传感器基础教程第7章 热电式传感器

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第 7 章 热电式传感器
第
第7
7章 热电式传感器
章 热电式传感器
温度是表征物体冷热程度的参数，是六个基本物理量之一。通常
把长度、时间、质量等基本物理量称作“外延量”，它们可以叠加，例如
把长度相同的两个物体连接起来，其总长度为原来的单个物体长度的两倍。
温度是一种“内涵量”，叠加原理不再适用，例如把两瓶 90 ℃ 的水倒在一
起，其温度绝不可能增加，更不可能成为 180 ℃ 。
自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在很多产
品生产过程中，温度的测量与控制都直接和产品质量、生产效率、节约能
源、安全生产等重要经济技术指标相联系。在工农业生产和科学研究的各
个领域中，温度的测量占有重要的地位。
最早的温度计是伽利略于 1597 年提出的，它是利用空气热膨胀的
温度计。这种气体温度计可测定绝对温度，但使用不便。因此，后来开发
了利用酒精和水银热膨胀的液体温度计。
由于通常的气体温度计是基于与气体种类无关而成立的热力学定
律，
第 7 章 热电式传感器
因此通常在同一温度下给出同一输出。但是对于液体温度计，则因为液体
的热膨胀系数的不同，故转换特性也不同，输出随液体材料的不同而取各
种不同的值。
为了保证温度量值的准确并利于传递，需要建立一个衡量温度的
统一尺度，即温标。
华氏温标： 1714 年德国人华伦海特（ Fahrenheit ）发明了水银温度计，
并以氯化铵和冰水的混合物温度为 0度，人体的温度为 100 度，从 0度到 1
00 度按水银的体积膨胀距离分成 100 等份，每一份为 1度，称为 1华氏度，
记作（ 1℉）。水的冰点为 32℉ ，沸点为 212℉ 。
摄氏温标： 1740 年瑞典人摄尔修斯（ Celsius ）提出在标准大气压下，
把水的冰点规定为 0度，水的沸点规定为 100 度。从 0度到 100 度按水银
的体积膨胀距离分成 100 等份，每一份为 1度，称为 1摄氏度，记作（ 1
℃）。
32
5
9tT
T 为华氏温度值； t 为摄氏温度值。
第 7 章 热电式传感器
随着科学技术的发展和温度测量的需要，人们研制了许多类型的测
温装置。其中热电式传感器在现代测量中应用最广泛。
热力学温标： 1848 年由开尔文（ Kelvin ）提出的以卡诺循环为基础
建立的热力学温标，是一种理想而不能真正实现的理论温标，它是国际
单位制中七个基本物理单位之一。该温标为了在分度上和摄氏温标相一
致，把理想气体压力为零时对应的温度——绝对零度（在实验中无法达
到的理论温度，低于0K 的温度不可能存在）与水的三项点温度分成 273.
16 份，每份为 1K （Kelvin ）。
国际温标 ： 经国际协议产生的国际实用温标的指导思想是尽可能地
接近热力学温标。 1989 年7月第77 届国际计量委员会批准建立的新的
国际温标 ITS-90 ，单位仍为K
2.273
90
Tt
T90 为国际温标温度值； t 为摄氏温度值。
第 7 章 热电式传感器
热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。
它利用某种材料或元件的电磁参数随温度变化的特性来达到测量
的目的。例如将温度转化为电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量
电路，就可由这些电参数的变化来表达所测温度的变化。
在各种热电式传感器中，以把温度变化转换为电阻和电势变化的
方法最为普遍。将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。将
温度转换为电势大小的热电式传感器叫做热电偶。
此外，基于半导体 PN 结与温度的关系研制的 PN 结型温度传
感器在窄温场中，也得到迅速发展和广泛应用。
另外还有热释电型温度传感器、谐振型温度计、热噪声温度计、
热辐射传感器、光纤温度传感器等。
7.1 热电阻 7.2 PN
结型温度传感器
7.3 热电偶
第 7 章 热电式传感器
7.1 热电阻
热电阻是利用物质的电阻随温度而变化的特性制成的电
阻式测温系统。
分类：
金属热电阻：由纯金属材料制成的热电阻（简称：热电
阻）。
半导体热敏电阻：由半导体材料制成的热电阻（简称：热
敏电阻）。
7.1.1 金属热电阻
7.1.2 半导体热敏电阻
第 7 章 热电式传感器
一、热电阻的结构
二、热电阻的材料
三、常用的几种热电阻
四、热电阻测量电路
五、热电阻的应用
由金属材料制成的热电阻称为金属热电阻（一般称为热
电阻）。
工作原理：将温度的变化量变换成与之有一定关系的电阻
值的变化量，通过对电阻值的测量实现对温度的测量。
7.1.1 金属热电阻
第 7 章 热电式传感器
热电阻由电阻体、保护套和接线盒等部件组成。其结构形式可根据实
际使用制作成各种形状，通常都是将双线电阻丝绕在用石英、云母陶瓷和塑
料等材料制成的骨架上，它们可以测量－200~500℃ 的温度。
热电阻的感温体必须防止有
害气体腐蚀，尤其是铜热电阻还
要防止氧化。水分浸入会造成漏
电，直接影响阻值。所以工业用
热电阻都有玻璃、陶瓷或金属保
护套管，其外形及结构和工业用
热电偶相似。
一、热电阻的结构
第 7 章 热电式传感器
无感绕法：
先将金属丝对折起来缠绕在骨架上，使两个端头都处于支架的
同一端。这种绕法没有电感，即使用在交流电桥里也只有纯电阻作用。还
可防止外界交变磁场在热电阻上形成感生电势，而且也便于向外引线。
无论哪种金属材料制备的热电阻，将双线电阻丝绕在骨架上时都必须
采用无感绕法。
第 7 章 热电式传感器
大多数金属导体的电阻都随温度而变化。
电阻 - 温度特性方程： Rt = R0 (1 +
t +
t2 + … )
要求作为测量用的热电阻材料必须具备以下特点：
为提高灵敏度，电阻温度系数要尽可能大（一般采用纯金属材料）；
在测量范围内，物理和化学性质稳定；
在测量范围内，电阻温度系数恒定，便于实现温度表的线性刻度特性；
电阻率高，利于减小尺寸，从而减小热惯性；
特性复现性好，容易复制。
二、热电阻的材料
目前应用得较多的热电阻材料有铂和铜以及铁、镍等。
第 7 章 热电式传感器
三、常用的几种热电阻
1. 铂热电阻
由于铂的物理、化学性能非常稳定（尤其在高温和氧化性介质中），
是目前制造热电阻的最好材料。
除用作工业测温外，主要作为标准电阻温度计。按国际温标 IPTS －68
规定，在－259.34~630.74 ℃ 温域内，以铂电阻温度计作基准器。
 
