第9章-湘潭大學-傳感器原理-課件-傳感器期末復習

1本章主旨9.1熱電阻傳感器9.2熱電偶傳感器9.4

熱電式傳感器的應用第九章熱電式傳感器9.3晶體管和集成溫度傳感器概述溫度單位：熱力學溫度是國際上公認的最基本溫度.我國目前實行的是1990年國際溫標(ITS—90）定義國際開爾文溫度（T90）國際攝氏溫度（t90）；

T90：單位（K）開爾文

t90：單位（℃）攝氏兩者關系為：

t90/℃=T90/K–273.15或

t/℃

=T/K–273.152概述

溫度是諸多物理現(xiàn)象中具有代表性的物理量，現(xiàn)代生活中準確的溫度是不可缺少的信息內容，如家用電器有：電飯煲、電冰箱、空調、微波爐這些家用電器中都少不了溫度傳感器。3概述

常見溫度計：煤油溫度計、酒精溫度計、水銀溫度計、氣體溫度計、電阻溫度計、溫差溫度計、輻射溫度計、光測溫度計等等。4概述溫度傳感器應滿足的條件: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?。恢貜托院?，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??；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。5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的特點：傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。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。68

熱電式傳感器是利用轉換器的電磁參數(shù)(電阻、電勢、磁導)隨溫度變化的特性來完成測量溫度目的。其中將溫度轉換為電阻變化的稱為熱電阻和熱敏電阻傳感器；將溫度轉換成電勢變化的稱為熱電偶傳感器。這兩種傳感器目前已在工業(yè)和科研領域中得到廣泛應用，并有與其相配套的顯示和記錄及控制儀表可選用。第九章熱電式傳感器9溫度變化第九章熱電式傳感器熱電式傳感器電量變化電阻電勢熱電阻熱電偶晶體管10攜帶式表面熱電偶NR-30型號：Nr-81530

分度號：K、E、J

導線長度：1800㎜

手柄材質：塑料

使用溫度范圍：-50℃~+700℃

應用：液體、熔體；鎧裝、SUS316119.1熱電阻傳感器熱阻效應：大部分材料的電阻或電阻率隨溫度變化而變化。尺寸變量都是隨溫度變化的，但假定只有電阻率隨溫度的變化是最顯著的。純金屬電阻隨溫度的升高而升高，稱“正溫度系數(shù)”半導體的電阻隨溫度的升高而減小，稱“負溫度系數(shù)”。測溫范圍為200～500℃；隨著科學技術的進步，熱電阻的測溫范圍已擴展到1—5K的超低溫領域，同時，在1000—1200℃溫度范圍內也有足夠好的特性。12熱敏電阻的物理過程：吸收輻射，產(chǎn)生升溫，從而引起材料電阻的變化，其機理很復雜。半導體材料制成的熱敏電阻可以定性的解釋為，吸收輻射后，材料中電子的動能和晶格的振動能都有增加。因此，其中部分電子能夠從價帶躍遷到導帶成為自由電子，從而使電阻減小。金屬材料制成的熱電阻，因其內部有大量的自由電子，在能帶結構上無禁帶，吸收輻射產(chǎn)生升溫后，自由電子濃度的增加是微不足道的，相反，因晶格振動的加劇，妨礙了電子的自由運動，從而電阻系數(shù)是正的，且其絕對值小于半導體。13熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。應用于-200~600℃范圍內的溫度測量14一、金屬熱電阻：2、熱電阻的材料特點：

A、溫度系數(shù)高（Ω/C0），電阻率高；B、化學、物理性質穩(wěn)定，以確保測量準確性；C、線性輸出特性：△R與△T成正比；D、好加工，成本低。1、原理：電阻率的溫度系數(shù)定義對于線性區(qū)的金屬，用二次展開式可以很好的描述電阻率0℃時的標準電阻率電阻率線性溫度系數(shù)，典型值5×10-3/K153、鉑、銅熱電阻的特性（應用最廣）：①鉑電阻與溫度關系：0-630.755℃：Rt=R0(1+At+Bt2)-190℃-0：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]②鉑電阻的材料特性：

