第6章 温度传感器.ppt

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1、四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术1第第6章章温度传感器温度传感器四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术2目录v简介v热电偶v热电阻v晶体管和集成温度传感器v本章小结四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术3简 介v什么是温度传感器？v分类四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术4什么是温度传感器？什么是温度传感器？v温度传感器是一种将温度变化转换温度传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。为电量变化的装置。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术5分 类v三类：（1）热电偶是将温度变化转换为电势变化）热电偶是将温度变化转换为电势变化（2）热热电电阻阻是是将将温

2、温度度变变化化转转换换为为电电阻阻值值的的变变化。化。（3）晶体管和集成温度传感器是将温度的变化转变为电压或电流的变化。v这三种传感器目前在工业产生中已得到广泛应用，并且有与其相配套的显示仪表与记录仪表。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术6热电偶热电偶v热热电电偶偶是是将将温温度度量量转转换换为为电电势势大大小小的的热热电电式式传传感感器。器。v自自19世世纪纪发发现现热热电电效效应应以以来来，热热电电偶偶被被越越来来越越广广泛泛地地用用来来测测量量1001300范范围围内内的的温温度度，根根据据需需要要还还可可以以用用来来测测量量更更高高或或更更低低的的温温度度。它它具具有有结结构

3、构简简单单，使使用用方方便便，精精度度高高热热惯惯性性小小，可可测测局局部部温温度度和和便便于于远远距距离离传传送送与与集集中中检检测测、自自动动记记录录等优点。等优点。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术7热电偶v热电偶的基本原理v热电偶的类型及结构v热电势的测量及热电偶的标定v热电偶的传热误差和动态误差四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术8热电偶的基本原理热电偶的基本原理v一、热电效应一、热电效应v二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律v三、热电偶冷端温度及其补偿三、热电偶冷端温度及其补偿四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术9热电效应热电效应v1823年塞贝克年塞

4、贝克(Seebeck)发现在两种不发现在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，处的温度不同时，回路中就要产生热电势，称为称为塞贝克电势塞贝克电势。这个物理现象称为。这个物理现象称为热电热电效应效应。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术10原原理理v式式中中，ab为为热热电电势势率率或或塞塞贝贝克克系系数数，其其值值随随热热电极材料和两接点的温度而定；电极材料和两接点的温度而定；v后后来来研研究究指指出出，热热电电效效应应产产生生的的电电势势EAB(T,T0)是是由由珀珀尔尔帖帖(Peltier)效效应应和和汤

5、汤姆姆逊逊(Thomson)效效应引起的应引起的。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术111珀尔帖效应珀尔帖效应接触电势原理图接触电势原理图+ABTeAB(T)-v什么是珀尔帖效应呢？什么是珀尔帖效应呢？v通过上图你又能想到什么呢？通过上图你又能想到什么呢？四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术12珀尔帖效应珀尔帖效应v将将同同温温度度的的两两种种不不同同的的金金属属互互相相接接触触。由由于于不不同同金金属属内内自自由由电电子子的的密密度度不不同同，在在两两金金属属A和和B的的接接触触处处会会发发生生自自由由电电子子的的扩扩散散现现象象，自自由由电电子子将将从从密密度度大大的的金

6、金属属A扩扩散散到到密密度度小小的的金金属属B，使使A失失去去电电子子带带正正电电B得得到到电电子子带带负负电电直直至至在在接接点点处处建建立立了了强强度度充充分分的的电电杨杨，能能够够阻阻止止电电子子扩扩散散达达到到平平衡衡为为止止。两两种种不不同同金金属属的的接接点点处处产产生生的的电电动动势势称称为为珀珀尔尔帖帖电电势势，又又称称接接触触电电势。势。此效应称为珀尔帖效应。此效应称为珀尔帖效应。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术13根据电子理论根据电子理论:温度为温度为T，T0端端产生的接触电势产生的接触电势方向相反，故回路的接触电势为：方向相反，故回路的接触电势为：四川省精品课

7、程传感技术四川省精品课程传感技术142汤姆逊效应汤姆逊效应v假假设设在在一一匀匀质质棒棒状状导导体体的的一一端端加加热热，则则沿沿此此棒棒状状导导体体有有温温度度梯梯度度导导体体内内自自由由电电子子将将从从温温度度高高的的一一端端向向温温度度低低的的一一端端扩扩散散，并并在在温温度度较较低低一一端端积积累累起起来来，使使棒棒内内建建立立起起一一电电场场。当当这这电电场场对对电电子子的的作作用用力力与与扩扩散散力力相相平平衡衡时时，扩扩散散作作用用即即停停止止。电电场场产产生生的的电电势势称称为为汤汤姆姆逊逊电电势势或或温温差差电电势势。此此效效应应称称为为汤汤姆姆逊效应。逊效应。AeA(T,T

