第8章熱電式傳感器熱電式傳感器的定義：熱電式傳感器是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置，它利用敏感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化而變化的特性來(lái)達(dá)到測(cè)量目的。下頁(yè)返回圖庫(kù)第8章熱電式傳感器8.1熱電阻8.2熱電偶8.3熱敏電阻本章要點(diǎn)下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)8.1熱電阻熱電阻測(cè)溫的基礎(chǔ)：電阻率隨溫度升高而增大，具有正的溫度系數(shù)特點(diǎn):精度高，適宜于測(cè)低溫下頁(yè)上頁(yè)返回8.1.1熱電阻的材料及工作原理圖庫(kù)8.1.1熱電阻的材料及工作原理鉑電阻:精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠。銅電阻:鉑是貴金屬，價(jià)格昂貴，因此在測(cè)溫范圍比較小(-50～+150℃)的情況下，可采用銅制成的測(cè)溫電阻，稱銅電阻。鐵電阻和鎳電阻鐵和鎳:這兩種金屬的電阻溫度系數(shù)較高、電阻率較大，故可作成體積小，靈敏度高的電阻溫度計(jì)，其缺點(diǎn)是容易氧化，化學(xué)穩(wěn)定性差，不易提純，復(fù)制性差，而且電阻值與溫度的線性關(guān)系差。下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)熱電阻工作原理：溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動(dòng)加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢(shì)相同。熱電阻的材料要求：電阻溫度系數(shù)要大；電阻率盡可能大，熱容量要小，在測(cè)量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能；電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性；應(yīng)有良好的可加工性，且價(jià)格便宜。R1R2R3Rtr1r3r2EABM圖8-1熱電阻測(cè)溫電橋的三線連接法1.三線式電橋連接法Rt為熱電阻,r1

、r2、r3為引線電阻,R1

、R2為兩橋臂電阻,R1=R2,R3為調(diào)整電橋的精密電阻。M表內(nèi)阻很大，故電流近似為零。當(dāng)UA=UB時(shí)電橋平衡。若使r1=r2,則R3=Rt,就可消除引線電阻的影響。8.1.2測(cè)量電路2.四線式電橋連接法圖8-2熱電阻測(cè)溫電橋的四線連接法調(diào)零的電位器的接觸電阻和指示電表串聯(lián)，接觸電阻的不穩(wěn)定不會(huì)破壞電橋的平衡和正常工作狀態(tài)。8.2熱電偶熱電偶作為敏感元件優(yōu)點(diǎn)為：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：其主體實(shí)際上是由兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體互相絕緣并將一端焊接在一起而成的；②具有較高的準(zhǔn)確度；③測(cè)量范圍寬，常用的熱電偶，低溫可測(cè)到-50℃，高溫可以達(dá)到1600℃左右，配用特殊材料的熱電極，最低可測(cè)到-180℃，最高可達(dá)到+2800℃的溫度；④具有良好的敏感度；⑤使用方便等。下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)8.2熱電偶熱電效應(yīng)熱電偶基本規(guī)律熱電偶材料及常用熱電偶熱電偶測(cè)溫電路熱電偶參考端溫度下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)8.2.1熱電效應(yīng)

熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)：

兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成如圖所示閉合回路，若導(dǎo)體A和B的連接處溫度不同（設(shè)T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說(shuō)回路中有電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應(yīng)。下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)圖8-3熱電效應(yīng)示意圖

固定溫度的接點(diǎn)稱基準(zhǔn)點(diǎn)（冷端）T0

，恒定在某一標(biāo)準(zhǔn)溫度；待測(cè)溫度的接點(diǎn)稱測(cè)溫點(diǎn)（熱端）T，置于被測(cè)溫度場(chǎng)中。

這種將溫度轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)的傳感器稱為熱電偶，金屬稱熱電極。測(cè)溫過(guò)程：只要知道一端結(jié)點(diǎn)溫度，就可以測(cè)出另一端結(jié)點(diǎn)的溫度。回路中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，叫熱電勢(shì)。熱電勢(shì)由兩部分組成，即溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。工作原理1.接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)原理圖+ABTeAB(T)-eAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；

