第5章 热电式传感器

第五章 热电式传感器
§5-1 热电偶 §5-2 热电阻 §5-3 晶体管和集成温度传感器
§5-1 热电偶
热电偶是利用热电效应将温度变化转换为电势的。 【特点】 (1) 结构简单(两根焊接在一起不同金属丝)； (2) 精度高(铂铑10─铂，t≤500оС时，误差为 〒2.4оС)； (3) 有一定热惯性(惰性级别为Ⅰ,上升53.2%所 需时间≤20ms)； (4) 存在传热误差； (5) 受冷端温度(环境温度)影响。
第五章 热电式传感器
主要内容：
5.1 热电偶 5.2 热电阻 5.3 晶体管和集成温度传感器
第五章 热电式传感器
本章要求：
1. 掌握热电偶工作原理，热电偶的三个基本定 律。掌握热电偶冷端处理方法及处理电路； 2. 掌握热电阻三线制、四线制接法的工作原理； 3. 掌握PN结测温原理； 4. 掌握热敏电阻的基本特性、热敏电阻测温电 路工作原理。了解热敏电阻的用途。
§5-1 热电偶
三、热电偶的结构、材料及分类

快速反应薄膜热电偶
用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄 膜装热电偶。其热接点极薄(0.01～0.lμm)。特别适用于对壁 面温度的快速测量。反应时间仅为几ms。
§5-1 热电偶
三、热电偶的结构、材料及分类

热电偶实物图
三、热电偶的结构、材料及分类
三、热电偶基本定律
（3）标准电极定律

当接点温度为T 和T0 时，用导体A、B组成的热 电偶的热电势等于A、C和C、B组成热电偶热电 势的代数和。即：，
三、热电偶基本定律
（3）标准电极定律

推导：
三、热电偶基本定律
（3）标准电极定律

应用：
该定律大大简化了热电偶的选配工作。只要知道了电 极与标准电极的配对的热电势，即可求出任何两种电 极配对的热电势而不需要测定。
三、热电偶基本定律
（1）中间导体定律
在热电偶回路中，只要中间导体两端温度相 等，接入中间导体后，对热电偶回路的总电势 没有影响。
三、热电偶基本定律
（1）中间导体定律

推导：回路总电势为
三、热电偶基本定律
（1）中间导体定律

于是有：
KT n A KT0 n B E ABC (T , T0 ) ln ln e nB e nA
一、热电效应
(2)温差电势
温差电势表达式
式中： ──汤姆逊系数。表示导体A两端的温 度差为1℃时所产生的温差电动势。 T、T0──高、低温端的绝对温度；
一、热电效应
(3)回路总电势
一、热电效应

由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由 电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略 不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电 动势。于是有：
一、金属热电阻
三线制 电桥平衡时

取 ，则式中 项完全消 去， 对桥路平衡没有影响。
一、金属热电阻
四线制 E为恒流源。由于电位差 计的输入阻抗很高，电位 差计测得的电压即是热电 阻两端的电压不受导线电 阻影响，于是

一、金属热电阻

金属热电阻与热电偶相比有以下特点：
1. 同样温度下输出信号较大，易于测量；
§5-1 热电偶 四、热电偶冷端补偿热电偶偿
（3）补偿导线法

利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的 场所(如仪表室)。

根据中间导体定律，只要热电偶的两个热电极分别 与两补偿导线的接点温度一致，就不会影响热电动
势的输出。
§5-1 热电偶 四、热电偶冷端补偿

（4）计算修正法
若冷端温度恒定，但并非0℃，要使测出的热电动势 反映热端的实际温度，则必须对温度进行修正。根据 中间温度定律，修正公式如下：
§5-2 热电阻
一、金属热电阻
金属电阻随温度变化的特性
式中 ——电阻温度系数（1/ oC）。 由于 并不是一个常数，而是温度的函数，所以 只有在一定温度范围内，才能近似也视为一个 常数。
一、金属热电阻
常用的金属材料 铂热电阻：分度号BA，-200—850 oC，在0 oC以 上，电阻与温度的关系近似线性关 系，性能稳定，常作标准温计。 铜 电 阻：分度号Cu，-50—180 oC，灵敏度高， 价格便宜。
§5-1 热电偶 四、热电偶冷端补偿

(1) 冰点槽法
将热电偶的冷端臵于冰点槽内(冰水混合物)，使冷端 温度处于0℃，如图所示。为了避免冰水导电引起两 个连接点短路，必须把连接点分别臵于两个玻璃试管 里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。这种装臵通常用
于实验室或精密的温度测量。
§5-1 热电偶 四、热电偶冷端补偿

例：已知
EAC(1084.5,0)=13.967(mV) EBC(1084.5,0)=8.354(mV) EAB(1084.5,0)=13.967-8.354(mV)=5.613(mV)
§5-1 热电偶
三、热电偶的结构、材料及分类
1、热电偶的结构 热电偶结构简单，由热电极金属材料丝、绝 缘材料、保护材料及接线部分组成，热电偶的 感受部分是工作端结点，结点是焊接面成，一 般有三种。
三、热电偶基本定律
（2）中间温度定律

