第7章熱電感式傳感器與溫度檢測溫度是諸多物理現(xiàn)象中具有代表性的物理量，是現(xiàn)代生活中不可缺少的信息內(nèi)容，更是科學(xué)實驗與工業(yè)過程控制中檢測的重要參數(shù)。許多生產(chǎn)過程和日常生活都需要溫度參數(shù)和溫度控制。如家用電器：電冰箱、空調(diào)、電飯煲、微波爐。隨著測溫技術(shù)的發(fā)展，測溫范圍和精度都有很大的提高，新型溫度傳感器不斷出現(xiàn)，如紅外、光纖、微波、超聲波、核磁共振（NQR）等都獲得廣泛應(yīng)用。第7章熱電感式傳感器與溫度檢測溫度傳感器按工作原理主要有以下幾類：1)熱電偶，利用金屬的溫差電動勢測溫，特點：耐高溫、精度高，可測量上千度；2)熱電阻，利用金屬導(dǎo)體電阻隨溫度變化，可測溫幾百度；3)熱敏電阻，利用半導(dǎo)體材料電阻隨溫度變化測溫，特點：體積小、靈敏度高、使用方便，穩(wěn)定性差；4)集成溫度傳感器，利用晶體管P-N結(jié)的電流、電壓隨溫度變化，有專用集成電路，特點：體積小、響應(yīng)快、價廉，測量150℃以下溫度。5)智能型集成溫度傳感器。第7章熱電感式傳感器與溫度檢測【教學(xué)內(nèi)容】熱電偶傳感器熱電偶的工作原理熱電偶的材料及特性熱電偶的冷端補(bǔ)償熱電偶的測量電路第7章熱電感式傳感器與溫度檢測【教學(xué)內(nèi)容】熱電阻傳感器熱電阻的工作原理及分類金屬熱電阻及其特性半導(dǎo)體熱敏電阻及其特性傳感器的特性第7章熱電感式傳感器與溫度檢測【教學(xué)內(nèi)容】集成溫度傳感器集成溫度傳感器的工作原理集成溫度傳感器的應(yīng)用實例第7章熱電感式傳感器與溫度檢測7.1熱電偶傳感器7.1.1熱電偶的工作原理7.1.2熱電偶的材料及特性7.1.3熱電偶的冷端補(bǔ)償7.1.4熱電偶的測量電路7.1熱電偶傳感器教學(xué)目標(biāo)：掌握熱電偶溫度傳感器的工作原理掌握熱電勢的組成掌握熱電偶的基本定律及意義了解常用熱電偶材料及分度號了解熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)脑蛘莆諢犭娕祭涠藴囟妊a(bǔ)償方法掌握熱電偶常見測溫電路了解熱電偶溫度傳感器的應(yīng)用7.1熱電偶傳感器教學(xué)重點：熱電偶溫度傳感器的工作原理熱電偶冷端溫度補(bǔ)償方法熱電偶常見測溫電路教學(xué)重點：熱電偶冷端溫度補(bǔ)償方法7.1.1熱電偶的工作原理熱電偶測量溫度的基本原理是基于熱電效應(yīng)。圖7-1熱電偶結(jié)構(gòu)原理圖一、 熱電效應(yīng)如圖7.1所示。兩種不同的導(dǎo)體兩端相互緊密地連接在一起，組成一個閉合回路。當(dāng)兩接點溫度不等時（設(shè)），回路中就會產(chǎn)生大小和方向與導(dǎo)體材料及兩接點的溫度有關(guān)的電動勢，從而形成電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。該電動勢稱為熱電動勢；把這兩種不同導(dǎo)體的組合稱為熱電偶，稱A、B兩導(dǎo)體為熱電極。兩個接點，一個為工作端或熱端（t

），測溫時將它置于被測溫度場中；另一個叫自由端或冷端（t0），一般要求它恒定在某一溫度。實際上，熱電動勢來源于兩個方面，一部分由兩種導(dǎo)體的接觸電動勢構(gòu)成，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電動勢。7.1.1熱電偶的工作原理兩種導(dǎo)體的接觸電動勢不同導(dǎo)體的自由電子密度是不同的。當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A、B連接在一起，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同，因此，在A、B的接觸處就會發(fā)生電子的擴(kuò)散，且電子在兩個方向上擴(kuò)散的速率不相同。這種由于兩種導(dǎo)體自由電子密度不同，而在其接觸處形成的電動勢稱為接觸電動勢。7.1.1熱電偶的工作原理

