第10章热电式传感器ppt课件.ppt

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1、传感器原理与应用传感器原理与应用第第10章章 热电式传感器热电式传感器第第10章章 热电式传感器热电式传感器 热电式传感器是一种利用测温敏感元件电或热电式传感器是一种利用测温敏感元件电或磁的参数随温度变化而改变的特性，将温度变化磁的参数随温度变化而改变的特性，将温度变化转换为电量变化的传感器。本章主要介绍热电偶、转换为电量变化的传感器。本章主要介绍热电偶、热电阻、热敏电阻和热电阻、热敏电阻和PN结传感器。结传感器。 第第10章章 热电式传感器热电式传感器10.1 热电偶传感器热电偶传感器10.2 热电阻传感器热电阻传感器10.3 热敏电阻热敏电阻10.4 PN结型温度传感器结型温度传感器10.

2、5 热电式传感器应用举例热电式传感器应用举例10.1 热电偶传感器热电偶传感器 热电偶传感器简称热电偶传感器简称热电偶热电偶，是目前接触式测温，是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器。其测温范围较宽，一中应用最广的热电式传感器。其测温范围较宽，一般为般为501600 ，最高可达到，最高可达到3000 ，并且有，并且有较高的测量精度。其产品已标准化、系列化，运用较高的测量精度。其产品已标准化、系列化，运用十分方便。十分方便。10.1 热电偶传感器热电偶传感器10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电

3、偶的材料、分类与结构10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应 1. .基本原理基本原理 1821年赛贝克发现，在铜、铁两种金属构成年赛贝克发现，在铜、铁两种金属构成的闭合回路中，对两个接头中的一个加热即可产的闭合回路中，对两个接头中的一个加热即可产生电流。这种装置称为生电流。这种装置称为热电偶热电偶。10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应 2. .热电效应热电效应 将两种不同的导体将两种不同的导体( (或半导体或半导体) )组成闭合回路，组成闭合回路，若两结点处

4、温度不同，则回路中将有电流流动，即若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有热电势存在。此电势的大小除了与材料本回路中有热电势存在。此电势的大小除了与材料本身的性质有关以外，还决定于结点处的温差，这种身的性质有关以外，还决定于结点处的温差，这种现象称为现象称为热电效应热电效应或或塞贝克效应塞贝克效应。 热电效应产生的热电势由热电效应产生的热电势由接触电势接触电势和和温差电势温差电势两部分组成。两部分组成。10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应 ( (1) )接触电势接触电势 当两种导体当两种导体( (或半导体或半导体) )接触在接触在一起时，由于不同导体的一起时，由于不同

5、导体的自由电子密度不同自由电子密度不同，在结，在结点处就会发生点处就会发生电子迁移扩散电子迁移扩散。失去电子的导体呈正。失去电子的导体呈正电位，得到电子的导体呈负电位。当扩散达到平衡电位，得到电子的导体呈负电位。当扩散达到平衡时，在两种金属的接触处形成电位差，此电位差称时，在两种金属的接触处形成电位差，此电位差称为为接触电势接触电势。其大小与两种导体的性质及结点的温。其大小与两种导体的性质及结点的温度有关，可表示为度有关，可表示为10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应 式中，式中，EAB( (T) )为为A、B两种导体在温度两种导体在温度T时的接触电时的接触电势；势；K为玻尔兹曼常

6、数；为玻尔兹曼常数；e为电子电荷量为电子电荷量( (取正值取正值) )；NA、NB为导体为导体A、B的自由电子密度；的自由电子密度；T为结点处的为结点处的绝对温度。绝对温度。) 1 .10(ln)(BAABNNeKTTE10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应 ( (2) )温差电势温差电势 也称也称汤姆逊电势汤姆逊电势，产生原因是，产生原因是，金属导体两端的温度不同，则其自由电子的浓度亦不金属导体两端的温度不同，则其自由电子的浓度亦不相同相同，温度高的一端浓度较大，因此高温端的自由电，温度高的一端浓度较大，因此高温端的自由电子将向低温端扩散，高温端失去电子带正电，低温端子将向低温端