R100，R0—100，0℃時的鉑電阻值；W（100）越高表示鉑電阻純度越高。①W（100）=1.391時②A----常數(shù)（3.96847×10-3/℃）③B----常數(shù)（-5.847×10-7/℃2）④C----常數(shù)（-4.22×10-12/℃4）國內統(tǒng)一設計的工業(yè)用標準鉑電阻，W（100）≥1.391。分度號:Pt10表示0℃時電阻為10歐姆

Pt100表示0℃時電阻為100歐姆16

用于高精度的工業(yè)測量，但鉑貴，一般用銅，銅在-50到150℃穩(wěn)定可靠。銅電阻與溫度關系：

Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)

其中：A=4.28899×10-3/℃

B=--2.133×10-7/℃

2C=1.233×10-9/℃3

溫度高于100℃易氧化，故用于低溫測量。3、其他熱電阻：近年發(fā)展了一些超低溫測量電阻。

銦電阻：-269—-258℃此段靈敏度比鉑高10倍；材料軟，復制性差錳電阻：-271—-210℃靈敏度高，但易脆，難拉絲；碳電阻：--273—-268.5℃靈敏度高，熱容小，低廉，操作方便，但熱穩(wěn)定性差。4、測量電路：常用電橋電路。電阻溫度計的測量電路最常用的是電橋電路，精度要求高為了消除由于連接導線電阻隨環(huán)境溫度變化而造成的測量誤差，常采用三線和四線制連接方法。171818191920二、半導體熱敏電阻各種金屬氧化物、硫化物、硒化物或硅、鍺。半導體熱敏電阻的精度和穩(wěn)定性比金屬熱敏電阻差一些，但它們大規(guī)模生產(chǎn)成本較低，并且能夠提供集成的接口電路，以便與其他元件一起集成。Thermistor---半導體熱敏電阻。Thermoresistor---金屬熱敏電阻。211、熱敏電阻的特點：A、負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）B、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）C、臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）與熱電阻相比：①電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高；②結構簡單，體積小，可測點溫度；③電阻率高，熱慣性小，適宜動態(tài)測量；④易于維護和進行遠距離控制；⑤制造簡單，使用壽命長；不足之處互換性差，非線性嚴重。22負溫度導電機理：溫度低時，大部分電子落在勢阱中，不能導電。溫度越高時，跳出勢阱的電子就越多，即電阻就越低，故表現(xiàn)出負的溫度系數(shù)。PTC和CTR主要用于溫度開關裝置，如過熱保護、發(fā)熱源的定溫控制，也可作為限流元件。

NTC主要是由Mn、C0、Ni、Fe等過渡金屬氧化物組成的復合燒結體，根據(jù)其成分可調節(jié)電阻值和溫度特性。23熱敏電阻的結構熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷（Co）、錳（Mn）、鎳（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高溫燒結而成。其形狀有珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等。（b）片狀（c）桿狀（d）墊圈狀熱敏電阻的結構類型（a）珠狀玻璃殼熱敏電阻引線24熱敏電阻外形

MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻25其他形式的熱敏電阻

玻璃封裝

NTC熱敏電阻MF58型熱敏電阻大功率PTC熱敏電阻26272829

2、負溫度系數(shù)熱敏電阻的特性。

（1）溫度特性：參考溫度為25度。是材料常數(shù)。半導體熱敏電阻的電阻系數(shù)為：30電阻隨溫度的變化較大，因此可以將半導體熱敏電阻和基本的運算放大器一起使用，而不必與精密的電橋使用。例如，只需使用一個帶有標準電阻R的分壓器和一個電壓放大器如741運算放大器來緩沖信號就足夠了。RR溫度傳感器741VCCVOUT031（2）伏安特性由圖熱敏電阻的伏安特性曲線知，電流通過熱敏電阻電流較小時，呈直線關系，服從歐姆定律；當電流增加時，熱敏電阻自身溫度明顯增加。由于負溫度系數(shù)關系，阻值下降。于是電壓上升減慢，當電流再增加，電壓下降。由此可見，熱敏電阻非線性嚴重。當電流增大到一定值時，流過熱敏電阻的電流使之加熱，本身溫度升高，出現(xiàn)負阻特性，因電阻減小，即使電流增大，端電壓反而下降，其所能升高的溫度與環(huán)境條件(周圍介質溫度及散熱條件)有關。當電流和周圍介質溫度一定時，熱敏電阻的阻值取決于介質的流速、流量、密度等散熱條件。根據(jù)這一原理，可用它來測量流體流速和介質密度等。32（3）安時特性流過熱敏電阻的電流與時間的關系，稱為安時特性，如圖所示。所謂安時特性，是表示熱敏電阻在不同外加電壓下，電流達到穩(wěn)定最大值所需要的時間。

