第9章-湘潭大學(xué)-傳感器原理-課件-傳感器期末復(fù)習(xí)

1本章主旨9.1熱電阻傳感器9.2熱電偶傳感器9.4

熱電式傳感器的應(yīng)用第九章熱電式傳感器9.3晶體管和集成溫度傳感器概述溫度單位：熱力學(xué)溫度是國(guó)際上公認(rèn)的最基本溫度.我國(guó)目前實(shí)行的是1990年國(guó)際溫標(biāo)(ITS—90）定義國(guó)際開(kāi)爾文溫度（T90）國(guó)際攝氏溫度（t90）；

T90：?jiǎn)挝唬↘）開(kāi)爾文

t90：?jiǎn)挝唬ā妫z氏兩者關(guān)系為：

t90/℃=T90/K–273.15或

t/℃

=T/K–273.152概述

溫度是諸多物理現(xiàn)象中具有代表性的物理量，現(xiàn)代生活中準(zhǔn)確的溫度是不可缺少的信息內(nèi)容，如家用電器有：電飯煲、電冰箱、空調(diào)、微波爐這些家用電器中都少不了溫度傳感器。3概述

常見(jiàn)溫度計(jì)：煤油溫度計(jì)、酒精溫度計(jì)、水銀溫度計(jì)、氣體溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、溫差溫度計(jì)、輻射溫度計(jì)、光測(cè)溫度計(jì)等等。4概述溫度傳感器應(yīng)滿足的條件:特性與溫度之間的關(guān)系要適中，并容易檢測(cè)和處理，且隨溫度呈線性變化；除溫度以外，特性對(duì)其它物理量的靈敏度要低；特性隨時(shí)間變化要?。恢貜?fù)性好，沒(méi)有滯后和老化；靈敏度高，堅(jiān)固耐用，體積小，對(duì)檢測(cè)對(duì)象的影響要?。粰C(jī)械性能好，耐化學(xué)腐蝕，耐熱性能好；能大批量生產(chǎn)，價(jià)格便宜；無(wú)危險(xiǎn)性，無(wú)公害等。5溫度傳感器的種類及特點(diǎn):

接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器接觸式溫度傳感器的特點(diǎn)：傳感器直接與被測(cè)物體接觸進(jìn)行溫度測(cè)量，由于被測(cè)物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測(cè)物體溫度，特別是被測(cè)物體熱容量較小時(shí)，測(cè)量精度較低。因此采用這種方式要測(cè)得物體的真實(shí)溫度的前提條件是被測(cè)物體的熱容量要足夠大。非接觸式溫度傳感器主要是利用被測(cè)物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測(cè)量物體的溫度，可進(jìn)行遙測(cè)。其制造成本較高，測(cè)量精度卻較低。優(yōu)點(diǎn)是：不從被測(cè)物體上吸收熱量；不會(huì)干擾被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)；連續(xù)測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。68

熱電式傳感器是利用轉(zhuǎn)換器的電磁參數(shù)(電阻、電勢(shì)、磁導(dǎo))隨溫度變化的特性來(lái)完成測(cè)量溫度目的。其中將溫度轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻和熱敏電阻傳感器；將溫度轉(zhuǎn)換成電勢(shì)變化的稱為熱電偶傳感器。這兩種傳感器目前已在工業(yè)和科研領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，并有與其相配套的顯示和記錄及控制儀表可選用。第九章熱電式傳感器9溫度變化第九章熱電式傳感器熱電式傳感器電量變化電阻電勢(shì)熱電阻熱電偶晶體管10攜帶式表面熱電偶NR-30型號(hào)：Nr-81530

分度號(hào)：K、E、J

導(dǎo)線長(zhǎng)度：1800㎜

手柄材質(zhì)：塑料

使用溫度范圍：-50℃~+700℃

應(yīng)用：液體、熔體；鎧裝、SUS316119.1熱電阻傳感器熱阻效應(yīng)：大部分材料的電阻或電阻率隨溫度變化而變化。尺寸變量都是隨溫度變化的，但假定只有電阻率隨溫度的變化是最顯著的。純金屬電阻隨溫度的升高而升高，稱“正溫度系數(shù)”半導(dǎo)體的電阻隨溫度的升高而減小，稱“負(fù)溫度系數(shù)”。測(cè)溫范圍為200～500℃；隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，熱電阻的測(cè)溫范圍已擴(kuò)展到1—5K的超低溫領(lǐng)域，同時(shí)，在1000—1200℃溫度范圍內(nèi)也有足夠好的特性。12熱敏電阻的物理過(guò)程：吸收輻射，產(chǎn)生升溫，從而引起材料電阻的變化，其機(jī)理很復(fù)雜。半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻可以定性的解釋為，吸收輻射后，材料中電子的動(dòng)能和晶格的振動(dòng)能都有增加。因此，其中部分電子能夠從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子，從而使電阻減小。金屬材料制成的熱電阻，因其內(nèi)部有大量的自由電子，在能帶結(jié)構(gòu)上無(wú)禁帶，吸收輻射產(chǎn)生升溫后，自由電子濃度的增加是微不足道的，相反，因晶格振動(dòng)的加劇，妨礙了電子的自由運(yùn)動(dòng)，從而電阻系數(shù)是正的，且其絕對(duì)值小于半導(dǎo)體。13熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。應(yīng)用于-200~600℃范圍內(nèi)的溫度測(cè)量14一、金屬熱電阻：2、熱電阻的材料特點(diǎn)：

