2.4 热电偶传感器2.4来自2 热电极材料及常用热电偶1、热电极材料
（1） 在测温范围内，热电性质稳定，不随时间和被 测介质变化，物理化学性能稳定，不易氧化或腐蚀。 （2） 导电率要高，并且电阻温度系数要小。 （3） 它们组成的热电偶，热电动势随温度的变化 率要大，并且希望该变化率在测温范围内接近常数。 （4） 材料的机械强度要高，复制性要好，复制工 艺要简单，价格便宜。
2.3.1 金属薄膜热电阻
1、薄膜热传感器的结构
基 片
敏 感 膜
引 线
W
L
2.3 薄膜热传感器
2、薄膜热电阻的测温机理
铂热电阻在－200～0℃范围内的电阻与温 度的关系近似地表示，即
R t = R 0 [1 + At + Bt 2 + C ( t − 100 o C ) t 3 ]
α =
Rt − R0 ∆ t ⋅ R0
C τ= H
2.2 电阻式温度传感器
3、热敏电阻的特点:
灵敏度高,体积小、热贯性小、结构简单，化学稳 定性好，机械性能强，价格低廉，寿命长，热敏电 阻的缺点是复现性和互换性差，非线性严重，测温 范围较窄，目前只能达到-50～300℃。
4、热敏电阻的应用: （1）温度测量
（2）温度补偿
2.2 电阻式温度传感器
2.5 辐射式温度传感器
3、辐射基本定律
（1）普朗克定律:普朗克定律揭示了在各种不同温度下黑 体辐射能量按波长分布的规律，其关系式 C1 E0 ( λ , T ) = C2 λ5e λT − 1 E0 = σT 4 （2）斯忒藩-波耳兹曼定律:斯忒藩--波耳兹曼定律确定了 黑体的全辐射与温度的关系如上。 此式表明，黑体的全辐射能是和它的绝对温度的四 次方成正比，所以这一定律又称为四次方定律。 把灰体全辐射能 E与同一温度下黑体全辐射能E0相比较， 得到物体的另一个特征量ε
电阻温度系数α：热敏电阻的温度变化1 ℃时，阻
值的变化率。通常指温标为20 ℃时的温度系数，单位 为（%）℃-1。
2.2 电阻式温度传感器
热容量C： 热敏电阻的温度变化1 ℃时，所需吸收或释
放的能量，单位为J℃-1。
时间常数τ：是指温度为T0的热敏电阻，在忽略其通
过电流所产生热量的作用下，突然置于温度为T的介质 中，热敏电阻的温度增量达到∆T = 0.63（T - T0）时 所需时间，它与电容C和耗散系数H之间的关系如下：
2.1 温标及测温方法
2.1.2 温度检测的主要方法及分类
温度检测方法一般可以分为两大类，即 接触测量法和非接触测量法。常用的测温方 法、类型及特点如表2.1.1所示。
2.2 电阻式温度传感器
热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随 温度的变化而变化的原理制成的，实现了将温度的变化 转化为元件电阻的变化。有金属（铂、铜和镍）热电阻 及半导体热电阻（称为热敏电阻）。 2.2.1 金属热电阻传感器 1、热电阻类型:金属热电阻主要有铂电阻、铜电阻和镍 电阻等,其中铂电阻和铜电阻最为常见。 (1) 铂热电阻： 在-200～0℃的范围内 在0～850℃的范围内 (2) 铜热电阻：可表示为
2.4 热电偶传感器
2、标准热电偶
（1）铂铑10-铂热电偶(S型) （2）铂铑30-铂铑6热电偶(B型) （3）镍铬-镍硅(镍铬-镍铝)热电偶(K型) （4）镍铬-考铜热电偶（E型）
3、非标准热电偶
（1）钨铼系：通常用于测量300 ℃ ～2000℃，分度误 差为± 1%的温度，短时间测量可达3 000℃。 （2）铱铑系：在中性介质和真空中测温可长期使用到 2 000℃左右。 （3）镍钴-镍铝：测温范围为300 ℃ ～ 1 000 ℃。
2.3 薄膜热传感器
薄膜热传感器是随着人们对温度信息获取的手段要求 越来越高，对温度传感器的超小型化的要求越来越迫 切而产生的。由于薄膜热电阻的性能优良，可以替代 传统的结构型热传感器，适用于物体表面、快速和小 间隙场所的温度测量，因而被广泛地应用于冶金、化 工、能源、交通、机电、仪器仪表和科学实验等领域。
β(
1 1 − ) T T0
RT = R0e
α =
1 dR T β ⋅ = − RT dT T 2
2.2 电阻式温度传感器
2、热敏电阻的主要参数
标称电阻值RH： 是指环境温度为25 ℃ ± 0.2℃时测
得的电阻值，又称冷电阻，单位为 。
耗散系数H： 是指热敏电阻的温度变化与周围介质
的温度相差1℃时，热敏电阻所耗散的功率，单位为 W℃-1。
2.3 薄膜热传感器
2.3.2 多晶硅薄膜热电阻
1、结构
2、测温机理
3 ρ（T） K A （K 0T） + K B =
1
3 （K 0T）
+ K C K 0T exp （
qU B ） K 0T
2.4 热电偶传感器
2.4.1 热电偶测温原理
1、热电偶的特点
测量范围宽、性能稳定、准确可靠、信号可以远传 和记录。
2.4 热电偶传感器
2.4.3 热电偶的结构
1、普通型热电偶:通常都是由热电极、绝缘材料、保护 套管和接线盒等主要部分组成。
