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1、第11章 其他類型傳感器 11.2 熱電式傳感器11.2.1 熱電偶傳感器11.2.2熱電阻傳感器11.2.3 熱敏電阻傳感器第11章 其他類型傳感器 11.2.1 熱電偶傳感器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定，測溫范 圍大，信號可遠(yuǎn)距離傳輸。1.熱電偶測溫原理熱電偶測溫原理熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。第11章 其他類型傳感器 熱電偶回路 熱電勢、熱電偶、熱電極熱端（測量端或工作端）、冷端（參考端或自由端）第11章 其他類型傳感器 熱電偶測溫系統(tǒng)簡圖第11章 其他類型傳感器 熱電勢由兩種材料的接觸電勢

2、和單一材料的溫差電勢決定接觸電動勢含義：由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。接觸電動勢的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的材料特性和接觸點(diǎn)的溫度。兩接點(diǎn)的接觸電動勢eAB(T)和eAB（T0）可表示為第11章 其他類型傳感器 同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢。大小表示：大小表示：溫差電動勢機(jī)機(jī)理理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，結(jié)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(fù)電，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電動勢。第11章 其他類型傳感器 熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢eAB(T,T0)=eAB(T)eB(T

3、,T0)eAB(T0)eA(T,T0)忽略溫差電動勢，熱電偶的熱電勢可表示為：第11章 其他類型傳感器 影響因素取決于材料和接點(diǎn)溫度，與形狀、尺寸等無關(guān)兩熱電極相同時，總電動勢為0兩接點(diǎn)溫度相同時，總電動勢為0對于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度T0恒定時，eAB(T0)=c為常數(shù)，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即eAB(T,T0)=eAB(T)c=f(T)可見：只要測出eAB（T,T0）的大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。討論第11章 其他類型傳感器 熱電偶的分度表n不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同的函數(shù)關(guān)系，一般通過實(shí)驗(yàn)的方法來確定，并將不同溫度下

4、測得的結(jié)果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對照表，即分度表。n供查閱使用，每10分檔。中間值按內(nèi)插法計(jì)算。第11章 其他類型傳感器 S型型(鉑銠鉑銠10-鉑鉑)熱電偶分度表熱電偶分度表 第11章 其他類型傳感器 在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。中間導(dǎo)體定律 應(yīng)用：利用熱電偶進(jìn)行測溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。2.熱電偶基本定律第11章 其他類型傳感器 測量儀表及引線作為第三種導(dǎo)體的熱電偶回路 第11章 其他類型傳感器 中間溫度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0

5、)在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點(diǎn)的溫度，熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t、t0時的熱電勢eAB(t,t0)等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度t、tc和tc、t0時的熱電勢eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代數(shù)和，即第11章 其他類型傳感器 中間溫度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)第11章 其他類型傳感器 中間溫度定律的應(yīng)用根據(jù)這個定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體A和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。在實(shí)際熱電偶測溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對參考端溫度不為0的熱

6、電勢進(jìn)行修正。第11章 其他類型傳感器 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體（電極）定律第11章 其他類型傳感器 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體定律的意義n通常選用高純鉑絲作標(biāo)準(zhǔn)電極n只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律計(jì)算出來。第11章 其他類型傳感器 均質(zhì)導(dǎo)體定律由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關(guān)。即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。意義：有助于檢驗(yàn)兩個熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。第11章 其他類型傳感器 為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對象的測溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有：普通型熱

7、電偶鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶等。3.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式第11章 其他類型傳感器 普通型熱電偶結(jié)構(gòu) 第11章 其他類型傳感器 優(yōu)優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)：測溫端熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快；機(jī)械強(qiáng)度高，繞性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上。鎧裝型熱電偶（套管熱電偶）第11章 其他類型傳感器 薄膜熱電偶特特點(diǎn)點(diǎn)：熱接點(diǎn)可以做得很?。╩），具有熱容量小、反應(yīng)速度快（s）等特點(diǎn)，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量。第11章 其他類型傳感器 工程用熱電偶材料應(yīng)滿足條件：熱電勢變化盡量大，熱電勢與溫度關(guān)系盡量接近線性關(guān)系，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，易加工，復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，有良好的互換性。4.熱電偶類型n標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：工

