傳感器與檢測技術熱電式

朱啟兵

傳感器與檢測技術

SensorandDetectionTechnology第6章溫度檢測一、概述二、熱電阻傳感器三、熱電偶傳感器四、熱電式傳感器應用傳感器與檢測技術第6章溫度檢測一、概述熱電式傳感器是利用轉換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度相關的參量進行檢測的裝置。

對應于測溫原理的不同，熱電式傳感器可分為：熱電偶傳感器-----溫度變化轉化為電勢變化熱電阻傳感器-----溫度變化轉化為電阻變化，其由可分為金屬熱電阻式（熱電阻式）和半導體熱電阻式（熱敏式）。輻射測溫儀-------利用不同溫度下，物體的輻射功率的不同。前兩種，接觸測溫，后一種非接觸測溫。二、熱電阻傳感器1.金屬熱電阻（熱電阻）熱電阻廣泛用來測量－200～850℃范圍內的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測量至1K，高溫達1000℃。標準鉑電阻溫度計的精確度高，作為復現(xiàn)國際溫標的標準儀器。對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關系最好成線性物理化學性能穩(wěn)定復現(xiàn)性好等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。第6章溫度檢測(1)鉑熱電阻

鉑熱電阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應用。按IEC標準，鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200～850℃。鉑熱電阻的特性方程為：在-200～0℃的溫度范圍內Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］在0～850℃的溫度范圍內Rt=R0(1+At+Bt2)A=3.96847×10-3/℃B=-5.847×10-7/℃2

C=-4.22×10-12/℃4

系數(shù)：我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。第6章溫度檢測鉑電阻分度表第6章溫度檢測

(2)銅熱電阻

在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，可采用銅熱電阻進行測溫，它的測量范圍為-50～150℃。銅熱電阻在測量范圍內其電阻值與溫度的關系幾乎是線性的，可近似地表示為Rt=R0（1+αt）α=4.28×10-3/℃兩種分度號：Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。

銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價格便宜。缺點：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℃以上時容易氧化，因此只能用于低溫及沒有浸蝕性的介質中。特點第6章溫度檢測（3）測量電路測量電路經常采用電橋電路。熱電阻與檢測儀表相隔一段距離，因此熱電阻的引線對測量結果有較大的影響。熱電阻內部引線方式有二線制、三線制和四線制三種。內部引線方式第6章溫度檢測（3）測量電路兩線制這種引線方式簡單、費用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差。兩線制適于引線不長、測溫精度要求較低的場合。第6章溫度檢測（3）測量電路三線制用于工業(yè)測量，一般精度第6章溫度檢測（3）測量電路實驗室用，高精度測量第6章溫度檢測2.半導體熱電阻（熱敏電阻）熱敏電阻是利用半導體的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件，其特點①是電阻率隨溫度而顯著變化，靈敏度高②熱慣性小，適宜動態(tài)測量。缺點是非線性嚴重，元件穩(wěn)定性、互換性差。大多數(shù)：負溫度系數(shù)。熱敏電阻在不同值時的電阻－溫度特性，溫度越高，阻值越小，且有明顯的非線性。NTC熱敏電阻具有很高的負電阻溫度系數(shù)，特別適用于：－100～＋300℃之間測溫。PTC熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，且有斜率最大的區(qū)域，當溫度超過某一數(shù)值時，其電阻值朝正的方向快速變化。其用途主要是彩電消磁、各種電器設備的過熱保護等。CTR也具有負溫度系數(shù)，但在某個溫度范圍內電阻值急劇下降，曲線斜率在此區(qū)段特別陡，靈敏度極高。主要用作溫度開關。第6章溫度檢測2.半導體熱電阻（熱敏電阻）（1）基本參數(shù)：標稱電阻值R25(Ω)熱敏電阻在25℃時的值，值的大小由熱敏電阻材料和幾何尺寸決定。電阻溫度系數(shù)指熱敏電阻的溫度變化1℃時，其阻值變化率與阻值之比。即：第6章溫度檢測2.半導體熱電阻（熱敏電阻）材料常數(shù)B描述熱敏材料物理特性的一個常數(shù)。B越大，阻值越大，靈敏度越高。時間常數(shù)數(shù)值上等于熱敏電阻在零功率的測量狀態(tài)下，當環(huán)境溫度突變時，熱敏電阻隨溫度的變化量從0～63.2％所需的時間。表明了熱敏電阻加熱和冷卻的速度。其余：耗散系數(shù)、額定功率、測量功率等。第6章溫度檢測(2)主要特性：電阻-溫度特性①具有負電阻溫度系數(shù)的熱敏電阻的電阻-溫度特性曲線如下圖所示，其一般數(shù)學表達式為：4080120160T(℃)RT(Ω)10102103104注意：為應用方便，可將上式兩邊取對數(shù)，電阻溫度-特性曲線轉化為線性。第6章溫度檢測②具有正電阻溫度系數(shù)的熱敏電阻的電阻-溫度特性曲線如下圖所示，其一般數(shù)學表達式為：TP2100TP1200T(℃)RT(Ω)10102103104注意：為應用方便，可將上式兩邊取對數(shù)，電阻溫度-特性曲線轉化為線性。由圖中可見：正溫度系數(shù)的熱敏電阻的工作溫度范圍較窄，在工作區(qū)的兩端，曲線有兩個拐點TP1和TP2。在溫度TP1和TP2之間為工作范圍。

