2010第7章热电式传感器

● 导体B接收到扩散电子而具
● 在扩散达到动态平衡时,A、B之间就形成
了一个电位差。这个电位差称为接触电 动势。
Baidu Nhomakorabea
接触电动势EAB(T)的形成，可以用以下理论解释。
不同导体材料具有不同的自由电子密度（nA、 nB），当其接触时，发生电子扩散。 设nA>nB。当电子扩散平衡时，A失去电子带正电
荷，B得到电子带负电荷。结果在接触区形成电场。
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
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、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、辐射传感器、晶体管、二极管、 半导体集成电路传感器。
测量高达2100℃的高温。
（2）钨铼热电偶：是60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热
电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能
力差。国产钨铼5-钨铼20热电偶使用温度范围300～2000℃分度精 度为1％。
（3）金铁—镍铬热电偶 ：主要用在低温测量，可在2～273K范围内
使用，灵敏度约为10μV／℃。
一般金属类：
④铜－康（考）铜； ⑥镍铬－康铜； ⑤铁－康铜； ⑦镍铬－镍硅（铝）
1．铂铑10—铂热电偶(S型) 分度号LB—3
工业用热电偶丝：Φ0.5mm，实验室用可更细些。 正极：铂铑合金丝，用90％铂和10％铑(重量比)冶炼而成。
负极：100%铂丝。
测量温度：长期：1300℃、短期：1600℃。 特点：
（一）热电效应及基本定律
称回路电势为热电势。两金属丝称为偶极或热电 极。两个结点中与被测介质接触的一个称为测量 端或工作端、热端，另一个称为参考端或自由端、 冷端。
(一) 两种导体的接触电动势 两种导体接触，导体内自由电子密度 EAB（T）
●
如果NA>NB．导体A中的电 子导体B扩散，从而导体A 失去电子而具有正电位。 有负电位。
电场阻碍了电子的继续 扩散，达到了动态平衡，即
A nA nB
接触电动势的形成机理
E AB (T)
B
形成了接触电动势E AB(T) 。
EAB(T)== A、B两种材料在温度为T时的接触电动势；
K --玻耳兹曼常数(1.38×10-6)；
E --电子电荷(1.6021892×10-19);
NA(T)、NB(T) --A、B材料在温度T时的自由电子密度。
（4）钯—铂铱15热电偶：是一种高输出性能的热电偶，在1398℃时
的热电势为47.255mV，比铂—铂铑10热电偶在同样温度下的热电势 高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。
２、热电偶结构 按热电偶结构划分，有： 普通热电偶：由热电极、绝缘套管、保护套管 和接线盒等组成(见图7.8) 铠装热电偶：套装热电偶。将热电极、绝缘材 料和金属管组合在一起，经拉伸加工成为一个
坚实的整体。特性：响应速度快、柔性好。
薄膜热电偶：图7.10
普通热电偶结构
1
2
3
4
图7.8 普通热电偶结构示意图
1－接线盒；2－保险套管; 3―绝缘套管；4―热电极
热电偶
四、热电偶的参比端处理
如前所述，为使热电偶的热电动势与被 测量间呈单值函数关系，热电偶的参比 端可采用以下方法处理。 (一)0C恒温法 这种方法是将热电偶的参比端保持在稳 定的0C环境中。
（二）参比端温度修正法
• 当热电偶参比端为不等于0 C时，需对仪 表的示值加以修正，因为热电偶的温度 －热电动势关系以及分度表是在参比端 为0 C得到的。修正公式：
（三）电桥补偿法
（四）补偿导线的应用
• 所谓补偿导线就是用热电性质与热电偶 相近的材料制成导线．用它将热电偶的 参比端延长到需要的地方，而且不会对 热电偶回路引入超出允许的附加测温误 差。 • 随着热电偶的标准化，补偿导线也形 成了标准系列。国际电工委员会也制定 了国际标准，适合于标准化热电偶使用。
第7章
热电式传感器
本章介绍温度测量的典型传感器。
温度测量传感器种类很多，分类方法也很多。
如按工作原理分：膨胀式、电阻式、热电式和辐射
式等形式；按实际使用用途分：基准温度计和工业
温度计；按测量方法又可分：接触式和非接触式。
此外，还有按以下表分类。