(7-1)式中：

－A、B兩種材料在溫度時的接觸電動勢

－波爾茲曼常數(shù)（＝1.38×10－23）

－材料A、B分別在溫度下的自由電子密度

e

＝1.6×10－19－單個電子的電荷量。7.1.1熱電偶的工作原理3.熱電偶回路的總電動勢實踐證明，熱電偶回路中所產(chǎn)生的熱電動勢主要是由接觸電動勢引起的，溫差電動勢所占比例極小，可以忽略不計；因為和的極性相反，假設(shè)導(dǎo)體A的電子密度大于導(dǎo)體B的電子密度，且A為正極、B為負(fù)極，因此回路的總電動勢為：7.1.1熱電偶的工作原理二、 熱電偶的基本定律1.中間導(dǎo)體定律在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。中間導(dǎo)體定律的意義在于：在實際的熱電偶測溫應(yīng)用中，測量儀表（如動圈式毫伏表、電子電位差計等）和連接導(dǎo)線可以作為第三種導(dǎo)體對待。7.1.1熱電偶的工作原理二、 熱電偶的基本定律中間導(dǎo)體定律7.1.1熱電偶的工作原理二、 熱電偶的基本定律2.中間溫度定律

7.1.1熱電偶的工作原理

在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點的溫度，熱電偶AB在接點溫度為t、t0時的熱電勢eAB(t,t0)等于熱電偶AB在接點溫度t、tc和tc、t0時的熱電勢eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代數(shù)和，即eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)二、 熱電偶的基本定律2.中間溫度定律

7.1.1熱電偶的工作原理

根據(jù)這個定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體A′和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據(jù)。在實際熱電偶測溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對參考端溫度不為0℃的熱電勢進(jìn)行修正。二、 熱電偶的基本定律3. 標(biāo)準(zhǔn)電極定律7.1.1熱電偶的工作原理二、 熱電偶的基本定律3. 標(biāo)準(zhǔn)電極定律7.1.1熱電偶的工作原理通常選用高純鉑絲作標(biāo)準(zhǔn)電極只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律計算出來。二、 熱電偶的基本定律3. 標(biāo)準(zhǔn)電極定律7.1.1熱電偶的工作原理例7-1:已知鉑銠30—鉑熱電偶的E（1084.5℃，0℃）=13.937mV，鉑銠6—鉑熱電偶的E（1084.5℃，0℃）=8.354mV，求：鉑銠30—鉑銠6熱電偶在同樣溫度條件下的熱電動勢。解:設(shè)A為鉑銠30電極，B為鉑銠6電極，C為純鉑電極EAB（1084.5℃，0℃）=EAC（1084.5℃，0℃）-EBC（1084.5℃，0℃）=5.583mV二、 熱電偶的基本定律4.均質(zhì)導(dǎo)體定律7.1.1熱電偶的工作原理由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關(guān)。即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。意義:有助于檢驗兩個熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。1.熱電偶的材料7.1.2熱電偶的材料及特性根據(jù)金屬的熱電效應(yīng)原理，理論上講，任何兩種不同材料的導(dǎo)體都可以組成熱電偶，但為了準(zhǔn)確可靠地測量溫度，對組成熱電偶的材料有嚴(yán)格的選擇條件。在實際應(yīng)用中，用作熱電極的材料一般應(yīng)具備以下條件：1）性能穩(wěn)定2）溫度測量范圍廣3）物理化學(xué)性能穩(wěn)定4）導(dǎo)電率要高，并且電阻溫度系數(shù)要小。5）材料的機(jī)械強(qiáng)度要高，復(fù)制性好、復(fù)制工藝簡單，價格便宜。1.熱電偶的材料7.1.2熱電偶的材料及特性目前，國際電工委員會（IEC）向世界各國推薦了8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中，具有統(tǒng)一的分度表。1.熱電偶的材料7.1.2熱電偶的材料及特性①根據(jù)熱電偶行業(yè)習(xí)慣，涉及熱電偶成分的型號表示中，有關(guān)數(shù)字不采用下標(biāo)方法，以下同；②鉑銠30表示該合金含70%的鉑及30%的銠，以下類推；③在工業(yè)中，測溫上限由熱電偶的保護(hù)管最高承受溫度決定，以下同。名

稱分度號測溫范圍/℃100℃時的熱電動勢/mV1000℃時的熱電動勢/mV允許誤差/℃特

點鉑銠30①-鉑銠6②B50

1820③0.0334.834±4熔點高，測溫上限高，性能穩(wěn)定，100℃以下熱電動勢極小，可不必考慮冷端溫度補(bǔ)償；價昂，熱電動勢小，只適用于高溫域的測量鉑銠13-鉑R-50