A、溫度系數(shù)高（Ω/C0），電阻率高；B、化學(xué)、物理性質(zhì)穩(wěn)定，以確保測(cè)量準(zhǔn)確性；C、線性輸出特性：△R與△T成正比；D、好加工，成本低。1、原理：電阻率的溫度系數(shù)定義對(duì)于線性區(qū)的金屬，用二次展開(kāi)式可以很好的描述電阻率0℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電阻率電阻率線性溫度系數(shù)，典型值5×10-3/K153、鉑、銅熱電阻的特性（應(yīng)用最廣）：①鉑電阻與溫度關(guān)系：0-630.755℃：Rt=R0(1+At+Bt2)-190℃-0：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]②鉑電阻的材料特性：

R100，R0—100，0℃時(shí)的鉑電阻值；W（100）越高表示鉑電阻純度越高。①W（100）=1.391時(shí)②A----常數(shù)（3.96847×10-3/℃）③B----常數(shù)（-5.847×10-7/℃2）④C----常數(shù)（-4.22×10-12/℃4）國(guó)內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，W（100）≥1.391。分度號(hào):Pt10表示0℃時(shí)電阻為10歐姆

Pt100表示0℃時(shí)電阻為100歐姆16

用于高精度的工業(yè)測(cè)量，但鉑貴，一般用銅，銅在-50到150℃穩(wěn)定可靠。銅電阻與溫度關(guān)系：

Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)

其中：A=4.28899×10-3/℃

B=--2.133×10-7/℃

2C=1.233×10-9/℃3

溫度高于100℃易氧化，故用于低溫測(cè)量。3、其他熱電阻：近年發(fā)展了一些超低溫測(cè)量電阻。

銦電阻：-269—-258℃此段靈敏度比鉑高10倍；材料軟，復(fù)制性差錳電阻：-271—-210℃靈敏度高，但易脆，難拉絲；碳電阻：--273—-268.5℃靈敏度高，熱容小，低廉，操作方便，但熱穩(wěn)定性差。4、測(cè)量電路：常用電橋電路。電阻溫度計(jì)的測(cè)量電路最常用的是電橋電路，精度要求高為了消除由于連接導(dǎo)線電阻隨環(huán)境溫度變化而造成的測(cè)量誤差，常采用三線和四線制連接方法。171818191920二、半導(dǎo)體熱敏電阻各種金屬氧化物、硫化物、硒化物或硅、鍺。半導(dǎo)體熱敏電阻的精度和穩(wěn)定性比金屬熱敏電阻差一些，但它們大規(guī)模生產(chǎn)成本較低，并且能夠提供集成的接口電路，以便與其他元件一起集成。Thermistor---半導(dǎo)體熱敏電阻。Thermoresistor---金屬熱敏電阻。211、熱敏電阻的特點(diǎn)：A、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）B、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）C、臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）與熱電阻相比：①電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高；②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可測(cè)點(diǎn)溫度；③電阻率高，熱慣性小，適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量；④易于維護(hù)和進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制；⑤制造簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)；不足之處互換性差，非線性嚴(yán)重。22負(fù)溫度導(dǎo)電機(jī)理：溫度低時(shí)，大部分電子落在勢(shì)阱中，不能導(dǎo)電。溫度越高時(shí)，跳出勢(shì)阱的電子就越多，即電阻就越低，故表現(xiàn)出負(fù)的溫度系數(shù)。PTC和CTR主要用于溫度開(kāi)關(guān)裝置，如過(guò)熱保護(hù)、發(fā)熱源的定溫控制，也可作為限流元件。

NTC主要是由Mn、C0、Ni、Fe等過(guò)渡金屬氧化物組成的復(fù)合燒結(jié)體，根據(jù)其成分可調(diào)節(jié)電阻值和溫度特性。23熱敏電阻的結(jié)構(gòu)熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷（Co）、錳（Mn）、鎳（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高溫?zé)Y(jié)而成。其形狀有珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等。（b）片狀（c）桿狀（d）墊圈狀熱敏電阻的結(jié)構(gòu)類型（a）珠狀玻璃殼熱敏電阻引線24熱敏電阻外形

MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻25其他形式的熱敏電阻

玻璃封裝

NTC熱敏電阻MF58型熱敏電阻大功率PTC熱敏電阻26272829

2、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的特性。

（1）溫度特性：參考溫度為25度。是材料常數(shù)。半導(dǎo)體熱敏電阻的電阻系數(shù)為：30電阻隨溫度的變化較大，因此可以將半導(dǎo)體熱敏電阻和基本的運(yùn)算放大器一起使用，而不必與精密的電橋使用。例如，只需使用一個(gè)帶有標(biāo)準(zhǔn)電阻R的分壓器和一個(gè)電壓放大器如741運(yùn)算放大器來(lái)緩沖信號(hào)就足夠了。RR溫度傳感器741VCCVOUT031（2）伏安特性由圖熱敏電阻的伏安特性曲線知，電流通過(guò)熱敏電阻電流較小時(shí)，呈直線關(guān)系，服從歐姆定律；當(dāng)電流增加時(shí)，熱敏電阻自身溫度明顯增加。由于負(fù)溫度系數(shù)關(guān)系，阻值下降。于是電壓上升減慢，當(dāng)電流再增加，電壓下降。由此可見(jiàn)，熱敏電阻非線性嚴(yán)重。當(dāng)電流增大到一定值時(shí)，流過(guò)熱敏電阻的電流使之加熱，本身溫度升高，出現(xiàn)負(fù)阻特性，因電阻減小，即使電流增大，端電壓反而下降，其所能升高的溫度與環(huán)境條件(周圍介質(zhì)溫度及散熱條件)有關(guān)。當(dāng)電流和周圍介質(zhì)溫度一定時(shí)，熱敏電阻的阻值取決于介質(zhì)的流速、流量、密度等散熱條件。根據(jù)這一原理，可用它來(lái)測(cè)量流體流速和介質(zhì)密度等。32（3）安時(shí)特性流過(guò)熱敏電阻的電流與時(shí)間的關(guān)系，稱為安時(shí)特性，如圖所示。所謂安時(shí)特性，是表示熱敏電阻在不同外加電壓下，電流達(dá)到穩(wěn)定最大值所需要的時(shí)間。

熱敏電阻通電以后，一方面使自身溫度升高；另一方面向周圍介質(zhì)散熱，只有在單位時(shí)間內(nèi)從電流得到的能量與向周圍介質(zhì)散發(fā)的熱量相等而達(dá)到熱平衡時(shí)，才有相應(yīng)的平衡溫度輸出、即有確定的電阻值。完成一個(gè)熱平衡過(guò)程所需要的時(shí)間，就是達(dá)到穩(wěn)定最大電流值的時(shí)間。可通過(guò)采用選擇熱敏電阻的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用相應(yīng)的電路來(lái)調(diào)整這個(gè)時(shí)間。對(duì)于一般結(jié)構(gòu)的熱敏電阻，其值在0.5—1s之間。I01020304012345333、近代熱敏電阻的特性：①玻璃封裝熱敏電阻：125℃上升到300℃響應(yīng)時(shí)間由30秒加快到6秒，穩(wěn)定性為+/-（3-1）％②氧化物熱敏電阻的靈敏度都比較高，但只能低于300℃時(shí)工作，近期用硼鹵化物與氫還原研究成硼熱敏電阻，在700℃高溫時(shí)仍然滿足靈敏度，可用于測(cè)量液體流速、壓力、成分等。③近期研制的CaO,Sb2O3,WO3和CaO,Sn2O3,WO3兩種熱敏電阻，在-100-300℃范圍內(nèi)，特性曲線呈線性關(guān)系，解決了負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻存在非線性問(wèn)題④有機(jī)導(dǎo)體四碌二甲烷新型材料，電阻率隨溫度迅速變化的特性，可做定時(shí)器。34用金屬電阻與熱敏電阻串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)非線性校正。利用溫度系數(shù)很小的電阻與熱敏電阻串聯(lián)或并聯(lián)，使等效電阻與溫度的關(guān)系在一定的溫度范圍內(nèi)呈線性，如圖所示。4、非線性校正熱敏電阻的最大缺點(diǎn)是溫度特性呈曲線狀態(tài)，很難用均勻的刻度來(lái)表示寬溫度范圍。故在當(dāng)今數(shù)字化的進(jìn)程中，熱敏電阻的線性化顯得極為重要。RtRcRA并聯(lián)35RtRcEB串聯(lián)同理可推導(dǎo)：36溫差熱電偶（簡(jiǎn)稱熱電偶）是目前溫度測(cè)量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號(hào)為電信號(hào)便于遠(yuǎn)傳或信號(hào)轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)外，還能用來(lái)測(cè)量流體的溫度、測(cè)量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動(dòng)態(tài)溫度的測(cè)量。

9-2熱電偶傳感器37一、熱電效應(yīng)及其工作定律：

1、熱電效應(yīng)：

熱電效應(yīng)示意圖ABTT0EAB（T，T0）如圖所示由A、B兩種材料組成的回路，接點(diǎn)處的溫度為T(mén)、T0，且不等，兩者之間將產(chǎn)生一熱電勢(shì)，在回路中形成一定大小的電流。這種現(xiàn)象叫做叫熱電效應(yīng)。利用這種效應(yīng)制成的傳感器稱為熱電偶。熱電勢(shì)由兩部分組成：接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)，分別是由珀?duì)栙N效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)引起的。38工作原理熱端冷端T0冷端熱端

固定溫度的接點(diǎn)稱基準(zhǔn)點(diǎn)（冷端）T0

，恒定在某一標(biāo)準(zhǔn)溫度；待測(cè)溫度的接點(diǎn)稱測(cè)溫點(diǎn)（熱端）T，置于被測(cè)溫度場(chǎng)中。

這種將溫度轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)的傳感器稱為熱電偶，金屬稱熱電極。39工作原理回路中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，叫熱電勢(shì)。熱電勢(shì)由兩部分組成，即溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。熱端冷端T0冷端熱端

