第十章熱電式傳感器

溫度是表征物體冷熱程度的物理量。它反映物體內部各分子運動平均動能的大小。溫度可以利用物體的某些物理性質（電阻、電勢等）隨著溫度變化的特征進行測量。測量方法按作用原理分接觸式和非接觸式。接觸式傳感器接觸溫度場，二者進行熱交換。（熱電偶、熱電阻溫度傳感器）。

測溫范圍在-250——1800度，適用于遠距離多點測量。非接觸式測溫方法是應用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。物體輻射能量的大小與溫度有關,當選擇合適的接收檢測裝置時,便可測得被測對象發出的熱輻射能量并且轉換成可測量和顯示的各種信號,實現溫度的測量。這類測溫方法的溫度傳感器主要有光電高溫傳感器、紅外輻射溫度傳感器、光纖高溫傳感器等。測量范圍600—6000度。第一節熱電偶傳感器熱電偶是工程上應用最廣泛的溫度傳感器。它構造簡單,使用方便,具有較高的準確度、穩定性及復現性,溫度測量范圍寬,在溫度測量中占有重要的地位。一、熱電偶工作原理

1.熱電效應兩種不同材料的導體或半導體連成閉合回路，兩個接點分別置于溫度為T和T0的熱源中，該回路內會產生熱電勢。熱電勢的大小反映兩個接點溫度差，保持T0不變，熱電勢隨著溫度T變化而變化。測得熱電勢的值，即可知道溫度T的大小。

兩種不同的導體（或半導體）組成一個閉合回路,在閉合回路中，A、B導體稱為熱電極。T端結點稱為工作端或熱端；T0端結點稱為冷端或自由端。

產生的熱電勢由兩部分組成:溫差電勢和接觸電勢(1)接觸電勢產生原因：由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。兩種導體接觸時,自由電子由密度大的導體向密度小的導體擴散,（NA>NB,A到B）在接觸處失去電子的一側帶正電,得到電子的一側帶負電,形成穩定的接觸電勢。接觸電勢的數值取決于兩種不同導體的性質和接觸點的溫度。

式中:K——波爾茲曼常數;e——單位電荷電量;NAT、NBT和NAT0、NBT0——分別在溫度為T和T0時,導體A、B的自由電子密度。兩接點的接觸電勢和可表示為（2）同一導體溫差電勢同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種熱電勢。

同一導體的兩端溫度不同時,高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大,因而從高溫端跑到低溫端的電子數比從低溫端跑到高溫端的要多,結果高溫端因失去電子而帶正電,低溫端因獲得多余的電子而帶負電,形成一個靜電場，該靜電場阻止電子繼續向低溫端遷移，最后達到動態平衡。因此,在導體兩端便形成溫差電勢,其大小由下面公式給出:溫差電動勢：熱電偶回路中總的熱電勢應是接觸電勢與溫差電勢之和ＥAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)+eB(T,T0)-eA(T,T0)：湯姆遜系數，表示導體A兩端的溫度差為1℃時所產生的溫差電動勢。在總熱電勢中,溫差電勢比接觸電勢小很多,在精度要求不高的情況下,熱電偶的熱電勢可近似表示為：ＥAB(T,T0)≈eAB(T)-eAB(T0)對于已選定的熱電偶,當參考端溫度T0恒定時,eAB(T0)為常數,則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數關系,即ＥAB(T,T0)=EAB(T)-c=f(T)實際應用中,熱電勢與溫度之間關系是通過熱電偶分度表來確定的。分度表是在參考端溫度為0℃時,通過實驗建立起來的熱電勢與工作端溫度之間的數值對應關系。熱電偶回路的幾點結論：①如果構成熱電偶的兩個熱電極為材料相同的均質導體，則無論兩結點溫度如何，熱電偶回路內的總熱電勢為零。必須采用兩種不同的材料作為熱電極。②如果熱電偶兩結點溫度相等，熱電偶回路內的總電勢亦為零。③熱電偶AB的熱電勢與A、B材料的中間溫度無關，只與結點溫度有關。2.熱電偶基本定律

（1）中間導體定律利用熱電偶進行測溫,必須在回路中引入連接導線和儀表,接入導線和儀表后會不會影響回路中的熱電勢呢？中間導體定律說明,在熱電偶測溫回路內,接入第三種導體,只要其兩端溫度相同,則對回路的總熱電勢沒有影響。

接入第三種導體回路如圖所示。即EABC(T,T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0)（1）當T=T0

時,有

EABC(T0)=EAB(T0)+EBC(T0)+ECA(T0)=0

由此得EAB(T0)＝－EBC(T0)－ECA(T0)代入（1）式ＥＡＢＣ(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T,T0)

同理,加入第四、第五種導體后,只要加入的導體兩端溫度相等,同樣不影響回路中的總熱電勢。（2）參考電極定律當結點溫度為T,T0時，用導體A，B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢的代數和。對AC熱電偶：對BC熱電偶：所以：而：所以：

參考電極的實用價值在于：它可大大簡化熱電偶的選配工作。實際測溫中，只要獲得有關熱電極與參考電極配對時的熱電勢值，那么任何兩種熱電極配對時的熱電勢均可按公式而無需再逐個去測定。用作參考電極(標準電極)的材料，目前主要為純鉑絲材，因為鉑的熔點高，易提純，且在高溫與常溫時的物理、化學性能都比較穩定。

