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1、第14章热电式传感器1第1页，本讲稿共96页概概 述述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进行温度测量。由于被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，特别是被测物体热容量较小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。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件前提条件是被测物是被测物体的热容量要足够大。体的热容量要足够大。非接触式温度
2、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主要是利用被测物体热辐射而发出红外线红外线，从而测量物体的温，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：不从被测物体上吸收热量；度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的不会干扰被测对象的温度场温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。；连续测量不会产生消耗；反应快等。温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。2第2页，本讲稿共96页温差热电偶（简称热电偶）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是目前温
3、度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。动态温度的测量。热电偶温度传感器热电偶温度传感器1.热电偶的工作原理热电偶的工作原理2.热电偶基本定律热电偶基本定律3.热电偶的常用材料与结构热电偶的常用材料与结构4.冷端处理及补偿冷端处理及补偿5.热电
4、偶测温电路热电偶测温电路3第3页，本讲稿共96页 14.1 14.1 热热 电电 偶偶一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理*热热电电效效应应（Thermoelectric Thermoelectric EffectEffect）：两两种种不不同同材材料料的的导导体体组组成成一一个个闭闭合合回回路路，当当两两接接点点温温度度T T和和T T0 0不不同同时时，则则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应。在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应。热电偶原理图热电偶原理图TT0AB热端冷端4第4页，本讲稿共96页1.接触电势接触电势原理图接触电势原理图+ABNATNBTeAB(T)-e
5、AB(T)导体导体A、B结点在结点在温度温度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波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，k=1.3810-23J/K；NA、NB 导体导体A、B自由的自由的电子密度电子密度。接触电势的大小与温度高低、导体中的电子密度有关。接触电势的大小与温度高低、导体中的电子密度有关。5第5页，本讲稿共96页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
6、差为1时所产生的温差电动时所产生的温差电动势，铜的势，铜的=2V/。2.温差电势温差电势原理图温差电势原理图6第6页，本讲稿共96页 热电偶回路热电偶回路 热电偶回路中，所产生的热电势由两部分组成：热电偶回路中，所产生的热电势由两部分组成：接触电势接触电势和和温差电势温差电势。7第7页，本讲稿共96页接触电势接触电势(Peltier(Peltier电势电势)：接接触触电电势势的的数数值值取取决决于于两两种种不不同同导导体体的的材材料料特特性性和和接接触触点点的的温度温度。两接点的接触电势两接点的接触电势eAB(T)和和eAB(T0)可表示为可表示为含含义义：由由于于两两种种不不同同导导体体的的
