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1、中职中职 自动检测与传感技术自动检测与传感技术项目教项目教程项目二课件程项目二课件 高教版高教版项目二项目二 温度检测温度检测任务一任务一 电阻式温度传感器电阻式温度传感器一、一、热电阻温度传感器热电阻温度传感器 1.1.热电阻效应：热电阻效应：热电阻温度传感器是基于电阻的热效应进行温度测热电阻温度传感器是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。它是中低温区最量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。它是中低温区最常用的一种温度检测器。热电阻如图常用的一种温度检测器。热电阻如图2-12-1所示。所示。热电阻通常由两种材料制成，一种是由金属导体制成的感温元件，
2、热电阻通常由两种材料制成，一种是由金属导体制成的感温元件，称为金属热电阻，简称热电阻。另一种是由半导体材料制成的感温元称为金属热电阻，简称热电阻。另一种是由半导体材料制成的感温元件，称为热敏电阻。件，称为热敏电阻。普通热电阻普通热电阻 铂热电阻铂热电阻 图图2-12-1热电阴外形图热电阴外形图项目二项目二 温度检测温度检测任务一任务一 电阻式温度传感器电阻式温度传感器2.2.热电阻的工作原理：热电阻的工作原理：热电阻是由电阻丝绕制在支架上而构成的。为热电阻是由电阻丝绕制在支架上而构成的。为了避免热电阻通过交流信号时产生电抗，在绕制热电阻时采用双线无了避免热电阻通过交流信号时产生电抗，在绕制热电
3、阻时采用双线无感绕制法。当热电阻的温度升高（变化范围不是很大）时，虽然电阻感绕制法。当热电阻的温度升高（变化范围不是很大）时，虽然电阻内自由电子的数目基本不变，但每个自由电子的动能将增加，因而在内自由电子的数目基本不变，但每个自由电子的动能将增加，因而在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子做定向运动就会遇到更一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子做定向运动就会遇到更大的阻力，导致金属热电阻值随温度的升高而增大。大的阻力，导致金属热电阻值随温度的升高而增大。3.3.热电阻特性热电阻特性（1 1）铂热电阻：铂热电阻的特点是测温精度高、稳定性好，所以在温）铂热电阻：铂热电阻的特点是测温精度高、
4、稳定性好，所以在温度传感器中得到了广泛的应用。度传感器中得到了广泛的应用。铂热电阻的统一型号为铂热电阻的统一型号为WZPWZP，主要用做标准电阻温度计。国际标准有分，主要用做标准电阻温度计。国际标准有分度号为度号为pt100pt100的铂电阻，表示的铂电阻，表示00时电阻值为时电阻值为100100。（2 2）铜热电阻：由于铂是贵金属，所以在测量精度要求不高，温度范）铜热电阻：由于铂是贵金属，所以在测量精度要求不高，温度范围在围在5050+150+150时普遍采用铜电阻。铜热电阻的统一型号为时普遍采用铜电阻。铜热电阻的统一型号为WZC,WZC,常用常用来做工业用电阻温度计。目前国标规定的铜热电阻
5、有来做工业用电阻温度计。目前国标规定的铜热电阻有Cu50Cu50和和Cu100Cu100两种。两种。4.4.热电阻分类热电阻分类 除了上述按材料区分热电阻以外，还可以按结构区分热电阻的类型。除了上述按材料区分热电阻以外，还可以按结构区分热电阻的类型。图图2-22-2为部分热电阻外形为部分热电阻外形项目二项目二 温度检测温度检测任务一任务一 电阻式温度传感器电阻式温度传感器4.4.热电阻分类热电阻分类 防爆热电阻防爆热电阻 铠装热电阻铠装热电阻 图图2-2 2-2 部分热电阻外形部分热电阻外形普通装配热电偶普通装配热电偶 端面型热电偶端面型热电偶项目二项目二 温度检测温度检测任务一任务一 电阻式
6、温度传感器电阻式温度传感器4.4.热电阻分类热电阻分类（1 1）普通装配热电阻）普通装配热电阻普通装配式（可拆卸）热电阻通常由接线盒、保护管、接线端子、绝普通装配式（可拆卸）热电阻通常由接线盒、保护管、接线端子、绝缘套管和感温元件等部分组成，如图缘套管和感温元件等部分组成，如图2-32-3所示。其特点是通用性强，灵所示。其特点是通用性强，灵敏度高，稳定性强，抗振性能好，测温精度高，零件分解性好，维修敏度高，稳定性强，抗振性能好，测温精度高，零件分解性好，维修方便。广泛应用于石油、化工等生产现场伴有各种易燃、易爆气体及方便。广泛应用于石油、化工等生产现场伴有各种易燃、易爆气体及蒸汽的场合。蒸汽的