第6章溫度檢測伏-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熱平衡（即加在元件上的電功率和耗散功率相等）時的互相關系。①具有負電阻溫度系數(shù)的熱敏電阻的伏-安特性oa段為線性工作區(qū)域；隨溫度增加，阻值下降，電流則增加，電壓增加，當電流達到Im時，電壓值達到最大Um；隨電流的不斷增加，引起電阻溫升加快，當阻值下降速度超過電流增加速度時，電壓開始下降；電流超過一定允許值時，熱敏電阻將被燒壞。I(mA)U(V)aOUaImIaUm第6章溫度檢測(3)線性化方法：第6章溫度檢測(4)應用：第6章溫度檢測三、熱電偶式傳感器熱電偶傳感原理的物理基礎是熱電效應現(xiàn)象熱電效應：兩種不同材料的導體（或半導體）組成一個閉合回路，當兩接點溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產生電動勢的現(xiàn)象。熱電勢由兩部分組成：接觸電勢、溫差電勢。熱電勢、熱電偶、熱電極熱端（測量端或工作端）冷端（參考端或自由端）1.工作原理西拜克效應第6章溫度檢測（1）接觸電勢接觸電動勢的數(shù)值取決于兩種不同導體的材料特性和接觸點的溫度。兩接點的接觸電動勢eAB(T)和eAB（T0）可表示為原因：由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。K為玻耳茲曼常數(shù)(1.38×10-6)；e為電子電荷(1.6021892×10-19);NA，NB為A、B兩種材料在溫度T時的自由電子密度第6章溫度檢測

同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種電動勢。大小表示：機理：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電，在導體兩端便形成溫差電動勢。（2）溫差電勢材料的溫差系數(shù)第6章溫度檢測（3）熱電勢第6章溫度檢測（3）熱電勢導體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關。如果使EAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢EAB(T，T0)就只與溫度T有關，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的原理。只有當熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導體材料不同時才能有熱電勢產生。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；與熱電偶的長度、粗細無關。只有用不同性質的導體(或半導體)才能組合成熱電偶；相同材料不會產生熱電勢，因為當A、B兩種導體是同一種材料時，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。第6章溫度檢測（4）熱電偶的分度表不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同的函數(shù)關系，一般通過實驗的方法來確定，并將不同溫度下測得的結果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對照表，即分度表。供查閱使用，每10℃分檔。中間值按內插法計算。第6章溫度檢測S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表

第6章溫度檢測2.熱電偶工作定律在熱電偶測溫回路內，接入第三種導體時，只要第三種導體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。（1）中間導體定律應用：利用熱電偶進行測溫，必須在回路中引入連接導線和儀表，接入導線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。第6章溫度檢測（2）中間溫度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點的溫度，熱電偶AB在接點溫度為t、t0時的熱電勢eAB(t,t0)等于熱電偶AB在接點溫度t、tc和tc、t0時的熱電勢eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代數(shù)和用途：導線補償，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導體A′和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方參考端熱電勢修正，可對參考端溫度不為0℃的熱電勢進行修正ABT1T2T2A’T0T0熱電偶補償導線接線圖E第6章溫度檢測（3）標準導體電極定律通常選用高純鉑絲作標準電極只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據(jù)標準電極定律計算出來。用途：第6章溫度檢測（3）標準導體電極定律例子熱端為100℃，冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為－4.0mV，則鎳鉻和考銅組成的熱電偶所產生的熱電動勢應為：2.95－(－4.0)=6.95(mV)第6章溫度檢測由一種均質導體組成的閉合回路，不論其導體是否存在溫度梯度，回路中沒有電流(即不產生電動勢)；反之，如果有電流流動，此材料則一定是非均質的，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。（4）均質導體電極定律第6章溫度檢測熱電偶材料應滿足：物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時間改變；化學性能穩(wěn)定，以保證在不同介質中測量時不被腐蝕；熱電勢高，導電率高，且電阻溫度系數(shù)?。槐阌谥圃?；復現(xiàn)性好，便于成批生產。3、熱電偶的常用材料與結構第6章溫度檢測（1）常用熱電偶：鉑銠-鉑熱電偶：分度號LB—3S型熱電偶。特點：精度高，標準熱電偶。但熱電勢小。（<1300℃)鎳鉻-鎳硅熱電偶：分度號EU—2K型熱電偶。特點：線性好，價格低，最常用。但精度偏低。(-50～1300℃)鎳鉻-考銅熱電偶：EA—2E型熱電偶。特點：靈敏度高，價格低，常溫測量，但非均勻線性。(-50～500℃)第6章溫度檢測（1）常用熱電偶：鉑銠30-鉑銠6熱電偶：分度號為LL—2B型熱電偶。特點：精度高，冷端熱電勢小，40℃下可不修正。但價格高，輸出小。銅-康銅熱電偶：分度號MKT型熱電偶。特點：低溫穩(wěn)定性好，但復制性差。第6章溫度檢測下圖為典型工業(yè)用熱電偶結構示意圖。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。普通熱電偶結構示意圖1－接線盒；2－保險套管3―絕緣套管4―熱電偶絲1234