2、铠装热电偶:铠装热电偶是由热电极、绝缘材料和金 属套管经拉伸加工而成的组合体，其结构分单芯和双芯 两种。
2.4 热电偶传感器
2.4.4 热电偶冷端温度补偿
由热电偶的作用原理可知，热电偶热电动势的大小， 不仅与测量端的温度有关，而且与冷端的温度有关，是 测量端温度t和冷端温度t 0的函数差。 1、补偿导线法:常用热电偶的补偿导线参见表2.4.2。 在使用补偿导线时必须注意以下问题: （1） 补偿导线只能在规定的温度范围内 ( 一般为 0 ～ 100℃ ) 与热电偶的热电动势相等或相近。 （2） 不同型号的热电偶有不同的补偿导线。 （3） 热电偶和补偿导线的两个接点处要保持同温度。 （4） 补偿导线有正、负极，与热电偶的正、负极相连。 （5） 补偿导线的作用只是延伸热电偶的自由端，当自 由端t0 ≠ 0时，还需进行其他补偿与修正。
2.2 电阻式温度传感器
2、热电阻的结构:热电阻主要由电阻体、绝缘套 管和接线盒等组成。电阻体由电阻丝、引出线、 骨架等组成。
2.2 电阻式温度传感器
3 、热电阻传感器的测量电路
(1)三线制 (2)四线制
2.2 电阻式温度传感器
2.2.2 半导体热敏电阻传感器
热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变 化而变化的性质制成的。 1、特性：温度特性和伏安特性 NTC型、PTC型、CTR型三类热敏电阻的特性曲线如图
2.4 热电偶传感器
2、计算法： E (t ,0 ) = E (t , t ) + E (t ,0 ) 3、冰浴法：把热电偶的冷端置于冰水混合物的容器
0 0
里，保证使 t 0 = 0 ℃。这种办法最为妥善，然而不够 方便，所以仅限于科学实验中应用。
2.4 热电偶传感器
4、补偿电桥法:补偿电桥法是利用不平衡电桥
2.4 热电偶传感器
（3）中间温度定律
在热电偶回路中，两结点温度为T、T0时的热电动势， 等于该热电偶在结点温度为T、Ta和Ta、T0时热电动势 的代数和，即
E AB (T , T0 ) = E AB (T ,0) + E AB ( 0, T0 )
（4）标准电极定律
当温度为T、T0时，用导体A、B组成的热电偶的热 电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势之代数和， 即 E AB (T , T0 ) = E AC (T , T0 ) + E CB (T , T0 ) 导体C称为标准电极，故把这一定律称为标准电极 定律。
2、热电偶的分类
（1）热电偶材料分：贵金属、廉价金属、难熔金属和非 金属。 （2）按用途和结构分：普通工业用（直形、角形和锥形） 和专用（钢水消耗、多点式和表面测温）。
2.4 热电偶传感器
3、热电偶的测温原理:
热电偶测温是基于热电效应，在两种不同 的导体（或半导体）A和B组成的闭合回路中， 如果它们两个接点的温度不同，则回路中产生 一个电动势，通常我们称这种现象为热电势， 这种现象就是热电效应 。 接触电势和温差电势。
2.4 热电偶传感器
4、热电偶基本定律 （1）均质导体定律
由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论其 截面、长度如何以及各处的温度如何分布，都不会产 生热电动势。即热电偶必须采用两种不同材料作为电 极。
（2）中间导体定律
在热电偶回路中，接入第三种导体C，只要这第三 种导体两端温度相同，则热电偶所产生的热电动势保 持不变。即第三种导体C的引入对热电偶回路的总电动 势没有影响。
第2章 温度检测
温度是表征物体或系统的冷热程度 的物理量。温度单位是国际单位制中七 个基本单位之一。本章在简单介绍温标 及测温方法的基础上，重点介绍膨胀式 温度测量、电阻式温度传感与测试、热 电偶温度计、辐射式温度计、光导纤维 温度计、集成温度传感技术等测温原理 及方法。
2.1 温标及测温方法
2.1.1 温 标 经验温标:1.摄氏温标;2.华氏温标;3. 列氏温标。摄 氏、华氏、列氏温度之间的换算关系为 C=(5/9)*(F-32)=(5/4)R 热力学温标:1848年威廉.汤姆首先提出以热力学第二 定律为基础建立起来的温度仅与热量有关而与物质无 关的热力学温标。因是开尔文总结出来的故又称为开 尔文温标，用符号 K表示。 国际实用温标 为了解决国际上温度标准的统一及实用问题，国 际上协商决定，建立一种既能体现热力学温度（即能 保证一定的准确度），又使用方便、容易实现的温标， 这就是国际实用温标，又称国际温标。
产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起 的热电势变化值，如图所示。
5、软件处理法
2.4 热电偶传感器
2.4.5 热电偶常用测温线路
1、测量某点温度的基本电路 2、测量两点之间温度差的测温电路