第3章 熱電式傳感器VIP

傳感器技術(shù)與應(yīng)用2第3章熱電式傳感器3.1熱電式傳感器概述3.2熱電偶3.3熱電阻3.4集成溫度傳感器第3章知識目標(biāo)（1）掌握溫度傳感器的類型劃分；（2）掌握熱電偶的結(jié)構(gòu)構(gòu)成、類型劃分、工作原理、分度表構(gòu)成，及其冷端補償問題；（3）掌握金屬熱電阻的材料屬性、類型劃分、工作原理和分度表構(gòu)成，及其測量接線方式；（4）掌握熱敏電阻的類型劃分、基本特性，及其應(yīng)用特點；（5）掌握典型集成溫度傳感器的工作原理及其基本應(yīng)用特性。3第3章能力目標(biāo)（1）能夠正確使用熱電偶和金屬熱電阻的分度表，處理溫度傳感器測量數(shù)據(jù)；（2）能夠根據(jù)實際工程測溫需要，選擇合適類型溫度傳感器，并且能夠正確的掌握其電路應(yīng)用特性。453.1熱電式傳感器概述基于熱電效應(yīng)實現(xiàn)溫度測量基于熱電阻效應(yīng)實現(xiàn)溫度測量利用半導(dǎo)體材料PN結(jié)的電流、電壓特性與溫度之間的關(guān)系實現(xiàn)溫度測量。63.2熱電偶（2）測溫范圍廣：-270℃~+l820℃。（3）熱慣性小，輸出信號便于遠(yuǎn)距離傳輸。（1）屬于接觸式有源傳感器。熱電偶主要特點：被廣泛應(yīng)用于家用電器、鋼鐵冶煉、火力發(fā)電、食品加工、衛(wèi)星與航天器等領(lǐng)域。73.2.1熱電偶測溫原理解析1.熱電偶的基本構(gòu)成2.熱電偶的測溫原理由兩種不同的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料串接構(gòu)成。熱電效應(yīng)

當(dāng)構(gòu)成熱電偶的兩種不同的均質(zhì)材料A和B（稱為熱電極）的兩個接觸端所處溫度不同時，回路中將產(chǎn)生電動勢，并形成電流，此種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，或塞貝克效應(yīng)。83.熱電偶基本概念注意：測量溫度時，冷端需要置于恒定的溫度場中。測量端（工作端、熱端）

參考端（參比端、補償端、自由端、冷端）94.熱電偶的熱電極分正極、負(fù)極國家標(biāo)準(zhǔn)《熱電偶第1部分：分度表》（GB/T16839.1-2018）中明確了正極的定義：“當(dāng)測量端的溫度高于參比端時，相對于另一極具有正電勢的熱電極”。另一個熱電極為負(fù)極。105.熱電偶熱電動勢分析熱電動勢=接觸電動勢+溫差電動勢接觸電動勢接觸電動勢溫差電動勢溫差電動勢11（1）接觸電動勢形成原理解析當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體、半導(dǎo)體材料接觸時，在接觸區(qū)域會發(fā)生多數(shù)載流子的擴散運動。對于金屬導(dǎo)體，是自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴散。接觸電動勢數(shù)值的大小取決于兩種熱電極材料的性質(zhì)和接觸點的溫度。擴散運動最終達(dá)到動態(tài)平衡，在兩種熱電極材料的接觸面的兩側(cè)會生成正、負(fù)電荷區(qū)，即為接觸電動勢。12（2）溫差電動勢形成原理解析當(dāng)同一導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的兩端溫度不同時，高溫端的載流子能量要比低溫端的載流子能量大，因此從高溫端移動到低溫端的載流子數(shù)量會比從低溫端移動到高溫端的多，從而會在導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料兩端形成電動勢,稱為溫差電動勢。13（3）熱電偶熱電動勢公式推導(dǎo)接觸電動勢?溫差電動勢接觸電動勢接觸電動勢溫差電動勢溫差電動勢總熱電動勢接觸電動勢接觸電動勢溫差電動勢溫差電動勢eAB(T，T0)=eAB(T)－eAB(T0) 14eAB(T，T0)=eAB(T)－eAB(T0) eAB（T，T0）=eAB（T）－C=f（T） 冷端需要置于恒定的溫度場中153.2.2熱電偶基本定律熱電偶對應(yīng)四條基本定律，與熱電偶的結(jié)構(gòu)構(gòu)成和熱電極的材料特性密切相關(guān)。（1）均質(zhì)導(dǎo)體定律

