常用溫度傳感器原理講義

1、常用溫度傳感器原理一、 概述：1. 定義：傳感器是一種轉(zhuǎn)換裝置，其作用是借助檢測(cè)元件把被測(cè)對(duì)象的力、位移、速度、加速度、溫度、壓力等參數(shù)轉(zhuǎn)換為可以檢測(cè)、傳輸、處理的信號(hào)（如電壓信號(hào)、電流信號(hào)等）。又稱變換器或檢測(cè)器，在聲學(xué)里也稱換能器，測(cè)量振動(dòng)的傳感器又稱拾振器。2. 分類：按輸入量性質(zhì)的不同可分為加速度、速度、位移、溫度、壓力傳感器等。按變換原理的不同可分為電阻式、電感式、電容式、壓電式、磁電式傳感器等。按測(cè)量參數(shù)分類按工作原理分類二、 溫度傳感器：溫度是國(guó)際單位制給出的基本物理量之一，它是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)試驗(yàn)中需要經(jīng)常測(cè)量和控制的主要參數(shù)，也是與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相關(guān)的一個(gè)重要物理量。通常把

2、長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量等基準(zhǔn)物理量稱作“外延量”，它們可以疊加，例如把長(zhǎng)度相同的兩個(gè)物體連接起來，其總長(zhǎng)度為原來的單個(gè)物體長(zhǎng)度的兩倍。溫度是一種“內(nèi)涵量”，疊加原理不再適用，例如把兩瓶 的水倒在一起，其溫度絕不可能增加，更不可能成為 。從熱平衡的觀點(diǎn)看，溫度是物體內(nèi)部分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的標(biāo)志，溫度高的物體，其內(nèi)部分子平均動(dòng)能大；溫度低的物體，其內(nèi)部分子的平均動(dòng)能小。熱力學(xué)的第零定律指出：具有相同溫度的兩個(gè)物體，它們必然處于熱平衡狀態(tài)；當(dāng)兩個(gè)物體分別與第三個(gè)物體處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，這兩個(gè)物體也處于熱平衡狀態(tài)，即這三個(gè)物體處于同一溫度。因此，如果我們能用可復(fù)現(xiàn)的手段建立一系列基準(zhǔn)溫度值，就可將其他待

3、測(cè)物體的溫度和這些基準(zhǔn)溫度進(jìn)行比較，從而得到待測(cè)物體的溫度。1、 溫標(biāo)與標(biāo)定：a) 溫標(biāo)：現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)力學(xué)雖然建立了溫度和分子動(dòng)能之間的函數(shù)關(guān)系，但由于目前還難以直接測(cè)量物體內(nèi)部的分子動(dòng)能，因而只能利用一些物質(zhì)的某些物性（諸如尺寸、密度、硬度、彈性模量、輻射強(qiáng)度等）隨溫度變化的規(guī)律，通過這些量來對(duì)溫度進(jìn)行間接測(cè)量。為了保證溫度量值的準(zhǔn)確并利于傳遞，需要建立一個(gè)衡量溫度的統(tǒng)一尺度，即溫標(biāo)。隨著溫度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，溫標(biāo)也經(jīng)歷了一個(gè)逐漸發(fā)展，不斷修改和完善的漸進(jìn)過程。從早期建立的一些經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)，發(fā)展為后來的理想熱力學(xué)溫標(biāo)和絕對(duì)氣體溫標(biāo)，到現(xiàn)今使用的具有較高精度的國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)，其間經(jīng)歷了幾百年時(shí)間。經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)

4、根據(jù)某些物質(zhì)的體積膨脹與溫度的關(guān)系，用實(shí)驗(yàn)方法或經(jīng)驗(yàn)公式所確定的溫標(biāo)稱為經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。*華氏溫標(biāo)：年德國(guó)人法勒海特（）以水銀為測(cè)溫介質(zhì)，制成玻璃水銀溫度計(jì)，選取氯化銨和冰水的混合物的溫度為溫度計(jì)的零攝氏度，人體溫度為溫度計(jì)的 度，把水銀溫度計(jì)從 度到 度按水銀的體積膨脹距離分成份，每一份為 華氏度，記作“°”。按照華氏溫標(biāo)，水的冰點(diǎn)為°，沸點(diǎn)為°。*攝氏溫標(biāo)：年瑞典人攝氏（）提出在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把水的冰點(diǎn)規(guī)定為度，水的沸點(diǎn)規(guī)定為度。根據(jù)水這兩個(gè)固定溫度點(diǎn)來對(duì)玻璃水銀溫度計(jì)進(jìn)行分度，平均分成等份，每一份稱為攝氏度，記作 。攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系為(/)*（）式中，為華

5、氏溫度值；為攝氏溫度值。除華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)外，還有一些類似經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)，如列氏溫標(biāo)、蘭氏溫標(biāo)等，這里不再一一列舉。經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)均依賴于其規(guī)定的測(cè)量物質(zhì)，測(cè)溫范圍也不能超過其上、下限（如攝氏溫標(biāo)為 、），超過了這個(gè)溫區(qū)，攝氏溫標(biāo)將不能進(jìn)行溫度標(biāo)定?？傊?jīng)驗(yàn)溫標(biāo)具有很大的局限性，很快就不能適應(yīng)工業(yè)和科技等領(lǐng)域的測(cè)溫需要。熱力學(xué)溫標(biāo)年由開爾文（）提出的以卡諾循環(huán)（）為基礎(chǔ)建立的熱力學(xué)溫標(biāo)，是一種理想而不能真正實(shí)現(xiàn)的理論溫標(biāo)，它是國(guó)際單位制中七個(gè)基本物理單位之一。該溫標(biāo)為了在分度上和攝氏溫標(biāo)相一致，把理想氣體壓力為零時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度絕對(duì)零度（在實(shí)驗(yàn)中無法達(dá)到的理論溫度，低于 的溫度不可能存在）與水的三相點(diǎn)溫度

