第三章温度传感器1-2
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0～500℃ -250～0℃
见表下内容
晶体管、热敏电阻、 压力式玻璃温度计 BaSrTiO3陶瓷
-270～-250℃
热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振 动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射 9 传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅
温度传感器分类(2)
EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）
A
A
T1
B A
T2
B
B
T3
23
对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提 供了依据。如当T2=0℃时，则： EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3） 说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、 B同样热电特性的材料A′、B′(如图)即引入所谓补偿导 线时，当EAA΄(T2)=EBB΄(T2)时，则回路总电动势为 EAB=EAB(T1)–EAB(T0)
7
3. 温度传感器的种类及特点 接触式温度传感器 非接触式温度传感器
接触式温度传感器是将测温敏感元件直接与被测介质接 触，使被测介质与测温敏感元件进行充分热交换，当两 者具有相同温度时，达到测量的目的。这种传感器的测 量精度较高，但由于被测介质的热量传递给传感器，从 而降低了被测介质的温度，特别是被测介质热容量较小 时，会给测量带来误差。 非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出 红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成 本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸 收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产 生消耗；反应快等。
3. 回路总电势
由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、 T0,如果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： E AB (T , T0 ) e AB (T ) e AB (T0 ) e A (T , T0 ) eB (T , T0 )
N AT k T N AT kT 0 ln ln e N BT e N BT
■了解其他温度传感器工作原理
2
第一节 概 论
温度是与人类生活息息相关的物理量。 温度检测始于2000多年前。
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。
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，现代人类离不开温度，因此也离不开温度传感器。
6
超声波传播速度变化 物质 颜色 P–N结电动势 晶体管特性变化 可控硅动作特性变化 热、光辐射
种 类
2.温度传感器应满足的条件
▲特性与温度之间的关系要适中，并容易检
测和
处理，且随温度呈线性变化 ▲除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低 ▲特性随时间变化要小 ▲重复性好，没有滞后和老化 ▲灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的 影响要小 ▲机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好 ▲能大批量生产，价格便宜 ▲无危险性，无公害等
5
体积热膨胀
物 理 现 象
1.气体温度计 2. 玻璃制水银温度计 3.玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计 5.液体压力温度计 6. 气体压力温度计
电阻变化 温差电现象
导磁率变化 电容变化 压电效应
铂电阻、热敏电阻 热电偶
1． 热铁氧体 2． Fe-Ni-Cu合金
BaSrTiO3陶瓷
石英晶体振动器 超声波温度计 示温涂料 液晶 半导体二极管 晶体管半导体集成电路温度传感器 可控硅 辐射温度传感器 光学高温计
12
一、工作原理
两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路， 若导体A和B的连接处温度不同（设 T ＞ T0 ）， 则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回 路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。 这种现象早在1821年首先由西拜克（See－back） 发现,所以又称西拜克效应。 回路中所产生的电动 势，叫热电势。热电 势 thermo-electric force 由两部分组成，即温 热端 冷端 差电势和接触电势。
二、温度传感器的特点与分类 1 温度传感器的物理原理(11种)
随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化 蒸气压的温度变化 电极的温度变化 诸多物理量或物 热电偶产生的电动势 理现象能够反映 光电效应 出温度的变化 热电效应 介电常数、导磁率的温度变化 物质的变色、融解 强性振动温度变化 热放射 热噪声
18
2. 中间导体定律
一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路， 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。
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
C
T
三种不同导体组成的热电偶回路
19
两点结论： 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，此回路的总电势不变，即 EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2） 同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度 T0之中，此回路的电势也为：
分类 特 征 传 感 器 名 称
测 温
线性型
测温电阻器、晶体管、热电偶 测温范围宽 半导体集成电路传感器、 可控硅、石英晶体振动器、 输出小 压力式温度计、玻璃制温度计 测温范围窄 输出大 特定温度 输出大
特 指数型 性 函数
开关型 特性
热敏电阻
感温铁氧体、双金属温度计
10
温度传感器分类(3)
分 类
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)就只与温度 T 有关，而且是T的单 值函数，这就是利用热电偶测温的原理。
17
二、热电偶回路的性质 1. 均质导体定律
