1、第9章 热电式传感器 9.1 热电偶 9.2 热电阻 9.3 热释电式传感器 9.4半导体集成温度传感器,热电式传感器是利用其敏感元件的特征参数随温度变化的特性，对温度及与温度有关的参量进行测量的装置。 温度量转换为电阻和电势是目前工业生产和控制中应用最为普遍的方法 将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。半导体集成温度传感器及利用热释电效应制成的感温元件在测温领域中也得到越来越多的重视。,温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。,温度是与人类生活息息相关的物理量。 在200
2、0多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度。 人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。 工业生产自动化流程,温度测量点要占全部测量点的一半左右。,温度是反映物体冷热状态的物理参数。,因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。,特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，且随温度呈线性变化； 除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低； 特性随时间变化要小； 重复性好，没有滞后和老化； 灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小； 机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好； 能大批量生产，价格便宜； 无危险性，无公害等。,
3、温度传感器应满足的条件,温度传感器的种类及特点,接触式温度传感器非接触式温度传感器,接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。,非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。,物理现象,压电效应,种类,铂测温电阻、热敏电阻,热电偶,BaSrTiO3
4、陶瓷,石英晶体振动器,超声波温度计,示温涂料 液晶,半导体二极管,晶体管半导体集成电路温度传感器,可控硅,辐射温度传感器 光学高温计,1.气体温度计 2. 玻璃制水银温度计 3.玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计 5.液体压力温度计 6. 气体压力温度计,1 热铁氧体 2 Fe-Ni-Cu合金,1超高温与超低温传感器，如+3000以上和250以下的温度传感器。2提高温度传感器的精度和可靠性。3研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器。4发展新型产品，扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻；发展薄膜热电偶；研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热电阻；研制系列晶体管测温元件、快速高灵敏CA型热电
5、偶以及各类非接触式温度传感器。5发展适应特殊测温要求的温度传感器。6发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。,温度传感器的主要发展方向,9.1 热电偶 9.1.1 热电偶的工作原理热电偶是利用导体或半导体材料的热电效应将温度的变化转换为电势变化的元件。所谓热电效应是指两种不同导体A、B的两端连接成如图所示的闭合回路。若使连接点分别处于不同温度场T0和T（设TT0），则在回路中产生由于接点温度差（TT0）引起的电势差。通常把两种不同金属的这种组合称为热电偶，A和B称为热电极，温度高的接点称为热端（或工作端），温度低的接点称为冷端（或自由端）。,这种现象早在1823年首先由塞贝克（Seebeck）
6、发现,热电效应也称塞贝克效应。热电偶回路中产生的电势差为,热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。,1. 接触电势(珀尔贴电势）,接触电势产生的原因:不同导体的自由电子密度是不同的。当两种不同的导体A、B紧密连接在一起时,在A、B的接触处就会产生电子的扩散。设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度（NANB）,那么,在单位时间内,由导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数多。这时,导体A因失去电子而带正电,导体B因得到电子而带负电。 于是,在接触表面上便形成了一个电场,在A、B之间形成一个电位差,即电动势。 这个电动势将阻碍电子由导体A向导体B的进一步扩散。当电子的扩散作
