热电传感器专题培训课件

热电传感器热电传感器2 2 传感器原理及应用传感器原理及应用第第8 8章章 温度传感器温度传感器主要内容：主要内容：8.1 8.1 温度传感器的分类及温标温度传感器的分类及温标 8.2 8.2 热电偶热电偶 8.3 8.3 热电阻、热敏电阻热电阻、热敏电阻 8.4 8.4 集成温度传感器集成温度传感器 8.5 8.5 红外温度传感器红外温度传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器8.2.2 8.2.2 8.2.2 8.2.2 热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律如果将热电偶如果将热电偶如果将热电偶如果将热电偶T T0 0端断开，接入第三导体端断开，接入第三导体端断开，接入第三导体端断开，接入第三导体C C，回路中电势由回路中电势由回路中电势由回路中电势由E EABAB（T T，T T0 0）应写为）应写为）应写为）应写为：设设 则有：则有：(1)(1)(1)(1)三种导体的热电回路（中间导体定律）三种导体的热电回路（中间导体定律）三种导体的热电回路（中间导体定律）三种导体的热电回路（中间导体定律）传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器8.2.2 8.2.2 8.2.2 8.2.2 热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律T测量仪器测量仪器 结论：结论：结论：结论：当热电偶引入当热电偶引入当热电偶引入当热电偶引入第三导体第三导体第三导体第三导体C C 时，只要时，只要时，只要时，只要C C导体两端温度相同，回路总电势不变。导体两端温度相同，回路总电势不变。导体两端温度相同，回路总电势不变。导体两端温度相同，回路总电势不变。中间导体定律说明，回路中中间导体定律说明，回路中中间导体定律说明，回路中中间导体定律说明，回路中接入导体接入导体接入导体接入导体和仪表后不会影响热电势。和仪表后不会影响热电势。和仪表后不会影响热电势。和仪表后不会影响热电势。根据这一定律，将导体根据这一定律，将导体根据这一定律，将导体根据这一定律，将导体 C C 作为测量作为测量作为测量作为测量仪器接入回路，就可以由总电势求出仪器接入回路，就可以由总电势求出仪器接入回路，就可以由总电势求出仪器接入回路，就可以由总电势求出工作端温度，条件是：工作端温度，条件是：工作端温度，条件是：工作端温度，条件是：保证两端温度保证两端温度保证两端温度保证两端温度一致一致一致一致。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器8.2.2 8.2.2 8.2.2 8.2.2 热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律在热电偶测温回路中在热电偶测温回路中在热电偶测温回路中在热电偶测温回路中T TC C为热电极上某点温度；为热电极上某点温度；为热电极上某点温度；为热电极上某点温度；热电偶在接点温度为热电偶在接点温度为热电偶在接点温度为热电偶在接点温度为T T、T T0 0 时的热电势时的热电势时的热电势时的热电势E EABAB（T T，T T0 0），），），），等于接点温度等于接点温度等于接点温度等于接点温度 T T、T TC C 和和和和 T TC C、T T0 0 时的热电势时的热电势时的热电势时的热电势的代数和，的代数和，A-BA-B热电偶的热电势为热电偶的热电势为热电偶的热电势为热电偶的热电势为：实际测量时，利用这一性实际测量时，利用这一性 质，质，对对参考端温度不为零度参考端温度不为零度时的热时的热 电势以及冷端延伸引线进行修电势以及冷端延伸引线进行修 正和补偿。正和补偿。(2)参参考电极定律（中间温度定律）考电极定律（中间温度定律）考电极定律（中间温度定律）考电极定律（中间温度定律）传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器8.2.2 8.2.2 8.2.2 8.2.2 热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律若导体若导体若导体若导体A A、B B分别于第三种材料分别于第三种材料分别于第三种材料分别于第三种材料C C组成的热电偶产生的热组成的热电偶产生的热组成的热电偶产生的热组成的热电偶产生的热点势已知，则由导体点势已知，则由导体点势已知，则由导体点势已知，则由导体A A、B B组成的热电偶所产生的热点组成的热电偶所产生的热点组成的热电偶所产生的热点组成的热电偶所产生的热点势：势：势：势：(2)标准标准电极定律电极定律电极定律电极定律 