第三章溫度傳感器

第三章溫度傳感器1第一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四一、溫度的基本概念溫度：衡量物體冷熱程度的物理量。溫度的高低反映了物體內(nèi)部分子運動平均動能的大小。溫標：表示溫度大小的尺度是溫度的標尺。熱力學溫標thermodynamictemperaturescale國際實用溫標Internationalpracticaltemperaturescale攝氏溫標Celsiustemperaturescale華氏溫標Fahrenheittemperaturescale第二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四二、溫度傳感器的特點與分類隨物體的熱膨脹相對變化而引起的體積變化蒸氣壓的溫度變化電極的溫度變化熱電偶產(chǎn)生的電動勢光電效應熱電效應介電常數(shù)、導磁率的溫度變化物質(zhì)的變色、融解強性振動溫度變化熱放射熱噪聲1

溫度傳感器的物理原理(11)第三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四▲特性與溫度之間的關系要適中，并容易檢測和處理，且隨溫度呈線性變化▲除溫度以外，特性對其它物理量的靈敏度要低▲特性隨時間變化要小▲重復性好，沒有滯后和老化▲靈敏度高，堅固耐用，體積小，對檢測對象的影響要小▲機械性能好，耐化學腐蝕，耐熱性能好▲能大批量生產(chǎn)，價格便宜▲無危險性，無公害等2.溫度傳感器應滿足的條件第四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四3.溫度傳感器的種類及特點

接觸式溫度傳感器

非接觸式溫度傳感器接觸式溫度傳感器是將測溫敏感元件直接與被測介質(zhì)接觸，使被測介質(zhì)與測溫敏感元件進行充分熱交換，當兩者具有相同溫度時，達到測量的目的。這種傳感器的測量精度較高，但由于被測介質(zhì)的熱量傳遞給傳感器，從而降低了被測介質(zhì)的溫度，特別是被測介質(zhì)熱容量較小時，會給測量帶來誤差。非接觸式溫度傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點是：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗；反應快等。第五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。特點：結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬、準確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號便于遠傳或信號轉(zhuǎn)換，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動態(tài)溫度的測量。第二節(jié)熱電偶溫度傳感器★熱電偶的工作原理★熱電偶回路的性質(zhì)★熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)★冷端處理及補償?shù)诹?，共四十二頁，編輯?023年，星期四兩種不同的導體或半導體A和B組合成閉合回路，若導體A和B的連接處溫度不同（設T＞T0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應。熱電偶原理圖TT0AB一、工作原理回路中所產(chǎn)生的電動勢，叫熱電勢。熱電勢thermo-electricforce由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。熱端冷端第七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四1.接觸電勢+ABTeAB(T)-eAB(T)——導體A、B結(jié)點在溫度T時形成的接觸電動勢；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；

k——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——導體A、B在溫度為T時的電子密度。接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關。接觸電勢原理圖第八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——導體A兩端溫度為T、T0時形成的溫差電動勢；T，T0——高低端的絕對溫度；σA——湯姆遜系數(shù)，表示導體A兩端的溫度差為1℃時所產(chǎn)生的溫差電動勢，例如在0℃時，銅的σ=2μV/℃。2.溫差電勢溫差電勢原理圖第九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四由導體材料A、B組成的閉合回路，其接點溫度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，回路總電勢：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路總電勢NAT、NAT0——導體A在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度；NBT、NBT0——導體B在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度；σA

、σB——導體A和B的湯姆遜系數(shù)。第十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四導體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關。如果使EAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢EAB(T，T0)就只與溫度T有關，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的原理。只有當熱電偶兩端溫度不同，熱電偶的兩導體材料不同時才能有熱電勢產(chǎn)生。熱電偶回路熱電勢的大小只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關；與熱電偶的長度、粗細無關。只有用不同性質(zhì)的導體(或半導體)才能組合成熱電偶；相同材料不會產(chǎn)生熱電勢，因為當A、B兩種導體是同一種材料時，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。第十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四在實際測量中只需用儀表測出回路中總電勢即可。由于溫差電勢與接觸電勢相比較，其值很小，因此，在工程技術(shù)中認為熱電勢近似等于接觸電勢。在工程應用中，測出回路總電勢后，用查熱電偶分度表的方法確定被測溫度。說明第十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路，不論其導體是否存在溫度梯度，回路中沒有電流(即不產(chǎn)生電動勢)；反之，如果有電流流動，此材料則一定是非均質(zhì)的，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。二、熱電偶回路的性質(zhì)1.均質(zhì)導體定律第十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