17680.64710.506±1.5使用上限較高，性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好；但熱電動勢較小，不能在金屬蒸氣和還原性氣氛中使用，價昂；多用于溫度的精密測量鉑銠10-鉑S-50

17680.6469.587±1.5優(yōu)點同R，但性能略差于R；長期以來曾經(jīng)作為國際溫標(biāo)的法定標(biāo)準(zhǔn)熱電偶鎳鉻-鎳硅K-270

13704.09641.276±2.5熱電動勢大，線性好，穩(wěn)定性好，價廉；但材質(zhì)較硬，在1000℃以上長期使用會引起熱電動勢漂移；適用于1000℃以下的溫度測量鎳鉻硅-鎳硅N-270

13002.74436.256±2.5是一種新型熱電偶，各項性能均比K熱電偶好，適用于1000℃以下的溫度測量鎳鉻-銅鎳（錳白銅）E-270

8006.319—±2.5熱電動勢比K熱電偶大，線性好，價廉；但不能用于還原性氣氛；適用于工業(yè)測量鐵-銅鎳（錳白銅）J-210

7605.269—±2.5價廉，在還原性氣體中較穩(wěn)定；但純鐵易被腐蝕和氧化；適用于500℃以下的溫度測量銅-銅鎳（錳白銅）T-270

4004.279—±1價廉，易加工，離散性小，性能穩(wěn)定，線性好，準(zhǔn)確度高；銅在高溫時易被氧化，測溫上限低；多用于低溫域測量，可作-200

0℃溫域的計量標(biāo)準(zhǔn)1.熱電偶的材料7.1.2熱電偶的材料及特性表7-2是我國采用的符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的六種熱電偶的主要性能和特點。熱電偶名稱正熱電極負(fù)熱電極分度號測溫范圍特點鉑銠30－鉑銠6鉑銠30鉑銠6B0～＋1700℃（超高溫）適用于氧化性氣氛中測溫，測溫上限高，穩(wěn)定性好。在冶金、鋼水等高溫領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鉑銠10－鉑鉑銠10純鉑S0～＋1600℃（超高溫）適用于氧化性、惰性氣氛中測溫，熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強(qiáng)，精度高，但價格貴、熱電動勢較小。常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或用于高溫測量。鎳鉻－鎳硅鎳鉻合金鎳硅K－200～＋1200℃（高溫）適用于氧化和中性氣氛中測溫，測溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關(guān)系近似線性、熱電動勢大、價格低。穩(wěn)定性不如B、S型熱電偶，但是非貴金屬熱電偶中性能最穩(wěn)定的一種。鎳鉻－康銅鎳鉻合金銅鎳合金E－200～＋900℃（中溫）適用于還原性或惰性氣氛中測溫，熱電動勢較其他熱電偶大，穩(wěn)定性好，靈敏度高，價格低。鐵－康銅鐵銅鎳合金J－200～＋750℃（中溫）適用于還原性氣氛中測溫，價格低，熱電動勢較大，僅次于E型熱電偶。缺點是鐵極易氧化。銅－康銅銅銅鎳合金T－200～＋350℃（低溫）適用于還原性氣氛中測溫，精度高，價格低。在－200～0℃可制成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。缺點是銅極易氧化。2.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式7.1.2熱電偶的材料及特性

