熱電式傳感器

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，它體現(xiàn)了物體內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特征。溫度是不能直接測(cè)量的。只能通過(guò)物體隨溫度變化的某些特性（如體積、長(zhǎng)度、電阻等）來(lái)間接測(cè)量。熱電式傳感器將溫度變化轉(zhuǎn)換成電量（電阻、電勢(shì)等）。將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的元件主要有熱電阻和熱敏電阻；將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)的傳感器主要有熱電偶和PN結(jié)式傳感器；將熱輻射轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的器件有熱電探測(cè)器、紅外探測(cè)器等。熱電式傳感器

接觸式測(cè)溫是基于熱平衡原理，即測(cè)溫敏感元件必須與被測(cè)介質(zhì)接觸，是兩者處于平衡狀態(tài)，具有同一溫度。如水銀溫度計(jì)、熱敏電阻、熱電偶等。

非接觸式測(cè)溫是利用熱輻射原理，測(cè)溫的敏感元件不與被測(cè)介質(zhì)接觸，利用物體的熱輻射隨溫度變化的原理測(cè)定物體溫度，故又稱輻射測(cè)溫。如輻射溫度計(jì)，紅外測(cè)溫儀等。按測(cè)溫方法不同，熱電式傳感器分為接觸式和非接觸式兩種。熱電式傳感器分類測(cè)溫方法比較常用熱電式傳感器測(cè)溫方式傳感器類型測(cè)溫范圍(℃)精度(%)特點(diǎn)常用熱電式傳感器溫標(biāo)的基本概念溫標(biāo)的基本概念利用導(dǎo)體、半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的特性。熱電阻按感溫元件的材質(zhì)分金屬與半導(dǎo)體兩類。金屬熱電阻常用鉑、銅兩種熱電阻；半導(dǎo)體熱電阻又稱為熱敏電阻等。在導(dǎo)體中，當(dāng)溫度升高時(shí)，原子圍繞其平衡位置的振動(dòng)幅度增大，從而導(dǎo)致電子彌散程度加大，降低了電子的平均速度，電阻增大。對(duì)于絕大多數(shù)金屬，具有正的溫度系數(shù)，電阻隨溫度升高而增大。電阻式溫度傳感器RTD1）鉑電阻的R－t關(guān)系在0～850℃：－200～0℃：Rt、R0分別為t℃、0℃時(shí)的電阻值，A、B、C為常數(shù)

鉑的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，測(cè)量精度高、電阻率較高；鉑絲在0℃以上，其電阻值與溫度之間具有較好的線性度。除作為溫度標(biāo)準(zhǔn)外，還廣泛用于高精度的工業(yè)測(cè)量。熱電阻

2）銅電阻的R-t關(guān)系

銅熱電阻的線性較好，具有電阻溫度系數(shù)大，價(jià)格便宜，互換性好等優(yōu)點(diǎn)。熱電阻在線性范圍內(nèi)靈敏度可以表示為：在-50～150℃：熱電阻

材料鉑銅鎳適用溫度范圍/℃-200～850-50～150-100～3000～100℃之間電阻溫度系數(shù)平均值/(×10-3/℃)3.92～3.984.25～4.286.21～6.34化學(xué)穩(wěn)定性在氧化性介質(zhì)中性能穩(wěn)定，不宜在還原性介質(zhì)中使用，尤其是高溫下超過(guò)100℃易氧化超過(guò)180℃易氧化溫度特性近于線性，性能穩(wěn)定，精度高近于線性近于線性，性能一致性差，靈敏度高應(yīng)用高精度測(cè)量，可作標(biāo)準(zhǔn)適于低溫，無(wú)水分，無(wú)侵蝕性介質(zhì)一般測(cè)量金屬熱電阻

三線式電橋電路金屬熱電阻測(cè)量電路

——熱電阻——導(dǎo)線電阻——橋臂電阻，通常取——調(diào)零電阻指示儀表M具有很大的內(nèi)阻，當(dāng)時(shí)，電橋平衡，使，則，從而可以消除導(dǎo)線電阻的影響。工業(yè)熱電阻的結(jié)構(gòu)熱電阻產(chǎn)品

適用于對(duì)保護(hù)管磨損嚴(yán)重的石油化工、輸煤系統(tǒng)等流動(dòng)粉體及物料的溫度測(cè)量?？纱蟠筇岣邿犭娮璧氖褂脡勖?。耐磨型

在石化企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常伴有各種易燃、易爆等化學(xué)氣體、蒸汽，在這些場(chǎng)合必須使用防爆型熱電阻作為溫度傳感器。防爆型普通熱電阻3）熱敏電阻：