推导：回路总电势为
即：
三、热电偶基本定律
（2）中间温度定律

在上式中，只要：
则有：
三、热电偶基本定律
（2）中间温度定律


由此可见，只要金属A与金属B的电子密度之比 与金属A’和金属B’的电子密度比相同，则热 电势只与温度 有关，与中间接点温度 无关。 应用：
§5-1 热电偶
一、热电效应 两种不同导体A和B串接成一闭合回路，如果两结 合点1和2出现温差，则在回路中就有电流产生， 这种现象称为热电效应。
一、热电效应
(1)接触电势
各种导体中都有大量的自由电子，不同金属 中的自由电子密度是不同的，当互相接触时， 密度大的金属中的自由电子向密度小的金属中 扩散，最后达到平衡，结果失去电子的金属带 正电，获得电子的金属带负电，形成接触电势

是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础； 是制定热电偶分度表的理论基础。即只要求得参考 端温度为零时的“热电势—温度”关系，即可根据 定律得到参考端温度不为零时的热电势。
三、热电偶基本定律
（2）中间温度定律
例：
已知：用S型（铂铑10-铂）热电偶去测量1020℃高温
求：冷端温度为25℃（即室温）时热电偶的热电势？ 解：根据中间温度定律 EAB（1020，0℃）= EAB（1020，25℃）+ EAB（25，0℃） EAB（1020，0℃）= 9.816mv （从分度表中查得） EAB（25，0℃）= （0.113+0.173）/2 = 0.143mv ∴ EAB（1020，25℃）= EAB（1020，0℃）-EAB（25，0℃） = 9.816-0.143=9.673mv
§5-1 热电偶
四、热电偶冷端补偿
由于热电偶的热电势与两结点的温度有关，因 此，在测温过程中，只有保持冷端温度不变， 才能准确地测量热端温度。但在实际测量过程 中，环境温度是变化的，这就导致了测量误差， 必须采取修正或补偿措施。
1、冷端温度修正法 热电偶的分度表是在冷端温度为0oC的条件下测 得的，如果冷端温度不为0，但保持恒定不变， 则可采用修正法。
2、热电极材料及分类
2.热电偶材料 一般金属：镍铬─镍硅，铜─康铜， 镍铬─镍铝，镍铬─铐铜等。 贵 金 属：铂铑10─铂，铂铑30─铂铑5， 铱铑50─铱等。 难熔金属：铂铑30─铂铑5，钨铼5─铂铑5等。
三、热电偶的结构、材料及分类
2、热电极材料及分类
3.热电偶分类
分类方法有多种，最常用的方法是按100oC时产生的热电 势的大小(mv)来分，这种方法称为分度法。
（）冰点槽法示意图
§5-1 热电偶 四、热电偶冷端补偿
（2）恒温器法
将热电偶的冷端臵于各种恒温器内，使之保持温度恒 定，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温
器可以是盛有变压器油的容器，利用变压器油的热惰 性恒温；也可以是电加热的恒温器。这类恒温器的温 度不是0℃，所以最后还需对热电偶进行冷端温度修 正。
一、热电效应
(1)接触电势
接触电势的大小用下式表示：
式中
──波尔兹曼常数 e ──电子电荷 ─金属材料A、B的电子密度。
一、热电效应
(2)温差电势
对于同一根均质的金属导体，如果两端温差 不同，则高温端的自由电子具有较大的动能， 因而高温度端向低温端扩散，结果高温因失去 电子而带正电，低温端因获得自由电子而带负 电，形成温差电势。
E AB (T , T0 )

应用：


可以在热电偶回路中接入电气测量仪表而不影响测 量结果； 允许使用任何焊接方法焊接热电偶。
三、热电偶基本定律
（2）中间温度定律
在热电偶回路中，如果热电偶分别与热电极 A’、B’相连接，接点温度分别为：T、Tn、T0， 则总热电势只与温度T、T0有关，与温度Tn无关。
§5-1 热电偶 四、热电偶冷端补偿
（5）电桥补偿法
回路输出电压为: U= E（T，T0）+(UT－U3)
只要能满足下式即可达到自动补偿的目的 如果热电偶的冷端温度变化范围为0——+50℃，热电偶选用铂铑10铂。查分度表得出△E为0.299mV，因此补偿电阻Rt的阻值可以根据 下式求出。
§5-1 热电偶 四、热电偶冷端补偿
在标定热电偶时，一般使T0为常数，则有
§5-1 热电偶
二、热电偶基本性质
① 热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材 料及两端接点的温度有关；与热电偶的长度、 粗细、形状无关。 ② 只有用不同性质的材料才能组合成热电偶， 相同材料不会产生热电动势。因为当A、B两种 导体是同一种材料时， ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。