1、熱電式傳感器本章總體介紹用來測量溫度傳感器熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、感溫鐵氧體、石英晶體振動器、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導體集成電路傳感器。分 類特 征傳 感 器 名 稱超高溫用傳感器1500以上光學高溫計、輻射傳感器高溫用傳感器10001500光學高溫計、輻射傳感器、熱電偶中高溫用傳感器5001000光學高溫計、輻射傳感器、熱電偶中溫用傳感器0500低溫用傳感器-2500極低溫用傳感器-270-250BaSrTiO3陶瓷晶體管、熱敏電阻、壓力式玻璃溫度計見表下內容 測 溫 范 圍溫度傳感器分類溫度傳感器分類(1)(1)分 類特 征傳 感 器

2、 名 稱測溫范圍寬、輸出小測溫電阻器、晶體管、熱電偶半導體集成電路傳感器、可控硅、石英晶體振動器、壓力式溫度計、玻璃制溫度計線性型測溫范圍窄、輸出大熱敏電阻指數型函數開關型特性特定溫度、輸出大感溫鐵氧體、雙金屬溫度計 測 溫 特 性溫度傳感器分類(2)分 類特 征傳 感 器 名 稱測定精度0.10.5鉑測溫電阻、石英晶體振動器、玻璃制溫度計、氣體溫度計、光學高溫計溫度標準用測定精度0.55熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導體集成電路傳感器絕對值測定用管理溫度測定用相對值15 測 定 精 度溫度傳感器分類(3) 此外，還有微波

3、測溫溫度傳感器、噪聲測溫溫此外，還有微波測溫溫度傳感器、噪聲測溫溫度傳感器、溫度圖測溫溫度傳感器、熱流計、射度傳感器、溫度圖測溫溫度傳感器、熱流計、射流測溫計、核磁共振測溫計、穆斯保爾效應測溫流測溫計、核磁共振測溫計、穆斯保爾效應測溫計、約瑟夫遜效應測溫計、低溫超導轉換測溫計、計、約瑟夫遜效應測溫計、低溫超導轉換測溫計、光纖溫度傳感器等。這些溫度傳感器有的已獲得光纖溫度傳感器等。這些溫度傳感器有的已獲得應用，有的尚在研制中。應用，有的尚在研制中。 測溫方法很多，我們僅介紹最常用的三類：測溫方法很多，我們僅介紹最常用的三類：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻。熱電偶、熱電阻、熱敏電阻。 閉合回路中的兩種導

4、體稱為熱電極。閉合回路中的兩種導體稱為熱電極。 回路中的兩結點，一個稱工作端（熱端回路中的兩結點，一個稱工作端（熱端T T），另一個），另一個 稱參比端（冷端稱參比端（冷端T T0 0）。）。 通常將兩種導體組合，并將溫度轉化成熱電動勢輸通常將兩種導體組合，并將溫度轉化成熱電動勢輸出的器件叫做熱電偶，是一種常用的測溫傳感器。出的器件叫做熱電偶，是一種常用的測溫傳感器。 熱電偶為何能產生熱電動勢呢？熱電偶為何能產生熱電動勢呢？ 熱電動勢的形成是由于接觸電動勢和溫差電動勢共同作用的熱電動勢的形成是由于接觸電動勢和溫差電動勢共同作用的結果。其大小與組成熱電偶的兩種導體的材料及結點溫度（結果。其大小與

5、組成熱電偶的兩種導體的材料及結點溫度（T0、T）有關。有關。（1）接觸電動勢）接觸電動勢e AB(T) 當兩種導體當兩種導體A、B接觸，在其接觸區會形成一個電場，即在兩接觸，在其接觸區會形成一個電場，即在兩導體接觸區形成穩定的電位差，即接觸電動勢：導體接觸區形成穩定的電位差，即接觸電動勢：1)-(10 NNLnekT)T(eBAAB式中：式中：e AB(T)-導體導體A、B的接點在溫度的接點在溫度T時形成的接觸電動勢；時形成的接觸電動勢； k玻耳茲曼常數，玻耳茲曼常數， k=1.3810-23 J/K e電子電荷量，電子電荷量， e=1.610-19 C T接觸處的溫度接觸處的溫度 NA，NB

