2025/4/9songyonggang1第八章熱電傳感器8-1測溫方法一、接觸式測溫通過熱傳遞，達(dá)到熱平衡的原理，再根據(jù)測溫元件隨溫度變化的規(guī)律來確定溫度的高低。接觸式測溫分為：膨脹式、電阻式和熱電偶三類。1、膨脹式①液體膨脹式：利用液體的熱脹冷縮特性，如酒精、水銀等；②氣體膨脹式：利用氣體的熱脹冷縮特性，如氮氣；③固體膨脹式：利用固體的熱脹冷縮特性，如復(fù)合雙金屬。2025/4/9songyonggang22、電阻式工作原理：利用金屬或者半導(dǎo)體材料的電阻溫度特性工作。分類：熱電阻和熱敏電阻。3、熱電偶工作原理：兩種不同的金屬組成的閉合回路的熱電效應(yīng)工作。二、非接觸式測溫工作原理：熱輻射原理。任何物體的溫度高于絕對零度（-273。15°C），都有一部分能量向外輻射，溫度越高，輻射能量越大。輻射能量是以電磁波的形式向外傳遞的。包括β射線，X射線，紫外線，可見光，紅外線等。其中紅外線和可見光可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。利用紅外輻射和可見光測量溫度的方法稱為熱輻射測溫。2025/4/9songyonggang38－2電阻式溫度傳感器利用感溫元件的電阻值隨溫度變化的特性制成的傳感器。熱電阻---金屬電阻溫度傳感器。熱敏電阻—半導(dǎo)體溫度傳感器。一、熱電阻大多數(shù)金屬的電阻值隨溫度變化而變化。常用做熱電阻的金屬有鉑和銅。常用熱電阻：1、鉑熱電阻A、B、C—分度系數(shù)，A=3.96847×10-3/℃，B=－5.847×10-7/℃，

C=－4.22×10-12/℃。鉑熱電阻的R0分別為46Ω和100Ω。2025/4/9songyonggang4百度電阻比：

表示純度不同時，100℃與0℃的電阻值之比，即。工業(yè)常用的鉑熱電阻的。鉑的純度越高，電阻率越大。純度越高，上述比值也越大。2、銅熱電阻其中：

銅的電阻率小，體積大，易氧化，只適用于低溫及無腐蝕環(huán)境工作。

銅熱電阻的R0分別為50Ω和100Ω。2025/4/9songyonggang52025/4/9songyonggang62025/4/9songyonggang7

三線式測量電橋與普通電橋所不同的是考慮了導(dǎo)線電阻對于電橋平衡的影響，設(shè)置了調(diào)零電阻Ra。其中r1,r2,r3分別代表導(dǎo)線電阻。Rt為熱電阻，Ra為調(diào)零電阻。R1,R2為橋臂電阻。當(dāng)UA=UB,電橋平衡，使r1=r2，則Ra=Rt。二、熱電阻的測量電路常用電橋作為熱電阻的測量電路。因為熱電阻的阻值很小，所以連接導(dǎo)線的電阻值不可忽視。為此，常用三線式電橋連接法。2025/4/9songyonggang8三、熱敏電阻利用半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度變化的特性工作。分類：1、負(fù)溫度系數(shù)（NTC，NegativeTemperatureCoefficient）：電阻值隨溫度升高而下降，標(biāo)為綠色；2、臨界溫度電阻（CTR,CriticalTemperatureResistor）：電阻值隨溫度升高而急劇下降，標(biāo)為白色；3、正溫度系數(shù)（PTC，PositiveTemperatureCoefficient）：電阻值隨溫度升高而升高，標(biāo)為紅色。2025/4/9songyonggang9熱敏電阻的特性1、電阻—溫度特性熱敏電阻的電阻值與溫度之間為非線性關(guān)系。