7、场合。（2 2）铠装热电阻）铠装热电阻铠装（不可拆卸）热电阻比装配式热电阻直径小，易弯曲，抗震性好，铠装（不可拆卸）热电阻比装配式热电阻直径小，易弯曲，抗震性好，适宜安装在装配式热电阻无法安装的场合，具有精确、灵敏、热响应适宜安装在装配式热电阻无法安装的场合，具有精确、灵敏、热响应时间快、质量稳定、使用寿命长等优点。时间快、质量稳定、使用寿命长等优点。铠装热电阻通常由铂热电阻感温元件、安装固定装置和接线装置等主铠装热电阻通常由铂热电阻感温元件、安装固定装置和接线装置等主要部件组成。其外保护管采用不锈钢套管，内充满高密度氧化物绝缘要部件组成。其外保护管采用不锈钢套管，内充满高密度氧化物绝缘体，因
8、此它具有很强的抗污染特性和优良的机械强度，适合安装在环体，因此它具有很强的抗污染特性和优良的机械强度，适合安装在环境恶劣的场合。境恶劣的场合。项目二项目二 温度检测温度检测任务一任务一 电阻式温度传感器电阻式温度传感器4.4.热电阻分类热电阻分类（3 3）端面热电阻）端面热电阻端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度
9、。（4 4）防爆型热电阻）防爆型热电阻防爆型热电阻与可拆卸式电阻的结构、原理基防爆型热电阻与可拆卸式电阻的结构、原理基本相同，区别是防爆型产品的接线盒（外壳），本相同，区别是防爆型产品的接线盒（外壳），在设计上采用防爆特殊结构，接线盒用高强度在设计上采用防爆特殊结构，接线盒用高强度铝合金压铸而成，并具有足够的内部空间、壁铝合金压铸而成，并具有足够的内部空间、壁厚和机械强度，橡胶密封圈的热稳定性均符合厚和机械强度，橡胶密封圈的热稳定性均符合国家防爆标准。所以，当接线盒内部的爆炸性国家防爆标准。所以，当接线盒内部的爆炸性混合气体发生爆炸时，其内压不会破坏接线盒，混合气体发生爆炸时，其内压不会破坏接
10、线盒，而由此产生的热能不会向外扩散、传爆，达到而由此产生的热能不会向外扩散、传爆，达到可靠的防爆效果。可用于测量具有爆炸危险场可靠的防爆效果。可用于测量具有爆炸危险场所的温度。所的温度。图图2-32-3普通装配热电偶结构普通装配热电偶结构项目二项目二 温度检测温度检测任务一任务一 电阻式温度传感器电阻式温度传感器5.5.热电阻的连接方式热电阻的连接方式 热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。热电阻在工业测量桥路中常采用两线制、三线制及四线制等接法，如图热电阻在工业测量桥路中常采用两线制、三线制及四线制等接法，如图2-42-4
11、所示。所示。热电阻的测量电路通常采用不平衡电桥来热电阻的测量电路通常采用不平衡电桥来转换，如图转换，如图2-52-5所示是电桥测量线路的基本形式。所示是电桥测量线路的基本形式。它由它由R R1 1，R R2 2，R R3 3，R R4 4四个阻抗元件首尾串接而成，四个阻抗元件首尾串接而成，即称为桥臂。在串接回路中相对的两个结点即称为桥臂。在串接回路中相对的两个结点A A、C C接入电桥电源接入电桥电源E(E(也称为工作电压也称为工作电压)；在另两个；在另两个相对结点相对结点B B、D D上将有输出电压上将有输出电压U Uo o。图图2-52-5电阻测量电路电阻测量电路图图2-4 2-4 热电阻
12、接线方法热电阻接线方法项目二项目二 温度检测温度检测任务一任务一 电阻式温度传感器电阻式温度传感器5.5.热电阻的连接方式热电阻的连接方式 当当U Uo o=0=0时称电桥为平衡电桥；反之，为非平衡电桥（时称电桥为平衡电桥；反之，为非平衡电桥（U Uo o00）。）。因因U Uo oU UB BU UD D，而，而 U UB BE (2E (21)1)U UD DE (2E (22)2)所以不难推出，当所以不难推出，当R R2 2R R4 4R R1 1R R3 3时，时，U Uo oU UBDBD0 0，此时电桥平衡。，此时电桥平衡。测量时一般将测量时一般将R R1 1R R2 2R R3
13、3R R4 4，把热电阻接入，把热电阻接入R R1 1桥臂中，则输出桥臂中，则输出电压电压U Uo o的变化量即反映出热电阻阻值随温度的变化情况。的变化量即反映出热电阻阻值随温度的变化情况。为避免或减少导线电阻对测温的影响，工业热电阻多半采用三线为避免或减少导线电阻对测温的影响，工业热电阻多半采用三线制接法，即热电阻的一端与一根导线相接，另一端同时接两根导线。制接法，即热电阻的一端与一根导线相接，另一端同时接两根导线。当热电阻与电桥配合时，三线制的优越性可用图当热电阻与电桥配合时，三线制的优越性可用图2-62-6说明。图中热电说明。图中热电阻阻RtRt的三根导线，粗细相同，长度相等，阻值都是的