8、o)ToT温差电势原理图温差电势原理图四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术15对对于于导导体体A、B组组成成的的热热电电偶偶回回路路，当当接接点点温温度度TT0时时，回回路路的的温差电势等于导体温差电势的代数和，即温差电势等于导体温差电势的代数和，即:综上所述，热电极综上所述，热电极A、B组成的热电偶回路，当接点温度组成的热电偶回路，当接点温度TT0时，其总热电势为：时，其总热电势为：当匀质导体两端的温度分别当匀质导体两端的温度分别是是T、T时，温差电势为时，温差电势为:四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术16重要结论：重要结论：v(1)如如果果热热电电偶偶二二个个电电极极的的

9、材材料料相相同同，二二个个接接点点温温度度虽虽不不同同不会产生电势；不会产生电势；v(2)如如果果二二个个电电极极材材料料不不同同但但两两接接点点温温度度相相同同，也也不不会会产产生电势；生电势；v(3)当当热热电电偶偶二二个个电电极极的的材材料料不不同同，且且A、B固固定定后后，EAB(T,T0)便为二接点温度便为二接点温度T和和T0的函数，即的函数，即:EAB(T,T0)=E(T)-E(T0)v当当T0保保持持不不变变，即即E(T0)被被认认为为是是常常数数，则则热热电电势势置置EAB(T,T0)便为热电偶热端温度便为热电偶热端温度T的函数：的函数：EAB(T,T0)=E(T)-C由由此此

10、可可知知,EAB(T,T0)和和T有有单单值值对对应应关关系系，这这是是热热电电偶偶测测温温的基本公式。的基本公式。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术17 热热电电极极的的极极性性：测测量量端端失失去去电电子子的的热热电电极极为为正正极极，得得到到电电子子的的热热电电极极为为负负极极。在在热热电电势势符符号号EAB(T,T0)，规规定定写写在在前前面面的的A、T分别为正极和高温，写在后面的分别为正极和高温，写在后面的B、T0分别为负极和低温。分别为负极和低温。如果它们的前后位置互换，则热电势极性相反，如如果它们的前后位置互换，则热电势极性相反，如:EAB(T,T0)一一EBA(T,T

11、0)EAB(T,T0)=一一EAB(T0,T)判判断断热热电电势势极极性性最最可可靠靠的的方方法法是是将将热热端端稍稍加加热热，在在冷冷端端用用直直流流电表辨别。电表辨别。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术18 二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律1.均质导体定律均质导体定律 两两种种均均质质金金属属组组成成的的热热电电偶偶，其其电电势势大大小小与与热热电电极极直直径径、长长度度及及沿沿热热电电极极长长度度上上的的温温度度分分布布无无关关，只只与与热热电电极极材材料料和和两两端端温度有关。温度有关。如如果果材材质质不不均均匀匀，则则当当热热电电极极上上各各处处温温度度不不同同时时

12、将将产产生生附附加加热热电电势势，造造成成无无法法估估计计的的测测量量误误差差，因因此此，热热电电极极材材料料的的均均匀性匀性是衡量热电偶质量的是衡量热电偶质量的重要指标之一重要指标之一。2中间导体定律中间导体定律 在在热热电电偶偶回回路路中中插插入入第第三三、四四种种导导体体，只只要要插插入入导导体体的的两两端端温温度度相相等等，且且插插入入导导体体是是匀匀质质的的，则则无无论论插插入入导导体体的的温温度度分分布布如何，都不会影响原来热电偶的热电势的大小。如何，都不会影响原来热电偶的热电势的大小。因因此此，我我们们可可以以将将毫毫伏伏表表(一一般般为为铜铜线线)接接入入热热电电偶偶回回路路，

13、并并保保证证两两个个结结点点温温度度一一致致就就可可对对热热电电势势进进行行测测量量，而而不不影影响响热热电偶的输出。电偶的输出。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术193中间温度定律中间温度定律 热热电电偶偶在在接接点点温温度度为为T，T0时时的的热热电电势势等等于于该该热热电电偶偶在在接接点点温温度度为为T，Tn和和Tn，T0时时相相应应的的热热电电势势的的代代数数和和，即即:EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)如如T0=0,有：有：EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术20三、热电偶冷端温度