7、用与阻碍扩散的作用相等时,接触处的自由电子的扩散便达到动态平衡。,这种由于两种导体自由电子密度不同,而在其接触处形成的电动势,称为接触电势。,式中：k玻耳兹曼常数, k =1.3810-23JK =8.6210-5eVK;T, T0接触处的绝对温度（K）；NA,NB材料A、B的自由电子密度；e 电子电荷量,e=1.60210-19C。,用符号EAB (T)和EAB (T0)表示导体A和导体B的两处接触点在温度T和T0时形成的电位差。根据物理学上的推导,有,接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。,To,EA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势； T，T0高低端的绝对温
8、度； A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，例如在0时，铜的 =2V/。,2. 温差电势(汤姆逊电势）,因导体的自由电子密度会随温度升高而增大，因此当同一导体两端温度不同时，温度高的一端自由电子密度将高于温度低的一端，因此在两端之间也会出现与接触电势中相似的自由电子扩散过程，最终在导体的两端间产生电位差，建立起电势，这种电势被称为温差电势,由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：,3. 回路总电势,NA(T)、NA(T0)导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NB(T)、NB(T0)导体
9、B在结点温度为T和T0时的电子密度； A 、 B导体A和B的汤姆逊系数。,从式可知，前两项是由于两种不同材料金属连接时产生的接触电势差，取决于材料的电子密度；而后一项是由于同一种材料的均质导体，当两端温度不同时产生的温差电势，即所谓汤姆逊效应。但由于导体汤姆逊效应引起的电势差相比甚小，常可忽略。于是当材料 A、B的特性（NA、NB）为已知时，并使一端温度T0固定，则待测温度 T是电动势E（T，T0）的单值函数。这给工程中用热电偶测量温度带来极大的方便。,为了使热电偶冷端温度T0固定，通常采用一些措施对冷端进行补偿。常用的方法是将冷端置于冰内或恒温槽中，或采用补偿导线法将热电极冷端延伸，或通过补
10、偿电桥法补偿冷端的温度变化。,当热电极A、B选定后,热电势EAB（T,T0）是两接点温度T和T0的函数差,即 EAB（T,T0）=f(T)-f(T0)如果使冷端温度T0保持不变,则f(T0)=C(常数)。此时, EAB（T,T0）就成为T的单值函数,即 EAB（ T,T0 ）= f(T) -C=(T),9.1.2 热电偶基本定律 （1）组成热电偶回路的两种导体材料相同时，无论两接点的温度如何，回路总热电势为零；,（2）若热电偶两接点温度相等，即T=T0，回路总热电势仍为零；,（3）热电偶的热电势输出只与两接点温度及材料的性质有关，与材料A、B的中间各点的温度、形状及大小无关。,（4）在热电偶中
11、插入第三种材料，只要插入材料两端的温度相同，对热电偶的总热电势没有影响。这一定律称之为中间导体定律。,热电偶回路中引入第三导体,在图 (a)中,2、3两点温度相同，回路中总电势:,EABC(T,T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0) （9.3）,当回路中各接点温度相同时,总电势为零,即,EABC(T0, T0 ) =EAB(T0)+EBC(T0 )+ECA( T0 )=0,所以EBC(T0)+ECA( T0 )= - EAB( T0 ) （9.4）,将式（9.4）代入式（9.3）得 EABC (T, T0) =EAB (T)-EAB (T0)=EAB (T, T0),如图所示：在
12、A、B材料组成的热电偶回路中接入第三导体C，在实际应用中,热电偶回路中需接入测量仪表，相当于在热电偶回路中接入第三导体。,同理可证图 (b)的情况。,（5）中间温度定律：热电偶A、B在接点温度为T1、T3时的热电势,等于此热电偶在接点温度为T1、T2与T2、T3两个不同状态下的热电势之和,即 EAB（T1,T3）=EAB (T1, T2)+EAB (T2, T3)=EAB（T1）-EAB（T2）+EAB（ T2 ）- EAB（ T3 ）= EAB （T1）- EAB （ T3 ） ,（6） 标准热电极定律如果两种导体（A和B）分别与第三种导体（C）组成热电偶所产生的热电势已知,则由这两个导体（