7、自自由由电电子子密密度度不不同同而而在在接接触触处形成的电动势。处形成的电动势。8第8页，本讲稿共96页含义：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。含义：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。温差电势温差电势e eA A(T,TT,T0 0)和和e eB B(T,TT,T0 0)可表示为可表示为温差电势温差电势(Thomson(Thomson汤姆逊电势汤姆逊电势)：9第9页，本讲稿共96页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)=eAB(T)eB(T,T0)eAB(T0)eA(T,T0)eAB(T,T0)=eAB(T)eAB(T0)eA(T,T
8、0)eB(T,T0)T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路总电势回路总电势10第10页，本讲稿共96页*讨论：讨论：热电势取决于材料和接点温度，与形状、尺寸无关；热电势取决于材料和接点温度，与形状、尺寸无关；两热电极两热电极A A、B B相同时，总电动势为相同时，总电动势为0 0；两接点温度两接点温度T T、T T0 0相同时，总电动势为相同时，总电动势为0 0；对对于于已已选选定定的的热热电电偶偶，当当参参考考端端温温度度T T0 0恒恒定定时时，e eABAB(T T0 0)=)=c c为为常常数数，则则总的热电势就只与温度总的热电势就只与温度T T成
9、单值函数关系，即成单值函数关系，即 可可见见：只只要要测测出出e eABAB（T T,T T0 0）的的大大小小，就就能能得得到到被被测测温温度度T T，这这就就是是利用热电偶测温的原理。利用热电偶测温的原理。eAB(T,T0)=F(T)F(T0)eAB(T,T0)=F(T)c热电偶测温原理热电偶测温原理eAB(T,T0)11第11页，本讲稿共96页在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，在工程应用中，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：以供备查。由公式可得：eAB(T,T0)=F(T)-F(T0)=F(T)-F(0)-F(T)-F(T0
10、)=eAB(T，0)-eAB(T0，0)热电偶的热电势热电偶的热电势等于等于两端温度分别为两端温度分别为T 和零度和零度以及以及T0和和零度的热电势之差。零度的热电势之差。3.回路总电势回路总电势eAB(T,T0)=F(T)F(0)热电偶测温原理热电偶测温原理12第12页，本讲稿共96页3.回路总电势回路总电势13第13页，本讲稿共96页 热电偶测温系统简图热电偶测温系统简图 14第14页，本讲稿共96页接触电势接触电势温差电势，热电偶的热电势可表示为：温差电势，热电偶的热电势可表示为：eAB(T,T0)=eAB(T)eAB(T0)eAB(T,T0)=eAB(T)eAB(T0)eB(T,T0)
11、eA(T,T0)回路总电势回路总电势15第15页，本讲稿共96页二、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 由由两两种种均均质质导导体体组组成成的的热热电电偶偶，其其热热电电动动势势的的大大小小只只与与两两种种材材料料及及两两接接点点温温度度有有关关，与与热热电电偶偶的的大大小小尺尺寸寸、形形状状及及沿沿电电极极各各处处的的温温度度分分布布无无关关。即即热热电电偶偶必必须须由由两两种种不不同同性性质质的的均质材料构成。均质材料构成。16第16页，本讲稿共96页 在在热热电电偶偶测测温温回回路路内内，接接入入第第三三种种均均质质导导体体时时，只只要要第第三种导体的三种
12、导体的两端温度相同两端温度相同，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 2、*中间导体定律（中间导体定律（如何在热电偶回路中接入导线和仪表？如何在热电偶回路中接入导线和仪表？）应应用用：利利用用热热电电偶偶进进行行测测温温，必必须须在在回回路路中中引引入入连连接接导导线线和和仪仪表，表，但是接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。但是接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。eABC(t,t0)=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0)由于，当由于，当 t=t0时，时，eBC(t0)+eCA(t0)=-e-eABAB(t(t0 0)则则 eABC(t,t0)=eAB(t
