第7章 熱電傳感器

第7章：熱電傳感器本章要求：1、掌握熱電效應(yīng)、塞貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)、湯姆遜效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)及熱電勢(shì)產(chǎn)生的原因和熱電偶的基本定律；2、熟悉熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、溫敏二極管及三極管、溫控晶閘管、集成溫度傳感器的工作原理及測(cè)量電路；3、了解各種熱電式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。本章重點(diǎn)：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、熱釋電紅外傳感器、溫敏二極管及三極管。本章難點(diǎn)：熱電偶的基本定律.7.1熱電偶傳感器

7.2熱電阻傳感器7.3熱敏電阻傳感器7.4PN結(jié)溫度傳感器7.5熱釋電紅外傳感器熱電傳感器—將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。熱電傳感器的種類：1、按測(cè)量方式不同分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N；2、按轉(zhuǎn)換電量不同分為發(fā)電式和參量式兩種。把溫度轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)輸出的熱電式傳感器叫做熱電偶。它是一種發(fā)電式傳感器，直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能。把溫度轉(zhuǎn)換為電阻輸出的熱電式傳感器叫做熱電阻、熱敏電阻等；它們都是參量式傳感器。7.1、熱電偶傳感器7.1.1熱電效應(yīng)（3）湯姆遜（Thomson）效應(yīng)：由同一種導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成閉合回路，保持回路兩側(cè)有一定的溫度差ΔT，并通以電流I時(shí)，回路的溫度轉(zhuǎn)折處將產(chǎn)生比例于I·ΔT的吸熱或放熱，這種現(xiàn)象稱為湯姆遜效應(yīng)。（2）珀?duì)柼╬eltier）效應(yīng)：在兩種不同材料接成的閉合回路中，通入電流I時(shí)，則在一個(gè)結(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生熱量Q，而另一個(gè)接點(diǎn)吸收熱量Q，這種現(xiàn)象稱為珀?duì)柼?yīng)。（1）塞貝克（seeback）效應(yīng)：兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體A與B組成閉合回路。如果兩結(jié)點(diǎn)之間存在溫度差時(shí)，則在回路內(nèi)有電流產(chǎn)生，亦即在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)。熱電效應(yīng)—由溫度引起電勢(shì)差的物理現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)，俗稱溫差電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)----熱電偶工作原理演示熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）左端稱為：測(cè)量端（工作端、熱端）熱電極B熱電勢(shì)AB從實(shí)驗(yàn)到理論：熱電效應(yīng)

1821年，德國(guó)物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個(gè)接觸點(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指南針發(fā)生偏轉(zhuǎn)（說(shuō)明什么？），如果用兩盞酒精燈對(duì)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)加熱，指南針的偏轉(zhuǎn)角反而減?。ㄓ终f(shuō)明什么？）。顯然，指南針的偏轉(zhuǎn)說(shuō)明回路中有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生并有電流在回路中流動(dòng)，電流的強(qiáng)弱與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫差有關(guān)。

將兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B組合成閉合回路。若兩結(jié)點(diǎn)處溫度不同，則回路中將有電流流動(dòng)，即回路中有熱電動(dòng)勢(shì)存在。此電動(dòng)勢(shì)的大小除了與材料本身的性質(zhì)有關(guān)以外,還決定于結(jié)點(diǎn)處的溫差，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或西拜克效應(yīng)。熱電偶就是根據(jù)此原理設(shè)計(jì)制作的將溫差轉(zhuǎn)換為電勢(shì)量的熱電式傳感器。熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢(shì)是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成的。托馬斯·約翰·塞貝克（也有譯做“西伯克”）1770年生于塔林（當(dāng)時(shí)隸屬于東普魯士，現(xiàn)為愛沙尼亞首都）。塞貝克的父親是一個(gè)具有瑞典血統(tǒng)的德國(guó)人，也許正因?yàn)槿绱耍膭?lì)兒子在他曾經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的柏林大學(xué)和哥廷根大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)。1802年，塞貝克獲得醫(yī)學(xué)學(xué)位。由于他所選擇的方向是實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)中的物理學(xué)，而且一生中多半時(shí)間從事物理學(xué)方面的教育和研究工作，所以人們通常認(rèn)為他是一個(gè)物理學(xué)家。畢業(yè)后，塞貝克進(jìn)入耶拿大學(xué)，在那里結(jié)識(shí)了歌德。德國(guó)浪漫主義運(yùn)動(dòng)以及歌德反對(duì)牛頓關(guān)與光與色的理論的思想，使塞貝克深受影響，此后長(zhǎng)期與歌德一起從事光色效應(yīng)方面的理論研究。塞貝克的研究重點(diǎn)是太陽(yáng)光譜，他在1806年揭示了熱量和化學(xué)對(duì)太陽(yáng)光譜中不同顏色的影響，1808年首次獲得了氨與氧化汞的化合物。1812年，正當(dāng)塞貝克從事應(yīng)力玻璃中的光偏振現(xiàn)象時(shí)，他卻不曉得另外兩個(gè)科學(xué)家布魯斯特和比奧已經(jīng)搶先在這一領(lǐng)域里有了發(fā)現(xiàn)。

1818年前后，塞貝克返回柏林大學(xué)，獨(dú)立開展研究活動(dòng)，主要內(nèi)容是電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)對(duì)鋼鐵的磁化。當(dāng)時(shí)，阿雷格（Arago）和大衛(wèi)（Davy）才發(fā)現(xiàn)電流對(duì)鋼鐵的磁化效應(yīng)，貝塞克對(duì)不同金屬進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了磁化的熾熱的鐵的不規(guī)則反應(yīng)，也就是我們現(xiàn)在所說(shuō)的磁滯現(xiàn)象。在此期間，塞貝克還曾研究過(guò)光致發(fā)光、太陽(yáng)光譜不同波段的熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、偏振，以及電流的磁特性等等。

1820年代初期，塞貝克通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了電流與熱的關(guān)系。1821年，塞貝克將兩種不同的金屬導(dǎo)線連接在一起，構(gòu)成一個(gè)電流回路。他將兩條導(dǎo)線首尾相連形成一個(gè)結(jié)點(diǎn)，他突然發(fā)現(xiàn)，如果把其中的一個(gè)結(jié)加熱到很高的溫度而另一個(gè)結(jié)保持低溫的話，電路周圍存在磁場(chǎng)。他實(shí)在不敢相信，熱量施加于兩種金屬構(gòu)成的一個(gè)結(jié)時(shí)會(huì)有電流產(chǎn)生，這只能用熱磁電流或熱磁現(xiàn)象來(lái)解釋他的發(fā)現(xiàn)。在接下來(lái)的兩年里時(shí)間（1822～1823），塞貝克將他的持續(xù)觀察報(bào)告給普魯士科學(xué)學(xué)會(huì)，把這一發(fā)現(xiàn)描述為“溫差導(dǎo)致的金屬磁化”。

表7-1三種熱電效應(yīng)的比較效應(yīng)材料加溫情況外電源表現(xiàn)特外塞貝克金屬的兩種金屬兩端保持不同溫度無(wú)冷端產(chǎn)生熱電勢(shì)半導(dǎo)體的兩種半導(dǎo)體兩端保持不同溫度無(wú)冷端產(chǎn)生熱電勢(shì)珀?duì)柼饘俚膬煞N金屬整體為某溫度有接觸處產(chǎn)生焦耳熱以外的吸、放熱半導(dǎo)體的兩種半導(dǎo)體整體為某溫度有接觸處產(chǎn)生焦耳熱以外的吸、放熱湯姆遜金屬的兩條同種金屬絲兩金屬絲各保持不同溫度有溫度轉(zhuǎn)折處吸熱或放熱半導(dǎo)體的同種半導(dǎo)體兩端保持不同溫度有整體升溫或降溫三種效應(yīng)的比較列于表7-1中。7.1.2熱電偶工作原理

