第七章 熱電式傳感器

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1、第第7章章 熱電式傳感器熱電式傳感器溫度溫度 電信號（電阻、電壓、電流等）電信號（電阻、電壓、電流等）熱電阻熱電阻 熱電式傳感器熱電式傳感器 PN結(jié)型熱電式傳感器結(jié)型熱電式傳感器 熱電偶熱電偶7.1 熱電阻熱電阻溫度溫度t 電阻電阻Rtn熱電阻：熱電阻：金屬熱電阻（鉑熱阻、銅熱阻等）金屬熱電阻（鉑熱阻、銅熱阻等）半導體熱敏電阻（半導體熱敏電阻（PTC、NTC、CTR）7.1.1.1 原理、結(jié)構(gòu)和材料原理、結(jié)構(gòu)和材料n原理：電阻原理：電阻-溫度效應溫度效應大多數(shù)金屬導體的電阻都大多數(shù)金屬導體的電阻都隨溫度而變化。電阻隨溫度而變化。電阻-溫度特性方程：溫度特性方程：Rt=R0(1+t+t2+)（7

2、-1）n熱電阻熱電阻感溫元件感溫元件純金屬材料，其純金屬材料，其性能要求性能要求：大則靈敏度高；大則靈敏度高；理化性能穩(wěn)定；理化性能穩(wěn)定；恒定，以保證線性關(guān)系；恒定，以保證線性關(guān)系；大，體積尺寸?。淮?，體積尺寸?。粡同F(xiàn)性好。復現(xiàn)性好。1.7.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻7.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻1鉑熱電阻（鉑熱電阻（WZP）結(jié)構(gòu)材料：結(jié)構(gòu)材料：0.020.07mm Pt絲繞在云母等絕緣骨架上絲繞在云母等絕緣骨架上（無感繞制），裝入保護套管，接出引線；或箔式結(jié)構(gòu)；?。o感繞制），裝入保護套管，接出引線；或箔式結(jié)構(gòu)；薄膜式結(jié)構(gòu)。膜式結(jié)構(gòu)。0.098110 6 m；圖圖7-1 鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)鉑

3、熱電阻的結(jié)構(gòu)7.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻 測溫范圍和應用測溫范圍和應用：259.34630.74；溫度基準、標準用。溫度基準、標準用。百度電阻比：百度電阻比：W(100)純度；純度；W(100)R100/R0 基準鉑熱電阻：基準鉑熱電阻：W(100)1.39256，純度純度99.9995；精度：精度：0.001 0.0001 工業(yè)用標準熱電阻：工業(yè)用標準熱電阻：W(100)1.391，精度：精度：2000，1；0100，0.5；100650，(0.5)t7.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻 電阻電阻溫度關(guān)系：溫度關(guān)系：Rt=R0(1+At+Bt2)0t650 Rt=R0(1+At+Bt2+C(

4、t 100)t3)200t0其中其中A、B、C與與W(100)有關(guān)，見附表有關(guān)，見附表7-1。在測溫范圍不大時，在測溫范圍不大時，基本線性?；揪€性。分度號：分度號：Pt100，（R0=100）；）；Pt50，（R0=50）；）；Pt1000，（，（R0=1000）；）；等。等。分度表：分度表：見附表見附表7-1。7.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻2.銅熱電阻（銅熱電阻（WZC）結(jié)構(gòu)材料：結(jié)構(gòu)材料：Cu絲繞制，絲繞制，(4.254.28)10-3/0.01710-6 m；測溫范圍和應用：測溫范圍和應用：50100，工業(yè)用溫度計；，工業(yè)用溫度計；百度電阻比：百度電阻比：W(100)1.425，精度

5、：精度：5050，0.5，50100，(1)t 電阻溫度特性：電阻溫度特性：Rt=R0(1+t)，在測溫范圍內(nèi)，在測溫范圍內(nèi)線性線性。分度號：分度號：Cu100，Cu50，等。，等。分度表：分度表：見附表見附表7-2 另外，鐵、鎳材料也可制作熱電阻溫度計。另外，鐵、鎳材料也可制作熱電阻溫度計。7.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻 7.1.1.2 熱電阻測量線路熱電阻測量線路 直流電橋直流電橋線路，主要考慮其引線電阻和接觸電阻影響，線路，主要考慮其引線電阻和接觸電阻影響，常采用三線接法和四線接法。如圖常采用三線接法和四線接法。如圖7-2、圖、圖7-3所示。所示。其次考慮工作電流的熱效應影響，工作電流

6、其次考慮工作電流的熱效應影響，工作電流10mA。圖圖72 熱電阻測溫電橋的三線連接熱電阻測溫電橋的三線連接法法7.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻 圖圖7-3 熱電阻測溫電橋的四線連接法熱電阻測溫電橋的四線連接法7.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻 7.1.1.3 熱電阻的應用熱電阻的應用 1鉑熱電阻測溫鉑熱電阻測溫 恒壓工作的鉑熱電阻測溫電路如圖恒壓工作的鉑熱電阻測溫電路如圖7-4（a）所示。）所示。熱電阻選用熱電阻選用TRRA1023B(Pt1000)，R01000 ；傳感器工作電壓傳感器工作電壓UB10Ve1。測溫電橋輸出：測溫電橋輸出：可得可得10mV/的電壓靈敏度。的電壓靈敏度。；7.1.1

