第八章熱電式傳感器

熱電式傳感器是利用某些材料或元件的物理特性與溫度有關這一性質，將溫度變化轉化為電學量變化；熱電式傳感器的數量在各種傳感器中占據首位，根據統計，約占各種傳感器使用數量的一半左右；熱電式傳感器的種類：熱敏電阻、熱電偶、PN結型、石英晶體、熱釋電等。3熱電式傳感器

溫度分類:應用:測溫接觸測溫非接觸測溫熱輻射測溫熱傳導測溫壓電效應熱阻效應熱電勢效應金屬熱電阻半導體熱敏電阻熱電偶溫度傳感器壓電陶瓷（熱釋電效應）→敏感元件→電參數光電效應紅外溫度傳感器、光纖溫度傳感器熱電阻電渦流傳感器PN結熱電效應熱敏二極管/三極管、集成溫度傳感器工作原理：1、溫度測量的基本概念

溫度Temperature：溫度是一個基本物理量。溫度的宏觀概念是對一個物體冷熱程度的度量?；闊崞胶獾膬晌矬w，其溫度相等。溫度的微觀概念是指物質內部大量分子無規則運動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內部分子熱運動越劇烈。概述：52、溫標（1）溫標的定義：溫標是指溫度的數值表示方法。它規定了溫度讀數的起點（即零點）以及溫度的單位。各類溫度計的刻度均由溫標確定。（2）國際上規定的溫標：

攝氏溫標：用0C表示

華氏溫標：用0F表示

熱力學溫標：用K表示（1）攝氏溫度和開氏溫度之間的換算（2）華氏溫度和攝氏溫度之間的換算T=tC+273.15K≈tC+273（K）tF=9/5tC+32（0F）第一節熱電阻式傳感器幾乎所有物質的電阻率都隨其本身溫度的變化而變化，這一物理現象稱為熱電阻效應。利用熱電阻效應制成的溫度敏感元件稱為熱敏電阻（或熱電阻），一般采用導體或半導體材料。主要有金屬熱電阻和半導體熱敏電阻。R0、Rt---金屬導體在0℃、t℃時的電阻值；α、β---金屬導體的電阻溫度系數（℃-1）。大多數金屬導體的電阻都隨溫度變化，其變化方程為：對于絕大多數金屬導體，α、β等并不是一個常數，而是溫度的函數。但在一定的溫度范圍內，二者可近似地視為一個常數。不同的金屬導體，α、β等保持常數所對應的溫度范圍不同。鉑電阻：-200~0℃

R0、

Rt-----溫度為0℃、t℃時的鉑電阻值；A=3.983×10-3(℃)-1；B=-5.86×10-7(℃)-2；

C=-4.22×10-12(℃)-4；0~630℃

銅電阻：

-50~150℃R0、

Rt-----溫度為0℃、t℃時的銅電阻值；

A=4.289×10-3(℃)-1；B=-2.133×10-7(℃)-2；C=1.233×10-9(℃)-3一、金屬熱電阻1、金屬熱電阻的電阻-溫度特性：鉑熱電阻 主要作為標準電阻溫度計，廣泛應用于溫度基準、標準的傳遞。銅熱電阻 測量精度要求不高且溫度較低的場合，測量范圍一般為―50～150℃。2、金屬熱電阻的主要材料：純金屬（鉑、銅）

----良好的線性、穩定性、較高的電阻率（1）鉑熱電阻：物理、化學性能非常穩定，是目前制造熱電阻最好的材料。國際上作為-259.34~630.74℃范圍內的溫度基準。

鉑熱電阻的測量精度：（測量值與真值的偏離程度）與鉑的純度有關，通常用百度電阻比W(100)表示鉑的純度。W(100)=R100/R0R100、R0----100℃和0℃時的電阻值W(100)越高，表示鉑電阻絲的純度越高，測溫精度也越高。國內統一設計的工業用標準鉑電阻，W（100）≥1.391鉑熱電阻的結構：一般由直徑為0.02-0.07mm的鉑絲繞在片形云母骨架上且采用無感繞法，然后裝入玻璃或陶瓷管等保護管內，鉑絲的引線采用銀線，引線用雙孔瓷絕緣套管絕緣。鉑熱電阻的分度號：電阻與溫度和初始電阻有關，不同初始電阻對應不同的分度號。我國主要有Pt50和Pt100兩種，其0℃時的電阻值R0分別為50Ω和100Ω。（2）銅熱電阻：