測(cè)溫過(guò)程：

只要知道一端結(jié)點(diǎn)溫度，就可以測(cè)出另一端結(jié)點(diǎn)的溫度。40①接觸電勢(shì)（珀?duì)栙N效應(yīng)）A+-|珀?duì)栙N效應(yīng)示意圖B同溫度的兩種不同金屬接觸時(shí)，由于不同導(dǎo)體的自由電子密度不同，金屬電子的逸出功不同，就有電子從逸出功低的一方遷到另一方，失去電子一方呈正電位，得到電子的為負(fù)電位。當(dāng)擴(kuò)散到平衡時(shí)，接觸處形成電勢(shì)稱為接觸電勢(shì)。其大小與材料有關(guān)，也與溫度有關(guān)。EAB(T)---為A、B在T時(shí)的接觸勢(shì)；K----波爾茲曼常數(shù)；

e-----電子電荷；NA、NB-----金屬A、B的自由電子密度；

T-----結(jié)點(diǎn)的絕對(duì)溫度。在熱電效應(yīng)示意圖中總接觸電勢(shì)為

E’AB(T)-E’AB(T0)=K（T-T0）/e㏑(NA/NB)ABTT041②溫差電勢(shì)（湯姆遜效應(yīng)）：TT0ABTT0對(duì)同一金屬，如果兩端的溫度不同，則溫度高端的自由電子向低端遷移，形成電勢(shì)，稱為溫差電勢(shì)。EA(T，T0)---金屬A兩端的溫度為T(mén)、T0時(shí)的溫差電勢(shì)；σA---溫差系數(shù)；

EA(T，T0)-EB(T，T0)=∫T0T（σA–σB

）dT在熱電效應(yīng)示意圖中總溫差電勢(shì)為：

42EAB(T)稱為熱端分熱電勢(shì)；EAB(T0)稱為冷端分熱電勢(shì)；ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)回路總的熱電勢(shì)43

③當(dāng)熱電偶兩個(gè)電極的材料不同，且A和B材料固定后，熱電勢(shì)EAB(T，T0)便為兩結(jié)點(diǎn)溫度T，T。的函數(shù)，即

EAB(T，T0)=EAB(T)-EAB(T0)①若兩電極材料相同，即NA=NB，σA=σB。雖然兩端溫度不同，但閉合回路總電勢(shì)為0，因此必須用兩種不同材料做熱電極。②若T=T0，雖材料不同，閉合回路中也不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。44由于在金屬中自由電子數(shù)目很多，溫度對(duì)自由電子密度的影響很小，故溫差電動(dòng)勢(shì)可以忽略不計(jì)，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動(dòng)勢(shì)。ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)∴EAB(T,T0)≈f(T

)-C452、工作定律：（熱電偶的基本定律）②中間導(dǎo)體定律：③連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律：④參考電極定律：ABACBC①均質(zhì)導(dǎo)體定律：46①均質(zhì)導(dǎo)體定律：

如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極材料相同，無(wú)論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電動(dòng)勢(shì)均為零；反之，如果有熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，兩個(gè)熱電極的材料則一定是不同的。

根據(jù)這一定律，可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料的成分是否相同(稱為同名極檢驗(yàn)法)，也可以檢查熱電極材料的均勻性。47A、T=T0：②中間導(dǎo)體定律：如圖，AB結(jié)點(diǎn)為T(mén)，其余為T(mén)0，可以證明：EABC(T，T0)=EAB(T，T0)在各導(dǎo)體兩端溫度相同，故溫差電勢(shì)為0，只有接觸電勢(shì)48B、T>T0;這說(shuō)明：引入第三導(dǎo)體，只要第三導(dǎo)體兩端溫度相同，材質(zhì)均勻，對(duì)總回路電勢(shì)無(wú)作用。這也是熱電偶測(cè)量溫度的基礎(chǔ)理論。T0T0BTAC49在熱電偶回路中，若導(dǎo)體AB分別與連接導(dǎo)體A1，B1相接，接點(diǎn)溫度分別為T(mén)，T0，T1，如右圖所示，回路的總電勢(shì)為：③連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律：5051即回路的總電勢(shì)等于熱電偶EAB(T，T1)與連接導(dǎo)線電勢(shì)EA1B1(T1，T0)的代數(shù)和。連接導(dǎo)線定律是工業(yè)運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)。當(dāng)導(dǎo)體A與A’及B與B’材料分別相同時(shí)，T1中間溫度。中間溫度定律為制定分度表奠定了理論基礎(chǔ)，只要求得參考端溫度為0℃時(shí)的熱“電勢(shì)—溫度”的關(guān)系，就可以根據(jù)式求出參考溫度不等于0℃時(shí)的電勢(shì)。BBA