14、三根导线，粗细相同，长度相等，阻值都是r r。其中一根串联。其中一根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里，使相邻两臂的阻值都增加同样大的阻值电桥的相邻两臂里，使相邻两臂的阻值都增加同样大的阻值r r。项目二项目二 温度检测温度检测任务一任务一 电阻式温度传感器电阻式温度传感器5.5.热电阻的连接方式热电阻的连接方式 当电桥平衡时，可写出下列关系，即当电桥平衡时，可写出下列关系，即 （Rt+rRt+r）R R2 2=(R=(R3 3+r)R1 (2+r)R1 (23)3)由此可以得出由此可以得
15、出 Rt RRt R2 2=R=R1 1 R R3 3+r R+r R1 1 r R r R2 2 (2 (24)4)设计电桥时如满足设计电桥时如满足R R1 1R R2 2，则公式，则公式(2(24)4)中等号右边含有中等号右边含有r r的两的两项完全消去，就和项完全消去，就和r=0r=0的电桥平衡公式完全一样了。这种情况下，导的电桥平衡公式完全一样了。这种情况下，导线电阻线电阻r r对热电阻的测量毫无影响。但必须注意，只有如图对热电阻的测量毫无影响。但必须注意，只有如图2-62-6所示左所示左右对称的电桥（即右对称的电桥（即R R1 1R R2 2的电桥）在平衡状态下才是如此。的电桥）在平
16、衡状态下才是如此。在精密测量中，采用四线制接法，如图在精密测量中，采用四线制接法，如图2-72-7所示。所示。图图2-6 2-6 热电阻测温电桥的三线制接法热电阻测温电桥的三线制接法 项目二项目二 温度检测温度检测任务一任务一 电阻式温度传感器电阻式温度传感器二、二、热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器图图2-7 2-7 热电阻测温电桥的四线制接法热电阻测温电桥的四线制接法1.1.认识热敏电阻认识热敏电阻 热敏电阻是一种对温度反应敏感、阻值热敏电阻是一种对温度反应敏感、阻值会随着温度的变化而变化的非线性半导体电会随着温度的变化而变化的非线性半导体电阻器。常见热敏电阻外形如图阻器。常见热敏电阻外
17、形如图2-82-8所示。所示。图图2-8 2-8 各种类型的热敏电阻各种类型的热敏电阻 项目二项目二 温度检测温度检测任务一任务一 电阻式温度传感器电阻式温度传感器二、二、热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器2.2.热敏电阻的特点热敏电阻的特点相对一般金属电阻，热敏电阻有如下特点：相对一般金属电阻，热敏电阻有如下特点：（1 1）电阻温度系数大，约为金属电阻的）电阻温度系数大，约为金属电阻的1010100100倍，灵敏度较倍，灵敏度较高；高；（2 2）工作范围较宽。低温器件常适用于）工作范围较宽。低温器件常适用于-273-2735555，常温器，常温器件适用于件适用于-55-55315315，高
18、温器件适用温度高于，高温器件适用温度高于315315（目前最（目前最高可达到高可达到20002000）；）；（3 3）电阻率高，适宜作动态测量；）电阻率高，适宜作动态测量；（4 4）结构简单、体积小、易加工成复杂的形状，能够测量其他）结构简单、体积小、易加工成复杂的形状，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；（5 5）使用方便，电阻值可在）使用方便，电阻值可在0.10.1100k100k间任意选择；间任意选择；其缺点是阻值与温度的非线性严重，互换性差。其缺点是阻值与温度的非线性严重，互换性差。项目二项目二 温度检测温度检测任
19、务一任务一 电阻式温度传感器电阻式温度传感器二、二、热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器3.3.热敏电阻的类型热敏电阻的类型（1 1）负温度系数热敏电阻（）负温度系数热敏电阻（NTCNTC）（2 2）正温度系数热敏电阻（）正温度系数热敏电阻（PTCPTC）（3 3）临界温度热敏电阻（）临界温度热敏电阻（CTRCTR）三大类。）三大类。如图如图2-92-9所示为三类热敏电阻的电阻所示为三类热敏电阻的电阻温温度特性。度特性。在所有热敏电阻中，在所有热敏电阻中，NTCNTC热敏电阻的数量热敏电阻的数量占绝大多数，其电阻温度特性有明显的非线占绝大多数，其电阻温度特性有明显的非线性，温度越高，阻值越小。
