热电传感器

B T0
e R0 e
B T
1 1 B( ) T T0
只要知道常数B以及T0温度时的电阻值R0，就可知道电 阻值R与温度T的关系。式中常数B可通过实验获得，即只
要测定温度分别为T1和T0时半导体的热敏电阻的阻值R1和R0，
代入上式
R1 R0 e
1 1 B( ) T T0
两边取对数（自然）
第八章
热电式传感器
第一节 概述
温度是用来定量地描述物体冷热程度的物理量，在热力学 里已经学过，温度概念的建立是以热平衡为基础的。当两个物 体处于同一热平衡状态，就具有某一共同的物理性质，表征这 个物理性质的量就是温度。对于如何测量温度，人类是一直在 探索的，人体本身就可以做一种测温仪，但很不精确，人体是 可以感觉到物体的冷热，但难以精确地判定多少度，而且量程 也比较小，因而超过了有限的温度范围以后，无论是冷还是热，
测量端（工作 端、热端）
A
自由端（参 考端、冷端）
B
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
温差电势是如何产生的？ 温差电势是由两种导体的接触电势（珀耳贴电势）与
同一种导体的温差电势（汤姆逊电势）所组成的。
1.接触电势（珀耳贴电势）
物理学知识告诉我们，不同导体里自由电子的密度是不同的，当两种 不同导体接触时，在接触面上将产生电子扩散，电子扩散的速率与自由电 子的密度以及接触区的温度成正比，现设金属A和B的自由电子密度密度分 别为nA和nB，且有nA＞nB，密度大的电子气压强也大，在接触面上A扩散到B
并且将其密封起来了，做成了一个真正不受气压影响的温度计。 随后又经过许多科学家如开尔文、牛顿等一大批人的努力， 建立了各种温标（绝对温标、摄氏温标、华氏温标），发明了 各种测温原理，温度的测量在科研、生产的各个领域里都有十 分重要的意义。
温度测量方法可分为：

接触式：基于热平衡原理
非接触式：利用物质的热辐射原理
B T
B
由此可知，半导体热敏电阻的电阻温度系数α不是常数，而 和绝对温度的平方成反比，实际上可解此方程组而获得B。 当T=T0时有电阻R0 当T=T时有电阻R
B B R0 Ae T0 A R0 e T0 (1) B T R Ae (2)
将A代入（2）中，
R R0 e
作为热电阻材料的金属应具备以下性质：
（1）电阻温度系数α要大，这样可以增加灵敏度； （2）在测量范围内，材料的物理、化学性质稳定，不随时间
变化，不受腐蚀氧化；
l （3）电阻率ρ要大，由 R ，对同样的R，ρ大则可 S 以减少元件的体积，也就可以减小质量m，热惯性就小，可提高
温度计的动态响应；
（4）电阻温度关系近似线性，便于数据处理； （5）材料要容易制作，价格便宜。
常用材料有：铂、铜、铁、镍等。 热电阻的制作是用上述金属的细丝绕在云母、石英或陶瓷等 绝缘支架上。
薄膜型及普通型铂热电阻
小型铂热电阻
防爆型铂热电阻
汽车用水温传感器及水温表
铜热电阻
二、半导体热敏电阻 热敏电阻是由金属氧化物（NiO,MnO2,CuO,TiO2）的粉 末按一定比例混合烧结而成的半导体，其电阻值随温度上升而
接触式测温：基于热平衡原理，即测温敏感元件必须与被 测介质接触，使两者处于同一热平衡状态，具有同一温度，如
水银温度计、热电偶温度计、电阻温度计。
非接触式测温：利用物质的热辐射原理，而测温元件不需与 被测介质接触，如辐射温度计，红外热象仪等。 本课程主要介绍接触式测温方法中所使用的传感器。
热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。通 常热电式传感器将温度量转换为电势和电阻较为普通。
在同一导体中，存在温度梯度时，会产生温差电势，两端 的温度不一致时，高温端的自由电子具有的平均动能大，将 向低温端扩散，跑到低温端去堆积起来，并在导体内形成一 个静电场，阻止电子扩散，当两者的作用相互抵消时，在导 体两端就形成一个稳定的电位差，就是汤姆逊电势。
作为热电偶的材料，应具备以下特性：