6、分成份，每份為（）。熱力學(xué)溫度的單位為“”。a)b) 標(biāo)定：對(duì)溫度計(jì)的標(biāo)定，有標(biāo)準(zhǔn)值法和標(biāo)準(zhǔn)表法兩種方法。標(biāo)準(zhǔn)值法就是用適當(dāng)?shù)姆椒ń⑵鹨幌盗袊?guó)際溫標(biāo)定義的固定溫度點(diǎn)（恒溫）作標(biāo)準(zhǔn)值，把被標(biāo)定溫度計(jì)（或傳感器）依次置于這些標(biāo)準(zhǔn)溫度值之下，記錄下溫度計(jì)的相應(yīng)示值（或傳感器的輸出），并利用國(guó)際溫標(biāo)規(guī)定的內(nèi)插公式對(duì)溫度計(jì)（傳感器）的分度進(jìn)行對(duì)比記錄，從而完成對(duì)溫度計(jì)的標(biāo)定。標(biāo)定后的溫度計(jì)可作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)使用。另一種更為一般和常用的標(biāo)定方法是把被標(biāo)定溫度計(jì)（傳感器）與已被標(biāo)定好的更高一級(jí)精度的溫度計(jì)（傳感器），緊靠在一起，共同置于可調(diào)節(jié)的恒溫槽中，分別把槽溫調(diào)節(jié)到所選擇的若干溫度點(diǎn)，比較和記錄兩者的讀

7、數(shù)，獲得一系列對(duì)應(yīng)差值，經(jīng)多次升溫、降溫，重復(fù)測(cè)試，若這些差值穩(wěn)定，即可把記錄下的這些差值作為被標(biāo)定溫度計(jì)的修正量，完成對(duì)被標(biāo)定溫度計(jì)的標(biāo)定。各國(guó)都根據(jù)國(guó)際溫標(biāo)規(guī)定建立了自己的標(biāo)準(zhǔn)，并定期和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)比，以保證其精度和可靠性。我國(guó)的國(guó)家溫度標(biāo)準(zhǔn)保存在中國(guó)計(jì)量科學(xué)院。各省（直轄市、自治區(qū)）市縣計(jì)量部門的溫度標(biāo)準(zhǔn)定期進(jìn)行下級(jí)與上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比（修正）、標(biāo)定，據(jù)此進(jìn)行溫度標(biāo)準(zhǔn)的傳遞，從而保證溫度標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確與統(tǒng)一。2、 測(cè)量方法分類及其特點(diǎn)：根據(jù)傳感器的測(cè)溫方式，溫度基本測(cè)量方法通?？煞譃榻佑|式和非接觸式兩大類。接觸式溫度測(cè)量的特點(diǎn)是感溫元件直接與被測(cè)對(duì)象相接觸，兩者進(jìn)行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡，

8、此時(shí)感溫元件的溫度與被測(cè)對(duì)象的溫度必然相等，溫度計(jì)的示值就是被測(cè)對(duì)象的溫度。接觸式測(cè)溫的測(cè)溫精度相對(duì)較高，直觀可靠，測(cè)溫儀表價(jià)格較低，但由于感溫元件與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，會(huì)影響被測(cè)介質(zhì)的熱平衡狀態(tài)，而接觸不良又會(huì)增加測(cè)溫誤差；若被測(cè)介質(zhì)具有腐蝕性或溫度太高亦將嚴(yán)重影響感溫元件的性能和壽命。根據(jù)測(cè)溫轉(zhuǎn)換的原理，接觸式測(cè)溫可分為膨脹式、熱阻式、熱電式等多種形式。非接觸式溫度測(cè)量的特點(diǎn)是感溫元件不與被測(cè)對(duì)象直接接觸，而是通過接受被測(cè)物體的熱輻射能實(shí)現(xiàn)熱交換，據(jù)此測(cè)出被測(cè)對(duì)象的溫度。因此，非接觸式測(cè)溫具有不改變被測(cè)物體的溫度分布，熱慣性小，測(cè)溫上限可設(shè)計(jì)得很高，便于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度和快速變化的溫度等優(yōu)

9、點(diǎn)。兩類測(cè)溫方法的主要特點(diǎn)如下表：各類溫度檢測(cè)方法構(gòu)成的測(cè)溫儀表的大體測(cè)溫范圍如表：3、 熱阻式測(cè)量方法：熱阻式測(cè)溫是根據(jù)金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)，將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而達(dá)到測(cè)溫的目的。用于制造熱電阻的材料，電阻率、電阻溫度系數(shù)要大，熱容量、熱慣性要小，電阻與溫度的關(guān)系最好近于線性。另外，材料的物理、化學(xué)性質(zhì)要穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，易提純，同時(shí)價(jià)格盡可能便宜。熱電阻測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)靈敏度高，易于連續(xù)測(cè)量，可以遠(yuǎn)傳（與熱電偶相比），無需參比溫度；金屬熱電阻穩(wěn)定性高，互換性好，精度高，可以用作基準(zhǔn)儀表。熱電阻主要缺點(diǎn)是需要電源激勵(lì)，有自熱現(xiàn)象（會(huì)影響測(cè)量精度），測(cè)量溫度不能太高

