1、熱電式傳感器熱電式傳感器熱電式傳感器熱電式傳感器熱電式傳感器是種將溫度變化轉換為電量的裝置。它是利用某些材料或元件的性能隨溫度變化的特性來進行測量的。熱電式傳感器種類很多，主要有熱電阻和熱電偶兩種。一般來講，熱電阻用于檢測500攝氏度以下，熱電偶用于檢測500攝氏度以上。1 1 熱電阻熱電阻 1.1 金屬熱電阻傳感器 金屬熱電阻傳感器，利用金屬導體的電阻隨溫度變化的原理進行測溫。最基本的熱電阻傳感器有熱電阻，連接導線和顯示儀表組成。廣泛用于-220850 范圍內(nèi)的溫度，常用材料有鉑和銅。 1.1.3 熱電阻傳感器的結構 工業(yè)用熱電阻結構如圖所示，有電阻體、絕緣管、保護套管、引線和接線盒組成。

2、1.1.4 熱電阻傳感器的測量電路 熱電阻傳感器的測量電路多為電橋電路，外界引線較長時，引線電阻變化會使得測量結果有較大誤差，為減少誤差，可采用三線制電橋連接法測量電路或四線制恒流源測量電路。導線從熱電阻感溫體根部引出。 （1）兩線制電橋測量電路 僅用兩根導線連接在熱電阻兩端，導線本身的阻值與熱電阻的阻值串聯(lián)在一起，造成測量誤差。如果導線電阻是r，電橋平衡時， 測量結果中必然含有絕對誤差2r （2）三線制電橋測量電路 為避免或減少引線對溫度的影響，常采用三線制電橋測量電路。熱電阻的一端與一根引線相連，另外一端同時接兩根引線。熱電阻的3根導線粗細相同，長度相等，假設阻值均為r。其中一根串接在電橋

3、電源上，對電橋的平衡毫無影響。另外兩根分別串接在電橋的相鄰橋臂上，使相鄰橋臂的阻值都增加r。電橋平衡時：兩邊的r相互抵消，導線電阻r對測量毫無影響。 （3）四線制電橋測量電路 四線制恒流源測量電路，有恒流源提供電流I流熱敏電阻Rt，在Rt上面產(chǎn)生壓降U，便可用歐姆定律求Rt。 該電路供給電流和測量電壓分別使用熱電阻上的四根導線。雖然每根導線上都有電阻r，但電流導線上形成的壓降不在測量范圍內(nèi)。所以導線電壓對測量結果沒有影響。1.2 半導體熱敏電阻 半導體熱敏電阻是一種新型的半導體測溫元件，是利用某些金屬氧化物或鍺、硅等材料，按特定工藝制成的感溫元件。 熱敏電阻可分為三種類型，正溫度系數(shù)熱敏電阻和

4、負溫度系數(shù)熱敏電阻，以及在某一特定溫度下電阻值會發(fā)生突變的臨界溫度電阻。 熱電偶是工程上應用最廣泛的溫度傳感器，測溫范圍廣，一般為-270+2800；還具有可直接輸出電壓信號，不需要轉換電路，適合遠距離測量、自動記錄、集中控制等優(yōu)點，在溫度測量中占重要地位。缺點是冷端溫度補償問題。2 2 熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器2.1 熱電效應 兩種不同的材料A和B組成一個閉合回路。若兩接點的溫度不同，則回路中將產(chǎn)生電動勢，兩個接點的溫差越大，產(chǎn)生的電動勢越大。組成的回路的導體材料不同，所產(chǎn)生的電動勢也不同，這種現(xiàn)象稱為熱電效應。 兩種導體所組成的閉合回路稱為熱電偶；熱電偶所產(chǎn)生的電動勢稱為熱電動勢；

5、組成熱電偶的材料A和B稱為熱電極；兩個接點中溫度高的一端稱為熱端或者測量端（工作端），另外一端則稱為冷端或參考端（自由端）。熱電偶是基于熱電效應的原理來測量溫度的。2.2 熱電勢是由兩種導體接觸電勢 和 單一導體溫差電勢組成2.2.1 兩種導體接觸電勢 接觸電勢是由兩種不同導體的自由電子濃度不同而在接觸面形成電動勢。假設兩種金屬A和B的電子濃度分別為NA和NB，且NANB。當兩種金屬相接時，將產(chǎn)生自由電子擴散現(xiàn)象。在同一瞬間，A向B擴散的電子比B向A擴散的多，從而A失去電子點正電，而B帶負點，在接觸面形成電場。電場阻止電子擴散，當達到動態(tài)平衡時，在接觸面兩側形成穩(wěn)定的電位差，即接觸電動勢E。