幾種常用熱敏電阻的電阻—溫度特性如右圖所示。2025/4/9songyonggang102、伏安特性①負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的伏安特性分為二個區(qū)域：線性區(qū)：電流小于Ia時，熱敏電阻的端電壓與電流保持線性關(guān)系，遵循歐姆定律。功耗小，溫升可以忽略。負(fù)阻區(qū)：電流繼續(xù)增大時，功耗和溫升增大，電阻值Rt增大放慢。若電流繼續(xù)增大，電阻值急劇下降，電壓隨電流的增大而下降，曲線呈非線性。2025/4/9songyonggang11②正溫度系數(shù)熱敏電阻的伏安特性也有兩個區(qū)域。線性區(qū)：當(dāng)電流從零開始增大過程中，電壓與電流成線性關(guān)系。當(dāng)功耗繼續(xù)增大時，熱敏電阻溫度超過環(huán)境溫度，引起電阻值增大，曲線開始彎曲，當(dāng)電壓增至Um時，對應(yīng)的電流為最大電流Im。電壓繼續(xù)增大，溫升引起的電阻值的增加超過電壓增加的速度，電流反而減小。2025/4/9songyonggang12熱敏電阻伏安特性的作用：用來正確選擇熱敏電阻的最佳工作范圍。主要使用線性區(qū)，用于測溫、控制溫度和進(jìn)行溫度補償。2025/4/9songyonggang13熱敏電阻的應(yīng)用：1、溫度測量：用于測量氣體、液體、固體、高空氣象、海洋、深井等方面的溫度測量。由于熱敏電阻的阻值大，靈敏度高，故常與普通直流電橋一起使用。用于熱水器、冰箱等溫度測量。2、溫度補償：利用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻對具有正溫度系數(shù)的元件進(jìn)行溫度補償。3、溫度控制：將熱敏電阻放置在測溫場中，利用熱敏電阻的繼電效應(yīng)，與繼電器或其他保護(hù)裝置的線圈連接，實現(xiàn)溫度控制。2025/4/9songyonggang144、過熱保護(hù)：小電流工況：采用直接保護(hù)。將PTC（正溫度系數(shù)）熱敏電阻串接在電路中與被保護(hù)對象靠近放置。變壓器過熱保護(hù)電機(jī)過熱保護(hù)大電流工況：采用間接保護(hù)。利用負(fù)電阻溫度系數(shù)電阻，通過晶體管或繼電器等對被保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)。5、在家用電器中作為電熱源：①電吹風(fēng)：用蜂巢式PTC熱敏電阻作為加熱源。②室溫調(diào)節(jié)器：用蜂巢式PTC熱敏電阻作為發(fā)熱體，通過改變通風(fēng)量，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。2025/4/9songyonggang158－3熱電偶一、熱電變換原理：

把兩種不同金屬導(dǎo)體接成閉合回路，如果兩端溫度不同(設(shè)

T＞TO)，則在回路中就會產(chǎn)生熱電勢。這種由于溫度不同而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象，稱為熱電效應(yīng)。若兩端的溫差越大，產(chǎn)生的熱電勢也越大。通常把上述兩種不同導(dǎo)體的組合稱為熱電偶，稱A、B兩導(dǎo)體為熱電極。兩個接點中，一個為工作端(或稱為熱端)T，測溫時將它置于被測溫度場中；另一個叫自由端(或稱為冷端)TO，一般要求冷端恒定在某一溫度。

熱電偶回路中，所產(chǎn)生的熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成的。2025/4/9songyonggang16

由導(dǎo)體A和B組成的閉合回路,當(dāng)兩個結(jié)點的溫度T＞T0時,回路的總熱電勢為兩個結(jié)點的接觸電勢和兩個導(dǎo)體的溫差電勢的代數(shù)和，即:式中：T，T0---結(jié)點處的絕對溫度；