13、A,B）组成的热电偶产生的热电势可由下式算得： EAB（T,T0）=EAC（T,T0）-EBC（T,T0）,通过标准热电极C求组合热电偶的热电势,如图所示，AC、BC、AB为三个热电偶,工作端温度为T,冷端温度为T0,则 EAC（T,T0）=EAC（T）- EAC（ T0 ）EBC（T,T0）=EBC（T）-EBC（T0）,将上二式相减得：,因为EAB( T ) +EBC(T)+ECA( T )=0,9.1.3 热电偶冷端温度误差及其补偿 补偿原因热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依
14、据，否则会产生误差。,为了使用特性分度表对热电偶进行标定,实现对温度的准确测量,对冷端温度变化所引起的温度误差,常采用下述补偿措施。,铜-铜镍(康铜)热电偶(T型)分度表 (参考端温度为0),1. 0 恒温法将热电偶的冷端保持在0器皿中,如图所示。此法适用于实验室，它能使冷端温度误差得到完全的克服。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。,冷端0恒温,由该式可见,它虽不为零,但为一个定值。只要在回路中加入相应的修正电压，或调整指示装置的起始位置，即可达到完全补偿的目的。,=EAB（T,T0）- EAB（T,0）=-EAB（T0,0）,
15、2. 冷端恒温法将热电偶的冷端置于一恒温器内，如恒定温度为T0 ，则冷端误差为,3. 冷端补偿器法工业上,常采用冷端补偿器法。冷端补偿器是一个四臂电桥,其中三个桥臂电阻的温度系数为零,另一桥臂采用铜电阻RCu（其值随温度变化）,放置于热电偶的冷接点处,如图所示。通常,取T0=20时电桥平衡（R1=R2=R3=RCu(20)）。,冷端补偿器法原理,而设计时让补偿器选择的RCu产生的Uab=EAB (Tn-20), 故U维持公式： U= EAB (T)- eAB (20) ,此时,若不考虑限流电阻Rs和四臂电桥的负载影响,则,当T0上升（如T0 =Tn）时,RCu上升, Uab =,Uab上升。,
16、由于 U=Uab+ EAB (T)- EAB (20)- EAB (Tn -20),冷端补偿器所产生的不平衡电压正好补偿了由于冷端温度变化引起的热电势变化值,仪表便可指示出正确的温度测量值。使用冷端补偿器应注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。 由于电桥是在20平衡,所以此时应把温度表示的机械零位调整到20处。 不同型号规格的冷端补偿器应与一定的热电偶配套。 ,4. 补偿导线法当热电偶冷端的温度由于受热端温度的影响，在很大范围内变化时，则直接采用冷端温度补偿法将很困难。此时，应先采用补偿导线（对于廉价热电偶，可以采用延长热电极的方法）将冷端远移至温度变化比较平缓的环境中，
17、再采用上述的补偿方法进行补偿。,只要T1、T0不变，接入A B后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。,EAB=EAB(T1)EAB(T0),说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A、B(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA(T2)=EBB(T2)，则回路总电动势为,补偿导线：在一定的温度范围内（一般为0100）与所连接的热电偶具有相同的热电性能，起着延长热电偶的作用。 补偿导线一般采用多股廉价金属制造，不同的热电偶采用不同的补偿导线。,6. 补正系数修正法工程上经常采用补正系数法实现补偿。设冷端温度为tn，工作端测得温度场的温度为t
18、1，其实际温度应为 t=t1+ktn式中k为补正系数，可从给定的补正系数表中查得。,5. 采用不需要冷端补偿的热电偶目前已经知道,镍钴-镍铝热电偶在300以下,镍铁-镍铜热电偶在50以下,铂铑30-铂铑6热电偶在50以下的热电势均非常小。只要实际的冷端温度在其范围内,使用这些热电偶可以不考虑冷端误差。,热电偶补正系数表,例如,用镍铬-考铜热电偶测得某温度场温度为600 ,此时,冷端温度为30,则通过查表可得k值,则温度场的实际温度为 t=600+0.7830=623.4 ,在使用热电偶作温度传感器、系统采用单片机的智能式温度测试系统中,这一修正过程可以自动完成。,例 用铜-康铜热电偶测某一温度
19、T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得,注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49，也不能把49加上21，认为T=70。,EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0),7. 计算修正法 用普通室温计量出参比端实际温度TH，利用公式计算,EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0) =1.999+0.832 =2.831(mV) 再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68。,9.1.4 常用热电偶1热电偶的材料目前，常用热