E總=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三種不同導體組成的熱電偶回路TABCTT2.中間導體定律一個由幾種不同導體材料連接成的閉合回路，只要它們彼此連接的接點溫度相同，則此回路各接點產(chǎn)生的熱電勢的代數(shù)和為零。如圖，由A、B、C三種材料組成的閉合回路，則第十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四兩點結(jié)論：

l）將第三種材料C接入由A、B組成的熱電偶回路，如圖，則圖a中的A、C接點2與C、A的接點3，均處于相同溫度T0之中，此回路的總電勢不變，即同理，圖b中C、A接點2與C、B的接點3，同處于溫度T0之中，此回路的電勢也為：T2T1AaBC23EABAT023ABEABT1T2

CT0EAB（T1,T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三種材料接入熱電偶回路圖第十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四ET0T0TET0T1T1T電位計接入熱電偶回路根據(jù)上述原理，在熱電偶回路中接入電位計E，只要保證電位計與連接熱電偶處的接點溫度相等，不會影響回路中原來的熱電勢，接入的方式見下圖所示。

第十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB2）如果任意兩種導體材料的熱電勢是已知的，它們的冷端和熱端的溫度又分別相等，如圖所示，它們相互間熱電勢的關系為：第十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四3.中間溫度定律

如果不同的兩種導體材料組成熱電偶回路,其接點溫度分別為T1、T2(如圖所示)時,則其熱電勢為EAB(T1,T2)；當接點溫度為T2、T3時，其熱電勢為EAB(T2,T3)；當接點溫度為T1、T3時，其熱電勢為EAB(T1,T3)，則BBA

T2

T1

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）第十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）

=EAB（T1,0）-EAB（T3,0）=EAB（T1）-EAB（T3）

ABT1T2T2A’B’T0T0熱電偶補償導線接線圖E對于冷端溫度不是零度時，熱電偶如何分度表的問題提供了依據(jù)。如當T2=0℃時，則：只要T1、T0不變，接入AˊBˊ后不管接點溫度T2如何變化，都不影響總熱電勢。這便是引入補償導線原理。EAB=EAB(T1)–EAB(T0)說明：當在原來熱電偶回路中分別引入與導體材料A、B同樣熱電特性的材料A′、B′(如圖)即引入所謂補償導線時，當EAA?(T2)=EBB?(T2)時，則回路總電動勢為第十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四例題解：根據(jù)中間導體定律結(jié)論公式，有EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）依題意可知，EAC（T,T0）＝13.967mV；ECB（T,T0）＝－8.345mV則EAB(T,T0)＝13.967mV－8.345mV＝5.622mV因此，在此特定條件下材料A與材料B配對后的熱電勢為5.622mV。已知在某特定條件下材料A與鉑配對的熱電動勢為13.967mV，材料B與鉑配對的熱電動勢為8.345mV，求出在此特定條件下材料A與材料B配對后的熱電勢。第二十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四熱電偶材料應滿足：物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時間改變；化學性能穩(wěn)定，以保證在不同介質(zhì)中測量時不被腐蝕；熱電勢高，導電率高，且電阻溫度系數(shù)?。槐阌谥圃?；復現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)。三、熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)第二十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

1．鉑—鉑銠熱電偶(S型)

分度號LB—3測量溫度：長期：1300℃、短期：1600℃。（一）熱電偶常用材料2．鎳鉻—鎳硅(鎳鋁)熱電偶(K型)

分度號EU—2測量溫度：長期1000℃，短期1300℃。3．鎳鉻—考銅熱電偶(E型)

分度號EA—2測量溫度：長期600℃，短期800℃。4．鉑銠30—鉑銠6熱電偶(B型)

分度號LL—2測量溫度：長期可到1600℃，短期可達1800℃。第二十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四方法冰點槽法計算修正法補正系數(shù)法零點遷移法冷端補償器法軟件處理法四、冷端處理及補償原因熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0℃為依據(jù)，否則會產(chǎn)生誤差。第二十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四1.冰點槽法把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于科學實驗中使用。為了避免冰水導電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。mVABA’B’TCC’儀表銅導線試管補償導線熱電偶冰點槽冰水溶液四、冷端處理及補償T0第二十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四例用動圈儀表配合熱電偶測溫時，如果把儀表的機械零點調(diào)到室溫TH的刻度上,在熱電動勢為零時，指針指示的溫度值并不是0℃而是TH。而熱電偶的冷端溫度已是TH,則只有當熱端溫度T=TH時，才能使EAB(T,TH)=0，這樣，指示值就和熱端的實際溫度一致了。這種辦法非常簡便，而且一勞永逸，只要冷端溫度總保持在TH不變，指示值就永遠正確。2.零點遷移法應用領域：如果冷端不是0℃，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調(diào)的場所）。實質(zhì)：在測量結(jié)果中人為地加一個恒定值，因為冷端溫度穩(wěn)定不變，電動勢EAB(TH,0)是常數(shù)，利用指示儀表上調(diào)整零點的辦法，加大某個適當?shù)闹刀鴮崿F(xiàn)補償。第二十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四3.冷端補償器法利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢補償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個橋臂和橋路電源組成。設計時，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu),此時Uab=0,電橋?qū)x表讀數(shù)無影響。冷端補償器的作用注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3RT0RCu

