《热电传感技术》PPT课件.ppt

第4章 热电传感技术,本章学习要求：,1.了解热电传感技术的基本原理 2.掌握热敏电阻、热电开关、铂电阻 铜电阻、热电偶、温敏二极管、温敏三极管、集成温度传感器等的 结构、特性及使用方法,4.1 概述,4.1.1 温度与温标 温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农业生产、科学试验中需要经常测量和控制的主要参数。温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说，互为热平衡的两物体，其温度相等。温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。,温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量.用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标.,温标,1.经验温标经验温标的基础是利用物质体膨胀与温度的关系。认为在两个易于实现且稳定的温度点之间所选定的测温物质体积的变化与温度成线性关系。把在两温度之间体积的总变化分为若干等分，并把引起体积变化一份的温度定义为1度。经验温标与测温介质有关，有多少种测温介质就有多少个温标。按照这个原则建立的有摄氏温标、华氏温标。,华氏温标：标准仪器是水银温度计，按照华氏温标，水的冰点为32oF，沸点是212oF。分成180份，对应每份的温度为1华氏度，单位为“oF”。摄氏温标：所用标准仪器是水银玻璃温度计。分度方法是规定在标准大气压力下，水的冰点为零度，沸点为100度，水银体积膨胀被分为100等份，对应每份的温度定义为1摄氏度，单位为“oC”摄氏温度和华氏温度的关系为,2.热力学温标,热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度;水的三相点，即液体、固体、气体状态的水同时存在的温度，为273.16K，水的凝固点，即相当摄氏温标0，相当华氏温标32的开氏温标为273.15K。热力学温标（符号为T）它的单位为开尔文（符号为K）。,4.1.2 测温方法与测温仪器的分类,按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非接触式两大类。1)接触式测温 接触式的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。优点：直观可靠。缺点：是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。,2)非接触式测温 非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点。具有较高的测温上限；热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。,测温仪器,对应于两种测温方法，测温仪器亦分为接触式和非接触式两大类。接触式仪器又可分为:膨胀式温度计(包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计)电阻式温度计(包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计)热电式温度计(包括热电偶和P-N结温度计)以及其它原理的温度计。非接触式温度计又可分为辐射温度计、亮度温度计和比色温度计，由于它们都是以光辐射为基础，故也统称为辐射温度计。,按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中温、高温和超高温温度测量。超低温一般是指010K，低温指10800K，中温指8001900K，高温指19002800K的温度，超高温是指2800K以上的温度。,常用测温方法,温度,分类:,应用:,测温,接触测温,非接触测温,热辐射测温,热传导测温,压电效应,热阻效应,热电势效应,金 属,热电阻,半导体,热敏电阻,热电偶,温 度传感器,压电陶瓷（热释电效应）,敏感元件,电参数,光电效应,红外温度传感器、光纤温度传感器,热电阻,电涡流传感器,PN结热电效应,热敏二极管/三极管、集成温度传感器,工作原理：,标定,对温度计的标定，有标准值法和标准表法两种方法：标准值法就是用适当的方法建立起一系列国际温标定义的固定温度点(恒温)作标准值，把被标定温度计(或传感器)依次置于这些标准温度值之下，记录下温度计的相应示值(或传感器的输出)，并根据国际温标规定的内插公式对温度计(传感器)的分度进行对比记录，从而完成对温度计的标定；被标定后的温度计可作为标准温度计来测温度。,标准表法：把被标定温度计(传感器)与已被标定好的更高一级精度的温度计(传感器)，紧靠在一起，共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调节到所选择的若干温度点，比较和记录两者的读数，获得一系列对应差值，经多次升温，降温、重复测试，若这些差值稳定，则把记录下的这些差值作为被标定温度计的修正量，就成了对被标定温度计的标定。,4.2 热敏电阻,热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。