電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用4.1溫度傳感器類型與測溫范圍第4章溫度與濕度測量分類:

按其名稱可分為：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等。

按其原理可分為：接觸式溫度傳感器、非接觸式溫度傳感器。

按其測溫范圍可分為：超高溫用傳感器（1500℃以上）、高溫用傳感器（1000～1500℃）、中高溫用傳感器（500～1000℃）、中溫用傳感器（0～500℃）、低溫用傳感器（–250～0℃）、極低溫用傳感器（–270～–250℃）等。

按其測溫特性可分為：線性型（測溫范圍寬）、指數函數型（輸出小、測溫范圍窄）、開關特性型（輸出大的特定溫度）。

按其測定精度可分為：溫度標準用（測定精度±0.1～±0.5℃）、絕對值測定用（測定精度±0.5～±5℃）、管理溫度測定用（相對值±1～±5℃）。電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用特點:

（1）接觸式溫度傳感器傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。（2）非接觸式溫度傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發出紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優點是：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續測量不會產生消耗；反應快等。電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用發展方向:①超高溫與超低溫傳感器，如+3000℃以上和–250℃以下的溫度傳感器。②提高溫度傳感器的精度和可靠性。③研制家用電器、汽車及農畜業所需要的價廉的溫度傳感器。④發展新型產品，擴展和完善管纜熱電偶與熱敏電阻；發展薄膜熱電偶；研究節省鎳材和貴金屬以及厚膜鉑的熱電阻；研制系列晶體管測溫元件、快速高靈敏CA型熱電偶以及各類非接觸式溫度傳感器。⑤發展適應特殊測溫要求的溫度傳感器。⑥發展數字化、集成化和自動化的溫度傳感器。電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用4.2熱電阻溫度傳感器及其溫度測量電路

在工業上廣泛應用的熱電阻溫度計一般用來測量–200～+500℃范圍的溫度，隨著科學技術的發展熱電阻溫度計的測量范圍低溫端可達1K左右，高溫端可測到1000℃。熱電阻溫度計的特點是精度高，適宜于測低溫。在560℃以下的溫度測量時，它的輸出信號比熱電偶容易測量。1.常用熱電阻及其主要性能鉑電阻:精度高、穩定性好、性能可靠。阻值溫度之間的關系為:在0～850℃范圍內，鉑電阻的阻值為在–200～0℃范圍內，則鉑電阻的阻值為工業用標準鉑電阻R0有100歐和50歐兩種，并將電阻值與溫度的對應關系列成表格，稱為鉑電阻分度表，分度號分別為和。電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用銅電阻:

在測溫范圍比較小(–50～+150℃)的情況下，有很好的穩定性，溫度系數比較大，電阻值與溫度之間接近線性關系。而且材料容易提純，價格便宜。不足之處是測量精度較鉑電阻稍低、電阻率小。在–50～+150℃溫度范圍內，銅電阻的阻值與溫度之間的關系為:

按照國家標準，銅電阻R0有100歐和50歐兩種，其百度電阻比不小于1.428，分度號分別為Cu100和Cu50。電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用鐵電阻和鎳電阻:

鐵和鎳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目前應用不多。其他熱電阻:

近年來對低溫和超低溫的測量越來越多，為此人們研究開發出銦熱電阻、錳熱電阻和隨阻等一些較為新穎的低溫熱電阻。(1)銦熱電阻。用99.999％高純度銦絲制成高精度低溫熱電阻。實驗證明，在–269～–258℃

溫度范圍內，其靈敏度比鉑電阻高10倍。其缺點是材料軟、重復性差。(2)錳熱電阻。在–271～–210℃范圍內使用，電阻隨溫度變化大，靈敏度高，但質脆、難拉成絲且易損壞。(3)碳熱電阻。在–273～–268℃溫度范圍內使用，適合于液氦溫區的溫度測量。其優點是熱容量小，靈敏度高，價格低廉，操作簡便，對磁場不敏感。缺點是穩定性較差。(4)鐵熱電阻。缺點是：輸出特性為非線性。電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用2.熱電阻的自熱誤差及引線誤差的消除

