。第16页，本讲稿共44页 不不平平衡衡电电桥桥由由R R1
14、 1、R R2 2、R R3 3(锰锰铜铜丝丝绕绕制制)、R RCuCu(铜铜丝丝绕绕制制)四四个个桥桥臂臂和和桥桥路路电电源源组组成成。在在00下下使使电电桥桥平平衡衡(R R1 1=R R2 2=R R3 3=R RCuCu),),此此时时U Uabab=0,=0,电桥对仪表读数无影响。电桥对仪表读数无影响。供电供电4V4V直流，在直流，在0 04040或或-20-202020的范围起补偿作用。的范围起补偿作用。电桥补偿的作用注注意意：桥桥臂臂RCu必必须须和和热热电电偶偶的的冷冷端端靠靠近，使处于同一温度之下。近，使处于同一温度之下。mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabR
15、CuR1R2R3RT0EAB(T,T0)RCu Ua Uab法法2 2：电桥补偿法电桥补偿法第17页，本讲稿共44页法法3 3：参考端参考端00恒温法恒温法 这种方法是将热电偶的参比端保持在稳定这种方法是将热电偶的参比端保持在稳定的的0 0 C C环境中。在实验室中采用冰浴法，通环境中。在实验室中采用冰浴法，通常是把参比端放在盛有绝缘油的试管中，常是把参比端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的保温容然后再将其放入装满冰水混合物的保温容器中，使参比端保持器中，使参比端保持0 0 C C。这种方法是一种这种方法是一种理想方法，但只适用于实验室中使用，工理想方法，但只适用于实验室中
16、使用，工业中使用极其不便。业中使用极其不便。第18页，本讲稿共44页第19页，本讲稿共44页炉温控制系统炉温控制系统第20页，本讲稿共44页第二节第二节 热电阻传感器热电阻传感器工作原理：工作原理：热电阻传感器是利用导体的电阻值热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度的变化的特性，对温度和与温度有随温度的变化的特性，对温度和与温度有关的参数进行检测的装置。关的参数进行检测的装置。热电阻传感器按电阻温度特性的不同可分为热电阻传感器按电阻温度特性的不同可分为金金属热电阻和半导体热电阻属热电阻和半导体热电阻两大类。两大类。金属热电阻其电阻温度特性表现为当温度升高时其金属热电阻其电阻温度特性表现为当温度升
17、高时其电阻增大，而半导体热电阻随温度升高其电阻反而减电阻增大，而半导体热电阻随温度升高其电阻反而减小。小。一般把金属热电阻称为热电阻，而把半导体热电一般把金属热电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏电阻。阻称为热敏电阻。第21页，本讲稿共44页热电阻传感器的主要优点有：热电阻传感器的主要优点有：1.1.测量准确度高；测量准确度高；2.2.有较大的测量范围，尤其在低温方面；有较大的测量范围，尤其在低温方面；3.3.易于使用在自动测量和远距离测量中。易于使用在自动测量和远距离测量中。4.4.与热电偶传感器相比，没有参比端误差与热电偶传感器相比，没有参比端误差。热电阻传感器一般常用于测量热电阻传感
18、器一般常用于测量-200850范围内的温度，少数情况下，低范围内的温度，少数情况下，低温可至温可至1K，高温可达，高温可达1000。第22页，本讲稿共44页二、热电阻材料和常用热电阻二、热电阻材料和常用热电阻 作为测量温度用的热电阻材料必须具有以作为测量温度用的热电阻材料必须具有以下特点：下特点：1.1.高且稳定的温度系数和大的电阻率，以便提高且稳定的温度系数和大的电阻率，以便提高灵敏度和保证测量准确度；高灵敏度和保证测量准确度；2.2.良好的输出特性，即电阻与温度变化接近线良好的输出特性，即电阻与温度变化接近线性关系；性关系；3.3.在使用范围内，其化学、物理性能应保持稳在使用范围内，其化学
19、、物理性能应保持稳定；定；4.4.良好的工艺性，以便于批量生产，降低成本。良好的工艺性，以便于批量生产，降低成本。第23页，本讲稿共44页 根据上述要求，纯金属是制造热电阻的主要根据上述要求，纯金属是制造热电阻的主要材料。目前广泛应用的热电阻材料有铂、铜、镍、材料。目前广泛应用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等。这些材料的电阻率与温度的关系一般可以铁等。这些材料的电阻率与温度的关系一般可以近似用一个二次方程描述，即近似用一个二次方程描述，即式中式中 电阻率；电阻率；t 温度；温度；a、b、c 由实验确定的常量。由实验确定的常量。第24页，本讲稿共44页第25页，本讲稿共44页实物实物第26页，本讲