靈敏度比鉑電阻高，容易提純、價格便宜。但銅易氧化，一般用于150℃以下且沒有水分和腐蝕性介質中的溫度測量。

銅熱電阻的精度：也可用百度電阻比W(100)來表示。

銅熱電阻的分度號：一般設計為100Ω和50Ω兩種，對應的分度號為Cu100和Cu50。3、金屬熱電阻常用測溫電路----平衡電橋

由于金屬熱電阻的溫度系數較小，電阻值低，測量時應特別注意以下誤差源：

引線電阻的溫度誤差

一般采用三導線接法可以消除；

各觸點上的熱電動勢將所有觸點置于同一溫度下;

電阻的自熱效應限制熱電阻的電流（小于10mA），可通過降低橋路電源并增加放大器增益，或用交流電源（脈沖源激勵）來實現。內部引線方式有兩線制、三線制和四線制三種。二線制中引線電阻對測量影響大,用于測溫精度不高場合。三線制可以減小熱電阻與測量儀表之間連接導線的電阻因環境溫度變化所引起的測量誤差。（一般精度，工業測量）四線制可以完全消除引線電阻對測量的影響,用于高精度溫度檢測。工業用鉑電阻測溫采用三線制或四線制。（實驗室用）三導線接法：G為檢流計，R1R2R3為固定電阻，R4為零位調節電阻。熱電阻Rt通過三根導線和電橋連接，RL1RL2分別接在相鄰橋臂內，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。另一導線不在橋臂上，對電橋平衡狀態無影響。電橋可在一定溫度（如0℃）進行零位調節三導線接法中，可調電阻R4的觸點的接觸電阻和電橋臂的電阻相連，可能導致電橋的零點不穩定。可采取四線連接法。A、三線制測溫消除導線產生誤差原理相臨兩橋臂增加同一阻值的電阻，對電橋的平衡無影響。B、四線制測溫恒流源供電，已知電流I流過熱電阻Rt，使其產生壓降U，再用電位差計測出U，便可利用歐姆定律得見P154圖7-13第二節熱電偶式傳感器是利用溫差電現象制成的熱敏傳感器;

具有測溫范圍寬（一般為-50℃~+1600℃，最低可達-200℃，最高達2800℃）;

在良好的測量電路配合下，可實現高精度測量。實驗演示：結論：當兩個結點溫度不相同時，回路中將產生電動勢。

熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

左端稱為：測量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢AB、工作原理：溫差電現象（一）溫差電現象(塞貝克效應)：

將兩種不同材料的導體組成一個閉合回路，如果兩個結點的溫度不同，則回路中將產生一定的電流（或電動勢），其大小與材料性質及結點溫度有關。溫差電現象溫差電動勢若維持兩個結點的溫度差，則回路可作為電源，稱作溫差電偶或溫差電池。溫差電現象是可逆的----熱制冷的基礎當電流通過兩種不同金屬接成的回路時，將造成一個結點吸熱，另一個結點放熱，于是產生溫度差。改變電流方向，則溫度差也改變符號。

溫差電勢V=接觸電勢+湯姆遜電動勢接觸電勢：兩種不同金屬接觸時，會在接觸面形成電勢差。湯姆遜電動勢：同種導體兩端溫度不同而在兩端形成的電勢差。----哪種電勢起主要作用，取決于所用的材料。α,β----熱電偶常數(μV/℃)，由兩種金屬的特性決定；T1-------第一接觸點上的被測溫度；T2-------第二接觸點上的參比溫度，通常為0℃。熱電靈敏度S：（μV/℃）α通常是溫度的函數，隨溫度升高而變大。β值不大，在(T1-T2)不太大時，可近似為線性。（擬合）1.接觸電勢k——

玻耳茲曼常數；T——

接觸面的絕對溫度；e——

單位電荷量；NA——金屬電極A的自由電子密度NB——金屬電極B的自由電子密度接觸電勢帕爾帖電勢2.溫差電勢δ——湯姆遜系數，它表示溫度為1℃時所產生的電動勢值，它與材料的性質有關。溫差電勢（湯姆遜電勢）3.熱電偶回路的總熱電勢熱電極A和B為同一種材料時，NA=NB,δ

A=δB， 則EAB(T,T0)=0。若熱電偶兩端處于同一溫度下，T=T0

， 則EAB(T,T0)=0。熱電勢存在必須具備兩個條件： 一、兩種不同的金屬材料組成熱電偶， 二、它的兩端存在溫差。

熱電勢是T和T0的溫度函數的差，而不是溫度的函數。當T0=0℃時，f(T0)=c則有：E與T之間有唯一對應的單值函數關系，因此就可以用測量到的熱電勢E來得到對應的溫度值T，熱電偶熱電勢的大小，只是與導體A和B的材料有關，與冷熱端的溫度有關，與導體的粗細長短及兩導體接觸面積無關。（二）熱電偶的基本定則：