20、电极材料分贵金属和普通金属两大类，贵金属热电极材料有铂铑合金和铂；普通金属热电极材料有铁、铜、康铜、考铜、镍铬合金、镍硅合金等，还有铱、钨、锌等耐高温材料，这些材料在国内外都已经标准化。不同的热电极材料的测量温度范围不同，一般可将热电偶用于01800范围的温度测量。贵金属热电偶电极直径大多在0.130.65mm范围内，普通金属热电偶电极直径为0.53.2mm。热电极有正、负之分，在其技术指标中会有说明，使用时应注意到这一点。,热电极材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于制造；复现性好，便于成批生
21、产。,1）铂铂铑热电偶旧分度号LB3新分度号S国产型号WRLB 工业用热电偶丝：0.5mm，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：铂丝。 测量温度：长期：1300、短期：1600。 特点：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。材料属贵金属，成本较高。热电势较弱。,2. 热电偶种类,2）镍铬镍硅(镍铝)热电偶 旧分度号EU2新分度号K国产型号WREU 工业用热电偶丝： 1.22.5mm，实
22、验室用可细些。 正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。 负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,0.40.7钴冶炼而成)。 测量温度：长期1000，短期1300。 特点：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，但精度不如WRLB。,3）镍铬考铜热电偶(新分度号E) 旧分度号EA2国产型号WREA 工业用热电偶丝:1.22mm，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
23、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。,4）铂铑30铂铑6热电偶(新分度号B) 旧分度号LL2国产型号WRLL 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。,5）几种特殊用途的热电偶 （a）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。 （b）钨铼热电偶 是60年代发
24、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-钨铼20热电偶使用温度范围3002000分度精度为1。 （c）金铁镍铬热电偶 主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为10V。 （d）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。,（f）铜康铜热电偶 热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43V/。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20K473K的低温实验室测量
25、中。,（e）铁康铜热电偶灵敏度高，约为53V/，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。,3.常用热电偶的结构类型1)工业用热电偶典型结构下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。,2)铠装式热电偶（又称套管式热电偶）,优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命长、热惯性小，使用方便。 测温范围在1100以下的有：镍铬镍硅、镍铬考铜铠装式热电偶。,断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形