6、接觸電勢的數(shù)值取決于兩種導體的性質(zhì)和接觸點的溫度，而與導體的形狀及尺寸無關。 2.2.2 單一導體溫差電勢組成 對于單一導體，如果兩端溫度分別為t和t0，則導體中的自由電子，在高 溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴散，高溫端因失去電子而帶正電， 低溫端獲得電子而帶負電，導體兩端產(chǎn)生電勢，這個電勢稱為單一導體的 溫差電勢。 在總熱電勢中，溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的熱電勢可表示為： 實際應用中，熱電勢與溫度之間的關系是通過熱電偶分度表確定的。分度表是參考端溫度為0時，通過實驗建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數(shù)值對應的關系。2.3 熱電偶的基本定律 2.3.1 之間導體定律在

7、熱電偶電路中接入第三種導體，只要保持該導體兩接入點的溫度相等，回路中總的熱電勢不變。當t = t0時 同理，在熱電偶回路中接入第四、第五種導體，只要保證每種導體兩端的溫度相同，同樣不影響熱電偶回路中總的熱電動勢大小。 根據(jù)中間導體定律，可采用任何方式焊接導線，可以將熱電勢通過導線接到測量儀表進行測量，而且不影響精度。 可采用開路熱電偶對液態(tài)金屬和金屬壁面進行溫度測量，只要保證兩熱電極插入地方的溫度相同即可。 2.3.2 中間溫度定律 在熱電偶測量電路中，測量端溫度溫t，自由端溫度為t0，中間溫度為t，則E（t，t0）的熱電動勢等于E（t，t）和E（t，t0）的熱電勢代數(shù)和。 即參考電極定律大大

8、簡化了熱電偶選配電極的工作，只要獲得有關電極與參考電極配對的熱電勢，那么任何兩種電極配對后的熱電勢均可利用該定律計算，而不需要逐個進行測定。由于純鉑絲的物理化學性能穩(wěn)定，熔點高，易于提純，所以目前常用純鉑絲作為參考電極。2.4 熱電偶材料及常用熱電偶 根據(jù)熱電偶的測量原理，理論上任何兩種不同材料的導體都可以作為熱電極組成熱電偶，但實際應用中，為了準確可靠地進行溫度測量，必須對熱電偶組成的材料進行嚴格的選擇。組成熱電偶材料必須滿足： （1）在測量溫度范圍內(nèi)，熱電性能溫度，不隨時間和被測介質(zhì)變化，物理化學性能穩(wěn)定，耐高溫，不易氧化和腐蝕； （2）導電率高，電阻溫度系數(shù)小； （3）熱電勢隨溫度變化率

9、大，該變化率最好是常數(shù)； （4）組成熱電偶的兩極材料應具有相近的熔點和特性穩(wěn)定的工作范圍； （5）材料的機械強度高，來源充足，復制工藝簡單，價格便宜。2.5 熱電偶傳感器結構 2.5.1 普通型熱電偶 工業(yè)測量上應用最多的普通型熱電偶，一般有熱電極、絕緣套管、保護套管和接線盒組成2.5 熱電偶傳感器結構 2.5.2 鎧裝熱電偶 也叫纜式熱電偶，它將熱電偶絲與電熔氧化鎂絕緣熔鑄在一起，外套不銹鋼管等。這種熱電偶耐高溫、反應時間短、堅固耐用。 2.5.3 薄膜熱電偶 薄膜熱電偶用真空鍍膜技術等方法，將熱電偶材料沉積在絕緣片表面而構成的熱電偶。2.5 熱電偶傳感器結構 2.5.3 薄膜熱電偶 薄膜熱

10、電偶用真空鍍膜技術等方法，將熱電偶材料沉積在絕緣片表面而構成的熱電偶。2.6 熱電偶冷端溫度補償 由于熱電偶分度表是在冷端溫度為0時測得的，如果冷端溫度不為冷，測的熱電勢不能直接去查相應的溫度表。另外，根據(jù)熱電偶的測溫原理，熱電偶回路的熱電勢只與冷端和熱端溫度有關，當冷端溫度保持不變時，熱電勢才與被測量端溫度成單值對應關系。當實際測量中，冷端溫度是隨環(huán)境溫度變化而變化的。為了消除或補償冷端溫度的影響，常采用以下方法： 2.6.1 0恒溫法 將熱電偶的冷端置于0的恒溫器內(nèi)，保持t0位0。此方法比較局限，一般用于實驗室。2.6.2 冷端恒溫法 將冷端置于其他恒溫器內(nèi)，使之保持溫度恒定，避免由于環(huán)境溫度的波動而引入誤差。利用中間溫度定律即可求出測量端相對于0的電動勢。 2.6.3 補償導線法（延引導線法） 實際測量時，由于熱電偶的長度有限，冷端溫度直接受到被測介質(zhì)溫度和周圍環(huán)境溫度的影響。 為了使冷端不受測量端溫度影響，可將熱電偶加長。 一般采用在一定溫度范圍內(nèi)（0-100）與熱電偶熱電特性相近且廉價的材料代替熱電偶來延長熱電極，這種導線稱為補償導線，這