工業上廣泛使用熱電阻作為–200～+600℃范圍內的溫度測量，它的特點是精度高，適于測低溫。但在使用中要注意以下兩點：（1）自熱誤差在用熱電阻測量時，電阻要消耗一定的功率，產生熱量，同樣會造成電阻值變化，產生測量誤差。因此使用中要限制電流，規定其值應不超過6mA，以減少由于電阻器通電產生自熱而引起的誤差。（2）引線電阻的影響由于測溫的熱電阻，總得有連接導線。但由于熱電阻本身的電阻值很小，所以引線電阻值及其變化就不能忽略。例如：50的鉑電阻，若導線電阻為1，將會產生5℃的測量誤差，這是不能允許的。為此，在熱電阻測溫電路中通常采用直流電橋電路。電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用自熱誤差及引線誤差的消除:

在用熱電阻測溫時，常用直流電橋作為熱電阻的測量電路。現在一般采用三線制式或四線兩種接線方式連接電路，以消除這些誤差。

G為指示電表，R1、R2、R3為固定電阻，Ra為零位調節電阻。熱電阻都通過電阻分別為r2、r3、Rg的三根導線和電橋連接，r2和r3分別接在相鄰的兩臂，當溫度變化時，只要它們的長度和電阻溫度系數相同，它們的電阻變化就不會影響電橋的狀態，即不會產生溫度誤差。而Rg分別接在指示電表和電源的回路中，其電阻變化也不會影響電橋的平衡狀態。思考:缺點?電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用

為了高精度的溫度測量，可將電阻測量設計成圖所示的的四線連接法，調零的電位器的接觸電阻和指示電表串聯，接觸電阻的不穩定不會破壞電橋的平衡和正常工作狀態。電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用半導體熱電阻測量電路的線性補償:

半導體熱敏電阻的阻值與被測溫度之間存在較嚴重的非線性，這種非線性直接限制了其測溫范圍的擴大和數字化測溫系統中測溫精度的提高。為實現阻值與溫度之間關系在一定溫度范圍內的線性化，最簡單的辦法就是用溫度系數很小的電阻與熱敏電阻串聯或并聯。

如果要求更好的線性度，可以采用既串聯補償又并聯補償的辦法，來得到比單一補償方法更寬的線性輸出特性。電阻與熱敏電阻串聯電阻與熱敏電阻并聯電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用3.熱電阻溫度傳感器的基本測量電路

圖示的電路為BA2鉑電阻作為溫度傳感器的電橋和放大電路。當溫度變化時，電橋處于不平衡狀態，在a，b兩端產生與溫度相對應的電位差；該電橋為直流電橋，其輸出電壓Uab為0.73mv／0C。Uab經比例放大器放大，A/D其增益為轉換器所需要的0～5V直流電壓。D3

，

D4是放大器的輸入保護二極管；R12用于調整放大倍數。放大后的信號經A/D轉換器轉換成相應的數字信號，因此，該電路便于與微機接口.電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用4.3熱電偶傳感器及其溫度測量電路1.熱電偶測溫原理

熱電偶是將兩種不同材料導電體A、B(熱電極)的一端焊接或絞接于一起而構成的，如圖所示。測溫時置于被測溫度場中的結點稱為測量端(亦稱工作端或熱端)，另一結點一般處于某一恒定溫度場，稱為參考端(亦稱自由端或冷端)。BA+測量端T參考端T0