10、。常用熱電阻主要有鉑電阻、銅電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻。a) 鉑電阻測(cè)溫：鉑電阻的電阻率較大，電阻溫度關(guān)系呈非線性，但測(cè)溫范圍廣，精度高，且材料易提純，復(fù)現(xiàn)性好；在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定。國(guó)際規(guī)定，在 溫度范圍內(nèi)，以鉑電阻溫度計(jì)作為基準(zhǔn)溫度儀器。鉑的純度用百度電阻比 表示。它是鉑電阻在 時(shí)電阻值 與 時(shí)電阻值 之比，即 。越大，其純度越高。目前技術(shù)已達(dá)到，其相應(yīng)的鉑純度為 。國(guó)際規(guī)定，作為標(biāo)準(zhǔn)儀器的鉑電阻 應(yīng)大于。一般工業(yè)用鉑電阻的 應(yīng)大于。目前工業(yè)用鉑電阻分度號(hào)為和，其中更為常用；而是用較粗的鉑絲制作的，主要用于 以上的測(cè)溫。鉑電阻測(cè)溫范圍通常最大為。在 以上高溫（真空

11、和還原氣氛將導(dǎo)致電阻值迅速漂移）只適合在氧化氣氛中使用。鉑電阻與溫度的關(guān)系為當(dāng) 時(shí)：當(dāng) 時(shí)：式中， 為溫度為零時(shí)鉑熱電阻的電阻值（為，為）；（）為溫度為時(shí)鉑熱電阻的電阻值；、為系數(shù)，× ；× ；× 。熱電阻的結(jié)構(gòu)：工業(yè)熱電阻的基本結(jié)構(gòu)如圖：熱電阻主要由感溫元件、內(nèi)引線、保護(hù)管三部分組成。通常還具有與外部測(cè)量及控制裝置、機(jī)械裝置連接的部件。它的外形與熱電偶相似，使用時(shí)要注意避免用錯(cuò)。熱電阻感溫元件是用來感受溫度變化的電阻器，它是熱電阻的核心部分，由電阻絲及絕緣骨架構(gòu)成。作為熱電阻絲的材料應(yīng)具備如下條件：電阻溫度系數(shù)大，線性好，性能穩(wěn)定；使用溫度范圍廣，加工方便；固有

12、電阻大，互換性好，復(fù)制性強(qiáng)。能夠滿足上述要求的絲材，最好是純鉑絲。我國(guó)純鉑絲品種及應(yīng)用范圍如下表絕緣骨架是用來纏繞、支承或固定熱電阻絲的支架。它的質(zhì)量將直接影響電阻的性能。因此，作為骨架材料應(yīng)滿足如下要求：在使用溫度范圍內(nèi)，電絕緣性能好；熱膨脹系數(shù)要與熱電阻相近；物理及化學(xué)性能穩(wěn)定，不產(chǎn)生有害物質(zhì)污染熱電阻絲；足夠的機(jī)械強(qiáng)度及良好的加工性能；比熱容小，熱導(dǎo)率大。目前常用的骨架材料有云母、玻璃、石英、陶瓷等。用不同骨架可制成多種熱電阻感溫元件。采用云母骨架的感溫元件特點(diǎn)是：抗機(jī)械振動(dòng)性能強(qiáng)，響應(yīng)快。很久以來多用云母做骨架。但是，由于云母是天然物質(zhì)，其質(zhì)量不穩(wěn)定，即使是優(yōu)質(zhì)云母，在 以上也要放出結(jié)

13、晶水并產(chǎn)生變形。所以，采用云母骨架的感溫元件使用溫度宜在以下。因其電阻絲并非完全固定，故受熱后引起電阻變化小，電阻性能比較穩(wěn)定，但體積較大，不適宜在狹小場(chǎng)所進(jìn)行測(cè)量，并且響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。采用玻璃骨架的感溫元件特點(diǎn)是：體積小，響應(yīng)快，抗振性強(qiáng)。因鉑絲已固定在玻璃骨架上，故在使用中不產(chǎn)生變形，因此，必須選取與電阻絲具有相同膨脹系數(shù)的玻璃作骨架，否則，當(dāng)溫度變化時(shí)引起膨脹或收縮，就會(huì)改變熱電阻的性能。感溫元件較通用的尺寸是外徑為，長(zhǎng)度為。這種玻璃骨架的軟化點(diǎn)約為 ，最高安全使用溫度為，而且，低溫到仍然可用。采用陶瓷骨架的感溫元件特點(diǎn)是：體積小，響應(yīng)快，絕緣性能好。使用溫度上限可達(dá) 。陶瓷骨架的缺點(diǎn)是機(jī)

