傳感器和檢測(cè)技術(shù)熱電偶傳感器定義、工作原理和應(yīng)用

1、傳感器和檢測(cè)技術(shù)熱電偶傳感器定義、工作原理和應(yīng)用知識(shí)單元與知識(shí)點(diǎn)熱電效應(yīng)、熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、接觸電動(dòng)勢(shì)、溫差電動(dòng)勢(shì)、工作端（熱端）、自由端（冷端）、分度表等概念；熱電偶的測(cè)溫原理、基本定律、熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類、熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償、熱電偶的測(cè)溫電路；熱電阻（鉑熱電阻、銅熱電阻）的溫度特性、測(cè)量電路（兩線制、三線制、四線制）；熱敏電阻的溫度特性；熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的應(yīng)用。深入理解熱電效應(yīng)、熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、接觸電動(dòng)勢(shì)、溫差電動(dòng)勢(shì)、工作端（熱端）、自由端（冷端）、分度表等概念；理解熱電偶的測(cè)溫原理、基本定律、熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類、熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償、熱電偶的測(cè)溫電路；理解熱電

2、阻（鉑熱電阻、銅熱電阻）的溫度特性、測(cè)量電路（兩線制、三線制、四線制）；會(huì)使用熱電偶、熱電阻的分度表；理解熱敏電阻的溫度特性；了解熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的應(yīng)用。重難點(diǎn)重點(diǎn)：基本概念；熱電偶的測(cè)溫原理、基本定律、冷端溫度補(bǔ)償方法、實(shí)用測(cè)溫電路；熱電阻的溫度特性、測(cè)量電路；熱敏電阻的溫度特性。難點(diǎn)：熱電偶的種類及冷端溫度補(bǔ)償方法。學(xué)習(xí)要求熟練掌握熱電效應(yīng)、熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、接觸電動(dòng)勢(shì)、溫差電動(dòng)勢(shì)、工作端（熱端）、自由端（冷端）、分度表等概念；掌握熱電偶的測(cè)溫原理、基本定律、熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類、熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償、熱電偶的測(cè)溫電路；掌握熱電阻（鉑熱電阻、銅熱電阻）的溫度特性、測(cè)量電路（兩

3、線制、三線制、四線制）；掌握熱電偶、熱電阻的度表的使用方法；掌握熱敏電阻的溫度特性；了解熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的應(yīng)用。 8.1 熱電偶傳感器 1. 熱電偶測(cè)溫原理熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。熱電勢(shì)、熱電偶、熱電極熱端（測(cè)量端或工作端）、冷端（參考端或自由端）熱電偶回路：接觸電動(dòng)勢(shì)（兩種導(dǎo)體） 接觸電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的材料特性和接觸點(diǎn)的溫度。 兩接點(diǎn)的接觸電動(dòng)勢(shì)eAB(T)和eAB（T0）可表示為 含義：由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。 含義：同一導(dǎo)體的兩端因其溫度

4、不同而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)。大小表示： 溫差電動(dòng)勢(shì)（單一導(dǎo)體）機(jī)理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電， 低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電動(dòng)勢(shì)。熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì) eAB(T, T0)=eAB(T)eB(T,T0)eAB(T0)eA(T,T0) 忽略溫差電動(dòng)勢(shì)，熱電偶的熱電勢(shì)可表示為： 影響因素取決于材料和接點(diǎn)溫度，與形狀、尺寸等無(wú)關(guān)兩熱電極相同時(shí)，總電動(dòng)勢(shì)為0兩接點(diǎn)溫度相同時(shí)，總電動(dòng)勢(shì)為0對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí)，eAB(T0)=c為常數(shù)，則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫

5、度T成單值函數(shù)關(guān)系，即 可見(jiàn)：只要測(cè)出eAB（T,T0）的大小，就能得到被測(cè)溫度T，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。 討論交流與微思考：相比接觸電動(dòng)勢(shì)而言，溫差電動(dòng)勢(shì)很小，對(duì)測(cè)溫有何好處？熱電偶的分度表不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動(dòng)勢(shì)之間有不同的函數(shù)關(guān)系，一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定，并將不同溫度下測(cè)得的結(jié)果列成表格，編制出熱電勢(shì)與溫度的對(duì)照表，即分度表。供查閱使用，每10分檔 。中間值按內(nèi)插法計(jì)算。S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表 在熱電偶測(cè)溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對(duì)回路的總熱電勢(shì)沒(méi)有影響。中間導(dǎo)體定律 如何證明？（三種方法）2. 熱電偶基本定律例：測(cè)量?jī)x表及

6、引線作為第三種導(dǎo)體的熱電偶回路 利用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后不會(huì)影響回路中的熱電勢(shì)。中間導(dǎo)體定律的應(yīng)用中間溫度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0) 在熱電偶測(cè)溫回路中，tc為熱電極上某一點(diǎn)的溫度，熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(t, t0)等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度t、tc和tc、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(t, tc)和eAB(tc, t0)的代數(shù)和，即 中間溫度定律的應(yīng)用 根據(jù)這個(gè)定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體A和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。 該定律

7、是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。在實(shí)際熱電偶測(cè)溫回路中, 利用熱電偶這一性質(zhì), 可對(duì)參考端溫度不為0的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體（電極）定律標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體定律的意義通常選用高純鉑絲作標(biāo)準(zhǔn)電極只要測(cè)得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律計(jì)算出來(lái)。 例子熱端為100，冷端為0時(shí)，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為，則鎳鉻和考銅組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為：(4.0)=6.95(mV)均質(zhì)導(dǎo)體定律 由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與兩材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各

8、處的溫度分布無(wú)關(guān)。即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。 意義： 有助于檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。 為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象的測(cè)溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有：普通型熱電偶特殊熱電偶鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶等。 9.1.2 熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類普通型熱電偶結(jié)構(gòu) 熱電極的長(zhǎng)度一般為3002000mm，常用350mm。可測(cè)1800的高溫，工業(yè)應(yīng)用廣泛。 優(yōu)點(diǎn)：測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上（1100C以下）。 鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶 特點(diǎn)：熱接點(diǎn)可以做得很小（m），具有熱容量小、反應(yīng)速度快（s）等特點(diǎn)，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變

9、化的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量（ 300C以下）。 熱電極材料的選取性能穩(wěn)定 溫度測(cè)量范圍廣物理化學(xué)性能穩(wěn)定 導(dǎo)電率要高，并且電阻溫度系數(shù)要小材料的機(jī)械強(qiáng)度要高，復(fù)制性好、復(fù)制工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜 工程用熱電偶材料應(yīng)滿足條件：熱電勢(shì)變化盡量大，熱電勢(shì)與溫度關(guān)系盡量接近線性關(guān)系，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，易加工，復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，有良好的互換性。 熱電偶的種類 國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）向世界各國(guó)推薦8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶（已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中，具有統(tǒng)一的分度表）。我國(guó)已采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶，并按標(biāo)準(zhǔn)分度表生產(chǎn)與之相配的顯示儀表。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能和特點(diǎn) 熱電偶名稱正熱電極負(fù)熱電極分度號(hào)測(cè)溫范圍特點(diǎn)鉑銠30鉑

10、銠6鉑銠30鉑銠6B01700（超高溫）適用于氧化性氣氛中測(cè)溫，測(cè)溫上限高，穩(wěn)定性好。在冶金、鋼水等高溫領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鉑銠10鉑鉑銠10純鉑S01600（超高溫）適用于氧化性、惰性氣氛中測(cè)溫，熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強(qiáng)，精度高，但價(jià)格貴、熱電動(dòng)勢(shì)較小。常用作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或用于高溫測(cè)量。鎳鉻鎳硅鎳鉻合金鎳硅K2001200（高溫）適用于氧化和中性氣氛中測(cè)溫，測(cè)溫范圍很寬、熱電動(dòng)勢(shì)與溫度關(guān)系近似線性、熱電動(dòng)勢(shì)大、價(jià)格低。穩(wěn)定性不如B、S型熱電偶，但是非貴金屬熱電偶中性能最穩(wěn)定的一種。鎳鉻康銅鎳鉻合金銅鎳合金E200900（中溫）適用于還原性或惰性氣氛中測(cè)溫，熱電動(dòng)勢(shì)較其他熱電偶大，穩(wěn)定性好，靈敏度