8、藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國際和國家標(biāo)準(zhǔn)文件中的熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。n國際電工委員會（IEC）共推薦了8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 第11章 其他類型傳感器 熱電偶名稱熱電偶名稱分度分度號號熱電極識別熱電極識別E E（100,0100,0）（mVmV）測溫范圍（測溫范圍（）對分度表允許偏差（對分度表允許偏差（）新新極極性性識別識別長期長期短期短期等等級級使用溫度使用溫度允差允差鉑銠10-鉑S正亮白較硬0.6460130016006001.5負(fù)亮白柔軟6000.25%t鉑銠13-鉑R正較硬0.6470130016006001.5負(fù)柔軟

9、11000.25%t鉑銠30-鉑銠B正較硬0.0330160018006009004負(fù)稍軟8000.5%t鎳鉻-鎳硅K正不親磁4.096012001300-4013002.5或0.75%t負(fù)稍親磁-200402.5或1.5%t鎳鉻硅-鎳硅N正不親磁2.774-20012001300-4011001.5或0.4%t負(fù)稍親磁-4013002.5或0.75%t鎳鉻-康銅E正暗綠6.319-200760850-409002.5或0.75%t負(fù)亮黃-200402.5或1.5%t銅-康銅T正紅色4.279-200350400-403501或0.75%t負(fù)銀白色-200401或1.5%t鐵-康銅J正親磁5.

10、269-40600750-407502.5或0.75%t負(fù)不親磁 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶技術(shù)數(shù)據(jù)第11章 其他類型傳感器 鉑銠30-鉑銠6熱電偶（B型）鉑銠10-鉑熱電偶（S型）鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）鎳鉻-銅鎳熱電偶（E型）工業(yè)上常用的4種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：第11章 其他類型傳感器（1）.鉑銠30-鉑銠6（B型）n為貴金屬熱電偶。熱偶絲線徑規(guī)定為0.5mm，正極（BP）和負(fù)極（BN）的名義化學(xué)成分均為鉑銠合金，只是含量不同，故俗稱為雙鉑銠熱電偶。長期最高使用溫度為1600，短期最高使用溫度為1800。n優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等，適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真空中，但不適

11、用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸汽中；參比端不需進(jìn)行冷端補(bǔ)償，因?yàn)樵?50范圍內(nèi)熱電勢小于3V。n缺點(diǎn)：熱電率較小，靈敏度低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，抗污染能力差，貴金屬材料昂貴。第11章 其他類型傳感器（2）.鉑銠10-鉑熱電偶（S型）n貴金屬熱電偶。電極線徑規(guī)定為0.5mm，正極（SP）的名義化學(xué)成分為鉑銠合金負(fù)極（SN）為純鉑，故俗稱為單鉑銠熱電偶。長期最高使用溫度為1300，短期最高使用溫度為1600。n優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)和使用壽命長，物理化學(xué)性能良好，在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化和惰性氣氛中。n缺點(diǎn)：熱電率較小，靈敏度低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，對污染敏感，貴金屬材料昂

12、貴，因此一次性投資較大。第11章 其他類型傳感器（3）.鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）n使用量最大的廉金屬熱電偶，用量為其他熱電偶的總和正極（KP）的名義化學(xué)成分為：Ni:Cr=90:10，負(fù)極（KN）的名義化學(xué)化學(xué)成分為Ni:Si=97:3。其使用溫度為-2001300。n優(yōu)點(diǎn)：線性度好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性均好，抗氧化性強(qiáng)，價(jià)格便宜。能用于氧化性和惰性氣氛中。nK型熱電偶不能在高溫下直接用于硫、還原性或還原、氧化交替的氣氛中，也不能用于真空中。第11章 其他類型傳感器（4）.鎳鉻-銅鎳熱電偶（E型）n稱為鎳鉻-康銅熱電偶，也是一種廉價(jià)金屬熱電偶。其正極（EP）為鎳鉻10合金，化