,材料：,钴、锰、镍等金属氧化物按不同比例的配方，经高温烧结而成,4-1,热敏电阻外形,MF12型 NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,其他形式的热敏电阻,玻璃封装 NTC热敏电阻,MF58 型热敏电阻,其他形式的热敏电阻,带安装孔的热敏电阻,大功率PTC热敏电阻,其他形式的热敏电阻（续）,贴片式NTC热敏电阻,热敏电阻温度面板表,热敏电阻,LCD,热敏电阻体温表,热敏电阻用于CPU的温度测量,热敏电阻用于电热水器的温度控制,特点：,（1）温度系数大 灵敏度高（为热电阻10100倍）,（2）结构简单坚固，体积小 能承受较大的冲击、振动；可以测 量点温度,（3）电阻率高、热惯性小，响应速度快 适于动态测温,（4）易于维护、使用寿命长 适于现场测温,（7）互换性差，非线性严重，精度低,（6）成本低，应用广泛,（5）很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时几乎 无需考虑连线电阻的影响；,（8）对自热误差较敏感，电流过大会产生自热；（9）除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0150 范围，使用时必须注意。,广泛应用于需要进行温度控制的一切领域，如温度测量、温度控制、温度补偿、液面测定、气压测定、火灾报警、气象探空、开关电路、过荷保护、脉动电压抑制、时间延迟、稳定振幅、自动增益调整、微波和激光功率测量等等,热敏电阻温度特性,热敏电阻按其电阻随温度变化的特性分为三类：负温度系数热敏电阻（NTC，Negative Temperature Coefficient），它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系；多用于温度测量和补偿正温度系数热敏电阻（PTC，Positive Temperatule Coeffic），用于恒温、加热控制或温度开关临界温度系数热敏电阻(CTR，Critical Temperature Resistor)，当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降。用于温度开关,各种热敏电阻的温度特性,12345,输出特性线性化处理,由于热敏电阻特性的严重非线性，扩大测温范围和提高精度必须进行补偿校正。,解决办法：对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串或并联构成电阻网络(常称为线性化网络)代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系。利用微机可实现较宽温度范围内线性化校正的方案。,图中热敏电阻Rt与补偿电阻Rx 串联,串联后的等效电阻R=Rt+Rx，只要Rx 的阻值选择适当，可使温度在某一范围内与电阻的倒数成线性关系，所以电流I与温度T成线性关系。,串联补偿电路,并联补偿电路,图中热敏电阻Rt与补偿电阻Rx并联，其等效电阻R=Rt/Rx。由图可知，R与温度的关系曲线便显得比较平坦。因此可以在某一温度范围内得到线性的输出特性。,热敏电阻器的应用 日本Shibaura Electronics Co,Ltd.的市场分析表明，家用电器，如空调、微波炉、电饭煲、热水器、烘拷面包设备和电池充电器等用的热敏电阻器占公司总热敏电阻器销售量的58。第二位是信息处理和办公设备占21。用于汽车空凋，冷却系统的热敏电阻器占9。高精度的热敏电阻器可用于激光打印机、普通纸复印机探测固定色剂滚形加热器的表面温度。使用热敏电阻器可根据室温调整电流，使墨水喷射印刷机的墨水保持最佳温度。为了耐高温，结构牢固，日本Shibaura Electronics Co.Ltd.的热敏电阻器采用耐热、耐腐蚀的玻璃及高密度的陶瓷片，承受350的高温，可用于汽车及加热器。工作环境温度达500的热敏电阻器可用于汽车的废气循环系统。,热敏电阻的应用,应用实例：基于热敏电阻的电机过热保护器：,Rt1 Rt2 Rt3：热敏电阻(NTC)，安装在三相绕组附近,温度低时：电阻高 三极管不导通 继电器不吸合 电机运行,温度高时：电阻低 三极管导通 继电器吸合 电机停止,4.2 热电开关,热电开关是采用两种不同特性材料（如金属片热膨胀或陶铁磁体热磁性）构成的热敏传感器，该传感器具有温控开关特性。热电开关有双金属片式和陶铁磁体式两种。主要用于电饭锅、电熨斗、电炉、电热水器等的恒温控制器等。,4.2.1 双金属片式热电开关,固体长度随温度变化的情况可用下式表示：基于固体受热膨胀原理，测量温度通常是把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起，构成双金属片感温元件当温度变化时，因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片产生弯曲变形。下图是双金属温度计原理图：,双金属温度计原理图,双金属片热电开关的类型,常开式 指两个触头的接点在没有达到规定温度时是断开的。常闭式指两个触头的接点在没有达到规定温度时是闭合的。简易式蝶式结构类型多种形式，工作原理是“常开式”和“常闭式”两种。,为了满足不同用途的要求，双金属元件制成各种不同的形状。,应用实例,用电熨斗熨衣服，若温度过高会烫坏衣服，而且对于不同的衣料，熨衣时所需温度也不同，因此需要调温装置。图1是电熨斗调温原理示意图。电熨斗调温电路主要组件是双金属片，电熨斗工作时，动、静触点接触，电热组件通电发热。当温度达到选定温度时，双金属片受热下弯，使动触点离开静触点，自动切断电源；当温度低于选定温度时，双金属片复原，两触点闭合。再接通电路，通电后温度又上升，达到选定温度时又再断开，如此反复通断，就能使熨斗的温度保持在一定范围内。通过调节螺丝选定温度的高低，越往下旋，静触点越下移，选定的温度就越高。,陶铁磁体式热电开关,陶铁磁体式热电开关主要由硬磁、软磁、动作弹簧、抵紧弹簧、拉杆、杠杆、触点、操作按键等组成。