14、及其补偿三、热电偶冷端温度及其补偿v热电偶热电势的大小与热电极材料及两接点的温热电偶热电势的大小与热电极材料及两接点的温度有关。只有在热电极材料一定，其冷端温度度有关。只有在热电极材料一定，其冷端温度T0保持不变的情况下，其热电势么保持不变的情况下，其热电势么EAB(T,T0)才是才是其工作端温度其工作端温度T的单值函数。热电偶的分度表是的单值函数。热电偶的分度表是在热电偶冷端温度等于在热电偶冷端温度等于0的条件下测得的，所的条件下测得的，所以使用时，只有满足以使用时，只有满足T0=0的条件，才能直接应的条件，才能直接应用分度表或分度曲线。用分度表或分度曲线。v在工程测温中，冷端温度常随环境温

15、度的变化而在工程测温中，冷端温度常随环境温度的变化而变化，将引入误差，所以要采取以下的修正或补变化，将引入误差，所以要采取以下的修正或补偿措施。偿措施。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术21补偿措施：v冷端温度修正法v冷端温度自动补偿法v延引热电极法四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术221冷端温度修正法冷端温度修正法对于冷端温度不等于对于冷端温度不等于0，但能保持恒定，但能保持恒定不变的情况，可采用修正法。不变的情况，可采用修正法。1)热电势修正法热电势修正法2)温度修正法温度修正法四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术231)热电势修正法热电势修正法v原原理理：根根

16、据据中中间间温温度度定定律律，将将电电势势换换算算到到冷冷端端为为0时应为：时应为：EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术24v例例用用镍镍铬铬一一镍镍硅硅热热电电偶偶测测炉炉温温。当当冷冷端端温温度度T030时时，测测得得热热电电势势为为E(T,T0)39.17mV，则则实实际际炉温是多少度炉温是多少度?由由T030查分度表得查分度表得E(30，0)1.2mV则则E(T,0)E(T，30)十十E(30，0)39.17十十1.240.37(mV)再再用用40.37mv查查分分度度表表得得977，即即实实际际炉炉温温为为977v若

17、若直直接接用用测测得得的的热热电电势势39.17mv查查分分度度表表则则其其值值为为946，产生，产生31的测量误差。的测量误差。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术252)温度修正法温度修正法v令令T为为仪仪表表的的指指示示温温度度，T0为为冷冷端端温温度度，则则被被测测的的真真实温度实温度T，为，为：TT十十kT0v式式中中k为为热热电电偶偶的的修修正正系系数数，决决定定于于热热电电偶偶种种类类和和被被测温度范围。测温度范围。v例例上上例例中中测测得得炉炉温温为为946(3917mV)，冷冷端端温温度度为为30，查表，查表k1.00则则T946130976()v与与用用热热电电势势

18、修修正正法法所所得得结结果果相相比比，只只差差1因因而而这这种方法在工程上应用较为广泛。种方法在工程上应用较为广泛。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术26温度T/补正系数k铂铑10-铂(S)镍铬-镍硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.5313000.5214000.5215000.5316000.53热电偶补正系数四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术

19、272冷冷端端温度自动补偿法温度自动补偿法v热热电电偶偶在在实实际际测测温温中中，冷冷端端一一般般暴暴露露在在空空气气中中，受受到到周周围围介介质质温温度度波波动动的的影影响响它它的的温温度度不不可可能能恒恒定定或或保保持持0不不变变，不不宜宜采采用用修修正正法法，可可用用电电势势补补偿偿法。法。v产产生生补补偿偿电电势势的的方方法法很很多多,主主要要介介绍绍电电桥桥补补偿偿法法和和pn结补偿法结补偿法。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术28电桥补偿法v说明v补偿原理四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术29说说明明v电电桥桥补补偿偿法法是是用用电电桥桥的的不不平平衡衡电电压压

20、(补补偿偿电电势势)去去消消除除冷冷端端温温度度变变化化的的影影响响，这这种种装装置置称称为为冷冷端端温温度度补补偿器。偿器。v桥桥臂臂电电阻阻R1，R2，R3和和限限流流电电阻阻Rs的的电电阻阻值值几几乎乎不随温度变化。不随温度变化。vRCu为铜电阻，其阻值随温度升高而增大。为铜电阻，其阻值随温度升高而增大。v电桥由直流稳压电源供电。电桥由直流稳压电源供电。v在在某某一一温温度度下下设设计计电电桥桥处处于于平平衡衡状状态态，则则电电桥桥输输出出为为0该该温温度度称称为为电电桥桥平平衡衡点点温温度度或或补补偿偿温温度度。此时补偿电桥对热电偶回路的热电势没有影响。此时补偿电桥对热电偶回路的热电势