13、)-eAB(t0)=eAB(t,t0)17第17页，本讲稿共96页具有第三种导体的热电偶回路（中间导体定律）具有第三种导体的热电偶回路（中间导体定律）eABC(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)=eAB(t,t0)eABC(t,t0,t1)=?18第18页，本讲稿共96页两点结论：两点结论：l）将将第第三三种种材材料料C接接入入由由A、B组组成成的的热热电电偶偶回回路路，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同温温度度T0之之中中，此此回回路路的的总总电电势不变。势不变。2)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
14、温温度度T0之之中中，此回路的电势也不变。此回路的电势也不变。T2T1AaBC23EABaA(a)T0T023ABEABT1T2 C(b)T0T0第三种材料接入热电偶回路图19第19页，本讲稿共96页ET0T0TET0T1T1T电位计接入电位计接入热电偶回路热电偶回路根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计，只要保证电位计与连接热电偶处的与连接热电偶处的接点温度相等接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。接入的方式见下图所示。20第20页，本讲稿共96页3 3、*中间温度定律中
15、间温度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)在在热热电电偶偶测测温温回回路路中中，t tc c为为热热电电极极上上某某一一点点的的温温度度，热热电电偶偶ABAB在在接接点点温温度度为为t t、t t0 0时时的的热热电电势势e eABAB(t,tt,t0 0)等等于于热热电电偶偶ABAB在在接接点点温温度度t t、t tc c和和t tc c、t t0 0时时的的热热电电势势e eABAB(t t，t tc c)和和e eABAB(t tc c，t t0 0)的代数和，即的代数和，即 应用：在冷端温度为任意恒定值时，利用热电偶分度表应用：在冷端温度为任意恒定值时，利用
16、热电偶分度表求工作端的被测温度。求工作端的被测温度。(?)(?)eAB(t,0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,0)21第21页，本讲稿共96页中间温度定律中间温度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)22第22页，本讲稿共96页EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEAB(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB4标准电极定律标准电极定律如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相等，如图所示，它们
17、相互间热电势相互间热电势的关系为：的关系为：23第23页，本讲稿共96页 1 1铂铂铂铑铂铑 热电偶热电偶(S(S型型)工业用热电偶丝：工业用热电偶丝：0.5mm，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90铂和铂和10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：1300、短期：、短期：1600。特点：特点：n材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶或基准热电偶。用途：或基准热电偶。用途：实验室或校验实验室或校验其它热电偶。其它热电偶。n测量温度较高，一般
18、用来测量测量温度较高，一般用来测量1000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Co、H2等）等）易被侵易被侵蚀蚀，需要用保护套管。，需要用保护套管。n材料属贵金属，成本较高，热电势较弱。材料属贵金属，成本较高，热电势较弱。常用热电偶常用热电偶24第24页，本讲稿共96页 2 2镍铬镍铬镍硅镍硅(镍铝镍铝)热电偶热电偶(K(K型型)工业用热电偶丝：工业用热电偶丝：1.22.5mm，实验室用可细些。，实验室用可细些。正正极极：镍镍铬铬合合金金(用用88.489.7镍镍、910铬铬，0.6硅硅，0.3锰锰，0.40.7钴冶炼而成钴冶炼而成)。负极：负极：