UaUabEAB(T,T0)供電4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范圍起補償作用。注意，不同材質(zhì)的熱電偶所配的冷端補償器，其中的限流電阻R不一樣，互換時必須重新調(diào)整。第二十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四4.軟件處理法冷端溫度恒定T0：但T0不為0℃時，只需在采樣后加一個與冷端溫度對應的常數(shù)即可。冷端溫度T0波動：可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號輸入計算機，按照運算公式設計一些程序，便能自動修正。后一種情況必須考慮輸入的采樣通道中除了熱電動勢之外還應該有冷端溫度信號，如果多個熱電偶的冷端溫度不相同，還要分別采樣，若占用的通道數(shù)太多，宜利用補償導線把所有的冷端接到同一溫度處，只用一個冷端溫度傳感器和一個修正T0的輸入通道就可以了。冷端集中，對于提高多點巡檢的速度也很有利。第二十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

熱敏電阻是利用某種半導體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的。在溫度傳感器中應用最多的有熱電偶、熱電阻（如鉑、銅電阻溫度計等）和熱敏電阻。熱敏電阻發(fā)展最為迅速，由于其性能得到不斷改進，穩(wěn)定性已大為提高，在許多場合下（-40～＋350℃）熱敏電阻已逐漸取代傳統(tǒng)的溫度傳感器。主要講述熱敏電阻的特點、分類，基本參數(shù)，主要特性和應用等。

第三節(jié)熱敏電阻溫度傳感器第二十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四NTC二極管封裝環(huán)氧封裝、小型化高精度；響應時間快；穩(wěn)定性好根據(jù)不同用途有多種封裝結(jié)構(gòu)；使用溫區(qū)寬高穩(wěn)定性、高可靠性根據(jù)不同用途有多種封裝結(jié)構(gòu)；使用溫區(qū)寬；高穩(wěn)定性、高可靠性；為客戶提供多種便捷服務家用冰箱、空調(diào)器；電熱水器、整體浴室；冰柜、豆?jié){機環(huán)氧封裝、小型化、精度高；可靠性高、響應時間快；引線采用聚脂漆包線、耐熱、絕緣性好第二十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四（一）熱敏電阻的特點1．電阻溫度系數(shù)的范圍甚寬2．材料加工容易、性能好3．阻值在1Ω～10MΩ之間可供自由選擇4．穩(wěn)定性好5．原料資源豐富，價格低廉一、熱敏電阻的特點與分類第三十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

1．正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）

PositiveTemperatureCoefficient

2．負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）

NegativeTemperatureCoefficient

3．突變型負溫度系數(shù)熱敏電阻器（CTR）

ChopTemperatureResistor

（二）熱敏電阻的分類

第三十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四（一）熱敏電阻器的電阻——溫度特性（RT—T）

12340601201600100101102103104105106RT/Ω溫度T/oC熱敏電阻的電阻--溫度特性曲線1-NTC；2-CTR；

3PTC二、熱敏電阻器主要特性Resistance-temperaturecharacteristicofthermistorρT—T與RT—T特性曲線一致。T/℃第三十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25℃作為參考溫度（即T0=25℃），則NTC熱敏電阻器的電阻—溫度關系式：02550751001250.511.522.533.5(25oC,1)RT/RT0--T特性曲線RT/R25T/℃1負電阻溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器的溫度特性第三十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四2.正電阻溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻器的電阻—溫度特性其特性是利用正溫度熱敏材料，在居里點附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相變引起導電率突變來取得的，典型特性曲線如圖104103102100100200PTC熱敏電阻器的電阻—溫度曲線T/oC電阻/ΩTp1Tp2第三十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四αβ

abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性（二）熱敏電阻器的伏安特性（U—I）表示加在其兩端的電壓和通過的電流，在熱敏電阻器和周圍介質(zhì)熱平衡（即加在元件上的電功率和耗散功率相等）時的互相關系。1.負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻器的伏安特性該曲線是在環(huán)境溫度為T0時的靜態(tài)介質(zhì)中測出的靜態(tài)U—I曲線.熱敏電阻的端電壓UT和通過它的電流I有如下關系：T0——環(huán)境溫度；△T——熱敏電阻的溫升。第三十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

104103102101105Um10110210310010-1ImPTC熱敏電阻器的靜態(tài)伏安特性2．正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻器的伏安特性第三十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四三、熱敏電阻的基本參數(shù)1.標稱電阻(NominalResistance)R25（冷阻）2.材料常數(shù)(MaterialConstant)BN3.電阻溫度系數(shù)(T