Tn

T

T0

AAB52在工程應(yīng)用中，常用實(shí)驗(yàn)的方法得出溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系并做成表格，以供備查。由公式可得：EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T)-EAB(0)-[EAB(T)-EAB(T0)]=EAB(T，0)-EAB(T0，0)熱電偶的熱電勢(shì)，等于兩端溫度分別為T(mén)和零度以及T0和零度的熱電勢(shì)之差。5354習(xí)題：用鎳鉻-鎳硅勢(shì)電偶測(cè)量某低溫箱溫度，把熱電偶直接與電位差計(jì)相連接。在某時(shí)刻，從電位差計(jì)測(cè)得熱電熱為-1.19mv，此時(shí)電位差計(jì)所處的環(huán)境溫度為15℃，試求該時(shí)刻溫箱的溫度是多少度？

請(qǐng)給出分析計(jì)算過(guò)程。

55電位差計(jì)所處的環(huán)境溫度為15°C，所以,查表可得：EAB(15°C,T0)=0.60mv

AB15°CT0EAB(T，15°C)=-1.19mv

AB15°CTEAB(T,T0)=EAB(T，15°C)+EAB(15°C,T0)=-1.19mv+0.60mv=-0.59mv

ABT0AB15°CT查表可以得：T=-15°C

56④參考電極定律：左圖為參考電極定律示意圖，圖中C為參考電極接在熱電偶A、B之間，形成三個(gè)熱電偶組成的回路。因?yàn)椋篈BACBC5758上式表明：①參考電極C與各種電極配對(duì)時(shí)的總熱電勢(shì)為兩電極A、B配對(duì)后的電勢(shì)差。②利用這個(gè)關(guān)系可求出新的兩種材料的熱電勢(shì)。

如果導(dǎo)體C熱電極作為參考電極，并已知標(biāo)準(zhǔn)電極與任意導(dǎo)體配對(duì)時(shí)的熱電勢(shì)，那么在相同結(jié)點(diǎn)溫度（T,T0）下，任意兩導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，其電勢(shì)可由下式求得

59

這里c稱為標(biāo)準(zhǔn)電極，在實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)電極材料通常取用純鉑，因?yàn)殂K金易得純態(tài)，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，熔點(diǎn)也高c采用標(biāo)準(zhǔn)電極大大方便熱電偶的選配，只要知道某種材料與標(biāo)準(zhǔn)電極的熱電勢(shì)，就可求出任何兩種材料配成熱電偶的熱電勢(shì)。ABACBCEAB(T，T0)=EAB(T，T0)-EBC(T，T0)60解：由標(biāo)準(zhǔn)電極定律，鎳鉻和考銅熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)應(yīng)等于鎳鉻合金與純鉑熱電偶與考銅與純鉑熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的差，即例：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2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為-4.0mV，求鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV61二、熱電偶傳感器測(cè)量溫度的基本原理根據(jù)中間導(dǎo)體定律，把第三種導(dǎo)體C換成毫伏表，并保持兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度一致，就可以完成測(cè)量任何溫度場(chǎng)的溫度，如圖所示。導(dǎo)體A和B組成熱電偶，第三種導(dǎo)體C為毫伏計(jì)，毫伏計(jì)與A和B熱電偶冷端的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度均為冷端溫度To，而熱電偶A、B的熱端置于需要測(cè)量的溫度場(chǎng)T時(shí)，這樣根據(jù)中間導(dǎo)體定律，由導(dǎo)體A、B、C組成回路的總電勢(shì)應(yīng)為：EABC(T，T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T，T0)熱電偶測(cè)量溫度的基本原理，只要保持冷端溫度不變，則熱電偶的輸出電勢(shì)就是所測(cè)溫度的單值函數(shù)，即熱電偶的輸出電勢(shì)EAB(T，T0)反映了被測(cè)溫度的大小。A

BCCT0T毫伏表T062熱電偶測(cè)量溫度必須與被測(cè)溫度保持單值關(guān)系，此時(shí)只有:EAB(T0)＝C＝常數(shù)，也就是只有T0＝常數(shù)，才能得到EAB(T，T0)＝φ(T)，在確定這個(gè)函數(shù)關(guān)系時(shí)，不是用精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式計(jì)算出來(lái)，而是用實(shí)驗(yàn)方法，采用分度表的形式表達(dá)出溫度與電勢(shì)之間的關(guān)系值。在制分度表時(shí)，通常采用熱電偶的冷端溫度T0＝0℃的條件下測(cè)得的，所以在使用熱電偶時(shí)，只有滿足T0＝0℃的條件，才能直接應(yīng)用分度表或分度曲線。在工程測(cè)溫中，冷端溫度常隨工作環(huán)境溫度而變化，引入測(cè)量誤差，因此，必須進(jìn)行冷端修正或補(bǔ)償。三、熱電偶溫度補(bǔ)償

63①0℃恒溫度:測(cè)端T，冷端用T0=0（水，冰點(diǎn)）或半導(dǎo)體制冷器恒溫，測(cè)出來(lái)就是T；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(xué)實(shí)驗(yàn)中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路，必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里，浸入同一冰點(diǎn)槽，使相互絕緣。64②計(jì)算修正法:

實(shí)際工作情況中，由于冷端溫度不是0度，而是某一溫度Tn，則測(cè)量的溫度為EAB(T，Tn)，而不是EAB(T，T0)，測(cè)點(diǎn)為T(mén)，冷端為T(mén)0，T0=T1=0時(shí)：EAB(T，T0)=EAB(T)-EAB(T0)T1≠T0=0時(shí)：EAB(T，T1)=EAB(T)-EAB(T1)EAB(T，T1)----實(shí)測(cè)值；