20、稿共44页第三节第三节 热敏电阻热敏电阻半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。系数，随温度上升而阻值下降。热敏电阻将温度的变化转换为热敏电阻将温度的变化转换为 电阻的变化。热敏电阻是半导体元电阻的变化。热敏电阻是半导体元 件，其电阻具有负温度系数。件，其电阻具有负温度系数。第27页，本讲稿共44页热电阻和热敏电阻的区别：热电阻和热敏电阻的区别：（1 1）金属热电阻其阻值与温度近似的）金属热电
21、阻其阻值与温度近似的线性关系线性关系，而半导体，而半导体热电阻的阻值随温度的升高而成热电阻的阻值随温度的升高而成非线性非线性急剧变化。急剧变化。（2 2）金属热电阻有）金属热电阻有正正的温度系数，而半导体热电阻中的大的温度系数，而半导体热电阻中的大多数具有多数具有负负的温度系数。的温度系数。（3 3）热敏电阻与金属电阻相比）热敏电阻与金属电阻相比灵敏度灵敏度极高，极高，在温度变化相同的情况下，在温度变化相同的情况下，热敏电阻阻值的变化约为热敏电阻阻值的变化约为铂热电阻的铂热电阻的1010倍以上，为倍以上，为此它可以用来测量很小的此它可以用来测量很小的温度差异，具有较高的灵温度差异，具有较高的灵
22、敏度。敏度。第28页，本讲稿共44页热敏电阻的工作原理热敏电阻的工作原理半导体是载流子（电子、空穴）导电方式所致。由于半导体半导体是载流子（电子、空穴）导电方式所致。由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子少的多，所以它的电中载流子的数目远比金属中的自由电子少的多，所以它的电阻率很大。随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数阻率很大。随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数目就会增多，其导电率随之增加，它的电阻率也就降低了。目就会增多，其导电率随之增加，它的电阻率也就降低了。热敏电阻就是根据半导体的电阻值随温热敏电阻就是根据半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成的热敏元件。度显著变化的
23、特性制成的热敏元件。第29页，本讲稿共44页热敏电阻的结构与材料热敏电阻的结构与材料 热敏电阻由热敏探头，引线，壳体等构成。热敏电阻由热敏探头，引线，壳体等构成。热敏电阻的结构和符号热敏电阻的结构和符号1-探头；探头；2-引线；引线；3-壳体壳体第30页，本讲稿共44页热敏电阻的特点热敏电阻的特点(1)(1)电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大属电阻大1010010100倍；倍；(2)(2)结构简单，体积小，可以测量结构简单，体积小，可以测量“点点”温温度；度；(3)(3)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；(4)(4)功
24、耗小，不需要参考端补偿，适于远距功耗小，不需要参考端补偿，适于远距离的测量与控制。离的测量与控制。(5)(5)阻值与温度的关系呈非线性；阻值与温度的关系呈非线性；(6)(6)元件的稳定性和互换性较差。元件的稳定性和互换性较差。第31页，本讲稿共44页热敏电阻的参数热敏电阻的参数(1)(1)初始电阻初始电阻R R（），），（2 2）热敏电阻常数）热敏电阻常数B B(3)(3)标称阻值标称阻值R RT T(4)(4)电阻温度系数电阻温度系数T T(5)(5)时间常数时间常数(6)(6)额定功率额定功率第32页，本讲稿共44页结构及实物第33页，本讲稿共44页应用车用温控器第34页，本讲稿共44页水