7、扩散，高温端失去电子带正电，低温端得到多余的电子带负电，从而形成温差电势得到多余的电子带负电，从而形成温差电势)2 .10(d),(0A0ATTTTTE式中，式中，EA( (T, ,T0) )为导体为导体A两端温度分别为两端温度分别为T与与T0时的时的温差电势；温差电势； A为为温度系数温度系数( (又称又称汤姆逊系数汤姆逊系数) )，它表示，它表示单一导体的两端温差为单一导体的两端温差为1 时所产生的温差电势。时所产生的温差电势。10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应热电偶的热电势如图所示，可表示为热电偶的热电势如图所示，可表示为)3 .10(),(),()()(),(0A0B0

8、ABAB0ABTTETTETETETTETTTNNeTTKTTE0d)(ln)(),(BABA00AB所以所以BAABln)(NNeKTTETTTTTE0d),(A0A由于由于 当当TT0或或AB时，时，EAB( (T, ,T0) )0。EAB( (T, ,T0) )是是T和和T0的函数，必须固定参比端的函数，必须固定参比端( (冷端冷端) )的温度的温度T0，才能确定热电势与被才能确定热电势与被测温度测温度T的对应关系。目前统一的对应关系。目前统一规定在规定在T00 的条件下，给出的条件下，给出被测温度被测温度与热电势的与热电势的数值对照表，即分度表。数值对照表，即分度表。10.1.1 基本

9、原理及热电效应基本原理及热电效应TTTNNeTTKTTE0d)(ln)(),(BABA00AB10.1 热电偶传感器热电偶传感器10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 1. .匀质导体定律匀质导体定律 由同一种匀质导体或半导体组成的闭合回路由同一种匀质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，不论其各处的温中

10、，不论其截面积和长度如何，不论其各处的温度分布如何，都不能产生热电势，这就是度分布如何，都不能产生热电势，这就是匀质导匀质导体定律体定律。 由此定律可以得出以下结论由此定律可以得出以下结论10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 ( (1) )热电偶必须由两种热电偶必须由两种不同的匀质材料制成。不同的匀质材料制成。此时热电势的大小只与热电极材料及两个结点的此时热电势的大小只与热电极材料及两个结点的温度有关，而与热电极的截面及温度分布无关。温度有关，而与热电极的截面及温度分布无关。 ( (2) )此定律可用来检验热电极材料是否为匀质此定律可用来检验热电极材料是否为匀质材料。若组成回路的材料

11、不均匀，只要存在温差材料。若组成回路的材料不均匀，只要存在温差即有热电势输出。即有热电势输出。10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 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金属导体，只要该金在热电偶回路中接入第三种金属导体，只要该金属导体属导体C与金属导体与金属导体A、B的两个结点处在同一温度，的两个结点处在同一温度，则此导体对于回路总的热电势没有影响，称为则此导体对于回路总的热电势没有影响，称为中间导中间导体定律体定律。10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 证明：如图所示，热电偶回路接入中间导体证明：如图所示，热电偶回路接入中间导体C后后的热电势为的热电

12、势为),(),(),()()()(),(00C0B0A0CA0BCAB0ABCTTETTETTETETETETTE10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律所以所以)(lnlnln)()(0ABAB0AC0CB00CA0BCTENNeKTNNeKTNNeKTTETE , 0),(00CTTE),(),()()(),(0B0A0ABAB0ABCTTETTETETETTEBAABln)(NNeKTTE由由得得又因为又因为),(),(),()()()(),(00C0B0A0CA0BCAB0ABCTTETTETTETETETETTE),(),( 0A0ATTETTE10.1.2 热电偶的基本定律热

13、电偶的基本定律 将此式与式将此式与式( (10. .3) )比较比较)4 .10(),(),(0AB0ABCTTETTE)3 .10(),(),()()(),(0A0B0ABAB0ABTTETTETETETTE得得),(),()()(),(0B0A0ABAB0ABCTTETTETETETTE10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 此定律具有特别重要的实用意义此定律具有特别重要的实用意义，因为利用热，因为利用热电偶测温时必须接入仪表电偶测温时必须接入仪表( (第三种材料第三种材料) )，根据此定，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致，仪表的接律，只要仪表两接入点的温度保持一致，仪表