如果組成熱電偶的兩個熱電極是同一種均質(zhì)材料，則熱電偶回路中總熱電動勢都為零。與熱電極的截面、長度，以及是否存在溫差，溫度如何分布，均不相關(guān)。應(yīng)用案例：在實際的熱電偶檢定工作中，根據(jù)均質(zhì)導(dǎo)體定律，采用改變熱電偶插入檢定爐深度的方法（提供溫度梯度場），根據(jù)溫度誤差的大小來判斷熱電偶的熱電極材料的不均勻性。16（2）中間導(dǎo)體定律

在熱電偶的回路中接入第三種均質(zhì)材料，只要此材料的兩端溫度相同，就對熱電偶回路總熱電動勢不產(chǎn)生影響。17依據(jù)中間導(dǎo)體定律，可以提高熱電偶形態(tài)和測量方式的靈活性與便捷性：案例1：補償導(dǎo)線法-延長熱電極，令冷端遠(yuǎn)離測溫現(xiàn)場，免受工作現(xiàn)場溫度影響，進而影響溫度測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。案例2：在測量液態(tài)金屬或金屬壁面溫度時,可采用開路熱電偶。熱電偶熱端呈開路狀態(tài)，只需要確保兩個熱電極插入的位置溫度相同即可。18（3）中間溫度定律表示熱端溫度表示冷端溫度，表示中間溫度

應(yīng)用：依據(jù)中間溫度定律，可以對冷端溫度不為0oC的熱電動勢進行數(shù)據(jù)修正，然后就可以使用冷端溫度規(guī)定為0oC的熱電偶分度表確認(rèn)溫度值。19（4）參考電極定律（標(biāo)準(zhǔn)電極定律）

如果一個熱電偶A、B兩種熱電極分別與第3種熱電極C組成兩個熱電偶，則由A、B組成的熱電偶的熱電動勢等于A、C組成的熱電偶的熱電動勢減去B、C組成的熱電偶的熱電動勢。20參考電極定律應(yīng)用：

可以在較大程度上簡化熱電偶熱電極選配的工作。只要獲得了某些熱電極材料與參考電極配對得到的熱電偶的熱電動勢值，則選取其中的任何兩種熱電極材料進行組合構(gòu)建熱電偶，對應(yīng)的熱電動勢依據(jù)參考電極定律計算就可以獲得，而不需要通過實驗逐一構(gòu)建熱電偶，進行繁瑣的數(shù)據(jù)測定。

在實際工程應(yīng)用中，由于鉑的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，通常選用高純度的鉑作為參考電極（標(biāo)準(zhǔn)電極）。21例題3-1：

當(dāng)熱端溫度為100oC，冷端溫度為0oC時，鉻合金-鉑熱電偶的熱電動勢為3.13mV，鋁合金-鉑熱電偶的熱電動勢為-1.02mV。求解鉻合金-鋁合金熱電偶的熱電動勢。解：設(shè)鉻合金熱電極表征字母為A，鋁合金熱電極表征字母為B，參考電極鉑表征字母為C。則：223.2.3熱電偶類型（1）依據(jù)是否標(biāo)準(zhǔn)化分類熱電偶有標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指在國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)中明確了熱電動勢-溫度分度函數(shù)，給定了允許誤差，并提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶。我們國家標(biāo)準(zhǔn)《熱電偶第1部分：分度表》（GB/T16839.1-2018）中提供了八種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，型號（分度號）分別為S、R、B、K、N、E、J、T。2324（2）依據(jù)結(jié)構(gòu)形式分類熱電偶分為普通型、鎧裝型和薄膜型三種常見類型。①