21、没有影响。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术30补偿原理补偿原理v当当环环境境温温度度变变化化时时，冷冷端端温温度度随随之之变变化化，热热电电偶偶的电势值随之变化的电势值随之变化 E1；v与与此此同同时时，RCu电电阻阻值值也也随随环环境境温温度度变变化化，使使电电桥桥失失去去平平衡衡，有有不不平平衡衡电电压压 E2输输出出。如如果果设设计计的的 E1与与 E2数数值值相相等等极极性性相相反反则则选选加加后后互互相相抵抵消消，因因而而起起到到冷冷端端温温度度变变化化自自动动补补偿偿的的作作用用。这这就相当于将冷端恒定在电桥平衡点温度。就相当于将冷端恒定在电桥平衡点温度。四川省精品课程

22、传感技术四川省精品课程传感技术31pn结补偿法结补偿法四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术323延引热电极法延引热电极法v一一般般恒恒温温装装置置或或补补偿偿器器距距被被测测对对象象较较远远，需需要要很很长长的的热热电电极极把把冷冷端端引引到到这这些些装装置置中中，这这对对于于贵贵金金属属热热电电偶偶是是很很不不经经济济的的。可可以以用用比比较较便便宜宜的的、在在0一一100温温度度范范围围内内热热电电性性质质与与工工作作热热电电偶偶相相近近的的导导线线代代替替负负金金属属热热电电极极。这这种种导导线线常常称称为为延延引引电电极极、冷冷端延长线或冷端补偿导线端延长线或冷端补偿导线。四川

23、省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术33说说明明v不同的热电偶必须选用相应的补偿导线；不同的热电偶必须选用相应的补偿导线；v延延伸伸导导线线和和热热电电极极联联接接处处两两接接点点的的温温度度必必须须相相同同，而而且且不不可可超超过过规规定定的的温温度度范范围围(一一般般为为0一一100)；v采采用用延延伸伸导导线线只只是是移移动动了了冷冷端端点点的的位位置置，当当该该处温度不为处温度不为0时，仍须进行冷端温度补偿。时，仍须进行冷端温度补偿。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术34mVABABTCC仪仪表表铜铜导导线线试管试管补偿导线补偿导线热电偶热电偶冰点槽冰点槽冰水溶液冰水溶液

24、T0四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术35热电偶的类型及结构热电偶的类型及结构v1对热电极材料的基本要求对热电极材料的基本要求v2热电偶类型热电偶类型v3.热电偶结构热电偶结构四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术361对热电极材料的基本要求对热电极材料的基本要求热热电电特特性性稳稳定定，即即热热电电势势与与温温度度的的对对应应关关系系不不会会变动；变动；热热电电势势要要足足够够大大，这这样样易易于于测测量量热热电电势势，且且可可得得到较高的准确度；到较高的准确度；热热电电势势与与温温度度为为单单值值关关系系，最最好好成成线线性性关关系系，或或简单的函数关系；简单的函数关系；电

25、电阻阻温温度度系系数数和和电电阻阻率率要要小小，否否则则热热电电偶偶的的电电阻阻将将随随工工作作端端温温度度而而有有较较大大的的变变化化影影响响测测量量结结果果的的准确性准确性物理性能稳定物理性能稳定，化学成分均匀，化学成分均匀,不易氧化和腐蚀不易氧化和腐蚀材料的材料的复制性好复制性好；材料的材料的机械强度要高机械强度要高。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术372热电偶类型热电偶类型v标准化热电偶标准化热电偶v非标准化热电偶非标准化热电偶四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术38标准化热电偶标准化热电偶v铂铑铂铑10-铂铂热电偶热电偶(WRLB)(分度号：分度号：LB一一3)v

26、铂铂铑铑30-铂铂铑铑6热热电电偶偶WRLL)(分分度度号号：LL一一2)v镍铬一康铜镍铬一康铜热电偶热电偶(WREA)(分度号：分度号：EA一一2)v铜一康铜铜一康铜热电偶热电偶(分度号：分度号：CK)四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术39测量范围和准确度测量范围和准确度热电偶类别热电偶类别代号代号分度号分度号测量范围（测量范围（）允许偏差允许偏差 tt铂铑铂铑 30-30-铂铑铂铑 6 6WRRWRRB B600 600 17001700 1.5 1.5 或或 0.25t0.25t铂铑铂铑 10-10-铂铂WRPWRPS S0 0 16001600 1.5 1.5 或或 0.25

