sensor温度传感器1
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工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的 一半左右。 因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。
温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类 繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快 的传感器之一。
温度测量的基本概念
温度标志着物 质内部大量分子无 规则运动的剧烈程 度。温度越高，表 示物体内部分子热 运动越剧烈。
三、热电偶冷端温度补偿
• 电桥补偿法
四、补偿导线法
第三章
温度传感器
3.3.3 热电偶的结构和种类
1. 热电偶种类 • 贵金属热电偶 铂铑 — 铂铑（600～1700）℃ 铂铑 — 铂 （0～1600）℃ 普通金属热电偶 镍铬 — 镍硅（-200～1200）℃ 镍铬 — 镍铜（-40～750）℃， 铁 — 康铜（0～400）℃
3.2.1 玻璃温度计
玻璃液体温度计简称玻璃温度计，是一种直读 式仪表。水银是玻璃温度计最常用的液体，其 凝固点为-38.9℃、测温上限为538℃。 玻璃温度计特点：结构简单，制作容易，价格 低廉，测温范围较广，安装使用方便，现场直 接读数，一般无需能源，易破损，测温值难自 动远传记录，精度差（0.2 ℃ ），抗震能力差。
t90 /℃ = T90 / K – 273.15 t /℃ = T / K – 273.15
3.1.2 温度传感器的分类：
测温方法 测温原理
固体热膨胀 体积变化 — 液体热膨胀 气体热膨胀 电阻变化
温度传感器
双金属温度计 玻璃管液体温度计 气体温度计、压力温度计 金属电阻温度传感器 半导体热敏电阻 贵金属热电偶 普通金属热电偶 非金属热电偶 石Байду номын сангаас晶体温度传感器 光纤温度传感器；液晶温度传感器 超声波温度传感器 光学高温计 全辐射高温计 比色高温计 红外温度传感器 射流温度传感器
EAB T , T0 EAB T , TC EAB TC ,T0
☻ 实际测量时，利用这一性 质，
对冷端温度不为零度时的热 电势修正以及冷端延伸引线进 行的补偿。
如何由热电偶的热电势查热端温度值
一 零度法：
查出热端的温度tx
冷端为0C，根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，
。
中间导体定律
二 计算修正:
E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)
中间温度定律
例，S型热电偶工作时自由端温度25℃现测 得电势为7.3mv，求实际温度。分度表查得 E(25,0)=0.143mv，所以： E(t,0)=E(t,25)+E(25,0)=7.3+0.143=7.443 再查表得对应的实际温度809 ℃。
固体长度随温度变化的情况可用下式表示：
L1 L0 1 k t1 t0
基于固体受热膨胀原理，测量温度通常是把两 片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一 起，构成双金属片感温元件当温度变化时，因 双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对 很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片 产生弯曲变形。下图是双金属温度计原理图：
500
600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
20.640
24.902 29.128 33.277 37.325 41.269 45.108 48.826 52.398
21.066
25.327 29.547 33.686 37.724 41.657 45.486 49.192 52.747
A
B
热电偶热端温度为T时，两个接点的接触电势分别为 热端接触电势为： KT N A E AB (T ) ln e e NB
、
冷端接触电势为：
E AB (T0 ) e KT0 N A ln e NB
式中：A、B 代表不同材料； T，T0 为两端温度；
N A , NB
是A、B 材料的自由电子浓 ＿电子电荷量； K ＿波尔兹曼常数； 度。
这类压力温度计其毛细管细 而长(规格为1—60m)它的作 • 电接点压力式温度 计 用主要是传递压力，长度愈 长，则使温度计响应愈慢， 在长度相等条件下，管愈细， 则准确度愈高。 压力温度计和玻璃温度计相 比，具有强度大、不易破损、 读数方便，但准确度较低、 耐腐蚀性较差等特点。
3.2.3双金属温度计
温度 ℃
0 100 200 300 400
（参考端温度为0℃）
60 70 80 90
0
10
20
30
40
50