14、械強(qiáng)度差，不易加工。熱電阻的引線形式：內(nèi)引線是熱電阻出廠時(shí)自身具備的引線，其功能是使感溫元件能與外部測(cè)量及控制裝置相連接。內(nèi)引線通常位于保護(hù)管內(nèi)。因保護(hù)管內(nèi)溫度梯度大，作為內(nèi)引線要選用純度高且不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)的材料。對(duì)于工業(yè)鉑熱電阻而言，中低溫用銀絲作引線，高溫用鎳絲。這樣，既可降低成本，又能提高感溫元件的引線強(qiáng)度。對(duì)于銅和鎳熱電阻的內(nèi)引線，一般都用銅、鎳絲。為了減少引線電阻的影響，內(nèi)引線直徑通常比熱電阻絲的直徑大很多。熱電阻的外引線有兩線制、三線制及四線制三種，如圖兩線制：在熱電阻感溫元件的兩端各連一根導(dǎo)線的引線形式為兩線制熱電阻。這種兩線制熱電阻配線簡(jiǎn)單，安裝費(fèi)用低，但要帶進(jìn)引線電阻的附加誤

15、差。因此，不適用于高精度測(cè)溫場(chǎng)合使用。并且在使用時(shí)引線及導(dǎo)線都不宜過長(zhǎng)。采用兩線制的測(cè)溫電橋如下圖，（）為接線示意圖，（）為等效原理圖。從圖中可以看出熱電阻兩引線電阻 和熱電阻 一起構(gòu)成電橋測(cè)量臂，這樣引線電阻 因沿線環(huán)境溫度改變引起的阻值變化量 和因被測(cè)溫度變化引起熱電阻 的增量值 一起成為有效信號(hào)被轉(zhuǎn)換成測(cè)量信號(hào)，從而影響溫度測(cè)量精度。三線制：在熱電阻感溫元件的一端連接兩根引線，另一端連接一根引線，此種引線形式稱為三線制熱電阻。用它構(gòu)成如下圖所示測(cè)量電橋，可以消除內(nèi)引線電阻的影響，測(cè)量精度高于兩線制。目前三線制在工業(yè)檢測(cè)中應(yīng)用最廣。而且，在測(cè)溫范圍窄或?qū)Ь€長(zhǎng)，導(dǎo)線途中溫度易發(fā)生變化的場(chǎng)合必

16、須考慮采用三線制熱電阻。四線制：在熱電阻感溫元件的兩端各連兩根引線，此種引線形式稱為四線制熱電阻。在高精度測(cè)量時(shí)，要采用如下圖所示四線制測(cè)溫電橋。此種引線方式不僅可以消除內(nèi)引線電阻的影響，而且在連接導(dǎo)線阻值相同時(shí)，可消除該電阻的影響，還可以通過 定時(shí)控制繼電器的一對(duì)觸點(diǎn) 和 的通斷，改變測(cè)量熱電阻中的電流方向，消除測(cè)量過程中的寄生電勢(shì)影響。另外，為保護(hù)感溫元件、內(nèi)引線免受環(huán)境的有害影響，熱電阻外面往往裝有可拆卸式或不可拆卸式的保護(hù)管。保護(hù)管的材質(zhì)有金屬、非金屬等多種材料，可根據(jù)具體使用特點(diǎn)選用合適的保護(hù)管。b) 銅電阻和熱名電阻測(cè)溫：銅電阻：銅電阻的電阻值與溫度的關(guān)系幾乎呈線性，其材料易提純，

17、價(jià)格低廉；但因其電阻率較低（僅為鉑的左右）而體積較大，熱響應(yīng)慢；另因銅在 以上溫度本身易于氧化，故通常工業(yè)用銅熱電阻（分度號(hào)分別為 和）一般工作溫度范圍為 。其電阻值與溫度的關(guān)系為：當(dāng) 時(shí)，式中， 為溫度為零時(shí)銅熱電阻的電阻值（為，為）；（）為溫度為時(shí)銅熱電阻的電阻值；， 為系數(shù)。 × ；× ；× 。半導(dǎo)體熱敏電阻：目前世界各國(guó)，特別是工業(yè)化國(guó)家，在低溫段 且測(cè)溫要求不高的場(chǎng)合，采用半導(dǎo)體熱敏元件作溫度傳感器。大量用于各種溫度測(cè)量、溫度補(bǔ)償及要求不高的溫度控制。熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)熱敏電阻和熱電阻、熱電偶及其他接觸式感溫元件相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，其靈敏度比熱電阻要

18、大 個(gè)數(shù)量級(jí)；由于靈敏度高，可大大降低后面調(diào)理電路的要求；標(biāo)稱電阻有幾歐到十幾兆歐之間的不同型號(hào)和規(guī)格，因而不僅能很好地與各種電路匹配，而且遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)幾乎無需考慮連線電阻的影響；體積?。ㄗ钚≈闋顭崦綦娮柚睆絻H），可用來測(cè)量“點(diǎn)溫”；熱慣性小，響應(yīng)速度快，適用于快速變化的測(cè)量場(chǎng)合；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，能承受較大的沖擊、振動(dòng)，采用玻璃、陶瓷等材料密封包裝后，可應(yīng)用于有腐蝕性氣氛的惡劣環(huán)境；資源豐富，制作簡(jiǎn)單，可方便地制成各種形狀（如圖所示），易于大批量生產(chǎn)，成本和價(jià)格十分低廉。熱敏電阻的主要缺點(diǎn)：阻值與溫度的關(guān)系為非線性；元件的一致性差，互換性差；元件易老化，穩(wěn)定性較差；除特殊高溫?zé)崦綦娮柰?，絕大多

