第8章 热电式传感器

第八章
热电式传感器
热电式传感器是工程上应用最广泛的温度传 感器。它将热能直接转化成电量输出，具有构造 简单，使用方便， 准确度、稳定性及重复性较高， 温度测量范围宽等优点，在温度测量中占有重要 的地位。 本章主要介绍： 8.1 热电阻传感器 8.2 热电偶传感器 8.3 热敏电阻传感器

温度是表征物体冷热程度的物理 量，反映了物体内部分子运动平 均动能的大小； 两个冷热程度不同的物体接触， 会产生热交换；
CPU散 热风扇
低温时显示蓝色
体积热膨胀式
公元1600年，伽里略研制出气体温度计。
一百年后，研制成酒精温度计和水银温度计。
气体的体积与热力学温度成正比
不需要电源，耐用；但感温部件体积 较大。
红外温度计
概述
温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代 生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如家用电 器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器 中都少不了温度传感器。
§ 8.2.1 热电效应
自由电子将从浓度大的金属A扩散到浓度小的金属B。 金属A失去电子带正电，金属B得到电子带负电。当扩散达到 动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。
NA NB
电场 扩散
A
扩散
EAB(T )
B
漂移
—— 自由电子密度 k——波尔兹曼常数
§ 8.2.1 热电效应 温度T时热端接触电势：
热电势大致与两个结点的温差Δ t 成正比。
从实验到理论：热电效应
1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组
成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为 结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什 么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热， 指南针的偏转角反而减小（又说明什么？） 。
显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生
小型铂热电阻
防爆型铂热电阻
2. 铜热电阻
铜热电阻的电阻温度系数比铂高，电阻与温度的关系(R-t) 曲线接近是线性的，并且铜价格便宜、易于提纯、工艺性 好。因此，在一些测量精度要求不高、测温范围不大且温 度较低的测温场合，可采用铜热电阻进行测温。 分度关系：(1)铜电阻在其测量范围内的温度特性可用下式精确 计算时表示：
概述
温度传感器按工作原理主要有以下几类：
• 热电偶，利用金属温差电动势，有耐高温、 精 度高的特点； • 热电阻，利用导体随温度变化，测温不高； • 热敏电阻，利用半导体材料随温度变化测温， 体积小、灵敏度高、稳定性差； • 集成温度传感器，利用晶体管PN结电流、电压 随温度变化，有专用集成电路，体积小、响应 快、价廉，测量150℃以下温度。
3、其它热电阻 —— 低温、超低温
材料
铟电阻
温度范围
室温 ~ 4.3K
优 点
是铂的 10 倍。
缺点
复性差。 材料脆，难 拉成丝。
4.2 ~ 15K， 灵敏度 材料软，重
锰电阻
63 ~ 2K （-271℃ ~ -210℃ ） -273℃ ~ -268.5℃ 液氦温域
灵敏度高
碳电阻
价格低廉， 对磁场 热稳定差 不敏感。
目前我国规定工业用铂热电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两 种，它们的分度号分别为Pt50和Pt100，其中以Pt100为常 用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rt－t的关 系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便 可从分度表上查Rt——t℃时的电阻值； R0——0℃时的电阻值 A， B， C——常数，对于工业用铜电阻， A＝ 4.28899×10-3 ℃-1 , B＝－ 2. 133×10-7 ℃-2 ，C＝1.233×10-9 ℃-3 。
铜热电阻有两种分度号，分别为Cu50(R0=50)和 Cu100(R100=100)
§ 8.2.1 热电效应
自由电子将从浓度大的金属A扩散到浓度小的金属B。 金属A失去电子带正电，金属B得到电子带负电。当扩散达到 动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。
§ 8.2.1 热电效应
自由电子将从浓度大的金属A扩散到浓度小的金属B。 金属A失去电子带正电，金属B得到电子带负电。当扩散达到 动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。
§8-2 热电偶传感器
先看一个实验——热电效应
热电极A
左端称为： 测量端（工 作端、热端）
热电势 A
热电极B
右端称为： 自由端（参 考端、冷端）
Hale Waihona Puke B结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
通过以上演示得出结论 ——有关热电偶热电势的讨论 热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势 与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δ t 的函数： EAB（T，T0）=eAB （ T ）- eAB （ T0 ）
二、热电阻的结构
实物
三、热电阻的测量电路
用热电阻传感器进行测温时，热电阻与检测仪表相隔一 段距离，因为热电阻的引线对测量结果有较大的影响，所以 测量电路经常采用电桥电路。 热电阻内部的引线方式有二线制、三线制和四线制三种， 如图所示。 二线制中引线电阻对测量影响大，用于测温精度不高的场 合； 三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因 环境温度变化所引起的测量误差； 四线制可以完全消除引线电阻对测量结果的影响，用于高 精度温度检测。
三、热电阻的测量电路 1、两线制
Rt
生产现场
r r 两线制
指示仪表 控制室