普通型熱電偶裝配式熱電偶25②

鎧裝型熱電偶纜式熱電偶套管熱電偶是將熱電極、絕緣材料和金屬保護管一起拉制加工成堅實的組合體。具有耐壓、耐振、抗沖擊的特性，并且反應(yīng)速度快，形狀可以根據(jù)安裝需要靈活彎曲，長度可以截取。適用于狹窄或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的測溫場景。26③

薄膜型熱電偶薄片式熱電偶將薄膜狀的熱電極材料通過真空蒸鍍、化學(xué)涂層等加工工藝制作到絕緣板上。熱端熱電極接觸點非常小，具有熱容量小，反應(yīng)速度快的特點，適用于微小面積的表面溫度測量或快速變化的動態(tài)溫度測量。273.2.4熱電偶分度表通過實驗方法統(tǒng)一編制的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電動勢與溫度的對照表。不同類型的熱電偶對應(yīng)不同的分度表。熱電偶分度表：注意：分度表按冷端為0oC制定。28思考：由于標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的分度表的制定條件是冷端的溫度為0℃。但在實際的工程應(yīng)用中，絕大多數(shù)熱電偶的冷端溫度都不能保證為0℃。對于這樣的情況，如何處理解決？——熱電偶冷端溫度補償293.2.5熱電偶冷端溫度補償（1）0℃恒溫法30（2）計算修正法計算修正法依據(jù)的是熱電偶的中間溫度定律。例題3-1：使用K型熱電偶測量溫度，冷端實際溫度為15℃。實際測量熱電動勢值為1.343mV，請確定熱端的溫度（利用分度表）。解：由中間溫度定律：可得：通過查閱K型熱電偶分度表可得：因此：通過查閱K型熱電偶分度表，可知當(dāng)前熱端溫度值為48℃。31（3）補償導(dǎo)線法根據(jù)熱電偶的中間導(dǎo)體定律，在實際測溫時，可以借助特殊的導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸，遠(yuǎn)離工作端，置于恒溫環(huán)境或溫度變化波動較小的環(huán)境中。323.2.6熱電偶測溫電路（1）單點測溫33（2）兩點間溫差測量采用兩個熱電偶的熱電極反極性串聯(lián)的連接方式。34（3）多測量點電路連接同時使用多個同型號的熱電偶，設(shè)置多個溫度測量點。通過多傳感器的冗余，提升測溫系統(tǒng)的可靠性。測量儀表獲得的熱電動勢為三個同型號熱電偶的熱電動勢的總和，將測量數(shù)據(jù)除以3即可得到三個測溫點的平均溫度對應(yīng)的熱電動勢值。353.3熱電阻熱電阻主要特點：（2）測溫范圍-200℃~+850℃。（1）屬于接觸式無源傳感器，將被測量轉(zhuǎn)換為電量環(huán)節(jié)需要配置直流或交流激勵。（3）測溫原理為熱電阻效應(yīng)，利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的電阻值隨著溫度的變化而發(fā)生變化。36熱電阻主要類型：熱電阻半導(dǎo)體熱敏電阻熱敏電阻373.3.1金屬熱電阻1.金屬熱電阻元件材料性能要求：（1）電阻溫度系數(shù)大且穩(wěn)定，對溫度變化敏感；（2）電阻率高，熱容量小，電阻值隨溫度變化呈現(xiàn)較好的線性度；（3）在溫度測量范圍內(nèi)，具有穩(wěn)定的化學(xué)、物理性能。