27、t0.25t镍铬镍铬 -镍硅镍硅WRNWRNK K0 0 12001200 2.5 2.5 或或 0.75t0.75t镍铬镍铬 -铜镍铜镍WREWREE E0 0 900900 2.5 2.5 或或 0.75t0.75t四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术40非标准化热电偶非标准化热电偶v铁一康铜铁一康铜热电偶热电偶(测温上限为测温上限为600)v钨一钼钨一钼热电偶（测温上限热电偶（测温上限2100）v钨铼系钨铼系热电偶（热电偶（测温上限测温上限2400）v其其他他：铱铱铭铭系系热热电电偶偶、镍镍铬铬一一金金铁铁热热电电偶偶、镍镍钴钴一一镍镍铝铝热热电电偶偶、双双铂铂钼钼热热电电偶偶，

28、以以及及一一些非金属热电偶，如热解石墨热电偶等些非金属热电偶，如热解石墨热电偶等四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术413.热电偶结构热电偶结构v1.普通型热电偶普通型热电偶v2.铠装热电偶铠装热电偶v3.小惯性热电偶小惯性热电偶四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术42热电势的测量及热电偶的标定热电势的测量及热电偶的标定v一、热电势的测量一、热电势的测量v二、热电偶的标定二、热电偶的标定四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术43一、热电势的测量一、热电势的测量v伺服式温度表伺服式温度表v数字式温度表数字式温度表四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术441.伺服式温度

29、表伺服式温度表Ex-IRab=iR可以用可变电阻触点可以用可变电阻触点b的位置标明被测电势值的位置标明被测电势值令令i=0,得到：得到：Ex=IRab四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术45工作原理工作原理Ex-IRab=iREx被测电势；被测电势；I,i分别为工作电流回路和测量回路的电流；分别为工作电流回路和测量回路的电流；R-a,b间的可变电阻间的可变电阻Rab，检流计内阻和电势源，检流计内阻和电势源Ex的内阻之和。的内阻之和。令令i=0,得到：得到：Ex=IRab可以用可变电阻触点可以用可变电阻触点b的位置标明被测电势值的位置标明被测电势值四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感

30、技术462.数字式温度表数字式温度表使用时必须注意两点：使用时必须注意两点：热热电电偶偶输输出出的的热热电电势势一一般般都都很很小小，在在进进行行AD转转换换前前，必必须须经经过过高高增增益益的的直直流流放放大大，常常用用数数据据放放大器。大器。热热电电偶偶的的热热电电特特性性，一一般般来来讲讲都都是是非非线线性性的的。欲欲使使显显示示数数或或输输出出脉脉冲冲数数与与被被测测温温度度直直接接相相对对应应，必必须须采采取取线线性性化化措措施施。在在带带有有计计算算机机或或微微处处理理机机的的测测量量系系统统中中，非非线线性性校校正正(和和冷冷端端补补偿偿)工工作作，都都直直接接由由计计算算机机完

31、完成成，即即所所谓谓“软软件件校校正正法法”。但但目目的的用用得得更更多多的的是是所所谓谓“硬硬件件校校正正法法”，即即采采用非线性校正装置，也称用非线性校正装置，也称“线性化器线性化器”。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术47二、热电偶的标定二、热电偶的标定v标标定定的的目目的的是是核核对对标标准准热热电电偶偶热热电电势势一一温温度度关关系系是是否否符符合合标标准准，或或确确定定非非标标准准热热电电偶偶的的热热电电势势一一温温度度标标定定曲曲线线，也也可可以以通通过过标标定定消消除测量系统的系统误差。除测量系统的系统误差。v标定方法有标定方法有定点法和比较法定点法和比较法。四川省精

32、品课程传感技术四川省精品课程传感技术48p定定点点法法是是以以纯纯元元素素的的沸沸点点或或凝凝固固点点作作为为温温度度标标准准。如如基基准准铂铂铑铑10-铂铂热热电电偶偶在在630.755-1064.43的的温温度度间间隔隔内内，以以金金的的凝凝固固点点1064.43、银银的的凝凝固固点点961.93、锑锑凝凝固固点点630.7752作为标准温度进行标定。作为标准温度进行标定。p比比较较法法是是将将标标准准热热电电偶偶与与被被标标定定热热电电偶偶之之间间直直接接进进行行比比较较，比比较较法法又又可可分分为为双双极极法法，同同名极法名极法(单极法单极法)和微差法和微差法p这里主要介绍双极法。这里