热 电 动 势 mV 0.000 4.095 8.137 12.207 16.395 0.397 4.508 8.537 12.623 16.818 0.798 4.919 8.938 13.039 17.241 1.203 5.327 9.341 13.456 17.664 1.611 5.733 9.745 13.874 18.088 2.022 6.137 10.151 14.292 18.513 2.436 6.539 10.560 14.712 18.938 2.850 6.939 10.969 15.132 19.363 3.266 7.338 11.381 15.552 19.788 3.681 7.737 11.793 15.974 20.214
e
在闭合回路中，总的接触电势为
NA K E e AB (T , T0 ) T T0 ln e NB
3.3.1 热电效应
2. 温差电势（汤姆逊电势） 对单一金属如果两边温度不同，两端有温度梯度也 产生温差电动势； 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。
玻璃温度计的分类： • 全浸式：测温准确度高， 但读刻度困难，使用操 作不便。 • 局浸式：读数容易，但 测量误差较大，即使采 取修正措施其误差比全 浸式仍要大好几倍或更 多。
•
V形工业玻璃温度计
3.2.2 压力温度传感器
压力温度计是根据一 定质量的液体、气体、 在体积不变的条件下 其压力与温度呈确定 函数关系的原理实现 其测温功能的。 压力温度计的典型结 构示意图
Ｔ
Ａ
3.3.2 热电偶基本定律
T０ (1) 中间导体定律 Ｔ０ 如果将热电偶T0端断开，接入第三导体 ， KT 0 NB KT 0 C NC EBC (To) ln , ECA (To) ln , e NC e NA 回路中电势应写为：
Ｔ
Ａ
Ｂ
Ｂ
Ｔ０
Ｃ Ｃ
测量仪器
Ｔ
EABC T , T0 E ECA T0 e AB T E e BC T0 e
21.493
25.751 29.965 34.095 38.122 42.045 45.863 49.555 53.093
21.919
26.176 30.383 34.502 38.519 42.432 46.238 49.916 53.439
22.346
26.599 30.799 34.909 38.915 42.817 46.612 50.276 53.782
•
热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好， 这是其它接触式温度传感器无法替代的。
国际电工委员会IEC (International Electro Technical Commission) 推荐８种标准化热电偶，已列入工业标准化文件，具有统一的分度表。
R0
镍铬—镍硅热电偶(K型)分度表
eA T , T0 eB T , T0 ( A B )dT
T0 T
3.3.1 热电效应
☻
根据两导体的接触电势和温差电势， 热电偶总的热电势为接触电势、温差电势之和：
T NA K E AB T , T0 T T0 ln ( A B )dT e N B T0
☻ 结论：
1. 若热电偶两电极材料相同（NA=NB、σA=σB），无论两端点温 度如何，总热电势EAB为零； 2. 如果热电偶两接点温度相同（T = T0）时，A、B 材料不同， 回路总电势EAB为零； 3. 热电偶必须用不同材料做电极，在T、T0 两端必须有温差梯 度，这是热电偶产生热电势的必要条件。 4. 导体材料确定后，热电动势的大小只与两端温度有关，与几 何形状无关。若一段温度不变，那热电动势就是T的单值函 数，是热电偶测温的原理。
第三章 温度传感器
主要内容：
3.1 温度传感器的分类及温标 3.2 热膨胀 3.3 热电偶 3.4 热电阻、热敏电阻 3.5 红外温度传感器
概 论
温度是反映物体冷热状态的物理参数。
温度是与人类生活息息相关的物理量。·
人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学 及环保等部门都与温度有着密切的关系。
☻ 热电效应：为两种不同类型的金属导体，导体两端分别接 在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等有温差时回路 里会产生热电势，形成电流，这种现象称为热电效应。
电极A
热端： 工作端
热电势 A
电极B
冷端： 自由端
B
3.3.1 热电效应
金属的热电势由两部分组成： 接触电势和温差电势。
• 1. 接触电势——将同温度的两 种不同的金属互相接触。由于 两种金属内自由电子的密度不 同，在两金属A和B的接触处会 发生自由电子的扩散现象，自 由电子将从密度大的金属扩散 到密度小的金属。A金属失去电 子带正电，金属B得到电子带负 电，扩散引起的自建电场阻碍 扩散的进一步进行，当达到平 衡时，将形成电势差。
双金属温度计原理图