25、温感应塞水温感应塞第35页，本讲稿共44页热敏电阻的种类热敏电阻的种类根据热敏电阻的阻值随温度变化特性的差异，热敏根据热敏电阻的阻值随温度变化特性的差异，热敏电阻大体上可以分为三种，即电阻大体上可以分为三种，即NTCNTC型、型、CTRCTR型和型和PTRPTR型。型。第36页，本讲稿共44页还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等第37页，本讲稿共44页第四节第四节 石英温度传感器石英温度传感器工作原理工作原理石英晶体振荡器是一种振荡频率非常稳定的石英晶体振荡器是一种振荡频率非常稳定的振荡器，把石英晶体按一定的方向切成厚度不振荡器，把石英晶体按一定的方向切成厚
26、度不同的切片，就会形成各种不同频率的石英晶体同的切片，就会形成各种不同频率的石英晶体振荡器。振荡器。有一些切片的有一些切片的振荡频率随着温度的变化而变化振荡频率随着温度的变化而变化，于是人们就利用这一现象，把由于温度引起振荡频于是人们就利用这一现象，把由于温度引起振荡频率变化大的石英晶体切片制成石英温度传感器。率变化大的石英晶体切片制成石英温度传感器。第38页，本讲稿共44页第五节第五节 半导体温度传感器半导体温度传感器工作原理工作原理半导体的最基本单元是半导体的最基本单元是PNPN结，一个结，一个PNPN结就构成结就构成一个二极管，二个一个二极管，二个PNPN结就构成了三极管，三个结就构成了
27、三极管，三个PNPN结结就构成了晶闸管（又称可控硅）。就构成了晶闸管（又称可控硅）。PN PN结的正向电压降随着温度的变化而变化，结的正向电压降随着温度的变化而变化，温度每升高一度，温度每升高一度，PNPN结正向压将就下降结正向压将就下降2mV2mV。利用。利用PNPN结的这一特性，就可以用它进行温度测量。结的这一特性，就可以用它进行温度测量。第39页，本讲稿共44页第六节第六节 集成温度传感器集成温度传感器定义：所谓集成温度传感器，是指把温度传感器与后续的放大电路、驱动电路、信号处理电路等，用集成化技术制作在同一基片上而成的集传感器与放大为一体的功能器件。第40页，本讲稿共44页复习复习被测
28、量的物理量可分为（被测量的物理量可分为（）和（）和（）。）。传感器的三个组成部分（），（）和（）。传感器的三个组成部分（），（）和（）。传感器的静态特性指标有（），（）和迟滞，重复性。传感器的静态特性指标有（），（）和迟滞，重复性。传感器的动态指标有（），（）和临界速度。传感器的动态指标有（），（）和临界速度。热电偶是基于热电偶是基于()()制成的。制成的。热电偶是把（）转变成（）的一种装置。热电偶是把（）转变成（）的一种装置。热电势由（）和（）组成。热电势由（）和（）组成。热电偶的温度补偿方法有（）和（）。热电偶的温度补偿方法有（）和（）。热电阻是把（）转变成（）的一种装置。热电阻是把（）转
29、变成（）的一种装置。热电阻的温度系数是（），热敏电阻的温度系数是热电阻的温度系数是（），热敏电阻的温度系数是（）。（）。第41页，本讲稿共44页任务安排任务安排介绍压电传感器的工作原理；举例说明压电式传感器的应用；要求：文字 图片作业 P7 3,4 P27 2第42页，本讲稿共44页NTC,CTR,PTC热敏电阻热敏电阻长寿命长寿命NTCNTC热敏电阻，是对热敏电阻，是对NTCNTC热敏电阻热敏电阻认识的提升，强调电阻寿命的重要性。认识的提升，强调电阻寿命的重要性。NTCNTC热敏电阻最重要的是寿命，在经得起热敏电阻最重要的是寿命，在经得起各种高精度、高灵敏度、高可靠、超高温、各种高精度、高灵
30、敏度、高可靠、超高温、高压力考验后，它仍很长时间稳定工作。高压力考验后，它仍很长时间稳定工作。实际应用实际应用NTCNTC热敏电阻在红酒瓶塞读温度、智能马桶、热敏电阻在红酒瓶塞读温度、智能马桶、冷却液温度传感器的应用。冷却液温度传感器的应用。第43页，本讲稿共44页临界温度热敏电阻临界温度热敏电阻CTRCTR具有具有负电阻突变特负电阻突变特性性，在某一温度下，电阻值随温度的增加在某一温度下，电阻值随温度的增加急剧减小，具有很大的负温度系数急剧减小，具有很大的负温度系数 CTRCTR能够作为控温报警等应用能够作为控温报警等应用PTCPTC是指在某一温度下电阻急剧增加、具是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料。有正温度系数的热敏电阻现象或材料。PTCPTC热敏电阻除用作加热热敏电阻除用作加热元件元件外，同时还外，同时还能起到能起到“开关开关”的作用，兼有敏感元件、的作用，兼有敏感元件、加热器和开关三种功能，称之为加热器和开关三种功能，称之为“热敏开热敏开关关”。CTRCTR和和PTCPTC不适合较宽温区的温度测量。不适合较宽温区的温度测量。第44页，本讲稿共44页