熱敏電阻是由兩種以上的金屬氧化物如Mn、Co、Ne、Fe等氧化物構(gòu)成的燒結(jié)體，根據(jù)組成的不同，可以調(diào)整溫度特性——正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)。

對(duì)于具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，當(dāng)溫度升高時(shí)，載流子數(shù)目增加，電阻降低，因而具有負(fù)溫度系數(shù)。圖中是各種熱敏電阻的典型特征示意圖。CTRPTRNTR熱敏電阻

熱敏電阻NTC型熱敏電阻溫度特性在溫度測(cè)量中，主要采用NTC型熱敏電阻。基本特性：在一定工作溫度范圍內(nèi)，不存在自身加熱的微小工作電流條件下，NTC型熱敏電阻與溫度關(guān)系式：靈敏度：A、B——與熱敏電阻尺寸、形式及半導(dǎo)體物理性能有關(guān)的常數(shù)；T——絕對(duì)溫度，T0——初始溫度。熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻優(yōu)點(diǎn)：(1)電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻大10～100倍；(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量“點(diǎn)”溫度；(3)體積小，熱慣性小，適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量；(4)電阻率高，功耗小，導(dǎo)線電阻影響小，適于遠(yuǎn)距離的測(cè)量與控制。缺點(diǎn)：(1)阻值與溫度的關(guān)系呈非線性，元件的穩(wěn)定性和互換性較差。(2)需要注意自熱引起測(cè)量誤差。熱敏電阻的特點(diǎn)

當(dāng)電流很小時(shí)，不足以引起自身加熱，阻值保持恒定，圖中oa段為線性區(qū)。隨著電流增加，產(chǎn)生自熱，阻值隨電流增加而減小，電壓降增加速度逐漸減慢，出現(xiàn)非線性區(qū)ab。當(dāng)電流繼續(xù)增大時(shí)，阻值隨電流增加而減小的速度大于電壓降增加的速度，出現(xiàn)負(fù)阻區(qū)bc。當(dāng)電流超過(guò)最大允許值時(shí)，熱敏電阻將被燒壞。因此，用熱敏電阻進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，應(yīng)使其工作在伏安特性的線性區(qū)。熱敏電阻的特點(diǎn)電橋電路R4為校準(zhǔn)電橋的固定電阻；開(kāi)關(guān)S處于位置1時(shí)，調(diào)節(jié)R6使電表G輸出為滿量程，表示電橋工作正常；當(dāng)開(kāi)關(guān)S處于位置2時(shí)，熱敏電阻Rt接入電路，其阻值隨溫度變化，電橋的輸出發(fā)生變化，電表讀數(shù)反映被測(cè)溫度。熱敏電阻的測(cè)量電路熱敏電阻產(chǎn)品是一種體積小、可靠性高、安裝方便、可自動(dòng)恢復(fù)而多次使用的新一代過(guò)流保護(hù)器件。可廣泛用于計(jì)算機(jī)接口、鼠標(biāo)、鍵盤、微型電機(jī)、變壓器、CPU、火警及安全保護(hù)系統(tǒng)、衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)及其它一些測(cè)試、測(cè)量設(shè)備中。

測(cè)溫原理：溫差電效應(yīng)，兩種不同的金屬接成閉合回路，當(dāng)它們的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處于不同溫度時(shí)，導(dǎo)體在回路中產(chǎn)生與兩結(jié)點(diǎn)溫差有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。ABTT0T0

只有當(dāng)熱電偶的兩個(gè)電極材料不同，且兩個(gè)接點(diǎn)的溫度也不同時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，熱電偶才能進(jìn)行溫度測(cè)量。熱電偶傳感器接觸電勢(shì)----自由電子從密度大的金屬擴(kuò)散到密度小的金屬；溫差電勢(shì)----自由電子從導(dǎo)體的熱端擴(kuò)散到冷端。熱電偶傳感器由導(dǎo)體A、B組成的熱電偶回路總的熱電勢(shì)為：

溫差電勢(shì)與接觸電勢(shì)相比較數(shù)值很小，因此在工程應(yīng)用中認(rèn)為熱電勢(shì)近似等于接觸電勢(shì)。熱電偶傳感器

若使冷端溫度T0保持不變，則熱電勢(shì)為熱端溫度T的單值函數(shù)。通常被測(cè)溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系由分度表給出，參考端溫度為0℃。