熱敏電阻通電以后，一方面使自身溫度升高；另一方面向周圍介質散熱，只有在單位時間內從電流得到的能量與向周圍介質散發(fā)的熱量相等而達到熱平衡時，才有相應的平衡溫度輸出、即有確定的電阻值。完成一個熱平衡過程所需要的時間，就是達到穩(wěn)定最大電流值的時間。可通過采用選擇熱敏電阻的結構及應用相應的電路來調整這個時間。對于一般結構的熱敏電阻，其值在0.5—1s之間。I01020304012345333、近代熱敏電阻的特性：①玻璃封裝熱敏電阻：125℃上升到300℃響應時間由30秒加快到6秒，穩(wěn)定性為+/-（3-1）％②氧化物熱敏電阻的靈敏度都比較高，但只能低于300℃時工作，近期用硼鹵化物與氫還原研究成硼熱敏電阻，在700℃高溫時仍然滿足靈敏度，可用于測量液體流速、壓力、成分等。③近期研制的CaO,Sb2O3,WO3和CaO,Sn2O3,WO3兩種熱敏電阻，在-100-300℃范圍內，特性曲線呈線性關系，解決了負溫度系數(shù)熱敏電阻存在非線性問題④有機導體四碌二甲烷新型材料，電阻率隨溫度迅速變化的特性，可做定時器。34用金屬電阻與熱敏電阻串并聯(lián)實現(xiàn)非線性校正。利用溫度系數(shù)很小的電阻與熱敏電阻串聯(lián)或并聯(lián)，使等效電阻與溫度的關系在一定的溫度范圍內呈線性，如圖所示。4、非線性校正熱敏電阻的最大缺點是溫度特性呈曲線狀態(tài)，很難用均勻的刻度來表示寬溫度范圍。故在當今數(shù)字化的進程中，熱敏電阻的線性化顯得極為重要。RtRcRA并聯(lián)35RtRcEB串聯(lián)同理可推導：36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。它除具有結構簡單，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換等優(yōu)點外，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。

9-2熱電偶傳感器37一、熱電效應及其工作定律：

1、熱電效應：

熱電效應示意圖ABTT0EAB（T，T0）如圖所示由A、B兩種材料組成的回路，接點處的溫度為T、T0，且不等，兩者之間將產(chǎn)生一熱電勢，在回路中形成一定大小的電流。這種現(xiàn)象叫做叫熱電效應。利用這種效應制成的傳感器稱為熱電偶。熱電勢由兩部分組成：接觸電勢和溫差電勢，分別是由珀爾貼效應和湯姆遜效應引起的。38工作原理熱端冷端T0冷端熱端

固定溫度的接點稱基準點（冷端）T0

，恒定在某一標準溫度；待測溫度的接點稱測溫點（熱端）T，置于被測溫度場中。

這種將溫度轉換成熱電動勢的傳感器稱為熱電偶，金屬稱熱電極。39工作原理回路中所產(chǎn)生的電動勢，叫熱電勢。熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。熱端冷端T0冷端熱端