1）物理性能稳定，能在较宽的温度范围内使用,热电 性质不随时间变化； 2）化学性能稳定，在测量范围内，不易被氧化或腐蚀； 3）灵敏度要高，且有近似的线性关系； 4）电导率高，电阻温度系数小； 5）材料的复制性和工艺性能良好。 二、热电偶的基本实验定律 前人根据对热电偶性能的大量实验研究，总结出了 以下几条热电偶的基本实验定律，这些定律对热电偶的 实际使用具有重要的指导意义。
1.均质导体定律
由一种均质导体组成的闭合回路，不论回路中是否存在温 度梯度，都不会产生热电势。
它说明：
①热电偶必须由两种不同性质的热电极组成； ②提供了一种检查热电极材料均匀性的办法，如果由一种
材料组成的闭合回路中因温度梯度而产生热电势，则材料必
须是不均匀的。
2.两种均质材料组成的热电偶的热电势只和接点温度有关， 而和其它部位的温度无关。
的感温元件，时间常数可以小到毫秒级。
缺点是：电阻温度特性分散性大，即同样形状，同样材
料的电阻性能可能不一致，稳定性差，非线性较严重，要
限制使用范围。
热敏电阻的外形、结构及符号
a）圆片型热敏电阻 d）铠装型 1—热敏电阻
b）柱型热敏电阻
c）珠型热敏电阻
e）厚膜型 f）图形符号 2—玻璃外壳 3—引出线 4—紫铜外壳 5—传热安装孔
ln R1 ln R0 B 1 1 T1 T0
B的范围一般为1500-50000K。 与金属丝热电阻相比，半导体热敏电阻有以下优点：
1）电阻温度系数的绝对值较热电阻大一个数量级，即灵
敏度高，可测到0.001-0.00050C的微小温度变化； 2）电阻率大，可以制成体积小，热惯性小，响应速度快
它说明：用热电偶测温时，只需要关注接点温度，其
他部位以及引线所处的温度环境，都不会影响测量结果。
3.中间导体定律：
在热电偶回路中加入第三种均质材料，只要它
的两个接点温度相同，则对回路的热电势没有影响。 第三种均质材料可以是接在两个热电极之间，也可接
在某个热电极之中，于是在用热电偶测温时，只要
保证热电偶和连接后续测量电路或仪表的 引线的两个接点温度相同，接入电路或仪
该分度表，如用铜-镍热电偶测定某未知温度，冷端温度取
200C，测得的热电势E2为6.418mV，而当接点温度为200C和00C 时可查表得热电势为E1=0.789 mV，则接点温度为00C和未知测 量温度时有E3=E1+E2=7.207 mV，由此可查出响应的温度值为 1600C。 （2）使用补偿线法 测温时，冷端必须固定，为了使热电偶冷端温度保持不变， 不受热源的影响，往往需要使冷端远离工作点，为了不使用 过多的贵重的热电偶导线，往往采用价格低廉的导线来替代 部分热电偶导线。
表都不会影响热电势的数值。如果热电偶
采用焊接的方式，焊点金属实际上也等于 是第三种金属。只要焊点温度均匀，就不 会影响热电势的数值。如果没有此定律， 热电偶是无法工作的。
4.标准电极定律或参考电极定律 三种金属材料之间的热电势关系：有三种金属A、B、 C两两相接，如果当接点温度分别为T1和T2时，金属A和C的 热电势为EAC，金属C和B的热电势为ECB，则金属A和B的热电 势为EAB=EAC+ECB
式中：EAB（T）—导体A和B的接点在温度为T时形成的电位差； e—电子的电荷 e=1.6×10-19库仑 k—波尔兹曼常数 k=1.38×10-23（焦耳/库仑）
EAB（T）和连接点的温度T有关，因此当两种金属接成闭 合回路而连接点的温度又不同时，回路中将形成接触电势。 2. 同一种金属的温差电势（汤姆逊电势）
由于负载的输入阻抗都很大，r3则可忽略不计，这样就可 以减少由引线电阻造成温度误差了。
第三节 热电偶
热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。
热电偶具有以下特点： 结构简单，使用方便，精度高，热惯性小，可测局部
温度和便于远距离传送与集中检测。
一、工作原理 热电偶测温是基于两种不同材料的热电效应。两种不
势只和接点的温度有关。可用函数关系式表示：
EAB=f(T,T0) 若知道EAB，T0，就可知道T了，即可利用热电效应来测温度