19、數(shù)熱敏電阻僅適合 范圍的溫度測(cè)量，使用時(shí)必須注意。4、 熱電式測(cè)量方法：a) 熱電偶測(cè)溫：熱電偶測(cè)溫的特點(diǎn)是測(cè)溫范圍寬，測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好；輸出直接為電信號(hào)，可以遠(yuǎn)傳，便于集中檢測(cè)和自動(dòng)控制。測(cè)溫原理：熱電偶的測(cè)溫原理基于熱電效應(yīng)：將兩種不同的導(dǎo)體 和 連成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)。由于這種熱電效應(yīng)現(xiàn)象是年塞貝克（）首先提出的，故又稱塞貝克效應(yīng)。人們把上圖中兩種不同材料構(gòu)成的上述熱電變換元件稱為熱電偶，導(dǎo)體和 稱為熱電極，通常把兩熱電極的一個(gè)端點(diǎn)固定焊接，用于對(duì)被測(cè)介質(zhì)進(jìn)行溫度測(cè)量，這一接點(diǎn)稱為測(cè)量端或工作端，俗稱熱端；兩熱電極另一接點(diǎn)

20、處通常保持為某一恒定溫度或室溫，被稱作參比端或參考端，俗稱冷端。熱電偶閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)由溫差電勢(shì)（又稱湯姆遜電勢(shì)）和接觸電勢(shì)（又稱珀?duì)柼妱?shì)）兩種電勢(shì)組成。溫差電勢(shì)是指同一熱電極兩端因溫度不同而產(chǎn)生的電勢(shì)。當(dāng)同一熱電極兩端溫度不同時(shí)，高溫端的電子能量比低溫端的大，因而從高溫端擴(kuò)散到低溫端的電子數(shù)比逆向的多，結(jié)果造成高溫端因失去電子而帶正電荷，低溫端因得到電子而帶負(fù)電荷。當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡后，在導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生較穩(wěn)定的電位差，即為溫差電勢(shì)，如下圖所示。熱電偶接觸電勢(shì)是指兩熱電極由于材料不同而具有不同的自由電子密度，在熱電極接點(diǎn)接觸面處產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象；擴(kuò)散的結(jié)果，接觸面上逐漸形成靜電場(chǎng)

21、。該靜電場(chǎng)具有阻礙原擴(kuò)散繼續(xù)進(jìn)行的作用，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在熱電極接點(diǎn)處便產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定電勢(shì)差，稱為接觸電勢(shì)，如上圖所示。其數(shù)值取決于熱電偶兩熱電極的材料和接觸點(diǎn)的溫度，接點(diǎn)溫度越高，接觸電勢(shì)越大。設(shè)熱電偶兩熱電極分別為（為正極）和（為負(fù)極），兩端溫度分別為、，且 ；則熱電偶回路總電勢(shì)為：由于溫差電勢(shì)（，）和（，）均比接觸電勢(shì)小很多，通常均可忽略不計(jì)。又因?yàn)?，故總電勢(shì)的方向取決于接觸電勢(shì)（）的方向，并且（）總與（）的方向相反；這樣，可簡(jiǎn)化為：由此可見，當(dāng)熱電偶兩熱電極材料確定后，其總電勢(shì)僅與其兩端點(diǎn)溫度、有關(guān)。為統(tǒng)一和實(shí)施方便，世界各國(guó)均采用在參比端保持為零攝氏度，即 條件下，用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)出

22、各種不同熱電極組合的熱電偶在不同熱端溫度下所產(chǎn)生的熱電勢(shì)值，制成測(cè)量端溫度（通常用國(guó)際攝氏溫度單位）和熱電偶電勢(shì)對(duì)應(yīng)關(guān)系表，即分度表；也可據(jù)此計(jì)算得兩者的函數(shù)表達(dá)式。為了得到實(shí)用性好，性能優(yōu)良的熱電偶，其熱電極材料需具有以下性能：優(yōu)良的熱電特性熱電勢(shì)及熱電勢(shì)率（靈敏度）要大，熱電關(guān)系接近單值線性或近似線性，熱電性能穩(wěn)定；良好的物理性能高電導(dǎo)率，小比熱，耐高溫，低溫下不易脆斷，高、低溫下不發(fā)生再結(jié)晶等；優(yōu)良的化學(xué)性能如抗氧化、抗還原性和耐其他腐蝕性介質(zhì)等；優(yōu)良的機(jī)械性能易于提純和機(jī)械加工、工藝性好，易于大批量生產(chǎn)和復(fù)制；足夠的機(jī)械強(qiáng)度和長(zhǎng)的使用壽命；制造成本低，價(jià)值比較便宜。熱電偶的分類及特性近

23、一個(gè)世紀(jì)來，各國(guó)先后生產(chǎn)的熱電偶的種類有幾百種，應(yīng)用較廣的有幾十種，而國(guó)際電工委員會(huì)（）推薦的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶為八種（目前我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一）。其中分度號(hào)為、 的三種熱電偶均由鉑和鉑銠合金制成，屬貴金屬熱電偶。分度號(hào)分別為、的五種熱電偶，是由鎳、鉻、硅、銅、鋁、錳、鎂、鈷等金屬的合金制成，屬賤金屬熱電偶。這八種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電極材料、最大測(cè)溫范圍、適用氣氛等見下表：不同等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)熱電偶的允差熱電偶的選用除了考慮被測(cè)對(duì)象的溫度范圍外，還需考慮熱電偶使用環(huán)境的氣氛，通常被測(cè)對(duì)象的溫度范圍在 時(shí)可優(yōu)選型熱電偶，因?yàn)樗谫v金屬熱電偶中精度最高，或選型熱電偶，它是賤金屬熱電偶中熱電勢(shì)最大