（1）均質回路定則：兩種均質金屬組成的熱電偶，其熱電勢大小與熱電極直徑、長度及沿熱電極長度上的溫度分布無關，只與熱電極材料和兩端溫度有關。只要T1、T2不變，則V不變EAB(T1,T2)EAB(T1,T3,T2)若新連接點均處在同一溫度下，則熱電勢不變。（儀表測量）（2）中間金屬定則：

在熱電偶回路中接入第三種金屬，只要第三種金屬材料兩端溫度相同，則熱電偶所產生的熱電勢保持不變，即不受第三種金屬接入的影響。對于熱電偶回路中熱電勢的大小，必須將其斷開，接入儀表才能測出其熱電勢值。所接入的儀表是另一種材質C所構成的導體。根據上述定則，只要第三種導體C的兩端溫度相等且均質，就對熱電勢EAB(T1,T2)無影響。因此，把冷端焊點打開，接入儀表，并保持其兩端溫度為冷端溫度之下，就能測出總熱電勢。（3）中間溫度定則：熱電偶在接點溫度為T1、T3時的熱電勢等于該熱電偶在接點溫度為T1、T2和T2、T3時相應熱電勢的代數和。EAB(T1,T2)EAB(T2,T3)EAB(T1,T3)=EAB(T1,T2)+EAB(T2,T3)根據這一定則，可用一個已知參比結點的溫度所得到的校準曲線去確定另一個參比結點溫度的校準曲線。根據這一定則，可用一個已知參比結點的溫度所得到的校準曲線去確定另一個參比結點溫度的校準曲線。比如：EAB(T1,0)=EAB(T1,20)+EAB(20,0)=EAB(T1,20)-EAB(0,20)，其中已知參比結點為20℃，另一參比結點為0℃。只要改變T1，就可得到以參比結點為0度時的校準曲線。（4）組成定則：如果兩種導體（A、B）分別與第三種導體C組合成熱電偶的熱電勢已知，則由這兩種導體（A、B）組成熱電偶的熱電勢為前二者之差。EAC(T1,T2)EBC(T1,T2)EAB(T1,T2)=EAC(T1,T2)-EBC(T1,T2)根據這個定則，通常用純度很高、物理化學性能非常穩定的材料（如鉑）做成電極C，稱為標準熱電極，作為確定各種材料的熱電特性的對比基準。如果差值太小，說明靈敏度低，熱電特性就不好。(5)連接導體定律為在工業測量溫度中使用補償導線提供了理論基礎。當A與A’，B與B’材料分別相同時中間溫度定律例6.3.1用（S型）熱電偶測量某一溫度，若參比端溫度T0=30℃，測得的熱電勢E(T,Tn)=7.5mV，求測量端實際溫度T。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，測量端實際溫度為830℃（三）熱電偶的種類

根據所用材料，熱電偶一般可分為K、E、J、T、B、R、S這7種類型（分度號），測溫范圍一般由熱電偶的線徑決定，線徑越粗所能測量的溫度越高。（表7-1）K:鎳鉻—鎳硅

E:鎳鉻—銅鎳（康銅）J:鐵—銅鎳（康銅）T:銅—銅鎳（康銅）B:鉑銠30—鉑銠6

R:鉑銠13—鉑

S:鉑銠10

1、冰浴法：0℃的恒溫器：精度在±0.4℃內0℃冰點槽：精度為±0.05℃---最為妥善，但不夠方便，僅限于試驗室使用。（一）熱電偶傳感器的冷端補償二、熱電偶式傳感器的測量電路：熱電偶測溫原理：根據中間金屬定則，只要第三種金屬材料兩端溫度相同，則熱電偶所產生的熱電勢保持不變。導體A、B組成熱電偶，第三種導體C接毫伏計，毫伏計與A、B熱電偶的冷端的兩個結點的溫度均為冷端溫度T2,而熱電偶的熱端作為測量端。思考題：上圖為熱電偶測溫原理圖：（1）ABC各代表什么？（2）T1、T2分別稱為什么？（3）冰點槽的作用是什么？（在使用熱電偶式傳感器時，為什么要對冷端溫度進行補償？）（只有當冷端溫度保持不變時，熱電勢才是被測溫度的單值函數。在應用時，由于熱電偶工作端與冷端距離很近，冷端又暴露于空間，容易受周圍環境溫度波動影響，因而冷端溫度難以保持恒定，故采用冰點槽穩定冷端溫度）（4）毫伏表測量的是什么？（讀數是否為熱電偶的溫差電動勢）（5）從原理上說，C的接入會不會對毫伏表讀數產生影響，為什么？（根據中間金屬定則，把第三種金屬換成電壓測量電路，并保持兩個結點溫度一致，就可完成溫度測量。由導體ABC組成回路的總電勢應與EAB(T1,T2)相等。溫度場遠端指示儀表常用廉價的補償導線來完成遠端連接材料要求：使用的補償導線的冷端熱電特性與熱電偶冷端的熱電特性相同，即EAB(T1,T0)=ECD(T1,T0)熱電偶一般為貴金屬材料2、補償導線法----冷端延長線：說明：只有當所移動到的冷端溫度或配用儀表本身具有溫度自動補償（對T0的補償）裝置時，應用補償導線才有意義思考：熱電偶冷端延長線（冷端補償導線）的作用是什么？對這種補償導線的材料有什么要求？實際工作時，熱電偶經常是置于所要測溫的溫度場中，用于指示的儀表與溫度場往往相距很遠。熱電偶的材料通常為貴金屬，直接連接到遠處指示儀表上很不經濟，常用廉價的補償導線來完成這種遠距離的連接。所用連線稱為冷端延長線，或冷端補償導線。這樣做將使熱電偶的冷端發生變化，這就要求使用的補償導線的冷端熱電特性與熱電偶冷端的熱電特性相同。說明：只有當所移動到的冷端溫度或配用儀表本身具有溫度自動補償（對T0的補償）裝置時，應用補償導線才有意義，因此，熱電偶的冷端溫度必須妥善安置，同時熱電偶和補償導線連接處的溫度不應超過100℃。常用熱電偶補償導線鉑銠-鉑（R/S）銅-鎳銅鎳鉻-鎳硅（K）銅-康銅鎳鉻-康銅（E）本身材料銅-康銅（T）本身材料**常用熱電偶及其補償導線：