熱電偶：兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體A和B組成的閉合回路稱為熱電偶。如圖7-1示：其中導(dǎo)體A和B稱為熱電極，溫度高的一端T稱為熱端，或工作端、測(cè)量端；溫度低的一端T0稱為冷端，或自由端、參考端；熱電勢(shì)記為EAB(T,T0)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)T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說(shuō)回路中有電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應(yīng)。熱電偶原理圖TT0AB

熱電偶的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1.接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)原理圖+ABeAB(T)-eAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；

k——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——導(dǎo)體A、B在溫度為T時(shí)的電子密度。接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。

1.兩種不同金屬的接觸電勢(shì)兩種不同金屬導(dǎo)體的自由電子密度不同。設(shè)金屬導(dǎo)體A與B的自由電子密度分別為nA和nB，兩者接觸時(shí)，在接觸面上就會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散。若nA＞nB則金屬A失去電子，金屬B獲得電子，在接觸區(qū)產(chǎn)生電勢(shì)差，稱做接觸電勢(shì)。達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，穩(wěn)定的接觸電勢(shì)為（7-5）式中eAB(T)是指在溫度T時(shí)，金屬A與B結(jié)點(diǎn)處的接觸電勢(shì)；q0為電子電荷量(q0＝1.6×10-19C)；K為玻爾茲曼常數(shù)(K＝1.38×10-23J／K)。AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì)；T，T0——高低端的絕對(duì)溫度；σA——湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，例如在0℃時(shí)，銅的σ=2μV/℃。2.溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)原理圖

3.金屬導(dǎo)體的溫差電勢(shì)金屬導(dǎo)體兩端溫度不等時(shí)，由熱電效應(yīng)可知，高溫端的自由電子濃度高且具有較大的動(dòng)能而向低溫端擴(kuò)散，結(jié)果高溫端失去電子，低溫端獲得電子，高低溫兩端形成溫差電勢(shì)，又稱湯姆遜電勢(shì)，其值為（7-7）式中e(T，T0)是金屬導(dǎo)體高溫端絕對(duì)溫度T與低溫端絕對(duì)溫度T0形成的溫差電勢(shì)；τ為湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體兩端溫度相差1℃時(shí)溫差電勢(shì)的大小。不同材料的湯姆遜系數(shù)不同；同種材料不同溫度時(shí)的湯姆遜系數(shù)也不同。

金屬導(dǎo)體A與B組成熱電偶回路(圖7-3)時(shí)，其總的電勢(shì)為EAB(T，T0)＝［eAB(T)-eAB(T0)］＋［eB(T，T0)-eA(T,T0)］由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點(diǎn)溫度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì)，回路總電勢(shì)：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路總電勢(shì)NAT、NAT0——導(dǎo)體A在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度；NBT、NBT0——導(dǎo)體B在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度；σA

、σB——導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)。（3）熱電偶總的熱電勢(shì)如圖7-3所示：

2、熱電勢(shì)的組成及產(chǎn)生原因：熱電勢(shì)由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成（1）兩種不同金屬的接觸電勢(shì)（珀?duì)柼妱?shì)）如圖7-2（a）所示：（2）單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)）。如圖7-2（b）所示：熱電偶三點(diǎn)結(jié)論P(yáng)144：

①熱電偶必須采用兩種不同金屬材料作熱電極。

②熱電偶的兩結(jié)點(diǎn)必須存在溫度差。

③熱電偶的熱電勢(shì)大小只與兩結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，而與材料A、B的中間各處溫度無(wú)關(guān)。

1、熱電勢(shì)性質(zhì)：

（1）導(dǎo)體A與B在工作端（T）產(chǎn)生的接觸電勢(shì)可以寫成：

EAB(T)＝EA(T)－EB(T),EAB(T0)＝EA(T0)－EB(T0)

（2）同一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)可以寫成：EA(T,T0)＝EA(T)－EA(T0)（3）接觸電勢(shì)下標(biāo)A與B代表電壓方向。

EAB(T)＝－EBA(T)；

（4）溫差電勢(shì)括號(hào)中的溫度順序代表高溫到低溫。故溫差電勢(shì)中的溫度順序改變，其電勢(shì)值的正、負(fù)號(hào)也隨之改變。EA(T,T0)＝－EA(T0,T)（5）熱電勢(shì)大小只與熱電極材料性質(zhì)及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱偶形狀和大小無(wú)關(guān)。7.1.3熱電偶基本定律2、熱電偶基本定律：（1）中間導(dǎo)體定律。在熱電偶中接入不同性質(zhì)的第三導(dǎo)體C，只要保證C兩端的溫度相等，則接入第三導(dǎo)體C后熱電偶的總熱電勢(shì)不變。如圖7-5所示：EABC(T,T0)＝EAB(T,T0)對(duì)于圖(a)：EABC(T,T0)＝EAB(T)+EBA(T0)+EAC(T1)+ECA(T1)

＝

EAB(T)-EAB(T0)對(duì)于圖(b)：EABC(T,T0)＝EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0)

＝

EAB(T)-EAB(T0)

E總=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三種不同導(dǎo)體組成的熱電偶回路TABCTT1.中間導(dǎo)體定律一個(gè)由幾種不同導(dǎo)體材料連接成的閉合回路，只要它們彼此連接的接點(diǎn)溫度相同，則此回路各接點(diǎn)產(chǎn)生的熱電勢(shì)的代數(shù)和為零。如圖，由A、B、C三種材料組成的閉合回路，則兩點(diǎn)結(jié)論：

l）將第三種材料C接入由A、B組成的熱電偶回路，如圖，則圖a中的A、C接點(diǎn)2與C、A的接點(diǎn)3，均處于相同溫度T0之中，此回路的總電勢(shì)不變，即同理，圖b中C、A接點(diǎn)2與C、B的接點(diǎn)3，同處于溫度T0之中，此回路的電勢(shì)也為：T2T1AaBC23EABaAT023ABEABT1T2

CT0EAB（T1,T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三種材料接入熱電偶回路圖ET0T0TET0T1T1T電位計(jì)接入熱電偶回路用途

根據(jù)上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計(jì)E，只要保證電位計(jì)與連接熱電偶處的接點(diǎn)溫度相等，就不會(huì)影響回路中原來(lái)的熱電勢(shì)，接入的方式見下圖所示。2、熱點(diǎn)偶基本定律：（2）中間溫度定律。在熱電偶回路中，如果存在一個(gè)中間溫度Tn，則熱電偶總熱電勢(shì)等于該熱電偶在（T,Tn）時(shí)熱電勢(shì)EAB(T,Tn)與同一熱電偶在（Tn,T0）時(shí)熱電勢(shì)EAB（Tn,T0）的代數(shù)和。EAB(T,T0)＝EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)2.中間溫度定律

如果不同的兩種導(dǎo)體材料組成熱電偶回路,其接點(diǎn)溫度分別為T1、T2(如圖所示)時(shí),則其熱電勢(shì)為EAB(T1,T2)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為T2、T3時(shí)，其熱電勢(shì)為EAB(T2,T3)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為T1、T3時(shí)，其熱電勢(shì)為EAB(T1,T3)，則BBA

T2

T1

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）用途：制定熱電式分度表奠定理論基礎(chǔ)，參考溫度0度中間溫度定律的實(shí)用價(jià)值在于：

(1)當(dāng)熱電偶自由端(冷端)不為0℃時(shí)，可利用該定律及分度表(詳見附錄)求得工作端溫度T；

(2)熱電偶長(zhǎng)度不夠時(shí)，可據(jù)此定律選用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償導(dǎo)線。實(shí)際測(cè)溫時(shí)，由于熱電偶的長(zhǎng)度有限，熱電偶冷端溫度將直接受到被測(cè)介質(zhì)溫度和周圍環(huán)境的影響。為了保證正常工作，通?？稍谝欢ǖ臈l件和溫度范圍內(nèi)(一般在0～100℃)加入與熱電偶的熱電性能相似的廉價(jià)補(bǔ)償導(dǎo)線，以滿足檢測(cè)要求。