19、镍硅合金镍硅合金(用用95.797镍镍,23硅硅,0.40.7钴冶炼而成钴冶炼而成)。测量温度：长期测量温度：长期1000，短期，短期1300。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高高温温下下抗抗氧氧化化能能力力强强，在在还还原原性性气气体体和和含含有有SO2，H2S等等气气体体中中易被侵蚀。易被侵蚀。u复现性好，热电势大，但精度复现性好，热电势大，但精度不如不如铂铑铂热电偶铂铑铂热电偶。25第25页，本讲稿共96页3 3镍铬镍铬康铜热电偶康铜热电偶(E(E型型)工业用热电偶丝工业用热电偶丝:1.22mm，实验室用可更细些。，实验室用可更细些。正极：
20、镍铬合金正极：镍铬合金负极：康铜合金（用负极：康铜合金（用56铜，铜，44镍冶炼而成）。镍冶炼而成）。测量温度：长期测量温度：长期600，短期，短期800。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热电势最大。在常用热电偶中它产生的热电势最大。l气体气体硫化物硫化物对热电偶有腐蚀作用。对热电偶有腐蚀作用。康康铜易氧化变铜易氧化变质，适于在质，适于在还原性还原性或中性介质中使用。或中性介质中使用。26第26页，本讲稿共96页4 4铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6热电偶热电偶(B(B型型)正极：铂铑合金（用正极：铂铑合金（用70铂，铂，30铑冶
21、炼而成）。铑冶炼而成）。负极：铂铑合金（用负极：铂铑合金（用94铂，铂，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1600，短期可达，短期可达1800。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50以下可不加补偿。以下可不加补偿。l成本高。成本高。27第27页，本讲稿共96页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，它它能能在在氧氧化化气气氛氛中测量高达中测量高达20
22、00的高温。的高温。（2 2）钨钨铼铼热热电电偶偶是是60年年代代发发展展起起来来的的，是是目目前前一一种种较较好好的的高高温温热热电电偶偶，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介质质中中，但但高高温温抗抗氧氧能能力力差差。国产钨铼国产钨铼-钨铼钨铼20热电偶使用温度范围热电偶使用温度范围3002000分度精度为分度精度为1。（3 3）钯钯铂铂铱铱1515热热电电偶偶是是一一种种高高输输出出性性能能的的热热电电偶偶，在在1398时时的的热热电电势势为为47.255mV，比比铂铂铂铂铑铑10热热电电偶偶在在同同样样温温度度下下的的热热电电势势高高出出3倍，因而可配用灵敏
23、度较低的指示仪表，常应用于倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业航空工业。28第28页，本讲稿共96页 热电偶的分度表热电偶的分度表（如何根据测得的热电势求被测温度？）（如何根据测得的热电势求被测温度？）n不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过数关系，一般通过实验的方法实验的方法来确定，并将不同温度下测得来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出的结果列成表格，编制出热电势热电势与与温度的对照表，即热电偶的温度的对照表，即热电偶的分度表分度表。n供查阅使用，每供查阅使用，每1010分档。中间值按内
24、插法计算。分档。中间值按内插法计算。n*热电偶分度表是以冷端温度热电偶分度表是以冷端温度00作为基准进行分度的。作为基准进行分度的。29第29页，本讲稿共96页S型型(铂铑铂铑10-铂铂)热电偶分度表热电偶分度表30第30页，本讲稿共96页 为为了了适适应应不不同同生生产产对对象象的的测测温温要要求求和和条条件件，热热电电偶偶的封装形式有：的封装形式有：普通型热电偶普通型热电偶铠装型热电偶铠装型热电偶薄膜型热电偶薄膜型热电偶 三、热电偶的结构形式三、热电偶的结构形式31第31页，本讲稿共96页1 1、普通型热电偶、普通型热电偶 123432第32页，本讲稿共96页普通型普通型热电偶外形热电偶外
25、形安装螺纹安装螺纹33第33页，本讲稿共96页优优点点：测测温温端端热热容容量量小小，动动态态响响应应快快；机机械械强强度度高高，挠挠性性好好，可可安装在结构复杂的装置上。安装在结构复杂的装置上。2 2、铠装型热电偶铠装型热电偶(a)(b)(c)(d)13234第34页，本讲稿共96页铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形铠装型热电偶可长达铠装型热电偶可长达上百米上百米薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管（铠体）（铠体）35第35页，本讲稿共96页3 3、薄膜热电偶薄膜热电偶特特点点：热热接接点点可可以以做做得得很很小小（mm），具具有有热热容容量量小小、反反应应速速度度快快（ss）等等特特点点，理理