14、的接入就不会影响热电势。而且入就不会影响热电势。而且A、B结点的焊接方法也结点的焊接方法也可以是任意的可以是任意的。 根据此定律，除了可以在热电偶测温回路中接根据此定律，除了可以在热电偶测温回路中接入各种类型的显示仪表或调节器外，也可以推广到入各种类型的显示仪表或调节器外，也可以推广到对液态金属材料和固态金属材料表面的温度测量。对液态金属材料和固态金属材料表面的温度测量。10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 可以可以将热电极将热电极A和和B直接焊在固体金属表面上或直接焊在固体金属表面上或插入液态金属。例如用热电偶连续测量铁水的温度。插入液态金属。例如用热电偶连续测量铁水的温度。在连续

15、测量过程中，热电极不断地被铁水熔掉，而根在连续测量过程中，热电极不断地被铁水熔掉，而根据这个定律，就不需要先焊接了。据这个定律，就不需要先焊接了。 T0AB金属壁面M连接管热电偶液态金属M10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 3. .连接导体定律和中间温度定律连接导体定律和中间温度定律 在热电偶回路中，若热电极在热电偶回路中，若热电极A与与B分分别连接导线别连接导线a、b，结点温度分别为，结点温度分别为T、Tn和和T0。则回路的总热电势。则回路的总热电势EABba( (T, ,Tn, ,T0) )等于热电偶的热电势等于热电偶的热电势EAB( (T, ,Tn) )与连接导与连接导线的热

16、电势线的热电势Eab( (Tn, ,T0) )之和，这就是之和，这就是连接连接导体定律导体定律，可表示，可表示为为)5 .10(),(),(),(0nabnAB0nABbaTTETTETTTET0.ABT.ABTn.abTnTT010.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 当当A和和a，B和和b的材料分别相同时，其各结点的的材料分别相同时，其各结点的温度仍为温度仍为T，Tn和和T0时，总热电势由上式可得时，总热电势由上式可得 )6 .10(),(),(),(),(0AB0nABnAB0nABTTETTETTETTTE这就是这就是中间温度定律中间温度定律。它表明结点温度为。它表明结点温度为T

17、和和T0的热的热电偶，其热电势等于结点温度分别为电偶，其热电势等于结点温度分别为T和和Tn( (中间温中间温度度) )，及，及Tn和和T0两支同性质热电偶热电势的代数和。两支同性质热电偶热电势的代数和。)5 .10(),(),(),(0nabnAB0nABbaTTETTETTTE10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 中间温度定律也有重要的应用中间温度定律也有重要的应用。热电偶的分度。热电偶的分度表均是以参比端表均是以参比端T00 为标准的，而热电偶在实为标准的，而热电偶在实际使用时其参比端温度不是际使用时其参比端温度不是0 ，一般是高于，一般是高于0 的某个数值，如的某个数值，如Tn

18、20 ，此时可根据公式，此时可根据公式( (10.6) )来修正热电势，从而得到被测温度。来修正热电势，从而得到被测温度。ABACCBTTTT0T0T010.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律 4. .参考电极定律参考电极定律( (标准电极定律标准电极定律) ) 如果两种导体如果两种导体A、B分别与第三种导体分别与第三种导体C组成的组成的热电偶所产生的热电势是已知的，则这两种导体所热电偶所产生的热电势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电势也是已知的，且组成的热电偶的热电势也是已知的，且0BC0AC0AB,TTETTETTE 根据此定律，可以给出根据此定律，可以给出所有热电偶材料与标

19、准电极所有热电偶材料与标准电极的热电势，方便热电偶电极的热电势，方便热电偶电极的选配。的选配。10.1 热电偶传感器热电偶传感器10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 1. .热电偶材料热电偶材料 热电偶的热电极材料应满足以下要求热电偶的热电极材料应满足以下要求 物理、化学性能稳定；物理、化学性能稳定；