26、状不同，可分为四种型式如图。,铠装式热电偶断面结构示意图1 金属套管; 2绝缘材料; 3热电极(a)碰底型; (b)不碰底型; (c)露头型; (d)帽型,3)快速反应薄膜热电偶用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.010.lm),快速反应薄膜热电偶 1热电极; 2热接点; 3绝缘基板; 4引出线,具有热容量小、反应速度快等特点，热响应时间达到微秒级，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。,4)快速消耗微型热电偶这是一种专为测量钢水及熔融金属温度而设计的特殊热电偶，其结构如图所示。它是用直径为0.050.lmm的铂铑10一铂铑
27、30热电偶装在U型石英管中，构成测温的敏感元件。其外部有绝缘良好的纸管、保护管及高温绝热水泥加以保护和固定。它的特点是：当其插入钢水后，保护帽瞬即熔化，热电偶工作端即刻暴露于钢水中，由于石英管和热电偶热容量都很小，因此能很快反映出钢水的温度，反应时间一般为46秒。在测出温度后，热电偶和石英保护管都被烧坏，因此它只能一次性使用。这种热电偶可直接用补偿导线接到专用的快速电子电位差计上，直接读取钢水温度。,快速消耗微型热电偶 1刚帽； 2石英； 3纸环； 4绝热泥；5冷端； 6棉花； 7绝缘纸管； 8补偿导线；9套管； 10塑料插座； 11簧片与引出线,热电偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质
28、性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。其安装地点要有代表性，安装方法要正确，下图是安装在管道上常用的两种方法。在工业生产中，热电偶常与毫伏计连用（XCZ型动圈式仪表）或与电子电位差计联用，后者精度较高，且能自动记录。另外也可通过与温度变送器经放大后再接指示仪表，或作为控制用的信号。,4. 热电偶的选择、安装使用,一、单点温度测量电路 回路中总电势为EAB(T,T0) 则测得的电流与温度有一一对应的关系。,9.1.5热电偶的实用测量电路,二、两点间温差的测量电路 其中两个热电偶型号相同，且补偿导线相同，连接方法使各自产生的热电势相互抵消，仪表读数即为所测温度的温度差。,三、平均温度测量电路
29、如图所示，将几只相同型号的热电偶并联在一起此时，仪表的分度表和单独用一个热电偶时一样，可直接读出平均温度。,四、若干点温度之和的测量电路 如图所示，将几只相同型号的热电偶串联在一起,9.2 热电阻,物质的电阻率随温度变化而变化的物理现象称为热电阻效应。利用热电阻效应制成的传感器称为热电阻，它把被测量温度的变化转化为电阻的变化，主要有金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。,9.2.1 金属测温电阻器1. 电阻与温度的关系大多数金属导体的电阻随温度而变化的关系可由下式表示：Rt=R01+(t-t0) 式中：Rt, R0分别为热电阻在t 和t0 时的电阻值；热电阻的电
30、阻温度系数（1）；t被测温度（）。,从金属导体的电阻和温度的关系可见，只要保持不变（常数）,则金属电阻Rt将随温度线性地增加，其灵敏度S为 由此可见,越大,S就越大。纯金属的电阻温度系数为（0.30.6）%。但是,绝大多数金属导体的并不是常数，它也随温度的变化而变化，只能在一定的温度范围内，把它近似地看作为一个常数。不同的金属导体，保持常数所对应的温度不相同，而且这个范围均小于该导体能够工作的温度范围。,要确定电阻Rt与温度t的关系,首先要确定R0的数值。R0不同时，Rt与t的关系也不同。在工业上，将不同R0的Rtt关系制成不同分度号的分度表，可供直接查用。对于铂电阻,我国工业用的分度号主要有
31、BA1（Pt50）、BA2（Pt100）、BA3（Pt300），其电阻器在100和0下的电阻比值采用 ；铜电阻的分度号有G、Cu50和Cu100, 。例如,对于BA1, R100=63.99,R0=46, 。又如,对于G，R100=75.52, R0=53, 。,制造热电阻的材料应具有以下特点： 1）电阻温度系数高 2）在测温范围内，化学、物理性能稳定 3）具有良好的输出特性 4）具有较高的电阻率 5）具有良好的可加工性，且价格便宜。,常用的热电阻材料有铂、铜、铁和镍等。工业用热电阻有铂热电阻和铜热电阻两大类。由于铂具有很好的稳定性和测量精度,故人们主要把它用于高精度的温度测量和标准测温装置。
32、,几种金属的温度特性曲线,作为温度测量和调节的传感器，通常用来与显示仪表等配套，以直接测量各种生产过程中自-200至+500范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面等的温度。,主要金属感温电阻器的性能,主要金属感温电阻器的性能列于下表。,1、铂热电阻金属铂的物理、化学性能稳定，可测量和控制190630范围内的温度，但因为是贵金属，一般用于高精度工业测量，主要作为标准电阻温度计。,在0630范围内，铂电阻的电阻值与温度的关系为在1900范围内为：式中 R0、Rt温度为0及t时的铂电阻的电阻值；A、B、C常数值，其中：A=3.9684710-3-1B=5.84710-7-2C=4.2210-12-4