或温度差。
定义：这两种不同导体的组合称为热电偶。
两个连接端点，一个称为工作端T，另一个称为自由端
或参考端T0或冷端，两根金属丝称之为热电极。
热电偶工作原理演示
热电极A
热电势
热电极B
R R0 [1 (t t 0 )] R0 (1 t )
（将非电量转化为电量） R、R0分别表示温度为t和t0时的电阻值。α为材料的 电阻温度系数，对于大多数金属来说,α=(4-6)×10-3/0C，
实际上，在不同的温度范围内，电阻温度系数α是不同的，
我们总希望在测量温度的范围内α是一个常数，所以一定 材料制成的热电阻都有一定的测温范围。
阻值，热电阻的电阻值的测定一般是通过电桥，将由温度
的变化转换为电压的变化。 注意：将热电阻接ຫໍສະໝຸດ Baidu电桥的导线会产生附加电阻r1、r2，
这是电阻温度计的误差的一个重要原因。
我们可以采用三线式接法消除这一误差原因。其方法是： 如图，用具有相同温度特性的导线r1、r2分别接到两个邻
臂上，因而可互相抵消，而第三根线与负载电阻RL相串联，
同材料的导体A和B串联起来形成一个闭合回路。如果两个
接合点的温度不同，一端的温度为T，另一端的温度为T0， 那么电路中将产生一个电动势，并形成电流，这个电动势
的大小和材料的性质以及接点的温度有关，这就是温差热
电效应，也称之为热电效应。
该现象是1821年德国物理学家席贝克（Secback）发现的， 所以也称之为席贝克效应。若组成这一回路的材料一定，热电
B T
下降，具有负温度系数，电阻温度关系可以用经验公式表示为：
R Ae （此式中电阻温度系数不明显）
式中T是绝对温度K，A是欧姆，B是常数，单位是K，由电阻
温度系数的定义有：
dR 1 dR R （单位温度变化所引起的电阻的相对变化） dT R dT
由
dR B B T R Ae Ae ( 2 ) R( 2 ) dT T T 1 dR B 2 R dT T
常用热电式传感器的敏感元件是：
热电阻：将温度转换为电阻阻值之变化
热电偶：将温度转换为电势之变化
第二节 电阻温度计
电阻温度计的工作原理是基于导体或半导体的电阻值随温 度变化的性质，构成电阻温度计的测温敏感元件有金属测温与 半导体热敏电阻。
一、金属测温电阻 有时也称金属丝热电阻，在物理学中学过，一般金属导 体具有正的电阻温度系数（电阻率随温度的上升而增加）， 在一定的温度变化范围内，电阻和温度之间的函数关系为：
的电子将比B扩散到A的多，于是金属A失去电子而带正电，金属B则因获得 电子而带负电，在接触面上就形成了静电场，这个静电场将阻止扩散过程 的进行，当由于自由电子密度的不同引起的扩散能力与静电场的作用相互 抵消时，达到了动平衡，在接触面上形成一个稳定的接触电位差，可表为：
E AB (T )
kT n A ln e nB
热敏电阻外形 MF12型NTC热敏电阻 玻璃封装NTC热敏电阻
聚脂塑料封装热敏电阻
其他形式的热敏电阻
带安装孔的热敏电阻
贴片式NTC热敏电阻
大功率PTC热敏电阻
其他形式的热敏电阻（续） 非标热敏电阻 MF58型（珠形）高精度 负温度系数热敏电阻
MF5A-3型热敏电阻
热敏电阻体温表
三、电阻的测定 用电阻温度计来测温，实际上要测定的是热电阻的电
在热电偶测温中，经常使用此定律 进行标准电极间的热电势的换算。
5.中间温度定律
某热电偶接点温度为T1和T2时的热电势为E1，接点温度为
T2和T3时的热电势为E2，则当接点温度为T1和T3时的热电势 为E1+E2。
以上定律的启发：
（1）热电偶的分度一般都是在冷端为00C的条件下制定的，有 了中间温度定律，当冷端温度不是零度时，我们也可以使用
人体能感觉到的都是疼，也分不出冷热了，所以要借助于仪器
来测量。
大约在1592年底，伽里略发明了第一个用来测量温度的仪器： 实际上就是一根玻璃管里放了水，有点象今天使用的气压温 度计，而温度计这个名词，一直到1624年才第一次正式在文献
里出现。
1654年意大利的公爵费迪南德二世温度计
他对伽里略的温度计作了些改进，在玻璃管中放的是酒精，