7、 金屬熱電阻金屬熱電阻 圖圖74 恒壓工作鉑恒壓工作鉑熱電阻測溫電路熱電阻測溫電路（a）測溫電路；）測溫電路；（b）直流）直流/交流變換器電路交流變換器電路7.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻 恒流工作的鉑熱電阻測溫電路如圖恒流工作的鉑熱電阻測溫電路如圖7-5所示。傳感器的工作所示。傳感器的工作電流約為電流約為1mA，此時傳感器的靈敏度約為，此時傳感器的靈敏度約為3mV/，一般運放，一般運放都可選用。都可選用。圖圖7-5 恒流工作鉑恒流工作鉑熱電阻測溫熱電阻測溫電路電路7.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻 2熱電阻數(shù)字溫度計熱電阻數(shù)字溫度計熱電阻數(shù)字溫度計測溫電路如圖熱電阻數(shù)字溫度計測溫電路如圖7-7

8、所示。測溫電橋輸出信所示。測溫電橋輸出信號經(jīng)號經(jīng)MAX138A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字顯示。轉(zhuǎn)換，數(shù)字顯示。圖圖7-7 熱電阻數(shù)字溫度計電路熱電阻數(shù)字溫度計電路 MAX138A/D轉(zhuǎn)換器與轉(zhuǎn)換器與ICL7106比較，增加了如下功比較，增加了如下功能：能：片內(nèi)設置有負電源轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)設置有負電源轉(zhuǎn)換器，因此可以單電源供電；因此可以單電源供電；工作電源電壓范圍寬工作電源電壓范圍寬（2.57V）；）；片內(nèi)設置有振蕩電路。片內(nèi)設置有振蕩電路。7.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻n差動輸出傳感器信號適宜與差動輸出傳感器信號適宜與MAX138等等A/D轉(zhuǎn)換連接，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換連接，實現(xiàn)數(shù)字測量。數(shù)字測量。MAX138、ICL

9、7106、ICL7107等等A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是三位半，與二進制換精度是三位半，與二進制10位位A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度相當。度相當。線性化測溫電路如圖線性化測溫電路如圖7-10所示。所示。圖圖7-10 線性化測溫電路線性化測溫電路7.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻 3A/D轉(zhuǎn)換器比例工作的熱電阻溫度測量電路轉(zhuǎn)換器比例工作的熱電阻溫度測量電路 測溫電路如圖測溫電路如圖7-11、圖、圖7-12所示。所示。圖圖7-11 A/D轉(zhuǎn)換比例工作電路轉(zhuǎn)換比例工作電路圖圖7-12 鉑電阻鉑電阻A/D轉(zhuǎn)換測溫電路轉(zhuǎn)換測溫電路 7.1.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻熱敏電阻的類型：熱敏

10、電阻的類型：PTC，溫度控制，限流元件；，溫度控制，限流元件；NTC，溫度測量，補償元件；，溫度測量，補償元件；CTR，溫度開關(guān)元件。，溫度開關(guān)元件。熱敏電阻溫度曲線如圖熱敏電阻溫度曲線如圖7-13所示。所示。圖圖7-13 熱敏電阻特性曲線熱敏電阻特性曲線7.1.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻7.1.2.1 熱敏電阻主要特性熱敏電阻主要特性(NTC熱敏電阻熱敏電阻)1電阻溫度特性電阻溫度特性 T020(293K)R0=R20(額定電阻額定電阻)；T1T100 R1R100；(20006000)K B熱敏電阻常數(shù)。熱敏電阻常數(shù)。熱敏電阻溫度系數(shù)：熱敏電阻溫度系數(shù)：若若B4000K，T323K(

11、50)，則，則 3.8/，大！，大！圖圖7-14 NTC熱敏電阻溫度特性熱敏電阻溫度特性若：若：7.1.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻2.伏伏-安特性安特性 在穩(wěn)態(tài)下，通過熱敏電阻的電流在穩(wěn)態(tài)下，通過熱敏電阻的電流I與其兩端之間的電壓與其兩端之間的電壓U的的關(guān)系，稱為熱敏電阻的關(guān)系，稱為熱敏電阻的伏伏-安特性安特性。如圖。如圖7-15所示。所示。當電流很小時，不足以使熱敏電阻產(chǎn)生溫升，則其電阻當電流很小時，不足以使熱敏電阻產(chǎn)生溫升，則其電阻值只決定于環(huán)境溫度，伏值只決定于環(huán)境溫度，伏-安特性安特性呈呈線性線性，遵循歐姆定律，主要用，遵循歐姆定律，主要用于測溫。于測溫。當電流增大到一定值時，當

12、電流增大到一定值時，使熱敏電阻產(chǎn)生溫升，會出使熱敏電阻產(chǎn)生溫升，會出現(xiàn)現(xiàn)負阻特性負阻特性。圖圖7-15 熱敏電阻伏安特性熱敏電阻伏安特性 7.1.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻3安安-時特性時特性 熱敏電阻的熱敏電阻的電流電流-時間時間曲線如圖曲線如圖7-16所示，表示熱敏電阻所示，表示熱敏電阻在不同的外加電壓下，電流達到穩(wěn)定最大值所需要時間。在不同的外加電壓下，電流達到穩(wěn)定最大值所需要時間。這是一熱平衡過程，一般為這是一熱平衡過程，一般為0.51s。圖圖7-16 熱敏電阻安熱敏電阻安-時特性時特性7.1.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻7.1.2.2 熱敏電阻的主要技術(shù)參數(shù)熱敏電阻的主要技