24、、靈敏度最高的熱電偶；當(dāng)上限溫度 ，可優(yōu)先選 型熱電偶，其特點(diǎn)為使用溫度范圍寬（上限最高可達(dá) ），高溫性能較穩(wěn)定，價(jià)格較滿足該溫區(qū)的其他熱電偶低；當(dāng)上限溫度 ，可選 型或 型；當(dāng)測(cè)溫范圍為 時(shí)，可選或 型熱電偶；當(dāng)測(cè)溫范圍為時(shí)，應(yīng)選型熱電偶；當(dāng)測(cè)溫上限大于，應(yīng)考慮選用還屬非國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的鎢錸系列熱電偶（其最高上限溫度可達(dá)，但超過其準(zhǔn)確度要下降；要注意保護(hù)，因?yàn)殒u極易氧化，必須用惰性或干燥氫氣把熱電偶與外界空氣嚴(yán)格隔絕。不能用于含碳?xì)夥眨┗蚍墙饘倌透邷責(zé)犭娕迹▏?guó)內(nèi)還未商品化，這里不再一一列舉）。在氧化氣氛下，且被測(cè)溫度上限小于 ，應(yīng)優(yōu)先選用抗氧化能力強(qiáng)的賤金屬 型或 型；當(dāng)測(cè)溫上限高于 ，應(yīng)選、 或

25、 型貴金屬熱電偶。在真空或還原性氣氛下，當(dāng)上限溫度低于 時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用型熱電偶（不僅可在還原氣氛下工作，也可在氧化氣氛中使用），高于此限，選鎢錸系列熱電偶，或非貴金屬系列熱電偶，或選采取特別的隔絕保護(hù)措施的其他標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。工業(yè)熱電偶的結(jié)構(gòu)如圖。常用熱電偶的熱電特性均有現(xiàn)成分度表可查。溫度與熱電勢(shì)之間的關(guān)系也可以用函數(shù)式表示，稱為參考函數(shù)。給出了新的熱電偶分度表和參考函數(shù)，它們是熱電偶測(cè)溫的依據(jù)。熱電偶結(jié)構(gòu)（） 普通工業(yè)用熱電偶普通工業(yè)用熱電偶的種類很多，結(jié)構(gòu)和外形也不盡相同。如圖所示，熱電偶通常主要由熱端、熱偶絲、保護(hù)管、安裝固定件和接線盒部分組成。為了保證熱電偶正常工作，對(duì)其結(jié)構(gòu)提出如下要求

26、： 測(cè)量端的焊接要牢固； 熱電極間必須有良好的絕緣； 參比端與導(dǎo)線的連接要方便、可靠； 用于對(duì)熱電極有害的介質(zhì)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，須采用保護(hù)管，將有害介質(zhì)隔開。（） 鎧裝熱電偶所謂鎧裝熱電偶，是將熱電偶絲和絕緣材料一起緊壓在金屬保護(hù)管中制成的熱電偶。鎧裝熱電偶材料是將熱電偶絲裝在有絕緣材料的金屬套管中，三者經(jīng)組合加工成可彎曲的堅(jiān)實(shí)的組合體。將此鎧裝熱電偶線按所需長(zhǎng)度截?cái)?，?duì)其測(cè)量端和參比端進(jìn)行加工，即制成鎧裝熱電偶。由于它具有許多優(yōu)點(diǎn)，因而受到用戶歡迎，應(yīng)用很普通。它的主要優(yōu)點(diǎn)是： 測(cè)量范圍寬鎧裝熱電偶規(guī)格多，品種齊全，適合于各種測(cè)量場(chǎng)合，在 溫度范圍內(nèi)均能使用； 響應(yīng)速度快與裝配式熱電偶相比，因?yàn)橥?/p>

27、徑細(xì)、熱容量小，故微小的溫度變化也能迅速反應(yīng)，尤其是微細(xì)鎧裝熱電偶更為明顯，露端鎧裝熱電偶的時(shí)間常數(shù)只有； 撓性好、安裝使用方便鎧裝熱電偶材料可在其外徑倍的圓柱體上繞圈，并可在多處位置彎曲； 使用壽命長(zhǎng)普通熱電偶易引起熱電偶劣化、斷線等事故，而鎧裝熱電偶用氧化鎂絕緣，氣密性好，致密度高，壽命長(zhǎng)； 機(jī)械強(qiáng)度、耐壓性能好在有強(qiáng)烈震動(dòng)、低溫、高溫、腐蝕性強(qiáng)等惡劣條件下均能安全使用，鎧裝熱電偶最高可承受的壓力； 鎧裝熱電偶外徑尺寸范圍寬鎧裝熱電偶材料的外徑范圍為，特殊要求時(shí)可提供直徑達(dá)的產(chǎn)品； 鎧裝熱電偶的長(zhǎng)度可以做得很長(zhǎng)鎧裝熱電偶材料的最大長(zhǎng)度可達(dá)。熱電偶溫度測(cè)量（） 補(bǔ)償導(dǎo)線在一定溫度范圍內(nèi)，與配

