热电式传感器

意义：若知道某两种材料与标准电极材料的热电势，
即可知这两种材料配对时的输出热电势。(推导？)
（3）中间温度定律 • 如果两种不同导体材料组成热电偶回路,其接点温度 分别为T1、T2(如图所示), 则其热电势为EAB(T1, T2)；当 接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接点 温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1, T3)，则有下式： EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3） 意义：提供了冷端温度不为零时，热电偶的分度依据。 只要已知参考端为零度的热电势-温度关系，就可得（100）越高，表示铂丝纯度越高。国际实用温 标规定，作为基准器的铂电阻，W（100）≥1.3925 目前技术水平已达到W（100）＝1.3930，工业用铂 电阻的纯度W（100）为1.387～1.390。
铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下： 当温度t在－200℃≤ t ≤0℃时：



结论：
热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有 关；与热电偶的长度、粗细无关。 只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶； 相同材料不会产生热电势，当A、B两种导体为同种材 料时，ln(NA/NB)=0，即EAB(T，T0)=0。 只有当热电偶两端温度不同, 热电偶两导体材料不同时 才能有热电势产生。 • 导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度 有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)只 与温度T有关，且为T的单值函数。--热电偶测温原理
热敏电阻在其本身温度变化1℃时，电阻值的相对变化量
1 dRT B 2 RT dT T
B和α值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数 ，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，所以 它的灵敏度很高。


⑵ 伏安特性 在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端的电压 U之间的关系
当流过热敏电阻的电流很小时:

eA (T , T0 ) A dT
T0
T
eA(T,T0)—导体A两端温度为T、T0时形成的温差电势； T，T0—高低端的绝对温度； σA—汤姆逊系数，导体A两端的温度差为1℃时所 产生的温差电势，0℃时，铜的σ =2μV/℃。

回路总电势 导体A、B组成的闭合回路，其接触点温度分别为T、 T0，若T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电 势，回路总电势：

A
A
T1
B A
T2
B
B
T3
分度：热电偶置于给定温度下测定其热电势，确定热电势与温度的对 应关系。

例如T2=0℃时，有：EAB(T1,T3)=EAB(T1, 0)+EA B(0, T3) =EAB(T1, 0)-EAB(T3, 0)=EAB(T1)-EAB(T3)
电阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。可
用它来测量流体速度和介质密度。
2）热敏电阻的结构
构成：热敏探头、引线、壳体 二端和三端器件：为直热式，即热敏电阻直接由连接的 电路获得功率； 四端器件：旁热式
3）热敏电阻的主要参数
⑴ 标称电阻值RH 在环境温度为25±0.2℃时测得的电阻 值，又称冷电阻。其大小取决于热敏电阻的材料和几 何尺寸。 ⑵ 耗散系数H 指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差 1℃时热敏电阻所耗散的功率，单位为mW /℃； ⑶ 热容量C 热敏电阻的温度变化1℃所需吸收或释放的 热量，单位为J／℃；
热电式传感器
7.1 热电阻式传感器
7.2.1 金属热电阻 7.2.2 半导体热敏电阻
7.2.1 金属热电阻
热电阻＝电阻体（最主要部分）＋绝缘套管＋接线盒 热电阻的材料要求：
电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度； 电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸； 热容量要小，以便提高热电阻的响应速度； 在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能； 电阻与温度的关系最好接近于线性； 应有良好的可加工性，且价格便宜。
不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性 是直线，遵循欧姆定律。主要用来测温。 当电流增大到一定值时： 流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负 阻特性。因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下 降。其所能升高的温度与环境条件(周围介质温度及散热 条件)有关。当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的
回路中所产生的电动势，称热电势。它由两部分组 成：温差电势和接触电势。 回路中温度高的一端称热端， 低的一端称为冷端。
热端 冷端

接触电势：
两种金属相接触，因不同导体的电子密度不同， 接触点处会发生电子迁移扩散。失电子的金属呈正电 位，得电子的呈负电位。当扩散平衡时在两种金属的 接触处形成电势，即接触电势（帕尔贴电势），其大 小与温度高低及导体中的电子密度有关。
4）热敏电阻的线性化*
串联在热敏电阻中的R的最佳值
RM ( R L R H ) 2 R L R H R R L R H 2 RM
7.2 热电偶传感器