20、测温范围宽；测温范围宽； 热电性能好；热电性能好； 电阻温度系数小；电阻温度系数小； 热容量小；热容量小； 有良好的机械加工性能等。有良好的机械加工性能等。10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 完全满足上述条件的材料很难找到，故一般只完全满足上述条件的材料很难找到，故一般只能根据被测温度的范围，选择适当的热电极材料。能根据被测温度的范围，选择适当的热电极材料。目前热电极材料有金属、非金属和半导体几大类。目前热电极材料有金属、非金属和半导体几大类。金属中又分为廉价金属、贵金属和难熔金属等。常金属中又分为廉价金属、贵金属和难熔金属等。常见的热电偶材料有：康铜、见的热电偶材

21、料有：康铜、Cu、Fe、W、NiCr、NiAl、Ni、Pt、PtRh、Ag等。等。 10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 2. .热电偶的分类热电偶的分类 热电偶分为热电偶分为标准化标准化与与非标准化非标准化两大类。两大类。 ( (1) )标准化热电偶标准化热电偶 标准化热电偶是指国家标准标准化热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度关系及允许误差，并有统一规定了其热电势与温度关系及允许误差，并有统一标准标准分度表分度表的热电偶。的热电偶。 目前在国际上被公认比较好的热电偶材料只有目前在国际上被公认比较好的热电偶材料只有几种。国际电工委员会几种。国际电工委员会( (IE

22、C) )向世界各国推荐向世界各国推荐8种标种标准化热电偶。我国已采用准化热电偶。我国已采用IEC标准生产热电偶，并标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。按标准分度表生产与之相配的显示仪表。10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 PtRh10- -Pt热电偶。这是热电偶。这是贵金属热电偶贵金属热电偶。正极。正极是由是由质量分数质量分数为为90 %的的Pt和和10 %的的Rh制成的合金制成的合金丝，负极为纯丝，负极为纯Pt丝。可用于较高的温度，能长时间丝。可用于较高的温度，能长时间在在01300 中工作，短时间可测到中工作，短时间可测到1600 。 NiCr

23、- -NiSi( (NiCr- -NiAl) )热电偶热电偶。这是这是廉价金廉价金属热电偶属热电偶。正极是。正极是NiCr合金，其成分为合金，其成分为Ni( (89 %) )，Cr( (10 %) )，Fe( (1 %) )；负极是；负极是NiSi合金。可长时间合金。可长时间在在900 使用，短时间可以用到使用，短时间可以用到1200 。10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 铜铜- -康铜热电偶康铜热电偶。它在低温下使用较普它在低温下使用较普遍。其正极为纯遍。其正极为纯Cu，负极为，负极为CuNi合金。铜合金。铜- -康铜价格低廉，可测康铜价格低廉，可测200 的低温

24、，一般的低温，一般测量上限测量上限300 。是常用的。是常用的低温热电偶低温热电偶。10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 ( (2) )非标准化热电偶非标准化热电偶 常见的有常见的有 W- -Mo热电偶。具有较高的熔点，可测量高热电偶。具有较高的熔点，可测量高达达2200 的温度。在的温度。在1200 以上的一段温区才出现以上的一段温区才出现热电势与温度的线性对应关系，故只能用于热电势与温度的线性对应关系，故只能用于13002200 的高温测量。的高温测量。 W- -Re系热电偶。常用的是系热电偶。常用的是WRe5- -WRe20热电热电偶。最高温度可达偶。最高温度可

25、达26003000 。10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 Ir- -Rh系热电偶。最常用的是系热电偶。最常用的是IrRh40- -Ir热热电偶。测量温度可达电偶。测量温度可达2200 。 10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构常用热电偶的热电特性如图所示常用热电偶的热电特性如图所示10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 3. .热电偶的结构热电偶的结构 ( (1) )普通型热电偶普通型热电偶 普普通型结构热电偶在工业上使通型结构热电偶在工业上使用最多，它一般由热电极、用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒绝缘

26、套管、保护管和接线盒组成，如图所示。主要用于组成，如图所示。主要用于测量气体，蒸气和液体等介测量气体，蒸气和液体等介质的温度。质的温度。接线柱垫圈导线引出孔安装螺纹瓷器绝缘管热电偶芯线保护管10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 ( (2) )铠装热电偶铠装热电偶 它是把热电偶丝、绝缘材料和它是把热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者组成一个整体，并经复合拉伸而金属保护套管三者组成一个整体，并经复合拉伸而成的组合热电偶。外径一般成的组合热电偶。外径一般18 mm，最小可达，最小可达0.2 mm，长度，长度120 m。特点是：动态响应快，热容量。特点是：动态响应快，热容量小