双金属温度计的感温 双金属元件的形状是 螺旋型，其测温范围 大致为-80℃—600℃， 精度等级通常为1.5 级左右。 双金属温度计抗振性 好，读数方便，响应 速度快，但精度不太 高，温度受限，只能 用做一般的工业用仪 表。
第三章
3.3 热电偶
温度传感器
3.3.1 热电效应
接 触 式
热电效应 接 触 式 频率变化 光学特性 声学特性 非 接 触 式 亮度法 热辐射 — 全辐射法 比色法 红外法 气流变化
3.2 膨胀式传感器
1.玻璃温度计 2.压力温度计 3.双金属温度计 膨胀式测温是基于物体受热时产生膨胀的原理 膨胀式温度计种类很多，按膨胀基体可分成液 体膨胀式玻璃温度计、液体或气体膨胀式压力 温度计及固体膨胀式双金属温度计。
E AB (T , T0 ) E AC (T , T0 ) ECB (T , T0 )
A A C — T B
T
B
T0 = T
C
T0
T0
由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。
3.3.2 热电偶基本定律
(3) 中间温度定律 在热电偶测温回路中TC为热电极上某点温度； 热电偶在温度为T、T0 时的热电势EAB（T，T0 ）等于接 点温度 T、TC 和 TC、T0 时的热电势的代数和， A-B热电偶的热电势为：
则有：
EABC T , T0 e EAB T e EAB T0 EAB T , T0
☻ 结论：
• • 当热电偶引入第三导体C 时，只要C导体两端温度相同， 回路总电势不变。 中间导体定律说明，回路中接入导体和仪表后不会影响 热电势。
（2)参考电极定律 两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们 所产生的热电势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用 下式求得：
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！
第三章 温度传感器
3.1.1. 温度单位 为定量描述温度的高低，必须建立温度标尺（温标）， 各种温度计和温度传感器的温度数值均由温标确定。 热力学温度是国际上公认的最基本温度，我国目前部分 实行的是1990年国际温标 (ITS — 90） • • • (ITS—90）定义: 国际开尔文温度（T90）： 单位，开尔文（符号K ） 摄氏温度（t90）： 单位，摄氏（符号℃） 两者关系为： 或表示为 华氏度：冰点是32°F, 沸点为212°F
Ｔ＞Ｔ０
＋
－
3.3.1 热电效应
Ａ、Ｂ两个导体的单一导体的温差电势分别为
eA T , T0 A t dT
T0 T
eB T , T0 B t dT
T0
T
式中： A
B
是泽贝克系数，是材料和位置的函数。
A、B 两导体构成闭合回路总的温差电势为：
温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类 繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快 的传感器之一。
温度测量的基本概念
温度标志着物 质内部大量分子无 规则运动的剧烈程 度。温度越高，表 示物体内部分子热 运动越剧烈。
三、热电偶冷端温度补偿
• 电桥补偿法
四、补偿导线法
第三章
温度传感器
3.3.3 热电偶的结构和种类
1. 热电偶种类 • 贵金属热电偶 铂铑 — 铂铑（600～1700）℃ 铂铑 — 铂 （0～1600）℃ 普通金属热电偶 镍铬 — 镍硅（-200～1200）℃ 镍铬 — 镍铜（-40～750）℃， 铁 — 康铜（0～400）℃
3.2.1 玻璃温度计
玻璃液体温度计简称玻璃温度计，是一种直读 式仪表。水银是玻璃温度计最常用的液体，其 凝固点为-38.9℃、测温上限为538℃。 玻璃温度计特点：结构简单，制作容易，价格 低廉，测温范围较广，安装使用方便，现场直 接读数，一般无需能源，易破损，测温值难自 动远传记录，精度差（0.2 ℃ ），抗震能力差。
t90 /℃ = T90 / K – 273.15 t /℃ = T / K – 273.15
3.1.2 温度传感器的分类：
测温方法 测温原理
固体热膨胀 体积变化 — 液体热膨胀 气体热膨胀 电阻变化
温度传感器
双金属温度计 玻璃管液体温度计 气体温度计、压力温度计 金属电阻温度传感器 半导体热敏电阻 贵金属热电偶 普通金属热电偶 非金属热电偶 石Байду номын сангаас晶体温度传感器 光纤温度传感器；液晶温度传感器 超声波温度传感器 光学高温计 全辐射高温计 比色高温计 红外温度传感器 射流温度传感器
EAB T , T0 EAB T , TC EAB TC ,T0
☻ 实际测量时，利用这一性 质，
对冷端温度不为零度时的热 电势修正以及冷端延伸引线进 行的补偿。
如何由热电偶的热电势查热端温度值
一 零度法：
查出热端的温度tx
冷端为0C，根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，
。
中间导体定律
二 计算修正:
