傳感器技術(shù)及應(yīng)用（第2版）第8章熱電式傳感器其他溫度傳感器1.2熱電偶式溫度傳感器8.18.2本章小結(jié)8.37.4第8章熱電式傳感器2本章內(nèi)容引出3熱電式傳感器是利用其敏感元件的特征參數(shù)隨溫度變化的特性，對(duì)溫度及與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行測(cè)量的裝置。其中，將溫度量轉(zhuǎn)換為電阻和電勢(shì)是目前工業(yè)生產(chǎn)和控制中應(yīng)用最為普遍的方法。將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器；將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)變化的稱為熱電偶傳感器。8.1熱電偶式溫度傳感器4熱電偶的工作原理5熱電偶是利用導(dǎo)體的熱電效應(yīng)將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)變化的元件。熱電效應(yīng)是指將兩種不同的金屬材料A、B的兩端連接成閉合回路。若使連接點(diǎn)分別處于不同溫度場(chǎng)T0和T（設(shè)T>T0），在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。通常把兩種不同金屬的這種組合稱為熱電偶，A和B稱為熱電極，溫度高的接點(diǎn)稱為熱端（或工作端），溫度低的接點(diǎn)稱為冷端（或自由端）。兩端的溫差越大，產(chǎn)生的熱電勢(shì)也越大。熱電偶的工作原理6eAB(T)表示導(dǎo)體A、B的接點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電勢(shì)eAB(T0)表示導(dǎo)體A和B的接點(diǎn)在溫度T0時(shí)形成的接觸電勢(shì)eA(T，T0)表示導(dǎo)體A兩端溫度為T(mén)、T0時(shí)形成的溫差電勢(shì)eB(T，T0)表示導(dǎo)體B兩端溫度為T(mén)、T0時(shí)形成的溫差電勢(shì)eAB(T)和eAB(T0)是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電勢(shì)圖8-2熱電效應(yīng)熱電偶的工作原理7兩接點(diǎn)的接觸電勢(shì)eAB(T)和eAB(T0)可表示為巡游一周，總回路的熱電勢(shì)的大小可表示為由于接觸電勢(shì)遠(yuǎn)大于溫差電勢(shì)，忽略溫差電動(dòng)勢(shì)，熱電偶的熱電勢(shì)可表示為熱電偶的工作原理8對(duì)于熱電勢(shì)，有以下四點(diǎn)說(shuō)明：影響因素與形狀、尺寸等無(wú)關(guān)，只取決于材料和接點(diǎn)溫度。（均勻?qū)Ь€定律）兩熱電極相同時(shí)，總電動(dòng)勢(shì)為0。兩接點(diǎn)溫度相同時(shí)，總電動(dòng)勢(shì)為0。對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí)，eAB(T0)=C（常數(shù)），則總的熱電勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即可見(jiàn)，根據(jù)測(cè)量的eAB(T，T0)就能得到被測(cè)溫度T，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。熱電偶的基本定律9等值定律用兩種不同的金屬組成閉合電路，如果兩端溫度不同，則會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。其大小取決于兩種金屬的性質(zhì)和兩端的溫度，與金屬導(dǎo)線尺寸、導(dǎo)線的溫度及測(cè)量熱電勢(shì)在電路中所取位置無(wú)關(guān)。1.等值定律3.中間導(dǎo)體定律

2.均勻?qū)w定律4.中間溫度定律熱電偶的基本定律10均勻?qū)w定律用同一種金屬組成閉合電路，則不管截面是否變化，也不管在電路內(nèi)存在什么樣的溫度梯度，電路中都不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。1.等值定律3.中間導(dǎo)體定律

2.均勻?qū)w定律4.中間溫度定律熱電偶的基本定律11中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種金屬，只要其兩端溫度相同，就不會(huì)使熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)發(fā)生變化。利用熱電偶測(cè)溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后不會(huì)影響回路中的熱電勢(shì)。1.等值定律3.中間導(dǎo)體定律

2.均勻?qū)w定律4.中間溫度定律熱電偶的基本定律12中間溫度定律熱電偶回路兩接點(diǎn)[T，T0]間的熱電勢(shì)等于熱電偶在溫度為（T，Tn）時(shí)的熱電勢(shì)與溫度為（Tn，T0）時(shí)的熱電勢(shì)的代數(shù)和，Tn稱為中間溫度。1.等值定律3.中間導(dǎo)體定律