20、大多性，温度越高，阻值越小。大多NTCNTC热敏电阻热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于测具有很高的负电阻温度系数，特别适用于测量量100100+300+300的温度，广泛应用于复印机、的温度，广泛应用于复印机、打印机、空调器、电烤箱等办公用品和家用打印机、空调器、电烤箱等办公用品和家用电器中。电器中。图图2-9 2-9 热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻温度特性温度特性 PTC PTC热敏电阻在常温下阻值较小，其电阻热敏电阻在常温下阻值较小，其电阻温度特性曲线中有斜率最大温度特性曲线中有斜率最大的区域。当温度超过某一数值时，其电阻值迅速增大，主要用于彩色电视的区域。当温度超过某一数值时，其
21、电阻值迅速增大，主要用于彩色电视机的消磁、各种电气设备的过热保护中。机的消磁、各种电气设备的过热保护中。项目二项目二 温度检测温度检测任务一任务一 电阻式温度传感器电阻式温度传感器二、二、热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器3.3.热敏电阻的类型：热敏电阻的类型：CTRCTR热敏电阻也是负温度系数的热敏电阻，但与热敏电阻也是负温度系数的热敏电阻，但与NTCNTC热敏电阻不同的热敏电阻不同的是，在某一温度范围内，电阻值会发生急剧下降，曲线斜率在此区域段是，在某一温度范围内，电阻值会发生急剧下降，曲线斜率在此区域段特别陡，灵敏度极高，主要用于温度开关，适合于制造位式作用的传感特别陡，灵敏度极高，主
22、要用于温度开关，适合于制造位式作用的传感器。器。4.4.热敏电阻的应用热敏电阻的应用（1 1）电机过热保护电路）电机过热保护电路 如图如图2-102-10所示为电机过热保护电路。它由所示为电机过热保护电路。它由PTCPTC热敏电阻和施密特电路热敏电阻和施密特电路构成的控制电路。图中，构成的控制电路。图中，RTRT1 1、RTRT2 2、RTRT3 3为三只特性一致的阶跃型为三只特性一致的阶跃型PTCPTC热敏热敏电阻器，它们分别埋设在电机定子的绕组里。正常情况下，电阻器，它们分别埋设在电机定子的绕组里。正常情况下，PTCPTC热敏电阻热敏电阻器处于常温状态，它们的总电阻值小于器处于常温状态，它
23、们的总电阻值小于1K1K。此时，。此时，VTVT1 1截止，截止，VTVT2 2导通，导通，继电器继电器K K得电吸合常开触点，电机由市电供电运转。得电吸合常开触点，电机由市电供电运转。当电机因故障局部过热时，只要有一只当电机因故障局部过热时，只要有一只PTCPTC热敏电阻受热超过预设温热敏电阻受热超过预设温度时，其阻值就会超过度时，其阻值就会超过10K10K以上。于是以上。于是VTVT1 1导通、导通、VTVT2 2截止，截止，VDVD2 2显示红色显示红色报警信号，报警信号，K K失电释放，电机停止运转，达到保护的目的。失电释放，电机停止运转，达到保护的目的。项目二项目二 温度检测温度检测
24、任务一任务一 电阻式温度传感器电阻式温度传感器4.4.热敏电阻的应用热敏电阻的应用 图图2-10 2-10 电机过热保护电路电机过热保护电路 图图2-11 2-11 电子节能灯预热软起动电路电子节能灯预热软起动电路项目二项目二 温度检测温度检测任务一任务一 电阻式温度传感器电阻式温度传感器4.4.热敏电阻的应用热敏电阻的应用（2 2）热敏电阻在节能灯上的应用）热敏电阻在节能灯上的应用 将将PTCPTC热敏电阻用在节能灯电子镇流器上，不必改动线路将产品直接跨接热敏电阻用在节能灯电子镇流器上，不必改动线路将产品直接跨接在灯管的谐振电容两端，可以改变电子镇流器、电子节能灯的硬起动为预热起在灯管的谐振
25、电容两端，可以改变电子镇流器、电子节能灯的硬起动为预热起动，灯丝的预热时间达动，灯丝的预热时间达0.40.4秒秒2.02.0秒，可延长灯管寿命四倍以上。秒，可延长灯管寿命四倍以上。如图如图2-112-11所示。刚接通开关时，热敏电阻所示。刚接通开关时，热敏电阻RtRt处于常温态，其阻值远远低于处于常温态，其阻值远远低于C2C2的的阻抗，电流通过阻抗，电流通过C1C1、RtRt形成回路预热灯丝。约形成回路预热灯丝。约0.40.4秒秒2 2秒后，温度升高至居里秒后，温度升高至居里温度（当热敏电阻的阻值开始呈阶跃性增加时的温度称为开关温度，也叫居里温度（当热敏电阻的阻值开始呈阶跃性增加时的温度称为开