27、，强度高，可挠性好，便于安装。小，强度高，可挠性好，便于安装。10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 ( (3) )薄膜热电偶薄膜热电偶 其形状可分为片状、针状等，其形状可分为片状、针状等，它是利用真空镀膜、化学涂层和电泳等方法，将两种它是利用真空镀膜、化学涂层和电泳等方法，将两种热电极材料直接蒸镀热电极材料直接蒸镀( (或沉积或沉积) )于绝缘的基片上而制成于绝缘的基片上而制成的，图示为片状薄膜热电偶。特点是热容量小，动态的，图示为片状薄膜热电偶。特点是热容量小，动态响应快，可直接贴附于被测表面，测量方便而迅速。响应快，可直接贴附于被测表面，测量方便而迅速。10.1.

28、3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构 ( (4) )表面热电偶表面热电偶 它是一种专门用来测量各种固它是一种专门用来测量各种固体表面温度的热电偶，可根据需要自行设计、加工体表面温度的热电偶，可根据需要自行设计、加工和安装使用。和安装使用。 ( (5) )快速热电偶快速热电偶 又称为消耗热电偶，它是专门又称为消耗热电偶，它是专门为测量钢水、铝水、铜水及熔融合金的温度而设计为测量钢水、铝水、铜水及熔融合金的温度而设计的，主要特点是可直接插入液态金属中进行测量。的，主要特点是可直接插入液态金属中进行测量。10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构10.1 热电偶传

29、感器热电偶传感器10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线 在实际使用中若冷端不能保持在在实际使用中若冷端不能保持在0 或冷端温度或冷端温度随环境变化，将引入测量误差。这就必须对热电偶的随环境变化，将引入测量误差。这就必须对热电偶的冷端冷端( (参比端参比端) )进行温度补偿。参比端形式如表所示。进行

30、温度补偿。参比端形式如表所示。参比端参比端形形 式式冰点式冰点式常用的冰点瓶是在保温瓶内盛满冰水混合物。常用的冰点瓶是在保温瓶内盛满冰水混合物。电子式电子式利用半导体制冷的原理，冷却密封的水槽，从而利用半导体制冷的原理，冷却密封的水槽，从而把参考端温度保持在把参考端温度保持在0 0 ，体积小，操作简单。，体积小，操作简单。恒温槽式恒温槽式利用温度调节器将温度恒定。如果它的温度不是利用温度调节器将温度恒定。如果它的温度不是0 0 ，要用其他温度计测出其温度并进行修正。，要用其他温度计测出其温度并进行修正。补偿式补偿式利用不平衡电桥进行补偿，又称补偿电桥法。利用不平衡电桥进行补偿，又称补偿电桥法。

31、室温式室温式无参比端恒定装置，或将参比端置于油中利用油无参比端恒定装置，或将参比端置于油中利用油的惰性使参比端温度保持一致及接近室温。的惰性使参比端温度保持一致及接近室温。10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线 1. .热电偶冷端补偿方法热电偶冷端补偿方法 ( (1) )冰浴法冰浴法 把冷把冷端放在盛有绝缘油的试端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入管中，然后再将其放入装满冰水混合物的保温装满冰水混合物的保温容器中，可使冷端容器中，可使冷端T0保保持在持在0 。现已有半导。现已有半导体制冷器件。体制冷器件。10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补

32、偿方法与补偿导线 ( (2) )计算修正法计算修正法 当热电偶冷端温度当热电偶冷端温度T00 时，时，可用下面公式对热电势进行修正。可用下面公式对热电势进行修正。)7 .10()0 ,(),()0 ,(0AB0ABABTETTETE式中，式中，EAB( (T, ,0) )为测量端温度为为测量端温度为T、冷端温度为、冷端温度为T0时时经修正后的热电势经修正后的热电势；EAB( (T, ,T0) )为测量端温度为为测量端温度为T、冷端温度为冷端温度为T0( (0 ) )时时实际测量得到的热电势实际测量得到的热电势；EAB( (T0, ,0) )为测量端温度为为测量端温度为T0、冷端温度为、冷端温度

