第九讲 热电式温度传感器

接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。
(2)单一导体温差电势（汤姆逊电势） T
o
温差电势原理图
热端
冷端
A
eA(T,To)
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。
0 200 400 600
-200
Rt R0[1 1t 2t 2 3t 3 ]
温度t[0C]
在-50～180℃范围内，金属铜的电阻值与温度的关系为
Rt R0 (1 t )
温度t℃时的电阻值 温度0℃时的电阻值
常用热电阻
铂电阻
电阻率较大，电阻-温度关系呈非线性，但测温范围广， 精度高，且材料易提纯，复现性好 工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10
T
eA (T , T0 ) AdT
T0
T
eA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势； T，T0——高低端的绝对温度；
σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温差为1℃时所产生的温差电动势，
例如在0℃时，铜的σ =2μV/℃。
(3) 回路总电势 由导体材料A、B组成闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果
云母 铂线 瓷器
5mm
带保护管的铂测温结构示意图
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
铂热电阻分度表
四、热敏电阻 近年来，几乎所有的家用电器产品都装有微处理器，温度控 制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热敏电阻。
热敏电阻用半导体材料氧化复合烧结而成，主要材料有：Mn、
Rt R0 1 t bt 2 c t 100 t 3
Rt R0 1 t bt
2
R0
为0C时电阻，其值是
100
4
铂测温电阻元件的电阻的 温度特性
3
电阻比 R/R0
2
1
在0～630.74℃范围内， 金属铂的电阻值与温 度的关系为
刻度盘上显示出温度的
变化。
三、金属热电阻
温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部
的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变 大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变 化趋势相同。金属热电阻一般用于-200～+600℃温度测量。
R R1[1 (t2 t1 )] R1[1 t ]
T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势。
E AB (T , T0 ) e AB (T ) e AB (T0 ) e A (T , T0 ) eB (T , T0 )
T kT N AT kT0 N AT0 ln ln ( A B )dT T0 e N BT e N BT0
热敏电阻外形
MF12型 NTC热敏电阻
聚脂塑料封装 热敏电阻
其他形式的热敏电阻
玻璃封装 NTC 热敏电阻
MF58 型热敏电阻
其他形式的热敏电阻
带安装孔的热敏电阻
大功率PTC热敏电阻
热敏电阻温度计面板表
热敏电阻
LCD
• 由于热敏电阻与温度呈较强的非线性，使得它的测温范围 和精度受到一定限制。
温度传感器组成框图
应用：热膨胀原理测温
测量原理 物体受热时产生膨胀
固体膨胀式温度计
液体膨胀式温度计
玻璃管温度计
双金属温度计
双金属温度计 双金属温度计是把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起 制成的，是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量
变化，不仅用于测量温度，而且还用于温度控制装置（尤其是
现代工业中温度测量和控制是不可缺少的，
烟草烘干
木材烘干
一、温度检测 接触式测温 温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。 (1) 膨胀式温度计 (2) 热电阻温度计 (3) 热电偶温度计 (4) 其他原理的温度计 特点
直观、可靠，测量仪表也比较简单；时间滞后，对于较小的物体，可能因 测温元件引入影响温度场分布而造成测量误差，难以测量运动物体温度，
符号为℃。
华氏温标 ℉ ----规定在大气压下，纯水的冰融点为32度，纯水的沸点为 212度，中间划分为180等分，每一分为一华氏度，符号为℉。
热力学温标 K ---- 开尔文温标，单位为开尔文（K）。
热力学温标（K） 热力学温标是建立在热力学 第二定律基础上的最科学的温标，
是由开尔文根据热力学定律提出
热电阻
热电偶
体积热膨胀式
不需要电源，耐用；但感温 部件体积较大。
气体的体积与热力学温度成正比
电流输出型典型集成温度传感器有 AD590（美国AD公司生产），国内同类产 品SG590。 器件电压4～30V， 测温范围-50～150℃
基于1-WIRE总线的DB18B20 型智能温度传感器
DB18B20引脚
铜电阻