13、術(shù)參數(shù) 1標稱電阻值標稱電阻值RH，(250.2)時的電阻值，又稱冷電阻。時的電阻值，又稱冷電阻。2電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)，溫度變化，溫度變化1時，熱敏電阻阻值的變化時，熱敏電阻阻值的變化率（率（/）。）。3耗散系數(shù)耗散系數(shù)H，熱敏電阻溫度與周圍介質(zhì)溫度相差熱敏電阻溫度與周圍介質(zhì)溫度相差1時所時所耗散的功率耗散的功率(W/)。4熱容熱容c，熱敏電阻溫度變化熱敏電阻溫度變化1時所需吸收或釋放的熱量時所需吸收或釋放的熱量（J/）。）。5能量靈敏度能量靈敏度G(H/)100，使熱敏電阻的阻值變化，使熱敏電阻的阻值變化1%時所需耗散的功率時所需耗散的功率(W)。6時間常數(shù)時間常數(shù) cH，溫度為，溫度

14、為T0的熱敏電阻突然置于溫度為的熱敏電阻突然置于溫度為T的介質(zhì)中，熱敏電阻的溫度增量的介質(zhì)中，熱敏電阻的溫度增量 T=0.632(T T0)時所需的時間時所需的時間(s)。7.1.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻7.1.2.3 熱敏電阻的應用熱敏電阻的應用 熱敏電阻的熱敏電阻的優(yōu)點：優(yōu)點：溫度系數(shù)大，靈敏度高；熱容量小，溫度系數(shù)大，靈敏度高；熱容量小，響應快，分辨率高；價格便宜等。響應快，分辨率高；價格便宜等。缺點：缺點：互換性差，熱電互換性差，熱電特性非線性大等。主要用于溫度的測量、控制，溫度補特性非線性大等。主要用于溫度的測量、控制，溫度補償，流速（或流量）測量等。償，流速（或流量）測量等

15、。1.流量測量流量測量 基于流體基于流體流速流速（流量）與（流量）與散熱散熱關(guān)系，利用熱敏電阻橋式電路測關(guān)系，利用熱敏電阻橋式電路測流體流速（或流量），如圖流體流速（或流量），如圖7-17所示。所示。圖圖7-17 熱敏電阻流量計熱敏電阻流量計7.1.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻2.溫度控制溫度控制 利用熱敏電阻的溫度控制電路如圖利用熱敏電阻的溫度控制電路如圖7-18所示所示。圖圖7-18 溫度控制電路溫度控制電路7.1.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻3溫度上、下限報警溫度上、下限報警 熱敏電阻溫度上、下限報警電路如圖熱敏電阻溫度上、下限報警電路如圖7-19所示。所示。圖圖7-19 溫度上

16、下限報警電路溫度上下限報警電路7.1.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻4溫度測量溫度測量 圖圖7-20是利用是利用NTC熱敏電阻組成的熱敏電阻組成的0100的測溫電的測溫電路，相應的輸出電壓為路，相應的輸出電壓為05V，其靈敏度為，其靈敏度為50mV/。圖圖7-20 溫度測量電路溫度測量電路5熱電偶溫度冷端補償熱電偶溫度冷端補償 后面介紹。后面介紹。7.2 pn結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器7.2.1 二極管溫度傳感器二極管溫度傳感器(恒流正向應用恒流正向應用)PN結(jié)伏安特性：結(jié)伏安特性：則則式中，式中，IPN結(jié)正向電流；結(jié)正向電流；UPN結(jié)正向壓降；結(jié)正向壓降；IsPN結(jié)結(jié)反向飽和電流；反向飽

17、和電流；q電子電量（電子電量（1.6 10 19C）；）；T絕對溫度；絕對溫度；k玻爾茲曼常數(shù)（玻爾茲曼常數(shù)（1.38 10-23J/K）。）。保持保持I恒定，則恒定，則U與與T成線性關(guān)系，這就是成線性關(guān)系，這就是PN結(jié)的測溫原結(jié)的測溫原理，其靈敏度理，其靈敏度7.2 pn結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器7.2.2 晶體管溫度傳感器晶體管溫度傳感器 將將NPN型晶體管的型晶體管的bc結(jié)短接，利用結(jié)短接，利用be結(jié)作為感溫器件，結(jié)作為感溫器件，接近接近PN結(jié)理想特性，如圖結(jié)理想特性，如圖7-21所示所示測溫原理測溫原理。圖圖7-21 晶體管溫度傳感器晶體管溫度傳感器 7.2 pn結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫

18、度傳感器7.2.3 集成溫度傳感器集成溫度傳感器 一只晶體管發(fā)射極電流密度一只晶體管發(fā)射極電流密度Je通常通常a 1，JeJs，則，則若圖若圖7-22中，中，Js1Js2,a1a2，則圖中，則圖中 只要只要Je1，Je2（I1，I2）均為恒流，則）均為恒流，則 Ube與與T成線性關(guān)成線性關(guān)系系測溫原理測溫原理。圖圖7-22 集成溫度感溫點電路集成溫度感溫點電路 7.2 pn結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器集成溫度傳感器主要類型：集成溫度傳感器主要類型：電壓型，三線制，電壓型，三線制，ku10mV/，LM34/35，LM135/235，；電流型，兩線制，電流型，兩線制，kI1 A/K，AD590/5