E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)
中间温度定律
例，S型热电偶工作时自由端温度25℃现测 得电势为7.3mv，求实际温度。分度表查得 E(25,0)=0.143mv，所以： E(t,0)=E(t,25)+E(25,0)=7.3+0.143=7.443 再查表得对应的实际温度809 ℃。
固体长度随温度变化的情况可用下式表示：
L1 L0 1 k t1 t0
基于固体受热膨胀原理，测量温度通常是把两 片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一 起，构成双金属片感温元件当温度变化时，因 双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对 很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片 产生弯曲变形。下图是双金属温度计原理图：
500
600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
20.640
24.902 29.128 33.277 37.325 41.269 45.108 48.826 52.398
21.066
25.327 29.547 33.686 37.724 41.657 45.486 49.192 52.747
A
B
热电偶热端温度为T时，两个接点的接触电势分别为 热端接触电势为： KT N A E AB (T ) ln e e NB
、
冷端接触电势为：
E AB (T0 ) e KT0 N A ln e NB
式中：A、B 代表不同材料； T，T0 为两端温度；
N A , NB
是A、B 材料的自由电子浓 ＿电子电荷量； K ＿波尔兹曼常数； 度。
这类压力温度计其毛细管细 而长(规格为1—60m)它的作 • 电接点压力式温度 计 用主要是传递压力，长度愈 长，则使温度计响应愈慢， 在长度相等条件下，管愈细， 则准确度愈高。 压力温度计和玻璃温度计相 比，具有强度大、不易破损、 读数方便，但准确度较低、 耐腐蚀性较差等特点。
3.2.3双金属温度计
温度 ℃
0 100 200 300 400
（参考端温度为0℃）
60 70 80 90
0
10
20
30
40
50
热 电 动 势 mV 0.000 4.095 8.137 12.207 16.395 0.397 4.508 8.537 12.623 16.818 0.798 4.919 8.938 13.039 17.241 1.203 5.327 9.341 13.456 17.664 1.611 5.733 9.745 13.874 18.088 2.022 6.137 10.151 14.292 18.513 2.436 6.539 10.560 14.712 18.938 2.850 6.939 10.969 15.132 19.363 3.266 7.338 11.381 15.552 19.788 3.681 7.737 11.793 15.974 20.214
e
在闭合回路中，总的接触电势为
NA K E e AB (T , T0 ) T T0 ln e NB
3.3.1 热电效应
2. 温差电势（汤姆逊电势） 对单一金属如果两边温度不同，两端有温度梯度也 产生温差电动势； 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。
玻璃温度计的分类： • 全浸式：测温准确度高， 但读刻度困难，使用操 作不便。 • 局浸式：读数容易，但 测量误差较大，即使采 取修正措施其误差比全 浸式仍要大好几倍或更 多。
•
V形工业玻璃温度计
3.2.2 压力温度传感器
压力温度计是根据一 定质量的液体、气体、 在体积不变的条件下 其压力与温度呈确定 函数关系的原理实现 其测温功能的。 压力温度计的典型结 构示意图
Ｔ
Ａ
3.3.2 热电偶基本定律
T０ (1) 中间导体定律 Ｔ０ 如果将热电偶T0端断开，接入第三导体 ， KT 0 NB KT 0 C NC EBC (To) ln , ECA (To) ln , e NC e NA 回路中电势应写为：
Ｔ
Ａ
Ｂ
Ｂ
Ｔ０
Ｃ Ｃ
测量仪器
Ｔ
EABC T , T0 E ECA T0 e AB T E e BC T0 e
21.493
25.751 29.965 34.095 38.122 42.045 45.863 49.555 53.093
21.919
26.176 30.383 34.502 38.519 42.432 46.238 49.916 53.439
22.346
26.599 30.799 34.909 38.915 42.817 46.612 50.276 53.782
•
热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好， 这是其它接触式温度传感器无法替代的。
国际电工委员会IEC (International Electro Technical Commission) 推荐８种标准化热电偶，已列入工业标准化文件，具有统一的分度表。