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 1500℃以上 光学高温计、辐射传感器
推论１： 若T=T0，即冷、热端温度相同，输
出热电动势为0；
推论２：
热电偶的总热电动势与A、B材料的
中间温度无关，只与结点温度有关。
二、热电偶基本定律
(一)均质导体定律 由均质材料构成的热电偶、热电动势的 大小只与材料及结点温度有关。与热电 偶的大小尺寸、形状及沿电极温度分布 无关。如材料不均匀、由于温度梯度的 存在，将会有附加电动势产生。
分 类 温度 标准用 特 征 传 感 器 名 称
测 定
测定精度 ±0.1～ ±0.5℃
测定精度 ±0.5～ ±5℃
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
热电偶、测温电阻器、热敏电 阻、双金属温度计、压力式温 精 度计、玻璃制温度计、辐射传 度 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 测定用 ±5℃
（5）铁—康铜热电偶，分度号TK
灵敏度高，约为53μV/℃，线性度好，价格便宜，可 在800℃以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化， 采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。
（6）铜—康铜热电偶，分度号MK
热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43μV/℃。
复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，
（3）金铁—镍铬热电偶 ：主要用在低温测量，可在2～273K范围内
使用，灵敏度约为10μV／℃。
（4）钯—铂铱15热电偶：是一种高输出性能的热电偶，在1398℃时
的热电势为47.255mV，比铂—铂铑10热电偶在同样温度下的热电势 高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。
几种特殊用途的热电偶 （1）铱和铱合金热电偶：如铱50铑—铱10钌热电偶它能在氧化气氛中
证明：图中回路中总电动势为： EABC(T，T0) == EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0) (7-a)
T0 A B T0
仪表
C
具有第三导体的热电偶回路
图7.5
（三）中间温度定律
在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时 的热电动势，等于该热电偶在接点温度 为T、Ta和Ta、T0时热电动势的代数和， 即 两端点在任意温度时的热电势为：
价格比较便宜，在工业上广泛应用。


高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，H2S等气体中易
被侵蚀。 复现性好，热电势大。
3．镍铬—考铜热电偶(E型) 分度号为EA—2
工业用热电偶丝：Ф1.2～2mm，实验室用可更细些。 正极：镍铬合金
负极：考铜合金（用56％铜，44％镍冶炼而成）。
测量温度：长期600℃，短期800℃。 特点： 价格比较便宜，工业上广泛应用。 在常用热电偶中它产生的热电势最大。 气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质，适 于在还原性或中性介质中使用。
广泛用于20K～473K的低温实验室测量中。
几种特殊用途的热电偶 （1）铱和铱合金热电偶：如铱50铑—铱10钌热电偶它能在氧化气氛中
测量高达2100℃的高温。
（2）钨铼热电偶：是60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热
电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能
力差。国产钨铼5-钨铼20热电偶使用温度范围300～2000℃分度精 度为1％。
将两种不同材料的导体A和B串接成一个
闭合回路，当两个结点温度不同时，在回路
中就会产生热电动势，形成电流，此现象称
为热电效应。
二、几个概念：
• 闭合回路中的两种导体称为热电极。
• 回路中的两结点，一个称工作端（热端T、测量端）， 另一个称参比端（冷端T0、自由端）。 • 通常将两种导体组合，并将温度转化成热电动势输 出的器件叫做热电偶，是一种常用的测温传感器。