26、关温度，也叫居里温度）使温度）使RtRt跃入高阻态，其阻值远远高于跃入高阻态，其阻值远远高于C2C2的阻抗，电流通过的阻抗，电流通过C1C1、C2C2形成回路形成回路导致导致L L谐振，产生高压点亮灯管。谐振，产生高压点亮灯管。（3 3）热敏电阻在电冰箱启动控制电路上的应用）热敏电阻在电冰箱启动控制电路上的应用 电机在启动时，要克服本身的惯性，同时还要克服负载的反作用力（如冰电机在启动时，要克服本身的惯性，同时还要克服负载的反作用力（如冰箱压缩机启动时必须克服制冷剂的反作用力），因此电机启动时需要较大的电箱压缩机启动时必须克服制冷剂的反作用力），因此电机启动时需要较大的电流和转矩。当转动正常后
27、，为了节约能源，需要的转矩又要大幅度下降。可给流和转矩。当转动正常后，为了节约能源，需要的转矩又要大幅度下降。可给电机加一组辅助绕组，只在启动时工作，正常后它就断开。将电机加一组辅助绕组，只在启动时工作，正常后它就断开。将PTCPTC热敏电阻串热敏电阻串联在启动辅助绕组回路中联在启动辅助绕组回路中 ，启动后，启动后PTCPTC热敏电阻进入高阻态切断辅助绕组，正热敏电阻进入高阻态切断辅助绕组，正好可以达到这种效果。好可以达到这种效果。项目二项目二 温度检测温度检测任务一任务一 电阻式温度传感器电阻式温度传感器4.4.热敏电阻的应用热敏电阻的应用 如图如图2-122-12所示，在电冰箱压缩机的启动
28、绕组上串接一只所示，在电冰箱压缩机的启动绕组上串接一只PTCPTC热敏电阻器，热敏电阻器，当温控器接通电源时，电源电流全部加在启动绕组上，此时，当温控器接通电源时，电源电流全部加在启动绕组上，此时，PTCPTC热敏电阻热敏电阻可将约可将约7A7A左右的电流在左右的电流在0.10.1秒秒0.40.4秒之内衰减至秒之内衰减至4A4A左右，然后再经左右，然后再经3 3秒钟左秒钟左右的时间使电流降为右的时间使电流降为101015mA15mA，这样，启动绕组因，这样，启动绕组因PTCPTC热敏电阻热敏电阻“关闭关闭”而而停止工作。而这时运行绕组已处于正常工作状态。这种启动装置的特点是停止工作。而这时运行
29、绕组已处于正常工作状态。这种启动装置的特点是性能可靠，寿命长，实现了无触点启动。而且这种方法还对低电压启动有性能可靠，寿命长，实现了无触点启动。而且这种方法还对低电压启动有较强的适应性。供电电压在较强的适应性。供电电压在160V160V时，只要输入电流稍大干时，只要输入电流稍大干2A2A，电冰箱压缩，电冰箱压缩机则能正常启动。机则能正常启动。冰箱压缩机启动装置的冰箱压缩机启动装置的PTCPTC热敏电阻，通常具有如下主要参数，标称电热敏电阻，通常具有如下主要参数，标称电阻值：阻值：20-4020-40欧，额定电压：欧，额定电压：270V270V，击穿电压：，击穿电压：400V400V，最大启动电
30、流：，最大启动电流：8A8A，稳定时间：，稳定时间：0.10.1秒秒1 1秒，稳态功耗：秒，稳态功耗：4W4W，恢复时间：，恢复时间：3 3秒。秒。图图2-12 PTC2-12 PTC在电冰箱启动电路中的应用在电冰箱启动电路中的应用项目二项目二 温度检测温度检测任务二任务二 热电偶式温度传感器热电偶式温度传感器一、认识热电偶一、认识热电偶 热热电电偶偶传传感感器器简简称称热热电电偶偶，是是基基于于热热电电效效应应而而在在电电路路中中产产生生电电动动势势的的一一对不同材料的导体。如图对不同材料的导体。如图2-132-13所示为部分热电偶外形。所示为部分热电偶外形。图图2-13 2-13 部分热电
31、偶外形部分热电偶外形 热电偶发明于热电偶发明于18261826年，是目前接触式测温中应用最广的温度传感器。年，是目前接触式测温中应用最广的温度传感器。其测温范围较宽，一般为其测温范围较宽，一般为27027018001800，最高的可达到，最高的可达到30003000，并有较高，并有较高的测量精度。另外，它具有结构简单、使用方便、热惯性小、性能稳定、的测量精度。另外，它具有结构简单、使用方便、热惯性小、性能稳定、准确度高、响应速度快、适于远距离测量等优点。其产品已标准化、系列准确度高、响应速度快、适于远距离测量等优点。其产品已标准化、系列化，运用十分方便。化，运用十分方便。（a a）普通装配热电
32、偶）普通装配热电偶 （b b）铠装热电偶）铠装热电偶 （c c）薄膜热电偶）薄膜热电偶 （d d）表面热电偶）表面热电偶项目二项目二 温度检测温度检测任务二任务二 热电偶式温度传感器热电偶式温度传感器二、热电偶二、热电偶 的分类的分类1.1.普通装配式热电偶普通装配式热电偶 外形如图外形如图2-13(a)2-13(a)所示的普通装配式热电偶通常由热电极、绝缘套管、所示的普通装配式热电偶通常由热电极、绝缘套管、保护管、接线盒四部分组成，其内部结构如图保护管、接线盒四部分组成，其内部结构如图2-142-14所示。所示。1 1为热电极，为热电极，2 2为绝缘套管，为绝缘套管，3 3为保护管，为保护管
