（優選）傳感器與檢測技術第八章熱電式傳感器當前第1頁\共有68頁\編于星期五\23點溫標

不是溫度標準(TemperatureStandard)，而是溫度標尺(TemperatureScale)的簡稱。國際上規定的溫標有很多種，最常用的是華氏溫標(美國)、攝氏溫標、熱力學溫標等。下頁上頁返回當前第2頁\共有68頁\編于星期五\23點溫標名稱有關規定華氏溫標（℉）1714年，Fahrenheit把標準大氣壓下純水的沸點和冰點這兩個恒定溫度作固定點(212℉和32℉)，這兩個溫度點之間用水銀溫度計分成180等份，每等份定為1華氏度(℉)。列氏溫標(oR’)1731年Réaumur提出：水的冰點被定為列氏0度，而沸點則為列氏80度。因為標準濃度的酒精在水的冰點和沸點之間體積從1000單位膨脹到1080單位。攝氏溫標(℃)1742年Celsius提出：最初定義“水的冰點定為一百攝氏度，沸點定為零攝氏度，其間分成一百等分，一等分為一攝氏度”。第二年將刻度顛倒過來使用，即當今用法。當前應用最廣，ITS-90有專門定義。開氏溫標(K)1854年Kelvin提出：把絕對零度(0K)到水的三相點溫度(273.16K)等分為273.16份，每份就是1開氏度。其分度間隔和攝氏溫標間隔一致，Δt(1℃)=ΔT(1K)。蘭氏溫標(oR)Rankine溫標是美國工程界使用的一種溫標。起點也為絕對零度，水的冰點和沸點分別為491.67和671.67蘭氏度(oR)，中間分成180等分，每一等分為1oR。下頁上頁返回當前第3頁\共有68頁\編于星期五\23點幾種溫標間的換算關系攝氏度=5(華氏度-32)/9攝氏度=開氏度-273.15攝氏度=5蘭氏度/9-273.15攝氏度=1.25列氏度====================華氏度=1.8攝氏度+32華氏度=1.8開氏度-459.67華氏度=蘭氏度-459.67華氏度=2.25列氏度+32====================開氏度=攝氏度+273.15開氏度=1.25列氏度+273.15開氏度=5(華氏度-32)/9+273.15開氏度=5蘭氏度/9下頁上頁返回當前第4頁\共有68頁\編于星期五\23點下頁上頁返回當前第5頁\共有68頁\編于星期五\23點下頁上頁返回8.1熱電偶

把兩種不同導體或半導體連接成閉合回路，如果將它們的兩個接點分別置于溫度各為T和T0（設T＞T0)的熱源中，則在該回路內就會產生熱電動勢，這種現象稱作熱電效應。由這兩種導體的組合并將溫度轉換成熱電勢的傳感器稱為熱電偶。圖8-1熱電效應示意圖當前第6頁\共有68頁\編于星期五\23點熱電偶作為敏感元件優點為：①結構簡單：其主體實際上是由兩種不同性質的導體或半導體互相絕緣并將一端焊接在一起而成的；②具有較高的準確度；③測量范圍寬，常用的熱電偶，低溫可測到-50℃，高溫可以達到1600℃左右，配用特殊材料的熱電極，最低可測到-180℃，最高可達到+2800℃的溫度；④具有良好的敏感度；⑤使用方便。下頁上頁返回當前第7頁\共有68頁\編于星期五\23點下頁上頁返回8.1.1熱電效應

熱電偶產生的熱電勢稱為溫差電勢或塞貝克電勢，通稱熱電勢。回路中產生的電流稱為熱電流，導體A、B稱為熱電極。測溫時結點1置于被測的溫度場中，稱為測量端(工作端、熱端)；結點2一般處在某一恒定溫度，稱為參考端(自由端、冷端)。熱電效應（塞貝克效應Seekbeck1821）：當前第8頁\共有68頁\編于星期五\23點下頁上頁返回式中k