26、想想的的表表面面温温度度以以及及快快速速变变化化的的动动态温度态温度测量。测量。36第36页，本讲稿共96页五、热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法五、热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法（可以用测得热电势（可以用测得热电势E EABAB(t,tt,t0 0)直接查热电偶分度表吗？）直接查热电偶分度表吗？）当当热热端端温温度度为为t t时时，分分度度表表所所对对应应的的热热电电势势E EABAB(t t,0)0)与与热热电电偶偶实实际际产产生生的的热热电电势势E EABAB(t,tt,t0 0)之之间间关关系系可可根根据据中中间间温温度度定定律律得到下式：得到下式：E EABAB(t t,0)
27、=,0)=E EABAB(t,tt,t0 0)+)+E EABAB(t t0 0，0)0)可可见见，E EABAB(t t0 0,0),0)是是冷冷端端温温度度t t0 0的的函函数数，测测量量时时要要保保证证冷冷端端温度不变温度不变，因此需要对热电偶冷端温度进行补偿。因此需要对热电偶冷端温度进行补偿。37第37页，本讲稿共96页热电偶一般做得较短，一般为热电偶一般做得较短，一般为3503502000mm2000mm。1 1、热电偶补偿导线法、热电偶补偿导线法（如何将冷端引到温度稳定的控制室？如何将冷端引到温度稳定的控制室？）解解决决办办法法：工工程程中中采采用用一一种种补补偿偿导导线线。在在
28、0 0100100温温度度范范围内，要求新的冷端温度恒定。围内，要求新的冷端温度恒定。38第38页，本讲稿共96页补偿导线外形补偿导线外形 AABB屏蔽层屏蔽层保护层保护层39第39页，本讲稿共96页 在在实实验验室室及及精精密密测测量量中中，通通常常把把冷冷端端放放入入00恒恒温温器器或或装装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持00。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。2 2、冷端、冷端00恒温法（冰浴法）恒温法（冰浴法）（如何利用测量得到的热电势直（如何利用测量得到的热电势直接查分度表，以得到被
29、测温度？）接查分度表，以得到被测温度？）mVABABTCC仪表铜 导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T040第40页，本讲稿共96页 设冷端为设冷端为0 0 C C，根据以下电路中的，根据以下电路中的毫伏表毫伏表的示值及的示值及K K热电偶的分度表，热电偶的分度表，查出热端的温度查出热端的温度t tx x 。41第41页，本讲稿共96页K K热电偶的热电偶的分度表分度表 42第42页，本讲稿共96页 当当冷冷端端温温度度t t0 0不不等等于于00，需需要要对对热热电电偶偶回回路路的的测测量量电电势势值值E EABAB（t,tt,t0 0）加以修正。）加以修正。根据根据中间温度中间温度定律得
30、到：定律得到：EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)3 3、*冷端温度修正法冷端温度修正法（如果冷端温度不是（如果冷端温度不是00，如何，如何利用测量的热利用测量的热电势得到被测温度？）电势得到被测温度？）43第43页，本讲稿共96页例例：用用镍镍铬铬-镍镍硅硅热热电电偶偶测测量量加加热热炉炉温温度度。已已知知冷冷端端温温度度t t0 0=30=30，测得热电势，测得热电势EAB（t,t0）为为33.29mV,33.29mV,求加热炉温度。求加热炉温度。解：解：查镍铬查镍铬-镍硅热电偶分度表得镍硅热电偶分度表得 E EABAB（30,030,0）=1.203 mV=1.203
31、 mV。EAB（t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV查镍铬查镍铬-镍硅热电偶分度表得镍硅热电偶分度表得t t=829.8=829.8。44第44页，本讲稿共96页45第45页，本讲稿共96页4 4、*冷端温度自动补偿法（补偿冷端温度自动补偿法（补偿电桥电桥法）法）（如果冷端温度（如果冷端温度发生变化，发生变化，如何处理？）如何处理？）若冷端若冷端温度温度t t0 0上升上升(040)：t t0 0ABR1RcuR2R3tE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。46第46页，本讲稿共96页热电偶典型测温线路热电偶典型测温