33、，4 4为接线端子，为接线端子，5 5为接线盒。为接线盒。其热电极一般直径为其热电极一般直径为0.35mm0.35mm3.2mm3.2mm左右，长度为左右，长度为250mm250mm300mm300mm。绝缘套管。绝缘套管可防止两个热电极短路，一般采用陶瓷材料，保护管在最外层，增加强可防止两个热电极短路，一般采用陶瓷材料，保护管在最外层，增加强度，并防止热电偶被腐蚀或受火焰和气流的直接冲击。接线盒用于固定度，并防止热电偶被腐蚀或受火焰和气流的直接冲击。接线盒用于固定线座和连接外接导线，一般采用铝合金材料，盒盖用垫圈加以密封以防线座和连接外接导线，一般采用铝合金材料，盒盖用垫圈加以密封以防污物进
34、入。污物进入。普通装配式热电偶主要用于气体、蒸汽和液体等介质的温度检测。普通装配式热电偶主要用于气体、蒸汽和液体等介质的温度检测。2.2.铠装式热电偶铠装式热电偶铠装式热电偶与普通装配式热电偶的结构相同，它是将热电极、绝缘材料铠装式热电偶与普通装配式热电偶的结构相同，它是将热电极、绝缘材料等连同保护管等一起拉制成型，经焊接密封和装配工艺制成坚实的组合等连同保护管等一起拉制成型，经焊接密封和装配工艺制成坚实的组合体，外形如图体，外形如图2-13(b)2-13(b)所示。其套管可长达所示。其套管可长达100m100m，管外径最细为，管外径最细为0.25mm0.25mm。铠装热电偶已实现标准化、系列
35、化，它具有体积小、动态响应快、柔性铠装热电偶已实现标准化、系列化，它具有体积小、动态响应快、柔性好、便于弯曲、强度高等优点，因此被广泛用于工业生产，特别是高压好、便于弯曲、强度高等优点，因此被广泛用于工业生产，特别是高压装置和狭窄管道温度的测量。装置和狭窄管道温度的测量。项目二项目二 温度检测温度检测任务二任务二 热电偶式温度传感器热电偶式温度传感器二、热电偶二、热电偶 的分类的分类3.3.表面热电偶表面热电偶表面热电偶外形如图表面热电偶外形如图2-13(c)2-13(c)所示。主要所示。主要用于现场流动的测量，广泛地用于纺用于现场流动的测量，广泛地用于纺织、印染、造纸、塑料及橡胶工业。织、印
36、染、造纸、塑料及橡胶工业。4.4.薄膜热电偶薄膜热电偶如图如图2-13(d)2-13(d)所示。薄膜热电偶是利用真所示。薄膜热电偶是利用真空镀膜、化学涂层和电泳等方法，将空镀膜、化学涂层和电泳等方法，将两种电极材料直接蒸镀（或沉积）于两种电极材料直接蒸镀（或沉积）于绝缘的基片上而制成的。它的测量端绝缘的基片上而制成的。它的测量端既小又薄，热容量很小，动态响应快，既小又薄，热容量很小，动态响应快，可以用于微小面积上的温度测量以及可以用于微小面积上的温度测量以及快速变化的表面温度测量。测量时薄快速变化的表面温度测量。测量时薄膜热电偶用特殊粘合剂紧贴在被测表膜热电偶用特殊粘合剂紧贴在被测表面，由于受
37、粘合剂的限制，测量温度面，由于受粘合剂的限制，测量温度范围一般为范围一般为-200-200300300。图图 2-14 2-14 热电偶的结构示意图热电偶的结构示意图 项目二项目二 温度检测温度检测任务二任务二 热电偶式温度传感器热电偶式温度传感器三、热电偶三、热电偶 测温原理测温原理1.1.热电偶的热电效应热电偶的热电效应 热电偶是利用热电效应的原理制成的。如图热电偶是利用热电效应的原理制成的。如图2-152-15所示，两种不同所示，两种不同材料的导体材料的导体A A和和B B组成一个闭合回路时，若两结点的温度不同，分别组成一个闭合回路时，若两结点的温度不同，分别为为t t和和t0t0，则在
38、该回路中会产生电动势，这种现象称为热电效应，则在该回路中会产生电动势，这种现象称为热电效应，也称为塞贝克效应。此电动势称为热电动势，导体也称为塞贝克效应。此电动势称为热电动势，导体A A、B B称为热电极。称为热电极。图图 2-15 2-15 热电偶的原理图热电偶的原理图 项目二项目二 温度检测温度检测任务二任务二 热电偶式温度传感器热电偶式温度传感器三、热电偶三、热电偶 测温原理测温原理 热电偶闭合回路中产生的热电势由温差电势和接触电势组成。热电偶闭合回路中产生的热电势由温差电势和接触电势组成。（1 1）温差电势是指同一导体两端因温度不同而产生的电势。）温差电势是指同一导体两端因温度不同而产