—波爾茲曼常數，為1.38×10-23J/K；

t—接觸處的絕對溫度；

e—電子電荷數；

NA、NB—金屬A、B在溫度為T時的自由電子密度。圖8-2接觸電勢接觸電勢(兩種導體）當前第9頁\共有68頁\編于星期五\23點下頁上頁返回同理可以計算出A、B兩種金屬構成回路在溫度t0端的接觸電勢為：

但與方向相反，所以回路的總接觸電勢

由上式可見，當兩結點的溫度相同，即t=t0

，回路中總電勢將為零。當前第10頁\共有68頁\編于星期五\23點

含義：同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種電動勢。

溫差電勢（單一導體）機理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數比從低溫端跑到高溫端的要多，結果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負電，在導體兩端便形成溫差電動勢。下頁上頁返回當前第11頁\共有68頁\編于星期五\23點熱電偶回路中產生的總熱電勢

EAB(t,t0)=EAB(t)＋EB(t,t0)－EAB(t0)－EA(t,t0) 溫差電勢較小，忽略，故熱電偶的熱電勢可表示為：

下頁上頁返回當前第12頁\共有68頁\編于星期五\23點影響因素取決于材料和接點溫度，與形狀、尺寸等無關兩熱電極相同時，總電動勢為0兩接點溫度相同時，總電動勢為0對于已選定的熱電偶，當參考端溫度t0恒定時，eAB(t0)=c為常數，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數關系，即

可見：只要測出EAB（t,t0）的大小，就能得到被測溫度t，這就是利用熱電偶測溫的原理。討論下頁上頁返回當前第13頁\共有68頁\編于星期五\23點熱電偶的分度表不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同的函數關系，一般通過實驗的方法來確定，并將不同溫度下測得的結果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對照表，即分度表。供查閱使用，每10℃分檔。中間值按內插法計算。下頁上頁返回當前第14頁\共有68頁\編于星期五\23點S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表

當前第15頁\共有68頁\編于星期五\23點8.1.2熱電偶基本規律

中間導體定律

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圖8-3具有中間導體的熱電偶電路在熱電偶回路中，只要中間導體兩端的溫度相同，那么接入中間導體后，對熱電偶回路的總熱電勢無影響。可用式子表示為：當前第16頁\共有68頁\編于星期五\23點下頁上頁返回EABC(t0,t0)=EAB(t0)＋EBC(t0)+ECA(t0)=0

對于(a)：（1）當t=t0時，回路總電勢為0，即：（2）當A和B兩點溫度分別為t,t0且t>t0時：EABC(t,t0)=EAB(t)＋EBC(t0)+ECA(t0)=0

由

EBC(t0)+ECA(t0)=–EAB(t0) EABC(t,t0)=EAB(t)–EAB(t0)=EAB(t,t0) 故當前第17頁\共有68頁\編于星期五\23點EABC(t,t0)=EAB(t)＋eBC(t1)+eCB(t1)+EBA(t0)

對于(b)：回路總電勢為：由于EBC(t1)=-ECB(t1)EABC(t,t0)=EAB(t)–EAB(t0)=EAB(t,t0) 故下頁上頁返回當前第18頁\共有68頁\編于星期五\23點例：測量儀表及引線作為第三種導體的熱電偶回路

利用熱電偶進行測溫，必須在回路中引入連接導線和儀表，接入導線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。應用下頁上頁返回當前第19頁\共有68頁\編于星期五\23點中間溫度定律EAB(t,t0)=EAB(t,tc)+EAB(tc,t0)