K--------波耳滋曼常數(shù)（關(guān)于溫度及能量的物理常數(shù)）；

e---------電子電荷量；

---導(dǎo)體A和B的自由電子密度；

---溫差系數(shù)，與導(dǎo)體材料和溫度有關(guān)。2025/4/9songyonggang17

實踐證明：金屬中的自由電子數(shù)量足夠多，溫度變化對其影響很小，所以，同一導(dǎo)體的溫差電勢極小，可以忽略。上式為：

當(dāng)電極材料A，B選定之后，熱電勢是結(jié)點溫度T，T0的函數(shù)值之差，即：

若保持冷端溫度T0不變（通常為0℃），為一個常數(shù)，則熱電勢僅為熱端溫度T的單值函數(shù)C。通過測量熱電勢即可測量熱端溫度。這就是熱電偶測溫原理的基本公式。2025/4/9songyonggang18熱電偶工作的基本要求：1、若熱電偶兩電極A和B材料相同，兩接點溫度不同時，接觸電勢EAB(T)和EAB(TO)皆為零。溫差電勢EA(T，TO)和EB(T，TO)大小相等，方向相反，所以不會產(chǎn)生熱電勢，即熱電偶的電極必須由兩種不同的材料構(gòu)成；2、若熱電偶兩接點溫度相同，兩電極材料不同時，無溫差電勢，接觸電勢大小相等方向相反，也不會產(chǎn)生熱電勢，即熱電偶的兩個結(jié)點之間必須有溫度差；3、熱電勢的大小僅與熱電極材料的性質(zhì)、兩結(jié)點之間的溫度差有關(guān)，而與熱電偶的尺寸及形狀無關(guān)。即熱電極都是A、B兩種材料組成的熱電偶可以完全互換，不管熱電偶的尺寸、形狀如何。2025/4/9songyonggang19二、熱電偶的基本定律

(1)均質(zhì)導(dǎo)體定律兩種均質(zhì)金屬組成的熱電偶，其電勢大小與熱電極直徑、長度及沿?zé)犭姌O長度的溫度分布無關(guān)，只與熱電極材料和兩端溫度有關(guān)。由一種均質(zhì)金屬組成的熱電偶，即使有溫差，也無熱電勢。

(2)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中插入第三、四……種導(dǎo)體，只要插入導(dǎo)體的兩端溫度相等，且插入導(dǎo)體是勻質(zhì)的，則無論插入導(dǎo)體的溫度分布如何，都不會影響原來熱電偶熱電勢的大小。因此，將毫伏表接入熱電偶回路并保證兩個結(jié)點溫度一致，不影響熱電偶的輸出，即可對熱電勢進(jìn)行正確測量。2025/4/9songyonggang20

(3)中間溫度定律熱電偶AB在接點溫度分別為T，T。時的熱電勢，等于熱電偶在接點溫度為T、Tn和TO時的熱電勢的代數(shù)和。即

EAB(T，TO)＝EAB(T，Tn)十EAB(Tn，TO)

(4)標(biāo)準(zhǔn)電極定律若兩種導(dǎo)體A、B分別與第三種導(dǎo)體C組成的熱電偶的熱電勢已知，則導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電勢為：這里C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極。鉑容易提純，熔點高，性能穩(wěn)定，使用中一般是以純鉑作為標(biāo)準(zhǔn)電極。2025/4/9songyonggang21三、熱電偶的冷端溫度補償：一、冷端恒溫法：恒溫法就是把熱電偶的冷端置于某種溫度不變的裝置中。將冷端放在冰和水混合的容器中，保持冷端為0℃不變。這種方法精度高，但在工程中應(yīng)用很不方便，一般用于實驗室。在冷端溫度不等于0℃但tn為不變時，根據(jù)中間溫度定律，可將熱電勢修正到冷端為0℃時的電勢E(t，0)＝E(t，tn)十E(tn，0)，因為溫度tn保持不變E(tn，0)為常值，該值可從熱電偶分度表中查出。測出的熱電勢E(t，tn)與查表得到的E(tn，0)相加，就可得到冷端為0℃時的熱電勢E(t，0)

，根據(jù)E(t，0)再查熱電偶分度表，就可得到t。2025/4/9songyonggang22二、補償導(dǎo)線法：用在0～100℃溫度范圍內(nèi)熱電性質(zhì)與熱電偶相近的廉價金屬導(dǎo)線，代替貴重金屬延長熱電極冷端，這種導(dǎo)線稱為冷端補償導(dǎo)線。只要在冷端溫度可能的變化范圍內(nèi)(0～100℃)，由C、D所組成的補償導(dǎo)線與由A、B組成的工作熱電偶具有相同的熱電特性，即ECD(t’，0)＝EAB(t’，0)，則由中間導(dǎo)體定律可知，C、D的接入不會引起附加誤差。應(yīng)用補償導(dǎo)線時必須注意：

