第十一章_热电传感器共59页
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11.1 概述
• 热电传感器是将温度转换为电量的元件。 1. 测量方法：
（一）接触式测温
（二）非接触式测量
2. 温标 国际实用温标 T = t wk.baidu.com 273.15 (K)
摄氏温标
t = T - 273.15 (oC)
11.2 电阻式温度传感器
电阻式温度传感器是利用导体材料的电阻随 温度变化而变化的特性来实现对温度的测量 的。
eA(T,T0) eB(T,T0)
温差电动势的大小取决于导体的材料及两端
的温度。导体A两端的温差电动势可用下式
表示：
eAT，T0
T
T0 AdT
eA（T，T0）——导体A两端温度分别为T、 T0时形成的温差电动势； T、T0——高、低温端的绝对温度； 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。
热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的 变化而显著变化的特性实现测温的。半导 体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵 敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得 很小，故动态特性好，特别适于在-100℃～ 300℃之间测温。
热敏电阻的缺点是互换性较差，另外其热 电特性是非线性的。
11.2.4 热敏电阻的结构 热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴 （Co）、锰（Mn）、镍（Ni）等的氧化物 采用不同比例配方，高温烧结而成。其形 状有珠状、片状、杆状、垫圈状等。
2. PTC热敏电阻的伏—安特性
U/V
c
Um
b
Ua
a
Ia Im I/mA
图11-10 PTC伏—安特性曲线
11.2.6 热敏电阻的应用
1. 温度测量； 2. 温度补偿； 3. 温度控制； 4. 过热保护； 5. 家用电器应用。
11.3 热 电 偶
11.3.1 热电偶的工作原理 1. 热电效应
热电势 EAB( T,T0 )
r1
Rt为热电阻, r1 、r2、 R1
r3为引线电阻, R1 、E A
M
R2为两桥臂电阻,
R2
R3
Rt r3
B
r2
R1=R2 ,R3为调整电 图11-6 三线接法
桥的精密电阻。M表内阻很大，故电流近似
为零。当UA=UB时电桥平衡。若使r1=r2 ,则 R3=Rt,就可消除引线电阻的影响。
11.2.3 热敏电阻
T0 A
热电偶
热电极
B T
T0 A
热端（工作端）
冷端（自由端）
B T
接触电势 热电势 EAB( T,T0 ) 温差电势
（1 ）接触电动势
若金属A的自由电子浓度大于金属B的， 则在同一瞬间由A扩散到B的电子将比由 B扩散到A的电子多，因而A对于B因失 去电子而带正电，B获得电子而带负电， 在接触处便产生电场。A、B之间便产生 了一定的接触电动势。
接触电动势的大小与两种金属的材料、接 点的温度有关，与导体的直径、长度及几 何形状无关。
对于温度为T的接点，有下列接触电动势公
式：
eABT
kTlnNA e NB
NA为导体A的自由 电子密度
NB为导体B的自由 电子密度
上式说明接触电动势的大小与接点温度的
高低及导体中的电子密度有关。
（2）温差电动势 对于任何一种金属，当其两端温度不同时， 两端的自由电子浓度也不同，温度高的一 端浓度大，具有较大的动能；温度低的一 端浓度小，动能也小。因此高温端的自由 电子要向低温端扩散，高温端因失去电子 而带正电，低温端得到电子而带负电，形 成温差电动势，又称汤姆森电动势。
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测 器。它的主要特点是测量精度高，性能稳 定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的， 它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成 标准的基准仪。
应用于-200~600℃范围内的温度测量
热电阻＝电阻体＋绝缘套管＋接线盒
热电阻的材料要求：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。
Ｂ － Ａ dT
由于在金属中自由电子数目很多，温度对自
由电子密度的影响很小，故温差电动势可以
忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是
104
特性可用于自动控温
102