為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對象的測溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有：普通型熱電偶特殊熱電偶－鎧裝型熱電偶－薄膜熱電偶等。7.1.2熱電偶的材料及特性（1） 裝配式熱電偶普通型熱電偶如圖7-3所示。它一般由熱電偶工作端、絕緣套、保護(hù)套管和接線盒等幾個主要部分組成。在工業(yè)上使用最為廣泛。2.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式7.1.2熱電偶的材料及特性1－熱電偶工作端2－絕緣套3－下保護(hù)套管4－絕緣珠管5－固定法蘭6－上保護(hù)套管7－接線盒底座8－接線絕緣座9－引出線套管10－接線盒固定螺釘11－接線盒外罩12－接線柱2.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式熱電偶的材料7.1.2熱電偶的材料及特性7.1.2熱電偶的材料及特性（2） 鎧裝式熱電偶它是由熱電極、絕緣材料和金屬保護(hù)套管一起拉制加工而成的堅實纜狀組合體，如圖7-5所示。它可以做得很細(xì)很長，使用中可隨需要任意彎曲；測溫范圍通常在1100℃以下。優(yōu)點：測溫端熱容量小，因此熱慣性小、動態(tài)響應(yīng)快；壽命長，機(jī)械強(qiáng)度高，彎曲性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上。2.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式7.1.2熱電偶的材料及特性2.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式圖7-5鎧裝式熱電偶的結(jié)構(gòu)及外形a）結(jié)構(gòu)b）徑向剖面圖c）外形1－內(nèi)電極2－絕緣材料3－薄壁金屬保護(hù)套管4－屏蔽層5－接線卡t－測量端t0－冷端7.1.2熱電偶的材料及特性（3） 薄膜式熱電偶它是將兩種薄膜熱電極材料用真空蒸鍍、化學(xué)涂層等辦法蒸鍍到絕緣基板（云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料紙等）上制成的一種特殊熱電偶。薄膜熱電偶的接點可以做得很小、很薄（0.01～0.1μm），具有熱容量小、響應(yīng)速度快（ms級）等特點。適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度的測量，測溫范圍在300℃以下。2.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式7.1.2熱電偶的材料及特性2.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式圖7-6薄膜式熱電偶1－工作端2－薄膜熱電極3－絕緣基板4－引腳接頭5－引出線（相同材料的熱電極）7.1.3熱電偶的冷端補(bǔ)償由熱電偶的測溫原理可以知道，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢大小與兩端溫度有關(guān)，熱電偶的輸出電動勢只有在冷端溫度不變的條件下，才與工作端溫度成單值函數(shù)關(guān)系。進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ校?.1.3熱電偶的冷端補(bǔ)償1.熱電偶的冷端延長熱電偶的長度一般只有1m左右，要保證熱電偶的冷端溫度不變，可以把熱電極加長，使自由端遠(yuǎn)離工作端，放置到恒溫或溫度波動較小的地方，但這種方法對于由貴金屬材料制成的熱電偶來說將使投資增加，解決的辦法是：采用一種稱為補(bǔ)償導(dǎo)線的特殊導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸出來。補(bǔ)償導(dǎo)線實際上是一對與熱電極化學(xué)成分不同的導(dǎo)線，在0～150℃溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶具有相同的熱電特性，但價格相對便宜。利用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所（如儀表室），且它們具有一致的熱電特性，相當(dāng)于將熱電極延長，根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個接觸點溫度一致，就不會影響熱電動勢的輸出。7.1.3熱電偶的冷端補(bǔ)償圖7-7利用補(bǔ)償導(dǎo)線延長熱電偶的冷端a）補(bǔ)償導(dǎo)線結(jié)構(gòu)b）接線圖c）補(bǔ)償導(dǎo)線的外形1－測量端2－熱電極3－接線盒1（中間溫度）4－補(bǔ)償導(dǎo)線5－接線盒2（新的冷端）6－銅引線（中間導(dǎo)體）7－毫伏表1.熱電偶的冷端延長7.1.3熱電偶的冷端補(bǔ)償表7-3

常用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的主要技術(shù)指標(biāo)型

號配用熱電偶正-負(fù)補(bǔ)償導(dǎo)線正-負(fù)導(dǎo)線外皮顏色正

負(fù)100℃熱電動勢/mV20℃時的電阻率/（Ω

m）正負(fù)SC鉑銠10-鉑銅-銅鎳①紅綠0.646

0.0230.05

10-6KC鎳鉻-鎳硅銅-錳白銅紅藍(lán)4.096

0.0630.52

10-6WC5/26鎢錸5-鎢錸26銅-銅鎳②紅橙1.451

0.0510.10

10-699.4%Cu，0.6%Ni；②98.2%~98.3%Cu，1.7%~1.8%Ni。1.熱電偶的冷端延長7.1.3熱電偶的冷端補(bǔ)償2.冷端恒溫法就是把熱電偶的冷端置于某些溫度不變的裝置中，以保證冷端溫度不受熱端測量溫度的影響。恒溫裝置可以是電熱恒溫器或冰點槽（槽中裝冰水混合物，溫度保持在0℃）。7.1.3熱電偶的冷端補(bǔ)償2.冷端恒溫法1－被測流體管道2－熱電偶3－接線盒

4－補(bǔ)償導(dǎo)線5－銅質(zhì)導(dǎo)線6－毫伏表7－冰瓶8－冰水混合物9－絕緣試管10－新的冷端11－保溫材料7.1.3熱電偶的冷端補(bǔ)償3.計算修正法如果熱電偶的冷端溫度偏離0℃，但穩(wěn)定在t