2.均勻?qū)w定律4.中間溫度定律熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償13當(dāng)熱端溫度為T(mén)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)eAB(T，0)與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢(shì)eAB(T，T0)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到，即由此可見(jiàn)，eAB(T0，0)是冷端溫度T0的函數(shù)，冷端溫度受周?chē)h(huán)境溫度的影響，難以自行保持為0℃或某一定值。為減小測(cè)量誤差，需對(duì)熱電偶冷端人為采取一定措施，使其溫度為恒定，或用其它方法進(jìn)行校正和補(bǔ)償。熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償14熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶一般做得較短，為350~2000mm。在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)十米遠(yuǎn)的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣，冷端溫度T0比較穩(wěn)定。工程中常用的冷端溫度補(bǔ)償辦法是采用補(bǔ)償導(dǎo)線。在0~100℃溫度范圍內(nèi)，要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線3.冷端溫度修正法2.冷端0℃恒溫法4.電橋補(bǔ)償法熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償15冷端0℃恒溫法在實(shí)驗(yàn)室及精密測(cè)量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0℃也可以將冷端放入盛油的容器內(nèi)，利用油的熱惰性保持冷端接近于室溫；或者將容器制成帶有水套的結(jié)構(gòu)，讓流經(jīng)水套的冷卻水來(lái)保持容器溫度的穩(wěn)定。適用于實(shí)驗(yàn)室中，在工業(yè)中使用極為不便。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線3.冷端溫度修正法2.冷端0℃恒溫法4.電橋補(bǔ)償法熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償16冷端溫度補(bǔ)償法根據(jù)中間溫度定律：eAB(T，0)=eAB(T，T0)+eAB(T0，0)當(dāng)工作端溫度為T(mén)時(shí)，分度表可查eAB(T，0)與eAB(T0，0)，從而計(jì)算出校正后的熱電勢(shì)。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線3.冷端溫度修正法2.冷端0℃恒溫法4.電橋補(bǔ)償法熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償17電橋補(bǔ)償法當(dāng)環(huán)境溫度T0升高時(shí)，熱電勢(shì)eAB(T，T0)減小，電橋電阻RCu因溫度變化而變化，電橋輸出電壓UAB為：熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線3.冷端溫度修正法2.冷端0℃恒溫法4.電橋補(bǔ)償法RCu增大時(shí)，電橋輸出電壓UAB增大，這樣可以通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臉虮垭娮璞３謴亩鴮?shí)現(xiàn)冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償。圖8-6熱電偶冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法熱電偶測(cè)溫線路18測(cè)量單點(diǎn)溫度普通測(cè)溫線路，熱電偶后面加上補(bǔ)償導(dǎo)線，用以延長(zhǎng)到儀表室接顯示儀表帶有溫度補(bǔ)償器的測(cè)溫線路測(cè)量單點(diǎn)溫度2.測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間溫度差3.測(cè)量平均溫度熱電偶測(cè)溫線路19測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間溫度可采用熱電偶反向串聯(lián)來(lái)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差（注意：只能是同一分度號(hào)的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下）此時(shí)有測(cè)量單點(diǎn)溫度2.