當(dāng)前在實際的工程應(yīng)用中，被用于制作熱電阻元件的金屬主要有鉑、銅、鎳、鎳銅合金等，最常用的是鉑。382.金屬熱電阻的結(jié)構(gòu)金屬熱電阻一般由電阻體、絕緣管、保護套管、引線、接線盒五部分構(gòu)成。主要有普通型（裝配式）和鎧裝型兩種結(jié)構(gòu)形式。39（3）金屬熱電阻的測量電路金屬熱電阻在實際工程應(yīng)用中有三種接線方式：兩線制、三線制和四線制。兩線制在接線較長的情況下，引線電阻會對測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，造成測量數(shù)據(jù)誤差較大。①

兩線制

兩線制接線方式一般適用于對測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度要求不高的場合。40②

三線制三線制接線方式示例原理圖接入電橋相鄰橋臂中的兩條引線即使有一定的引線電阻存在，在電橋這種特殊的結(jié)構(gòu)中，會被消除。接入激勵源支路的引線只有一條，對電橋激勵源產(chǎn)生的影響很小。

三線制接線方式可以較好的消除長導(dǎo)線的引線電阻的影響，提高數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確度。三線制是金屬熱電阻在實際工業(yè)測溫中最常用的接線方式。41③

四線制直流雙臂電橋開爾文電橋四條引線的金屬熱電阻四條引線、阻值已知的標(biāo)準(zhǔn)電阻同軸電位器當(dāng)直流雙臂電橋達(dá)到平衡狀態(tài)時，檢流計支路端電壓為零，Ig

電流為0。且在Ig≈0的前提下，通過基爾霍夫電壓定律對電路進行理論分析，結(jié)論：金屬熱電阻的阻值只與R1、R2、RS相關(guān)，不受引線電阻影響。四線制接線方式主要適用于高精度的溫度檢測場景。423.鉑熱電阻（1）鉑熱電阻電阻-溫度特性：鉑熱電阻溫度測量范圍：-200℃~1000℃；測量準(zhǔn)確度高。被廣泛應(yīng)用于溫度計量基準(zhǔn)器、標(biāo)準(zhǔn)器的制作，醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域的高精度溫度測量應(yīng)用場景中。根據(jù)在0℃時呈現(xiàn)阻值的不同，鉑熱電阻對應(yīng)多種分度號：Pt10、Pt50、Pt100、Pt1000等，其中以Pt100應(yīng)用最廣泛。鉑的純度通常用電阻比表示，定義為鉑熱電阻在100℃時的電阻值與在0℃時的電阻值的比值：43

鉑熱電阻在-200℃～0℃測溫范圍內(nèi)和在0℃～850℃的測溫范圍內(nèi)對應(yīng)的阻值-溫度的函數(shù)關(guān)系不同：-200℃～

0℃測溫范圍，阻值-溫度函數(shù)關(guān)系式：0℃～850℃測溫范圍，阻值-溫度函數(shù)關(guān)系式：注意：不同的電阻比和不同的鉑電阻分度號，A、B、C取值不同。44（2）鉑熱電阻分度表鉑熱電阻的分度表呈現(xiàn)的是溫度與鉑熱電阻阻值之間的對應(yīng)關(guān)系。不同分度號的鉑熱電阻對應(yīng)不同的分度表。Pt100分度表45③

薄膜型鉑熱電阻

工業(yè)用鉑熱電阻有普通型和鎧裝型兩種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。近年來，隨著新工藝、新技術(shù)的持續(xù)推進，薄膜型鉑熱電阻發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。優(yōu)點：體積小，響應(yīng)快，一致性好，穩(wěn)定性好，抗震等機械性能好，測量準(zhǔn)確度高，測溫范圍寬（-196℃~1000℃），易于加工裝配，成本低。464.銅熱電阻（1）鉑熱電阻電阻-溫度特性：