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)的代數和，即下頁上頁返回當前第20頁\共有68頁\編于星期五\23點應用根據這個定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導體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用補償導線提供了理論依據。該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據。在實際熱電偶測溫回路中,利用熱電偶這一性質,可對參考端溫度不為0℃的熱電勢進行修正。下頁上頁返回當前第21頁\共有68頁\編于星期五\23點標準導體（電極）定律下頁上頁返回當前第22頁\共有68頁\編于星期五\23點通常選用高純鉑絲作標準電極。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標準電極定律計算出來。應用【例】熱端為100℃，冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為－4.0mV，則鎳鉻和考銅組成的熱電偶所產生的熱電動勢應為：=2.95－(－4.0)=6.95(mV)下頁上頁返回當前第23頁\共有68頁\編于星期五\23點

均質導體定律

由兩種均質導體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點溫度有關，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關。即熱電偶必須由兩種不同性質的均質材料構成。應用：

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。下頁上頁返回當前第24頁\共有68頁\編于星期五\23點普通型熱電偶結構8.1.2熱電偶的結構與種類下頁上頁返回當前第25頁\共有68頁\編于星期五\23點

優點：測溫端熱容量小，動態響應快；機械強度高，撓性好，可安裝在結構復雜的裝置上（1100℃以下）。

鎧裝型熱電偶下頁上頁返回當前第26頁\共有68頁\編于星期五\23點薄膜熱電偶

特點：熱接點可以做得很小（μm），具有熱容量小、反應速度快（μs）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溫度測量（300℃以下）。

下頁上頁返回當前第27頁\共有68頁\編于星期五\23點

熱電極材料的選取性能穩定溫度測量范圍廣物理-化學性能穩定導電率要高，并且電阻溫度系數要小材料的機械強度要高，復制性好、復制工藝簡單，價格便宜。標準化熱電偶有：鉑銠10—鉑（S型）熱電偶、鎳鉻—鎳硅（K型）熱電偶、鎳鉻—康銅（E型）熱電偶等。

下頁上頁返回當前第28頁\共有68頁\編于星期五\23點

常用熱電偶鉑銠10—鉑熱電偶（S型）這種熱電偶可在1300℃以下范圍內長期使用，短期可測1600℃高溫，復制精度和測量準確性高，但熱電偶的材料為貴金屬，成本較高。鎳鉻—鎳硅熱電偶（K型）化學穩定性較高，復制性好，產生熱電勢大，線性好，價格便宜，是工業生產中最常用的一種熱電偶。鎳鉻—銅鎳（康銅）熱電偶（E型）適用于還原性或中性介質，熱電偶靈敏度高，價格便宜，但測溫范窄而低。下頁上頁返回當前第29頁\共有68頁\編于星期五\23點熱電偶名稱正熱電極負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，穩定性好。在冶金、鋼水等高溫領域得到廣泛應用。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，熱電性能穩定，抗氧化性強，精度高，但價格貴、熱電動勢較小。常用作標準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、熱電動勢與溫度關系近似線性、熱電動勢大、價格低。穩定性不如B、S型熱電偶，但是非貴金屬熱電偶中性能最穩定的一種。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℃可制成標準熱電偶。缺點是銅極易氧化。

標準化熱電偶特性下頁上頁返回當前第30頁\共有68頁\編于星期五\23點當熱端溫度為t時，分度表所對應的熱電勢EAB(t,0)與熱電偶實際產生的熱電勢EAB(t,t0)之間的關系可根據中間溫度定律得到下式：EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0，0)由此可見，EAB(t0，0)是冷端溫度t0的函數，因此需要對熱電偶冷端溫度進行處理。