［例7-1］用鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)爐溫時(shí)，其冷端溫度T0＝30℃，在直流電位計(jì)上測(cè)得熱電勢(shì)EAB(T，30℃)為32.074mV，試求爐溫為多少℃?解：(1)查鎳鉻-鎳硅熱電偶K分度表，得：P311

EAB(T0，0℃)＝EAB(30℃，0℃)＝1.200mV

(3)

再查K分度表，得

EAB(T，0℃)＝33.274的溫度T為801℃。TACCBT0EAB(T,T0)圖7-7參考電極定律示意圖

3.參考電極定律(也叫組成定律)

在導(dǎo)體A與B組成的兩結(jié)點(diǎn)溫度為T與T0的熱電偶中間接入?yún)⒖茧姌OC，形成兩個(gè)熱電偶組成的回路，如圖7-7所示。由

(2)EAB(T，0℃)＝EAB(T，30℃)＋EAB(30℃，0℃)

＝32.074＋1.200＝33.274(mV)(3)參考電極定律。如圖7-7所示：如果A、B兩種不同材料的導(dǎo)體分別與參考導(dǎo)體C組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)已知，那么A、B導(dǎo)體所組成的熱電偶的熱電勢(shì)也可知。2、熱點(diǎn)偶基本定律：EAB(T,T0)＝EAC(T,T0)-EBC(T,T0)有根據(jù)式(7-7)有則

即（5-15）式(7-16)說(shuō)明：兩種金屬構(gòu)成熱電偶的熱電勢(shì)，可以用這兩種金屬分別與第三種金屬構(gòu)成的熱電偶的熱電勢(shì)之差來(lái)表示，稱之為參考電極定律。由于純鉑絲的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，熔點(diǎn)較高，易提純，所以，工程上常用鉑作為參考電極。參考電極定律大大簡(jiǎn)化了熱電偶選配電極的工作，只要獲得有關(guān)熱電極與參考電極配對(duì)的熱電勢(shì)，即可方便地求出各種金屬搭配構(gòu)成熱電偶時(shí)的熱電勢(shì)，而不要逐個(gè)進(jìn)行測(cè)定。［例7-2］

鉻合金鉑熱電偶的E(100℃，0℃)＝＋3.13(mV)，鋁合金鉑熱電偶E(100℃，℃)＝－1.02mV，試求鉻合金鋁合金組成熱電偶的熱電勢(shì)E(100℃，0℃)。解：

設(shè)鉻合金為A，鋁合金為B，鉑為C因?yàn)镋AC(100℃，0℃)＝＋3.13(mV)；

EBC(100℃，0℃)＝－1.02mV，則由參考電極定律，得

EAB(100℃，0℃)＝EAC(100℃，0℃)－EBC(100℃，0℃)

＝3.13－(－1.02)＝4.15mV1、熱電偶的結(jié)構(gòu)：普通熱電偶由四部分組成：(1)熱電極；它是熱電偶的核心。(2)絕緣套；防止電極之間以及電極與保護(hù)管之間短路，由絕緣材料制成。(4)接線盒。供熱電偶與引線連接用。一船用鋁合金制成。(3)保護(hù)管。使熱電極與被測(cè)介質(zhì)溫度隔離，使之免受化學(xué)侵蝕或機(jī)械損傷。要求它有良好的導(dǎo)熱性并久耐用。7.1.4熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類熱電極熱端絕緣套管保護(hù)套管熱線盒圖7-8熱電偶結(jié)構(gòu)

1.熱電偶的結(jié)構(gòu)各種熱電偶盡管外形有所不同，但其基本結(jié)構(gòu)通常均由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管、接線盒等主要部件構(gòu)成，如圖7-8所示。現(xiàn)將各部分的構(gòu)造和要求說(shuō)明如下：

(1)熱電極組成熱電偶的兩根熱偶絲稱為熱電極。熱電偶通常以熱電極材料種類來(lái)定名，例如鉑銠-鉑熱電偶，鎳鉻-鎳硅熱電偶、鎳鉻-康銅熱電偶等。為了保證工程技術(shù)中的可靠性，以及足夠的測(cè)量精度，并非所有材料都可組成熱電偶，一般需滿足以下要求：①在測(cè)量范圍內(nèi)，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，不易被氧化和腐蝕；

②電阻溫度系數(shù)小，電導(dǎo)率高，組成熱電偶后產(chǎn)生的熱電勢(shì)要大，并與溫度變化呈線性或近似線性關(guān)系；③有足夠的機(jī)械強(qiáng)度及較好的耐振、耐熱沖擊性能；

④工藝性、復(fù)制性好，便于制造與互換應(yīng)當(dāng)指出，實(shí)際上沒(méi)有一種材料能同時(shí)滿足上述全部要求，因此在設(shè)計(jì)選用熱電偶的電極材料時(shí)，要根據(jù)測(cè)量的具體條件來(lái)加以選擇。目前常用的熱電極材料分為貴金屬和普通金屬兩大類，這些材料在國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。貴金屬熱電極多采用直徑為0.13～0.65mm的細(xì)導(dǎo)線，普通金屬熱電極的直徑為0.5～3.2mm。熱電偶的。長(zhǎng)度由安裝條件，特別是工作端在介質(zhì)中的插入深度來(lái)決定，通常為350～2000mm，最長(zhǎng)可達(dá)3500mm。熱電極的工作端(熱端)通常用電弧焊焊接在一起。

(2)絕緣套管絕緣套管又叫絕緣子，用來(lái)防止兩根熱電極短路。絕緣子一般做成圓形或橢圓型，中間有一個(gè)、二個(gè)或四個(gè)小孔，孔的大小由熱電極的直徑而定，絕緣材料主要根據(jù)測(cè)溫范圍及絕緣性能要求來(lái)選擇，一般選橡皮、塑料(60～80℃)、玻璃絲、玻璃管(＜500℃)、石英管(0～1300℃)、陶瓷管(1400℃)和氧化鋁管(1500～1700℃)作絕緣材料。最常用的氧化鋁和耐火陶瓷等。

(3)保護(hù)套管

保護(hù)套管的作用是使電極和待測(cè)溫度介質(zhì)隔離，使之免受化學(xué)侵蝕和機(jī)械損傷。熱電極套上絕緣套后再裝入保護(hù)管內(nèi)。對(duì)保護(hù)管的要求是必須有優(yōu)良的傳熱性能與經(jīng)久耐用。前者指的是有良好的導(dǎo)熱性，以改善熱電極對(duì)被測(cè)溫度變化的響應(yīng)速度，減少滯后；后者指的是能耐高溫、耐急冷急熱，耐腐蝕，不分解出對(duì)電極有害的氣體，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。常用的套管材料有兩大類：金屬和非金屬。金屬常用鋁、銅、銅合金、炭鋼、不銹鋼、鎳等高溫合金材料；非金屬材料有石英、高溫陶瓷、氧化鋁(鎂)等。具體使用時(shí)應(yīng)根據(jù)熱電偶類型、測(cè)溫范圍和使用條件選擇套管材料。