EAB(T1，T0)----修正溫度值。65注意:既不能只按1.999mV查表，認(rèn)為T(mén)=49℃，也不能把49℃加上21℃，認(rèn)為T(mén)=70℃。例

用銅-康銅熱電偶測(cè)某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T，TH)=1.999mV，又用室溫計(jì)測(cè)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(duì)應(yīng)的熱端溫度T=68℃。66舉列：鎳洛—鎳硅測(cè)得某介質(zhì)的溫度，T1自由端溫度為30

℃，熱電偶測(cè)量熱電勢(shì)33.29mv(即EAB(T，T1))，30

℃的熱電勢(shì)1.20mv(即EAB(T1，T0))，∴EAB(T，T0)=33.29mv+1.20mv=34.49mv；再去對(duì)表得829.6℃

以上是根據(jù)中間溫度定律而來(lái)的：EABB1A1(T，T1，T0)=EAB(T，T1)+EA1B1(T1，T0)；當(dāng)A=A1，B=B1時(shí)，EABB1A1(T，T1，T0)=EAB(T，T1)+EAB(T1，T0)；67③溫度修正法(也稱零點(diǎn)溫度修正法)把參比端實(shí)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(cè)溫度T。用公式表達(dá)即

式中：T——為未知的被測(cè)溫度；

T′——為參比端在室溫下熱電偶電勢(shì)與分度表上對(duì)應(yīng)的某個(gè)溫度；TH——室溫；

k——為補(bǔ)正系數(shù)，其它參數(shù)見(jiàn)下表。例

用鉑銠10－鉑熱電偶測(cè)溫，已知冷端溫度TH=35℃，這時(shí)熱電動(dòng)勢(shì)為11.348mV．查S型熱電偶的分度表，得出與此相應(yīng)的溫度T′=1150℃。再?gòu)南卤碇胁槌觯瑢?duì)應(yīng)于1150℃的補(bǔ)正系數(shù)k=0.53。于是，被測(cè)溫度

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

T′＋

kTH68溫度T′/℃補(bǔ)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(bǔ)正系數(shù)69舉列：鎳洛—鎳硅測(cè)得某介質(zhì)的溫度，T1自由端溫度為30

℃，熱電偶測(cè)量熱電勢(shì)33.29mv(即EAB(T，T1))，30

℃的熱電勢(shì)1.20mv(即EAB(T1，T0))，∴EAB(T，T0)=33.29mv+1.20mv=34.49mv；再去對(duì)表得829.6℃

修正法：33.29mv

對(duì)應(yīng)查表得出溫度為：800℃鎳洛—鎳硅的K=1，則T=800+1×30=830℃。

70

利用延引熱電極將熱電偶的自由端延引到遠(yuǎn)離高溫區(qū)地方，從而使其自由端溫度相對(duì)穩(wěn)定和變化范圍小。這種方法即不能使自由端溫度恒為0℃，又不產(chǎn)生任何補(bǔ)償作用，僅做補(bǔ)償導(dǎo)線，還要結(jié)合0℃恒溫法，計(jì)算修正法。為保證引延熱電熱極接入熱電偶電路后不改變其熱電熱值，則必須滿足以下兩個(gè)條件：一是在一定溫度范圍內(nèi)，引延熱電極必須與熱電偶的熱電極具有相同或近似的熱電特性；二、引延熱電極與熱電偶的兩個(gè)接點(diǎn)必須具有相等的溫度。具體使用時(shí)可從表中查到配用熱電偶材料所對(duì)應(yīng)的延伸導(dǎo)線的型號(hào)。④延伸熱電極法：熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖ABTTnTnCDT0T0M71⑤冷端補(bǔ)償器法利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢(shì)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢(shì)的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個(gè)橋臂和橋路電源組成。設(shè)計(jì)時(shí)，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時(shí)Uab=0，電橋?qū)x表讀數(shù)無(wú)影響。

冷端補(bǔ)償器的作用注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3RT0Ua

Uab

EAB(T,T0)供電4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范圍起補(bǔ)償作用。注意，不同材質(zhì)的熱電偶所配的冷端補(bǔ)償器，其中的限流電阻R不一樣，互換時(shí)必須重新調(diào)整。72⑤Pn結(jié)冷端溫度補(bǔ)償法：

Pn結(jié)在-100-100℃范圍內(nèi)，端電壓與溫度有較理想的線性關(guān)系，溫度系數(shù)為-2.2mv/℃。采用二極管做冷端補(bǔ)償，精度可達(dá)到0.3-0.8℃，采用三極管作冷端補(bǔ)償精度可達(dá)0.05-0.2℃。73四、熱電偶的使用誤差：

⑴、分度誤差：實(shí)際就測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)產(chǎn)生的誤差。統(tǒng)一型號(hào)的熱電偶采用標(biāo)準(zhǔn)分度表?，F(xiàn)在采用國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。⑵、儀表誤差：一般均與自動(dòng)平衡式電子電位差計(jì)。動(dòng)圈式儀表配套使用。引入誤差為：σ=（Tmax-Tmin）K