8.1.3熱電偶的冷端溫度補償下頁上頁返回當前第31頁\共有68頁\編于星期五\23點

(1)熱電偶補償導線

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補償導線是在一定溫度范圍內(包括常溫)具有與所匹配的熱電偶的熱電動勢的標稱值相同的一對帶有絕緣層的導線。用它們連接熱電偶與測量裝置，從而可將熱電偶的參考端移到離被測介質較遠且溫度比較穩定的場合，以免參比端溫度受到被測介質的熱干擾。t0’變化頻繁t0較為穩定當前第32頁\共有68頁\編于星期五\23點補償導線類型(1)按結構可分為普通型和帶屏蔽層型；(2)按補償原理分為補償型及延伸型兩種；(3)按使用溫度可分為一般用(0～100℃)和耐熱用(0～150℃)；(4)按精度可分為普通級與精密級。補償導線作用(1)用廉價的補償導線作為貴金屬熱電偶的延長導線，以節約貴金屬熱電偶；(2)將熱電偶的參比端遷移至離被側對象較遠且環境溫度較恒定的地方，有利于參考端溫度的修正和測量誤差的減少；(3)用粗直徑和導電系數大的補償導線作為熱電偶的延長線，可減小熱電偶回路電阻，以利于動圈式儀表的正常工作。下頁上頁返回當前第33頁\共有68頁\編于星期五\23點常用補償導線

熱電偶類型補償導線類型補償導線正極負極鉑銠10－鉑銅－銅鎳合金銅銅鎳合金（鎳的質量分數為0.6%）鎳鉻－鎳硅I型：鎳鉻－鎳硅鎳鉻鎳硅鎳鉻－鎳硅II型：銅－康銅銅康銅鎳鉻－康銅鎳鉻－康銅鎳鉻康銅鐵－康銅鐵－康銅鐵康銅銅－康銅銅－康銅銅康銅補償導線的使用(1)各種補償導線只能與相應型號的熱電偶用；(2)使用時必須注意極性，切勿將其極性接反；(3)熱電偶和補償導線連接點的溫度不能超過規定的使用溫度范圍，規定為0～100℃及0～150℃兩種。下頁上頁返回當前第34頁\共有68頁\編于星期五\23點

在實驗室及精密測量中，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℃。這是一種理想的補償方法，但工業中使用不便。

(2)冷端0℃恒溫法

下頁上頁返回當前第35頁\共有68頁\編于星期五\23點

當冷端溫度t0不等于0℃，需要對熱電偶回路的測量電勢值EAB（t，t0）加以修正。當工作端溫度為t時，分度表可查EAB(t,0)與EAB(t0,0)。根據中間溫度定律得到：EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0，0)

(3)冷端溫度修正法

下頁上頁返回當前第36頁\共有68頁\編于星期五\23點【例】用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30℃，測得熱電勢EAB(t,t0)為33.29mV,求加熱爐溫度。解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得EAB(30,0)=1.203mV。可得EAB(t,0)=

EAB(t,t0)+EAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV

由鎳鉻-鎳硅熱電偶（K）分度表得：

（℃）下頁上頁返回當前第37頁\共有68頁\編于星期五\23點(4)冷端溫度自動補償法（電橋補償法）下頁上頁返回當前第38頁\共有68頁\編于星期五\23點

8.1.4熱電偶測溫線路測量單點的溫度下頁上頁返回當前第39頁\共有68頁\編于星期五\23點測量兩點間溫度差（反向串聯）下頁上頁返回當前第40頁\共有68頁\編于星期五\23點測量平均溫度特點：當有一只熱電偶燒斷時，難以覺察出來,不會中斷整個測溫系統的工作。1.并聯下頁上頁返回當前第41頁\共有68頁\編于星期五\23點優點：熱電動勢大，儀表的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶并聯線路存在的缺點，可立即可以發現有斷路。缺點：只要有一支熱電偶斷路，整個測溫系統將停止工作。2.正向串聯下頁上頁返回當前第42頁\共有68頁\編于星期五\23點8.1.5熱電偶的應用當前第43頁\共有68頁\編于星期五\23點

毫伏定值器給出給定溫度的相應毫伏值，熱電偶的熱電勢與定值器的偏差經放大器送入調節器，再經過晶閘管觸發器推動晶閘管執行器來調整電爐絲的加熱功率，直到偏差被消除，從而實現控制溫度。爐溫測量控制系統下頁上頁返回當前第44頁\共有68頁\編于星期五\23點