圖4.7熱電偶及熱電效應接觸電勢UAB(T)接觸電勢UAB(T0)溫差電勢UB(T，T0)溫差電勢UA(T，T0)熱電勢UAB(T，T0)AB-+--+++--

設測量端溫度、參考端溫度分別為T和T0(不妨令T>T0)，則在導電體A、B的兩接觸處將分別產生接觸電勢UAB(T)、UAB(T0)，在導電體A、B的兩端將分別產生溫差電勢UA(T，T0)、UB(T，T0)。接觸電勢亦稱珀爾貼電勢，它是由相互接觸的兩種不同導體內自由電子密度不同引起電子擴散而造成的；單一導體兩端由于溫度不同而在其兩端產生的電勢為溫差電勢(又稱湯姆遜電勢)，由于高溫端自由電子的動能大于低溫端自由電子的動能，高溫端自由電子的擴散速率高于低溫端自由電子的擴散速率，從而在單一導體兩端形成了電位差。由接觸電勢UAB(T)、UAB(T0)和溫差電勢UA(T，T0)、UB(T，T0)構成了熱電偶的熱電勢UAB(T，T0)。一般接觸電勢遠大于溫差電勢，以至常常將溫差電勢忽略。電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用接觸電勢UAB(T)、UAB(T0)分別為:整個熱電偶回路中的總接觸電勢為:溫差電勢UA(T，T0)UB(T，T0)，分別確定為:整個熱電偶回路中的總的溫差電勢為:

在整個熱電偶回路中，綜合兩結點處的接觸電勢和兩種單一導體的溫差電勢后可以形成熱電偶的熱電勢UAB(T，T0)，即電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用關于熱電偶的三個基本性質:(1)中間導體定律：在熱電偶回路中接入中間導體(第三種導體)，若中間導體兩端溫度相同，則熱電偶的熱電勢不變。將熱電偶的參考端分開，串接入第三種導體C，不難得到熱電勢

EABC(T，T0)=EAB(T，T0)(2)中間溫度定律：在熱電偶回路中，兩接點溫度為T、T0時的熱電勢等于該熱電偶在接點溫度為T、Ta和Ta、T0時的熱電勢的代數和，即

EAB(T，T0)=EAB(T，Ta)+EAB(Ta，T0)

(3)標準電極定律：兩種導體A、B分別與第三種導體C組成熱電偶，如果A、C和B、C熱電偶的熱電勢已知，則由導體A、B組成熱電偶的熱電勢為

EAB(T，T0)=EAC(T，T0)-EBC(T，T0)電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用2.常用熱電偶結構、材料及種類

熱電偶的電極材料:

理論上，任意兩種導體或半導體都可以配制成熱電偶，但作為實用測溫元件，并不是所有材料都適用于制作熱電偶，在選擇熱電極材料時，應根據具體情況和測溫條件來決定。熱電偶傳感器的種類:

熱電偶的種類很多，可按所用熱電極材料、適用溫度范圍、結構、用途以及是否進行工業標準化等多種不同標準對熱電偶進行分類，熱電偶的基本分類方法如表4.1所示熱電偶的結構類型

工程上實際使用的熱電偶大多數是由熱電極、絕緣套管、保護套管和接線盒等構成主要有工業用熱電偶、鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶）、快速反應薄膜熱電偶、快速消耗微型熱電偶等電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用3.

冷端溫度的影響及其消除

對于特定分度的熱電偶，為保證其熱電勢是被測溫度的單值函數，必須維持熱電偶冷端溫度恒定不變；同時，熱電偶分度表和根據分度表刻度的溫度儀表，都以熱電偶冷端溫度為0℃為條件，因此基于這兩方面的原因，在使用熱電偶測溫時，只有在維持冷端溫度為0℃并且恒定不變的情況下，方可測出實際溫度。冷端溫度的補償及修正措施:(1)0℃恒溫法將熱電偶的冷端置于溫度保持在0℃的器皿中，測得熱電勢后，通過直接查閱分度表即可知道實際的被測溫度值。該方法主要應用于實驗室對溫度進行精確測量或溫度儀表的校準。(2)冷端溫度計算修正法該方法適用于冷端溫度穩定或變化相當緩慢的情況。雖然冷端溫度不變，但由于一般不是0℃，因此若不進行冷端溫度修正，將導致溫度測量值低于實際被測溫度，此時可以根據中間溫度定律對冷端溫度進行修正。在冷端溫度恒定于Tn℃，并且測得熱電偶工作于溫差Tn℃—T℃時的熱電勢為E(T，Tn)的情況下，有如下修正公式E(T，0)=E(T，Tn)+