（2）常用熱電偶的結構類型普通熱電偶第6章溫度檢測(a)(b)(c)(d)

132鎧裝式熱電偶（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。鎧裝式熱電偶斷面結構示意圖

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)—帽型特點：動態(tài)響應快，撓性好，強度高第6章溫度檢測快速反應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(0.01～0.lμm)4123快速反應薄膜熱電偶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,用粘結劑將它粘結在被測物體壁面上。目前我國試制的有鐵—鎳、鐵—康銅和銅—康銅三種,尺寸為60×6×0.2mm;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；反應時間僅為幾ms。特點：熱容量小，動態(tài)響應快，適宜于測量微小面積第6章溫度檢測熱電偶元件所采用的材料隨所測的溫度范圍而定低于1100℃，采用普通金屬材料，如銅-康銅鎳鉻-鎳硅1100~1600℃，采用鉑類金屬高于1600℃，采用耐極高溫的材料如鎢-銅(摻有1％的鐵)圖3-36是幾種熱電偶的熱電勢與溫度間的依存曲線各種熱電偶均存在非線性問題后續(xù)電路需增加非線性校正，才能得到與溫度成線性關系的輸出特點總結第6章溫度檢測熱電偶測溫元件本身有較大的勢容量而存在較大的熱慣性接近于一階慣性環(huán)節(jié)的特性

——測量變化較快的熱動態(tài)過程很難得到理想的不失真響應只能測定靜態(tài)、準靜態(tài)、慢速變化的熱過程測量中需由被測對象中吸收較多熱量而影響被測對象的溫度場具有較大的負載效應，需要予以必要的重視特點總結第6章溫度檢測方法

0度恒溫法計算修正法補正系數(shù)法零點遷移法冷端補償器法軟件處理法4、冷端（參比端）處理及補償原因熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0℃為依據(jù)，否則會產生誤差。第6章溫度檢測（1）0度恒溫法把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于科學實驗中使用。為了避免冰水導電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。mVABA’B’TCC’銅導線試管補償導線熱電偶冰點槽冰水溶液T0第6章溫度檢測（2）計算修正法用普通室溫計算出參比端實際溫度TH，利用公式計算例用銅-康銅熱電偶測某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測得熱電動勢EAB(T，TH)=1.999mV，又用室溫計測出TH=21℃,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，與2.831mV對應的熱端溫度T=68℃。注意:既不能只按1.999mV查表，認為T=49℃，也不能把49℃加上21℃，認為T=70℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)第6章溫度檢測（3）補正系數(shù)法把參比端實際溫度TH乘上系數(shù)k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的溫度上，成為被測溫度T。用公式表達即

式中：T——為未知的被測溫度；T′——為參比端在室溫下熱電偶電勢與分度表上對應的某個溫度；TH——室溫；k——為補正系數(shù)，其它參數(shù)見下表。例用鉑銠10－鉑熱電偶測溫，已知冷端溫度TH=35℃，這時熱電動勢為11.348mV．查S型熱電偶的分度表，得出與此相應的溫度T′=1150℃。再從下表中查出，對應于1150℃的補正系數(shù)k=0.53。于是，被測溫度

T=1150+0.53×35=1168.3（℃）用這種辦法稍稍簡單一些，比計算修正法誤差可能大一點，但誤差不大于0.14％。T＝

T′＋

kTH第6章溫度檢測溫度T′/℃補正系數(shù)k鉑銠10-鉑(S)鎳鉻-鎳硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.53—13000.52—14000.52—15000.53—16000.53—熱電偶補正系數(shù)第6章溫度檢測例用動圈儀表配合熱電偶測溫時，如果把儀表的機械零點調到室溫TH的刻度上,在熱電動勢為零時，指針指示的溫度值并不是0℃而是TH。而熱電偶的冷端溫度已是TH,則只有當熱端溫度T=TH時，才能使EAB(T,TH)=0，這樣，指示值就和熱端的實際溫度一致了。這種辦法非常簡便，而且一勞永逸，只要冷端溫度總保持在TH不變，指示值就永遠正確。（4）零點遷移法應用領域：如果冷端不是0℃，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調的場所）。實質：在測量結果中人為地加一個恒定值，因為冷端溫度穩(wěn)定不變，電動勢EAB(TH,0)是常數(shù)，利用指示儀表上調整零點的辦法，加大某個適當?shù)闹刀鴮崿F(xiàn)補償。①延長熱電偶的長度：安裝不便，費用高；②采用補償導線，要求：a.在0～100℃范圍內和所連接的熱電偶有相同的熱電性能；b.材料是廉價金屬第6章溫度檢測（5）冷端補償器法利用不平衡電橋產生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。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)