由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体 是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产 生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料 则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不 同材料作为电极。
E T0 T0 T0 T1 T1 T T
21
E
2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的， 它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图。 它们相互间热电势的关系为：
EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）
22
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3. 中间温度定律
如果不同的两种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)时,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
第三章 温度传感器
概 论 热电偶温度传感器 热敏电阻温度传感器 集成温度传感器 其他温度传感器
1
学习要点
■了解温度传感器的作用、地位和分类 ■理解热电效应定义，掌握热电偶三定律及相关 计算，热电偶冷端补偿原因及补偿方法 ■掌握热敏电阻不同类型的特点、特性曲线及应 用场合 ■掌握电流型、电压型、数字型三种集成温度传 感器特点、工作原理和使用方法
11
绝对值 测定用
第二节 热电偶温度传感器
温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最 普遍的传感元件之一。 特点：结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小， 输出信号为电信号便于远传或信号转换，还能用来测 量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型 热电偶还可用于快速及动态温度的测量。
★热电偶的工作原理 ★热电偶回路的性质 ★热电偶的常用材料与结构 ★冷端处理及补偿
13
1. 接触电势
eAB(T)
接触电势 原理图
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。
温度 标准用 特 征 测定精度 ±0.1～ ±0.5℃ 测定精度 ±0.5～ ±5℃ 传 感 器 名 称 铂测温电阻、石英晶体振动 器、玻璃制温度计、气体温 度计、光学高温计
测 定 精
热电偶、测温电阻器、热敏电 阻、双金属温度计、压力式温 度 度计、玻璃制温度计、辐射传 管理温度 相对值±1～ 感器、晶体管、二极管、半导 体集成电路传感器、可控硅 测定用 ±5℃
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。
3
一、温度的基本概念 温度：衡量物体冷热程度的物理量。温度的高 低反映了物体内部分子运动平均动能的大小。 温标：表示温度大小的尺度是温度的标尺。
热力学温标thermodynamic temperature scale 水三相点 273.16K 开尔文 国际实用温标International practical temperature scale 冰点 273.15K 开尔文 华氏温标Fahrenheit temperature scale 华氏度 ℉ 非法定计量单位 华伦海特 摄氏温标 Celsius temperature scale 常用温标 摄氏度 ℃ 摄耳修司 n=5(m-32)/9
0 0
T
T0
( A B )dT
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。
16
热电偶回路热电势的大小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，因为当A、B 在实际测量中只需用仪表测出回路中总电势即可。由于 两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即 温差电势与接触电势相比较，其值很小，因此，在工程 EAB(T，T0)=0。 技术中认为热电势近似等于接触电势。 只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材 在工程应用中，测出回路总电势后，用查热电偶分度表 料不同时才能有热电势产生。 的方法确定被测温度。
EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2） (a)
A T2 a 2 T0 E AB T0 C 2 3 T0 C B A B 3 T0 A
第三种材料 接入热电偶 回路图
T1
(b)
T2
EAB
T1
20
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，不会影响回路中原来的热电势，接入的方 式见下图所示。
8
温度传感器分类(1)
分 类 超高温用 传感器 高温用 传感器 中高温用 传感器 中温用 传感器 低温用 传感器 极低温用 传感器 特 征 传 感 器 名 称 光学高温计、辐射传感器 1500℃以上
测 温 范 围
1000～1500℃ 光学高温计、辐射传感器、 热电偶 光学高温计、辐射传感器、 500～1000℃ 热电偶
只要T1、T0不变，接入AˊBˊ后不管接点温度T2如何变 化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。
A T2 A’ T0 E B T2 B’ T0
热电偶补偿 导线接线图
24
T1
例题
已知在某特定条件下材料A与铂配对的热电动势为 13.967mV，材料B与铂配对的热电动势为8.345mV， 求出在此特定条件下材料A与材料B配对后的热电势。 解：根据中间导体定律结论公式，有 EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0） 依题意可知，EAC（T, T0）＝13.967mV； ECB（T, T0）＝－8.345mV 则 EAB(T, T0)＝13.967mV－8.345mV＝5.622 mV 因此，在此特定条件下材料A与材料B配对后的热电势 为5.622 mV。
接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。
14
2. 温差电势
温差电势原理
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两端的温度差为1℃时所产生的 温差电动势，例如在0℃时，铜的σ =2μV/℃。 15
见表下内容
晶体管、热敏电阻、 压力式玻璃温度计 BaSrTiO3陶瓷
-270～-250℃
热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振 动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射 9 传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅
温度传感器分类(2)
EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）
A
A
T1
B A
T2
B
B
T3
23
对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提 供了依据。如当T2=0℃时，则： EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3） 说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、 B同样热电特性的材料A′、B′(如图)即引入所谓补偿导 线时，当EAA΄(T2)=EBB΄(T2)时，则回路总电动势为 EAB=EAB(T1)–EAB(T0)
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3. 温度传感器的种类及特点 接触式温度传感器 非接触式温度传感器
接触式温度传感器是将测温敏感元件直接与被测介质接 触，使被测介质与测温敏感元件进行充分热交换，当两 者具有相同温度时，达到测量的目的。这种传感器的测 量精度较高，但由于被测介质的热量传递给传感器，从 而降低了被测介质的温度，特别是被测介质热容量较小 时，会给测量带来误差。 非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出 红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成 本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸 收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产 生消耗；反应快等。
3. 回路总电势
由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、 T0,如果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： E AB (T , T0 ) e AB (T ) e AB (T0 ) e A (T , T0 ) eB (T , T0 )
N AT k T N AT kT 0 ln ln e N BT e N BT
■了解其他温度传感器工作原理
2
第一节 概 论
温度是与人类生活息息相关的物理量。 温度检测始于2000多年前。
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。
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，现代人类离不开温度，因此也离不开温度传感器。
6
超声波传播速度变化 物质 颜色 P–N结电动势 晶体管特性变化 可控硅动作特性变化 热、光辐射
种 类
2.温度传感器应满足的条件
▲特性与温度之间的关系要适中，并容易检
测和
处理，且随温度呈线性变化 ▲除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低 ▲特性随时间变化要小 ▲重复性好，没有滞后和老化 ▲灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的 影响要小 ▲机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好 ▲能大批量生产，价格便宜 ▲无危险性，无公害等
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体积热膨胀
物 理 现 象
1.气体温度计 2. 玻璃制水银温度计 3.玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计 5.液体压力温度计 6. 气体压力温度计
电阻变化 温差电现象
导磁率变化 电容变化 压电效应
铂电阻、热敏电阻 热电偶
1． 热铁氧体 2． Fe-Ni-Cu合金
BaSrTiO3陶瓷
石英晶体振动器 超声波温度计 示温涂料 液晶 半导体二极管 晶体管半导体集成电路温度传感器 可控硅 辐射温度传感器 光学高温计
12
一、工作原理
两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路， 若导体A和B的连接处温度不同（设 T ＞ T0 ）， 则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回 路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。 这种现象早在1821年首先由西拜克（See－back） 发现,所以又称西拜克效应。 回路中所产生的电动 势，叫热电势。热电 势 thermo-electric force 由两部分组成，即温 热端 冷端 差电势和接触电势。
二、温度传感器的特点与分类 1 温度传感器的物理原理(11种)
随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化 蒸气压的温度变化 电极的温度变化 诸多物理量或物 热电偶产生的电动势 理现象能够反映 光电效应 出温度的变化 热电效应 介电常数、导磁率的温度变化 物质的变色、融解 强性振动温度变化 热放射 热噪声
18
2. 中间导体定律
一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路， 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。
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
C
T
三种不同导体组成的热电偶回路
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两点结论： 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，此回路的总电势不变，即 EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2） 同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度 T0之中，此回路的电势也为：
分类 特 征 传 感 器 名 称
测 温
线性型
测温电阻器、晶体管、热电偶 测温范围宽 半导体集成电路传感器、 可控硅、石英晶体振动器、 输出小 压力式温度计、玻璃制温度计 测温范围窄 输出大 特定温度 输出大
特 指数型 性 函数
开关型 特性
热敏电阻
感温铁氧体、双金属温度计
10
温度传感器分类(3)
分 类
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)就只与温度 T 有关，而且是T的单 值函数，这就是利用热电偶测温的原理。
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二、热电偶回路的性质 1. 均质导体定律