測溫過程：

只要知道一端結點溫度，就可以測出另一端結點的溫度。40①接觸電勢（珀爾貼效應）A+-|珀爾貼效應示意圖B同溫度的兩種不同金屬接觸時，由于不同導體的自由電子密度不同，金屬電子的逸出功不同，就有電子從逸出功低的一方遷到另一方，失去電子一方呈正電位，得到電子的為負電位。當擴散到平衡時，接觸處形成電勢稱為接觸電勢。其大小與材料有關，也與溫度有關。EAB(T)---為A、B在T時的接觸勢；K----波爾茲曼常數(shù)；

e-----電子電荷；NA、NB-----金屬A、B的自由電子密度；

T-----結點的絕對溫度。在熱電效應示意圖中總接觸電勢為

E’AB(T)-E’AB(T0)=K（T-T0）/e㏑(NA/NB)ABTT041②溫差電勢（湯姆遜效應）：TT0ABTT0對同一金屬，如果兩端的溫度不同，則溫度高端的自由電子向低端遷移，形成電勢，稱為溫差電勢。EA(T，T0)---金屬A兩端的溫度為T、T0時的溫差電勢；σA---溫差系數(shù)；

EA(T，T0)-EB(T，T0)=∫T0T（σA–σB

）dT在熱電效應示意圖中總溫差電勢為：

42EAB(T)稱為熱端分熱電勢；EAB(T0)稱為冷端分熱電勢；ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)回路總的熱電勢43

③當熱電偶兩個電極的材料不同，且A和B材料固定后，熱電勢EAB(T，T0)便為兩結點溫度T，T。的函數(shù)，即

EAB(T，T0)=EAB(T)-EAB(T0)①若兩電極材料相同，即NA=NB，σA=σB。雖然兩端溫度不同，但閉合回路總電勢為0，因此必須用兩種不同材料做熱電極。②若T=T0，雖材料不同，閉合回路中也不會產(chǎn)生熱電勢。44由于在金屬中自由電子數(shù)目很多，溫度對自由電子密度的影響很小，故溫差電動勢可以忽略不計，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動勢。ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)∴EAB(T,T0)≈f(T

)-C452、工作定律：（熱電偶的基本定律）②中間導體定律：③連接導體定律與中間溫度定律：④參考電極定律：ABACBC①均質導體定律：46①均質導體定律：

如果熱電偶回路中的兩個熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電動勢均為零；反之，如果有熱電動勢產(chǎn)生，兩個熱電極的材料則一定是不同的。

根據(jù)這一定律，可以檢驗兩個熱電極材料的成分是否相同(稱為同名極檢驗法)，也可以檢查熱電極材料的均勻性。47A、T=T0：②中間導體定律：如圖，AB結點為T，其余為T0，可以證明：EABC(T，T0)=EAB(T，T0)在各導體兩端溫度相同，故溫差電勢為0，只有接觸電勢48B、T>T0;這說明：引入第三導體，只要第三導體兩端溫度相同，材質均勻，對總回路電勢無作用。這也是熱電偶測量溫度的基礎理論。T0T0BTAC49在熱電偶回路中，若導體AB分別與連接導體A1，B1相接，接點溫度分別為T，T0，T1，如右圖所示，回路的總電勢為：③連接導體定律與中間溫度定律：5051即回路的總電勢等于熱電偶EAB(T，T1)與連接導線電勢EA1B1(T1，T0)的代數(shù)和。連接導線定律是工業(yè)運用補償導線進行溫度測量的理論基礎。當導體A與A’及B與B’材料分別相同時，T1中間溫度。中間溫度定律為制定分度表奠定了理論基礎，只要求得參考端溫度為0℃時的熱“電勢—溫度”的關系，就可以根據(jù)式求出參考溫度不等于0℃時的電勢。BBA

Tn

T

T0

AAB52在工程應用中，常用實驗的方法得出溫度與熱電勢的關系并做成表格，以供備查。由公式可得：EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T)-EAB(0)-[EAB(T)-EAB(T0)]=EAB(T，0)-EAB(T0，0)熱電偶的熱電勢，等于兩端溫度分別為T和零度以及T0和零度的熱電勢之差。5354習題：用鎳鉻-鎳硅勢電偶測量某低溫箱溫度，把熱電偶直接與電位差計相連接。在某時刻，從電位差計測得熱電熱為-1.19mv，此時電位差計所處的環(huán)境溫度為15℃，試求該時刻溫箱的溫度是多少度？