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器8.2.2 8.2.2 8.2.2 8.2.2 热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶基本定律意义：意义：意义：意义：检测任意材料组合的热电势工作量太大检测任意材料组合的热电势工作量太大检测任意材料组合的热电势工作量太大检测任意材料组合的热电势工作量太大可取某一材料做标准电极可取某一材料做标准电极可取某一材料做标准电极可取某一材料做标准电极测得其他材料与该标准电极的热电势测得其他材料与该标准电极的热电势测得其他材料与该标准电极的热电势测得其他材料与该标准电极的热电势根据标准电极定律，可推导出各种材料相互组合的热电根据标准电极定律，可推导出各种材料相互组合的热电根据标准电极定律，可推导出各种材料相互组合的热电根据标准电极定律，可推导出各种材料相互组合的热电势势势势(2)标准标准电极定律电极定律电极定律电极定律 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器8.2.3 8.2.3 8.2.3 8.2.3 热电偶的结构和种类热电偶的结构和种类热电偶的结构和种类热电偶的结构和种类 贵金属贵金属贵金属贵金属热电偶热电偶热电偶热电偶 铂铑铂铑铂铑铂铑 铂铑（铂铑（铂铑（铂铑（60060017001700）铂铑铂铑铂铑铂铑 铂铂铂铂 （0 016001600）普通金属普通金属普通金属普通金属热电偶热电偶热电偶热电偶 镍铬镍铬镍铬镍铬 镍硅（镍硅（镍硅（镍硅（-200-20012001200）镍铬镍铬镍铬镍铬 镍铜（镍铜（镍铜（镍铜（-40-40750750），铁铁铁铁 康铜（康铜（康铜（康铜（0 0400400）v热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好，热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、性能好，这是其它接触式温度传感器无法替代的。这是其它接触式温度传感器无法替代的。1.1.1.1.热电偶种类热电偶种类热电偶种类热电偶种类FF 国际电工委员会国际电工委员会IEC (International Electro Technical Commission)推荐种标准化热电偶，已列入工业标准化文件，具有统一的分度表。推荐种标准化热电偶，已列入工业标准化文件，具有统一的分度表。镍铬镍铬镍硅热电偶镍硅热电偶(K型型)分度表分度表 （参考端温度为（参考端温度为0）传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器8.2.4 8.2.4 8.2.4 8.2.4 热电偶测量电路及应用热电偶测量电路及应用热电偶测量电路及应用热电偶测量电路及应用实际应用若参考端温度实际应用若参考端温度实际应用若参考端温度实际应用若参考端温度不为不为不为不为0 0，工作端温度为，工作端温度为，工作端温度为，工作端温度为t t 时，由分时，由分时，由分时，由分度表可查出度表可查出度表可查出度表可查出E EA A（t t，0 0）;与实际热电势与实际热电势与实际热电势与实际热电势E EABAB（t,tt,t0 0）之间的关系可通过）之间的关系可通过）之间的关系可通过）之间的关系可通过中间温度定律中间温度定律中间温度定律中间温度定律得出：得出：得出：得出：传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器8.2.4 8.2.4 8.2.4 8.2.4 热电偶测量电路及应用热电偶测量电路及应用热电偶测量电路及应用热电偶测量电路及应用例：使用例：使用例：使用例：使用KK型热电偶型热电偶型热电偶型热电偶测温，当基准接点为测温，当基准接点为测温，当基准接点为测温，当基准接点为00，测量接点为，测量接点为，测量接点为，测量接点为 3030和和和和900900时，时，时，时，温差电动势温差电动势温差电动势温差电动势分别为分别为分别为分别为1.2031.203mVmV和和和和37.32537.325mVmV。当基准接点为当基准接点为当基准接点为当基准接点为3030，测温接点为，测温接点为，测温接点为，测温接点为900900时的温差电动势时的温差电动势时的温差电动势时的温差电动势E E为为为为多少？多少？多少？多少？