13、學(xué)成分與KP相同，負(fù)極（EN）為銅鎳合金，名義化學(xué)成分為55%的銅、45%的鎳以及少量的鈷、錳、鐵等元素。n該熱電偶電動勢之大，靈敏度之高屬所有標(biāo)準(zhǔn)熱電偶之最，宜制成熱電偶堆來測量微小溫度變化。nE型熱電偶可用于濕度較大的環(huán)境里，具有穩(wěn)定性好，抗氧化性能高，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。但不能在高溫下用于硫、還原性氣氛中。第11章 其他類型傳感器 5.熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線及冷端溫度的補(bǔ)償方法n熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度的有關(guān)，而且也與冷端溫度有關(guān)，只有當(dāng)冷端溫度恒定（0度），通過測量熱電勢的大小得到熱端的溫度。n熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償:當(dāng)熱電偶冷端處在溫度波動較大的地方時，必須首先使用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端延長到

14、一個溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為。第11章 其他類型傳感器 熱電偶一般做得較短，一般為3502000mm。在實(shí)際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場數(shù)十米遠(yuǎn)的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣,冷端溫度t0比較穩(wěn)定。(1)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線 解決辦法：工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線。在0100溫度范圍內(nèi)，要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。第11章 其他類型傳感器 常用補(bǔ)償導(dǎo)線 第11章 其他類型傳感器 在實(shí)驗(yàn)室及精密測量中，通常把冷端放入0恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0。這是一種理想的補(bǔ)償方法，但工業(yè)中使用極為不便。(2)冷端0恒溫法 第11章 其他類型傳感

15、器 當(dāng)冷端溫度t0不等于0，需要對熱電偶回路的測量電勢值eAB（t，t0）加以修正。當(dāng)工作端溫度為t時，分度表可查eAB(t,0)與eAB(t0,0)。根據(jù)中間溫度定律得到：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)(3)冷端溫度修正法 第11章 其他類型傳感器 例子 用（S型）熱電偶測量某一溫度，若參比端溫度T0=30，測得的熱電勢E(T,T0)=7.5mV，求測量端實(shí)際溫度T。查分度表有查分度表有E（30，0）=0.173 mV 反查分度表有反查分度表有T=830T=830，測量端實(shí)際溫度為，測量端實(shí)際溫度為830830第11章 其他類型傳感器(4)冷端溫度自動補(bǔ)償法（電橋補(bǔ)

16、償法）第11章 其他類型傳感器 熱電偶典型測溫線路(a)普通測溫線路；(b)帶有補(bǔ)償器的測溫線路；(b)(c)具有溫度變送器的測溫線路；(d)具有一體化溫度變送器的測溫線路 6.熱電偶測溫線路測量某一點(diǎn)的溫度第11章 其他類型傳感器 特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是同一分度號的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下。如熱電偶正向串聯(lián)，可獲得較大的熱電勢輸出和提高靈敏度；在測量兩點(diǎn)溫差時，可采用熱電偶反向串聯(lián)；利用熱電偶并聯(lián)可以測量平均溫度。第11章 其他類型傳感器 測量兩點(diǎn)間溫度差（反向串聯(lián)）第11章 其他類型傳感器 測量平均溫度（并聯(lián)或正向串聯(lián)）特點(diǎn)：當(dāng)有一只熱電偶燒斷時，難以覺察出來。

17、當(dāng)然，它也不會中斷整個測溫系統(tǒng)的工作。優(yōu)點(diǎn)：熱電動勢大，儀表的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶并聯(lián)線路存在的缺點(diǎn)，可立即可以發(fā)現(xiàn)有斷路。缺點(diǎn)：只要有一支熱電偶斷路，整個測溫系統(tǒng)將停止工作。第11章 其他類型傳感器 11.2.2 熱電阻傳感器 熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測溫的。熱電阻、熱敏電阻。熱電阻測溫范圍：200850。第11章 其他類型傳感器 熱電阻的結(jié)構(gòu) 電阻絲采用雙線并繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撐和絕緣作用。第11章 其他類型傳感器 熱電阻傳感器熱電阻傳感器的組成由熱電阻、連接導(dǎo)線及顯示儀表組成第11章 其他類型傳感