33、,Rt=R0（1+At+Bt2）,Rt=R01+At+Bt2+C(t-100) t3,铂电阻的纯度以R100/R0表示，R100表示在标准大气压下水沸点时的铂的电阻值。国际温标规定，作为基准器的铂电阻，其R100/R0不得小于1.3925。我国工业用铂电阻分度号为BA1（R0=460.046，Pt10）、BA2（R0=1000.1，Pt100 ），其R100/R0=1.391。,2、铜热电阻在一般测量精度和测量范围较小时常采用铜热电阻，铜热电阻的使用范围是-50150，具有电阻温度系数大，价格便宜，互换性好等优点，但它固有电阻太小，另外铜在250以上易氧化。铜电阻与温度的关系接近线性Rt=R0
34、1+（tt0） 式中为t0时的温度系数，值为(4.254.28) 10-3-1。工业上使用的标准铜热电阻有分度号为G(Cu53)、Cu50和Cu100三种，它们的R0分别为53、50和100。,1云母片骨架； 2铂丝； 3银丝引出线； 4保护用云母； 5绑扎用银带,当被测介质中有温度梯度存在时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。,热电阻的结构,尽管各种热电阻的外形差异很大，但是它们的基本结构却大致相似，一般由感温元件，绝缘套管，保护管和接线盒等主要部分组成，其中感温元件是用细金属丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上，骨架采用石英、云母、陶瓷、塑料等材料制成。,2. 使用时的注意
35、事项工业上广泛应用金属感温电阻器作为-200+600 范围的温度测量。它的特点是精度高,适于测低温。但使用中需要注意以下两点。1） 自热误差在用感温电阻器测量时,电阻总要消耗一定的电功率,它同样会造成电阻值的变化,但这种变化是不希望的。使用中应尽量减小由于电阻器通电产生的自热而引起的误差。一般是限制电流,规定其值应不超过6mA。,2） 引线电阻的影响用于测量的感温电阻器,总得有连接导线,但由于金属电阻器本身的电阻值很小,所以引线的电阻值及其变化就不能忽略。比如对于50的测温电阻,1的导线电阻将产生约5的误差,这是不能允许的。为此,测量电阻的引线通常采用三线式或四线式接法。,图（a）中,Rt为热
36、电阻，r1、r2、r3为引线电阻。在三线式连接法中,一根引线接到电源对角线上, 其阻值变化不会影响电桥的平衡状态；另两根分别接到电桥相邻的两个臂，这样，引线电阻值及其变化对仪表读数的影响可以互相抵消，而且当温度变化时，只要接在相邻的两臂的长度和电阻温度系数相同，它们的电阻变化就不会影响电桥的状态，即不产生温度误差。,图（a） 三线式接法,而图（b）的二线式接法中,两根引线完全加到一个桥臂上，引线电阻值及其变化将引起电桥输出变化，造成测温误差。,图（b） 二线式接法,四线制,图中G为指示电表，R1、R2、R3为固定电阻，Ra为零位调节电阻。在三线制接法中，可调电阻的接触点和电桥臂相连，可能导致电
37、桥的零点不稳定。四线接法中，调零的Ra电位器的触点和检流计串联，这样接触点的不稳定不会破坏电桥的平衡和正常工作。,三线制,wzb型铂热电阻分度特性表,分度号为BA1的分度特性表见下表。,101.66,本节重点,热电偶的工作原理及基本定律 热电阻的工作原理及测量电路,思考题,1. 用热电偶理论证明或说明关于热电偶的几点结论。2.简述用热电偶的计算修正法测量温度的方法。,9.2.2 半导体热敏电阻器热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。,1、 导电机理热敏电阻的导电性能主要是由内部的载流子（电子和空穴）密度和迁移率所决定的，当温度升高时外层电子在热激发下，大量成为载流子
38、，使载流子的密度大大增加，活动能力加强，从而导致其阻值的急剧下降。,热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为：1)正温度系数热敏电阻（PTC）电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏阻器。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。2)负温度系数热敏电阻（NTC）电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。3)临界温度系数热敏电阻（CTR）该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低34个数量级，即具有很大负温度系数。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。,2、 分类及特性,1.