33、主要介绍双极法。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术4978564321稳稳压压电电源源220V1-调压变压器；调压变压器；2-管式电炉；管式电炉；3标准热电偶；标准热电偶；4-被校热电偶；被校热电偶；5-冰瓶；冰瓶；6-切换开关；切换开关；7-测试仪表；测试仪表；8-试管试管双极法标定系统双极法标定系统四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术50双极法标定系统原理双极法标定系统原理v标标定定铂铂铑铑一一铂铂热热电电偶偶时时，将将标标准准热热电电偶偶与与被被标标定定热热电电偶偶的的工工作作端端用用铂铂丝丝捆捆扎扎在在一一起起，插插到到管管式式护护内内的的均均匀匀温温度度场场中中，冷

34、冷端端分分别别插插在在0的的恒恒温温器器中中。用用自自耦耦变变压压器器1调调节节炉炉温温，当当炉炉温温到到达达所所需需的的标标定定温温度度点点的的10内内，且且炉炉温温变变化化每每分分钟钟不不超超过过0.2时时，就就可可读读数数。每每一一个个标标定定点点温温度度的的读数不得少于四次。读数不得少于四次。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术51图图(a)用于同型号热电偶的自动标定用于同型号热电偶的自动标定四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术52图（图（b)不同型号的热电偶自动标定不同型号的热电偶自动标定电阻炉电阻炉被校温被校温度计度计标准温标准温度计度计函数发生器函数发生器减法器减

35、法器记录仪记录仪温度调温度调节器节器程序控程序控制器制器tt四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术53图图(a)工作原理工作原理v图图(a)用于同型号热电偶的自动标定用于同型号热电偶的自动标定。它同时。它同时测量电炉温度测量电炉温度t，分别输出热电势，分别输出热电势EB和和Et，在，在减法器内被比较得电势差值减法器内被比较得电势差值 EEt-EB，E输入记录仪进行记录。输入记录仪进行记录。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术54图图(b)工作原理工作原理v图图(b)用用于于不不同同型型号号的的热热电电偶偶自自动动标标定定，如如用用标标准准铂铂镑镑热热电电偶偶标标定定贱贱金金属属热

36、热电电偶偶，两两者者的的热热电电势势不不能能直直接接比比较较因因此此，由由函函数数发发生生器器将将标标准准热热电电偶偶输输出出的的热热电电势势EB转转换换为为EB，然后输入减法器与，然后输入减法器与ET相比较。相比较。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术55热电偶的传热误差和动态误差热电偶的传热误差和动态误差v传热误差传热误差v动态误差动态误差四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术56一、传热误差一、传热误差v采采用用热热电电偶偶测测温温与与其其它它感感温温元元件件一一样样，是是通通过热电偶与被测介质之间的过热电偶与被测介质之间的热量交换热量交换。v热热电电偶偶吸吸收收了了被被测

37、测介介质质传传送送来来的的热热量量，一一方方面面用用以以加加热热，提提高高自自身身的的温温度度；同同时时又又向向周周围散失热量。围散失热量。v当当热热交交换换达达到到平平衡衡状状态态时时，热热电电偶偶的的测测量量端端也也就就达达到到一一个个稳稳定定的的温温度度。但但由由于于热热量量的的散散失失，热热电电偶偶测测量量端端的的温温度度低低于于被被测测介介质质的的温温度度，这这时时热热电电偶偶的的显显示示误误差差称称为为传传热热误误差差它它是是由由传传导导、对对流流、辐辐射射三三种种基基本本热热交交换换形形式造成的。式造成的。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术57二、动态误差二、动态误差v

38、用热电偶测量温度时，由于热接点具有一用热电偶测量温度时，由于热接点具有一定的热容量，则热接点从介质今吸收热量定的热容量，则热接点从介质今吸收热量后，加热自身提高温度到稳定值就需要一后，加热自身提高温度到稳定值就需要一定的时间，即热接点的温度变化，在时间定的时间，即热接点的温度变化，在时间上总是滞后于被测介质的温度变化。上总是滞后于被测介质的温度变化。这种这种由于热惯性引起的温度偏差值，称为动态由于热惯性引起的温度偏差值，称为动态响应误差。响应误差。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术58热电阻热电阻v利利用用感感温温电电阻阻，把把测测量量温温度度转转化化成成测测量量电电阻阻的的电电阻阻