解：解：解：解：t t=900=900（测温点）（测温点）（测温点）（测温点）t t0 0=30=30（基准点）（基准点）（基准点）（基准点）KK型热电偶型热电偶型热电偶型热电偶900900时总的温差电势为时总的温差电势为时总的温差电势为时总的温差电势为 37.32537.325mVmV=E E （900900，3030）+E E（3030，00）=E E+1.203+1.203mVmV 测温点温差电势为测温点温差电势为测温点温差电势为测温点温差电势为 E E=36.122=36.122mVmV 900 300 900 300 中间温度定律中间温度定律中间温度定律中间温度定律镍铬镍铬镍硅热电偶镍硅热电偶(K型型)分度表分度表 （参考端温度为（参考端温度为0）热电偶的测量电路1.测单点温度2.测两点的温度差：反极性串联。电动势极性相反，仪表显示差值3.测多点的平均温度：同极性连接3.1 并联3.2 串联 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器热敏电阻传感器：利用导体材料的电阻随温度变化热敏电阻传感器：利用导体材料的电阻随温度变化热敏电阻传感器：利用导体材料的电阻随温度变化热敏电阻传感器：利用导体材料的电阻随温度变化而变化的性质，实现温度的测量。而变化的性质，实现温度的测量。而变化的性质，实现温度的测量。而变化的性质，实现温度的测量。8.38.38.38.3 热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻R RT T热电阻电路符号热电阻电路符号热电阻电路符号热电阻电路符号 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器热敏电阻传感器：利用导体材料的电阻随温度热敏电阻传感器：利用导体材料的电阻随温度热敏电阻传感器：利用导体材料的电阻随温度热敏电阻传感器：利用导体材料的电阻随温度变化而变化的性质，实现温度的测量。变化而变化的性质，实现温度的测量。变化而变化的性质，实现温度的测量。变化而变化的性质，实现温度的测量。热敏电阻传感器主要有两大类：热敏电阻传感器主要有两大类：热敏电阻传感器主要有两大类：热敏电阻传感器主要有两大类：金属热电阻金属热电阻金属热电阻金属热电阻 半导体热敏电阻半导体热敏电阻半导体热敏电阻半导体热敏电阻金属热电阻、半导体热敏电阻统称金属热电阻、半导体热敏电阻统称金属热电阻、半导体热敏电阻统称金属热电阻、半导体热敏电阻统称热电阻热电阻热电阻热电阻。8.38.38.38.3 热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻贴片式贴片式薄膜式薄膜式 大功率大功率 R RT TP=U2R 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器普通金属热电阻一般用于普通金属热电阻一般用于普通金属热电阻一般用于普通金属热电阻一般用于-200-200+850+850温度测量温度测量温度测量温度测量,少少少少数可测数可测数可测数可测10001000。材料多为材料多为材料多为材料多为纯铂金属丝纯铂金属丝纯铂金属丝纯铂金属丝，也有，也有，也有，也有铜铜铜铜、镍镍镍镍，绕制在云母板、，绕制在云母板、，绕制在云母板、，绕制在云母板、玻璃或陶瓷线圈架上，构成热电阻。玻璃或陶瓷线圈架上，构成热电阻。玻璃或陶瓷线圈架上，构成热电阻。玻璃或陶瓷线圈架上，构成热电阻。铂线铂线铂线铂线云母绝缘耐高温云母绝缘耐高温云母绝缘耐高温云母绝缘耐高温瓷管瓷管瓷管瓷管带保护管的铂测温电阻元件带保护管的铂测温电阻元件带保护管的铂测温电阻元件带保护管的铂测温电阻元件 8.38.38.38.3 热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻8.3.1 8.3.1 8.3.1 8.3.1 金属热电阻金属热电阻金属热电阻金属热电阻 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器8.3.1 8.3.1 8.3.1 8.3.1 金属热电阻金属热电阻金属热电阻金属热电阻 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器8.3.1 8.3.1 8.3.1 8.3.1 金属热电阻金属热电阻金属热电阻金属热电阻 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器按按按按IECIECIECIEC（国际电工委员会国际电工委员会国际电工委员会国际电工委员会 ）标准标准标准标准 铂热电阻铂热电阻铂热电阻铂热电阻阻值与温度变化范围之间的关系近似为：阻值与温度变化范围之间的关系近似为：阻值与温度变化范围之间的关系近似为：阻值与温度变化范围之间的关系近似为：8.3.1 8.3.1 8.3.1 8.3.1 金属热电阻金属热电阻金属热电阻金属热电阻-200-200OO +0+0850850 式中：式中：为温度为温度 和和 时的电阻值时的电阻值A、B、C 为常数，为常数，t 值的大小与值的大小与有关有关 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器8.3.1 8.3.1 8.3.1 8.3.1 金属热电阻金属热电阻金属热电阻金属热电阻分度号分度号分别为：分别为：PtPt1010、PtPt100100 目前我国规定工业用铂热目前我国规定工业用铂热电阻有两种电阻有两种公称值公称值：国际温标国际温标ITS90ITS90标准标准中中,A、B、C 常数规定为；常数规定为；铂电阻的温度特性多为铂电阻的温度特性多为铂电阻的温度特性多为铂电阻的温度特性多为正特性正特性正特性正特性t=-150 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器铜热电阻铜热电阻铜热电阻铜热电阻阻值与温度变化范围之间的关系近似为：阻值与温度变化范围之间的关系近似为：阻值与温度变化范围之间的关系近似为：阻值与温度变化范围之间的关系近似为：8.3.1 8.3.1 8.3.1 8.3.1 金属热电阻金属热电阻金属热电阻金属热电阻-50-5015O15O 式中：式中：为温度为温度 和和 时的电阻值时的电阻值=4.28910-3优点：电阻温度系数大；线性度好；便宜优点：电阻温度系数大；线性度好；便宜缺点：电阻率较低；体积大；热惯性大；稳定性差缺点：电阻率较低；体积大；热惯性大；稳定性差 传感器原理及应用传感器原理及应用常用分度号：Cu50、Cu100Cu100在各温度点的电阻值均为Cu50的2倍第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器8 8 8 8.3 3 3 3.1 1 1 1 金金金金属属属属热热热热电电电电阻阻阻阻 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器热电阻型号命名方法热电阻型号命名方法热电阻的测量电路-两线制如图接法电桥平衡条件：R1R3=R2(Rt+2r)结论：该接法受导线电阻 r 影响很大热电阻的测量电路-三线制与两线制区别三根引出线一根与电源相连，不影响电桥平衡另两根分别于热电阻及其邻臂电阻相连电桥平衡条件：R1(R3+r)=R2(Rt+2r)结论：在R1=R2，且电桥平衡时，导线电阻 r 不影响测量结果热电阻的测量电路-四线制四根引出线分两对，分别连接恒流源与电压表r1、r4上的压降不在测量范围内r2、r3上无电流标号为Pt100的铂热电阻，采用两线制接法测温。设电桥电源为10V，R1=R2=1000，R3=100，引线电阻r=5。如果待测温度为300，试求相对测量误差。思路：电桥输出电压=输出端前的电阻分压比例差电源电压测量值：两线制接法电桥输出电压准确值？三线制接法三线制接法热电阻与热电偶的比较 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器近年来，几乎所有的家用电器产品都装有近年来，几乎所有的家用电器产品都装有近年来，几乎所有的家用电器产品都装有近年来，几乎所有的家用电器产品都装有微处理器微处理器微处理器微处理器，温度控制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热温度控制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热温度控制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热温度控制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热敏电阻。敏电阻。敏电阻。敏电阻。8.38.38.38.3 热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻8.3.2 8.3.2 8.3.2 8.3.2 热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻是用是用是用是用半导体材料半导体材料半导体材料半导体材料氧化氧化氧化氧化复合烧结而成温度敏感元件复合烧结而成温度敏感元件复合烧结而成温度敏感元件复合烧结而成温度敏感元件 主要材料有：主要材料有：主要材料有：主要材料有：MnMn、CoCo、NiNi、CuCu、FeFe氧化物，氧化物，氧化物，氧化物，传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器8.3.2 8.3.2 8.3.2 8.3.2 