硬磁主要由碳酸锶（SrCO3）14%和三氧化二铁（Fe2O3）86%组成。软磁主要由氧化镍（NiO）11%、氧化锌（ZnO）22%和三氧化二铁（Fe2O3）67%组成。硬磁材料的居里点温度很高（450），因此它也是永久磁铁。软磁材料的居里点温度较低（139150.)以电饭煲为例说明工作原理。,谁知道电饭锅里从米到饭的全过程?,陶铁磁体式热电开关 电饭锅,构造,工作原理:,(1)开始煮饭时为什么要压下开关按钮?手松开后这个按钮是否会恢复到图示的状态?为什么?(2)煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度?为什么?(3)饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么变化？这时电饭锅会自动地发生哪些动作?(4)如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后自动断电?,(1)开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸（手松开后，按钮不再恢复到图示状态），电路接通，电热丝通电烧饭。,(2)煮饭时水沸腾后锅内是否会大致保持一定的温度?为什么?,(2)水沸腾后,由于锅内保持1000C不变,故感温磁体仍与永磁体相吸,继续加热.故锅内大致保持1000C不变.,工作原理:,4.电饭锅,(3)饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会有什么变化？这时电饭锅会自动地发生哪些动作？,3)饭熟后,水分被大米吸收,锅底温度升高,当温度升至“居里点1030C”时,感温软磁体失去铁磁性,在弹簧作用下,永磁体被弹开,触点分离,切断电源,从而停止加热,工作原理:,4.电饭锅,(4)如果用电饭锅烧水，能否在水沸腾后自动断电?,(4)如果用电饭锅烧水,水沸腾后,锅内保持1000C不变,温度低于“居里点1030C”,电饭锅不能自动断电.只有水烧干后,温度升高到1030C才能自动断电.,工作原理:,4.电饭锅,如何实现保温？用双金属片做保温开关S2。开始烧饭时，按下开关S1，电路接通，电热丝通电烧饭。锅中有水时，饭锅的温度不会超过100；饭熟后，水干了，饭锅温度将超过100。当温度上升到103时，限温开关S1就会自动断开，电路断电，达到自动控温目的。这时温度较高，S2处于断开状态。当温度下降至60时，S2接通；加热至80时，S2又断开。S2的不断开合，使锅内温度保持在60-80之间。,温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。,4.4 热电阻,热电阻分类,按结构分，普通型热电阻、锴装热电阻、薄膜热电阻按用途分，工业用热电阻、精密标准电阻,用于制造热电阻的材料，要求电阻率、电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度的关系最好近于线性，良好的工艺性。适宜制作热电阻的材料有铂、铜、镍、铁等热电阻的特点：热电阻测温的优点是信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。热电阻主要缺点是需要电源激励、有（会影响测量精度）自热现象以及测量温度不能太高。,热电阻材料的特点热电阻材料必须具有以下特点：,热电阻的结构比较简单，一般将电阻丝绕在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘骨架上，经过固定，外面再加上保护套管。但骨架性能的好坏，影响其测量精度、体积大小和使用寿命。,1、热电阻的结构、类型,结构：,出线密封圈,出线螺母,小链,盖,接线柱,密封圈,接线盒,接线座,保护管,绝缘管,引出线,感温元件,工业用,普通（装配式）铂电阻,膜式热电阻,引线,陶瓷基片,条状铂膜,陶瓷铂热电阻,引线,带孔瓷管,铂丝线圈,较强的抗振性响应具有快速性,可提高测温上限,铠装热电阻,4引出线,1金属套管,3绝缘材料,2感温元件,铠装式铂电阻比装配式铂电阻直径小，易弯曲，抗震性好，适宜安装在装配式铂电阻无法安装的场合。铠装式铂电阻外保护套管采用不锈钢，内充满高密度氧化物绝缘体，因此，它具有很强的抗污染性能和优良的机械强度，适合安装在环境恶劣的场合。可直接用铜导线和二次仪表相连接使用。,薄膜型及普通型铂热电阻,小型铂热电阻,防爆型铂热电阻,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,（1）铂热电阻（目前最好材料）铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。铂电阻制成的温度计，主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。按国际温标IPTS-68规定，在-259.34630.73温域内，以铂电阻温度计作基准器。除作温度标准外，还广泛应用于高精度的工业测量。由于铂为贵金属，一般在测量精度要求不高和测温范围较小时，均采用铜电阻。铂易于提纯，在高温和氧化性介质中物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度；制成的铂电阻输出输入特性接近线性。,铂电阻的精度与铂的提纯程度有关,百度电阻比,W（100）越高，表示铂丝纯度越高，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W（100）1.3925目前技术水平已达到W（100）1.3930，工业用铂电阻的纯度W（100）为1.3871.390。