(4)接線盒

熱線盒供連接熱電偶和測(cè)量?jī)x表之用，它固定在熱電偶保護(hù)套管上，一般用鋁合金制成，分為普通式和密封式(防濺式)兩種。（2）根據(jù)測(cè)溫范圍分類：有三類：①高溫?zé)犭娕迹?1000C——16000C；②中溫?zé)犭娕迹?000C——10000C③低溫?zé)犭娕迹陀?000C以下。2、熱電偶的種類：（P148）（1）根據(jù)熱電極材料分類：有四類：①難熔熱電極材料：銥、鎢、錸；②貴金屬熱電極材料：鉑、鉑銠合金；③普通金屬熱電極材料：鐵、銅、康銅、考銅、鎳鉻合金、鎳鋁合金④非金屬熱電極材料：炭、石墨、碳化硅。（3）根據(jù)用途分類：有兩類：①標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；②工業(yè)用熱電偶。工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖1－接線盒；2－保險(xiǎn)套管3―絕緣套管4―熱電偶絲1234

2.熱電偶的種類

(1)普通型熱電偶普通型熱電偶已做成標(biāo)準(zhǔn)形式，主要有棒形、錐形、角形等，其固定方式有螺紋固定、法蘭盤固定等，如圖7-8所示。普通型熱電偶主要用于測(cè)量氣體、蒸汽和液體等介質(zhì)的溫度。測(cè)溫端保護(hù)套管固定法蘭接線盒圖7-8普通熱電偶外形圖

(2)鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶是由金屬保護(hù)套管、熱電極、絕緣材料三者組合成一體的特殊結(jié)構(gòu)形式的熱電偶。它可以做得很細(xì)很長(zhǎng)，且可以彎曲。套管外徑最細(xì)能達(dá)0.25～12mm，長(zhǎng)度可達(dá)100m以上。這種熱電偶有雙芯和單芯之分，如圖7-9所示。套管兼外電極內(nèi)電極套管絕緣材料圖5-11鎧裝電偶外形圖

鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫端熱容量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、撓性好、強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)及適應(yīng)性強(qiáng)，適用位置狹小部位的溫度測(cè)量，在航空及原子能工業(yè)中使用較多。

(3)薄膜熱電偶

為適應(yīng)快速測(cè)量壁面溫度，人們采用真空蒸鍍工藝，把兩種熱電極材料鍍?cè)诮^緣基板上，二者牢固地結(jié)合在一起，形成薄膜狀熱電極及熱接點(diǎn)，如圖7-9所示。為了防止熱電極氧化并與被接頭夾熱電極熱接點(diǎn)絕緣基板引出線圖7-9薄膜熱電偶測(cè)物絕緣，在薄膜熱電偶表面再涂上一層SiO2保護(hù)層。它的測(cè)量端既小又薄(厚度可達(dá)0.01～10μm)，熱容量很小，響應(yīng)速度很快，適用于測(cè)量微小面積上的瞬變溫度。我國(guó)研制成功的鐵鎳薄膜熱電偶的靈敏度為0.032mv／℃，時(shí)間常數(shù)τ＜0.01s，薄膜厚度在3～6μm之間，測(cè)溫范圍在0～300℃。

除上述種類的熱電偶之外，尚有一些專用的熱電偶，如專測(cè)固體表面溫度的表面熱電偶、專測(cè)鋼水及其它熔融狀態(tài)金屬溫度的快速測(cè)溫?zé)犭娕嫉取?/p>

1、鉑銠10—鉑熱電偶。型號(hào)WRLB、分度號(hào)LB―32、鉑銠13―鉑熱電偶，工業(yè)用0～1600OC。3、鉑銠30―鉑銠6熱電偶，工業(yè)用高溫?zé)犭娕?～1700OC。4、鎳鉻―鎳鋁熱電偶，型號(hào)WREV，分度號(hào)EV-25、鎳鉻―鎳硅熱電偶：測(cè)溫范圍－50OC～＋1312OC。其熱電性能比鎳鉻－鎳鋁熱電偶更好，有取代之勢(shì)。6、鎳鉻―考銅熱電偶：型號(hào)：WREA分度號(hào)：EA-2，它是宜于還原性氣體中使用，短時(shí)可測(cè)800OC，長(zhǎng)時(shí)間可測(cè)600OC以下，但復(fù)制性差。7、銅―康鋼熱電偶：屬低溫?zé)犭娕迹瑴y(cè)溫范圍－200OC～＋400OC，3、常用熱電偶：（P149）（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，使用方便，其電極不受大小和形狀的限制，可按照需要進(jìn)行配制。（2）因?yàn)樗妮敵鲂盘?hào)為電勢(shì)，因而測(cè)量時(shí)不必外加電源，室溫下的輸出電壓為mV級(jí)，輸出靈敏度一般在μV/0C。（3）測(cè)量精度高，熱電偶與被對(duì)象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響。（4）測(cè)量范圍寬，從-2690C至18000C。（5）便于遠(yuǎn)距離測(cè)量、自動(dòng)記錄及多點(diǎn)測(cè)量。

4、熱電偶的特點(diǎn)：（P151）如果保持自由端溫度T0＝0OC，則熱電勢(shì)大小僅與工作端溫度T成對(duì)應(yīng)關(guān)系。這就是熱電偶測(cè)溫原理。

7.1.5熱電偶測(cè)溫原理在實(shí)際使用中，各種熱電偶都附有分度表。只要測(cè)得被測(cè)點(diǎn)的熱電勢(shì)值，可根據(jù)分度表直接查出被測(cè)點(diǎn)的溫度，或者直接用溫度刻度，可在儀表上直接讀出被測(cè)點(diǎn)的溫度值。

1、測(cè)量單點(diǎn)溫度的基本測(cè)溫電路(如圖7-10a)圖中A,B為熱電偶.C,D為補(bǔ)償導(dǎo)線,E為銅導(dǎo)線,冷端溫度為T0,M為毫伏計(jì).7.1.6熱電偶實(shí)用測(cè)量電路測(cè)溫毫伏計(jì)的電流：RZ,RC,RM分別為熱電偶、導(dǎo)線和儀表電阻.

熱電勢(shì)為：

由于RZ,RC很小故U＝UAB（T，T0）存在測(cè)量誤差，采用圖7-10電電位差計(jì)實(shí)際測(cè)量電路。

2、測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間溫差

（如圖7-11）兩個(gè)熱電偶反向連接.使二者產(chǎn)生的熱電勢(shì)相反.則回路內(nèi)總電勢(shì)為7.1.6熱電偶實(shí)用測(cè)量電路ET=EAB(T1)+EBD(T0)+EDB(T’0)+EBA(T2)+EAC(T’0)+ECA(T0)EBD(T0)=EDB(T’0)=0EAC(T’0)=ECA(T0)=0ET=EAB(T1)+EBA(T2)=EAB(T1)-EAB(T2)3、測(cè)量平均溫度的電路（如圖7-12）它利用幾只同型號(hào)的熱電偶并聯(lián)在一起，圖中R1、R2、R3為串接在三只熱電偶線路中的均衡電阻.4、測(cè)量溫度和的電路（如圖7-13）同類型的熱電偶串聯(lián)來(lái)求溫度和5、K型熱電偶測(cè)量電路（如圖7-14）

在溫度測(cè)量中，大多使用各種等級(jí)的熱電偶作為溫度傳感器。通常熱電偶的標(biāo)定都是以0℃作為基準(zhǔn)點(diǎn)的，即冷端溫度為0℃。而在室溫下測(cè)量時(shí)，冷端環(huán)境溫度要造成誤差。這就需要對(duì)冷端溫度進(jìn)行適當(dāng)處理，常用的處理方法補(bǔ)償方法有下列幾種補(bǔ)償方式：1、恒定00C法;2、冷端恒溫法