和报警电路中。
温度（℃）
0
40 80 120 160 180
图11-8 三类热敏电阻的温度特性
1. NTC热敏电阻的伏—安特性
U/V
oa段—线性工作区 Um b ab—非线性正阻区 Ua a c
bc—非线性负阻区
o Ia Im
I/mA
图11-9 NTC热敏电阻 器的伏—安曲线
11.2.1 常用的几种热电阻 1. 铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近 似用下式表示：
在0～630.74℃范围内，金属铂的电阻值 与温度的关系为：
R t R 0[1AtB2 tC3]t
t℃时的电阻值
0℃时的电阻值
铂容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧 化性介质中很稳定。铂电阻的输出 — 输入 特性接近线性，且测量精度高，所以它能用 作工业测温元件和作为温度标准。按国际温 标IPTS-68规定，在-259.34℃~630.73℃温域 内，以铂电阻温度计作基准器。
同样导体B两端的温差电动势如下式所示：
eBT，T0
T
T0 BdT
(3) 回路总电动势
eA(T,T0) A
eAB(T-)
T
T0
eAB(T0)
B eB(T,T0)
图11-14 闭合回路总的热电势
E AB T,T 0eAB T－ eAB T 0eBT,T 0－ eAT,T 0
kT ln N AT － k0T ln N A0 TT e N BT e N B0 T T 0
2. 铜热电阻
在-50～150℃范围内，铜电阻化学、物理 性能稳定，输出 — 输入特性接近线性，价 格低廉。
铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似
表示为： Rt R0(1t)
t℃时的电阻值
0℃时的电阻值
铜电阻的缺点是电阻率低，体积大，热惯 性大，另外铜容易氧化。
11.2.2 热电阻测量线路
1. 三线式电桥连接法
玻璃壳 热敏电阻
引线
（a）珠状
（b）片状
（c）杆状 （d）垫圈状
图11-7 热敏电阻的结构类型
11.2.5 热敏电阻的主要特性
热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数
型(PTC)、负温度系数型(NTC)、和临界温
度系数型(CTR)。
电阻（Ω）
108
可见CTR临界热敏电
CTR
PTC
阻有一突变温度，此 106 NTC
• 热电传感器是将温度转换为电量的元件。 1. 测量方法：
（一）接触式测温
（二）非接触式测量
2. 温标 国际实用温标 T = t wk.baidu.com 273.15 (K)
摄氏温标
t = T - 273.15 (oC)
11.2 电阻式温度传感器
电阻式温度传感器是利用导体材料的电阻随 温度变化而变化的特性来实现对温度的测量 的。
eA(T,T0) eB(T,T0)
温差电动势的大小取决于导体的材料及两端
的温度。导体A两端的温差电动势可用下式
表示：
eAT，T0
T
T0 AdT
eA（T，T0）——导体A两端温度分别为T、 T0时形成的温差电动势； T、T0——高、低温端的绝对温度； 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。
热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度的 变化而显著变化的特性实现测温的。半导 体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵 敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得 很小，故动态特性好，特别适于在-100℃～ 300℃之间测温。
热敏电阻的缺点是互换性较差，另外其热 电特性是非线性的。
11.2.4 热敏电阻的结构 热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴 （Co）、锰（Mn）、镍（Ni）等的氧化物 采用不同比例配方，高温烧结而成。其形 状有珠状、片状、杆状、垫圈状等。
2. PTC热敏电阻的伏—安特性
U/V
c
Um
b
Ua
a
Ia Im I/mA
图11-10 PTC伏—安特性曲线
11.2.6 热敏电阻的应用
1. 温度测量； 2. 温度补偿； 3. 温度控制； 4. 过热保护； 5. 家用电器应用。
11.3 热 电 偶
11.3.1 热电偶的工作原理 1. 热电效应
热电势 EAB( T,T0 )
r1
Rt为热电阻, r1 、r2、 R1
r3为引线电阻, R1 、E A
M
R2为两桥臂电阻,
R2
R3
Rt r3
B
r2