7.2.1 工作原理 7.2.2
7.2.1 工作原理
1. 热电效应
两种不同导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回 路，若导体A和B连接处温度不同（设T＞T0），则此闭合 回路中有电流产生，即回路中存在电动势，这种现象称 热电效应。此现象于1821年由塞贝克（See－back）首 先发现，又称塞贝克效应。
⑵ 铜热电阻
应 用：测量精度要求不高且温度较低的场合 测量范围：―50～150℃ 优 点： 温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提 纯、加工，价格便宜，复制性能好。 缺 点： 易于氧化，一般只用于150℃以下的低温测量和没有水 分及无侵蚀性介质的温度测量。 与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。
B
T1

意义：根据上述原理，在热电偶回路中接入电位计E， 只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就 不会影响回路中原来的热电势，接入方式如图所示。
E T0
E T1
T0
T0
T1
T T
• （2）参考电极定律 如果任意两种导体材料的热电势已知，它们的冷端 和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电 势的关系为：EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）
NTC热敏电阻－很高的负电阻温度系数
主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物混合烧 结而成 应用：点温、表面温度、温差、温场等测量、自动控制 及电子线路的热补偿线路
2）NTC热敏电阻
热敏电阻的主要特性 ⑴ 温度特性 NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻-温度特性

RT R0 e
E AB (T , T0 ) eAB (T ) eAB (T0 ) eA (T , T0 ) eB (T , T0 )
NAT、NAT0—导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0—导体B在结点温度为T和T0时的电子密度； σA、σB—导体A和B的汤姆逊系数。
T N AT0 kT N AT kT0 ln ln ( A B )dT e N BT T0 e N BT0
1）热敏电阻分类：
正温度系数(PTC) 负温度系数(NTC) 临界温度系数(CTR)
热敏电阻典型特性
PTC热敏电阻－正温度系数
钛酸钡掺合稀土元素烧结而成 用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的 定温控制，限流元件。
CTR热敏电阻－负温度系数
以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱 还原气氛中混合烧结而成 用途：温度开关。
2.热电偶回路的性质
（1） 中间导体定律 一个由几种不同导体材料连成的闭合回路，只要它 们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热 电势的代数和为零。 如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则
E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0 T
A
T
B
三种不同导体组成的热电偶回路
C
T
• 结论： • l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路， 如图，则当图a中的A、C接点2与C、A的接点3均处于 相同温度T0之中时，此回路的总电势不变，即 T • EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB(T2) - ( A B )dT
kT N A e AB (T ) ln e NB
eAB(T)—导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势； e—单位电荷， e =1.6×10-19C； k—波尔兹曼常数， k =1.38×10-23 J/K ； NA、NB —导体A、B在温度为T 时的电子密度。
温差电势 单一金属，若其两端的温度不同，则温度高端的自由 电子向低端迁移，使单一金属两端产生不同电位，形成 电势，称为温差电势（汤姆逊电势），其大小与金属材 料的性质和两端温差有关，即
若已知两个电阻值以及相应的温度值，可求得B值。 一般取20℃和100℃时的电阻R20 和R100计算B值，即将 T=373K，T0=293K代入上式，则 R20 B 1365l n R 100 将B及R0=R20 代入式就确定了热敏电阻的温度特性:
热敏电阻的电阻温度系数：
Rt R0 [1 At B t C( t ℃≤ t ≤650℃时：
Rt R0 [1 At B t ]
2
式中，A, B, C为常系数。 国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）≥1.391， R0分为50Ω和100Ω两种，分度号分别为Pt50和Pt100， 其分度表给出了阻值和温度的关系。
铜热电阻结构示意图
7.2.2 半导体热敏电阻
利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成 由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结 优 点： (1) 热敏电阻的温度系数比金属大（4～9倍） (2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量 点温、表面温度及快速变化的温度。 (3) 结构简单、机械性能好。 缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。