;3、修正系數(shù)法;4、補(bǔ)償導(dǎo)線法

;5、電橋補(bǔ)償法;6、電位補(bǔ)償法7.1.7熱電偶冷端溫度誤差及其補(bǔ)償1、恒定00C法。即將熱電偶冷端浸入冰水保溫瓶或冰點(diǎn)恒溫槽中，保證冷端溫度恒定在00C，如圖7-15(a)：2、冷端恒溫法。將冷端置于恒溫槽內(nèi)。根據(jù)中間溫度定律：EAB(T,0)＝EAB(T,Tn)＋EAB(Tn,0)3、修正系數(shù)法。t=t1+ktn4、補(bǔ)償導(dǎo)線法（又稱冷端延長(zhǎng)法或延伸熱電極法）如圖7-15(b)：1.冰點(diǎn)槽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(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。mVABA’B’TC’C儀表銅導(dǎo)線試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冰點(diǎn)槽冰水溶液冷端處理及補(bǔ)償T02.冷端恒溫法用普通室溫計(jì)算出參比端實(shí)際溫度TH，利用公式計(jì)算例用銅-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)=2.191mV，又用室溫計(jì)測(cè)出TH=20℃,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(20,0)=0.789mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，20)+EAB(20，T0)=2.191+0.789=2.980(mV)再次查分度表，與2.980mV對(duì)應(yīng)的熱端溫度T=70℃。注意:既不能只按2.191mV查表，認(rèn)為T=55℃，也不能把55℃加21℃，認(rèn)為T=76℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)3.修正系數(shù)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?，?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=1167.3（℃）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′＋

kTH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)5、電橋補(bǔ)償法，如圖7-16：6、電位補(bǔ)償法，原理如圖7-17：5、電橋補(bǔ)償法工業(yè)上常采用冷端自動(dòng)補(bǔ)償方式。自動(dòng)補(bǔ)償方式是在熱電偶和測(cè)量?jī)x表間接入一個(gè)直流不平衡電橋(又稱為冷端溫度補(bǔ)償器)，如圖7-16所示。當(dāng)熱電偶自由端(冷端)溫度升高，導(dǎo)致回路總電勢(shì)降低時(shí)，補(bǔ)償器感受到自由端的變化，產(chǎn)生一個(gè)電位差，其值正好等于熱電偶降低的電勢(shì)，兩者互相抵消以達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

電橋四臂由R1、R2、R3和RCu組成，其中R1、R2、R3的溫度系數(shù)為0，用錳銅絲燒制；RCu為銅電阻，置于熱電偶的冷端處，讓其感受熱電偶冷端同樣的溫度。設(shè)計(jì)時(shí)使電橋在20℃處于平衡(Uab＝0)，電橋?qū)x表的讀數(shù)無(wú)影響。當(dāng)溫度不等于20℃時(shí)，電橋失衡，產(chǎn)生一個(gè)失衡電壓Uab與熱端電勢(shì)疊加，共同輸入測(cè)量?jī)x表。如果設(shè)計(jì)出的冷端補(bǔ)償器所產(chǎn)生的不平衡電壓正好補(bǔ)償由于冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值，儀表便可正確讀出被測(cè)溫度。需要注意的是：由于電橋是在20℃平衡，應(yīng)把儀表的機(jī)械零位調(diào)到20℃處，不同型號(hào)的冷端補(bǔ)償器應(yīng)與所用的熱電偶配套。5.電橋補(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++-abUUabRCuR1R2R3RT0UaUabEAB(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。6、電位補(bǔ)償法它是在熱電偶回路中串加一個(gè)起自動(dòng)補(bǔ)償作用的電勢(shì)，修正冷端溫度不為0℃時(shí)的電勢(shì)，使輸出電勢(shì)恒為冷端溫度相當(dāng)于0℃時(shí)的熱電勢(shì)。具體地講，H是熱端，T為工作溫度，冷端放在補(bǔ)償器C中，溫度為Tn。外加電源電壓U為一恒定電壓，電位器R1與電阻R2調(diào)整分壓比。在補(bǔ)償器C中并聯(lián)電阻R3和可調(diào)的具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt；經(jīng)A點(diǎn)給熱電偶加一個(gè)經(jīng)修正的電勢(shì)E(Tn，T0)，式中T0＝0℃。當(dāng)冷端溫度為Tn時(shí)，輸出熱電勢(shì)EAB(T，T0)＝EAB(T，Tn)＋EAB(Tn，T0)當(dāng)環(huán)境溫度Tn變高時(shí)，EAB(T，Tn)下降，但EAB(Tn，T0)變高，因此保持EAB(T，T0)不變。

7.2熱電阻傳感器熱電阻傳感器有兩大類：①金屬熱電阻——俗稱熱電阻；②半導(dǎo)體熱電阻——俗稱熱敏電阻

熱電阻效應(yīng)——物質(zhì)的電阻率隨溫度變化的現(xiàn)象。

熱電式傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對(duì)溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測(cè)的裝置。其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器；將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)變化的稱為熱電偶傳感器。熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類，前者簡(jiǎn)稱熱電阻，后者簡(jiǎn)稱熱敏電阻。

熱電阻傳感器7.2熱電阻傳感器利用電阻溫度變化的特性制成的傳感器叫熱電阻傳感器。熱電阻分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類。一般地金屬熱電阻稱為熱電阻，而把半導(dǎo)體熱電阻稱為熱敏電阻。

物質(zhì)的電阻率隨溫度變化的現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)。當(dāng)溫度變化時(shí)，導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨之變化，對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)，溫度上升時(shí)，其電阻值將增大。因此，在一定溫度范圍內(nèi)，可以通過(guò)測(cè)量電阻值的變化而感知溫度的變化。

利用熱電阻的上述轉(zhuǎn)換原理，不僅可應(yīng)用于溫度測(cè)量，還可用于流量、速度、濃度和密度等非電量的測(cè)量。7.2.1熱電阻材料的特點(diǎn)①電阻溫度系數(shù)α要盡可能大，且穩(wěn)定；②電阻率ρ要高；③比熱小，亦即熱慣性小④電阻值隨溫度變化關(guān)系最好是線性關(guān)系；⑤在較寬的測(cè)量范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)；⑥良好的工藝性，即特性的復(fù)現(xiàn)性好，便于批量生產(chǎn)7.2.2電阻與溫度的關(guān)系大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度而變化的關(guān)系可由下式表示Rt=R0[1+α(t-t0)]Rt、R0為tOC和t0OC時(shí)的電阻值

α為熱電阻的電阻溫度系數(shù)t為被測(cè)溫度常用金屬熱電阻的性能見P158表7-67.2.3常用熱電阻

熱電阻傳感器由熱電阻絲、絕緣骨架、引出線組成。其中電阻絲是熱電阻的主體。目前最廣泛使用的熱電阻材料是銅熱電阻和鉑熱電阻。1、鉑熱電阻：型號(hào)為WZB，分度號(hào)為BA-1、R0＝46Ω和BA-2、R0＝100Ω。

常用熱電阻熱電阻傳感器由熱電阻絲、絕緣骨架、引出線等部件組成，其中熱電阻絲是熱電阻的主體。因此，對(duì)其提出較高要求：(1)電阻溫度系數(shù)要大，以利于提高熱電阻傳感器的靈敏度；(2)電阻率盡可能大，以便減小電阻體尺寸；(3)熱容量要小，以便提高熱電阻的響應(yīng)速度；(4)在測(cè)量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理、化學(xué)性能；(5)電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性；(6)應(yīng)具有良好的可加工性，價(jià)格要低。

根據(jù)上述要求及金屬材料的性能，目前最廣泛使用的熱電阻絲材料是銅、鉑(隨著低溫和超低溫測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，開始采用錳、銦和碳等作為熱電阻的材料)。圖5-13給出了銅、鉑材料的電阻率與溫度的關(guān)系曲線，縱坐標(biāo)為電阻率ρ(Ω·m×10－8)，橫坐標(biāo)為溫度(℃)