28、用熱電偶的熱電特性相同的一對(duì)帶有絕緣層的導(dǎo)線稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。若與所配用的熱電偶正確連接，其作用是將熱電偶的參比端延伸到遠(yuǎn)離熱源或環(huán)境溫度較恒定的地方。使用補(bǔ)償導(dǎo)線的優(yōu)點(diǎn)： 改善熱電偶測(cè)溫線路的機(jī)械與物理性能，采用多股或小直徑補(bǔ)償導(dǎo)線可提高線路的撓性，接線方便，也可以調(diào)節(jié)線路的電阻或屏蔽外界干擾； 降低測(cè)量線路的成本。當(dāng)熱電偶與儀表的距離很遠(yuǎn)時(shí)，可用賤金屬補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線代替貴金屬熱電偶。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫中，補(bǔ)償導(dǎo)線除了可以延長(zhǎng)熱電偶參比端，節(jié)省貴金屬材料外，若采用多股補(bǔ)償導(dǎo)線，還便于安裝與鋪設(shè)；用直徑粗、電導(dǎo)系數(shù)大的補(bǔ)償導(dǎo)線，還可減少測(cè)量回路電阻。采用補(bǔ)償導(dǎo)線雖有許多優(yōu)點(diǎn)，但必須掌握它的特點(diǎn)，否則，不僅

29、不能補(bǔ)償參比端溫度的影響，反而會(huì)增加測(cè)溫誤差。補(bǔ)償導(dǎo)線的特點(diǎn)是：在一定溫度范圍內(nèi)，其熱電性能與熱電偶基本一致。它的作用只是把熱電偶的參比端移至離熱源較遠(yuǎn)或環(huán)境溫度恒定的地方，但不能消除參比端不為 的影響，所以，仍須將參比端的溫度修正到 。補(bǔ)償導(dǎo)線使用時(shí)的注意事項(xiàng)如下： 各種補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶匹配使用；連接時(shí)，切勿將補(bǔ)償導(dǎo)線極性接反； 補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接點(diǎn)的溫度，不得超過規(guī)定的使用溫度范圍，通常接點(diǎn)溫度在 以下，耐熱用補(bǔ)償導(dǎo)線可達(dá) ； 由于補(bǔ)償導(dǎo)線與電極材料通常并不完全相同，因此兩連接點(diǎn)溫度必須相同，否則會(huì)產(chǎn)生附加電勢(shì)、引入誤差； 在需高精度測(cè)溫場(chǎng)合，處理測(cè)量結(jié)果時(shí)應(yīng)加上補(bǔ)償導(dǎo)線的

30、修正值，以保證測(cè)量精度。（） 參比端處理我們經(jīng)常使用的熱電偶分度表，都是以熱電偶參比端為條件下制作的。在實(shí)驗(yàn)室條件下可采取諸如在保溫瓶?jī)?nèi)盛滿冰水混合物（最好用蒸餾水及用蒸餾水制成的冰），并且，保溫瓶?jī)?nèi)要有足夠數(shù)量的冰塊，保證參比端為 （值得注意的是，冰水混合物并不一定就是 ，只有在冰水兩相界面處才是 ）?；蚶冒雽?dǎo)體制冷的原理制成的電子式恒溫槽使參比端溫度保持在 。在工業(yè)測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)一般不能使參比端保持 ，在計(jì)算機(jī)尤其是微處理器和單片機(jī)推廣普及前，這是個(gè)十分令人頭痛的問題。各國(guó)從事熱電偶溫度測(cè)量研究與應(yīng)用的科技工作者，對(duì)各種分度號(hào)熱電偶參比端不為，設(shè)計(jì)了許多補(bǔ)償方案和專用補(bǔ)償電路，并因此申報(bào)了許多

31、專利。但這些成果的適用范圍和應(yīng)用效果都不很理想?，F(xiàn)在由于計(jì)算機(jī)，尤其是微處理器和單片機(jī)的推廣普及，智能化測(cè)溫儀普遍采用下述以軟件為主的補(bǔ)償方式：當(dāng)熱電偶的測(cè)量端和參比端溫度分別為、，假定，則熱電動(dòng)勢(shì)可變成式中，（，）為測(cè)量端和參比端溫度分別為、 時(shí)的熱電勢(shì)；（ ，）為測(cè)量端和參比端溫度分別為、 時(shí)的熱電勢(shì)；（，）為測(cè)量端和參比端溫度分別為、時(shí)的熱電勢(shì)。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量溫度時(shí)，智能化儀器增加一路測(cè)量參比端（由于其置于現(xiàn)場(chǎng)正常環(huán)境中，溫度變動(dòng)范圍不大，因此，測(cè)量參比端的感溫元件可采用價(jià)格十分低廉的銅電阻或半導(dǎo)體集成溫度傳感器或等）溫度的電路。（，）是由智能化儀器通過測(cè)量端和參比端輸入回路直接測(cè)得