33、为0 时的时的热电势，即冷端温度不为热电势，即冷端温度不为0 时的时的热电势修正值热电势修正值。10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线 例例10. .1 利用利用PtRh- -Pt热电偶热电偶( (S型型) )测温时，设测测温时，设测量得到量得到T020 ，EAB( (T, ,T0) )7.322 mV，求求T。 解解 查查PtRh- -Pt热电偶热电偶S分度表，可得分度表，可得EAB( (20, ,0) ) 0.113 mV，根据式，根据式( (10.7) )有有 EAB( (T, ,0) )EAB( (T, ,T0) )EAB( (T0, ,0) ) 7.3

34、22 mV0.113 mV 7.435mV 反查分度表，可得反查分度表，可得T808.3 。10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线 ( (3) )仪表机械零点调整法仪表机械零点调整法 现场测量中，如不现场测量中，如不需要很精确，或热电偶冷端温度需要很精确，或热电偶冷端温度T0较为稳定，则较为稳定，则可将显示仪表的机械零点预先调整到可将显示仪表的机械零点预先调整到T0( (按温度刻按温度刻度的度的) )，或者，或者EAB( (T0, ,0)()(按毫伏刻度的按毫伏刻度的) )。 ( (4) )补偿电桥法补偿电桥法 利用不平衡电桥产生的电压利用不平衡电桥产生的电压来

35、补偿热电偶冷端温度变化引起的热电势变化。来补偿热电偶冷端温度变化引起的热电势变化。如下图所示。如下图所示。10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线 电桥四个桥臂与冷端处电桥四个桥臂与冷端处于同一温度，其中于同一温度，其中R1R2R3为为温度系数非常小的锰铜温度系数非常小的锰铜电阻电阻，R4为铜导线绕制的补为铜导线绕制的补偿电阻，偿电阻，R为限流电阻，其为限流电阻，其阻值与热电偶型号及温度补阻值与热电偶型号及温度补偿范围有关。偿范围有关。10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线 适当适当选择阻值，使得热电选择阻值，使得热电偶冷端温度为偶

36、冷端温度为T0时电桥平衡，时电桥平衡，Uba0。当冷端温度升高时。当冷端温度升高时R4阻值随之增大，电桥产生不平阻值随之增大，电桥产生不平衡输出电压衡输出电压Uba。若。若Uba的增量的增量等于热电势等于热电势Et的减小量，则回的减小量，则回路总电势路总电势UBA的值就不会随热的值就不会随热电偶电偶冷端温度冷端温度的变化而变化。的变化而变化。 10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线 2. .补偿导线补偿导线 补偿导线的使用是补偿导线的使用是以热电偶连接导体定律为依以热电偶连接导体定律为依据据的。的。补偿导线是指在一定的温度范围内，其热电补偿导线是指在一定的温度范

37、围内，其热电性能与其相应热电偶的热电性能十分匹配的一种廉性能与其相应热电偶的热电性能十分匹配的一种廉价导线价导线。使用方法如下图所示。使用方法如下图所示。10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线 补偿导线的作用：用廉价补偿导线作为贵金属热补偿导线的作用：用廉价补偿导线作为贵金属热电偶的延长线，以节约贵金属热电偶；电偶的延长线，以节约贵金属热电偶；将热电偶的冷将热电偶的冷端迁移到离被测对象较远且环境温度较恒定的地方端迁移到离被测对象较远且环境温度较恒定的地方，这样有利于冷端温度的修正和测量误差的减小。这样有利于冷端温度的修正和测量误差的减小。 10.1 热电偶传感器

38、热电偶传感器10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路+10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路 1. .工业用热电偶测温电路工业用热电偶测温电路 一般与一般与动圈表动圈表( (左图左图) )或或电子电位差计电子电位差计( (右图右图) )配配套使用。套使用。10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路 2. .实验室用热电偶测温电路实验室用热电偶测温电路 在科学研究、