39、标称电阻R25（冷阻） 标称电阻值是热敏电阻在250.2时的阻值。,热敏电阻特性参数,2. 电阻温度系数（%/） 热敏电阻的温度变化1 时电阻值的变化率，表示为,3. 时间常数 热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时电阻器的温度变化量从开始到最终变量的63.2所需的时间。,4. 额定功率PE 热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗功率。在此功率下,它自身温度不应超过Tmax。,（一）热敏电阻的电阻温度特性（RTT）,1,2,3,4,铂丝,40,60,120,160,0,100,101,102,103,104,105,106,RT/,温度T/C,热敏电阻的电阻-温度特性曲
40、线1-NTC；2-CTR； 3-4 PTC,热敏电阻主要特性,TT与RTT特性曲线一致。,负温度系数热敏电阻（NTC）,临界温度系数热敏电阻（CTR）,正温度系数热敏电阻（PTC）,1.正温度系数（PTC）热敏电阻的电阻温度特性,如图为PTC热敏电阻的电阻温度特性曲线。曲线称为突变型（开关型），其中Tb称为开关温度，对应的阻值为开关电阻Rb，在开关温度以上的电阻温度特性可近似为：,PTC热敏电阻的电阻温度曲线,式中 R0为常温时的电阻值；A为材料常数。,求出这种开关型PTC热敏电阻的电阻温度系数T为,可见： 开关型 PTC热敏电阻的电阻温度系数T ，正好等于它的材料常数A的值，而与温度无关。,
41、曲线的阻值随温度变化缓慢，这种电阻被称为缓变型PTC热敏电阻，其电阻温度特性近似为线性，即：,式中，A,B为材料常数 可求得其温度系数为,说明缓变型PTC热敏电阻的电阻温度系数随温度而变化，适用于温度补偿。,式中，B为材料常数，R0为 时的阻值。对式子两边取对数有:,2. 负温度系数(NTC)热敏电阻的温度特性,NTC的电阻温度关系的一般数学表达式为：,材料的不同或配方的比例和方法不同，则B也不同。用lnRT1/T表示负电阻温度系数热敏电阻温度特性，在实际应用中比较方便。,如果以lnRT、1/T分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率为B ，通过点(1/T，lnRT)的一条直线,如图。,另外可
42、求出NTC的电阻温度系数为 可见，T不是常数，随着温度T的升高而迅速减小。,3. 临界温度系数(CTR)热敏电阻的温度特性,CTR热敏电阻的温度特性曲线如图所示: 开关电阻Rc，Rc通常取值为 标称电阻乘以一规定系数如80%，也可由曲线作图计算：其中Rh、Rl分别为曲线的切线在高阻端和低阻端的交点。 开关温度Tc，为Rc所对应的温度,降值比：描述CTR阻值随温度下降的快慢，其值越大，说明开关特性越好。,（一）热敏电阻的特点1电阻温度系数的范围甚宽有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突变的三种热敏电阻元件。电阻温度系数的绝对值比金属大10100倍左右。2材料加工容易、性能好可根据使用要求加
43、工成各种形状，特别是能够作到小型化。目前，最小的珠状热敏电阻其直径仅为 0.2mm。3阻值在110M之间可供自由选择使用时，一般可不必考虑线路引线电阻的影响；由于其功耗小、故不需采取冷端温度补偿，所以适合于远距离测温和控温使用。,热敏电阻的结构及特点,4稳定性好商品化产品已有30多年历史，加之近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在0.01的小温度范围内，其稳定性可达0.0002的精度。相比之下，优于其它各种温度传感器。5原料资源丰富，价格低廉烧结表面均已经玻璃封装。故可用于较恶劣环境条件；另外由于热敏电阻材料的迁移率很小，故其性能受磁场影响很小，这是十分可贵的特点。,（二）热敏电阻的结构及