熱電阻傳感器是利用導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。大多數金屬的電阻率隨溫度升高而增大，即具有正溫度系數。熱電阻廣泛用來測量-200～850℃范圍內的溫度，少數情況下，低溫可測量至1K，高溫達1000℃。標準鉑電阻溫度計的精確度高，作為復現國際溫標的標準儀器。

8.2熱電阻傳感器下頁上頁返回當前第45頁\共有68頁\編于星期五\23點熱電阻的結構

直徑1mm的銀絲或鍍銀銅絲云母、石英或陶瓷塑料雙線無感繞法外接線路相連電阻絲和電阻支架下頁上頁返回當前第46頁\共有68頁\編于星期五\23點1.常用熱電阻對用于制造熱電阻材料的要求：具有盡可能大和穩定的電阻溫度系數和電阻率R-t關系最好成線性物理化學性能穩定容易加工、價格盡量便宜等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。此外還有其它一些材料熱電阻。下頁上頁返回當前第47頁\共有68頁\編于星期五\23點(1)鉑熱電阻（Pt）鉑熱電阻的特點是精度高、穩定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應用。按IEC標準，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-200～0℃的溫度范圍內Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］在0～850℃的溫度范圍內Rt=R0(1+At+Bt2)

A=3.97×10-13/℃

B=-5.85×10-7/℃2

C=-4.22×10-12/℃4

下頁上頁返回當前第48頁\共有68頁\編于星期五\23點

可見：熱電阻在溫度t時的電阻值與0℃時的電阻值R0有關。目前我國規定工業用鉑熱電阻有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分度表，即Rt-t的關系表，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的溫度值。鉑電阻的純度通常用W(100)表示（R100與R0的比值），目前鉑電阻的純度最高可達5個九。下頁上頁返回當前第49頁\共有68頁\編于星期五\23點下頁上頁返回當前第50頁\共有68頁\編于星期五\23點

在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，可采用銅熱電阻進行測溫，它的測量范圍為-50～150℃。銅熱電阻在測量范圍內其電阻值與溫度的關系幾乎是線性的，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）。

(2)銅熱電阻（Cu）下頁上頁返回當前第51頁\共有68頁\編于星期五\23點銅熱電阻的分度表下頁上頁返回當前第52頁\共有68頁\編于星期五\23點銅熱電阻的特點：銅熱電阻的電阻溫度系數較大、線性性好、價格便宜。缺點：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩定性較差，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中。下頁上頁返回當前第53頁\共有68頁\編于星期五\23點銦電阻：是一種高精度低溫熱電阻。在4.2-15K測溫范圍內靈敏度極高，缺點是材料很軟，復制性很差。錳電阻：在63-2K低溫范圍內，靈敏度高，缺點是脆性大，難以拉制成絲。碳電阻：低溫下靈敏度高，熱容量小，對磁場不敏感，價格便宜，使用方便。缺點是熱穩定性較差。鐵電阻和鎳電阻：這兩種金屬的電阻溫度系數較高、電阻率較大，故可作成體積小，靈敏度高的電阻溫度計，其缺點是容易氧化，化學穩定性差，不易提純，復制性差，而且電阻值與溫度的線性關系差。(3)其它熱電阻下頁上頁返回當前第54頁\共有68頁\編于星期五\23點幾種純金屬的電阻相對變化率與溫度變化間關系下頁上頁返回當前第55頁\共有68頁\編于星期五\23點

用熱電阻傳感器進行測溫時，測量電路經常采用電橋電路。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果有較大的影響。熱電阻內部引線方式有二線制、三線制和四線制三種。8.2.3熱電阻的測量電路下頁上頁返回當前第56頁\共有68頁\編于星期五\23點內部引線方式

下頁上頁返回當前第57頁\共有68頁\編于星期五\23點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：下頁上頁返回當前第58頁\共有68頁\編于星期五\23點三線制用于工業測量，一般精度

下頁上頁返回當前第59頁\共有68頁\編于星期五\23點四線制實驗室場合，高精度測量

下頁上頁返回當