請給出分析計算過程。

55電位差計所處的環(huán)境溫度為15°C，所以,查表可得：EAB(15°C,T0)=0.60mv

AB15°CT0EAB(T，15°C)=-1.19mv

AB15°CTEAB(T,T0)=EAB(T，15°C)+EAB(15°C,T0)=-1.19mv+0.60mv=-0.59mv

ABT0AB15°CT查表可以得：T=-15°C

56④參考電極定律：左圖為參考電極定律示意圖，圖中C為參考電極接在熱電偶A、B之間，形成三個熱電偶組成的回路。因為：ABACBC5758上式表明：①參考電極C與各種電極配對時的總熱電勢為兩電極A、B配對后的電勢差。②利用這個關系可求出新的兩種材料的熱電勢。

如果導體C熱電極作為參考電極，并已知標準電極與任意導體配對時的熱電勢，那么在相同結點溫度（T,T0）下，任意兩導體A、B組成的熱電偶，其電勢可由下式求得

59

這里c稱為標準電極，在實際應用中，標準電極材料通常取用純鉑，因為鉑金易得純態(tài)，物理、化學性能穩(wěn)定，熔點也高c采用標準電極大大方便熱電偶的選配，只要知道某種材料與標準電極的熱電勢，就可求出任何兩種材料配成熱電偶的熱電勢。ABACBCEAB(T，T0)=EAB(T，T0)-EBC(T，T0)60解：由標準電極定律，鎳鉻和考銅熱電偶的熱電動勢應等于鎳鉻合金與純鉑熱電偶與考銅與純鉑熱電偶的熱電動勢的差，即例：熱端為100℃、冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為-4.0mV，求鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢。2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV61二、熱電偶傳感器測量溫度的基本原理根據(jù)中間導體定律，把第三種導體C換成毫伏表，并保持兩個結點溫度一致，就可以完成測量任何溫度場的溫度，如圖所示。導體A和B組成熱電偶，第三種導體C為毫伏計，毫伏計與A和B熱電偶冷端的兩個結點的溫度均為冷端溫度To，而熱電偶A、B的熱端置于需要測量的溫度場T時，這樣根據(jù)中間導體定律，由導體A、B、C組成回路的總電勢應為：EABC(T，T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T，T0)熱電偶測量溫度的基本原理，只要保持冷端溫度不變，則熱電偶的輸出電勢就是所測溫度的單值函數(shù)，即熱電偶的輸出電勢EAB(T，T0)反映了被測溫度的大小。A

BCCT0T毫伏表T062熱電偶測量溫度必須與被測溫度保持單值關系，此時只有:EAB(T0)＝C＝常數(shù)，也就是只有T0＝常數(shù)，才能得到EAB(T，T0)＝φ(T)，在確定這個函數(shù)關系時，不是用精確的數(shù)學表達式計算出來，而是用實驗方法，采用分度表的形式表達出溫度與電勢之間的關系值。在制分度表時，通常采用熱電偶的冷端溫度T0＝0℃的條件下測得的，所以在使用熱電偶時，只有滿足T0＝0℃的條件，才能直接應用分度表或分度曲線。在工程測溫中，冷端溫度常隨工作環(huán)境溫度而變化，引入測量誤差，因此，必須進行冷端修正或補償。三、熱電偶溫度補償

63①0℃恒溫度:測端T，冷端用T0=0（水，冰點）或半導體制冷器恒溫，測出來就是T；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。64②計算修正法:

實際工作情況中，由于冷端溫度不是0度，而是某一溫度Tn，則測量的溫度為EAB(T，Tn)，而不是EAB(T，T0)，測點為T，冷端為T0，T0=T1=0時：EAB(T，T0)=EAB(T)-EAB(T0)T1≠T0=0時：EAB(T，T1)=EAB(T)-EAB(T1)EAB(T，T1)----實測值；

EAB(T1，T0)----修正溫度值。65注意:既不能只按1.999mV查表，認為T=49℃，也不能把49℃加上21℃，認為T=70℃。例

用銅-康銅熱電偶測某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測得熱電動勢EAB(T，TH)=1.999mV，又用室溫計測出TH=21℃,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，與2.831mV對應的熱端溫度T=68℃。66舉列：鎳洛—鎳硅測得某介質的溫度，T1自由端溫度為30