E AB (T , T0 ) E AC (T , T0 ) E BC (T , T0 )
7.1.2 热电偶种类及结构
1、常用热电偶
适于制作热电偶的材料约300余种。到目前为止，
国际电工委员会已将其中七种推荐为标准化热电偶。 这七种热电偶为：
贵金属类：
①铂铑10－铂； ③铂铑30－铂铑6 ； ②铂铑13－铂；
（二）中间导体定律
●将A、B构成的热电 偶的T0端断开，接 入第三种导体C. ●只要保持第三导体 C两端温度相同， 接入导体C后对回 路总电动势无影响。
2)中间导体定律
在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其
（第三种材料）两端的温度相等，该导体的接入就不会影 响热电偶回路的总热电动势。
实际意义：根据该定律，可 以将第三导体换成测量仪表， T 只要保持两结点温度相同， 就可测量热电动势。
温度传感器分类(2)
分 类 特 征 传 感 器 名 称
测 温
线性型
测温电阻、晶体管、热电偶 测温范围宽 半导体集成电路传感器、 输出小 可控硅、石英晶体振动器、 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
指数型 特 函数 性 开关型 特性
热敏电阻
感温铁氧体、双金属温度计
温度传感器分类(3)
回路中总的接触电势为：
(二) 单一导体中的温差电动势
● 单一金属导体，两端温度不同，则两端的自
由电子就具有不同的动能。 T T。
● 温度高则动能大，动能大的自由电子就会向
温度低的一段扩散。
● 失去电子端就处于正电位，而低温端由于得
到电子处于负电位。
● 两端形成的电位差，称为温差电动势。
(二) 单一导体中的温差电动势
4．铂铑30—铂铑6热电偶(B型)
分度号为LL—2
正极：铂铑合金（用70％铂，30％铑冶炼而成）。 负极：铂铑合金（用94％铂，6％铑冶炼而成）。 测量温度：长期可到1600℃，短期可达1800℃。 特点：
材料性能稳定，测量精度高。
还原性气体中易被侵蚀。 低温热电势极小，冷端温度在50℃以下可不加补偿。 成本高。
绝对值 测定用
测温种类和方法很多，我们仅介绍其 中最常用热电式传感器及补充PN结型温度传
感器，即：
7.1 热电偶传感器
7.2 热电阻式传感器
7.3 热敏电阻
7.4 PN结型温度传感器（补充内容）
第7章 热电式传感器
7.1 热电偶传感器
热电偶是工作原理 是基于热电效应．
7.1
热电偶传感器
一、热电偶的工作原理 热电偶的工作原理是基于热电效应。 1、热电效应
工业用热电偶丝： Φ1.2~2.5mm，实验室用可细些。
正极：镍铬合金(用88.4～89.7％镍、9～10％铬，0.6％ 硅，0.3％锰，0.4～0.7％钴冶炼而成)。 负极：镍硅合金(用95.7～97％镍,2～3％硅,0.4～0.7％ 钴冶炼而成)。 测量温度：长期1000℃，短期1300℃。 特点：
单一金属导体温差电动势
(三) 回路温差总电动势 综上所述，在整个闭合回路中产生的总电动 势EAB(T,T0)可表示为
(三) 回路温差电动势
整个闭合回路总电动势EAB(T,T0) 为
(三) 回路温差总电动势
由式可知，热电偶总电动势与电子密度NA、NB及 两节点温度T、T0有关，电子密度取决于热电偶材 料的特性。当热电偶材料一定时，热电偶的总电 动势EAB(T，T0)成为温度T和To的函数差，即
材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶或基准热电
偶。用途：实验室或校验其它热电偶。 测量温度较高，一般用来测量1000℃以上高温。


在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵蚀，需要
用保护套管。 外套材料常用ＧＨ30高温合金。 材料属贵金属，成本较高。 热电动势较弱。
2．镍铬—镍硅(镍铝)热电偶(K型) 分度号EU—2
在T=T0的情况下，回路中的总电动势为0，即： EABC(T0，T0)=
EAB(T0)+EBC(T0)+ECA(T0)=0 (7-b)
将此式与（7-a）相减，可得：
EABC(T，T0)= EAB(T)－EAB(T0)=EAB(T，T0) 证毕
（四）标准电极定律
如图9．6所示，两种导体A、B分别与第三种导 体C组成热电偶．如果A、C和B、C热电偶的热 电动势已知、那么这两种导体A、B组成的热电 偶产生的电动势可由下式求得