11、高，價(jià)格低。鐵康銅鐵銅鎳合金J200750（中溫）適用于還原性氣氛中測(cè)溫，價(jià)格低，熱電動(dòng)勢(shì)較大，僅次于E型熱電偶。缺點(diǎn)是鐵極易氧化。銅康銅銅銅鎳合金T200350（低溫）適用于還原性氣氛中測(cè)溫，精度高，價(jià)格低。在2000可制成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。缺點(diǎn)是銅極易氧化。 8.1.3 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償 當(dāng)熱端溫度為t時(shí)，分度表所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)eAB(t, 0)與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢(shì)eAB(t,t0)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式： eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0) 由此可見(jiàn)，eAB(t0，0)是冷端溫度t0的函數(shù)，因此需要對(duì)熱電偶冷端溫度進(jìn)行處理。 熱電偶一般做得較短， 一

12、般只有1m左右。在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)十米遠(yuǎn)的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣, 冷端溫度t0比較穩(wěn)定。 (1) 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線 解決辦法：工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線。在0100溫度范圍內(nèi)，要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。 解決辦法：工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線。常用補(bǔ)償導(dǎo)線 熱電偶類型補(bǔ)償導(dǎo)線類型補(bǔ)償導(dǎo)線正極負(fù)極鉑銠10鉑銅銅鎳合金銅銅鎳合金（鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%）鎳鉻鎳硅I型：鎳鉻鎳硅鎳鉻鎳硅鎳鉻鎳硅II型：銅康銅銅康銅鎳鉻康銅鎳鉻康銅鎳鉻康銅鐵康銅鐵康銅鐵康銅銅康銅銅康銅銅康銅 在實(shí)驗(yàn)室及精密測(cè)量中，通常把冷端放入0恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，

13、以便冷端溫度保持0。 這是一種理想的補(bǔ)償方法，但工業(yè)中使用極為不便。 (2) 冷端0恒溫法 當(dāng)冷端溫度t0不等于0，需要對(duì)熱電偶回路的測(cè)量電勢(shì)值eAB（t，t0）加以修正。當(dāng)工作端溫度為t時(shí)，分度表可查eAB(t,0)與eAB(t0,0)。 根據(jù)中間溫度定律得到： eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0) (3) 冷端溫度修正法 例子 用鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30，測(cè)得熱電勢(shì)eAB（t，t0）為33.29mV, 求加熱爐溫度。 解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得eAB（30，0）1.203 mV。 可得 eAB（t，0）= eAB(t,t0)+eAB(

14、t0由鎳鉻-鎳硅熱電偶（K）分度表得t=829.8。 (4) 冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法（電橋補(bǔ)償法） 8.1.4 熱電偶測(cè)溫線路測(cè)量單點(diǎn)的溫度 特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是同一分度號(hào)的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下。如：熱電偶正向串聯(lián)， 可獲得較大的熱電勢(shì)輸出和提高靈敏度（可測(cè)得什么？）；在測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差時(shí)，可采用熱電偶反向串聯(lián)；利用熱電偶并聯(lián)可以測(cè)量平均溫度。測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間溫度差（反向串聯(lián)）測(cè)量平均溫度（并聯(lián)或正向串聯(lián)） 特點(diǎn)：當(dāng)有一只熱電偶燒斷時(shí)，難以覺(jué)察出來(lái)。當(dāng)然，它也不會(huì)中斷整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的工作。優(yōu)點(diǎn)：熱電動(dòng)勢(shì)大，儀表的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶并聯(lián)線路存在的缺點(diǎn)，可立即可以發(fā)現(xiàn)

