第4講B溫度傳感器

1、四、熱電偶溫度傳感器四、熱電偶溫度傳感器 熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、感溫鐵氧體、石英晶體振動器、雙金屬溫度計等分 類特 征傳 感 器 名 稱超高溫用傳感器1500以上光學(xué)高溫計、輻射傳感器高溫用傳感器10001500光學(xué)高溫計、輻射傳感器、熱電偶中高溫用傳感器5001000光學(xué)高溫計、輻射傳感器、熱電偶中溫用傳感器0500低溫用傳感器-2500極低溫用傳感器-270-250BaSrTiO3陶瓷晶體管、熱敏電阻、壓力式玻璃溫度計見表下內(nèi)容 測 溫 范 圍（一）、溫度傳感器分類(1)分 類特 征傳 感 器 名 稱測定精度0.10.5鉑測溫電阻、石英晶體振動器、玻璃制溫度計、氣體溫度計、光學(xué)高溫

2、計溫度標(biāo)準用測定精度0.55熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、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(dǎo)體集成電路傳感器、可控硅絕對值測定用管理溫度測定用相對值15 測 定 精 度溫度傳感器分類(2)四個溫度段：規(guī)定各溫度段所使用的標(biāo)準儀器低溫鉑電阻溫度計（13.81K273.15K）；鉑電阻溫度計（273.15K903.89K）；鉑銠-鉑熱電偶溫度計（903.89K 1337.58K）；光測溫度計（1337.58K以上）。 1常用熱電阻 范圍：-260850；精度：0.001。改進后可連續(xù)工作2000h，失效率小于1，使用期為10年。2管纜熱電阻 測溫范圍為-20

3、500，最高上限為1000，精度為0.5級。（二）接觸式溫度傳感器3陶瓷熱電阻 測量范圍為200+500，精度為0.3、0.15級。4超低溫?zé)犭娮?兩種碳電阻，可分別測量268.8253-272.9272.99的溫度。5熱敏電阻器 適于在高靈敏度的微小溫度測量場合使用。經(jīng)濟性好、價格便宜。l l輻射高溫計輻射高溫計 用來測量 1000以上高溫。分四種：光學(xué)高溫計、比色高溫計、輻射高溫計和光電高溫計。2 2光譜高溫計光譜高溫計 其測量范圍為4006000。 （三）非接觸式溫度傳感器3 3超聲波溫度傳感器超聲波溫度傳感器 特點是響應(yīng)快(約為10ms左右)，方向性強。目前國外有可測到5000 的產(chǎn)品

4、。4 4激光溫度傳感器激光溫度傳感器 適用于遠程和特殊環(huán)境下的溫度測量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射計可測很高的溫度，精度為1。美國麻省理工學(xué)院正在研制一種激光溫度計，最高溫度可達8000，專門用于核聚變研究。 兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成如圖所示閉合回路，若導(dǎo)體A和B的連接處溫度不同（設(shè)TT0），則在回路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)。 （四）、熱電偶的工作原理回路中所產(chǎn)生的電動勢，叫熱電勢。熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。熱電偶原理圖TT0AB熱端冷端1. 接觸電勢接觸電勢原理圖+ABTeAB(T)-BAABNNekTTeln)(eAB(T)導(dǎo)體A、

5、B結(jié)點在溫度T 時形成的接觸電動勢；e單位電荷， e =1.610-19C； k波爾茲曼常數(shù)， k =1.3810-23 J/K ；NA、NB 導(dǎo)體A、B在溫度為T 時的電子密度。接觸電勢的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。接觸電勢的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。eA(T，T0)導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時形成的溫差電動勢；T、T0高、低端的絕對溫度； A湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1時所產(chǎn)生的溫差電動勢，例如在0時，銅的 =2V/。2. 溫差電勢dTTTeTTAA0),(0AeA(T,To)ToT溫差電勢原理圖 導(dǎo)體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電導(dǎo)體材料確定后，熱電勢的大