39、式式测测温温系系统统，常常用用于于测测量量200500范范围围内内的的温温度度。它它是是利利用用热热电电阻阻和热敏电阻的电阻率温度系数而制成温度传感器的。和热敏电阻的电阻率温度系数而制成温度传感器的。v大大多多数数金金属属导导体体和和半半导导体体的的电电阻阻率率都都随随温温度度发发生生变变化化，都都称称为为热热电电阻阻，纯纯金金属属有有正正的的温温度度系系数数，半半导导体体有有负负的的电电阻阻温温度度系系数数。用用金金属属导导体体或或半半导导体体制制成成的的传传感感器器，分分别别称称为为金金属属电电阻温度计和半导体电阻温度计阻温度计和半导体电阻温度计。v随随着着科科学学技技术术的的发发展展，热

40、热电电阻阻的的应应用用范范围围已已扩扩展展到到15K的的超超低低温温领领域域。同同时时在在10001200温温度度范范围围内内也也有有足足够够好好的的特性。特性。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术59金属热电阻一、工作原理、结构和材料一、工作原理、结构和材料大大多多数数金金届届导导体体的的电电阻阻，都都具具有有随随温温度度变变化化的的特特性性。其特性方程式如下其特性方程式如下:RiR01+a(T-T0)式中：式中：Ri,R0分别为热电阻在分别为热电阻在T和和0时的电阻值；时的电阻值；a热电阻的电阻温度系数热电阻的电阻温度系数(1)。对对于于绝绝大大多多数数金金属属导导体体，a并并不不

41、是是一一个个常常数数，而而是是温温度度的的函函数数。但但在在一一定定的的温温度度范范围围内内，可可近近似似地地看看作作为为一一个个常常数数。不不同同的的金金属属导导体体，a保保持持常常数数所所对对应应的的湿湿度度范围不同。范围不同。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术60选作感温元件的材料应满足如下要求：选作感温元件的材料应满足如下要求：1.材材料料的的电电阻阻温温度度系系数数a要要越越大大越越好好，纯纯金金属属的的a比比合合金的高金的高，所以一般均采用纯金属作熟电阻元件；，所以一般均采用纯金属作熟电阻元件；2.在测温范围内，在测温范围内，材料的物理、化学性质应稳定材料的物理、化学性质

42、应稳定；3.在在测测温温范范围围内内，a保保持持常常数数，便便于于实实现现温温度度表表的的线线性刻度特性；性刻度特性；4.具具有有比比较较大大的的电电阻阻率率，以以利利于于减减少少热热电电阻阻的的体体积积，减小热惯性减小热惯性.5.特性复现性好，容易复制特性复现性好，容易复制。比较适合以上要求的材料有：比较适合以上要求的材料有：铂、铜、铁和镍铂、铜、铁和镍。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术611铂热电阻铂热电阻铂的纯度通常用铂的纯度通常用W(100)表示，即表示，即:0630.755:-1900:对对W(100)1.391有有A3.9684710-3B-5.84710-72，C-4

43、.2210-12/4 对对W(100)1.389有有A3.9485110-3.B-5.85110-7/2，C-4.04 10-12/4 四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术62 铂电阻一般由直径为铂电阻一般由直径为0.05一一0.07mm铂丝绕在片形云母铂丝绕在片形云母骨架上，铀丝的引线采用银线，引线用双孔瓷绝缘套骨架上，铀丝的引线采用银线，引线用双孔瓷绝缘套管绝缘。管绝缘。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术63铂热电阻的结构四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术64 2铜热电阻铜热电阻v铜铜丝丝可可用用来来制制造造-50150范范围围内内的的工工业业用用电电阻阻温温度

44、度汁汁。在在此此温温度度范范围围内内线线性性关关系系好好，灵灵 敏敏 度度 比比 铂铂 电电 阻阻 高高(a(4.254.28)10-3)容容易易得得到到高高纯纯度度材材料料，复复制制性性能能好。好。v但但铜铜易易于于氧氧化化，一一般般只只用用于于150以以下下的的低低温温测测量量和和没没有有水水分分及及无无侵侵蚀蚀性性介介中中的的温温度度测量。测量。通通常常利利用用二二项项式式计计算算测测量量的铜电阻值为的铜电阻值为:RTR01十十a(TT0)四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术65分度号 G Cu50Cu100Re()53 50100R100/R01.4250.001 1.4250