19、92，LM134/234，；數(shù)字輸出型，數(shù)字輸出型，TMP03/04，AD7416,；電阻可編程溫度控制器，電阻可編程溫度控制器，AD22105，TMP01，；等。等。7.2 pn結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器AD590電流型集成溫度傳感器電流型集成溫度傳感器（圖（圖7-23）測溫原理：測溫原理：晶體管對晶體管對T3 T4使使IT分為分為I1=I2，起恒流作用；，起恒流作用；T1,T2起感起感溫溫作用；作用；T1由由8只與只與T2相同的晶體相同的晶體管并聯(lián)而成，因此，管并聯(lián)而成，因此，T2中的電流中的電流密度密度J2為為T1中的電流密度中的電流密度J1的的8倍，即倍，即 J28J1 圖圖7-23

20、 輸出電流正比于絕對溫度的輸出電流正比于絕對溫度的AD590溫度敏感電路溫度敏感電路7.2 pn結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器 Ube1和和Ube2反極性串接施加在電阻反極性串接施加在電阻R上，則上，則R上電壓為：上電壓為：通過通過R的電流的電流 ，IT 2I1，若取，若取R358，則則 kTIT/T2179/3581(A/K)所以所以 ITkTT 7.2 pn結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器AD590的特性：的特性：1）伏安特性）伏安特性 當當U=430V時，理想恒流源，電流只隨溫度時，理想恒流源，電流只隨溫度T變化；變化；2）溫度特性）溫度特性 55150，IT與與T有較好的線性，輸出電流靈敏度

21、有較好的線性，輸出電流靈敏度kI1 A/K；非線性誤差為；非線性誤差為 T(0.33)；3）精度：）精度：可達可達 0.5圖圖7-24 AD590基本特性曲線基本特性曲線7.2 pn結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器7.2.4 集成溫度傳感器的典型應用集成溫度傳感器的典型應用 1測量溫度測量溫度 AD590遠程溫度測量遠程溫度測量 如圖如圖7-25所示。所示。圖圖7-25 AD590攝氏溫度測量電路攝氏溫度測量電路7.2 pn結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器 數(shù)字溫度計數(shù)字溫度計 如圖如圖7-26所示。所示。圖圖7-26 XSW-1型數(shù)字溫度計型數(shù)字溫度計7.2 pn結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器 2.測

22、量溫差測量溫差 如圖如圖7-27所示。所示。I=IT1 IT2kT(T1 T2)；U0IR3kTR3(T1 T2)f(T1 T2)圖圖7-27 AD590溫差測量電路溫差測量電路7.2 pn結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器3測最低溫度測最低溫度 AD590串連，如圖串連，如圖7-28所示；所示；4測平均溫度測平均溫度 AD590并連，如圖并連，如圖7-28所示。所示。圖圖728 AD590測最低溫度、平均溫度測最低溫度、平均溫度7.2 pn結(jié)型溫度傳感器結(jié)型溫度傳感器5.溫度控制溫度控制 AD590作為溫度控制的感溫元件，如圖作為溫度控制的感溫元件，如圖7-29所示所示圖圖7-29 AD590溫度

23、控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)7.3 熱電偶熱電偶7.3.1 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理 熱電效應：熱電效應：將兩種不同的導體（金屬或合金）將兩種不同的導體（金屬或合金）A和和B組成組成一個閉合回路（稱為熱電偶，見圖一個閉合回路（稱為熱電偶，見圖7-30），若兩接觸點溫度），若兩接觸點溫度(T,T0)不同，則回路中有一定大小電流，表明回路中有電勢不同，則回路中有一定大小電流，表明回路中有電勢產(chǎn)生，該現(xiàn)象稱為產(chǎn)生，該現(xiàn)象稱為熱電動勢效應熱電動勢效應或塞貝克或塞貝克(Seebeck)效應?；匦??；芈分械碾妱莘Q為路中的電勢稱為熱電勢熱電勢或塞貝克電勢，用或塞貝克電勢，用EAB(T,T0)或或EAB(t

24、,t0)表示。表示。EAB(T,T0)=EAB(t,t0)熱電效應熱電效應 熱電勢熱電勢EAB(T,T0)或或EAB(t,t0)圖圖7-30 熱電效應熱電效應熱電偶：熱電偶：熱電極（導體熱電極（導體A、B）；）；測量端（熱端或工作端）測量端（熱端或工作端）T(t)；參考端（冷端或自由端）參考端（冷端或自由端）T0(t0)。7.3.1 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理1Peltier效應效應接觸電勢接觸電勢 自由電子自由電子密度不同密度不同的兩種金屬接觸處，由于電子的的兩種金屬接觸處，由于電子的擴散擴散現(xiàn)象在接觸點處形成接觸電勢或現(xiàn)象在接觸點處形成接觸電勢或Peltier電勢，此現(xiàn)象稱為電勢，此