Tmax、Tmin---儀表量程上下限；

K---儀表的精度等級(jí)。⑶、延伸導(dǎo)線誤差：引伸導(dǎo)線的熱電性不一致，自由端溫度不一樣；⑷、動(dòng)態(tài)誤差：測(cè)溫元件的質(zhì)量和熱慣性，有個(gè)反映（即平衡時(shí)間）時(shí)間；減小動(dòng)態(tài)誤差就要減小感溫點(diǎn)，減少保護(hù)層。

74⑸漏電誤差：不少無(wú)機(jī)絕緣材料的絕緣電阻會(huì)隨著溫度升高而減少。列如：Al2O33％，SiO265％材料在常溫下電阻率為1。37×106Ω·m，當(dāng)溫度上升到1000℃和1500℃時(shí)，電阻率下降到1.08×102Ω·m，因而隨溫度升高（特別在高溫）時(shí)，絕緣效果明顯變壞，使熱電勢(shì)輸出分流，造成漏電誤差，一般均看用絕緣性能較好的材料來(lái)減少漏電誤差。

75熱電偶可把溫度信號(hào)變換成電信號(hào)，因此可通過(guò)各種電測(cè)儀表來(lái)測(cè)量電勢(shì)以顯示被測(cè)溫度。采用直流毫伏計(jì)測(cè)量的溫度表叫做“熱電式溫度表”；而采用自動(dòng)平衡式電位差計(jì)原理測(cè)量溫度的溫度表，則稱為“伺服式溫度表”。主要介紹伺服式溫度表和數(shù)字式溫度表。五．熱電勢(shì)的測(cè)量76(1)伺服式溫度表電位差計(jì)的工作原理圖。當(dāng)開(kāi)關(guān)合向c時(shí)，形成測(cè)量回路，其回路電壓方程為

Ex-IRab=i∑REx-被測(cè)電壓；I、i-工作回路和測(cè)量回路電流；∑R-Rab回路電阻。77這時(shí)，檢流計(jì)G指示為i，移動(dòng)觸點(diǎn)b，使檢流計(jì)指零(即i＝0)時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到平衡，即有Ex＝IRab，當(dāng)電流J和電阻Rab已知時(shí)，則可用可變電阻觸點(diǎn)b的位置標(biāo)明被測(cè)電勢(shì)值。由此也可知道，工作電流值I和電阻值Rab的精度和被測(cè)電勢(shì)與已知電壓之差的靈敏度是影響電位差計(jì)精度的關(guān)鍵。78使用時(shí)要注意下列問(wèn)題①使用前要校準(zhǔn)工作電流I值，在測(cè)量過(guò)程中，要保證I的精度穩(wěn)定不變；②檢流計(jì)應(yīng)有足夠的靈敏度；③測(cè)量回路的總電阻值要適當(dāng)。伺服式溫度計(jì)在使用時(shí)，為了自動(dòng)地移動(dòng)觸點(diǎn)b以跟蹤Ex的變化可采用一套小功率伺服系統(tǒng)，當(dāng)被測(cè)電勢(shì)Ex發(fā)生變化時(shí)，不平衡電壓將引起伺服系統(tǒng)工作，直到達(dá)到新的平衡狀態(tài)為止。伺服式溫度表就是根據(jù)這種平衡式電位差計(jì)的原理工作的。79(2)數(shù)字式溫度計(jì)為了實(shí)現(xiàn)溫度的數(shù)字顯示，或組成溫度的巡檢系統(tǒng)，或向計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)提供溫度信號(hào)，都要對(duì)熱電偶的熱電勢(shì)進(jìn)行數(shù)字化處理，所以在采用熱電偶的測(cè)溫?cái)?shù)字化系統(tǒng)中，最基本的環(huán)節(jié)是熱電偶和A／D轉(zhuǎn)換器。因此在組成數(shù)字式溫度計(jì)時(shí)，必須注意：①熱電偶輸出電勢(shì)一段很小，在進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換前，必須經(jīng)過(guò)高增益的直流放大，常用數(shù)據(jù)放大器；②熱電偶的熱電特性，一般情況下為非線性的，欲使顯示數(shù)字或輸出脈沖數(shù)與被測(cè)溫度直接相對(duì)應(yīng)，必須采用線性化措施。在帶有計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)中，非線性校正和冷端補(bǔ)償工作，都直接由計(jì)算機(jī)完成，即所謂“軟件校正法”，但目前用得更多的是所謂“硬件校正法”，即采用的是非線性校正裝置，也稱為“線性化器”。80六、熱電偶的類型及結(jié)構(gòu)1、熱電偶材料：定型的標(biāo)準(zhǔn)化材料有：鉑銠—鉑，銅康等。非標(biāo)的，特殊的，鎢錸系，銥銠系等。