6、分別為導體分別為導體A和和B的自的自由電子由電子密度。密度。 接觸電動勢接觸電動勢e AB(T)的形成，可以用以下理論解釋。的形成，可以用以下理論解釋。 不同導體材料具有不同的自由電子密度（不同導體材料具有不同的自由電子密度（NA、NB），當其接），當其接觸時，發生電子擴散。電子擴散速率與各自的電子密度（觸時，發生電子擴散。電子擴散速率與各自的電子密度（NA、NB）有關。有關。 不妨設不妨設NANB。當電子擴散平衡時，。當電子擴散平衡時，A失去電子帶正電荷，失去電子帶正電荷，B得到電子帶負電荷。其結果在接觸區形成電場，該電場阻礙了電得到電子帶負電荷。其結果在接觸區形成電場，該電場阻礙了電子的繼

7、續擴散，達到了動態平衡，即形成了接觸電動勢子的繼續擴散，達到了動態平衡，即形成了接觸電動勢e AB(T) 。自由電子ABe (T)TBA接觸電動勢的形成機理ANNB（2）溫差電動勢）溫差電動勢e A(T，T0) 溫差電動勢是在同一導體的兩端因其溫度的不同而產生的一種熱溫差電動勢是在同一導體的兩端因其溫度的不同而產生的一種熱電動勢。其大小與導體的性質和兩端的溫度差有關。可表示為：電動勢。其大小與導體的性質和兩端的溫度差有關。可表示為：0ABe (T )0T圖10-2 熱電偶閉合回路電動勢組成ABTe (T)ABTTB0B0dt)T(T,eTTA0A0dt)T(T,e2)-(10 dt)T(T,e

8、TTA0A0TTB0B0dt)T(T,ee A(T，T0)-導導體體A的溫差的溫差 電電動勢；動勢；A、B分分別為導體別為導體A、 B的湯姆遜系數；的湯姆遜系數；T、T0導體導體兩端的絕對兩端的絕對 溫度。溫度。因此，根據圖因此，根據圖10-2，可計算回路總的電動勢：，可計算回路總的電動勢：3)-(10 )dt-(NNLnekTNNLnekT )T, T(e)T, T(e)T(e)T(e)T(T,ETTABBTATBTATBAABAB0AB0000000一般情況下，溫差電動勢一般情況下，溫差電動勢T0，所以總，所以總電動勢電動勢EAB（T，T0）中，）中， eAB(T)占主導。占主導。 當當N

9、ANB，則，則A為正極，為正極，B為負極。為負極。從（從（10-310-3）式可得出有關熱電偶回路的幾點結論或基本定律）式可得出有關熱電偶回路的幾點結論或基本定律1)1)均質導體定律均質導體定律 由一種均質導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面由一種均質導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產生熱電動勢。積、長度以及溫度分布如何均不產生熱電動勢。 換種說法：熱電偶必須采用兩種不同的材料作為熱電換種說法：熱電偶必須采用兩種不同的材料作為熱電極，否則，輸出總電動勢為零。極，否則，輸出總電動勢為零。2 2）若）若T=TT=T0 0，即冷、熱端溫度相同，輸出熱電動勢為，即冷、熱

10、端溫度相同，輸出熱電動勢為0 0；3 3）熱電偶的總熱電動勢與）熱電偶的總熱電動勢與A A、B B材料的中間溫度無關，只材料的中間溫度無關，只與結點溫度有關；與結點溫度有關；解：已知熱電偶靈敏度為常數解：已知熱電偶靈敏度為常數0.08mV/0.08mV/，說明所測溫度與熱電偶，說明所測溫度與熱電偶輸出成線性關系，可設：輸出成線性關系，可設：E(T)=kT+A= 0.08T+AE(T)=kT+A= 0.08T+A其中：其中：T T為工作端溫度，為工作端溫度，A A是待定常數。是待定常數。 因電壓表接線端為因電壓表接線端為50 50 。則當測端溫度也為。則當測端溫度也為50 50 時，有：時，有：

11、 E E（5050）= 0 = 0 推出：推出： A=A=4mV4mV， 故：故：E(T) = 0.08T E(T) = 0.08T 4 4 當電壓表測得數值為當電壓表測得數值為60mV60mV時，即：時，即：4 4T = 800 T = 800 4)4)中間導體定律中間導體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其（第三種材料）在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其（第三種材料）兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。 根據該定律，可以將第三導體換成根據該定律，可以將第三導體換成測量儀表，只要保持兩

12、結點溫度相同，測量儀表，只要保持兩結點溫度相同，就可測量熱電動勢。就可測量熱電動勢。T00TC圖10-3 具有第三導體的熱電偶回路ABT儀表 證明：圖中回路中總電動勢為：證明：圖中回路中總電動勢為： E EABCABC(T(T，T T0 0) ) =E =EABAB(T)+E(T)+EBCBC(T(T0 0)+E)+ECACA(T(T0 0) ) (10-4(10-4)式中右邊三項分別為式中右邊三項分別為A A與與B B導體、導體、B B與與C C導體、導體、C C與與A A導體組成的熱電偶在導體組成的熱電偶在T T或或T T0 0溫度下的熱電溫度下的熱電動勢。動勢。EABC(T0，T0)=