R0
镍铬—镍硅热电偶(K型)分度表
eA T , T0 eB T , T0 ( A B )dT
T0 T
3.3.1 热电效应
☻
根据两导体的接触电势和温差电势， 热电偶总的热电势为接触电势、温差电势之和：
T NA K E AB T , T0 T T0 ln ( A B )dT e N B T0
☻ 结论：
1. 若热电偶两电极材料相同（NA=NB、σA=σB），无论两端点温 度如何，总热电势EAB为零； 2. 如果热电偶两接点温度相同（T = T0）时，A、B 材料不同， 回路总电势EAB为零； 3. 热电偶必须用不同材料做电极，在T、T0 两端必须有温差梯 度，这是热电偶产生热电势的必要条件。 4. 导体材料确定后，热电动势的大小只与两端温度有关，与几 何形状无关。若一段温度不变，那热电动势就是T的单值函 数，是热电偶测温的原理。
第三章 温度传感器
主要内容：
3.1 温度传感器的分类及温标 3.2 热膨胀 3.3 热电偶 3.4 热电阻、热敏电阻 3.5 红外温度传感器
概 论
温度是反映物体冷热状态的物理参数。
温度是与人类生活息息相关的物理量。·
人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学 及环保等部门都与温度有着密切的关系。
☻ 热电效应：为两种不同类型的金属导体，导体两端分别接 在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等有温差时回路 里会产生热电势，形成电流，这种现象称为热电效应。
电极A
热端： 工作端
热电势 A
电极B
冷端： 自由端
B
3.3.1 热电效应
金属的热电势由两部分组成： 接触电势和温差电势。
• 1. 接触电势——将同温度的两 种不同的金属互相接触。由于 两种金属内自由电子的密度不 同，在两金属A和B的接触处会 发生自由电子的扩散现象，自 由电子将从密度大的金属扩散 到密度小的金属。A金属失去电 子带正电，金属B得到电子带负 电，扩散引起的自建电场阻碍 扩散的进一步进行，当达到平 衡时，将形成电势差。
双金属温度计原理图
双金属温度计的感温 双金属元件的形状是 螺旋型，其测温范围 大致为-80℃—600℃， 精度等级通常为1.5 级左右。 双金属温度计抗振性 好，读数方便，响应 速度快，但精度不太 高，温度受限，只能 用做一般的工业用仪 表。
第三章
3.3 热电偶
温度传感器
3.3.1 热电效应
接 触 式
热电效应 接 触 式 频率变化 光学特性 声学特性 非 接 触 式 亮度法 热辐射 — 全辐射法 比色法 红外法 气流变化
3.2 膨胀式传感器
1.玻璃温度计 2.压力温度计 3.双金属温度计 膨胀式测温是基于物体受热时产生膨胀的原理 膨胀式温度计种类很多，按膨胀基体可分成液 体膨胀式玻璃温度计、液体或气体膨胀式压力 温度计及固体膨胀式双金属温度计。
E AB (T , T0 ) E AC (T , T0 ) ECB (T , T0 )
A A C — T B
T
B
T0 = T
C
T0
T0
由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。
3.3.2 热电偶基本定律
(3) 中间温度定律 在热电偶测温回路中TC为热电极上某点温度； 热电偶在温度为T、T0 时的热电势EAB（T，T0 ）等于接 点温度 T、TC 和 TC、T0 时的热电势的代数和， A-B热电偶的热电势为：
则有：
EABC T , T0 e EAB T e EAB T0 EAB T , T0
☻ 结论：
• • 当热电偶引入第三导体C 时，只要C导体两端温度相同， 回路总电势不变。 中间导体定律说明，回路中接入导体和仪表后不会影响 热电势。
（2)参考电极定律 两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们 所产生的热电势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用 下式求得：
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！
第三章 温度传感器
3.1.1. 温度单位 为定量描述温度的高低，必须建立温度标尺（温标）， 各种温度计和温度传感器的温度数值均由温标确定。 热力学温度是国际上公认的最基本温度，我国目前部分 实行的是1990年国际温标 (ITS — 90） • • • (ITS—90）定义: 国际开尔文温度（T90）： 单位，开尔文（符号K ） 摄氏温度（t90）： 单位，摄氏（符号℃） 两者关系为： 或表示为 华氏度：冰点是32°F, 沸点为212°F
Ｔ＞Ｔ０
＋
－
3.3.1 热电效应
Ａ、Ｂ两个导体的单一导体的温差电势分别为
eA T , T0 A t dT
T0 T
eB T , T0 B t dT
T0
T
式中： A
B
是泽贝克系数，是材料和位置的函数。
A、B 两导体构成闭合回路总的温差电势为：