當(dāng)熱電偶的兩個(gè)不同的電極材料確定后，熱電勢(shì)便與兩個(gè)接點(diǎn)溫度T、T0有關(guān)，即回路的熱電勢(shì)由兩個(gè)接點(diǎn)的溫度差決定。溫度/℃203040508090100110120130140熱電勢(shì)/mV0.801.201.602.023.263.384.104.514.905.305.73熱電偶傳感器1.均質(zhì)回路定律：由單一均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體長(zhǎng)度和截面積如何，也不論溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。2.中間導(dǎo)體定律：當(dāng)熱電偶回路中接入其它導(dǎo)體時(shí)，只要該導(dǎo)體兩端的溫度保持相等，就不會(huì)對(duì)回路總熱電勢(shì)產(chǎn)生影響。因此可以在回路中接入測(cè)量?jī)x表。熱電偶基本定律根據(jù)中間導(dǎo)體定律，可以用開(kāi)路熱電偶對(duì)液態(tài)金屬或金屬壁面測(cè)溫（被測(cè)物體是中間導(dǎo)體）。熱電偶基本定律3.中間溫度定律：對(duì)于同種熱電偶，兩端溫度為T1、T3時(shí)產(chǎn)生的熱電勢(shì)為該熱電偶兩接點(diǎn)溫度為T1

、T2和T2

、T3時(shí)所產(chǎn)生的熱電勢(shì)的代數(shù)和，T2為T1和T3之間的任一溫度。

中間溫度定律是制定熱電偶分度表的理論基礎(chǔ)。熱電偶分度表都是以冷端溫度為0℃時(shí)做出的。一般工程測(cè)量中冷端都不為零（任一恒定值），因此，只要測(cè)出熱端、冷端的熱電勢(shì)，便可利用利用熱電偶分度表求出工作端的被測(cè)溫度值。熱電偶基本定律例題：溫度/℃203040508090100110120130140熱電勢(shì)/mV0.801.201.602.023.263.384.104.514.905.305.73下表為某熱電偶的分度表，測(cè)量電路如圖所示，數(shù)字電壓表的讀數(shù)為4.10mV，熱電偶與電壓表用補(bǔ)償導(dǎo)線連接，求被測(cè)溫度Tx，給出簡(jiǎn)單計(jì)算過(guò)程。熱電偶基本定律4.標(biāo)準(zhǔn)電極定律：已知兩個(gè)導(dǎo)體A、B分別與另一導(dǎo)體C組成的熱電偶的熱電勢(shì)已知，則在相同接點(diǎn)溫度(T,T0)下，由A、B電極組成的熱電偶的熱電勢(shì)EAB(T,T0)為:

熱電偶基本定律

在工程測(cè)量中，由于純鉑的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，熔點(diǎn)較高，易提鈍，所以目前常將純鉑作為標(biāo)準(zhǔn)電極。標(biāo)準(zhǔn)電極定律使得熱電偶電極的選配提供了方便。熱電偶基本定律?熱電偶回路的熱電勢(shì)是兩個(gè)接點(diǎn)溫度的函數(shù)，為此，必須使冷端溫度保持不變，其輸出熱電勢(shì)才是熱端溫度的單值函數(shù)。?在實(shí)際測(cè)量中，熱電偶的兩端距離很近，冷端溫度易受測(cè)量對(duì)象和環(huán)境溫度波動(dòng)的影響，而難以保持恒定，從而引入測(cè)量誤差。補(bǔ)償方法：0℃恒溫法；補(bǔ)償導(dǎo)線法；修正法；補(bǔ)償電橋法等。熱電偶冷端溫度補(bǔ)償

1.0℃恒溫法：將冷端至于0℃恒溫器（冰水混合物）中，該方法精度很高，但維護(hù)麻煩，延長(zhǎng)的熱電偶使成本增加。一般在實(shí)驗(yàn)室用于校正標(biāo)準(zhǔn)熱電偶等高精度溫度測(cè)量。2.冷端溫度實(shí)時(shí)測(cè)量修正法：計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集系統(tǒng)常采用實(shí)時(shí)測(cè)量冷端溫度的方法，利用測(cè)得的溫度對(duì)熱電偶輸出的熱電勢(shì)進(jìn)行補(bǔ)償，消除冷端溫度不為0℃所帶來(lái)的誤差。熱電偶冷端溫度補(bǔ)償

3.補(bǔ)償導(dǎo)線法：為使冷端遠(yuǎn)離熱源，可用相同分度值的補(bǔ)償導(dǎo)線延長(zhǎng)熱電偶，從而獲得一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的冷端溫度。然后用中間溫度定律求出熱端溫度，補(bǔ)償導(dǎo)線相對(duì)便宜一些。

補(bǔ)償導(dǎo)線在一定溫度范圍內(nèi)（0～100℃）要具有與所連接熱電偶相同的熱電性能。不同的熱電偶要配不同的導(dǎo)線，極性也不能接錯(cuò)。熱電偶冷端溫度補(bǔ)償