13、EAB(T0)+EBC(T0)+ECA(T0)=0 (10-5)EABC(T，T0)= EAB(T)EAB(T0)=EAB(T，T0) 證畢證畢5)5)參考電極定律參考電極定律 兩種導體兩種導體A A、B B分別與參考電極分別與參考電極C C組成熱電偶，如果他們所產生組成熱電偶，如果他們所產生的熱電動勢為已知，的熱電動勢為已知，A A和和B B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：7)-(10 )T(T,E)T(T,E)T(T,E0CB0AC0AB教材對此式作了證明，我們在此不做推導教材對此式作了證明，我們在此不做推導。=ACTT0+CBTT0ABTT0由于鉑的物

14、理化學性質穩定，人們多采用鉑作為參考電極由于鉑的物理化學性質穩定，人們多采用鉑作為參考電極。E (T,T0)ABT0TCCBA由于適于制作熱電偶的材料約300余種，兩兩組合數量達C3002種以上。顯然對這些組合的配對都作熱電偶的標定，顯然費時費力。由于鉑材料性能穩定，熔點較高且易提純，可用作標準參考電極。用熱電偶材料與鉑配對，只需要300余種熱電偶的標定，這樣可大大減少不必要的材料配對工作。 例例2 2：（P237P237）已知在某特定條件下材料已知在某特定條件下材料A A與鉑配對的熱電動勢為，與鉑配對的熱電動勢為，材料材料B B與鉑配對的熱電動勢為，求出在此特定條件下材料與鉑配對的熱電動勢為

15、，求出在此特定條件下材料A A與材料與材料B B配配對后的熱電動勢？對后的熱電動勢？解：根據式（解：根據式（10-7）)T(T,E)T(T,E)T(T,E0PtB0APt0ABEAB=13.967 8.345 = 5.622(m)工業熱電偶結構示意圖1接線盒；2保險套管3絕緣套管4熱電偶絲1234 1鉑銠鉑銠1010鉑熱電偶鉑熱電偶(S(S型型) ) 分度號LB3工業用熱電偶絲：，實驗室用可更細些。工業用熱電偶絲：，實驗室用可更細些。正極：正極：鉑銠合金絲鉑銠合金絲, ,用用9090鉑和鉑和1010銠銠( (重量比重量比) )冶煉而成。冶煉而成。 負極：負極：鉑絲鉑絲。 測量溫度：長期：測量溫

16、度：長期：13001300、短期：、短期：16001600。 特點：特點： 材料性能穩定，測量準確度較高；可做成標準熱電偶或基準熱電材料性能穩定，測量準確度較高；可做成標準熱電偶或基準熱電 偶。用途：實驗室或校驗其它熱電偶。偶。用途：實驗室或校驗其它熱電偶。 測量溫度較高，一般用來測量測量溫度較高，一般用來測量10001000以上高溫。以上高溫。 在高溫還原性氣體中（如氣體中含在高溫還原性氣體中（如氣體中含CoCo、H H2 2等）易被侵蝕，需要等）易被侵蝕，需要 用保護套管。用保護套管。 外套材料常用外套材料常用3030高溫合金。高溫合金。 材料屬貴金屬，成本較高。材料屬貴金屬，成本較高。

17、熱電動勢較弱。熱電動勢較弱。 2鎳鉻鎳硅(鎳鋁)熱電偶(K型) 分度號EU2工業用熱電偶絲： ，實驗室用可細些。正極：鎳鉻合金(用鎳、910鉻， 硅，錳，鈷冶煉而成)。負極：鎳硅合金(用97鎳,23硅 鈷冶煉而成)。測量溫度：長期1000，短期1300。特點：v 價格比較便宜，在工業上廣泛應用。v 高溫下抗氧化能力強，在還原性氣體和含有SO2，H2S等氣體中易 被侵蝕。v 復現性好，熱電勢大。 3 3鎳鉻鎳鉻考銅考銅熱電偶熱電偶(E型型) 分度號為分度號為EA2工業用熱電偶絲：工業用熱電偶絲：2mm，實驗室用可更細些。正極：正極：鎳鉻合金負極：負極：考銅合金（用56銅，44鎳冶煉而成）。測量溫