25、現(xiàn)象稱為Peltier效應。接觸電勢為效應。接觸電勢為總接觸電勢：總接觸電勢：圖圖7-31 熱電效應示意圖熱電效應示意圖7.3.1 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理2Thomson效應效應溫差電勢溫差電勢 均質(zhì)導體，兩端均質(zhì)導體，兩端溫度不相等溫度不相等時，由于體內(nèi)自由電子從高時，由于體內(nèi)自由電子從高溫端向低溫端的溫端向低溫端的擴散擴散，在其兩端形成的電勢稱為溫差電勢，在其兩端形成的電勢稱為溫差電勢或或Thomson電勢，此現(xiàn)象稱為電勢，此現(xiàn)象稱為Thomson效應。效應。導體導體A中的中的Thomson電勢：電勢：導體導體B中的中的Thomson電勢：電勢：回路中總的回路中總的Thomson

26、電勢：電勢：式中，式中，A、B分別為導體分別為導體A、B中的中的Thomson系數(shù)。系數(shù)。7.3.1 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理n綜合考慮綜合考慮A、B組成的熱電偶回路，當組成的熱電偶回路，當TT0時，總的熱電勢為時，總的熱電勢為 討論：討論：如果熱電偶兩電極材料相同如果熱電偶兩電極材料相同(nAnB，A=B),兩接點溫度不同，不會兩接點溫度不同，不會產(chǎn)產(chǎn)生熱生熱電勢；電勢；如果兩電極材料不同，但兩接點溫度相同如果兩電極材料不同，但兩接點溫度相同(T=T0)，也不會產(chǎn)生熱電勢；，也不會產(chǎn)生熱電勢；熱偶工作產(chǎn)生熱電勢的基本條件：兩電極材料不同，兩接點溫度不同。熱偶工作產(chǎn)生熱電勢的基本條件：

27、兩電極材料不同，兩接點溫度不同。熱電勢大小與熱電極的幾何形狀和尺寸無關(guān)。熱電勢大小與熱電極的幾何形狀和尺寸無關(guān)。當兩熱電極材料不同，且當兩熱電極材料不同，且A、B固定（即固定（即nA、nB、A、B為常數(shù)），為常數(shù)），熱電勢便為兩接點溫度（熱電勢便為兩接點溫度（T，T0）的函數(shù)）的函數(shù) （T0恒定）恒定）這就是熱電偶的這就是熱電偶的測溫原理測溫原理。熱電勢的極性：熱端失去電子為正，獲得電子為負，且有熱電勢的極性：熱端失去電子為正，獲得電子為負，且有7.3.2 熱電偶的基本定律熱電偶的基本定律 1.均質(zhì)導體定律均質(zhì)導體定律 要求熱電極材質(zhì)均勻，克服因熱電極上各點溫度不同時造要求熱電極材質(zhì)均勻，克服

28、因熱電極上各點溫度不同時造成附加誤差。成附加誤差。2.中間導體定律中間導體定律 熱偶回路斷開接入第三種導體熱偶回路斷開接入第三種導體C，若，若C兩端溫度相同，則兩端溫度相同，則回路熱電勢不變，這為熱電勢的測量（接入測量儀表，第回路熱電勢不變，這為熱電勢的測量（接入測量儀表，第三導體）奠定理論基礎，見圖三導體）奠定理論基礎，見圖7-32。圖圖7-32 熱電偶測溫熱電偶測溫電路原理圖電路原理圖7.3.2 熱電偶的基本定律熱電偶的基本定律3.中間溫度定律中間溫度定律若若T00，4.標準（參考）電極定律標準（參考）電極定律 標準電極定律原理如圖標準電極定律原理如圖7-33所示。所示。以以C作為標準電極

29、作為標準電極(一般一般C為鉑為鉑)，構(gòu)建熱偶，構(gòu)建熱偶A、B。圖圖7-33 標準電極定律示意圖標準電極定律示意圖例例：則則7.3.3 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)7.3.3.1 熱電極材料和類型熱電極材料和類型 1熱電極材料的基本要求熱電極材料的基本要求 熱電極是感溫元件，物理性質(zhì)見表熱電極是感溫元件，物理性質(zhì)見表7-1，基本要求：，基本要求：熱電勢足夠大，測溫范圍寬、線性好；熱電勢足夠大，測溫范圍寬、線性好；熱電特性穩(wěn)定；熱電特性穩(wěn)定；理化性能穩(wěn)定，不易氧化、變形和腐蝕；理化性能穩(wěn)定，不易氧化、變形和腐蝕；電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù) 、電阻率、電阻率 ?。恍?；易加工、復制性好；易加工、

30、復制性好；價廉價廉 2 熱電偶類型熱電偶類型 標準化熱電偶及其參數(shù)表標準化熱電偶及其參數(shù)表7-2，分度表及計算公式：見附表分度表及計算公式：見附表3附表附表67.3.3 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)7.3.3.2 熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶的結(jié)構(gòu) 熱電偶接點焊接要求和焊接方法（不引入第三種材料，熱電偶接點焊接要求和焊接方法（不引入第三種材料，接點大小適當）；電極之間絕緣。見圖接點大小適當）；電極之間絕緣。見圖7-34。圖圖7-34 熱電偶電極的絕緣方法熱電偶電極的絕緣方法（a）裸線熱電偶；（）裸線熱電偶；（b）珠形絕緣熱電偶；）珠形絕緣熱電偶；（c）雙孔絕緣子熱電偶；（）雙孔絕緣子熱電偶；（d