6、小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。而且是偶兩端的溫度有關(guān)。而且是T T的單值函數(shù)，這就的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的原理。是利用熱電偶測溫的原理。 只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導(dǎo)體熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時才能有熱電勢產(chǎn)生。材料不同時才能有熱電勢產(chǎn)生。 熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細無關(guān)。 只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶；相同材料不會產(chǎn)生熱電勢。3. 回路總電勢由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其導(dǎo)體是否存在溫度梯度，回路中沒有電流(即不產(chǎn)生電動勢)；反之，如果有電流流動，此材料則一定是非均質(zhì)的，即熱電偶必

7、須采用兩種不同材料作為電極。（五）、熱電偶回路的性質(zhì)1. 均質(zhì)導(dǎo)體定律三種不同導(dǎo)體組成的熱電偶回路2. 中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中，接入第三種材料的導(dǎo)線，只要其兩端的溫度相等，第三導(dǎo)線的引入不會影響熱電偶的熱電勢。3. 3. 參考電極定律參考電極定律 當(dāng)結(jié)點溫度為當(dāng)結(jié)點溫度為T、T0時，用導(dǎo)體時，用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱組成的熱電偶的熱電勢等于電勢等于AC熱電偶和熱電偶和CB熱電偶的熱電勢的代數(shù)和，即：熱電偶的熱電勢的代數(shù)和，即：導(dǎo)體導(dǎo)體C稱為標(biāo)準電極（一般由鉑制成）。這一規(guī)律稱為參考稱為標(biāo)準電極（一般由鉑制成）。這一規(guī)律稱為參考電極定律。電極定律。),(),(),(000TTETTETT

8、ECBACAB 1鉑鉑銠熱電偶(S型) 分度號LB3工業(yè)用熱電偶絲：0.5mm。正極：鉑銠合金絲,用90鉑和10銠(重量比)冶煉而成。負極：鉑絲。測量溫度：長期：1300、短期：1600。特點：n 材料性能穩(wěn)定，測量準確度較高；可做成標(biāo)準熱電偶 或基準熱電偶。用途：實驗室或校驗其它熱電偶。n 測量溫度較高，一般用來測量1000以上高溫。n 在高溫還原性氣體中（如氣體中含Co、H2等）易被侵 蝕，需要用保護套管。（六）熱電偶常用材料（六）熱電偶常用材料 2鎳鉻鎳硅(鎳鋁)熱電偶(K型) 分度號EU2工業(yè)用熱電偶絲： 1.22.5mm，實驗室用可細些。正極：鎳鉻合金(用88.489.7鎳、910鉻

9、，0.6硅，0.3錳，0.40.7鈷冶煉而成)。負極：鎳硅合金(用95.797鎳,23硅,0.40.7鈷冶煉而成)。測量溫度：長期1000，短期1300。特點：u 價格比較便宜，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。u 高溫下抗氧化能力強，在還原性氣體和含有SO2， H2S等氣體中易被侵蝕。u 復(fù)現(xiàn)性好，熱電勢大，但精度不如WRLB。 3鎳鉻考銅熱電偶(E型) 分度號為EA2工業(yè)用熱電偶絲:1.22mm，實驗室用可更細些。正極：鎳鉻合金負極：考銅合金（用56銅，44鎳冶煉而成）。測量溫度：長期600，短期800。特點：l 價格比較便宜，工業(yè)上廣泛應(yīng)用。l 在常用熱電偶中它產(chǎn)生的熱電勢最大。l 氣體硫化物對熱電偶有