R1=R2 ,R3为调整电 图11-6 三线接法
桥的精密电阻。M表内阻很大，故电流近似
为零。当UA=UB时电桥平衡。若使r1=r2 ,则 R3=Rt,就可消除引线电阻的影响。
11.2.3 热敏电阻
T0 A
热电偶
热电极
B T
T0 A
热端（工作端）
冷端（自由端）
B T
接触电势 热电势 EAB( T,T0 ) 温差电势
（1 ）接触电动势
若金属A的自由电子浓度大于金属B的， 则在同一瞬间由A扩散到B的电子将比由 B扩散到A的电子多，因而A对于B因失 去电子而带正电，B获得电子而带负电， 在接触处便产生电场。A、B之间便产生 了一定的接触电动势。
接触电动势的大小与两种金属的材料、接 点的温度有关，与导体的直径、长度及几 何形状无关。
对于温度为T的接点，有下列接触电动势公
式：
eABT
kTlnNA e NB
NA为导体A的自由 电子密度
NB为导体B的自由 电子密度
上式说明接触电动势的大小与接点温度的
高低及导体中的电子密度有关。
（2）温差电动势 对于任何一种金属，当其两端温度不同时， 两端的自由电子浓度也不同，温度高的一 端浓度大，具有较大的动能；温度低的一 端浓度小，动能也小。因此高温端的自由 电子要向低温端扩散，高温端因失去电子 而带正电，低温端得到电子而带负电，形 成温差电动势，又称汤姆森电动势。
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测 器。它的主要特点是测量精度高，性能稳 定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的， 它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成 标准的基准仪。
应用于-200~600℃范围内的温度测量
热电阻＝电阻体＋绝缘套管＋接线盒
热电阻的材料要求：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。
Ｂ － Ａ dT
由于在金属中自由电子数目很多，温度对自
由电子密度的影响很小，故温差电动势可以
忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是
104
特性可用于自动控温
102
和报警电路中。
温度（℃）
0
40 80 120 160 180
图11-8 三类热敏电阻的温度特性
1. NTC热敏电阻的伏—安特性
U/V
oa段—线性工作区 Um b ab—非线性正阻区 Ua a c
bc—非线性负阻区
o Ia Im
I/mA
图11-9 NTC热敏电阻 器的伏—安曲线
11.2.1 常用的几种热电阻 1. 铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近 似用下式表示：
在0～630.74℃范围内，金属铂的电阻值 与温度的关系为：
R t R 0[1AtB2 tC3]t
t℃时的电阻值
0℃时的电阻值
铂容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧 化性介质中很稳定。铂电阻的输出 — 输入 特性接近线性，且测量精度高，所以它能用 作工业测温元件和作为温度标准。按国际温 标IPTS-68规定，在-259.34℃~630.73℃温域 内，以铂电阻温度计作基准器。
同样导体B两端的温差电动势如下式所示：
eBT，T0
T
T0 BdT
(3) 回路总电动势
eA(T,T0) A
eAB(T-)
T
T0
eAB(T0)
B eB(T,T0)
图11-14 闭合回路总的热电势
E AB T,T 0eAB T－ eAB T 0eBT,T 0－ eAT,T 0
kT ln N AT － k0T ln N A0 TT e N BT e N B0 T T 0
2. 铜热电阻
在-50～150℃范围内，铜电阻化学、物理 性能稳定，输出 — 输入特性接近线性，价 格低廉。
铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似
表示为： Rt R0(1t)
t℃时的电阻值
0℃时的电阻值
铜电阻的缺点是电阻率低，体积大，热惯 性大，另外铜容易氧化。
11.2.2 热电阻测量线路
1. 三线式电桥连接法
玻璃壳 热敏电阻
引线
（a）珠状
（b）片状
（c）杆状 （d）垫圈状
图11-7 热敏电阻的结构类型
11.2.5 热敏电阻的主要特性
热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数
型(PTC)、负温度系数型(NTC)、和临界温
度系数型(CTR)。
电阻（Ω）
108
可见CTR临界热敏电
CTR
PTC
阻有一突变温度，此 106 NTC