第12章 热电传感器

12.2.1 热电效应 ☻ 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。 • 利用这种效应，只要知道一端结点温度，通过热电势就可 以测出另一端结点的温度。
这种将温度转换成热电动势 的传感器称热电偶，金属电 极称热电极; 电极:冷端与热端 • （冷端）T0——基准端，固定 温度节点，恒定在某一标准 温度；冷端标准温度为冰点 （0℃）。 （热端）T——测温端，待 测温度的接点，置于被测温 度场中。
•
2. 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 ） 国际摄氏温度（t90）： 单位，摄氏（符号℃） 两者关系为：
温度 ℃ 0 10 20 30 40 50
（参考端温度为0℃）
60 70 80 90
热 电 动 势 mV 0.000
4.095 8.137 12.207 16.395 20.640
0
100 200 300 400 500
0.397
4.508 8.537 12.623 16.818 21.066
0.798
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
Ａ、Ｂ两个导体的单一导体的温差电势分别为
e A T , T0
式中：

T
T0
A t dT
e B T , T0

T
T0
B t dT
A ， B
是温度系数，是温度和位置的函数。
A、B 两导体构成闭合回路总的温差电势为：
e A T , T0 e B T , T0
26.599
30.799 34.909 38.915 42.817 46.612 50.276
27.022
31.214 35.314 39.310 43.202 46.985 50.633
27.445
31.629 35.718 39.703 43.585 47.356 50.990
27.867
32.024 36.121 40.096 43.968 47.726 51.344
设 T T0
则有：
E ABC T0 0
E B C T0 E C A T0 E A B T0
E A B C T , T0 E A B T E A B T0 E A B T , T0
☻ 结论：
• • •
Ｔ
当热电偶引入第三导体C 时，只要C Ａ Ｂ 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 Ｔ０ T ０ 和仪表后不会影响热电势。 Ｃ 根据这一定律，将导体 C 作为测量 仪器接入回路，就可以由总电势求出 工作端温度，条件是：保证两端温度 测量仪器 一致。
12.2.4 热电偶测量电路及应用 电路调试步骤：
1. 2. 3. 调零：T = 0℃ 时调整调零电位器RP2使运放输出为零； 调增益：温度 600℃ 时调节反馈电阻RP1 使运放输出在6V。 600℃ 时K型热电偶热电势 E = 24.902mv， 放大器增益为 6V/24.902mv = 240.945 ，可得到6V满量程输出。
许多生产过程和日常生活都需要温度参数和温度控制。 如家用电器：电冰箱、空调、电饭煲、微波炉. 随着测温技术的发展，测温范围和精度都有很大的提高， 新型温度传感器不断出现，如红外、光纤、微波、超声波 、核磁共振（NQR）等都获得广泛应用。 测温系统主要由两部分组成：传感器及转换电路。

现场
T
Et Rt
浓度大的向浓度小的金属扩散
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：
E AB (T )
、
冷端接触电势为：
E AB (T0 ) KT0 N ln A e NB
N KT ln A e NB
式中：A、B 代表不同材料； T，T0 为两结点端温度；
N A , N B 是A、B 材料的电子浓度。 ＿电子电荷量； K ＿波尔兹曼常数；
e
在闭合回路中，总的接触电势为
NA K E AB (T , T0 ) T T0 ln e NB
( 2 ) 单一导体的温差电势（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。
•
金属的热电势由两部分组成： • • 接触电势； 温差电势。
热电偶冷端冰点测温方法
(1) 两种导体的接触电势
不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一 起时，在结点处会产生电子扩散，浓度大的向浓度 小的金属扩散。
浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。 当扩散达到动态平衡时，得到稳定的接触电势。
12.2.2 热电偶基本定律
Ｔ
(1) 三种导体的热电回路（中间导体定律）
Ａ
Ｂ Ｔ０
如果将热电偶T0端断开，接入第三导体C， 回路中电势由EAB（T，T0）应写为： Ｔ０
Ｃ
E A B C T , T0 E A B T E B C T0 E C A T0

T
T0
( A B ) dT
☻
根据两导体的接触电势和单一导体温差电势， 热电偶总的热电势为接触电势、温差电势之和：
E AB T , T0 NA K T T ln 0 e NB