18、器 1.常用熱電阻對用于制造熱電阻材料的要求：具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率R-t關(guān)系最好成線性物理化學(xué)性能穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)性好等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。第11章 其他類型傳感器 (1)鉑熱電阻 鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。按IEC標(biāo)準(zhǔn)，鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200850。鉑熱電阻的特性方程為：在-2000的溫度范圍內(nèi)Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100)第11章 其他類型傳感器 在0850的溫度范圍內(nèi)Rt=R0(1+At+Bt2)在ITS90中，這些常數(shù)規(guī)定為A=3.908310-13/B=-5.77510-

19、7/2C=-4.18310-12/4第11章 其他類型傳感器 可見：熱電阻在溫度t時的電阻值與0時的電阻值R0有關(guān)。目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10和R0=100兩種，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(yīng)分度表，即Rt-t的關(guān)系表，這樣在實(shí)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(yīng)的溫度值。第11章 其他類型傳感器 鉑電阻分度表鉑電阻分度表 第11章 其他類型傳感器 (2)銅熱電阻在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，可采用銅熱電阻進(jìn)行測溫，它的測量范圍為-50150。銅熱電阻在測量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線

20、性的，可近似地表示為Rt=R0（1+t）=4.2810-3/兩種分度號：Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。第11章 其他類型傳感器 銅熱電阻的分度表分度號：Cu50 溫度/0102030405060708090電阻/050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13第11章 其他類型傳感器 銅熱電阻的特點(diǎn)n優(yōu)點(diǎn)：銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價(jià)格便宜。n缺點(diǎn)：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱

21、慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100 以上時容易氧化，因此只能用于低溫及沒有浸蝕性的介質(zhì)中。第11章 其他類型傳感器 用熱電阻傳感器進(jìn)行測溫時，測量電路經(jīng)常采用電橋電路。熱電阻與檢測儀表相隔一段距離，因此熱電阻的引線對測量結(jié)果有較大的影響。熱電阻內(nèi)部引線方式有二線制、三線制和四線制三種。2.熱電阻的測量電路第11章 其他類型傳感器 內(nèi)部引線方式第11章 其他類型傳感器 兩線制n這種引線方式簡單、費(fèi)用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差。n兩線制適于引線不長、測溫精度要求較低的場合。第11章 其他類型傳感器 三線制用于工業(yè)測量，一般精度 第11章 其他類型傳感器 四線制實(shí)驗(yàn)室用，高精度測量

22、 第11章 其他類型傳感器 8.3 熱敏電阻n熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件，其特點(diǎn)是電阻率隨溫度而顯著變化。第11章 其他類型傳感器 8.3.1 熱敏電阻的電阻溫度特性n大多數(shù)：負(fù)溫度系數(shù)。熱敏電阻在不同值時的電阻溫度特性，溫度越高，阻值越小，且有明顯的非線性。NTC熱敏電阻具有很高的負(fù)電阻溫度系數(shù)，特別適用于：100300之間測溫。nPTC熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，且有斜率最大的區(qū)域，當(dāng)溫度超過某一數(shù)值時，其電阻值朝正的方向快速變化。其用途主要是彩電消磁、各種電器設(shè)備的過熱保護(hù)等。n各種熱敏電阻的阻值在常溫下很大，不必采用三線制或四線制接法，給使用帶來方便。第11章 其他類型傳感器 第11章 其他類型傳感器 第11章 其他類型傳感器 第11章 其他類型傳感器 熱敏電阻的電阻溫度特性曲線第11章 其他類型傳感器 8.3.2 熱敏電阻的應(yīng)用n溫度控制溫度控制 第11章 其他類型傳感器 n管道流量測量管道流量測量