2、對(duì)熱電偶材料的基本要求任何兩種導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)均可配成熱電偶，當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不同時(shí)，就能產(chǎn)生電勢(shì)，只不過(guò)是熱電勢(shì)大小不同而已。但作為實(shí)用的測(cè)溫元件，不是所有材料都適用于作熱電偶，對(duì)制作熱電偶材料的基本要求是：(1)熱電特性穩(wěn)定，即熱電勢(shì)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系保持恒定；(3)熱電勢(shì)與溫度有單值關(guān)系，最好呈線性或簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系。(2)熱電勢(shì)足夠大，易于測(cè)量，且可得到較高精確度；81(4)電阻溫度系數(shù)和電阻率要小，否則熱電偶的電阻將隨工作端的溫度不同而有較大的變化，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性；(5)物理性能穩(wěn)定，化學(xué)成分均勻，不易氧化和腐蝕；(6)材料的復(fù)制性好；(7)材料的機(jī)械強(qiáng)度要高。82但實(shí)際生產(chǎn)中很難找到一種完全滿足上述要求的材料。一般來(lái)說(shuō)，純金屬的熱電極易于復(fù)制，但熱電勢(shì)較小，平均約為20uV／℃，非金屬的電極的熱電勢(shì)較大，可達(dá)1000uV／℃，且熔點(diǎn)高，但復(fù)制和穩(wěn)定性都差；合金電極的熱電性和工藝性能均介于兩者之間，因此，需要根據(jù)具體測(cè)溫情況，采用不同材料制做熱電偶。833、熱電偶的類型熱電偶的類型、規(guī)格、結(jié)構(gòu)品種繁多，從不同的分類觀點(diǎn)，提出的分類方法也很多，例如可以按使用溫度，熱電偶材料，熱電偶的用途，熱電偶的結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分類。書(shū)上按標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化介紹兒種常用熱電偶。844、熱電偶的結(jié)構(gòu)：

①普通熱電偶；主要用于測(cè)量容器或管道內(nèi)的氣體、蒸汽、液體等介質(zhì)的溫度?？筛鶕?jù)測(cè)量條件及測(cè)量范圍來(lái)選用。②工業(yè)用裝配式熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖接線盒保險(xiǎn)套管絕緣套管熱電偶絲85②鎧裝熱電偶；（又稱纜式）鎧裝熱電偶是把保護(hù)管(材料為不銹鋼或鎳基高混合金)，絕緣材料(高純脫水氧化鎂或氧化鋁)與熱電偶絲組合在一起拉制而成，也稱套管熱電偶。鎧裝熱電偶的特點(diǎn)是：動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量端熱容量小、撓度好、強(qiáng)度高、種類多(繞制成雙芯、單芯、四芯等)。由于撓性好柔性大，可以彎成各種形狀，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對(duì)象，機(jī)械性能好，抗震動(dòng)和耐沖擊。86④表面熱電偶：分為永久性安裝和非永久性安裝兩種，主要用來(lái)測(cè)量金屬塊、爐壁、橡膠簡(jiǎn)，禍輪葉軋輥等團(tuán)體的表面溫度。⑤侵入式熱電偶；浸入式熱電偶主要用來(lái)測(cè)量鋼水、銅水、鋁水以及熔融合金的溫度。其主要特點(diǎn)是：可以直接插入液態(tài)金屬中進(jìn)行測(cè)量溫度。③薄膜熱電偶；薄膜熱電偶分為片狀、針狀等，是由厚度為0.0l—0.1um兩種金屬薄膜連接在一起的特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶。其特點(diǎn)是：熱容量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量小面積時(shí)的瞬時(shí)變化的溫度。879.3晶體管和集成溫度傳感器McNamara在1962年首先提出使用二極管和晶體管來(lái)代替熱傳感器。與其他類型熱傳感器相比，熱二極管的潛在優(yōu)勢(shì)在于它的制造技術(shù)與IC技術(shù)匹配而且生產(chǎn)成本低廉。一、二極管P—N結(jié)溫度傳感器這種傳感器是利用晶體管半導(dǎo)體材料的P—N結(jié)的伏安特性與溫度之間的關(guān)系研制而成的一種固態(tài)傳感器。88熱二極管下圖是硅P-N二極管的理想電流-電壓特性曲線。當(dāng)電壓小于正向?qū)妷簳r(shí)，沒(méi)有電流流過(guò)二極管當(dāng)電壓大于正向?qū)妷簳r(shí)，有電流通過(guò)二極管。負(fù)向偏壓VI89硅P-N結(jié)在正向和反向偏壓時(shí)的能級(jí)圖和耗盡區(qū)如圖距離能量IPN距離能量IPN90當(dāng)偏壓為零時(shí)，載流子必須穿過(guò)勢(shì)壘才能由P型區(qū)遷移到N型區(qū)或者反向遷移。使用正向偏壓可以降低該勢(shì)壘的高度，也可以使用反向偏壓提供該勢(shì)壘的高度。利用這個(gè)效應(yīng)，可以使電流通過(guò)P-N結(jié)。如圖所示，利用電壓V可以修正費(fèi)米能級(jí)，但對(duì)于P型半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)，它總是位于價(jià)帶附近，而對(duì)于N型半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)，它總是位于導(dǎo)帶附近。91根據(jù)經(jīng)典的結(jié)理論，電子和空穴電流密度與簡(jiǎn)單的擴(kuò)散過(guò)程有關(guān)，它們可以表示為：電子的擴(kuò)散率；