32、线路(a)普通测温线路；普通测温线路；(b)带有补偿器的测温线路；带有补偿器的测温线路；(c)具有温度变送器的测温线路；具有温度变送器的测温线路；(d)具有一体化温度变送器的测温线路具有一体化温度变送器的测温线路六、热电偶测温电路六、热电偶测温电路测量某测量某一点一点的温度的温度47第47页，本讲稿共96页测量测量多点多点温度温度48第48页，本讲稿共96页 热电偶串、并联线路：热电偶串、并联线路：特特殊殊情情况况下下，热热电电偶偶可可以以串串联联或或并并联联使使用用，但但只只能能是是同同一一分分度度号的热电偶，且号的热电偶，且冷端冷端应在同一温度下。应在同一温度下。1.1.如热电偶如热电偶正
33、向串联正向串联，可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；，可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；2.2.在测量两点温差时，可采用热电偶在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联反向串联；3.3.利用热电偶并联可以测量平均温度。利用热电偶并联可以测量平均温度。49第49页，本讲稿共96页测量两点间测量两点间温度差温度差（反向串联）（反向串联）50第50页，本讲稿共96页测量平均温度：测量平均温度：（并联或正向串联）（并联或正向串联）特点：特点：当有一只热电偶烧断时，难当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来。当然，它也不会中断以觉察出来。当然，它也不会中断整个测温系统的工作。整个测温系统的工作。优点：优点：热电
34、动势大（热电动势大（E1+E2+E3）,仪表仪表的的灵敏度大大增加灵敏度大大增加，且避免了热电偶并联，且避免了热电偶并联线路存在的缺点，可立即可以发现有断路。线路存在的缺点，可立即可以发现有断路。缺点：缺点：只要有一支热电偶断路，整个测温只要有一支热电偶断路，整个测温系统将停止工作。系统将停止工作。51第51页，本讲稿共96页 14.2 14.2 热电阻传感器热电阻传感器 热热电电阻阻传传感感器器是是利利用用导导体体或或半半导导体体的的电电阻阻值值随随温温度度变变化化而而变变化的化的原理原理进行测温的。进行测温的。热电阻热电阻(金属热电阻金属热电阻)、热敏电阻、热敏电阻(半导体热电阻半导体热电
35、阻)。热热电电阻阻广广泛泛用用来来测测量量200200850850范范围围内内的的温温度度，少少数数情情况况下下，低低温温可可测测量量至至1K1K，高高温温达达10001000。标标准准铂铂电电阻阻温温度度计计的精确度高，作为的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器复现国际温标的标准仪器。52第52页，本讲稿共96页热电阻的结构热电阻的结构53第53页，本讲稿共96页热电阻传感器热电阻传感器热电阻传感器的组成：热电阻传感器的组成：由热电阻、连接导线及显示仪表组成。由热电阻、连接导线及显示仪表组成。54第54页，本讲稿共96页一、常用热电阻一、常用热电阻 对用于制造热电阻材料的要求：对用于制造热电
36、阻材料的要求：具有尽可能具有尽可能大大和和稳定稳定的电阻温度系数和电阻率；的电阻温度系数和电阻率；R-tR-t关系最好成线性；关系最好成线性；物理、化学性能稳定；物理、化学性能稳定；提纯、压延、复制性等工艺性好。提纯、压延、复制性等工艺性好。目前最常用的热电阻有目前最常用的热电阻有铂热电阻铂热电阻和和铜热电阻铜热电阻。55第55页，本讲稿共96页1 1、铂热电阻、铂热电阻 铂铂热热电电阻阻的的特特点点是是精精度度高高、稳稳定定性性好好、性性能能可可靠靠，所所以以在在温温度度传传感感器器中中得得到到了了广广泛泛应应用用。按按IECIEC标标准准，铂铂热热电电阻阻的使用温度范围为的使用温度范围为-
37、200-200630.755630.755。在在-200-20000的温度范围内的温度范围内 Rt=R01+At+Bt2+Ct3在在0 0630.755630.755的温度范围内的温度范围内 Rt=R0(1+At+Bt2)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R R0 0=46,=46,R R0 0=100=100和和R0=300 种，它种，它们的分度号分别为们的分度号分别为PtPt5050,Pt,Pt100100，Pt300，其中以，其中以PtPt100100为常用。为常用。56第56页，本讲稿共96页铂电阻分度表铂电阻分度表57第57页，本讲稿共96页2 2、铜热电阻、铜