k——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——導(dǎo)體A、B在溫度為T(mén)時(shí)的電子密度。接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。2.溫差電勢(shì)AToTeA(T,To)溫差電勢(shì)原理圖eA(T，T0)——導(dǎo)體A兩端溫度為T(mén)、T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì)；T，T0——高低端的絕對(duì)溫度；σA——湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，例如在0℃時(shí)，銅的σ=2μV/℃。3.回路總電勢(shì)ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)圖8-7熱電偶回路的總熱電勢(shì)若T＞T0，則存在著兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì)，回路總電勢(shì)：NAT、NAT0——導(dǎo)體A在結(jié)點(diǎn)溫度為T(mén)和T0時(shí)的電子密度；NBT、NBT0——導(dǎo)體B在結(jié)點(diǎn)溫度為T(mén)和T0時(shí)的電子密度；σA

、σB——導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)。（8-9）8.2.1熱電效應(yīng)

由式(8-9)可得出以下結(jié)論：①如果熱電偶兩電極材料相同，則雖兩端溫度不同(T≠T0)。但總輸出電勢(shì)仍為零。因此必須由兩種不同的材料才能構(gòu)成熱電偶。②如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相同，則回路中的總電勢(shì)必等于零由上述分析知，熱電勢(shì)的大小只與材料和兩端結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)、形狀無(wú)關(guān)。下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)8.2.2熱電偶基本規(guī)律中間導(dǎo)體定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)8.2.2熱電偶基本規(guī)律下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)圖8-8具有中間導(dǎo)體的熱電偶回路（1）中間導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中，只要中間導(dǎo)體兩端的溫度相同，那么接入中間導(dǎo)體后，對(duì)熱電偶回路的總熱電勢(shì)無(wú)影響。可用式子表示為：8.2.2熱電偶基本規(guī)律下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)

（2）標(biāo)準(zhǔn)電極定律

如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也就可知。其熱電勢(shì)由下式求得圖8-9三種導(dǎo)體分別組成的熱電偶證明：8.2.2熱電偶基本規(guī)律下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)（3）中間溫度定律

熱電偶在兩接點(diǎn)溫度分別為T(mén)、T0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度分別為T(mén)、Tn和接點(diǎn)溫度分別為T(mén)n、T0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。BBA

Tn

T

T0

AAB即：8.2.3熱電偶材料及常用熱電偶

對(duì)熱電偶的電極材料主要要求是：①配制成的熱電偶應(yīng)具有較大的熱電勢(shì)，并希望熱電勢(shì)與溫度之間成線性關(guān)系或近似線性關(guān)系。②能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用．并且在長(zhǎng)期工作后物理化學(xué)性能與熱電性能都比較穩(wěn)定。③電導(dǎo)率要求高，電阻溫度系數(shù)要小。④易于復(fù)制，工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶有：鉑銠一鉑熱電偶、鎳鉻一鎳鋁熱電偶、鎳鉻考銅熱電偶及銅一康銅熱電偶等。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要技術(shù)數(shù)據(jù)列于表8-2中。下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)8.2.4熱電偶測(cè)溫電路

熱電偶直接與指示儀表配用熱電偶與動(dòng)圈式儀表連接，如圖8-11所示。這時(shí)流過(guò)儀表的電流不僅與勢(shì)電勢(shì)大小有關(guān)，而且與測(cè)溫回路的總電阻有關(guān)，因此要求回路總電阻必須為恒定值，即Rr+Rc+RG=常數(shù)（8-14）式中Rr—熱電偶電阻；Rc—連接導(dǎo)線電阻；RG—指示儀表的內(nèi)阻這種線路常用于測(cè)溫精度要求不高的場(chǎng)合，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)8.2.4熱電偶測(cè)溫電路串聯(lián)為了提高測(cè)量精度和靈敏度，也可將n支型號(hào)相同的熱電偶依次串接，如圖8-12所示。這時(shí)線路的總電勢(shì)為EG=E1+E2+…+En=nE（8-15）式中的E1，E2，…,En為單支熱電偶的熱電勢(shì)。顯然總電勢(shì)比單支熱電偶的熱電勢(shì)增大n倍。若每支熱電偶的絕對(duì)誤差為ΔE1，ΔE2，…,ΔEn，則整個(gè)串聯(lián)線路的絕對(duì)誤差為（8-16）下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)8.2.4熱電偶測(cè)溫電路如果E1