31、）石棉絕緣管熱電偶）石棉絕緣管熱電偶7.3.3 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的種類和結(jié)構(gòu) 1.普通型熱電偶普通型熱電偶普通型熱電偶結(jié)構(gòu)見圖普通型熱電偶結(jié)構(gòu)見圖7-35。圖圖7-35 普通型熱電偶結(jié)構(gòu)普通型熱電偶結(jié)構(gòu)7.3.3 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)2鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶 鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)見圖鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)見圖7-36。圖圖7-36 鎧裝熱電偶工作端結(jié)構(gòu)鎧裝熱電偶工作端結(jié)構(gòu)（a）單芯結(jié)構(gòu)；（）單芯結(jié)構(gòu)；（b）雙芯碰底型；（）雙芯碰底型；（c）雙芯不碰底型；）雙芯不碰底型；（d）雙芯露頭型；（）雙芯露頭型；（e）雙芯帽型）雙芯帽型7.3.3 熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)3薄膜熱電偶

32、薄膜熱電偶 薄膜熱電偶電極為厚度薄膜熱電偶電極為厚度0.010.1 m薄膜構(gòu)成，見圖薄膜構(gòu)成，見圖7-37圖圖7-37 鐵鐵-鎳薄膜熱電偶鎳薄膜熱電偶7.3.4 熱電偶的冷端補償及處理熱電偶的冷端補償及處理n熱偶標準分度表是以熱偶標準分度表是以T00為參考溫度條件下測試制定為參考溫度條件下測試制定的，若的，若T00，則應進行，則應進行冷端補償冷端補償，其補償方法：，其補償方法：1.延長導線法延長導線法 利用補償導線代替熱電極，引到溫度較穩(wěn)定的利用補償導線代替熱電極，引到溫度較穩(wěn)定的T0端測端測試。試。要求：在一定的溫度范圍內(nèi)，補償導線與配對的熱電偶要求：在一定的溫度范圍內(nèi)，補償導線與配對的熱電

33、偶具有相同或相近的熱電特性。具有相同或相近的熱電特性。2.0恒溫法恒溫法 將熱電偶冷端將熱電偶冷端置于冰水混合物的置于冰水混合物的0恒溫器內(nèi)，使其工作恒溫器內(nèi)，使其工作與分度狀態(tài)達到一致。與分度狀態(tài)達到一致。7.3.4 熱電偶的冷端補償及處理熱電偶的冷端補償及處理n圖圖7-38是延長導線法和是延長導線法和0恒溫法的一個實例恒溫法的一個實例。圖圖7-38 冷端處理的延長導線法和冷端處理的延長導線法和0恒溫恒溫法法7.3.4 熱電偶的冷端補償及處理熱電偶的冷端補償及處理3.冷端溫度修正法冷端溫度修正法（1）熱電勢修正法）熱電勢修正法 利用中間溫度定律利用中間溫度定律式中，式中，Tn 熱電偶測溫時的

34、是環(huán)境溫度；熱電偶測溫時的是環(huán)境溫度；EAB(T，Tn）是實測熱）是實測熱電勢；電勢；EAB(Tn，0)是冷端修正值。是冷端修正值。例如：鉑銠例如：鉑銠10鉑熱電偶測溫，參考冷端溫度為室鉑熱電偶測溫，參考冷端溫度為室21，測，測得得查表查表，則則由此查分度表由此查分度表 T92 若直接用若直接用0.465mV查表，則查表，則T75。也不能將也不能將752196作為實際溫度。作為實際溫度。7.3.4 熱電偶的冷端補償及處理熱電偶的冷端補償及處理（2）溫度修正法）溫度修正法 由實測熱電勢由實測熱電勢EAB（T，Tn）查表，得）查表，得T 真實溫度為：真實溫度為：TT kTn式中，式中，k為熱電偶修

35、正系數(shù)，決定于熱電偶于熱電偶種類和為熱電偶修正系數(shù)，決定于熱電偶于熱電偶種類和被測溫度范圍，見表被測溫度范圍，見表7-4。例如前例：例如前例：實測實測EAB(T，Tn)=0.465mV，查分度表查分度表T=75；查修正系數(shù)表查修正系數(shù)表7-4，此時該熱電偶的，此時該熱電偶的k=0.82，Tn=21，則實，則實際溫度際溫度T=75+0.8221=92.2與前面結(jié)果基本一致。這種修正方法工程上應用較與前面結(jié)果基本一致。這種修正方法工程上應用較廣泛。廣泛。7.3.4 熱電偶的冷端補償及處理熱電偶的冷端補償及處理4、冷端溫度自動補償法、冷端溫度自動補償法（1）電橋補償法）電橋補償法 原理：原理：電橋輸