电阻值与温度的关系几乎呈线性，电阻温度系数也较大，
而且其材料易提纯，价格比较便宜，但缺点是在100℃以 上易被氧化 工业用铜热电阻的分度号为Cu50和Cu100
热电阻的主要技术性能
易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻
热电阻传感器的结构
应用于-200~600℃范围内的温度测量
热电阻＝电阻体（最主要部分）＋绝缘套管＋接线盒 材料要求：
热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分， 其特性曲线是非线性的。 NTC又可分为两大类：
第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指
数关系； 第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电 阻值突然下降 。
热敏电阻的外形、结构及符号
a）圆片型热敏电阻 b）柱型热敏电阻 c）珠型热敏电阻 d）铠装型 e）厚膜型 f）图形符号 1—热敏电阻 2—玻璃外壳 3—引出线 4—紫铜外壳 5—传热安装孔
• 一般利用温度系数很小的金属电阻与热敏电阻串联或并联，
使热敏电阻阻值在一定范围内呈线性关系。
• 热敏电阻测量的方法常用电桥法。
热敏电阻的应用
右图是一恒温电路，A为比
较器，当环境温度达到T℃时，
输出信号实现自动调温控制。
同相端输入有RP、R1、R2、 R3分压确定作比较电平，RP可
调节比较器的比较电平，从
热电偶工作原理演示实验
热电极B
热电极A 测量端（工 作端、热端）
热电势
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。
回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分 组成，即温差电势和接触电势。
(1) 接触电势
A
+ -
B
热端 冷端

T
不同金属自由电子密度不同，当两种金
取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态 阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484 。
热电阻测温原理
测量原理 导体或半导体的电阻值随温度变化
热电阻
T
R
不同热电阻阻值与温度变化之间的关系不完全相同。
例，铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为：
-200～O℃ +0～850℃ 式中：
一般只适合于中低温测量
非接触测温 温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热 交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。 (1) 辐射式温度计 (2) 光纤式温度计： 不与被测物体接触，不破坏原有的温度场；测温范围广、理论上无温度上 特点
限限制、测温响应快、测温过程不影响温度场分布、能够检测运动物体温 度等；精度一般不高。
二、温标 温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点 （即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。 国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。
摄氏温标 ℃ ---把标准大气压下纯水的冰融点定为0度，纯水的沸点定为 100度。在0度和100度之间分成100等分，每一分为一摄氏度，
电阻温度系数要大；电阻率尽可能大，热容量要小，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。
热电阻结构
6
5
4
热电阻结构
• 电阻的结构主要由不同材料的电阻丝绕制 而成，为了避免通过交流电时产生感抗， 或有交变磁场产生感应电动势，在绕制时 采用双线无感绕制。
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。
在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势，温差电动势可 以忽略不计。 EAB(T,T0)≈EAB(T )-EAB(T0 )
在标定热电偶时，一般使T0为常数，则：
第九讲 温度测量
学习目的与要求 • 了解测量温度的方法，理解各种测量温度传感器
的基本原理，了解各种传感器的组成、分类、特
点及标定方法。 • 重点是热电偶、电阻式温度传感器。
概述
温度是物理现象中具有代表性的物理量
现代生活中温度测量和控制是不可缺少的，如家用电器： 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。
而调节所需控制温度。
热敏电阻的恒温控制电路
热敏电阻用于电热水器的温度控制
热敏电阻用于CPU的温度测量
热敏电阻体温表的调试、标定方法
小结 热敏电阻灵敏度高，比一般的金属大10~100倍；热惯性小，
动态测量；结构简单，体积小。
多数热敏电阻具有负温度系数，温度升高电阻下降，同时灵 敏度下降，所以热电阻限制了它在高温下使用。热敏电阻温度 上限约400℃ 。 热敏电阻最大的缺点是，产品一致性差，互换性不好，因此，