10、腐蝕作用。考銅易氧化變 質(zhì)，適于在還原性或中性介質(zhì)中使用。 4鉑銠30鉑銠6熱電偶(B型) 分度號為LL2正極：鉑銠合金（用70鉑，30銠冶煉而成）。負極：鉑銠合金（用94鉑，6銠冶煉而成）。測量溫度：長期可到1600，短期可達1800。特點：l 材料性能穩(wěn)定，測量精度高。l 還原性氣體中易被侵蝕。l 低溫?zé)犭妱輼O小，冷端溫度在50以下可不加補償。l 成本高。 5、幾種持殊用途的熱電偶（1 1）銥和銥合金熱電偶）銥和銥合金熱電偶 如銥50銠銥10釕熱電偶它能在氧化氣氛中測量高達2100的高溫。（2 2）鎢錸熱電偶）鎢錸熱電偶 可使用在真空惰性氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中，但高溫抗氧能力差。國產(chǎn)鎢錸-鎢

11、錸20熱電偶使用溫度范圍3002000分度精度為1。（3 3）金鐵）金鐵鎳鉻熱電偶鎳鉻熱電偶 主要用在低溫測量，可在2273K范圍內(nèi)使用，靈敏度約為10V。（4 4）鈀）鈀鉑銥鉑銥1515熱電偶熱電偶 是一種高輸出性能的熱電偶，在1398時的熱電勢為47.255mV，比鉑鉑銠10熱電偶在同樣溫度下的熱電勢高出3倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應(yīng)用于航空工業(yè)。 （6 6）銅）銅康銅熱電偶，分度號康銅熱電偶，分度號MKMK 熱電偶的熱電勢略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43V/。復(fù)現(xiàn)性好，穩(wěn)定性好，精度高，價格便宜。缺點是銅易氧化，廣泛用于20K473K的低溫實驗室測量中。 （5 5）鐵）鐵康銅

12、熱電偶，分度號康銅熱電偶，分度號TKTK 靈敏度高，約為53V/，線性度好，價格便宜，可在800以下的還原介質(zhì)中使用。主要缺點是鐵極易氧化，采用發(fā)藍處理后可提高抗銹蝕能力。 （七）常用熱電偶的結(jié)構(gòu)類型 1工業(yè)用熱電偶 下圖為典型工業(yè)用熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖。它由熱電偶絲、絕緣套管、保護套管以及接線盒等部分組成。實驗室用時，也可不裝保護套管，以減小熱慣性。 工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖1接線盒；2保險套管 3絕緣套管 4熱電偶絲1234(a)(b)(c)(d) 132 2又稱套管式熱電偶優(yōu)點是小型化（直徑從12mm到0.25mm）、壽命、熱慣性小，使用方便。 測溫范圍在1100以下的有：鎳鉻鎳硅、鎳鉻考銅鎧裝

13、式熱電偶。 斷面如圖所示。它是由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為四種型式如圖。圖3.2-12 鎧裝式熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意圖 1 金屬套管; 2絕緣材料; 3熱電極 (a)碰底型; (b)不碰底型; (c)露頭型; (d)帽型3快速反應(yīng)薄膜熱電偶用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜裝熱電偶。如圖，其熱接點極薄(0.010.lm) 4123快速反應(yīng)薄膜熱電偶1熱電極; 2熱接點;3絕緣基板; 4引出線因此，特別適用于對壁面溫度的快速測量。安裝時,用粘結(jié)劑將它粘結(jié)在被測物體壁面上。目前我國試制的有鐵鎳、鐵康銅和銅康銅三種,尺寸為 60

14、60.2mm;絕緣基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料紙等；測溫范圍在300以下；反應(yīng)時間僅為幾ms。 4快速消耗微型熱電偶 下圖為一種測量鋼水溫度的熱電偶。它是用直徑為0.050.lmm的鉑銠10一鉑銠30熱電偶裝在U型石英管中，再鑄以高溫絕緣水泥，外面再用保護鋼帽所組成。這種熱電偶使用一次就焚化，但它的優(yōu)點是熱慣性小，只要注意它的動態(tài)標(biāo)定，測量精度可達土57。14235678 91110快速消耗微型 1剛帽； 2石英； 3紙環(huán)； 4絕熱泥；5冷端； 6棉花； 7絕緣紙管； 8補償導(dǎo)線；9套管； 10塑料插座； 11簧片與引出線 熱敏電阻是利用某種半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的