℃，則按式（7.8）（即中間溫度定律）對儀表指示值進(jìn)行修正。EAB(t,0℃)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0℃）（7-10）7.1.3熱電偶的冷端補(bǔ)償3.計算修正法例7-2用鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶測量爐溫，其冷端溫度t0=30℃，在直流毫伏表上測得熱電動勢EAB(t,30℃)=38.505mV，求：爐溫為多少？解查鎳鉻-鎳硅熱電偶K分度表，得到EAB(30℃,0℃)=1.203mV。根據(jù)式（7-10）有：EAB(t,0℃)=EAB(t,30℃)+EAB(30℃,0℃)=(38.505+1.203)mV=39.708mV查K分度表，求得爐溫t=960℃。7.1.3熱電偶的冷端補(bǔ)償4.動圈儀表機(jī)械零點調(diào)整法動圈儀表機(jī)械零點調(diào)整法也稱電橋補(bǔ)償法，它是在熱電偶與儀表間加上一個補(bǔ)償電橋，當(dāng)熱電偶冷端溫度升高，導(dǎo)致回路總電動勢降低時，這個電橋感受自由端溫度的變化，產(chǎn)生一個電位差，其數(shù)值剛好與熱電偶降低的電動勢相同，兩者互相補(bǔ)償。這樣，測量儀表上所測得的電動勢將不隨自由端溫度而變化。自動補(bǔ)償法解決了冷端溫度校正法不適合連續(xù)測溫的問題。7.1.4熱電偶的測量電路1. 熱電偶的安裝圖7-9裝配式熱電偶在管道上的安裝方法a）在肘管（彎管）上的安裝b）在擴(kuò)展管上的安裝1－管道2－絕熱層3－熱電偶4－安裝螺栓5－墊片6－接線盒

7－補(bǔ)償導(dǎo)線8－焊臺9－擴(kuò)大管7.1.4熱電偶的測量電路熱電偶的實用測溫線路（1）測量單點的溫度圖7-10熱電偶單點溫度測量線路圖圖7-10是一個熱電偶直接和儀表配用的測量單點溫度的測量線路，圖中A、B組成熱電偶。熱電偶在測溫時，也可以與溫度補(bǔ)償器連接，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出。7.1.4熱電偶的測量電路熱電偶的實用測溫線路（2）測量兩點間溫度差（反極性串聯(lián)）圖7-11是測量兩點間溫度差（t1-t2

）的一種方法。將兩個同型號的熱電偶配用相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，其接線應(yīng)使兩熱電偶反向串聯(lián)（A接A、B接B），使得兩熱電動勢方向相反，故輸入儀表的是其差值，這一差值反映了兩熱電偶熱端的溫度差。。7.1.4熱電偶的測量電路熱電偶的實用測溫線路(3)測量多點的平均溫度（同極性并聯(lián)或串聯(lián)）有些大型設(shè)備，有時需要測量多點（兩點或兩點以上）的平均溫度，可以通過將多支同型號的熱電偶同極性并聯(lián)或串聯(lián)的方式來實現(xiàn)。1）熱電偶的并聯(lián)將多支同型號熱電偶的正極和負(fù)極分別連接在一起的線路稱為熱電偶的并聯(lián)。圖7-12是測量三點的平均溫度的熱電偶并聯(lián)連接線路，用三只同型號的熱電偶并聯(lián)在一起，在每一只熱電偶線路中分別串聯(lián)均衡電阻。根據(jù)電路理論，可得回路中總的電動勢為：7.1.4熱電偶的測量電路熱電偶的實用測溫線路

(3)測量多點的平均溫度（同極性并聯(lián)或串聯(lián)）1）熱電偶的并聯(lián)優(yōu)點：熱電動勢大，儀表的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶并聯(lián)線路存在的缺點，可立即可以發(fā)現(xiàn)有斷路。缺點：只要有一支熱電偶斷路，整個測溫系統(tǒng)將停止工作。7.1.4熱電偶的測量電路特點：當(dāng)有一只熱電偶燒斷時，難以覺察出來。當(dāng)然，它也不會中斷整個測溫系統(tǒng)的工作。熱電偶的實用測溫線路