,在0850的温度范围内,Rt=R0(1+At+Bt2),在ITS90 中，这些常数规定为,A=3.94010-2/B=-5.8410-7/2 C=-4.2210-12/4,按IEC（International Electrotechnical Commission）标准，铂热电阻的使用温度范围为-200850。铂电阻阻值与温度变化之间的关系（特性方程）为：在-2000的温度范围内,Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100),可见：热电阻在温度t 时的电阻值与0时的电阻值R0有关。目前我国规定工业用铂热电阻有R0=50和R0=100两种，它们的分度号分别为Pt50和Pt100，其中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rt-t的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。,铂电阻分度表,(2)铜热电阻 在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，它的测量范围为-50150。铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为Rt=R0（1+t）=4.2810-3/两种分度号：Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。,铜热电阻的分度表分度号：Cu50,铜热电阻的特点,铜在-50150范围内铜电阻化学、物理性能稳定，电阻温度系数较大，输出输入特性接近线性，价格低廉。缺点：电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定性较差，在100 以上时容易氧化，因此只能用于低温及没有浸蚀性的介质中。,3）其他热电阻,镍使用温度范围是-50100和-50150。但目前应用较少：镍非线性严重，材料提取也困难。但灵敏度都较高，稳定性好，在自动恒温和温度补偿方面的应用较多。（我国定为标准化热电阻）铟电阻适宜在-269-258温度范围内使用，测温精度高，灵敏度是铂电阻的10倍，但是材料软复现性差。锰电阻适宜在-271-210温度范围内使用，灵敏度高，但是材料脆，难拉成丝，易损坏。碳电阻适宜在-273-268.5温度范围内使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但是热稳定性较差。,用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。,2.热电阻的测量电路,内部引线方式,两线制,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附加误差。两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。,热电阻测温电桥的三线连接法,（图中G为指示电表R1、R2、R3为固定电阻、Ra为零位调节电阻）,缺点：零点不稳原因：是可调电阻的接触电阻,考虑温度变化,Rg,热电阻测温电桥的四线连接法,补偿导线,图所示为四线连接法，调零的Rp电位器的接触电阻和指示电表串联，接触电阻的不稳定不会破坏电桥的平衡和正常工作状态。,4.5 热电偶测温,热电偶是工业和设备试验中温度测量应用最多的器件，它的特点是测温范围宽（-1802800）测量精度高性能稳定结构简单、使用方便热惯性小，动态响应较好；输出直接为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。它的工作原理是基于热电效应,（一）热电效应及基本定律 两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成闭合回路，当两个接触点(称为结点)温度t和t0不相同时，回路中既产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。那么热电势的大小为多少呢？以下两者之和：接触电势+温差电势,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,4.5.1 热电偶的工作原理,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,1）两种导体的接触电动势,两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，如果NANB电子密度大的导体A中的电子就向电子密度小的导体B扩散，从而由于导体A失去了电子而具有正电位。相反导体B由于接收到了扩散来的电子而具有负电位。这样在扩散达到动态平衡时A、B之间就形成了一个电位差。这个电位差称为接触电动势。,式中EAB(T)-A、B两种材料在温度为T时的接触电动势；K-玻耳兹曼常数(1.3810-6)；E-电子电荷(1.602189210-19);NA(T)、NB(T)-A、B两种材料在温度T时的自由电子密度。,T端,T0端,两电势方向相反.回路中总的接触电势为：,由式可见，当两结点的温度相同，即T=T0，AB材料相同时回路中总电势将为零。,对单一金属导体，如果两端的温度不同，则两端的自由电子就具有不同的动能。温度高则动能大，动能大的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这一端就处于正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。