℃，熱電偶測量熱電勢33.29mv(即EAB(T，T1))，30

℃的熱電勢1.20mv(即EAB(T1，T0))，∴EAB(T，T0)=33.29mv+1.20mv=34.49mv；再去對表得829.6℃

以上是根據(jù)中間溫度定律而來的：EABB1A1(T，T1，T0)=EAB(T，T1)+EA1B1(T1，T0)；當A=A1，B=B1時，EABB1A1(T，T1，T0)=EAB(T，T1)+EAB(T1，T0)；67③溫度修正法(也稱零點溫度修正法)把參比端實際溫度TH乘上系數(shù)k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的溫度上，成為被測溫度T。用公式表達即

式中：T——為未知的被測溫度；

T′——為參比端在室溫下熱電偶電勢與分度表上對應的某個溫度；TH——室溫；

k——為補正系數(shù)，其它參數(shù)見下表。例

用鉑銠10－鉑熱電偶測溫，已知冷端溫度TH=35℃，這時熱電動勢為11.348mV．查S型熱電偶的分度表，得出與此相應的溫度T′=1150℃。再從下表中查出，對應于1150℃的補正系數(shù)k=0.53。于是，被測溫度

T=1150+0.53×35=1168.3（℃）用這種辦法稍稍簡單一些，比計算修正法誤差可能大一點，但誤差不大于0.14％。T＝

T′＋

kTH68溫度T′/℃補正系數(shù)k鉑銠10-鉑(S)鎳鉻-鎳硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.53—13000.52—14000.52—15000.53—16000.53—熱電偶補正系數(shù)69舉列：鎳洛—鎳硅測得某介質的溫度，T1自由端溫度為30

℃，熱電偶測量熱電勢33.29mv(即EAB(T，T1))，30

℃的熱電勢1.20mv(即EAB(T1，T0))，∴EAB(T，T0)=33.29mv+1.20mv=34.49mv；再去對表得829.6℃

修正法：33.29mv

對應查表得出溫度為：800℃鎳洛—鎳硅的K=1，則T=800+1×30=830℃。

70

利用延引熱電極將熱電偶的自由端延引到遠離高溫區(qū)地方，從而使其自由端溫度相對穩(wěn)定和變化范圍小。這種方法即不能使自由端溫度恒為0℃，又不產(chǎn)生任何補償作用，僅做補償導線，還要結合0℃恒溫法，計算修正法。為保證引延熱電熱極接入熱電偶電路后不改變其熱電熱值，則必須滿足以下兩個條件：一是在一定溫度范圍內，引延熱電極必須與熱電偶的熱電極具有相同或近似的熱電特性；二、引延熱電極與熱電偶的兩個接點必須具有相等的溫度。具體使用時可從表中查到配用熱電偶材料所對應的延伸導線的型號。④延伸熱電極法：熱電偶補償導線接線圖ABTTnTnCDT0T0M71⑤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，電橋對儀表讀數(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++-abUUabRCuR1R2R3RT0Ua

Uab

EAB(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，互換時必須重新調整。72⑤Pn結冷端溫度補償法：

Pn結在-100-100℃范圍內，端電壓與溫度有較理想的線性關系，溫度系數(shù)為-2.2mv/℃。采用二極管做冷端補償，精度可達到0.3-0.8℃，采用三極管作冷端補償精度可達0.05-0.2℃。73四、熱電偶的使用誤差：

⑴、分度誤差：實際就測量標準曲線時產(chǎn)生的誤差。統(tǒng)一型號的熱電偶采用標準分度表。現(xiàn)在采用國際實用溫標。⑵、儀表誤差：一般均與自動平衡式電子電位差計。動圈式儀表配套使用。引入誤差為：σ=（Tmax-Tmin）K

Tmax、Tmin---儀表量程上下限；

K---儀表的精度等級。⑶、延伸導線誤差：引伸導線的熱電性不一致，自由端溫度不一樣；⑷、動態(tài)誤差：測溫元件的質量和熱慣性，有個反映（即平衡時間）時間；減小動態(tài)誤差就要減小感溫點，減少保護層。