銅熱電阻容易提純，價格相對較低，在-50℃~+150℃范圍內(nèi)，電阻與溫度的近似線性度好。銅熱電阻在-50℃~+150℃的測溫范圍內(nèi)，電阻-溫度特性關(guān)系式：47銅熱電阻的常用分度號：Cu50和Cu100。（2）銅熱電阻分度表483.3.2半導(dǎo)體熱電阻半導(dǎo)體熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻的測溫原理是半導(dǎo)體材料的電阻值隨著溫度的變化而變化。1.熱敏電阻主要性能特點（1）靈敏度高。（2）熱慣性小。（3）工作溫度范圍寬。（4）體積小巧。（5）易加工成復(fù)雜形狀。（6）過載能力強。-55℃～315℃315℃~2000℃-273℃～-55℃（7）線性度差。（8）特性參數(shù)具有分散性。492.熱敏電阻結(jié)構(gòu)、形態(tài)與圖形符號

（1）熱敏電阻由金屬氧化物采用不同比例經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制成。常用的金屬氧化物材料有氧化鎳（NiO）、氧化銅（CuO）、氧化鈦（TiO?）等。（2）熱敏電阻的結(jié)構(gòu)構(gòu)成主要包括三部分：熱敏元件、引線和殼體。熱敏電阻具體對應(yīng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)非常，可以根據(jù)實際工程需要，靈活設(shè)計制作。50（3）熱敏電阻電路圖形符號3.熱敏電阻類型根據(jù)熱敏電阻阻值-溫度特性曲線的特征差異，將熱敏電阻被劃分為三大類：PTC（PositiveTemperatureCoefficient，正溫度系數(shù)）熱敏電阻NTC（NegativeTemperatureCoefficient，負(fù)溫度系數(shù)）熱敏電阻CTR（CriticalTemperatureResistor，臨界溫度系數(shù)）熱敏電阻514.熱敏電阻阻值-溫度特性（1）PTC熱敏電阻PTC熱敏電阻的阻值隨溫度的增加而增加。測量溫度范圍的中間區(qū)域具有較好的線性度。一般PTC熱敏電阻的測溫范圍為-40℃~+85℃。PTC熱敏電阻阻值-溫度特性關(guān)系式：PTC熱敏電阻典型應(yīng)用：電熱水器、高壓鍋、電熱毯等家用電器。52（2）NTC熱敏電阻NTC熱敏電阻的阻值隨著溫度的升高而減小。NTC熱敏電阻的測溫范圍為-55℃~+

300℃。被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療儀器、汽車電子、家用電器和海洋探測等領(lǐng)域。53（3）CTR熱敏電阻CTR熱敏電阻的阻值隨著溫度的升高而減小，也具有負(fù)的溫度系數(shù)。對應(yīng)某一特定溫度值，CTR熱敏電阻阻值會急劇下降，特性曲線非常陡直，即具有負(fù)電阻突變特性，呈現(xiàn)出開關(guān)特性。主要用作溫度開關(guān)。543.4集成溫度傳感器基于半導(dǎo)體材料PN結(jié)的電壓、電流與溫度的關(guān)系，實現(xiàn)溫度測量。（1）優(yōu)點：

體積小，靈敏度高，功耗低，外圍電路簡單，線性度好，可靠性高，性價比高等優(yōu)點。（2）缺點：當(dāng)前測溫范圍相對較窄，一般為-55℃~+150℃。1.集成溫度傳感器測溫原理2.集成溫度傳感器主要性能特點553.集成溫度傳感器類型劃分563.4.1模擬式集成溫度傳感器電流輸出型模擬式集成溫度傳感器典型案例：AD590（2）測溫范圍-55℃~+l50℃。（1）輸出電流與熱力學(xué)溫度成正比。（3）測量精度為±0.3℃。（4）電源電壓范圍4~30V。（5）線性電流輸出靈敏度1μA／K。(6)輸出電阻為710