1.鉑熱電阻鉑熱電阻的電阻體是用直徑0.02mm～0.07mm的鉑絲，按一定規(guī)律繞在云母、石英或陶瓷支架上而制成的。鉑絲繞組的端頭與銀線相焊，并套以瓷管加以絕緣保護(hù)。鉑熱電阻是國(guó)際公認(rèn)的成熟產(chǎn)品，它的性能穩(wěn)定，重復(fù)性好，測(cè)量精度高，其電阻值與溫度之間的關(guān)系近似線性。所以在工業(yè)用傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。其缺點(diǎn)是電阻溫度系數(shù)小，價(jià)格較貴。它的測(cè)溫范圍一般為－190～＋660℃。特性方程為PtCu403020100020080060040012001000-200溫度T℃圖7-13鉑﹑銅材料的電阻率-溫度關(guān)系曲線電阻率(Ωcm×10-6)當(dāng)－190℃<=t<=0℃時(shí)Rt＝R0［1＋At＋Bt2＋Ct3(t－100)］(7-28)當(dāng)0℃<=t<=660℃時(shí)Rt＝R0［1＋At＋Bt2］(7-27)

式中，Rt為鉑熱電阻在t℃時(shí)的電阻值；R0為鉑熱電阻熱電阻在0℃時(shí)的電阻值；分度系數(shù)A＝3.96847×10－3／℃、B＝－5.847×10－7／℃2、C＝－4.22×10－12／℃4。

鉑熱電阻值中的鉑絲純度高達(dá)99.995～99.9995%，100℃時(shí)的電阻值R100與0℃時(shí)的電阻值R0的比值用W(100)表示。一般工業(yè)用鉑熱電阻要求W(100)＝1.387～1.390，標(biāo)準(zhǔn)用熱電阻要求W(100)1.3925。

應(yīng)用鉑熱電阻的特性方程式，每隔1℃求取一個(gè)相應(yīng)的Rt，便可得到鉑熱電阻的分度表，因而在實(shí)際測(cè)量中，只要測(cè)得其Rt，便可以在分度表中查知對(duì)應(yīng)的溫度值。工業(yè)用鉑熱電阻體的結(jié)構(gòu)如圖7-18所示。絕緣套管鉑熱電阻絲絕緣支架引出導(dǎo)線圖7-18工業(yè)用鉑熱電阻體結(jié)構(gòu)

工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑熱電阻的R0值有100Ω，50Ω，46Ω等幾種。

2.銅熱電阻在測(cè)量精度不太高、測(cè)量范圍不大的情況下，可以采用銅熱電阻來(lái)代替鉑電阻熱，以降低成本(因?yàn)殂K是貴重金屬)。銅熱電阻的測(cè)溫范圍一般為－50～＋150℃。在此測(cè)溫范圍內(nèi)，銅熱電阻的阻值與溫度呈線性關(guān)系，其特性方程為Rt＝R0(1＋αcut)

(7-29)

式中，Rt為溫度t℃時(shí)的電阻值；R0為溫度0℃時(shí)的電阻值；αcu為銅電阻溫度系數(shù)，一般為4.25×10－3／℃～4.28×10－3／℃。

國(guó)際銅熱電阻R0值有100Ω，53Ω，50Ω等幾種。引出線補(bǔ)償線阻銅熱阻絲圖7-19銅熱電阻體結(jié)構(gòu)

銅熱電阻體的結(jié)構(gòu)如圖7-19所示。通常用直徑0.1mm的漆包線或絲包線分層雙向繞制在圓形骨架上(消除銅電阻的自感)。為了防止松散，整個(gè)元件要經(jīng)過(guò)酚醛樹脂浸漬后，在溫度為120℃的烘箱內(nèi)保持24小時(shí)，然后自然冷卻至常溫而成為一個(gè)可以使用的銅熱電阻體，再用鍍銀銅線作引出線，并套以絕緣套管。

銅熱電阻的工藝性好，價(jià)格便宜，但它易氧化，電阻率小，測(cè)溫范圍小，不適于在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。2、銅熱電阻：

型號(hào)為WZG，分度號(hào)為G，R0＝53Ω銅熱電阻的優(yōu)點(diǎn)：①電阻率小，僅為鉑的1／6，故體積大，熱慣性大。②當(dāng)溫度高于100OC時(shí)，易氧化、測(cè)量范圍小，不適于在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。

3、鎳熱電阻在-50～200OC范圍內(nèi)，鎳的電阻與溫度的關(guān)系一般可寫成4、其他熱電阻P160①銦熱電阻②錳熱電阻③碳熱電阻④鐵熱電阻鎳熱電特性的線性較差，只有在溫度不超過(guò)100OC時(shí)才能得到較好的線性關(guān)系。

4.其他熱電阻上述兩種熱電阻對(duì)于低溫和超低溫測(cè)量性能不理想，近年來(lái)在低溫或超低溫測(cè)量方面，開始采用一些較為新穎的熱電阻，如銦電阻、錳電阻、碳電阻等。

(1)銦熱電阻用99.999%高度提純的銦絲繞制成的高精度低溫?zé)犭娮?，?shí)驗(yàn)證明：在4.2～15K溫度范圍內(nèi)，其靈敏度比鉑電阻高10倍；其缺點(diǎn)是材料軟，重復(fù)性差。

(2)錳熱電阻在2～63K溫度范圍內(nèi)，電阻隨溫度變化大，靈敏度高，其缺點(diǎn)是材料脆，難拉成絲。

(3)碳熱電阻適合于液氦溫區(qū)的溫度測(cè)量，價(jià)格低廉，對(duì)磁場(chǎng)不敏感，但熱穩(wěn)定性較差。1、三線制測(cè)量電路。如P160圖7-20（a）

2、四線制測(cè)量電路。如P160圖7-20（b）

7.2.4熱電阻的測(cè)溫電路在實(shí)際測(cè)溫中，常用直流電橋作為熱電阻測(cè)量電路。但是，由于熱電阻的本身的阻值很小，所以必須考慮導(dǎo)體電阻的影響。為了消除引線的影響，常采用三線制、四線制電路。1、三線制測(cè)量電路。如P160圖7-20（a）

線路。由于熱電阻的阻值很小，導(dǎo)線電阻值將帶來(lái)不可忽視的測(cè)量誤差。為此，可采用如圖7-20所示的電橋連接測(cè)量電路。r1RtMr2r3BR1R3R2A（a）三線連接的測(cè)溫電橋（b）四線電阻測(cè)溫電路r1r2恒流源Ⅰ電壓表ⅤEmr3Rtr4IVImE圖7-20熱電阻的測(cè)溫電路

圖7-20(a)中Rt為熱電阻，r1、r2、r3為引線電阻；R1、R2為兩橋臂電阻,取R1＝R2；R3為調(diào)整電橋的精密電阻。由于測(cè)量?jī)x表M的內(nèi)阻很大，流過(guò)r2的電流接近于0，當(dāng)VA＝VB時(shí)，電橋平衡，調(diào)節(jié)R3，使r1＋Rt＝r3＋R3，可消除引線電阻的影響。圖7-20(b)是為高精度地測(cè)量溫度而設(shè)計(jì)的四線式測(cè)量電路，圖中r1～r4是導(dǎo)線電阻，Rt為熱電阻。因?yàn)殡妷罕鞻內(nèi)阻很大(IV<<IM)，則可視為IV≈0。又因EM＝E＋I(xiàn)V(r2＋r3)，所以（7-26）由此可知，引線電阻r1～r4將不引入測(cè)量誤差。2、四線制測(cè)量電路。如P160圖7-20（b）

1、自熱誤差熱電阻自身消耗功率，產(chǎn)生熱量，引起誤差。使用時(shí)需限制電流，不超過(guò)6mA。7.2.5使用熱電阻的注意事項(xiàng)2、引線電阻的影響熱電阻本身電阻很小，不能忽略引線電阻及其變化。使用時(shí)采樣三線制式或四線制式。7.3熱敏電阻傳感器前面討論的熱電偶和熱電阻分別是利用金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)和熱電阻效應(yīng)制成的兩種熱電式傳感器，下面將要介紹的熱敏電阻是半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的一種熱敏元件。熱敏電阻的特點(diǎn)P161