这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及 引线电阻的变化会带来附加误差。
两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。

2、三线制 热电阻测温电桥三线连接法
R1 E G Rg r3 Ra Rt R2 r2
R3
作用：当温度变化时，导线长度和电阻温度系数相等，它们的 电阻变化不会影响电桥的状态，即不会产生温度误差。
两个温度不能相加，只能进行相 等或不相等的描述。 温度测量通常是利用一些材料和 元件的性能随温度而变化的特性



模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温
时的运动速度比低温时快！
介绍几种温度测量方法
示温涂料（变色涂料）
装满热水后图案变得 清晰可辨
变色涂料在电脑内部温度中的示温作用
温度升高后变为红色
A ＋ eAB（ T ）
T
B
自由 电子
§ 8.2.1 热电效应
将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两 个节点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流， 此现象称为热电效应。 热电势由导体中的接触电势和温差电势决定。
1. 两种导体的接触电势
由于不同金属材料所具有的 自由电子密度不同，当两种 不同的金属导体接触时，在 接触面上就会发生电子扩 散。
并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温 差有关。
结点产生热电势的微观解释及图形符号
两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密 度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现 象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A 失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。
冷端接触电势：
E AB
KT N A (T ) ln e NB
E AB
KT0 N A (T0 ) ln e NB
A、B 代表不同材料； T，T0 为两端温度； 式中： e电子电荷量； k波尔兹曼常数； N A N B 是A、B 材料的电子密度；
§ 8.2.1 热电效应 2、单一导体的温差电势（汤姆逊电势） 对单一金属如果两边温度不同，两端也产生电势。 产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具 有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失 去电子带正电，低温端得到电子带负电。 Ｔ＞Ｔ０ A
+
EA(T , T 0)
+ A
_ +
E AB (T0 )
TE
AB
(T )
_
B
_
T
0
+
EB (T , T 0)
_
在闭合回路中，总的接触电势为：
对于已选定的热电偶，当参考温度恒定时，总热电动势 就变成测量端温度T的单值函数，即EAB(Ｔ,T0)=f(T)。这就 是热电偶测量温度的基本原理。
k NA EAB(T , T 0) ln (T T 0) (A B )dT e NB T0
R100 W (100) R0
式中 R100——铂热电阻在100℃ R0——铂热电阻在0℃
电阻比W(100)越大，其纯度越高。按IEC标准，工业使 用的铂热电阻的W(100)≥1.3850。目前技术水平可达到 W(100)=1.3930，其对应铂的纯度为99.9995%。

优点：铂是一种贵金属。它的特点是精度高，稳定性好，
特 性
近线性 线性 非线性 非线性
1、铂电阻
铂电阻温度计的使用范围是-200℃～850℃。 在0℃～850℃的范围内 在-200℃～0℃的范围内 式中 Rt、R0——铂热电阻在t℃和0℃时的电阻值； A、B、C——分度常数 A=3.940×10-3/℃，B= -5.802×10-7/℃，C= -4.274×10-12/℃
各种热电偶
各种热电阻
8.1 热电阻传感器
热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变 化的原理进行测温的。用金属或半导体材料作为感温元件的 传感器，分别称为金属热电阻和热敏电阻。 热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，一般 把金属热电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏电阻。 热电阻广泛用来测量-200℃～850℃范围内的温度，少数情况 下，低温可测量至1K，高温达1000℃。
材料
铂 铜 铁 镍
温度系数α （1/℃）
3.92×10-3 4.25×10-3 6.50×10-3 6.60×10-3