热电式传感器原理

常见的温度传感器：

热电阻、热敏电阻、热电偶、半导体温度传感器、石英温度传感器、热辐射式温度传感器等。

1-1热电阻

一，热电阻

热电阻材料，应满足条件：

常用材料：铂，铜，镍。

1,铂电阻

（1）材料性能：

铂易于提纯，性能非常稳定，耐氧化、熔化温度高(1772°C)、复现性好，电阻率高，温度范围宽、体积小，而温度系数较小。（常作为温度基准）

（2）结构：

感温元件（电阻丝＋绝缘骨架）、瓷套管、保护套管

铂电阻丝： Φ0.05──0.07mm；

（3）温度电阻关系：

（4）分度号与分度表：

将R与温度t的相应关系统一制成表格，称为铂电阻的分度表。

（5）纯度：

铂电阻的精度与铂的纯度有关，用电阻比表示：

（6）精度：

标准铂电阻：

工业铂电阻：

2，铜电阻

工业用，温度范围：-50～150℃，线性好，灵敏度高，价格便宜；但易氧化（>100℃），电阻率小。

电阻温度关系：

或：

电阻温度系数：

国内统一设计标准铜电阻

二、热电阻接线

1、内引线：由热电阻感温元件至接线端子的连接导线

2、测量电路：

热电阻的测量电路可以分为二个基本类型：桥式电路和电位差计。

（1）平衡电桥：

R1,R2为已知电阻，R3为可调电阻， Rt为热电阻。 通过调节R3，直到电桥平衡，则：二线制接法：

若不考虑引线电阻，则Rx＝Rt。 若考虑引线电阻，

1-2热敏电阻

热敏电阻的材料：锰、钴、铜、铁、锌等的氧化物的混合物。

主要特点：

1，灵敏度高（1％～6％/℃，比金属电阻大10～100倍）；

2，体积小（探头最小尺寸：0.2mm）

3，动态响应好（阻值：102～103Ω，热惯性小）

4，使用简单（无需冷端补偿、无需考虑引线电阻）

5，便于远距离控制

主要缺点：

R─t呈非线性，元件的稳定性和互换性较差。

一，热敏电阻的结构与材料

二，热敏电阻的温度特性  

基本特性分类：

1、正温度系数型（PTC）

2、临界温度系数型（CTR）

3、负温度系数型（NTC）；

PTC,CTR在一定温度范围内，阻值随温度变化剧烈，因此，常作为开关元件。 NTC具有负温度系数。

按基本性能分为三类：

NTC型，负温度系数：适用于-100─300℃

NTC在低于450℃时，有经验公式：

与热电阻相比，NTC热敏电阻的特点是：

（1）温度系数大，灵敏度高（为热点组的10倍），可以测量微小的温度变化值（0.001℃～0.005℃的℃变化）。

（2）结构简单、体积小（直径为0.5mm），可以测量点温度。 （3）电阻率高，热惯性小，响应快（响应时间可以为毫秒级），适宜动态测量。

（4）易于维护和进行远距离测量（因为元件本身的电阻值高，为3～700KΩ），导线电阻的影响可以忽略。

（5）在-50～350℃温度范围内，具有较好的稳定性。

缺点：互换性差；非线性严重（温度－电阻关系为指数关系）；不服从欧姆定律。

三，NTC热敏电阻的伏安特性

在稳定工作状态（热平衡）下，热敏电阻上的端电压与通过热敏电阻的电流之间的关系。

敏电阻温度－电阻表

三，NTC主要参数：

四，NTC测量电路：

1-4热电偶

一、热电效应

 两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成如图所示的闭合回路。当两个接触点（称为结点）温度T和T0不相同时，回路中即产生电动势，并有电流流过。

这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。

1、接触电动势 （帕尔贴Peltier效应）

接触电势的大小与温度和热电极的电子密度差有关：

温度越高，接触电势越大；

电子密度差越大，接触电势也越大。

2、温差电动势 （汤姆逊Thomson效应）

温差电势的大小，取决于热电极两端的温差：

温差越大，温差电势越大；

3、总电动势

热电偶的电势仅仅是热电偶两端温度（T，T0）函数的差，当T0＝const.时，则热电势仅是T的单值函数。

4、热电极的极性

1，测量端失去电子的热电极为正极，得到电子的热电极为负极。

2.中规定写在前面的A和T分别为正极和高温，写在后面的B和T0分别为负极和低温。

3，若它们的最后位置互换，则热电势的极性就反相。

二、热电偶基本定律

1、中间导体定律

将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。

根据这个定律，可将第三种导体换成测试仪或连接导线。只要保持两结点温度相同，就可以对热电势进行测量。

2、标准电极定律

两种金属构成热电偶的热电势，可以用这两种金属分别与第三种金属构成的热电势之差来表示 ：

若已知各种金属对标准电极的热电势，即可方便地求出各种金属搭配成热电偶时的热电势。

3、中间温度定律

  在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为T、Ta和Ta、T0时热电动势的代数和。

4、均质导体定律

由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面、长度，以及各处的温度分布如何，都不产生热电势。

作用：

1、如果热电偶的两根热电极是由均质导体组成，那么，热电偶的热电势仅与两端温度有关，而与热电极的温度分布无关。

2、用于检验两根热电极A，A’材料成分是否相同。

3、热电极材料的均匀性。

三、热电偶的种类和结构

1、对热电偶材料的要求

①热电动势大，测温范围宽，线性好。

②化学、物理性能稳定，不易氧化、变形及腐蚀。

③电阻温度系数α小，电阻率ρ小。

④易加工，易复制，工艺性和互换性好。

2、 热电极材料类型

（1）一般金属：镍铬－镍硅，铜－康铜，镍铬－镍铝等；

（2）贵金属：铂铑－铂

（3）结构形式：普通热电偶，铠装热电偶等

（一）普通热电偶的结构

（1）热电极 （2）绝缘套管 （3）保护管 （4）接线盒

（二）铠装热电偶的结构

由热电极、绝缘材料、金属保护套管三者组合成一体的特殊结构的热电偶。

主要特点：

1、动态响应快（0.01s)；

2、测量端热容量小；

3、可绕性好；

4、强度高。

（三）其它特殊热电偶的结构

1、薄膜热电偶

2、表面热电偶

3、消耗式热电偶

四、热电偶的冷端处理

①将冷端处理为

以便应用分度表 。

②将冷端延长，使冷端温度不受热端影响，并使冷端温度固定。

1、 延伸导线法（补偿导线法）  如图

2、0℃恒温法

将冷端置于冰点槽中，保证冷端为0℃ 条件。适用于实验室。

用到了哪些定律？

中间温度定律，中间导体定律

3、冷端恒温加计算修正：