74⑸漏電誤差：不少無機絕緣材料的絕緣電阻會隨著溫度升高而減少。列如：Al2O33％，SiO265％材料在常溫下電阻率為1。37×106Ω·m，當溫度上升到1000℃和1500℃時，電阻率下降到1.08×102Ω·m，因而隨溫度升高（特別在高溫）時，絕緣效果明顯變壞，使熱電勢輸出分流，造成漏電誤差，一般均看用絕緣性能較好的材料來減少漏電誤差。

75熱電偶可把溫度信號變換成電信號，因此可通過各種電測儀表來測量電勢以顯示被測溫度。采用直流毫伏計測量的溫度表叫做“熱電式溫度表”；而采用自動平衡式電位差計原理測量溫度的溫度表，則稱為“伺服式溫度表”。主要介紹伺服式溫度表和數(shù)字式溫度表。五．熱電勢的測量76(1)伺服式溫度表電位差計的工作原理圖。當開關合向c時，形成測量回路，其回路電壓方程為

Ex-IRab=i∑REx-被測電壓；I、i-工作回路和測量回路電流；∑R-Rab回路電阻。77這時，檢流計G指示為i，移動觸點b，使檢流計指零(即i＝0)時，系統(tǒng)達到平衡，即有Ex＝IRab，當電流J和電阻Rab已知時，則可用可變電阻觸點b的位置標明被測電勢值。由此也可知道，工作電流值I和電阻值Rab的精度和被測電勢與已知電壓之差的靈敏度是影響電位差計精度的關鍵。78使用時要注意下列問題①使用前要校準工作電流I值，在測量過程中，要保證I的精度穩(wěn)定不變；②檢流計應有足夠的靈敏度；③測量回路的總電阻值要適當。伺服式溫度計在使用時，為了自動地移動觸點b以跟蹤Ex的變化可采用一套小功率伺服系統(tǒng)，當被測電勢Ex發(fā)生變化時，不平衡電壓將引起伺服系統(tǒng)工作，直到達到新的平衡狀態(tài)為止。伺服式溫度表就是根據(jù)這種平衡式電位差計的原理工作的。79(2)數(shù)字式溫度計為了實現(xiàn)溫度的數(shù)字顯示，或組成溫度的巡檢系統(tǒng)，或向計算機過程控制系統(tǒng)提供溫度信號，都要對熱電偶的熱電勢進行數(shù)字化處理，所以在采用熱電偶的測溫數(shù)字化系統(tǒng)中，最基本的環(huán)節(jié)是熱電偶和A／D轉換器。因此在組成數(shù)字式溫度計時，必須注意：①熱電偶輸出電勢一段很小，在進行A／D轉換前，必須經(jīng)過高增益的直流放大，常用數(shù)據(jù)放大器；②熱電偶的熱電特性，一般情況下為非線性的，欲使顯示數(shù)字或輸出脈沖數(shù)與被測溫度直接相對應，必須采用線性化措施。在帶有計算機或微處理機的測量系統(tǒng)中，非線性校正和冷端補償工作，都直接由計算機完成，即所謂“軟件校正法”，但目前用得更多的是所謂“硬件校正法”，即采用的是非線性校正裝置，也稱為“線性化器”。80六、熱電偶的類型及結構1、熱電偶材料：定型的標準化材料有：鉑銠—鉑，銅康等。非標的，特殊的，鎢錸系，銥銠系等。