36、出電壓電橋輸出電壓U(t0,0)=EAB(t0,0)，自動補償。，自動補償。補償電路：補償電路：如圖如圖7-39所示。圖中所示。圖中R1、R2、R3、RW為錳銅電阻，阻值為錳銅電阻，阻值幾乎不隨溫度變化，幾乎不隨溫度變化，RCu為銅電阻，電阻值隨溫度升高而增大。為銅電阻，電阻值隨溫度升高而增大。t0=0時，時，R1=R2=R3=RCu，電橋輸出，電橋輸出Uab=0，對熱電偶電勢無影響。，對熱電偶電勢無影響。t00時，時，Uab0，Uab=U(t0,0)=EAB(t0,0)，熱電偶的熱電勢得到自動，熱電偶的熱電勢得到自動補償。補償。圖圖7-39 冷端溫度補償線路圖冷端溫度補償線路圖7.3.4 熱

37、電偶的冷端補償及處理熱電偶的冷端補償及處理（2）PN結(jié)冷端補償結(jié)冷端補償 PN結(jié)冷端補償電路如圖結(jié)冷端補償電路如圖7-40所示。所示。PN結(jié)溫度系數(shù)結(jié)溫度系數(shù) 2.2mV/，其補償電壓，其補償電壓 U。設設EAB(T0,0)=k1T0，k1 為熱電偶在為熱電偶在0附近附近靈敏度，則回路電勢為：靈敏度，則回路電勢為：EAB(T,0)EAB(T0,0)U=EAB(T,0)k1T0 UD/n 而而 UD=U0 2.2T0 式中，式中，UD二極管二極管D的的PN結(jié)端電壓；結(jié)端電壓；U0PN結(jié)結(jié)在在0時的端電壓，時的端電壓，(硅管約為硅管約為700mV)；n電電位器位器RW的分壓比。的分壓比。令令 k1

38、=2.2/n，則，則 EAB(T,0)UD/n=EAB(T,0)700/n與冷端溫度變化無關(guān)，得到自動補償。與冷端溫度變化無關(guān)，得到自動補償。圖圖7-40 PN結(jié)冷端溫度補償器結(jié)冷端溫度補償器 7.3.4 熱電偶的冷端補償及處理熱電偶的冷端補償及處理（3）AD590冷端溫度補償法冷端溫度補償法 AD590冷端溫度補償電路如圖冷端溫度補償電路如圖7-41所示。所示。圖圖7-41 AD590冷端補償應用冷端補償應用7.3.5 熱電偶熱電勢測量及其誤差分析熱電偶熱電勢測量及其誤差分析7.3.5.1 熱電偶的熱電勢測量熱電偶的熱電勢測量 1伺服式溫度表伺服式溫度表 測量原理：測量原理：電位補償法電位補

39、償法 Ex=I RH 常用低電勢電位差計，如常用低電勢電位差計，如UJ31進行測量，分辨率可達到進行測量，分辨率可達到 V數(shù)量級。數(shù)量級。圖圖7-42 電位差計原理圖電位差計原理圖7.3.5 熱電偶熱電勢測量及其誤差分析熱電偶熱電勢測量及其誤差分析2數(shù)字式溫度表數(shù)字式溫度表 熱電偶的熱電勢熱電偶的熱電勢 信號放大（儀用放大器）信號放大（儀用放大器）A/D 數(shù)字顯示。數(shù)字顯示。注意：注意：對熱電偶的熱電勢的線性校正和冷端補償，可采對熱電偶的熱電勢的線性校正和冷端補償，可采用硬件或軟件來實現(xiàn)。用硬件或軟件來實現(xiàn)。7.3.5 熱電偶熱電勢測量及其誤差分析熱電偶熱電勢測量及其誤差分析7.3.5.2 誤

40、差分析誤差分析 1測量基本誤差：測量基本誤差：（1）分度誤差：工業(yè)用熱偶與標準熱偶分度之間誤差；）分度誤差：工業(yè)用熱偶與標準熱偶分度之間誤差；（2）儀表誤差：測量儀表引入測量誤差；）儀表誤差：測量儀表引入測量誤差；（3）冷端處理誤差；）冷端處理誤差；（4）接線誤差：接線電阻影響，應選高內(nèi)阻測量儀表；）接線誤差：接線電阻影響，應選高內(nèi)阻測量儀表；（5）漏電誤差，必須保證良好絕緣。）漏電誤差，必須保證良好絕緣。2傳熱誤差傳熱誤差 熱偶測溫存在熱交換平衡問題，存在熱電偶測量端溫度熱偶測溫存在熱交換平衡問題，存在熱電偶測量端溫度低于被測介質(zhì)溫度現(xiàn)象，稱為傳熱誤差，應盡量減少熱偶低于被測介質(zhì)溫度現(xiàn)象，稱

41、為傳熱誤差，應盡量減少熱偶的熱量損失。的熱量損失。7.3.5 熱電偶熱電勢測量及其誤差分析熱電偶熱電勢測量及其誤差分析3動態(tài)誤差動態(tài)誤差 （1）動態(tài)響應：）動態(tài)響應：牛頓冷卻定律：向感溫元件傳熱的速度正比于周圍介質(zhì)與元牛頓冷卻定律：向感溫元件傳熱的速度正比于周圍介質(zhì)與元件間的溫差。令件間的溫差。令 ，得，得式中，式中，T介質(zhì)真實溫度；介質(zhì)真實溫度；Tj熱接點溫度熱接點溫度 這是一個一階系統(tǒng)，其動態(tài)特性第這是一個一階系統(tǒng)，其動態(tài)特性第1章中已講述。章中已講述。7.3.5 熱電偶熱電勢測量及其誤差分析熱電偶熱電勢測量及其誤差分析 測量恒定溫度測量恒定溫度 將熱電偶從室溫將熱電偶從室溫T0迅速插入溫