这样两端就形成了电位差，称为温差电动势。,2）单一导体中的温差电动势,当导体两端的温度分别为T、T0时，温差电势可由下式表示,式中AA导体的汤姆逊系数，对于确定的材料来说是一常数。对于两种金属（或半导体）A、B组成的热电偶回路，汤姆逊电势（单一导体的温差电势）等于它的代数和，即,结点温度同，则温差电势为0；A、B材料同，则温差电势也为0。,两种导体的接触电势（珀尔帖）,单一导体的温差电势（汤姆逊电势）,总的热电势为二者之和。,不用记住，理解即可。,由式可知，热电偶总电动势与电子密度NA、NB及两节点温度T、T0有关，电子密度取决于热电偶材料的特性。当热电偶材料一定时，热电偶的总电动势EAB(T，T0)成为温度T和T0的函数差，即,问：由同一种导体组成的闭合回路能产生热电势吗?,一种导体组成的闭合回路，无论其是否存在温度梯度，均不能产生热电势。公式推导如下：,接触电势与温差电势的性质：,用公式可以证明：,影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关 应注意，如果热电极本身性质为非均匀的，由于温度梯度存在，将会有附加电势产生。两热电极相同时，总电动势为0两接点温度相同时，总电动势为0对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即,eAB(T,T0)=eAB(T)c=f(T),可见：只要测出eAB（T,T0）的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。,小结,热电偶的分度表,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，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。供查阅使用，每10分档。中间值按内插法计算。直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。,假设热电偶的冷端温度为0C，请根据工业中常用的热电偶镍铬-镍硅（K）的分度表，查出100C、0C、100C 时的热电势。,K热电偶的分度表,比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？,S型(铂铑10-铂)热电偶分度表,二、热电偶基本定律,(一)均质导体定律 由均质材料构成的热电偶、热电动势的大小只与材料及结点温度有关。与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极温度分布无关。如材料不均匀、由于温度梯度的存在，将会有附加电动势产生。热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。,（二）中间导体定律 如图所示，将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。,根据中间导体定律，可以用开路热电偶对液态金属或金属壁面测温。,（三）中间温度定律,在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0时热电动势的代数和，即,两端点在任意温度时的热电势为：,证明：,即得：,当T0=0时，有：,其中，Tn称为中间温度。,结论：中间温度定律为制定热电偶得分度表奠定了理论基础。从分度表查出参考端为零度时得热电势，即可求得参考端温度不为零时得热电势。,应用一：该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为0的热电势进行修正。例：用镍铬镍硅热电偶测量炉温时，当冷端温度T030时，测得热电动势E AB(T,T0)=39.17mV，求实际炉温。解：由 T030查分度表得E（30，0）1.2mV，根据中间温度定律得 E(T,0)=E(T,30)+E(30,0)=39.17+1.2=40.37mV查表得炉温 T=946,镍铬一镍硅热电偶分度表（自由端温度为0）,用连接导线的热电偶回路,应用二：热电偶实际测温时，工作端和参考端有时会很长。根据中间温度定律，可以用补偿导线连接加长热电偶。在一定范围内（0-150）补偿导线具有和所连接热电偶相同的热电性质。,在热电偶回路中，如果热电极A、B分别与连接导线A、B 相连接，结点温度分别为T、Tn、T0，那么回路的热电势将等于热电偶的热电势EAB(T,Tn)与连接导线A、B 在温度Tn、T0 时热电势 EA B(T,Tn)的代数和，即,中间温度定律为制定分度表提供了理论依据。,A与A材料相同，B与B 材料相同时有：,补正理论依据,中间温度定律,图8-9 三种导体分别组成的热电偶,三种导体分别组成的热电偶,标准电极,（四）标准电极定律,已知,已知,纯铂丝,如果将导体C(热电极，一般为纯铂丝)作为标准电极(也称参考电极)，并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，则在相同结点温度(T，T0)下，任意两导体A、B组成的热电偶，其热电势可由下式求得：,已知,已知,其中：C为参考电极；,证明：,参考电极定律应用：由于铂丝的理化性能稳定，如果能实验测得各种材料热电极对铂丝的热电特性，就不难推得任意材料间的热电特性。简化了热电偶的选配工作。,例：,解：,热电偶材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于加工制造；足够的机械强度和长的使用寿命；复现性好，便于成批生产。,4.5.3 热电偶的常用材料与结构,国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐8种标准化热电偶（已列入工业标准化文件中，具有统一的分度表）。