39、计量检定等场合，热电偶冷端补偿在科学研究、计量检定等场合，热电偶冷端补偿采用冰浴法，并与电位差计配套使用。通常的做法是采用冰浴法，并与电位差计配套使用。通常的做法是用冰点槽将冷端恒定在用冰点槽将冷端恒定在0 ，然后用，然后用UJ系列电位差计系列电位差计测量热电势。测量热电势。10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路 3. .利用热电偶测量两点之间温差的连接电路利用热电偶测量两点之间温差的连接电路 用两支相同型号热电偶及配用相同的补偿导用两支相同型号热电偶及配用相同的补偿导线，可以测量两点之间的温差，如图所示。线，可以测量两点之间的温差，如图所示。 上述连接方法测量上述连接方法测量温差时，温差

40、时，要求热电偶热要求热电偶热电特性的线性要好电特性的线性要好，且，且应尽量使应尽量使T1和和T2处于线处于线性误差小于规定值的温性误差小于规定值的温度范围内。度范围内。10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路 4. .利用热电偶测量平均温度时的连接电路利用热电偶测量平均温度时的连接电路 图中图中A1、B1和和A2、B2为两支型号相同的热电为两支型号相同的热电偶。等效电路如右图所示。偶。等效电路如右图所示。R1R2E1E2I1I2A1A2B1B2T1T2E mV+R1E1R2E2+-EI21122122212122RRREREERRREEEIRE令令R1R2，则，则）（平均12.102),()

41、,(022011TTETTEER1E1R2E2+-EI10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路 若若T1和和T 2处于热电偶热电特性的线性区间，且处于热电偶热电特性的线性区间，且热电偶回路内阻热电偶回路内阻R1和和R2相同，则可求得两个测量点相同，则可求得两个测量点的平均温度。也可用类似方法测量多个点的平均温的平均温度。也可用类似方法测量多个点的平均温度。为了保证热电偶回路内阻尽量相同，可以分别度。为了保证热电偶回路内阻尽量相同，可以分别串入电阻值较大的电阻。串入电阻值较大的电阻。10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路5. .多点测温电路多点测温电路10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温

42、电路),(),(),(),(),(4140010401ttEttEttEttEttEE 6. .热电偶典型测温线路热电偶典型测温线路 图图( (a) )为普通测温线路；图为普通测温线路；图( (b) )为带有补偿器的为带有补偿器的测温线路；图测温线路；图( (c) )为具有温度变送器的测温线路；为具有温度变送器的测温线路；图图( (d) )为具有一体化温度变送器的测温线路。为具有一体化温度变送器的测温线路。10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路 7. .热电偶串、并联线路热电偶串、并联线路 图图( (a) )为为正向串联正向串联；图图( (b) )为为反向串联反向串联；图图( (c) )为

43、为并联。并联。显 示 仪 表 t0t0t0t0t0E1E2E3En显 示 仪 表显 示 仪 表 (a)(b)(c)10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路10.1 热电偶传感器热电偶传感器10.1.1 基本原理及热电效应基本原理及热电效应10.1.2 热电偶的基本定律热电偶的基本定律10.1.3 热电偶的材料、分类与结构热电偶的材料、分类与结构10.1.4 热电偶冷端补偿方法与补偿导线热电偶冷端补偿方法与补偿导线10.1.5 热电偶测温电路热电偶测温电路第第10章章 热电式传感器热电式传感器10.1 热电偶传感器热电偶传感器10.2 热电阻传感器热电阻传感器10.3 热敏电阻热敏电阻10.4

44、 PN结型温度传感器结型温度传感器10.5 热电式传感器应用举例热电式传感器应用举例10.2 热电阻传感器热电阻传感器 利用电阻随温度的变化而变化的物理现象制成利用电阻随温度的变化而变化的物理现象制成的热电式传感器称为的热电式传感器称为热电阻传感器热电阻传感器。 和热电偶相比：和热电偶相比：同样温度下，输出信号大，同样温度下，输出信号大，易于测量。易于测量。0100 ，K型热电偶输出型热电偶输出4.095 mV；Pt热电阻电阻变化热电阻电阻变化39.1 W W。热电阻输出的是电阻热电阻输出的是电阻增量，热电偶输出的是电动势。增量，热电偶输出的是电动势。热电偶不需外加热电偶不需外加电源，热电阻需