42、度為迅速插入溫度為T的溫度場中，其響應的溫度場中，其響應Tj為為 式中，式中，t時間；時間；熱電偶時間常數(shù)。熱電偶時間常數(shù)。若當若當t=0時，時，T0=0,則則 上式第一項為輸入量，即被測溫度；第二項為動態(tài)誤上式第一項為輸入量，即被測溫度；第二項為動態(tài)誤差。差。愈大，測量值達到實際溫度值的時間愈長，動態(tài)誤差愈大，測量值達到實際溫度值的時間愈長，動態(tài)誤差也就愈大。也就愈大。7.3.5 熱電偶熱電勢測量及其誤差分析熱電偶熱電勢測量及其誤差分析 測量線性上升溫度測量線性上升溫度 設被測溫度為設被測溫度為 T=T0+kt 則熱電偶的響應則熱電偶的響應 Tj=T0+kt kt(1 e t/）測正弦變化曲

43、線測正弦變化曲線 設被測溫度為設被測溫度為 T=T0+TAsint當當t 5 時，達到穩(wěn)定狀態(tài)時，達到穩(wěn)定狀態(tài)其中，其中，=arctan-1()。值愈大，熱電偶溫度響應的振幅愈值愈大，熱電偶溫度響應的振幅愈小，相為滯后小，相為滯后 角愈大。角愈大。7.3.5 熱電偶熱電勢測量及其誤差分析熱電偶熱電勢測量及其誤差分析 （2）減小動態(tài)誤差的方法）減小動態(tài)誤差的方法 關(guān)鍵是減小關(guān)鍵是減小。選用選用v/F較小接點較小接點 選用選用c，較小的熱電極材料較小的熱電極材料 采用采用RC微分網(wǎng)絡進行校正微分網(wǎng)絡進行校正圖圖7-43 采用采用RC微分校正網(wǎng)絡校正熱電偶的動態(tài)特性微分校正網(wǎng)絡校正熱電偶的動態(tài)特性7

44、.3.5 熱電偶熱電勢測量及其誤差分析熱電偶熱電勢測量及其誤差分析 裸絲熱電偶傳遞函數(shù)為裸絲熱電偶傳遞函數(shù)為 RC網(wǎng)絡網(wǎng)絡(如圖如圖7-43所示所示)傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)為 系統(tǒng)總傳遞函數(shù)為系統(tǒng)總傳遞函數(shù)為 ,(1=2=)取上式逆拉氏變換，可得取上式逆拉氏變換，可得 其中其中 =1=2，為測試系統(tǒng)時間常數(shù)。，為測試系統(tǒng)時間常數(shù)。該系統(tǒng)仍有一定熱慣性，若使該系統(tǒng)仍有一定熱慣性，若使 1，則，則 很小，從而大大減小動很小，從而大大減小動態(tài)誤差。態(tài)誤差。7.3.6 熱電偶測溫實例熱電偶測溫實例 0600K型熱電偶溫度計如圖型熱電偶溫度計如圖7-44所示。所示。AD592作冷端補償；放大電路；線性化電路

45、。可獲得作冷端補償；放大電路；線性化電路?？色@得10mV/的輸出的輸出電壓靈敏度，則電壓靈敏度，則Uout=06000mV。圖圖7-44 K型熱電偶測溫電路（型熱電偶測溫電路（0600）第第7章章 熱電式傳感器熱電式傳感器n作業(yè)作業(yè):7-1，7-6，7-16，7-17，7-18，7-19；7-9，7-20，7-21，7-24，7-25，7-26；n選作：選作：7-28，7-29第第7章章 熱電式傳感器熱電式傳感器補充作業(yè)：補充作業(yè)：n1.用用K型熱電偶測某設備的溫度，測得的熱電勢為型熱電偶測某設備的溫度，測得的熱電勢為20mV，冷端（室溫）為，冷端（室溫）為25C，求設備的溫度，求設備的溫度?

46、如果改用如果改用S型熱電偶來測溫，在相同的條件下，型熱電偶來測溫，在相同的條件下，S型熱電偶測得的型熱電偶測得的熱電勢為多少熱電勢為多少?n2.現(xiàn)用一支鎳鉻現(xiàn)用一支鎳鉻-銅鎳熱電偶測某換熱器內(nèi)的溫度，其銅鎳熱電偶測某換熱器內(nèi)的溫度，其冷端溫度為冷端溫度為30，顯示儀表的機械零位在，顯示儀表的機械零位在0時，這時指時，這時指示值為示值為400，則認為換熱器內(nèi)的溫度為，則認為換熱器內(nèi)的溫度為430對不對對不對?為為什么什么?正確值為多少度正確值為多少度?n3.有一臺數(shù)字電壓表，其分辨力為有一臺數(shù)字電壓表，其分辨力為100 V/1個字，現(xiàn)與個字，現(xiàn)與Cul00熱電阻配套應用，測量范圍為熱電阻配套應用，測量范圍為0100，試設計，試設計一個標度變換電路，使數(shù)字表直接顯示溫度數(shù)值。一個標度變換電路，使數(shù)字表直接顯示溫度數(shù)值。