18、度：測量溫度：長期600，短期800。特點：特點：l 價格比較便宜，工業上廣泛應用。l 在常用熱電偶中它產生的熱電勢最大。l 氣體硫化物對熱電偶有腐蝕作用。考銅易氧化變質，適 于在還原性或中性介質中使用。 4 4鉑銠鉑銠3030鉑銠鉑銠6 6熱電偶熱電偶(B(B型型) ) 分度號為分度號為LLLL2 2正極：正極：鉑銠合金（用70鉑，30銠冶煉而成）。負極負極：鉑銠合金（用94鉑，6銠冶煉而成）。測量溫度：測量溫度：長期可到1600，短期可達1800。特點：特點：l 材料性能穩定，測量精度高。l 還原性氣體中易被侵蝕。l 低溫熱電勢極小，冷端溫度在50以下可不加補償。l 成本高。 幾種特殊用途

19、的熱電偶幾種特殊用途的熱電偶（1）銥和銥合金熱電偶：）銥和銥合金熱電偶：如銥如銥50銠銠銥銥10釕熱電偶它能在氧化氣氛中釕熱電偶它能在氧化氣氛中 測量高達測量高達2100的高溫。的高溫。（2）鎢錸熱電偶：）鎢錸熱電偶：是是60年代發展起來的，是目前一種較好的高溫熱年代發展起來的，是目前一種較好的高溫熱 電偶，可使用在真空惰性氣體介質或氫氣介質中，但高溫抗氧能電偶，可使用在真空惰性氣體介質或氫氣介質中，但高溫抗氧能 力差。國產鎢錸力差。國產鎢錸5-鎢錸鎢錸20熱電偶使用溫度范圍熱電偶使用溫度范圍3002000分度精分度精 度為度為1。（3）金鐵）金鐵鎳鉻熱電偶鎳鉻熱電偶 ：主要用在低溫測量，可在

20、主要用在低溫測量，可在2273K范圍內范圍內 使用，靈敏度約為使用，靈敏度約為10V。（4）鈀）鈀鉑銥鉑銥15熱電偶：熱電偶：是一種高輸出性能的熱電偶，在是一種高輸出性能的熱電偶，在1398時時 的熱電勢為，比鉑的熱電勢為，比鉑鉑銠鉑銠10熱電偶在同樣溫度下的熱電勢熱電偶在同樣溫度下的熱電勢 高出高出3倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應用于航空工業倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應用于航空工業。（6）銅）銅康銅熱電偶，分度號康銅熱電偶，分度號MK 熱電偶的熱電勢略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43V/。復現性好，穩定性好，精度高，價格便宜。缺點是銅易氧化，廣泛用于20K473K的低溫實

21、驗室測量中。 （5 5）鐵）鐵康銅熱電偶，分度號康銅熱電偶，分度號TK TK 靈敏度高，約為53V/，線性度好，價格便宜，可在800以下的還原介質中使用。主要缺點是鐵極易氧化，采用發藍處理后可提高抗銹蝕能力。 熱電偶冷端溫度主要補償方法有： 冰點槽法（見后面說明） 計算修正法 補正系數法 零點遷移法（見后面說明） 冷端補償器法（見后面說明） 軟件處理法（見后面說明）1. 冰點槽法 把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。這種辦法僅限于科學實驗中使用。為了避免冰水導電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。mVABABTCC儀表銅導線試管補

22、償導線熱電偶冰 點槽冰 水溶液T0例: 用動圈儀表配合熱電偶測溫時，如果把儀表的機械零點調到室溫TH的刻度上,在熱電動勢為零時，指針指示的溫度值并不是0而是TH。而熱電偶的冷端溫度已是TH,則只有當熱端溫度T=TH時，才能使EAB(T,TH)=0，這樣，指示值就和熱端的實際溫度一致了。這種辦法非常簡便，而且一勞永逸，只要冷端溫度總保持在TH不變，指示值就永遠正確。 2. 2. 零點遷移法零點遷移法應用領域應用領域：如果冷端不是0，但十分穩定的場所（如恒溫車間）。實質：實質：在測量結果中人為地加一個恒定值，因為冷端溫度穩定不變，電動勢EAB(TH,0)是常數，利用指示儀表上調整零點的辦法，加大某個適當的值而實現補償。3. 3. 冷端補償器法冷端補償器法 利用不平衡電橋產生熱電勢補償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個橋臂和橋路電源組成。 設計時，在0下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時Uab=0 ，電橋對儀表讀數無影響。 注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。 mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabRCuR1R2R3RT0 Ua Uab EAB(T,T0)4. 4. 軟件處理法軟件處理法 對于計算機系統