熱電偶冷端必須妥善安置：只有當所移動到的冷端溫度或配用儀表本身具有溫度自動補償（對T0的補償）裝置時，應用補償導線才有意義。熱電偶和補償導線連接處的溫度不應超過100℃。3、補償電橋法：（自動補償法）

如果參比溫度要求模擬冰點，則橋路應在T1=T2=0℃時調整到總線路輸出為0。錳銅絲繞制，阻值不隨溫度而變銅絲繞制，電阻值隨溫度升高而增大。高輸入阻抗R4

利用不平衡電橋產生的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。T2↑↓→EAB(T1,T2)↓↑T2↑↓→RT↑↓→Uab↑↓思考題：圖為熱電偶冷端溫度補償電橋電路，R1R2R3R4為錳銅絲繞制，溫度穩定性好，其中R4可調；Rt為銅絲繞制，其阻值隨溫度升高而增大，電橋在0℃時為平衡電橋（參比溫度要求模擬冰點），試說明其補償原理。結構：冷端補償器內有一個不平衡電橋，其輸出端串聯在熱電偶回路中。R4為限流電阻，一般可調。設計時使Rt(銅電阻）在0℃時的阻值與其余三個橋臂電阻完全相等，這時電橋處于平衡，電橋輸出為0，對熱電勢無影響。此時的溫度稱為電橋平衡溫度。原理：當熱電偶冷端溫度隨環境溫度變化，若T2>0，熱電勢將減小

△E，但這時Rt增大，使電橋不平衡，出現Uab↑,而且極性a正b負，這時的Uab與熱電勢同向串聯，使輸出端得到補償。如果限流電阻R4選擇合適，可使Uab在一定溫度范圍內增大的值恰好等于熱電勢減小的值即Uab=△E,就完全避免了T2不為0的變化對測量的影響。

±5℃的中等波動時，有效參比溫度穩定性為±0.2℃思考：為什么熱電阻測溫度需要接入電橋,而熱電偶不需要？

熱電阻是通過電阻值的變化來測量溫度的，所以從測溫現場到控制室一般都有一段距離，這段距離是要用銅導線進行連接的，盡管銅導線的阻值很小，但這段導線也是有電阻的，它會影響測溫準確度，在使用時為了把這段阻值除去，就要通過電橋來完成，所以電阻測溫要有橋路電路來消除引線電阻；

熱電偶是通過熱電動勢的變化來測溫的，跟引線的電阻值無關，但必須使用相應配套的補償導線從測溫現場到控制室進行連接，所以熱電偶測量中沒有橋路電路。（二）熱電偶的測量芯片：集成了熱電勢放大電路、基準結點溫度補償電路、斷線檢測電路等。AD594---專門針對J型AD595---專門針對K型熱電偶用接插件連接，接插件處是基準結點，故應與芯片盡量靠近，且芯片附近不要配置發熱元件。若測量溫度范圍較寬，需進行線性補償。三、熱電偶的分度表

——熱電偶的線性較差，多數情況下采用查表法

我國從1991年開始采用國際計量委員會規定的“1990年國際溫標”（簡稱ITS-90）的新標準。按此標準，制定了相應的分度表。

直接從熱電偶的分度