我国已采用IEC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。,1铂铂铑热电偶(S型)分度号LB3工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。正极：铂铑合金丝,用90铂和10铑(重量比)冶炼而成。负极：铂丝。测量温度：长期：1300、短期：1600。特点：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：实验室或校验其它热电偶。测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵 蚀，需要用保护套管。材料属贵金属，成本较高。热电势较弱。,（一）热电偶常用材料,2镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型)分度号EU2工业用热电偶丝：1.22.5mm，实验室用可细些。正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴冶炼而成)。测量温度：长期1000，短期1300。特点：价格比较便宜，在工业上广泛应用。高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，H2S等气体中易被侵蚀。复现性好，热电势大，但精度不高。,3镍铬考铜热电偶(E型)分度号为EA2工业用热电偶丝:1.22mm，实验室用可更细些。正极：镍铬合金负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。测量温度：长期600，短期800。特点：价格比较便宜，工业上广泛应用。在常用热电偶中它产生的热电势最大。气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变 质，适于在还原性或中性介质中使用。,4铂铑30铂铑6热电偶(B型)分度号为LL2正极：铂铑合金（用70铂，30铑冶炼而成）。负极：铂铑合金（用94铂，6铑冶炼而成）。测量温度：长期可到1600，短期可达1800。特点：材料性能稳定，测量精度高。还原性气体中易被侵蚀。低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。成本高。,几种持殊用途的热电偶（1）铱和铱合金热电偶 如铱50铑铱10钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达2100的高温。（2）钨铼热电偶 是60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围3002000分度精度为1。（3）金铁镍铬热电偶 主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为10V。（4）钯铂铱15热电偶 是一种高输出性能的热电偶，在1398时的热电势为47.255mV，比铂铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。,（6）铜康铜热电偶，分度号MK 热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43V/。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20K473K的低温实验室测量中。,（5）铁康铜热电偶，分度号TK 灵敏度高，约为53V/，线性度好，价格便宜，可在800以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。,（二）常用热电偶的结构类型 1工业用热电偶 下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。,普通装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,2铠装式热电偶（又称套管式热电偶）,断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。,铠装式热电偶断面结构示意图 1 金属套管;2绝缘材料;3热电极(a)碰底型;(b)不碰底型;(c)露头型;(d)帽型,优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命长、测温端热容量小、热惯性小，使用方便、机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂、微小、狭窄场合的装置上。测温范围在1100以下的有：镍铬镍硅、镍铬考铜铠装式热电偶。,铠装型热电偶外形,法兰,铠装型热电偶可 长达上百米,薄壁金属 保护套管（铠体）,铠装型热电偶横截面,3快速反应薄膜热电偶用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.010.lm),4,1,2,3,快速反应薄膜热电偶1热电极;2热接点;3绝缘基板;4引出线,因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁镍、铁康铜和铜康铜三种,尺寸为 6060.2mm;绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300以下；反应时间仅为几ms。