(3)測量多點的平均溫度（同極性并聯(lián)或串聯(lián)）2）熱電偶的串聯(lián)507.2熱電阻傳感器7.2.1熱電阻的工作原理及分類7.2.2金屬熱電阻及其特性7.2.3半導(dǎo)體熱敏電阻及其特性517.2熱電阻傳感器教學(xué)目標(biāo)：掌握電阻式溫度傳感器工作原理熟悉電阻式溫度傳感器的種類掌握鉑、銅金屬熱電阻傳感器的電阻溫度特性熟悉熱電阻傳感器的測量電路掌握半導(dǎo)體熱敏電阻的分類及應(yīng)用527.2熱電阻傳感器教學(xué)重點：電阻式溫度傳感器工作原理鉑、銅金屬熱電阻傳感器的電阻溫度特性熱電阻傳感器的測量電路教學(xué)難點：熱電阻傳感器的測量電路537.2熱電阻傳感器電阻式溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度變化而變化的原理來測量溫度的，即材料的電阻率隨溫度的變化而變化，這種現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)。當(dāng)溫度升高時，雖然自由電子數(shù)目基本不變（當(dāng)溫度變化范圍不是很大時），但每個自由電子的動能將增加，因而在一定的電場作用下，要使這些雜亂無章的電子作定向運動就會遇到更大的阻力，導(dǎo)致金屬電阻值隨溫度的升高而增加。由金屬導(dǎo)體鉑、銅、鎳等制成的測溫元件稱為金屬熱電阻傳感器，簡稱熱電阻傳感器由半導(dǎo)體材料制成的測溫元件稱為熱敏電阻。熱電阻作為一種感溫元件，它是利用導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性來實現(xiàn)對溫度的測量。最常用的材料是鉑和銅。工業(yè)上被廣泛用來測量中低溫區(qū)－200～500oC的溫度。熱電阻由電阻體、保護(hù)套管和接線盒等部件組成，如圖7-14（a）所示。熱電阻絲是繞在骨架上的，骨架采用石英、云母、陶瓷或塑料等材料制成，可根據(jù)需要將骨架制成不同的外形。為了防止電阻體出現(xiàn)電感，熱電阻絲通常采用雙線并繞法，如圖7-14（b）所示。7.2.1熱電阻的工作原理及分類7.2.1熱電阻的工作原理及分類圖7-14

熱電阻結(jié)構(gòu)圖7.2.2金屬熱電阻及其特性

1.鉑熱電阻鉑熱電阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。

按IEC標(biāo)準(zhǔn)，鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200～850℃。鉑熱電阻的特性方程為：在0～850℃的溫度范圍內(nèi)：在-200～0℃的溫度范圍內(nèi)：Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］Rt=R0(1+At+Bt2)

A=3.97×10-13/℃

B=-5.85×10-7/℃2

C=-4.22×10-12/℃4

7.2.2金屬熱電阻及其特性

1.鉑熱電阻可見：熱電阻在溫度t時的電阻值與0℃時的電阻值R0有關(guān)。目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號亦有相應(yīng)分度表，即Rt-t的關(guān)系表，這樣在實際測量中，只要測得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對應(yīng)的溫度值。7.2.2金屬熱電阻及其特性

1.鉑熱電阻鉑電阻分度表7.2.2金屬熱電阻及其特性

2.銅熱電阻在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，可采用銅熱電阻進(jìn)行測溫，它的測量范圍為-50～150℃。銅熱電阻在測量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的，可近似地表示為Rt=R0（1+αt）α=4.28×10-3/℃

兩種分度號：Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。

7.2.2金屬熱電阻及其特性

2.銅熱電阻銅熱電阻的分度表分度號：Cu50溫度/℃0102030405060708090電阻/Ω－050.0047.8545.7043.5541.4039.24＋050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.137.2.2金屬熱電阻及其特性

2.銅熱電阻銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價格便宜（測溫范圍內(nèi)的電阻值都不大?。┤秉c：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100℃以上時容易氧化，因此只能用于低溫及沒有浸蝕性的介質(zhì)中。7.2.2金屬熱電阻及其特性

3.熱電阻的測量電路用熱電阻傳感器進(jìn)行測溫時，測量電路經(jīng)常采用電橋電路。熱電阻與檢測儀表相隔一段距離，因此熱電阻的引線對測量結(jié)果有較大的影響。

熱電阻內(nèi)部引線方式有二線制、三線制和四線制三種。7.2.2金屬熱電阻及其特性

3.熱電阻的測量電路內(nèi)部引線方式7.2.2金屬熱電阻及其特性

3.熱電阻的測量電路忽略引線電阻兩線制這種引線方式簡單、費用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差。兩線制適于引線不長、測溫精度要求較低的場合。平衡條件：誤差來源：7.2.2金屬熱電阻及其特性

3.熱電阻的測量電路三線制用于工業(yè)測量，一般精度條件：則有（不受引線電阻影響）：7.2.2金屬熱電阻及其特性

3.熱電阻的測量電路四線制實驗室用，高精度測量引線電阻r2、r3支路無電流流過；引線電阻r1、r4支路雖有電流流過；但其不在電壓表的測量范圍內(nèi)7.2.2金屬熱電阻及其特性