45、要。电源，热电阻需要。热电阻感温部分尺寸大，热热电阻感温部分尺寸大，热电偶小。电偶小。同类材料热电阻测温上限小。同类材料热电阻测温上限小。10.2 热电阻传感器热电阻传感器10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构10.2.2 热电阻的结构及测量电路热电阻的结构及测量电路10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构 1. .热电阻工作原理热电阻工作原理 热电阻是利用物质热电阻是利用物质( (一般为纯金一般为纯金属属) )的电阻随温度变化并呈一定函数的电阻随温度变化并呈一定函数关系的特性，制成温度传感器来进行关系的特性，制成温度传感器来进行测温的。一

46、般结构如图所示。将铂丝测温的。一般结构如图所示。将铂丝绕在有锯齿的云母骨架上，构成感温绕在有锯齿的云母骨架上，构成感温元件，用银导线作为引出线与显示仪元件，用银导线作为引出线与显示仪表连接。表连接。10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构 如图所示为如图所示为WZ系列热系列热电阻，是电阻，是工业用热电阻工业用热电阻，作，作为温度测量传感器，通常和为温度测量传感器，通常和显示仪表配套，直接测量各显示仪表配套，直接测量各种生产过程中种生产过程中0850 C范范围内液体、蒸气和气体介质围内液体、蒸气和气体介质以及固体表面等温度。以及固体表面等温度。10.2.1 热电阻的工作

47、原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构 2. .常用热电阻材料常用热电阻材料 ( (1) )对热电阻材料的要求对热电阻材料的要求 具有较大的电阻率及较高的电阻温度系数，具有较大的电阻率及较高的电阻温度系数，以便有较高的灵敏度和测量精度；以便有较高的灵敏度和测量精度； 在使用范围内，物理、化学性能稳定；在使用范围内，物理、化学性能稳定； 电阻与温度关系特性好。电阻与温度的函数电阻与温度关系特性好。电阻与温度的函数呈单值函数呈单值函数( (最好是呈线性关系最好是呈线性关系) )；对同一种材料，；对同一种材料，其复制性要好，以便批量生产。其复制性要好，以便批量生产。10.2.1 热电阻的工作原理及

48、材料结构热电阻的工作原理及材料结构 ( (2) )常用热电阻材料常用热电阻材料 Pt热电阻。其物理与化学性能都非常稳定，即热电阻。其物理与化学性能都非常稳定，即使是在高温和氧化介质中也是如此。此外，使是在高温和氧化介质中也是如此。此外，Pt容易提容易提纯，保证它具有非常好的重现性能，并有高的测量精纯，保证它具有非常好的重现性能，并有高的测量精度。度。Pt还具有较大的电阻率还具有较大的电阻率( (r r0.1 W W mm2/ /m) )和高和高的熔化温度的熔化温度( (1772 ) )，因此体积可做得较小，测温范，因此体积可做得较小，测温范围也比较宽。在高精度的工业测量及计量检定中得到围也比较

49、宽。在高精度的工业测量及计量检定中得到了广泛的应用，通常用作标准热电阻。了广泛的应用，通常用作标准热电阻。10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构Pt电阻的电阻值和温度的关系在电阻的电阻值和温度的关系在1900 之间之间为为 )13.10()100(1 320TTCBTATRRT在在0630.74 之间为之间为 )14.10(1 20BTATRRT式中，式中，R0、RT为为0 、T 时的电阻；时的电阻；A、B、C为分为分度系数，度系数，C4.221012( (1/ /) )4。 10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构 要确定电阻要确定电阻R

50、T与温度与温度T的关系，首先要确定的关系，首先要确定R0的的值，值，R0称为称为热电阻的标称值热电阻的标称值。目前。目前Pt热电阻标称值有热电阻标称值有10 W W及及100 W W两种。一般测温场合下可略去两种。一般测温场合下可略去B、C的影的影响，则响，则RTR0( (1AT) )，即，即Pt电阻的电阻电阻的电阻温度特性温度特性接近线性。由于接近线性。由于Pt为贵金属，在测量精度要求不高和为贵金属，在测量精度要求不高和测量范围较小时，大多采用测量范围较小时，大多采用Cu电阻。电阻。10.2.1 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构 Cu热电阻。热电阻。Cu价格低廉，容易提纯