39、生的电势。对于单一导体，如果其两端的温度不同，则导体内高温端的对于单一导体，如果其两端的温度不同，则导体内高温端的自由电子具有较大的动能，会向低温端扩散，因而在导体两自由电子具有较大的动能，会向低温端扩散，因而在导体两端产生了电势，这个电势称为单一导体的温差电势。端产生了电势，这个电势称为单一导体的温差电势。（2 2）接触电势是指两种导体热电极由于材料不同而具有不）接触电势是指两种导体热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度，而热电极节点接触面处就会产生自由电同的自由电子密度，而热电极节点接触面处就会产生自由电子的扩散现象，自由电子将从密度大的金属子的扩散现象，自由电子将从密度大的金属A A
40、扩散到密度小扩散到密度小的金属的金属B B，使，使A A失去电子带正电，失去电子带正电，B B得到电子带负电，当达到得到电子带负电，当达到动态平衡时，在热电极节点处便产生一个稳定的电势差。动态平衡时，在热电极节点处便产生一个稳定的电势差。通常情况下，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计。通常情况下，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计。项目二项目二 温度检测温度检测任务二任务二 热电偶式温度传感器热电偶式温度传感器三、热电偶三、热电偶 测温原理测温原理 通常情况下，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计。通常情况下，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计。设计和制作热电偶测温应注意以下设计和制作热
41、电偶测温应注意以下特点：特点：（1 1）如果组成热电偶的两个电极材料不同，但是两结点的温度相同也）如果组成热电偶的两个电极材料不同，但是两结点的温度相同也不会产生热电动势。不会产生热电动势。（2 2）若组成热电偶的两个电极材料相同，即使两结点的温度不同也不）若组成热电偶的两个电极材料相同，即使两结点的温度不同也不会产生热电动势。会产生热电动势。（3 3）当热电极材料选定后，热端温度和冷端温度的温差越大，热电动）当热电极材料选定后，热端温度和冷端温度的温差越大，热电动势就越大。势就越大。（4 4）通常热电偶的接触电势远大于温差电势，因而回路中的热电动势）通常热电偶的接触电势远大于温差电势，因而回
42、路中的热电动势的方向取决于热端的接触电势方向，电子密度大的导体的方向取决于热端的接触电势方向，电子密度大的导体A A为正极，为正极，电子密度小的导体电子密度小的导体B B为负极。为负极。2.2.热电偶的测温原理热电偶的测温原理 热电动势的大小与热电极热电动势的大小与热电极A A、B B的长度和直径无关，只与热电极的长度和直径无关，只与热电极的材料和冷、热两端的温度有关。如果热电极的材料选定，冷端的的材料和冷、热两端的温度有关。如果热电极的材料选定，冷端的温度确定，那么热电动势就只与热端温度有关，因此，就可以通过温度确定，那么热电动势就只与热端温度有关，因此，就可以通过测量热电动势的大小得到热端
43、的温度值，这就是热电偶的测温原理。测量热电动势的大小得到热端的温度值，这就是热电偶的测温原理。项目二项目二 温度检测温度检测任务二任务二 热电偶式温度传感器热电偶式温度传感器四、热电偶四、热电偶 的基本定律的基本定律 1.1.匀质导体定律匀质导体定律由同一种匀质（电子密度处处相同）导体或半导体组成的闭合回由同一种匀质（电子密度处处相同）导体或半导体组成的闭合回路中，不论其截面积和长度如何，不论其各处的温度分布如路中，不论其截面积和长度如何，不论其各处的温度分布如何，都不能产生热电动势，这就是匀质导体定律。应该注意何，都不能产生热电动势，这就是匀质导体定律。应该注意的是热电偶必须由两种不同的匀质
44、材料制成，热电动势的大的是热电偶必须由两种不同的匀质材料制成，热电动势的大小与热电极材料的两个结点的温度有关，而与热电极的截面小与热电极材料的两个结点的温度有关，而与热电极的截面积及温度分布无关。积及温度分布无关。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，如图在热电偶回路中接入第三种导体，如图2-162-16所示，只要接入导体所示，只要接入导体的两端温度相等，对热电偶回路中总的热电动势就无影响。的两端温度相等，对热电偶回路中总的热电动势就无影响。根据这个定律，用热电偶测温时，可在回路中接入连接导线和仪根据这个定律，用热电偶测温时，可在回路中接入连接导线和仪表，也可采用开路热