由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体 是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产 生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料 则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不 同材料作为电极。
E T0 T0 T0 T1 T1 T T
21
E
2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的， 它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图。 它们相互间热电势的关系为：
EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）
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3. 中间温度定律
如果不同的两种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)时,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
第三章 温度传感器
概 论 热电偶温度传感器 热敏电阻温度传感器 集成温度传感器 其他温度传感器
1
学习要点
■了解温度传感器的作用、地位和分类 ■理解热电效应定义，掌握热电偶三定律及相关 计算，热电偶冷端补偿原因及补偿方法 ■掌握热敏电阻不同类型的特点、特性曲线及应 用场合 ■掌握电流型、电压型、数字型三种集成温度传 感器特点、工作原理和使用方法
11
绝对值 测定用
第二节 热电偶温度传感器
温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最 普遍的传感元件之一。 特点：结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小， 输出信号为电信号便于远传或信号转换，还能用来测 量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型 热电偶还可用于快速及动态温度的测量。
★热电偶的工作原理 ★热电偶回路的性质 ★热电偶的常用材料与结构 ★冷端处理及补偿
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1. 接触电势
eAB(T)
接触电势 原理图
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。
温度 标准用 特 征 测定精度 ±0.1～ ±0.5℃ 测定精度 ±0.5～ ±5℃ 传 感 器 名 称 铂测温电阻、石英晶体振动 器、玻璃制温度计、气体温 度计、光学高温计
测 定 精
热电偶、测温电阻器、热敏电 阻、双金属温度计、压力式温 度 度计、玻璃制温度计、辐射传 管理温度 相对值±1～ 感器、晶体管、二极管、半导 体集成电路传感器、可控硅 测定用 ±5℃
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。
3
一、温度的基本概念 温度：衡量物体冷热程度的物理量。温度的高 低反映了物体内部分子运动平均动能的大小。 温标：表示温度大小的尺度是温度的标尺。
热力学温标thermodynamic temperature scale 水三相点 273.16K 开尔文 国际实用温标International practical temperature scale 冰点 273.15K 开尔文 华氏温标Fahrenheit temperature scale 华氏度 ℉ 非法定计量单位 华伦海特 摄氏温标 Celsius temperature scale 常用温标 摄氏度 ℃ 摄耳修司 n=5(m-32)/9
0 0
T
T0
( A B )dT
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。
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热电偶回路热电势的大小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，因为当A、B 在实际测量中只需用仪表测出回路中总电势即可。由于 两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即 温差电势与接触电势相比较，其值很小，因此，在工程 EAB(T，T0)=0。 技术中认为热电势近似等于接触电势。 只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材 在工程应用中，测出回路总电势后，用查热电偶分度表 料不同时才能有热电势产生。 的方法确定被测温度。
EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2） (a)
A T2 a 2 T0 E AB T0 C 2 3 T0 C B A B 3 T0 A
第三种材料 接入热电偶 回路图
T1
(b)
T2
EAB
T1
20
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，不会影响回路中原来的热电势，接入的方 式见下图所示。
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温度传感器分类(1)
分 类 超高温用 传感器 高温用 传感器 中高温用 传感器 中温用 传感器 低温用 传感器 极低温用 传感器 特 征 传 感 器 名 称 光学高温计、辐射传感器 1500℃以上
测 温 范 围
1000～1500℃ 光学高温计、辐射传感器、 热电偶 光学高温计、辐射传感器、 500～1000℃ 热电偶
只要T1、T0不变，接入AˊBˊ后不管接点温度T2如何变 化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。
A T2 A’ T0 E B T2 B’ T0
热电偶补偿 导线接线图
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T1
例题
已知在某特定条件下材料A与铂配对的热电动势为 13.967mV，材料B与铂配对的热电动势为8.345mV， 求出在此特定条件下材料A与材料B配对后的热电势。 解：根据中间导体定律结论公式，有 EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0） 依题意可知，EAC（T, T0）＝13.967mV； ECB（T, T0）＝－8.345mV 则 EAB(T, T0)＝13.967mV－8.345mV＝5.622 mV 因此，在此特定条件下材料A与材料B配对后的热电势 为5.622 mV。
接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。
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2. 温差电势
温差电势原理
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两端的温度差为1℃时所产生的 温差电动势，例如在0℃时，铜的σ =2μV/℃。 15