45、.002精度等级 R0允许误差（%）0.1 0.1最大允许误差（%）（0.33.5）（0.36.0）铜热电阻技术特性表铜热电阻技术特性表四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术66铁电阻和镍电阻p铁和镍这两种金属的铁和镍这两种金属的电阻温度系数较电阻温度系数较高，电阻率较大高，电阻率较大，故可作成，故可作成体积小、体积小、灵敏度高灵敏度高的的电阻温度计。的的电阻温度计。p其特点是其特点是容易氧化容易氧化、化学稳定性差、化学稳定性差、不易提纯，复制性差，而且电阻值与不易提纯，复制性差，而且电阻值与温度的温度的线性关系差线性关系差。p目前目前应用不多应用不多；四川省精品课程传感技术四川省精品课

46、程传感技术67p热热电电阻阻的的结结构构比比较较简简单单，一一般般将将电电阻阻丝丝绕绕在在云云母母、石石英英、陶陶瓷瓷、塑塑料料等等绝绝缘缘骨骨架架上上，经经过过固固定定，外外面再加上保护套管。面再加上保护套管。p但但骨骨架架性性能能的的好好坏坏，影影响响其其测测量量精精度度、体体积积大大小小和使用寿命。和使用寿命。p对骨架的要求是对骨架的要求是：电绝缘性能好；电绝缘性能好；在在高高、低低温温下下有有足足够够的的机机械械强强度度，在在高高温温下下有有足足够的刚度；够的刚度；体体膨膨胀胀系系数数要要小小，在在温温度度变变化化后后不不结结热热电电阻阻丝丝造造成压力；成压力；不对电阻丝产生化学作用。

47、不对电阻丝产生化学作用。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术68二、测量电路二、测量电路 电电阻阻温温度度计计的的测测量量电电路路员员常常用用的的是是电电桥电路，精度较高的是自动电桥桥电路，精度较高的是自动电桥。为为消消除除由由于于连连接接导导线线电电阻阻随随环环境境温温度度变变化化而而造造成成的的测测量量误误差差，常常采采用用三三线线和和四四线连接法线连接法。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术69热电阻测量电桥的三线连接法四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术70调零的Ra电位器的接触电阻和检流计串联，这样，接触电阻的不稳定不会破坏电桥的平衡和正常工作状态。热电阻测温

48、电桥的四线连接法热电阻测温电桥的四线连接法四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术71热电阻式温度计优点：性能最稳定，测量范围广、精度也热电阻式温度计优点：性能最稳定，测量范围广、精度也高。特别是在低温测量中得到广泛的应用。高。特别是在低温测量中得到广泛的应用。其缺点是需要辅助电源。热容量大限制了它在动态测量中其缺点是需要辅助电源。热容量大限制了它在动态测量中的应用。的应用。为避免热电阻中流过电流的加热效应，在设计电桥时为避免热电阻中流过电流的加热效应，在设计电桥时,要要使流过热电阻的电流尽量小，一般小于使流过热电阻的电流尽量小，一般小于10mA(?)四川省精品课程传感技术四川省精品课程传

49、感技术72半导体热敏电阻半导体热敏电阻v一般说来，半导体比金属具有更大的电阻温度系数。一般说来，半导体比金属具有更大的电阻温度系数。v半半导导体体热热敏敏电电阻阻包包括括正正温温度度系系数数(PTC)、负负温温度度系系数数(NTC)、临界温度系数、临界温度系数(CTR)热敏电阻等几类。热敏电阻等几类。vPTC热热敏敏电电阻阻主主要要采采用用BaTiO3系系列列的的材材料料，当当温温度度超超过过某某一一数数值值时时，其其电电阻阻值值朝朝正正的的方方向向快快速速变变化化。其其用用途途主主要要是是彩彩电电消消滋滋，各各种种电电器器设设备备的的过过热热保保护护，发发热源的定温控制，也可以作为限流元件使

50、用。热源的定温控制，也可以作为限流元件使用。四川省精品课程传感技术四川省精品课程传感技术73vCTR热热敏敏电电阻阻采采用用VO2系系列列等等材材料料，在在某某个个温温度度值上电阻值急剧变化。其用途主要用作温度开关。值上电阻值急剧变化。其用途主要用作温度开关。vNTC热热敏敏电电阻阻具具有有很很高高的的负负电电阻阻温温度度系系数数，特特别别适适用用于于-100300之之间间测测温温。在在点点温温、表表面面温温度度、温温差差、温温场场等等测测量量中中得得到到日日益益广广泛泛的的应应用用，同同时时也也广广泛泛地地应应用用在在自自动动控控制制及及电电子子线线路路的的热热补补偿偿线线路中。路中。四川省