4.熱電阻的應(yīng)用鉑電阻采用三線制接法。A1進(jìn)行信號放大，經(jīng)R、C組成的低通濾波器濾去無用雜波，再經(jīng)A2放大。輸出電壓（0－2V）可直接輸入單片機(jī)供顯示和控制用（測溫范圍：20－120℃）。7.2.3半導(dǎo)體熱敏電阻及其特性熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件，其特點是電阻率隨溫度而顯著變化。它主要由敏感元件、引線和殼體組成。根據(jù)使用要求，可制成珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等各種形狀。熱敏電阻的符號如圖7-19所示。圖7-19熱敏電阻的符號7.2.3半導(dǎo)體熱敏電阻及其特性目前它存在的主要缺點是：互換性較差，同一型號的產(chǎn)品特性參數(shù)有較大差別；穩(wěn)定性較差；非線性嚴(yán)重，且不能在高溫下使用。但隨著技術(shù)的發(fā)展和工藝的成熟，熱敏電阻的缺點將逐漸得到改進(jìn)。熱敏電阻的測溫范圍一般為－50～＋350℃?？捎糜谝后w、氣體、固體、高空氣象、深井等方面對溫度測量精度要求不高的場合。7.2.3半導(dǎo)體熱敏電阻及其特性熱敏電阻與熱電阻相比，具有如下特點：1)電阻值和電阻溫度系數(shù)大、靈敏度高（比熱電阻大1～2個數(shù)量級）。2)體積?。ㄗ钚≈睆娇蛇_(dá)0.1～0.2mm，可用來測量“點溫”）、結(jié)構(gòu)簡單堅固（能承受較大的沖擊、振動）。3)電阻率高、熱慣性小、響應(yīng)速度快，適用于快速變化的測量場合。4)制造簡單，使用方便壽命長。5)易于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量（本身阻值一般較大，無需考慮引線電阻對測量結(jié)果的影響）。7.2.3半導(dǎo)體熱敏電阻及其特性

1.熱敏電阻的Rt-t特性根據(jù)半導(dǎo)體的電阻－溫度特性，熱敏電阻可分為三類，即負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）。它們的溫度特性曲線如圖7-20所示。7.2.3半導(dǎo)體熱敏電阻及其特性

1.熱敏電阻的Rt-t特性圖7-20熱敏電阻的溫度特性曲線7.2.3半導(dǎo)體熱敏電阻及其特性

1.熱敏電阻的Rt-t特性正溫度系數(shù)：負(fù)溫度系數(shù)：7.2.3半導(dǎo)體熱敏電阻及其特性

1.熱敏電阻的Rt-t特性PTC熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，且有斜率最大的區(qū)域，當(dāng)溫度超過某一數(shù)值時，其電阻值朝正的方向快速變化。其用途主要是彩電消磁、各種電器設(shè)備的過熱保護(hù)等。CTR也具有負(fù)溫度系數(shù)，但在某個溫度范圍內(nèi)電阻值急劇下降，曲線斜率在此區(qū)段特別陡，靈敏度極高。主要用作溫度開關(guān)。各種熱敏電阻的阻值在常溫下很大，通常都在數(shù)以上，所以連接導(dǎo)線的阻值（最多不過10）幾乎對測溫沒有影響，不必采用三線制或四線制接法，給使用帶來方便。另外，熱敏電阻的阻值隨溫度改變顯著，只要很小的電流流過熱敏電阻，就能產(chǎn)生明顯的電壓變化，而電流對熱敏電阻自身有加熱作用，所以應(yīng)注意不要使電流過大，防止帶來測量誤差。7.2.3半導(dǎo)體熱敏電阻及其特性

2.熱敏電阻的應(yīng)用（1）溫度控制電位器RP用于調(diào)節(jié)不同的控溫范圍。測溫用的熱敏電阻RT作為偏置電阻接在VT1、VT2組成的差分放大器電路內(nèi)，當(dāng)溫度變化時，熱敏電阻的阻值變化，引起VT1集電極電流變化，影響二極管VD支路電流，使電容C充電電流發(fā)生變化，相應(yīng)的充電速度發(fā)生變化，則電容電壓升到單結(jié)晶體管VT3峰點電壓，單結(jié)晶體管的輸出脈沖產(chǎn)生相移，改變了晶閘管VT4的導(dǎo)通角，從而改變了加熱絲的電源電壓，達(dá)到自動控制溫度的目的。7.2.3半導(dǎo)體熱敏電阻及其特性