二、常用熱電偶

理論上講,任何兩種不同材料的導體都可以組成熱電偶,但為了準確可靠地測量溫度,對組成熱電偶的材料必須經過嚴格的選擇。工程上用于熱電偶的材料應滿足以下條件:熱電勢變化盡量大,熱電勢與溫度關系盡量接近線性關系,物理、化學性能穩定,易加工,復現性好,便于成批生產,有良好的互換性。實際上并非所有材料都能滿足上述要求。目前在國際上被公認比較好的熱電材料只有幾種。國際電工委員會（IEC）向世界各國推薦8種標準化熱電偶,所謂標準化熱電偶,它已列入工業標準化文件中,具有統一的分度表。我國從1988年開始采用IEC標準生產熱電偶。目前工業上常用的有四種標準化熱電偶1.鉑銠10－鉑熱電偶2.鎳鉻－鎳硅熱電偶3.鎳鉻－考銅熱電偶4.鎢錸5－鎢錸20熱電偶三、熱電偶的結構形式

為了適應不同生產對象的測溫要求和條件,熱電偶的結構形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。

(1)普通型熱電偶普通型結構熱電偶工業上使用最多,它一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成

(2)鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經拉伸加工而成的堅實組合體,它可以做得很細很長,使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝熱電偶的主要優點是測溫端熱容量小,動態響應快,機械強度高,撓性好,可安裝在結構復雜的裝置上,因此被廣泛用在許多工業部門中。(3)薄膜熱電偶

薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料,用真空蒸鍍、化學凃層等辦法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶,薄膜熱電偶的熱接點可以做得很小（可薄到0.01~0.1μm）,具有熱容量小,反應速度快等的特點,熱相應時間達到微秒級,適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態溫度測量。

四.熱電偶溫度補償方法

從熱電偶測溫基本公式可以看到,對某一種熱電偶來說熱電偶產生的熱電勢只與工作端溫度t和自由端溫度t0有關,即:EAB(t,t0)=EAB(t)-EAB(t0)

熱電偶的分度表是以t0=0℃作為基準進行分度的,而在實際使用過程中,參考端溫度往往不為0℃,那么工作端溫度為t時,分度表所對應的熱電勢EAB(t,0)與熱電偶實際產生的熱電勢EAB(t,t0)之間的關系可根據中間溫度定律得到下式:EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)由此可見,EAB(t,0)

是參考端溫度t0的函數,因此需要對熱電偶參考端溫度進行處理。(1)熱電偶補償導線在實際測溫時,需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸到遠離現場數十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表,這樣參考端溫度t0也比較穩定。熱電偶一般做得較短需要用導線將熱電偶的冷端延伸出來。工程中采用一種補償導線,它通常由兩種不同性質的廉價金屬導線制成,而且在0~100℃溫度范圍內,要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。

(2)參考端溫度修正法采用補償導線可使熱電偶的參考端延伸到溫度比較穩定的地方,但只要參考端溫度不等于0℃,需要對熱電偶回路的電勢值加以修正,修正值為EAB(t0,0)。經修正后的實際熱電勢,可由分度表中查出被測實際溫度值

(3)參考端0℃恒溫法在實驗室及精密測量中,通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中,以便參考端溫度保持0℃,這種方法又稱冰浴法。

(4)參考端溫度自動補償法（補償電橋法）補償電橋法是利用不平衡電橋產生的不平衡電壓作為補償信號,來自動補償熱電偶測量過程中因參考端溫度不為0℃或變化而引起熱電勢的變化值。不平衡電橋由三個電阻溫度系數較小的錳銅絲繞制的電阻R1、R2

、R3、電阻溫度系數較大的銅絲繞制的電阻RCU和穩壓電源組成。補償原理：將帶有銅熱電阻的補償電橋與被補償的熱電偶串聯，銅與熱電偶的冷端置于同一溫度場。室溫時，電橋輸出為零，當冷端溫度變化時，銅電阻阻值變化造成電橋不平衡輸出。此不平衡輸出電壓對熱電偶輸出變化有抵消作用。補償電橋法第二節熱電阻傳感器

一、概述

熱電阻傳感器是利用導體或半導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。優點：①測量精度高；

②有較大的測量范圍；－200～500℃③易于使用在自動測量和遠距離測量中分類熱電阻傳感器分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩大類,一般把金屬熱電阻稱為熱電阻,而把半導體熱電阻稱為熱敏電阻。二、熱電阻材料和常用熱電阻用于制造熱電阻的材料應具有盡可能大和穩定的電阻溫度系數和電阻率,R-t關系最好成線性,物理化學性能穩定,復現性好等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。

(1)鉑熱電阻熱電特性鉑熱電阻的特點是精度高、穩定性好、性能可靠,所以在溫度傳感器中得到了廣泛應用。按IEC標準,鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200~+850℃。鉑熱電阻的特性方程為在-200~0℃的溫度范圍內:

在0~850℃的溫度范圍內:式中Rt和R0分別為t℃和0℃時鉑電阻值;A、B和C為常數。

熱電阻在溫度t時的電阻值與R0

有關。目前我國規定工業用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種,它們的分度號分別為Pt10和Pt100,其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號亦有相應分度表,即Rt-t的關系表,這樣在實際測量中,只要測得熱電阻的阻值Rt,便可從分度表上查出對應的溫度值。(2)銅熱電阻