補(bǔ)償導(dǎo)線在一定溫度范圍內(nèi)（0～100℃）要具有與所連接熱電偶相同的熱電性能。不同的熱電偶要配不同的導(dǎo)線，極性也不能接錯(cuò)。常用熱電偶與對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線鉑銠—鉑

————

銅—鎳銅；鎳鉻—鎳硅

————

銅—康銅鎳鉻—康銅，銅—康銅等，比較便宜，用本身材料做補(bǔ)償導(dǎo)線即可。熱電偶冷端溫度補(bǔ)償

4.補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋(又稱冷端補(bǔ)償器)產(chǎn)生不平衡電壓來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化。當(dāng)Tu＝20℃時(shí)，電橋平衡；當(dāng)Tu≠20℃時(shí)，電橋的輸出將不為零。如果電橋的輸出Δu滿足：回路總電勢(shì)為：熱電偶冷端溫度補(bǔ)償

若Tu

超過(guò)20℃，Δu與熱電偶的熱電勢(shì)方向相同；若低于20℃，Δu與熱電偶的熱電勢(shì)方向相反，從而自動(dòng)的得到補(bǔ)償。注意不能將正負(fù)極接錯(cuò)，只能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。熱電偶冷端溫度補(bǔ)償

熱電偶的特點(diǎn)

熱電偶輸出的熱電勢(shì)在mV范圍，通常用動(dòng)圈式儀表、電位差計(jì)、示波器和數(shù)字式測(cè)溫儀表等測(cè)量。熱電勢(shì)測(cè)量——電位差計(jì)

常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。常用熱電偶

8種常用標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶熱電偶名稱分度號(hào)E（100，0）（mV）測(cè)溫范圍（℃）長(zhǎng)期短期鉑銠10-鉑S0.646-40～13001600鉑銠13-鉑R0.647-40～13001600鉑銠30-鉑銠6B0.033200～16001800鎳鉻-鎳硅K4.096-200～12001300鎳鉻硅-鎳硅N2.774-200～12001300鎳鉻-康銅E6.319-200～760850銅-康銅T4.279-200～350400鐵-康銅J5.269-40～600750熱電極（材料的熱電特性穩(wěn)定）；絕緣套管（防止電極間短路）；保護(hù)套管（隔離電極與介質(zhì)，免受機(jī)械損傷或化學(xué)腐蝕等）；接線盒。工業(yè)用普通熱電偶結(jié)構(gòu)工業(yè)用普通熱電偶結(jié)構(gòu)裝配式熱電偶和熱電阻安裝圖?熱電偶與熱電阻比較輸出信號(hào)電源響應(yīng)速度測(cè)溫上限熱電偶在0-100℃之間，輸出為mV級(jí)電壓，不易測(cè)量不需外加電源感溫部分尺寸小，響應(yīng)速度快同等材料，測(cè)溫上限高熱電阻輸出為電阻增量，幾十歐姆，容易測(cè)量需要外接電源感溫部分尺寸較大，響應(yīng)速度慢受絕緣支架材質(zhì)影響，測(cè)溫上限低于熱電偶

某些晶體材料（如鐵電晶體）具有自發(fā)極化現(xiàn)象，自發(fā)極化的大小在溫度有稍許變化時(shí)就有很大的變化。溫度恒定時(shí)，由自發(fā)極化產(chǎn)生的表面電荷吸附空氣中的電荷達(dá)到平衡；材料吸收紅外光后引起溫度升高，極化強(qiáng)度會(huì)減小，單位面積的表面電荷相應(yīng)減少，一部分吸附電荷被釋放；若與一個(gè)電阻連成回路，電路中就會(huì)有電流產(chǎn)生，如圖所示。這種因溫度變化引起自發(fā)極化強(qiáng)度變化的現(xiàn)象被稱為熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)傳感器當(dāng)溫度變化ΔT在材料各處一致時(shí)，熱釋電效應(yīng)可以借助熱釋電系數(shù)p表示為：ΔP=pΔT

式中P是自發(fā)極化。右圖是鈦酸鋇熱釋電系數(shù)變化規(guī)律，由圖可見(jiàn)，溫度越接近居里溫度點(diǎn)（TC），熱釋電系數(shù)越大。熱釋電效應(yīng)傳感器

熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷不是永存的，由于處于器件表面，會(huì)與空氣中的各種離子復(fù)合而使器件仍呈電中性。所以一般要在器件前方加裝一個(gè)周期性遮斷被測(cè)紅外信號(hào)的機(jī)械裝置，使器件接收紅外光能而引起的溫度作周期性變化，由于熱釋電式傳感器很薄，所以比其它傳感器響應(yīng)更快，且靈敏度高。因?yàn)樗鼨z測(cè)的是溫度梯度