E(Tn，0)(3)電橋補償法利用熱電偶的熱電勢隨冷端溫度升高而減少的特點，在熱電偶回路中串入一直流不平衡電橋(亦稱冷端補償器)，如果電橋設置適當，則熱電偶熱電勢與電橋不平衡電勢疊加后亦可實現冷端溫度補償(4)采用補償導線延伸冷端采用補償導線將冷端移至離熱源較遠并且環境溫度較穩定的地方，然后再應用前述方法把冷端溫度修正到0℃。電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用4.熱電偶傳感器的基本測溫電路1)、單點溫度測量電路2)、兩點間溫差的測量電路

測得的電流與溫度有一一對應的關系，即可以在表上標出溫度的刻度。流過測溫毫伏計的電流為:兩個熱電偶屬同型號熱電偶，且補償導線相同，連接方法使各自產生的熱電勢相互抵消，儀表讀數即為T1和T2的溫度差.電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用3)、平均溫度測量電路4)、若干點溫度之和的測量電路每個熱電偶線路上流過的電流會因其熱電偶的電阻變化而變化。由電路知回路中總的熱電勢為:此電路的優點是儀表的分度表和單獨用一個熱電偶時一樣，可直接讀出平均溫度；缺點為若有一個熱電偶被燒斷，從儀表上不能反映出來。將若干個同類型熱電偶串聯，可以測量這些點的溫度和，也可測量平均溫度。如圖所示。此電路中總有一個熱電偶燒斷，總的熱電勢消失，可以立即知道有某個熱電偶燒斷。電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用5).橋式電位差計測溫線路

在圖中，RP1為調零電位器，測量前調節它使儀表指示起始溫度。RP2為精密合成膜測量電位器，用來調節電橋輸出的補償電壓。RP1和RP2組成的電橋由參考電壓源US供電，RC為限流電阻。電橋輸出由R和Rf分壓，以減少RP2滑動觸頭移動過程中產生的熱電勢，提高測量電路的動態特性，方便量程切換。為提高儀表抗干擾能力，在橋路前后加入了濾波電路。電路工作原理是：熱電偶熱電勢EX經濾波與橋路輸出分壓電阻R兩端電壓UR(補償電壓)比較，形成差值電壓ΔU，經濾波放大后驅動可逆電機M。可逆電機M通過一組傳動系統，一方面帶動滑線電阻RP2的滑動觸頭移動，另一方面帶動儀表指針沿刻度標尺運動，直至橋路輸出與熱電偶的熱電勢達到平衡，最終儀表指針在標尺上指示出被測溫度值。電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用4.5濕度傳感器及其測量電路1.濕度傳感器的類型及性能可分為電阻式、電容式和其他方式三大類。①電阻式濕度傳感器利用電導率與濕度的關系制成電阻型濕度傳感器，具有感濕靈敏度高，線性度好，響應時間短，制作工藝簡單，成本低等優點。②電容式濕度傳感器利用電極間介質吸附水蒸氣時電容量發生變化的原理制成電容式濕度傳感器，③其他類型濕度傳感器除電阻式和電容式外，還有透光量隨濕度而改變的光纖濕度傳感器、在H2O—N2氣氛下穩定化Zr02限界電流型濕度傳感器，此外，還有濃差電池式、二極管型、石英振子式、SAW式、微波式和熱導式等新型濕度傳感器。電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用2.濕度表示法（1）質量百分比和體積百分比質量百分比為m／M×100％、體積百分比為v／V×100％

(2)相對濕度和絕對濕度相對濕度為絕對濕度

(3)露（霜）點電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用3．濕度傳感器的主要參數(1)濕度量程(2)感濕特征量——相對濕度特性(3)感濕靈敏度(4)特征量溫度系數(5)感濕溫度系數(6)響應時間(7)電壓特性(8)頻率特性電子與通信工程系—張丹檢測技術與應用4．濕度傳感器的主要特征(1)電解質濕度傳感器電解質是以離子形式導電的