38、热电阻 在在一一些些测测量量精精度度要要求求不不高高且且温温度度较较低低的的场场合合，可可采采用用铜铜热热电电阻阻进进行测温，它的测量范围为行测温，它的测量范围为-50-50150150。铜铜热热电电阻阻在在测测量量范范围围（-50150）内内其其电电阻阻值值与与温温度度的的关关系系几乎是几乎是线性的，可近似地表示为线性的，可近似地表示为R Rt t=R R0 01+1+（t-t-t0）热电阻温度系数热电阻温度系数铜热电阻两种分度号：铜热电阻两种分度号：CuCu5050(R R0 0=50)=50)和和CuCu100100（R R0 0=100=100）。58第58页，本讲稿共96页铜热电铜热
39、电阻的分度表阻的分度表分度号：分度号：CuCu5050 温度/0102030405060708090电阻/050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.1359第59页，本讲稿共96页一、基本参数：一、基本参数：1.标称电阻值标称电阻值R25()热敏电阻在25时的值，值的大小由热敏电阻材料和几何尺寸决定。2.电阻温度系数电阻温度系数指热敏电阻的温度变化1时，其阻值变化率与阻值之比。即：60第60页，本讲稿共96页用用
40、热热电电阻阻传传感感器器进进行行测测温温时时，测测量量电电路路经经常常采采用用电电桥桥电电路路（？）。热热电电阻阻与与检检测测仪仪表表相相隔隔一一段段距距离离，因因此此热热电电阻阻的的引引线线对对测测量量结果结果有较大的影响。有较大的影响。热电阻内部引线方式有热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制二线制、三线制和四线制三种。三种。热电阻传感器的测量电路热电阻传感器的测量电路61第61页，本讲稿共96页内部引线方式内部引线方式 62第62页，本讲稿共96页两线制两线制n这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来线电阻的变化会带来
41、附加误差附加误差。n两线制适于两线制适于引线不长引线不长、测温精度要求较低的场合。、测温精度要求较低的场合。63第63页，本讲稿共96页电桥电路电桥电路RTR5R6R3En+U2(a)(b)EnAR1R2R4R3+64第64页，本讲稿共96页三线制三线制用于工业测量，较高精度用于工业测量，较高精度 65第65页，本讲稿共96页n热敏电阻热敏电阻是利用某种半导体材料的是利用某种半导体材料的电阻率电阻率随随温度温度变化而变化的性质制变化而变化的性质制成的。成的。n在在温温度度传传感感器器中中应应用用最最多多的的有有热热电电偶偶、热热电电阻阻（如如铂铂、铜铜电电阻阻温温度度计计等等）和和热热敏敏电电
42、阻阻。热热敏敏电电阻阻发发展展最最为为迅迅速速，由由于于其其性性能能得得到到不不断断改改进进，稳稳定定性性已已大大为为提提高高，在在许许多多场场合合下下（-40350）热热敏敏电电阻阻已已逐渐取代传统的温度传感器。逐渐取代传统的温度传感器。n了解热敏电阻的特点、分类，基本参数，主要特性和应用等。了解热敏电阻的特点、分类，基本参数，主要特性和应用等。半导体热敏电阻温度传感器半导体热敏电阻温度传感器66第66页，本讲稿共96页（一）热敏电阻的特点（一）热敏电阻的特点 1 1电阻温度系数的范围甚宽电阻温度系数的范围甚宽有有正正、负负温温度度系系数数和和在在某某一一特特定定温温度度区区域域内内阻阻值值
43、突突变变的的三三种种热热敏敏电阻元件。电阻温度系数的绝对值比金属大电阻元件。电阻温度系数的绝对值比金属大10100倍左右。倍左右。2 2材料加工容易、性能好材料加工容易、性能好可可根根据据使使用用要要求求加加工工成成各各种种形形状状，特特别别是是能能够够作作到到小小型型化化。目目前前，最小的珠状热敏电阻其直径仅为最小的珠状热敏电阻其直径仅为0.2mm。3 3阻值在阻值在1 110M10M之间可供自由选择之间可供自由选择使使用用时时，一一般般可可不不必必考考虑虑线线路路引引线线电电阻阻的的影影响响；由由于于其其功功耗耗小小、故故不不需需采采取冷端温度补偿，所以适合于远距离测温和控温使用。取冷端温
44、度补偿，所以适合于远距离测温和控温使用。一、热敏电阻的特点与分类一、热敏电阻的特点与分类67第67页，本讲稿共96页 4 4稳定性好稳定性好近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在0.01的小温度范围内，的小温度范围内，其稳定性可达其稳定性可达0.0002的精度。相比之下，优于其它各种温度传感器。的精度。相比之下，优于其它各种温度传感器。烧结表面均已经烧结表面均已经玻璃封装玻璃封装，故可用于较恶劣环境条件；，故可用于较恶劣环境条件；另外由于热敏电阻材料的性能受磁场影响很小，这是十分可贵的特点。另外由于热敏电阻材料的性能受磁场影响很小，这是十分可贵的特