2、對熱電偶材料的基本要求任何兩種導體(或半導體)均可配成熱電偶，當兩個結點溫度不同時，就能產(chǎn)生電勢，只不過是熱電勢大小不同而已。但作為實用的測溫元件，不是所有材料都適用于作熱電偶，對制作熱電偶材料的基本要求是：(1)熱電特性穩(wěn)定，即熱電勢與溫度的對應關系保持恒定；(3)熱電勢與溫度有單值關系，最好呈線性或簡單的函數(shù)關系。(2)熱電勢足夠大，易于測量，且可得到較高精確度；81(4)電阻溫度系數(shù)和電阻率要小，否則熱電偶的電阻將隨工作端的溫度不同而有較大的變化，影響測量結果的準確性；(5)物理性能穩(wěn)定，化學成分均勻，不易氧化和腐蝕；(6)材料的復制性好；(7)材料的機械強度要高。82但實際生產(chǎn)中很難找到一種完全滿足上述要求的材料。一般來說，純金屬的熱電極易于復制，但熱電勢較小，平均約為20uV／℃，非金屬的電極的熱電勢較大，可達1000uV／℃，且熔點高，但復制和穩(wěn)定性都差；合金電極的熱電性和工藝性能均介于兩者之間，因此，需要根據(jù)具體測溫情況，采用不同材料制做熱電偶。833、熱電偶的類型熱電偶的類型、規(guī)格、結構品種繁多，從不同的分類觀點，提出的分類方法也很多，例如可以按使用溫度，熱電偶材料，熱電偶的用途，熱電偶的結構等方面進行分類。書上按標準化和非標準化介紹兒種常用熱電偶。844、熱電偶的結構：

①普通熱電偶；主要用于測量容器或管道內的氣體、蒸汽、液體等介質的溫度?？筛鶕?jù)測量條件及測量范圍來選用。②工業(yè)用裝配式熱電偶結構示意圖接線盒保險套管絕緣套管熱電偶絲85②鎧裝熱電偶；（又稱纜式）鎧裝熱電偶是把保護管(材料為不銹鋼或鎳基高混合金)，絕緣材料(高純脫水氧化鎂或氧化鋁)與熱電偶絲組合在一起拉制而成，也稱套管熱電偶。鎧裝熱電偶的特點是：動態(tài)響應快、測量端熱容量小、撓度好、強度高、種類多(繞制成雙芯、單芯、四芯等)。由于撓性好柔性大，可以彎成各種形狀，適用于結構復雜的對象，機械性能好，抗震動和耐沖擊。86④表面熱電偶：分為永久性安裝和非永久性安裝兩種，主要用來測量金屬塊、爐壁、橡膠簡，禍輪葉軋輥等團體的表面溫度。⑤侵入式熱電偶；浸入式熱電偶主要用來測量鋼水、銅水、鋁水以及熔融合金的溫度。其主要特點是：可以直接插入液態(tài)金屬中進行測量溫度。③薄膜熱電偶；薄膜熱電偶分為片狀、針狀等，是由厚度為0.0l—0.1um兩種金屬薄膜連接在一起的特殊結構的熱電偶。其特點是：熱容量小、動態(tài)響應快，適用于動態(tài)測量小面積時的瞬時變化的溫度。879.3晶體管和集成溫度傳感器McNamara在1962年首先提出使用二極管和晶體管來代替熱傳感器。與其他類型熱傳感器相比，熱二極管的潛在優(yōu)勢在于它的制造技術與IC技術匹配而且生產(chǎn)成本低廉。一、二極管P—N結溫度傳感器這種傳感器是利用晶體管半導體材料的P—N結的伏安特性與溫度之間的關系研制而成的一種固態(tài)傳感器。88熱二極管下圖是硅P-N二極管的理想電流-電壓特性曲線。當電壓小于正向導通電壓時，沒有電流流過二極管當電壓大于正向導通電壓時，有電流通過二極管。負向偏壓VI89硅P-N結在正向和反向偏壓時的能級圖和耗盡區(qū)如圖距離能量IPN距離能量IPN90當偏壓為零時，載流子必須穿過勢壘才能由P型區(qū)遷移到N型區(qū)或者反向遷移。使用正向偏壓可以降低該勢壘的高度，也可以使用反向偏壓提供該勢壘的高度。利用這個效應，可以使電流通過P-N結。如圖所示，利用電壓V可以修正費米能級，但對于P型半導體材料來說，它總是位于價帶附近，而對于N型半導體材料來說，它總是位于導帶附近。91根據(jù)經(jīng)典的結理論，電子和空穴電流密度與簡單的擴散過程有關，它們可以表示為：電子的擴散率；