（1）電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積?。?）電阻率高，熱慣性小。適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量（4）不需考慮引線電阻和接線方式，適合遠(yuǎn)距測(cè)量（5）阻值與溫度變化呈非線性關(guān)系（6）但穩(wěn)定性較差7.3.1熱敏電阻的工作原理金屬的電阻值隨溫度的升高而增大，但半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的升高而急劇減小，并呈非線性，如圖7-21所示?？芍跍囟茸兓嗤瑫r(shí)，熱敏電阻的阻值變化約為鉑熱電阻的10倍，因此可用它來(lái)測(cè)量0.01℃或更小的溫度差異。半導(dǎo)體熱敏電阻鉑熱電阻溫度（℃）電阻（Ω）圖7-21金屬鉑盒熱敏電阻的溫度特性曲線

半導(dǎo)體的這種溫度特性是由半導(dǎo)體的導(dǎo)電方式所決定的(半導(dǎo)體中的載流子為自由電子和空穴兩種異性電荷)。由于半導(dǎo)體載流子的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于金屬中自由電子的數(shù)目，所以它的電阻率很大。隨著溫度的升高，半導(dǎo)體中參加導(dǎo)電的載流子數(shù)目將顯著增多，其電導(dǎo)率隨之增加，即電阻率隨之下降。7.3.2熱敏電阻的結(jié)構(gòu)形式與基本類型1、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)形式熱敏電阻采用不同的封裝形式可分為珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等。如P162圖7-22

熱敏電阻成分：由鈷、鎳、錳等金屬氧化物，采用不同比例配方，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，然后制成各種形狀，加上殼體和引線，便構(gòu)成熱敏電阻。(a)珠狀(b)片狀(c)桿狀(d)墊圈狀圖5-17熱敏電阻結(jié)構(gòu)形式2、熱敏電阻基本類型如P162圖7-23。①負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）②正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）③臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）

1.NTC（負(fù)溫度系數(shù)）熱敏電阻

NTC熱敏電阻的溫度特性符合指數(shù)規(guī)律：（7-31）式中RT、R0分別熱敏為電阻在絕對(duì)溫度T和T0時(shí)的阻值(Ω)；T、T0分別為介質(zhì)的絕對(duì)變化溫度和起始溫度(K)；B為熱敏電阻的材料常數(shù)。一般情況下，B＝2000～6000K。在高溫下，B值將增大。

若定義為熱敏電阻的溫度系數(shù)αT，則由式(7-31)得(7-32)

可見，αT隨溫度降低而迅速增大。αT決定熱敏電阻在全部工作范圍內(nèi)的溫度靈敏度。

［例7-3］

某NTC型熱敏電阻的B值為4000K，當(dāng)T＝293.15K(20℃)時(shí)，求其溫度系αT

。解：

αT＝－B/T2

＝－4000/293.152＝－4.7%／K

NTC熱敏電阻具有精度高、可靠性好、體積小、響應(yīng)快、成本低等特點(diǎn)，因而使其在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科技、醫(yī)學(xué)、通信、家電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2.CTR（臨界溫度）熱敏電阻

CTR熱敏電阻是以三氧化二釩與鋇、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱還原氣氛中混合燒結(jié)而成，呈現(xiàn)半玻璃狀，具有負(fù)溫度系數(shù)。通常，CTR熱敏電阻用樹脂包封成珠狀或厚膜形使用，其阻值在1KΩ～10MΩ之間。它隨溫度變化的特性屬劇變型，具有開關(guān)特性，不能像NTC熱敏電阻那樣用于寬范圍的溫度控制，可在特定的溫區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度控制。

3.PTC（正溫度系數(shù)）熱敏電阻

PTC熱敏電阻是以鈦酸鋇摻合稀土元素?zé)Y(jié)而成的半導(dǎo)體陶瓷元件，具有正溫度系數(shù)。可利用其自控作用，做成各種恒溫器、限流保護(hù)元件或溫控開關(guān)；還可以組成發(fā)熱元件，功率一般為幾瓦到數(shù)百瓦。

在溫度測(cè)量中，主要采用NTC或PTC型熱敏電阻，但使用最多的是NTC型。CTR型熱敏電阻組成控制開關(guān)是十分理想的。7.3.3熱敏電阻的主要參數(shù)熱敏電阻除前述的材料常數(shù)B外，還有以下主要參數(shù)：

1.標(biāo)稱阻值RtRt一般指20℃時(shí)熱敏電阻的阻值，其大小決定于熱敏電阻使用的材料和它的幾何尺寸。

2.電阻溫度系數(shù)αT

αT表示溫度變化1℃(或K)時(shí)的阻值變化率，單位為1／℃或1／K。

3.時(shí)間常數(shù)τ

時(shí)間常數(shù)τ是描述熱敏電阻熱慣性的參數(shù)。如果設(shè)0℃及100℃時(shí)熱敏電阻阻值分別為R0和R100，當(dāng)把0℃時(shí)的熱敏電阻放入溫度為100℃的介質(zhì)中，熱敏電阻阻值則以R0減小到(R0－R100)×60%所需要的時(shí)間，稱為熱敏電阻的時(shí)間常數(shù)。τ越小，表明熱敏電阻的熱惰性越小。

4.額定功率指在標(biāo)準(zhǔn)壓力(750mmHg)和規(guī)定的最高環(huán)境溫度下，熱敏電阻長(zhǎng)期連續(xù)使用所允許的耗散功率。在實(shí)際使用時(shí)，熱敏電阻所消耗的功率不得超過(guò)其額定功率。其它參見P164

。7.3.3熱敏電阻的主要參數(shù)和特性

2、熱敏電阻的主要特性

（1）電阻-溫度特性（R-T）

（2）伏安特性（圖7-24）線性區(qū)非線性正阻區(qū)非線性負(fù)阻區(qū)（3）電流-時(shí)間特性（圖7-25）7.3.4熱敏電阻輸出特性的線性化處理

1、線性化網(wǎng)絡(luò)采用精密電阻與熱敏電阻串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)。如圖7-26。2、計(jì)算修正法3、利用溫度—頻率轉(zhuǎn)換電路改善非線性7.4PN結(jié)溫度傳感器PN結(jié)溫度傳感器種類：①、溫敏二極管；②、溫敏三極管③、溫控晶閘管。7.4.1溫敏二極管

1、工作原理

P1682、基本特性

（1）UF—T特性（2）靈敏度特性（3）自熱特性

7.4.1溫敏二極管

1.工作原理根據(jù)PN結(jié)理論，對(duì)于理想二極管，只要正向電壓Uf大于kT/q0幾個(gè)，其正向電流If與正向電壓Uf和溫度T之間的關(guān)系可簡(jiǎn)化表示為（7-42）兩邊取對(duì)數(shù)，得（7-43）由于則（5-31b）的正向電壓Uf隨溫度T的升高而降低，呈現(xiàn)負(fù)的溫度系數(shù)。利用這一特性可以進(jìn)行溫度的測(cè)量。

［例7-4］

設(shè)硅半導(dǎo)體材料的Ugo＝1.172V，Uf＝0.65，T＝300K，η＝3.5。通過(guò)計(jì)算說(shuō)明其溫度特性。

解：

將給定數(shù)據(jù)代入(5－33)式，有即溫度每升高一度K，PN結(jié)的正向壓降Uf下降2mV。

2.基本特性—Uf－T關(guān)系對(duì)于不同的工作電流，溫敏二極管的Uf-T的關(guān)系是不同的；但Uf－T總是近似線性關(guān)系。圖7-29給出了2DWM1型硅溫敏二極管在恒流If＝100mA下的Uf－T關(guān)系曲線，其測(cè)溫范圍為－50℃～150℃，呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系。