測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間溫度差3.測(cè)量平均溫度熱電偶測(cè)溫線路20測(cè)量平均溫度可采用熱電偶并聯(lián)（左圖）或正向串聯(lián)（右圖）的方式來(lái)測(cè)量平均溫度（注意：只能是同一分度號(hào)的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下）并聯(lián)特點(diǎn)：當(dāng)有一只熱電偶燒斷時(shí)，難以覺(jué)察出來(lái)，但不會(huì)中斷整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的工作串聯(lián)特點(diǎn)：熱電勢(shì)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(diǎn)，可立即發(fā)現(xiàn)斷路。缺點(diǎn)是只要有一支熱電偶斷路，整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)將停止工作。測(cè)量單點(diǎn)溫度2.測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間溫度差3.測(cè)量平均溫度熱電偶式加速度傳感器21熱源處于硅片的中央，硅片懸空。由鋁和多晶硅組成的熱電偶組被等距離對(duì)稱地放置在熱源的四個(gè)方向。在沒(méi)有加速度的情況下，熱源的溫度梯度均勻分布，四周的熱電偶溫度一樣，輸出的電壓也一樣。由于自由熱交換，任何方向的加速度都將打破溫度分布平衡，使之分布不平衡，此時(shí)四個(gè)熱電偶組的輸出電壓也將隨之改變。熱電偶輸出的電壓差和加速度成正比例。圖8-11熱電偶式加速度傳感器熱電偶式的加速度傳感器目前多應(yīng)用于低成本的測(cè)量領(lǐng)域，既可以測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度，也可以測(cè)量靜態(tài)加速度?；跓峤粨Q原理，采用氣體介質(zhì)。其他溫度傳感器22熱電阻工作原理：導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）的電阻值隨溫度變化而改變，將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)測(cè)量其電阻值推算出被測(cè)物體的溫度。目前最常用的熱電阻有鉑電阻和銅電阻。鉑電阻：特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，測(cè)量范圍為-200~850℃銅電阻：用于對(duì)測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，測(cè)量范圍為-50~150℃。銅電阻在測(cè)量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的。熱電阻2.熱敏電阻3.紅外溫度傳感器其他溫度傳感器23熱電阻的測(cè)量電路測(cè)量電路經(jīng)常采用電橋電路。熱電阻引線方式有二線制、三線制和四線制三種。對(duì)于不同的應(yīng)用要求，可采用不同接線方式。二線制：引線方式簡(jiǎn)單、費(fèi)用低，但引線電阻以及引線電阻的變化會(huì)帶來(lái)附加誤差。適于引線不長(zhǎng)、測(cè)溫精度要求較低的場(chǎng)合三線制：用于工業(yè)測(cè)量，一般精度四線制：實(shí)驗(yàn)室用，高精度測(cè)量熱電阻2.熱敏電阻3.紅外溫度傳感器其他溫度傳感器24熱敏電阻熱敏電阻是利用半導(dǎo)體（某些金屬氧化物如NiO、MnO2、CuO、TiO2）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(diǎn)是電阻率隨溫度而顯著變化。一般測(cè)溫范圍為－50~+300℃。熱敏電阻主要有三種類(lèi)型，即正溫度系數(shù)（PTC）型、負(fù)溫度系數(shù)（NTC）型和臨界溫度系數(shù)（CTR）型熱敏電阻是非線性電阻，在小電流情況下，電壓降和電流成正比，這一工作區(qū)是線性區(qū)，這一區(qū)域適合溫度測(cè)量。隨著電流增加，電壓上升變緩，曲線呈非線性熱電阻2.熱敏電阻3.紅外溫度傳感器其他溫度傳感器25熱敏電阻的基本測(cè)溫電路為了取得熱敏電阻的阻值和溫度成比例的電信號(hào)，需要考慮它的直線性和自身加熱問(wèn)題為了使輸出U與溫度有近似的線性關(guān)系，可以適當(dāng)調(diào)整RS。熱電阻2.熱敏電阻3.紅外溫度傳感器圖8-14熱敏電阻的基本連接電路其他溫度傳感器26紅外溫度傳感器紅外溫度傳感器是基于輻射原理來(lái)測(cè)溫的。紅外探測(cè)器是紅外探測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。熱電阻2.熱敏電阻3.紅外溫度傳感器圖8-16紅外測(cè)溫儀工作原理圖紅外測(cè)溫儀工作原理：被測(cè)物體的熱輻射線由光學(xué)系統(tǒng)聚焦，經(jīng)調(diào)制盤(pán)調(diào)制為一定頻率的光能，落在紅外探測(cè)