T
T0
( A B ) dT
☻ 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. 因此，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。
E A B T , T 0 E A B T , T C E a b T C ,T 0
☻ 实际测量时，利用这一性 质，
对参考端温度不为零度时的热 电势以及冷端延伸引线进行修 正和补偿。
12.2.3 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）℃
通过查分度表可知热电偶 产生的热电势； 如K型热电偶： 0℃ 时 E = 0mV， 600℃ 时 E = 24.902mv； 分度表以 t = 0℃ 作基准.
实际应用若参考端温度不为0℃，工作端温度为t 时，由分 度表可查出EA（t， 0）;
与实际热电势EAB（t, t0）之间的关系可通过中间温度定律 得出：
E AB t , 0 E AB t , t0 E AB t0 , 0
例：使用K型热电偶测温，当基准接点为0℃，测量接点为 30℃和900℃时，温差电动势分别为1.203mV和37.325mV。 当基准接点为30℃，测温接点为900℃时的温差电动势E为 多少？ 解：t = 900℃（测温点） t0= 30℃（基准点） ∵ K型热电偶900℃时总的温差电势为 37.325mV = E （900℃，30℃）+E（30℃，0℃） = E + 1.203mV ∴ 测温点温差电势为 E = 36.122mV • 中间温度定律
900℃ —30℃—0 ℃
E AB t , 0 E AB t , t0 E AB t0 , 0
R0
镍铬—镍硅热电偶(K型)分度表
温度 ℃ 0 10 20 30 40 50
（参考端温度为0℃）
60 70 80 90
t90 /℃ = T90 / K – 273.15
或表示为
t /℃ = T / K – 273.15
液体膨胀
3. 各种热电式传感器
热电偶
热电偶是工业上应用 最广泛的温度传感器
热电阻和热敏电阻
wenku.baidu.com
热敏电阻是家用电器应 用最广泛的温度传感器
在线高温红外测温
甲型流感红外测温
12.2 热电偶
热电偶是利用金属的温差电动势测温
29.128 33.277 37.325 41.269 45.108 48.826
25.327
29.547 33.686 37.724 41.657 45.486 49.192
25.751
29.965 34.095 38.122 42.045 45.863 49.555
26.176
30.383 34.502 38.519 42.432 46.238 49.916
4.919 8.938 13.039 17.241 21.493
1.203
5.327 9.341 13.456 17.664 21.919
1.611
5.733 9.745 13.874 18.088 22.346
2.022
6.137 10.151 14.292 18.513 22.772
2.436
6.539 10.560 14.712 18.938 23.198
控制室
转换 显示
感温元件
1. 温度传感器分类方法

•
• • •
温度传感器按工作原理主要有以下几类：
热电偶，利用金属的温差电动势测温， 特点：耐高温、精度高，可测量上千度； 热电阻，利用金属导体电阻随温度变化，可测温几百度； 热敏电阻，利用半导体材料电阻随温度变化测温， 特点：体积小、灵敏度高、使用方便，稳定性差； 集成温度传感器，利用晶体管P-N结的电流、电压随温度 变化，有专用集成电路，特点：体积小、响应快、价廉， 测量150℃以下温度。 红外温度传感器。
28.288
32.455 36.524 40.488 44.349 48.095 51.697
28.709
32.866 36.925 40.879 44.729 48.462 52.049
1300
52.398
52.747
53.093
53.439
53.782
54.125
54.466
54.807
—
—
2. 热电偶结构 • • • • • 普通热电偶，测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构； 薄膜热电偶，用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄； 铠装热电偶，用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲； 表面热电偶，用于弧形表面物体测温； 消耗式热电偶，主要用于钢水温度测量。
2.850
6.939 10.969 15.132 19.363 23.624
3.266 7.338 11.381 15.552 19.788 24.050
3.681 7.737 11.793 15.974 20.214 24.476
600
700 800 900 1000 1100 1200
24.902
E A B C T , T0 E A B T E A B T0 E A B T , T0
(2) 参考电极定律（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； 热电偶在接点温度为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：
第12章 热电式传感器
主要内容：
12.2 温度传感器的分类及温标 12.2 热电偶 12.3 热电阻、热敏电阻 12.4 集成温度传感器 12.5 红外温度传感器
12. 1 温度传感器的分类及温标 温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，是 现代生活中不可缺少的信息内容，更是科学实验 与工业过程控制中检测的重要参数。