15、。 在溫度傳感器中應(yīng)用最多的有熱電偶熱電偶、熱熱電阻電阻（如鉑、銅電阻溫度計等）和熱敏電阻熱敏電阻。在（-40350）熱敏電阻已逐漸取代傳統(tǒng)的溫度傳感器。 五、熱敏電阻溫度傳感器五、熱敏電阻溫度傳感器（一）熱敏電阻的特點 1電阻溫度系數(shù)的范圍甚寬 有正、負溫度系數(shù)和在某一特定溫度區(qū)域內(nèi)阻值突變的三種熱敏電阻元件。電阻溫度系數(shù)的絕對值比金屬大10100倍左右。 2材料加工容易、性能好 可根據(jù)使用要求加工成各種形狀，特別是能夠作到小型化。目前，最小的珠狀熱敏電阻其直徑僅為 0.2mm。 3阻值在110M之間可供自由選擇 使用時，一般可不必考慮線路引線電阻的影響；由于其功耗小、故不需采取冷端溫度補償

16、，所以適合于遠距離測溫和控溫使用。 4穩(wěn)定性好 商品化產(chǎn)品已有30多年歷史，加之近年在材料與工藝上不斷得到改進。據(jù)報道，在0.01的小溫度范圍內(nèi)，其穩(wěn)定性可達0.0002的精度。相比之下，優(yōu)于其它各種溫度傳感器。 5原料資源豐富，價格低廉 燒結(jié)表面均已經(jīng)玻璃封裝。故可用于較惡劣環(huán)境條件；另外由于熱敏電阻材料的遷移率很小，故其性能受磁場影響很小，這是十分可貴的特點。 熱敏電阻的種類很多，分類方法也不相同。按熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系這一重要特性可分為： 1正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC） 電阻值隨溫度升高而增大的電阻器，簡稱PTC熱敏阻器。它的主要材料是摻雜的BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷。 2負溫度系數(shù)熱

17、敏電阻器（NTC） 電阻值隨溫度升高而下降的熱敏電阻器簡稱NTC熱敏電阻器。它的材料主要是一些過渡金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷。 3突變型負溫度系數(shù)熱敏電阻器（CTR該類電阻器的電阻值在某特定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而降低34個數(shù)量級，即具有很大負溫度系數(shù)負溫度系數(shù)。其主要材料是VO2并添加一些金屬氧化物。 （二）熱敏電阻的分類（二）熱敏電阻的分類 熱敏電阻材料的分類熱敏電阻材料的分類（1）大分類小分類代表材料NTC單晶金剛石、Ge、Si金剛石熱敏電阻多晶遷移金屬氧化物復(fù)合燒結(jié)體 、無缺陷形金屬氧化燒結(jié)體多結(jié)晶單體 、固溶體形多結(jié)晶氧化物SiC系Mn、Co、Ni、Cu、Al氧化物燒結(jié)體、ZrY氧化物燒結(jié)體

18、、還原性TiO3、Ge、SiBa、Co、Ni氧化物濺射SiC薄膜玻璃Ge 、Fe、 V等氧化物硫硒碲化合物玻璃V、P、Ba氧化物、Fe、Ba、Cu氧化物、Ge、Na、K氧化物、（As2Se3）0.8、（Sb2SeI）0.2有機物芳香族化合物聚酰亞釉表面活性添加劑液體電解質(zhì)溶液熔融硫硒碲化合物水玻璃As、Se、Ge系熱敏電阻材料的分類（熱敏電阻材料的分類（2）PTC無機物BaTiO3系Zn、Ti、Ni氧化物系Si系、硫硒碲化合物（Ba、Sr、Pb）TiO3燒結(jié)體有機物石墨系有機物石墨、塑料石臘、聚乙烯、石墨液體三乙烯醇混合物三乙烯醇、水、NaClCTR V、Ti氧化物系、Ag2S、（AgCu）、