(l)不同的熱電偶必須選用相應(yīng)的補償導(dǎo)線。

(2)補償導(dǎo)線和熱電極連接處兩接點的溫度必須相同，且不可超過規(guī)定的溫度范圍(一般為0～100℃)。

(3)采用補償導(dǎo)線只是移動了冷接點的位置，當(dāng)該處溫度不為0℃時，仍須進(jìn)行冷端溫度補償。2025/4/9songyonggang23三、補償電橋法：電橋補償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢，去補償由冷端變化而引起的熱電勢的變化量。這種裝置也稱為冷端溫度補償器。如圖所示，該補償器常接在熱電偶與顯示儀表之間，電阻Rl，R2，R3和限流電阻Rg是用溫度系數(shù)很小的錳銅絲做成的。RH是用電阻溫度系數(shù)較大的銅或鎳線繞制而成。

當(dāng)環(huán)境溫度為20℃時，電橋處于平衡狀態(tài)。a、b兩點電位相等，無電壓輸出，補償電橋不影響熱電偶回路的熱電勢。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，熱電偶的冷端和RH感受相同的溫度變化，從而RH電阻值也隨溫度而改變，使電橋失去平衡，有不平衡電勢ΔE1輸出；同時，冷端溫度的變化使熱電偶的電勢值隨之變化ΔE2。如果我們設(shè)計ΔE1與ΔE數(shù)值相等、極性相反，則疊加后互相抵消，因而起到冷端溫度變化自動補償?shù)淖饔谩?025/4/9songyonggang248－4熱電偶的結(jié)構(gòu)及熱電勢的測量

熱電偶的類型、規(guī)格、結(jié)構(gòu)品種繁多，根據(jù)熱電極材料可分為難熔、貴金屬、賤金屬、非金屬熱電偶等；根據(jù)測溫范圍可分為高溫、中溫、低溫?zé)犭娕?；根?jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可分為標(biāo)準(zhǔn)化、非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶；按結(jié)構(gòu)可分為普通、鎧裝、薄膜熱電偶等。一、熱電偶的結(jié)構(gòu)

如圖為普通熱電偶的結(jié)構(gòu)圖示意圖，它由熱電極、絕緣管(或絕緣子)、保護(hù)套管、接線盒等幾部分組成。根據(jù)測溫范圍和環(huán)境情況，可以選用不同的熱電偶和不同的保護(hù)套管。2025/4/9songyonggang25

普通熱電偶的熱電極是一端焊在一起的兩根金屬絲，兩熱電極之間用絕緣套管絕緣。為了防止有害介質(zhì)侵蝕熱電極，還常配有保護(hù)套管，通過接線盒引出電極線。熱電偶在測量溫度時，將測量端插入被測對象的內(nèi)部，主要用于測量容器或管道內(nèi)氣體、蒸汽、液體等介質(zhì)的溫度。

鎧裝熱電偶是由不銹鋼保護(hù)管，氧化鎂絕緣粉，熱電偶絲材經(jīng)模壓成型的熱電偶。2025/4/9songyonggang26二、熱電偶測溫電路及其應(yīng)用1．熱電偶測溫基本線路2025/4/9songyonggang27

圖(a)是測量某點溫度的線路，

A、B為熱電偶，C、D為補償導(dǎo)線，冷端溫度為T0，E為銅導(dǎo)線(在實際使用時把補償導(dǎo)線連接到儀表的接線端子，冷端溫度即為儀表接線端所處的環(huán)境溫度)，G為配用儀表。圖(b)是測量兩點溫度差的線路。用兩支同型號的熱電偶，配用相同的補償導(dǎo)線，連接的方法應(yīng)使各自產(chǎn)生的熱電勢互相抵消。這時儀表G即可測得Tl和T2的溫度之差。圖(c)是測量平均溫度的線路，通常用幾支同型號的熱電偶并聯(lián)在一起，要求三支熱電偶都工作在線性段，在指示