=E2=…=

En=E則（8-17）故串聯(lián)電路的相對(duì)誤差為：

（8-18）

下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)8.2.4熱電偶測(cè)溫電路并聯(lián)用若干個(gè)熱電偶并聯(lián)，測(cè)出各點(diǎn)溫度的算術(shù)平均值。如圖8-13所示。如果n支熱電偶的電阻值相等，則并聯(lián)電路總熱電勢(shì)為（8-19）

下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)8.2.5熱電偶參考端溫度0℃恒溫法熱電偶參考端溫度為tn時(shí)的補(bǔ)正方法下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)誤差產(chǎn)生原因：熱電偶分度表及根據(jù)分度表刻制的直讀式儀表，都以熱電偶參考端溫度等于0度為條件的。所以使用時(shí)必須遵守該條件。如果參考端溫度不是0度，盡管被測(cè)溫度不變，熱電勢(shì)將隨參考端溫度變化而變化，因此要測(cè)得真實(shí)溫度就必須進(jìn)行修正或采取補(bǔ)償措施。措施：8.2.5熱電偶參考端溫度（1）0℃恒溫法

把冰屑和清潔的水相混合，放在保溫瓶中，并使水面略低于冰屑面，然后把熱電偶的參考端置于其中，在一個(gè)大氣壓的條件下，即可使冰水保持在0℃，這時(shí)熱電偶輸出的熱電勢(shì)與分度值一致。實(shí)驗(yàn)室中通常使用這種辦法。近年來(lái)，已生產(chǎn)一種半導(dǎo)體致冷器件，可恒定在0℃。下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)8.2.5熱電偶參考端溫度（2）熱電偶參考端溫度為tn時(shí)的補(bǔ)正方法

1、熱電勢(shì)補(bǔ)正法2、溫度補(bǔ)正法3、調(diào)整儀表起始點(diǎn)法

4、熱電偶補(bǔ)償法

5、電橋補(bǔ)償法

下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)圖8-16熱電偶特性曲線8.3熱敏電阻下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的。半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動(dòng)態(tài)特性好，特別適于在-100℃～300℃之間測(cè)溫。熱敏電阻的缺點(diǎn)是互換性較差，另外其熱電特性是非線性的。8.3熱敏電阻8.3.1熱敏電阻的主要特性8.3.2熱敏電阻的特性線性化8.3.3熱敏電阻的應(yīng)用舉例下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)8.3.1熱敏電阻的主要特性下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)熱敏電阻主要有三種類型，即正溫度系數(shù)型(PTC)、負(fù)溫度系數(shù)型(NTC)、和臨界溫度系數(shù)型(CTR)。1081021041060三類熱敏電阻的溫度特性溫度（℃）電阻（Ω）NTCCTRPTC4080120160180對(duì)于大多數(shù)熱敏電阻，它的溫度系數(shù)均為負(fù)值?？梢?jiàn)CTR臨界熱敏電阻有一突變溫度，此特性可用于自動(dòng)控溫和報(bào)警電路中。8.3.1熱敏電阻的主要特性一、電阻-溫度特性電阻與溫度之間的關(guān)系：式中A——與熱敏電阻尺寸形狀以及它的半導(dǎo)體物理性能有關(guān)的常數(shù)B——與半導(dǎo)體物理性能有關(guān)的常數(shù)T——熱敏電阻的絕對(duì)溫度。NTC的電阻—溫度關(guān)系的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25℃作為參考溫度（即T0=25℃），則NTC熱敏電阻器的電阻—溫度關(guān)系式：8.3.1熱敏電阻的主要特性下頁(yè)上頁(yè)返回圖庫(kù)二、伏安特性

伏安特性表征熱敏電阻在恒溫介質(zhì)下流過(guò)的電流I與其上電壓降U之間的關(guān)系。αβ

abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC熱敏電阻