19、（ZnCdHg）BaTiO3單晶V、P、（BaSr）氧化物Ag2SCuS大分類小分類代表例子1. 標(biāo)稱電阻R25（冷阻） 標(biāo)稱電阻值是熱敏電阻在250.2時的阻值。 （三）、熱敏電阻的基本參數(shù)2. 材料常數(shù)BN 是表征負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器材料的物理特性常數(shù)。一般BN值越大，則電阻值越大，絕對靈敏度越高。在工作溫度范圍內(nèi)，BN值并不是一個常數(shù)，而是隨溫度的升高略有增加。 3. 電阻溫度系數(shù)（%/） 熱敏電阻的溫度變化1 時電阻值的變化率。4. 耗散系數(shù)H 熱敏電阻器溫度變化1所耗散的功率變化量。在工作范圍內(nèi)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時,H值隨之變化,其大小與熱敏電阻的結(jié)構(gòu)、形狀和所處介質(zhì)的種類及

20、狀態(tài)有關(guān)。 6. 最高工作溫度Tmax 熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下長期連續(xù)工作所允許的最高溫度 7. 最低工作溫度Tmin 熱敏電阻器在規(guī)定的技術(shù)條件下能長期連續(xù)工作的最低溫度。8. 轉(zhuǎn)變點溫度Tc 熱敏電阻器的電阻一溫度特性曲線上的拐點溫度，主要指正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻和臨界溫度熱敏電阻。5. 時間常數(shù) 熱敏電阻器在零功率測量狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時電阻器的溫度變化量從開始到最終變量的63.2所需的時間。9. 額定功率PE 熱敏電阻器在規(guī)定的條件下，長期連續(xù)負荷工作所允許的消耗功率。10. 測量功率P0 熱敏電阻器在規(guī)定的環(huán)境溫度下,受到測量電流加熱而引起的電阻值變化不超過0.1時所消耗的

21、功率。11. 工作點電阻RG 在規(guī)定的溫度和正常氣候條件下，施加一定的功率后使電阻器自熱而達到某一給定的電阻值。 12. 工作點耗散功率PG 電阻值達到RG時所消耗的功率。13. 功率靈敏度KG 熱敏電阻器在工作點附近消耗功率lmW時所引起電阻的變化。14. 穩(wěn)定性熱敏電阻在各種氣候、機械、電氣等使用環(huán)境中，保持原有特性的能力。常用的是以電阻值的年變化率或?qū)?yīng)的溫度變化率來表示。 15. 熱電阻值RH 指旁熱式熱敏電阻器在加熱器上通過給定的工作電流時,電阻器達到熱平衡狀態(tài)時的電阻值。16. 加熱器電阻值Rr 指旁熱式熱敏電阻器的加熱器，在規(guī)定環(huán)境溫度條件下的電阻值。18. 標(biāo)稱工作電流 I 指

22、在環(huán)境溫度25時，旁熱式熱敏電阻器的電阻值被穩(wěn)定在某一規(guī)定值時加熱器內(nèi)的電流。19. 標(biāo)稱電壓 它是穩(wěn)壓熱敏電阻器在規(guī)定溫度下標(biāo)稱工作電流所對應(yīng)的電壓值。20. 元件尺寸 指熱敏電阻器的截面積A、電極間距離L和直徑d。 17. 最大加熱電流Imax 指旁熱式熱敏電阻器上允許通過的最大電流。1、熱敏電阻器的電阻溫度特性（RTT） 1234鉑絲4060120 1600100101102103104105106RT/溫度T/C熱敏電阻的電阻-溫度特性曲線1-NTC；2-CTR； 3-4 PTC（四）、熱敏電阻器主要特性 abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性2、熱敏電阻器的伏安特性（UI） 熱敏電阻器伏安特性表示加在其兩端的電壓和通過的電流，在熱敏電阻器和周圍介質(zhì)熱平衡時的互相關(guān)系。（1）負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻器的伏安特性。該曲線是在環(huán)境溫度為T0時的靜態(tài)介質(zhì)中測出的靜態(tài)UI曲線。 104103102101105Um