2
0
1BtAtRR
t
 
 
32
01001 ttCBtAtRRt
式中 Rt —— 温度为 t ℃时的电阻； R0 —— 温度为 0 ℃
时的电阻；
t —— 任意温度； A，B，C —— 分度系数。
要确定电阻Rt 与温度 t 的关系，首先要确定 R0 的数值， R0 不同时，
Rt 与t 的关系不同。在工业上将相应于 R0＝50Ω 和100Ω （分度号Pt50 、
Pt100 ）的 R
t
－t 关系制成分度表，称为热电阻分度表，供使用者查阅。
0℃≤t≤650℃
200℃≤t≤0℃
摘要：

第7章热电式传感器第第77章热电式传感器章热电式传感器温度是表征物体冷热程度的参数，是六个基本物理量之一。通常把长度、时间、质量等基本物理量称作“外延量”，它们可以叠加，例如把长度相同的两个物体连接起来，其总长度为原来的单个物体长度的两倍。温度是一种“内涵量”，叠加原理不再适用，例如把两瓶90℃的水倒在一起，其温度绝不可能增加，更不可能成为180℃。自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在很多产品生产过程中，温度的测量与控制都直接和产品质量、生产效率、节约能源、安全生产等重要经济技术指标相联系。在工农业生产和科学研究的各个领域中，温度的测量占有重要的地位。最早的温度计是伽利略于159...

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