(7-45)

7.4.2溫敏三極管工作原理：晶體管發(fā)射結(jié)上的正向電壓隨溫度上升而近似成線性下降。7.4.3溫控晶閘管1、工作原理：當(dāng)溫度升高時(shí)，使溫控晶閘管從阻塞變?yōu)閷?dǎo)通，相當(dāng)于在控制極上加了觸發(fā)電壓。2、用途：應(yīng)用于溫度控制及過(guò)熱保護(hù)等。7.4.2溫敏三極管

1.工作原理溫敏二極管的溫度特性只對(duì)擴(kuò)散電流有效，但實(shí)際二極管的正向電流中，除擴(kuò)散電流外，還包括空間電荷區(qū)的復(fù)合電流和表面復(fù)合電流成分。后兩種復(fù)合電流成分將使溫敏二極管的實(shí)際Uf-T特性偏離理想曲線，線性誤差較大，使其應(yīng)用范圍受到限制。利用溫敏三極管可以彌補(bǔ)這一缺陷。因?yàn)闇孛羧龢O管在正向工作狀態(tài)下，雖然發(fā)射極電流也包含上述三個(gè)部分，但只有其中的擴(kuò)散電流能夠到達(dá)集電極，形成集電極電流IC，因此，溫敏三If=100μAUf（mV）－5002550100150100200300400500600700T（℃）圖7-292DWM型溫敏二極管Uf-T特性極管的Uf-T特性較之于溫敏二極管更接近理想狀態(tài)，具有良好的線性度。根據(jù)晶體管的有關(guān)理論可以證明，NPN型晶體管的基極發(fā)射極電壓UBE與溫度T和集電極電流IC的函數(shù)關(guān)系為溫敏晶體管C-+ARc虛地RUBE

E（a）基本電路溫度T（℃）0100200300－10000.20.40.60.81.0Ic＝50μA(b)輸出特性圖7-30溫極三極管的基本測(cè)溫電路及其輸出特性

(7-52)

式中各符號(hào)的含義類同于前。若IC恒定，則UBE僅隨溫度T成單調(diào)單值函數(shù)變化。

2.基本測(cè)溫電路圖7-30(a)給出一種常用的溫敏三極管測(cè)溫電路圖。溫敏三極管作為負(fù)反饋元件跨接在運(yùn)算放大器的反相輸入端，同時(shí)使基極接地。這樣使得發(fā)射結(jié)成為正向偏置，而集電結(jié)幾乎為零偏置。零偏的集電結(jié)使得集電結(jié)電流中不需要的空間電荷的復(fù)合電流和表面復(fù)合電流為零，集電極電流IC只取決于集電極電阻RC和電源E，保證了溫敏三極管的IC恒定(IC＝E／RC)，與溫度無(wú)關(guān)，此時(shí)將得到運(yùn)算放大器的輸出電壓為UBE，且有

(7-52)

式中，UBE為發(fā)射結(jié)壓降；IE為發(fā)射極電流；IES為發(fā)射極的反向飽和電流。顯然，可以根據(jù)這個(gè)關(guān)系通過(guò)UBE來(lái)進(jìn)行溫度的測(cè)量。當(dāng)IE一定時(shí)，溫敏三極管UBE和溫度的關(guān)系如圖7-30(b)所示。

溫敏三極管雖然測(cè)溫范圍較窄(只有-50℃～＋150℃)，但由于它的線性度較好，易批量生產(chǎn)，故也得到了較為廣泛的應(yīng)用。7.4.3溫控晶閘管溫控晶閘管是一個(gè)新的溫敏半導(dǎo)體器件，主要用于溫度控制及過(guò)熱保護(hù)等。其結(jié)構(gòu)與一般晶閘管相同，是由P1N1P2N2四層疊合半導(dǎo)體構(gòu)成的，在每對(duì)P、N型半導(dǎo)體之間形成一個(gè)PN結(jié)，因此，共有三個(gè)PN結(jié)(J1、J2、J3)以及分別以P1、N2和P2引出的三個(gè)電極(陽(yáng)極Ap1n1p2n2GGKSiO2AKIUROIHISUHUSU(a)原理結(jié)構(gòu)圖（b）工藝結(jié)構(gòu)圖（c）伏安特性曲線圖7-31溫控晶閘管結(jié)構(gòu)圖及伏安特性曲線A、陰極K和控制極G)。因此它是一個(gè)四層三端半導(dǎo)體器件，如圖7-31(a)、(b)所示，其伏安特性曲線如圖7-31(c)所示，由此可知溫控晶閘管具有以下特性：(1)給器件兩端A、K之間加正向電壓時(shí)，雖然J1、J3為正向偏置，但J2為反向偏置，故它處于正向高阻阻塞狀態(tài)；(2)當(dāng)未加觸發(fā)信號(hào)，正向電壓增至US時(shí)，曲線發(fā)生正向轉(zhuǎn)折出現(xiàn)負(fù)阻區(qū)，至UH處突然導(dǎo)通，US稱為開關(guān)電壓，UH稱為保持電壓；(3)當(dāng)陽(yáng)極加反向電壓時(shí)，只要反向電壓不超過(guò)反向擊穿電壓URO，器件將處于反向阻塞狀態(tài)。

由晶閘管的導(dǎo)通原理可知，可以通過(guò)給控制極加觸發(fā)信號(hào)來(lái)改變控制極電流的大小，使它在不同的陽(yáng)極電壓下由阻塞狀態(tài)的導(dǎo)通。溫控晶閘管和一般晶閘管的區(qū)別在于：當(dāng)溫度升高時(shí)，會(huì)使它產(chǎn)生更多的電子空穴對(duì)，并被J2結(jié)所收集，相當(dāng)于在控制極加上了觸發(fā)電壓，使溫控晶閘管從阻塞變?yōu)閷?dǎo)通。7.5熱釋電紅外傳感器

一、熱釋電效應(yīng)——晶體受熱時(shí)，由于溫度變化使其原子排列發(fā)生變化，晶體自然極化，在其兩端表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。根據(jù)熱釋電式紅外光敏元件的原理，熱釋電材料應(yīng)滿足以下要求：（1）對(duì)紅外光有極強(qiáng)的吸收能力；（2）對(duì)已接收的能量產(chǎn)生較大的溫升；（3）由于溫度變化而引起的極化電荷量變化應(yīng)當(dāng)盡量大；（4）元件本身電容小，以使表面的極化電荷量變化所引起的輸出電壓信號(hào)較大；（5）介電損失應(yīng)盡量小，以減少元件誤差。

。

熱釋電紅外傳感器是利用強(qiáng)電介質(zhì)溫度變化時(shí)，使自發(fā)極化產(chǎn)生變化，表面電荷產(chǎn)生微小變化這種熱釋電效應(yīng)制成的傳感器。其結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路如圖7-32所示。因熱釋電元件的電阻很高，應(yīng)配有高輸入阻抗的場(chǎng)效應(yīng)管(FET)前置放大器。另外，它還有濾光片、熱電元件PZT、電阻、二極管等部件并由外殼封裝。其中裝在窗口處的濾光片為6μm多層膜干涉濾光片，它對(duì)于太陽(yáng)光和熒光燈光的短波長(zhǎng)(約5μm以下)具有高反射率，而對(duì)于6μm以上的紅外線熱源具有穿透性，其光譜特性見圖7-33所示。阻抗變換用的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管FET和電路元件放置在管底部。熱電元件選用PZT壓電陶瓷，其溫度性能比較穩(wěn)定，且適合批量生產(chǎn)，成本低，可靠性高。除上述熱釋電紅外傳感器外，還有供測(cè)溫使用的熱釋電紅外傳感器，其工作電壓為3～15V，