15、有斷路。缺點(diǎn)：只要有一支熱電偶斷路，整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)將停止工作。8.1.5 熱電偶的應(yīng)用AD594C片內(nèi)除有放大電路外，還有溫度補(bǔ)償電路。測(cè)量時(shí)，熱電偶內(nèi)產(chǎn)生的與溫度相對(duì)應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)經(jīng)AD594C放大和溫度補(bǔ)償后，再送入主放大器A1，其輸出電壓反映被測(cè)溫度的高低。熱電偶爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)常用爐溫測(cè)量控制系統(tǒng)如圖所示。毫伏定值器給出給定溫度的相應(yīng)毫伏值，熱電偶的熱電勢(shì)與定值器的毫伏值相比較，若有偏差則表示爐溫偏離給定值，此偏差經(jīng)放大器送入調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過(guò)晶閘管觸發(fā)器推動(dòng)晶閘管執(zhí)行器來(lái)調(diào)整電爐絲的加熱功率，直到偏差被消除，從而實(shí)現(xiàn)控制溫度。 8.2 熱電阻傳感器 熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而

16、變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。 熱電阻廣泛用來(lái)測(cè)量200850范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測(cè)量至1K，高溫達(dá)1000。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的精確度高，作為復(fù)現(xiàn)國(guó)際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。 熱電阻的結(jié)構(gòu) 電阻絲采用雙線并繞法（為什么？）繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撐和絕緣作用。 1. 常用熱電阻 對(duì)用于制造熱電阻材料的要求： 具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率 R-t關(guān)系最好成線性 物理化學(xué)性能穩(wěn)定 容易加工、價(jià)格盡量便宜等。 目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。 (1) 鉑熱電阻 鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。 按IEC標(biāo)準(zhǔn)

17、，鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200850。鉑熱電阻的特性方程為： 在-2000的溫度范圍內(nèi)： Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) 在0850的溫度范圍內(nèi)： Rt = R0(1+At+Bt2) 在ITS90 中，這些常數(shù)規(guī)定為： A=3.9710-13/ B=-5.8510-7/2 C=-4.2210-12/4 可見(jiàn)：熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與0時(shí)的電阻值R0有關(guān)。 目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10和R0=100兩種，它們的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。 鉑熱電阻不同分度號(hào)亦有相應(yīng)分度表，即Rt-t的關(guān)系表，這樣在實(shí)際測(cè)量中，只要測(cè)得熱電阻的阻值R

18、t，便可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。鉑電阻分度表 表中的電阻值有何特點(diǎn)？ (2) 銅熱電阻 在一些測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，可采用銅熱電阻進(jìn)行測(cè)溫， 它的測(cè)量范圍為-50150。 銅熱電阻在測(cè)量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的，可近似地表示為Rt=R0（1+t） =4.2810-3/ 兩種分度號(hào)：Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。 銅熱電阻的分度表分度號(hào)：Cu50 溫度/0102030405060708090電阻/050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.

19、1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13表中的電阻值有何特點(diǎn)？銅熱電阻的特點(diǎn)銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價(jià)格便宜。（測(cè)溫范圍內(nèi)的電阻值都不大?。┤秉c(diǎn)：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100 以上時(shí)容易氧化，因此只能用于低溫及沒(méi)有浸蝕性的介質(zhì)中。用熱電阻傳感器進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，測(cè)量電路經(jīng)常采用電橋電路。 熱電阻與檢測(cè)儀表相隔一段距離，因此熱電阻的引線對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大的影響。熱電阻內(nèi)部引線方式有二線制、三線制和四線制三種。8.2.3 熱電阻的測(cè)量電路內(nèi)部引線方式 忽略引線電阻兩線制這種引線方式簡(jiǎn)單、費(fèi)用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會(huì)帶來(lái)附加誤差。兩線制適于引線不長(zhǎng)、測(cè)溫精度要求較低的場(chǎng)合。平衡條件：誤差來(lái)源：三線制用于工業(yè)測(cè)量，一般精度 條件：則有（不受引線電阻影響）：例：對(duì)于標(biāo)號(hào)為Pt100的鉑熱電阻，如果采用圖的兩線制接法測(cè)溫，設(shè)電橋電源為10V，R1=R2=1000， R3100，引線電阻r=5，如果被測(cè)溫度為300，試求兩線制接法引起的相對(duì)測(cè)量誤差。解：根據(jù)式（），當(dāng)t300時(shí)，鉑熱