45、点。5原料资源丰富，价格低廉原料资源丰富，价格低廉68第68页，本讲稿共96页热敏电阻材料的分类热敏电阻材料的分类（1）大分类小分类代表例子NTC单晶金刚石、Ge、Si金刚石热敏电阻多晶迁移金属氧化物复合烧结体、无缺陷形金属氧化烧结体多结晶单体、固溶体形多结晶氧化物SiC系Mn、Co、Ni、Cu、Al氧化物烧结体、ZrY氧化物烧结体、还原性TiO3、Ge、SiBa、Co、Ni氧化物溅射SiC薄膜玻璃Ge、Fe、V等氧化物硫硒碲化合物玻璃V、P、Ba氧化物、Fe、Ba、Cu氧化物、Ge、Na、K氧化物、（As2Se3）0.8、（Sb2SeI）0.2有机物芳香族化合物聚酰亚釉表面活性添加剂液体电解
46、质溶液熔融硫硒碲化合物水玻璃As、Se、Ge系69第69页，本讲稿共96页热敏电阻材料的分类（热敏电阻材料的分类（2）PTC无机物BaTiO3系Zn、Ti、Ni氧化物系Si系、硫硒碲化合物（Ba、Sr、Pb）TiO3烧结体有机物石墨系有机物石墨、塑料石腊、聚乙烯、石墨液体三乙烯醇混合物三乙烯醇、水、NaClCTRV、Ti氧化物系、Ag2S、（AgCu）、（ZnCdHg）BaTiO3单晶V、P、（BaSr）氧化物Ag2SCuS大分类小分类代表例子70第70页，本讲稿共96页热热敏敏电电阻阻的的种种类类很很多多，分分类类方方法法也也不不相相同同。按按热热敏敏电电阻阻的的阻阻值与温度关系这一重要特性
47、可分为：值与温度关系这一重要特性可分为：1 1正温度系数热敏电阻器（正温度系数热敏电阻器（PTCPTC）电电阻阻值值随随温温度度升升高高而而增增大大的的电电阻阻器器，简简称称PTC热热敏敏阻阻器器。它它的的主主要要材材料料是是掺掺杂杂的的BaTiO3半导体陶瓷。半导体陶瓷。2 2负温度系数热敏电阻器（负温度系数热敏电阻器（NTCNTC）电电阻阻值值随随温温度度升升高高而而下下降降的的热热敏敏电电阻阻器器简简称称NTC热热敏敏电电阻阻器器。它它的的材材料料主主要是一些要是一些金属氧化物（铜、铁、铝、锰等）金属氧化物（铜、铁、铝、锰等）半导体陶瓷。半导体陶瓷。3 3临界型温度系数热敏电阻器（临界型
48、温度系数热敏电阻器（CTRCTR该该类类电电阻阻器器的的电电阻阻值值在在某某特特定定温温度度范范围围内内随随温温度度升升高高而而降降低低34个个数数量量级级，即即具具有有很大很大温度系数温度系数。其主要材料是。其主要材料是VO2（二氧化钒），并二氧化钒），并添加一些金属氧化物添加一些金属氧化物。（二）热敏电阻的分类（二）热敏电阻的分类71第71页，本讲稿共96页（一）热敏电阻器的电阻（一）热敏电阻器的电阻温度特性（温度特性（R RT TT T）1234铂丝40601201600100101102103104105106RT/温度T/C热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻-温度特性曲线温度特性曲线1-N
49、TC；2-CTR；3-4PTC三、热敏电阻器主要特性三、热敏电阻器主要特性TT与RTT特性曲线一致。72第72页，本讲稿共96页 RT、RT0温度为温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值；时热敏电阻器的电阻值；BNTC热敏电阻的热敏电阻的材材料料常数常数。由由测测试试结结果果表表明明，不不管管是是由由氧氧化化物物材材料料，还还是是由由单单晶晶体体材材料料制制成成的的NTC热热敏敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于电阻器，在不太宽的温度范围（小于450），都能利用该式，它仅是一个经验公式。），都能利用该式，它仅是一个经验公式。1 1 负电阻温度系数负电阻温度系数(NTC)(NTC)热敏电阻器的温度特性
50、热敏电阻器的温度特性NTC的电阻的电阻温度关系的一般经验公式为：温度关系的一般经验公式为：材料的不同或配方的比例和方法不同材料的不同或配方的比例和方法不同，则，则B也不同。也不同。73第73页，本讲稿共96页2.2.正电阻温度系数正电阻温度系数（PTC)PTC)热敏电阻器的电阻热敏电阻器的电阻温度特性温度特性其其特特性性是是利利用用正正温温度度热热敏敏材材料料，在在居居里里点点附附近近结结构构发发生生相相变变引起引起导电率导电率突变来取得的，典型特性曲线如图突变来取得的，典型特性曲线如图10000100010010050100150200250R20=120R20=36.5R20=12.2PT