热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻温度特性温度特性温度特性温度特性 PTCPTC 正正温度系数特性型；温度系数特性型；NTCNTC 负负温度系数特性型温度系数特性型；8.3.2 8.3.2 8.3.2 8.3.2 热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻 多数多数多数多数半导体热敏电阻半导体热敏电阻半导体热敏电阻半导体热敏电阻具有具有具有具有负温度系数负温度系数负温度系数负温度系数，温度升高电阻下，温度升高电阻下，温度升高电阻下，温度升高电阻下降，同时灵敏度下降；降，同时灵敏度下降；降，同时灵敏度下降；降，同时灵敏度下降；所以热电阻限制了它在高温下使用。目前，热敏电阻温所以热电阻限制了它在高温下使用。目前，热敏电阻温所以热电阻限制了它在高温下使用。目前，热敏电阻温所以热电阻限制了它在高温下使用。目前，热敏电阻温度上限约度上限约度上限约度上限约300300 。vv半导体热敏电阻通过参杂，是很好的低温传感器，可以半导体热敏电阻通过参杂，是很好的低温传感器，可以半导体热敏电阻通过参杂，是很好的低温传感器，可以半导体热敏电阻通过参杂，是很好的低温传感器，可以测量测量测量测量40-100K 40-100K（-233-173-233-173）的温度。的温度。的温度。的温度。vv热敏电阻最大的缺点是，产品一致性差，互换性不好，热敏电阻最大的缺点是，产品一致性差，互换性不好，热敏电阻最大的缺点是，产品一致性差，互换性不好，热敏电阻最大的缺点是，产品一致性差，互换性不好，一般只用于电器产品，不在石油、钢铁等制造业上使用。一般只用于电器产品，不在石油、钢铁等制造业上使用。一般只用于电器产品，不在石油、钢铁等制造业上使用。一般只用于电器产品，不在石油、钢铁等制造业上使用。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第8 8 8 8章章章章 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器8.3.2 8.3.2 8.3.2 8.3.2 热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻常温阻值很大，导线电热敏电阻常温阻值很大，导线电阻影响可忽略不计阻影响可忽略不计热敏电阻的使用要注意控制电流，热敏电阻的使用要注意控制电流，防止自热误差防止自热误差热敏电阻的常见用途热敏电阻的常见用途测温测温其他其他NTC：防初导通时的电涌：防初导通时的电涌PTC：处理电路中的电流脉冲异常。过流：处理电路中的电流脉冲异常。过流保护，过热保护，自控加热保护，过热保护，自控加热 传感器原理及应用传感器原理及应用本章要点本章要点:FF 热电偶热电偶热电偶热电偶温度传感器测温温度传感器测温温度传感器测温温度传感器测温 连接不同材料的金属线，且加热一端，另一端产生电动势，可在连接不同材料的金属线，且加热一端，另一端产生电动势，可在连接不同材料的金属线，且加热一端，另一端产生电动势，可在连接不同材料的金属线，且加热一端，另一端产生电动势，可在 1500150015001500以下使用以下使用以下使用以下使用;热电偶的热电效应、热电偶的热电效应、热电偶的热电效应、热电偶的热电效应、热电偶的结构和种类，热电偶的结构和种类，热电偶的结构和种类，热电偶的结构和种类，热电偶测量电路。热电偶测量电路。热电偶测量电路。热电偶测量电路。FF 热电阻的阻值因温度而变化热电阻的阻值因温度而变化热电阻的阻值因温度而变化热电阻的阻值因温度而变化1 1 1 1）金属热电阻：温度越高，电阻越大，元件在）金属热电阻：温度越高，电阻越大，元件在）金属热电阻：温度越高，电阻越大，元件在）金属热电阻：温度越高，电阻越大，元件在500500500500以下使用；以下使用；以下使用；以下使用；2 2 2 2）半导体热敏电阻：通常温度越高，电阻越小，在）半导体热敏电阻：通常温度越高，电阻越小，在）半导体热敏电阻：通常温度越高，电阻越小，在）半导体热敏电阻：通常温度越高，电阻越小，在350350350350以下使用以下使用以下使用以下使用 热敏电阻，金属热电阻和热敏电阻的温度特性热敏电阻，金属热电阻和热敏电阻的温度特性热敏电阻，金属热电阻和热敏电阻的温度特性热敏电阻，金属热电阻和热敏电阻的温度特性;热敏电阻传感器，有灵敏度高、适应性强的特点，能远距离测量；热敏电阻传感器，有灵敏度高、适应性强的特点，能远距离测量；热敏电阻传感器，有灵敏度高、适应性强的特点，能远距离测量；热敏电阻传感器，有灵敏度高、适应性强的特点，能远距离测量；传感器原理及应用传感器原理及应用作作 业业1.1.P159P159：8.38.3、8.88.8、8.128.12