45、电偶对液态金属和金属壁面进行温度测表，也可采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量，只要保证两热电极插入的地方温度相同即可。如图量，只要保证两热电极插入的地方温度相同即可。如图2-172-17所示。所示。项目项目 温度检测温度检测任务二任务二 热电偶式温度传感器热电偶式温度传感器四、热电偶四、热电偶 的基本定律的基本定律 图图2-16 2-16 接入第三种材料示意图接入第三种材料示意图 图图2-17 2-17 热电偶测量液态金属和金属壁面温度示意图热电偶测量液态金属和金属壁面温度示意图3.3.中间温度定律中间温度定律 在热电偶测量电路中，热端温度为在热电偶测量电路中，热端温度为t t，冷
46、端温度为，冷端温度为t t0 0，中间温度为，中间温度为tt，则（，则（t t，t t0 0）的热电动势等于（）的热电动势等于（t t，tt）与（）与（tt，t t0 0）热电动势）热电动势的代数和。的代数和。即即 E E（t t，t t0 0）E E（t t，tt）+E+E（tt，t t0 0）(2(25)5)这条定律为热电偶回路中使用补偿导线提供了理论依据，也为冷端这条定律为热电偶回路中使用补偿导线提供了理论依据，也为冷端温度修正法提供了计算公式。根据这个定律，可以采用与热电偶热电特温度修正法提供了计算公式。根据这个定律，可以采用与热电偶热电特性相近的导体性相近的导体AA和和BB，将热电偶
47、冷端延伸到温度恒定的地方。，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方。项目二项目二 温度检测温度检测任务二任务二 热电偶式温度传感器热电偶式温度传感器四、热电偶四、热电偶 的基本定律的基本定律 图图2-18 2-18 有标准电极的热电偶示意图有标准电极的热电偶示意图 4.4.标准电极定律标准电极定律如图如图2-182-18所示，如果两种导体所示，如果两种导体A A和和B B分别与第三种导体分别与第三种导体C(C(标准电极标准电极)组成的热电偶所产生的热电动势是已知的，则这两种导体所组成的组成的热电偶所产生的热电动势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电动势也是已知的，且热电偶的热电动势也是已知的，
48、且 E EABAB（t t，t t0 0）E EACAC（t t，t t0 0）-E-EBCBC（t t，t t0 0）(2(26)6)项目二项目二 温度检测温度检测任务二任务二 热电偶式温度传感器热电偶式温度传感器五、热电偶五、热电偶 的温度补偿的温度补偿 工业上常用的各种热电偶的温度工业上常用的各种热电偶的温度-热电势关系曲线是在冷端温度热电势关系曲线是在冷端温度保持为保持为00的情况下得到的，因此，我们在应用热电偶测温时，只有的情况下得到的，因此，我们在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为将冷端温度保持为00，或者是进行一定的修正后才能得出准确的测，或者是进行一定的修正后才能得出准确的
49、测量结果。这称为热电偶的冷端温度补偿。量结果。这称为热电偶的冷端温度补偿。通常采用的冷端温度补偿方法有以下几种：通常采用的冷端温度补偿方法有以下几种：1.1.补偿导线法补偿导线法 根据热电偶的测温原理可知，当冷端温度保持不变时，热电偶回根据热电偶的测温原理可知，当冷端温度保持不变时，热电偶回路的热电动势与热端温度成单值对应关系。而实际测温时，由于热电路的热电动势与热端温度成单值对应关系。而实际测温时，由于热电偶一般做得比较短（偶一般做得比较短（0.350.352m2m），长度有限，冷端温度会直接受到被），长度有限，冷端温度会直接受到被测介质的温度和周围环境的影响，无法保持恒定，因而会产生测量误
50、测介质的温度和周围环境的影响，无法保持恒定，因而会产生测量误差。差。为了准确测量温度，一般采用补偿导线将热电偶的冷端引到远离为了准确测量温度，一般采用补偿导线将热电偶的冷端引到远离被测对象并且温度又比较稳定（通常为室温）的地方。被测对象并且温度又比较稳定（通常为室温）的地方。补偿导线由两种不同性质的廉价金属材料制成，在一定温度范围补偿导线由两种不同性质的廉价金属材料制成，在一定温度范围内（内（0 0100100），与所配接的热电偶具有相同的热电特性，），与所配接的热电偶具有相同的热电特性，起到延起到延长冷端的作用。长冷端的作用。项目二项目二 温度检测温度检测任务二任务二 热电偶式温度传感器热电