2.熱敏電阻的應(yīng)用（1）溫度控制7.2.3半導(dǎo)體熱敏電阻及其特性

2.熱敏電阻的應(yīng)用（2）管道流量測量7.2.3半導(dǎo)體熱敏電阻及其特性

2.熱敏電阻的應(yīng)用（2）管道流量測量圖7-22中RT1和RT2是熱敏電阻，RT1放在被測流量管道中，RT2放在不受流體干擾的容器內(nèi)，R1和R2是普通電阻，四個電阻組成電橋。當(dāng)流體靜止時，使電橋處理平衡狀態(tài)。當(dāng)流體流動時，要帶走熱量，使熱敏電阻RT1和RT2散熱情況不同，RT1因溫度變化引起阻值變化，電橋失去平衡，電流表有指示。因為RT1的散熱條件取決于流量的大小，因此測量結(jié)果反映流量的變化。7.2.3半導(dǎo)體熱敏電阻及其特性

2.熱敏電阻的應(yīng)用（3）恒溫控制電路如圖是一滯回特性的恒溫控制電路，RT為熱敏電阻，A為比較器，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到T℃時，由輸出信號實現(xiàn)調(diào)溫控制。比較器同相端Vb作為基準(zhǔn)電壓，由RP1、R2、R3（或穩(wěn)壓管）確定分壓，RP1可調(diào)節(jié)比較器的比較電平，從而調(diào)節(jié)所需控制溫度。輸入端由RT、R2分壓。輸出特性：Vb1、Vb2為門限電壓，傳輸特性通過R4正反饋使轉(zhuǎn)換部分變陡Va＞Vb1，U0

由正翻轉(zhuǎn)為負(fù)；Va＜Vb2，U0

由負(fù)翻轉(zhuǎn)為正。7.2.3半導(dǎo)體熱敏電阻及其特性

2.熱敏電阻的應(yīng)用（3）恒溫控制電路圖7-23恒溫控制電路7.2.3半導(dǎo)體熱敏電阻及其特性

2.熱敏電阻的應(yīng)用（4）其他溫度測量與控制圖7-24熱敏電阻的其他應(yīng)用827.3集成溫度傳感器7.3.1集成溫度傳感器的工作原理7.3.2集成溫度傳感器的應(yīng)用實例837.3集成溫度傳感器教學(xué)目標(biāo)：掌握集成溫度傳感器的工作原理熟悉集成溫度傳感器的類型了解集成溫度傳感器的應(yīng)用及結(jié)構(gòu)掌握輻射式溫度傳感器的工作原理熟悉輻射式溫度傳感器的特點了解常見輻射測溫的傳感器種類847.3集成溫度傳感器教學(xué)難點：掌握集成溫度傳感器的工作原理掌握輻射式溫度傳感器的工作原理教學(xué)難點：掌握輻射式溫度傳感器的工作原理857.3集成溫度傳感器集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的電流和電壓特性與溫度的關(guān)系，把感溫元件（PN結(jié)）與有關(guān)的電子線路集成在很小的硅片上封裝而成。其具有體積小、線性好、反應(yīng)靈敏、價格低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，所以應(yīng)用十分廣泛。由于PN結(jié)不能耐高溫，所以集成溫度傳感器通常測量150℃以下的溫度。867.3集成溫度傳感器集成溫度傳感器分類電流型——

輸出阻抗很高，可用于遠(yuǎn)距離精密溫度遙感和遙測，而且不用考慮接線引入損耗和噪聲電壓型——

輸出阻抗低，易于同信號處理電路連接頻率型——易與微型計算機(jī)連接三端式兩端式輸出端個數(shù)877.3.1集成溫度傳感器的工作原理集成溫度傳感器利用晶體管PN結(jié)的電流、電壓特性與溫度的關(guān)系進(jìn)行溫度測量，由于PN結(jié)受耐熱性能的限制，一般測量溫度范圍在150℃以下。特點：集成溫度傳感器具有體積小、反應(yīng)快、線性好、價格低等優(yōu)點。887.3.1集成溫度傳感器的工作原理1．PN結(jié)的溫度特性圖7-25硅二極管正向電壓與溫度、正向電流之間的關(guān)系897.3.1集成溫度傳感器的工作原理2.集成溫度傳感器基本工作原理圖7-26為集成溫度傳感器原理示意圖。其中VT1、VT2為差分對管，由恒流源提供的電流I1、I2分別為VT1、VT2的集電極電流，則△Ube可用下式表示：

圖7-26集成溫度傳感器原理示意圖玻