32、，（ ，）則由智能化儀器根據(jù)另一路測(cè)得的參比端環(huán)境溫度，通過查找存入儀器程序存儲(chǔ)器中的對(duì)應(yīng)熱電偶分度表得到，兩者相加求得（，）；再由（，）儀器程序存儲(chǔ)器中的對(duì)應(yīng)熱電偶分度表得到熱電偶測(cè)量端的真實(shí)溫度的數(shù)值。以上這種方法對(duì)各種標(biāo)準(zhǔn)化與非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶均適用，具有成本十分低廉，補(bǔ)償精度高的特點(diǎn)，因此目前已被各種智能化（熱電偶）測(cè)溫控溫儀器廣泛采用。【例】用 型熱電偶測(cè)爐溫時(shí)，測(cè)得參比端溫度；測(cè)得測(cè)量端和參比端間的熱電動(dòng)勢(shì)（，），試求實(shí)際爐溫?！窘狻坑?型分度表查得（，），由公式可得到：再查 型分度表，由 查得實(shí)際爐溫。上述例子中，若參比端不作修正，則按所測(cè)測(cè)量端和參比端間的熱電動(dòng)勢(shì)（，） 查型分度表

33、得對(duì)應(yīng)的爐溫為 ，與實(shí)際爐溫 相差 ，由此產(chǎn)生的相對(duì)誤差約為 。由此可見，如果不考慮參比端溫度修正和補(bǔ)償，有時(shí)將產(chǎn)生相當(dāng)大的（溫度）測(cè)量誤差。5、 新型溫度傳感器及其測(cè)溫技術(shù)：a) 石英溫度傳感器：b) 一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20：的封裝與外部引腳是美國(guó) 公司新推出的熱電式半導(dǎo)體數(shù)字集成溫度傳感器。它也是利用半導(dǎo)體 結(jié)在其正常工作溫度范圍內(nèi)結(jié)電壓隨溫度上升而下降的原理精心設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。有多種封裝形式，其中一種外形與小功率晶體管非常相像，體積與一顆綠豆差不多大小。幾種形式的封裝與引腳定義如圖。內(nèi)部功能電路模塊的主要功能和特點(diǎn)對(duì)外有效引腳僅條，即電源、地和信號(hào)線。其主要功能和特點(diǎn)如下：（）

34、采用獨(dú)特的“一線制”通信方式，信號(hào)符合電平，無須任何外圍器件，可直接和各種單片機(jī)或微處理器的引腳相連，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了極大的方便；（） 溫度測(cè)量范圍為 ，在 溫度范圍內(nèi)，測(cè)量精度可達(dá)到± ；（） 可編程的溫度轉(zhuǎn)換分辨率，可根據(jù)應(yīng)用需要在之間選??；（） 在溫度轉(zhuǎn)換分辨率下，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間最大為；（） 用戶可編程自設(shè)置報(bào)警溫度存入片內(nèi)非易失性存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)溫度上、下限自動(dòng)報(bào)警功能；（） 電源供電范圍，的讀、寫操作以及溫度轉(zhuǎn)換期間所需的電能可通過數(shù)據(jù)線提供，也可由外部電源提供；（）采用節(jié)能設(shè)計(jì)，在等待狀態(tài)下功耗近似為零。的應(yīng)用 三、 誤差：1、 誤差的含義：測(cè)量是一個(gè)變換、放大、比較、顯

35、示、讀數(shù)等環(huán)節(jié)的綜合過程。由于檢測(cè)系統(tǒng)（儀表）不可能絕對(duì)精確，測(cè)量原理的局限、測(cè)量方法的不盡完善、環(huán)境因素和外界干擾的存在以及測(cè)量過程可能會(huì)影響被測(cè)對(duì)象的原有狀態(tài)等，也使得測(cè)量結(jié)果不能準(zhǔn)確地反映被測(cè)量的真值而存在一定的偏差，這個(gè)偏差就是測(cè)量誤差。2、 檢測(cè)儀器的精度等級(jí)與容許誤差：精度等級(jí)：工業(yè)檢測(cè)儀器（系統(tǒng)）常以最大引用誤差作為判斷精度等級(jí)的尺度。人為規(guī)定：取最大引用誤差百分?jǐn)?shù)的分子作為檢測(cè)儀器（系統(tǒng)）精度等級(jí)的標(biāo)志，也即用最大引用誤差去掉正負(fù)號(hào)和百分號(hào)后的數(shù)字來表示精度等級(jí)，精度等級(jí)用符號(hào)表示。為統(tǒng)一和方便使用，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量指示儀表通用技術(shù)條件規(guī)定，測(cè)量指示儀表的精度等級(jí) 分為、七個(gè)等級(jí)，這也是工業(yè)檢測(cè)儀器（系統(tǒng)）常用的精度等級(jí)。檢測(cè)儀器（系統(tǒng)）的精度等級(jí)由生產(chǎn)廠商根據(jù)其最大引用誤差的大小并以選大不選小的原則就近套用上述精度等級(jí)得到。例如，量程為的數(shù)字電壓表，如果其整個(gè)量程中最大絕對(duì)誤差為，則有由于不是標(biāo)準(zhǔn)化精度等級(jí)值，因此需要就近套用標(biāo)準(zhǔn)化精度等級(jí)值。位于 級(jí)和級(jí)之間，盡管該值與更為接近，但按選大不選小的原則該數(shù)字電壓表的精度等級(jí)應(yīng)為級(jí)。因此，任何符合計(jì)量規(guī)范的檢測(cè)儀器（系統(tǒng)）都滿足