44、应用,3、 使用时的注意事项在使用热敏电阻时,也要注意到自热效应问题,但是,必须特别注意的有如下两点。1） 热敏电阻温度特性的非线性常用热敏电阻随温度变化呈指数规律,也就是说,其非线性是十分严重的。当需要进行线性转换时,就应考虑其线性化处理。常用的线性化方法如下。（1） 线性化网络。利用包含有热敏电阻的电阻网络（常称线性化网络）来代替单个的热敏电阻,其一般形式如下图所示。,热敏电阻的线性化网络,根据Rt的实际特性和要求的网络特性RT（t）,通过计算或图解方法确定网络中的电阻R1、R2、R3。目前这种方法用得较多。为了提高设计的准确度,可利用计算机进行。,温度-频率转换电路,（2） 利用电子装置
45、中其它部件的特性进行综合修正。右图是一个温度-频率转换电路。它实际是一个三角波-方波变换器,电容C的充电特性是非线性特性。适当地选取线路中的电阻r和R,加上Rt,可以在一定的温度范围内,得到近似于线性的温度-频率转换特性。该电路,（3） 计算修正法。在带有微处理机（或微型计算机）的测量系统中,当已知热敏电阻的实际特性和要求的理想特性时,可采用线性插值法将特性分段,并把各分段点的值存放在计算机的存储器内。计算机将根据热敏电阻器的实际输出值进行校正计算后,给出要求的输出值。2） 热敏电阻器特性的稳定性和老化问题早期热敏电阻器的应用曾因其特性的不稳定、分散性、缺乏互换性和老化问题而受到限制。近十几年
46、来,随着半导体工艺水平的提高,产品性能已得到很大的改善。现在已研制出精度优于热电偶,并具有互换性的热敏电阻,而且还能制造出300 以下可忽略老化影响的产品。但不同厂家产品质量差异还比较大,使用时仍应认真选择。,一般地说,正温度系数热敏电阻器和临界温度热敏电阻器特性的均匀性要差于负温度系数热敏电阻器。在辐射热检测器中,人们采用薄膜式金属电阻和热敏电阻薄膜,构成热量型检测器,将辐射热转换成电阻的变化。,总结：热敏电阻主要用于点温度、小温差温度的测量，远距离、多点测量与控制，温度补偿和电路的自动调节等。测温范围为50450。它的缺点是非线性较大，在电路上要进行线性补偿，互换性较差。NTC热敏电阻主要
47、用于温度测量和补偿，测温范围一般为50350。PTC突变型热敏电阻主要用作温度开关，缓变型主要用于在较宽的温度范围内温度补偿或温度测量。CTR热敏电阻主要用作温度开关。热敏电阻一般不适于高精度温度测量和控制，但在测温范围很小时，也可获得较好的精度。它非常适用于家用电器、空调器、复印机、电子体温计、点温度计、表面温度计、汽车等产品中作测温控制和加热元件。,9.2.3 电阻式温度传感器的应用,一、温度检测及指示,在一定的检测温度范围内精度要求不高的场合，可直接把电阻温度传感器与简单的指示器连接，进行温度的测量和指示，如图所示。电路简单，性能稳定可靠，成本低。实际测量时，给电路加上调零电阻，将RT拉
48、到被测现场，如汽车水温测量、自动热水器和电冰箱等家用电器的温度控制等。,二、温度补偿电路,图a为NTC热敏电阻对晶体管进行补偿的电路，温度升高 Vbe 下降， 而 RT 下降 即RT/RG 减小 ,使Ra上压降增加，这样补偿了Vbe的下降。,图b为缓变型PTC热敏电阻对晶体管Ie的补偿，温度升高， RT 增大， 补偿了因Vbe下降而使电流 Ie的增加。,电动机过热保护装置组成电路原理,(1)电动机过热保护装置组成电路原理如下图所示。,三、过热保护,在电动机内绕组旁,紧靠绕组,每相各放置一只特性相同的负温度系数热敏电阻。,当电动机正常运转时,温度较低,热敏电阻阻值较高,三极管V1截止,继电器K不动作。,当电动机过负荷,或断相,或一相通地时,电动机温度急剧上升,热敏电阻阻值急剧减小,小到一定值,使三极管V1完全导通, 继电器K动作,使S闭合,红灯亮,起到报警保护作用。,