,4快速消耗微型热电偶 下图为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为0.050.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可达57。,1,4,2,3,5,6,7,8,9,11,10,快速消耗微型 1刚帽；2石英；3纸环；4绝热泥；5冷端；6棉花；7绝缘纸管；8补偿导线；9套管；10塑料插座；11簧片与引出线,5 隔爆型热电偶外形,厚壁保护管,压铸的接线盒,电缆线,隔爆型热电偶,结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。,（三）电桥补偿法,实际应用中，由于冷端暴露在空气中，往往和工作端又比较接近，故冷端温度易波动。需要对冷端温度进行补偿,桥臂电阻R1=R2=R3=1。Rcu用铜线绕制。20时,Rcu=1。热电偶冷端与电桥臂电阻处于同一温度t0下。当冷端温度为20时,电桥处于平衡状态，无电压输出，Ucd=0，此时热电偶回路的热电势为EAB=(t0,20)，冷端补偿器只是以电桥等效电阻的形式存在于电路。当室温高于20时,热电势减小,电路输出电势减小。同时，桥臂电阻Rcu的阻值随之增大，电桥失去平衡，UCD0。UCD与热电势减小值大小相等，方向相反，两者相互抵消，使电路输出恢复原值。当室温低于20时,热电势增大,电路输出电势增大。同时，桥臂电阻Rcu的阻值随之减小，电桥失去平衡，UCD0。UCD与热电势减小值大小相等，方向相反，两者相互抵消，使电路输出恢复原值。,随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列。国际电工委员会也制定了国际标准，适合于标准化热电偶使用。,应用补偿导线时必须注意以下几点：,(l)不同的热电偶必须选用相应的补偿导线。(2)补偿导线和热电极连接处两接点的温度 必须相同，且不可超过规定的温度范围(一般为0100)。(3)采用补偿导线只是移动了冷接点的位置，当该处温度不为0时，仍须进行冷端温 度补偿,热电偶典型测温线路普通测温线路；(b)带有补偿器的测温线路；(c)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,6.热电偶测温线路,测量某一点的温度,特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。如热电偶正向串联，可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联；利用热电偶并联可以测量平均温度。,ET=EAB（T1，T0）EAB（T2，T0）,4.6 PN结型温度传感器,体积小，重量轻,具有多种输出形式，便于使用，,批量生产，价格便宜,集成化、智能化、微型化,应用：电气元件内置测温、集成测温传感器,4.6 PN结温度传感器,(1)原理与特点：,特点：,最大优点是输出特性呈线性、精度高；,利用PN结的结电压随温度成近似线性变化这一特性实现对温度的检测、控制和补偿等功能。可直接用半导体二极管或半导体三极管做成PN结温度传感器。这种传感器的测温范围为-50至150。,响应快、灵敏度高、热时间常数小,一、温敏二极管的工作原理,理想二极管的伏安特性可近似表示为：,只要满足正向电压UF大于几个kT/e，其正向电流IF与UF及温度T之间的关系可表示为：,两边除以Is，取对数得：,所以,上式表明：在一定电流下，二极管正向电压随温度的升高而降低，呈负温度系数。（只要它们工作在PN结空间电荷区中的复合电流和表面漏电流可以忽略）经研究表明，对于锗和硅二极管，在相当宽的一个温度范国内其正向电压与温度之间的关系与上式吻合。,对于不同的工作电流，温敏二极管的UF-T关系是不同的；但是UF-T 之间总是线性关系。例如2DWMl型硅温敏二极管，在恒流下，UF-T 在-50+150范围内呈很好的线性关系。,另外：上式只对扩散电流成立，但实际二极管的正向电流还包括空间电荷区中的复合电流和表面复合电流。故实际二极管的电压 温度特性是偏离理想情况的。,二、温敏三极管,利用三极管发射结正向电压Ube随温度上升而下降的原理。由于在发射结正向偏置下，虽然发射结电流也包括扩散电流、空间电荷的复合电流和表面复合电流三种成分，但只有其中的扩散电流能够到达集电极形成集电极电流Ic，而另两种电流则作为基极电流漏掉。因此，晶体管的IcUbe关系比二极管的IFUF关系更符合理想情况，所以表现出更好的电压 温度线性关系。,NPN晶体管的基极发射极电压与温度T和Ic的函数关系为：,若Ic恒定，则Ube仅随温度T成单调单值函数变化。,2.基本测温电路温敏晶体管作为负反馈元件跨接在运算放大器的反相输入端和输出端，基极接地。如此连接的目的是使发射结为正偏。而集电结几乎为零偏。,零偏的集电结使得集电结电流中不需要的空间电荷的复合电流和表面复合电流为零，而发射结电流中的发射结空间电荷复合电流和表面漏电流作为基极电流流入地。因此，集电极电流完全由扩散电流成分组成。集电极电流Ic只取决于集电极电阻RC和电源E，保证了温敏晶体管的Ic恒定。电容C的作用是防止寄生振荡。,优点：体积小、成本低 理想线性输出,集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于-55150之间的温度测量。,三、集成温度传感器,三、集成温度传感器,两只晶体管集电极面积相等,IC温度传感器的分类,电压型IC温度传感器；电流型IC温度传感器，数字输出型IC温度传感器。,电流型IC温度传感器是把线性集成电路和与之相容的薄膜工艺元件集成在一块芯片上,再通过激光修版微加工技术,制造出性能优良的测温传感器。这种传