第六章 热电型传感器与测量电路

1. 第六章 热电型传感器与测量电路 热电型传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置，它通过测量传感元件的电磁参数随温度的变化来实现温度的测量。热电型传感器的种类很多，在各种热电型传感器中，以把温度转换为电势和电阻的方法最为普遍。 6.1 热电偶传感器 热电偶是目前工业温度测量领域里应用最广泛的传感器之一，它与其他温度传感器相比具有以下突出的优点： ① 能测量较高的温度。常用的热电偶能长期用来测量300～1300℃的温度，一般可达－270～＋2800℃，可满足一般工程测温的要求。 ② 热电偶把温度转换为电势，测量方便，便于远距离传输，有利于集中检测和控制。 ③ 结构简单、准确可靠、性能稳定、维护方便。 ④ 热容量和热惯性都很小，能用于快速测量。

2. 图6-1 热电偶原理图 6.1.1热电偶测温的基本原理 1．热电效应 将两种不同导体A、B连成闭合回路，且两端节点的温度t1、t2不同，则回路内将有电势产生，这种现象叫做热电效应，回路内的电势称为热电动势，简称热电势，如图6-1所示。 产生热电势的主要原因：两金属A、B内电子密度nA、nB不同，当两金属A、B形成节点时，由于节点两侧存在电子密度差而发生电子扩散，使一侧失去电子带正电荷，另一侧得到电子带负电荷，最终节点两侧形成稳定的电动势。这个电动势是由于不同金属接触而形成的，所以我们很形象地把它称为接触电势。回路内各节点形成的接触电势共同构成热电偶的热电势。 图6-1中热电偶的热电势近似为

3. 上式中，K为波尔兹曼常数；t、t0为热电偶两节点的绝对温度；E为回路中的电动势； nA、nB为两金属A、B的电子密度。 两金属的电子密度近似为常数，所以由式(6-1)可得：热电偶的热电势EAB(t，t0)与热电偶两节点的温度差(t，t0)成正比。 若令温度t0已知且固定，将热电偶的热端置于待测温度中，即令t等于待测温度，则通过测量热电偶的热电势即可实现待测温度t的测量。这就是热电偶测温的基本原理。其中：组成热电偶的导体A、B称为热电偶的热电极；置于温度为t的被测对象中的节点称为测量端(工作端或热端)；置于参考温度为t0的另一节点称为参考端(自由端或冷端)。

4. 2．热电偶基本定律 ① 参考电极定律：只有由不同导体组成的热电偶，其两节点的温度不同时，回路内才有热电势产生。热电势的大小只与两热电极材料的性质及两节点的温度有关，而与热电极的形状，大小无关。 ② 中间导体定律：在热电偶中插入第三种材料，只要插入材料两端的温度相同，对热电偶的总热电势没有影响。 该定律具有特别重要的实际意义。在热电偶测量回路中，接入的测量仪表可视为第三种材料，对热电偶的热电势无影响。 ③ 中间温度定律：热电偶两节点温度为(t，t0)时的电动势EAB(t，t0)等于该热电偶在节点温度为(t，tn)及(tn，t0)时的热电势EAB(t，tn)与EAB(tn，t0)之和，即 EAB(t，t0)= EAB(t，tn)+ EAB(tn，t0) (6-2)

5. 1.热电偶的结构 热电偶在工业生产中用于温度的测量、控制。热电偶用途、安装位置和方式的不同具有多种结构形式，但其基本组成大致相同。 1) 普通型热电偶(工业装配式热电偶) 一般由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等几部分组成。其中，热电极、绝缘套管和接线座组成热电偶的感温元件，如图6-2所示。 ① 热电极：测温敏感元件是热电偶温度传感器的核心部分，其测量端一般采用焊接方式构成。 ② 绝缘套管：用于防止两根热电极短路，通常采用陶瓷、石英等材料。 ③ 保护管：套在热电极(含绝缘套管)之外，防止热电偶被腐蚀，避免火焰和气流直接冲击，提高热电偶强度。 ④ 接线盒：用来固定接线座和连接外接导线，保护热电极免受外界环境侵蚀，保证外接导线与接线柱良好接触。有普通型、防溅型、防水型、防爆型等不同形式。

6. 图6-3 热电偶结构示意图 1.测量端；2.热电极；3.绝缘套管；4.保护管；5.接线盒 图6-2 热电偶感温元件 1.接线柱；2.接线座；3.绝缘套管；4.热电极 接线盒与感温元件、保护管装配成热电偶产品，即形成相应类型的热电偶温度传感器，如图6-3所示。 图6-4 热电偶工业外形

7. 图6-5 铠装热电偶断面结构 2)铠装式热电偶(缆式热电偶) 此种热电偶是将热电极、绝缘材料连同保护管一起拉制成型，经焊接密封和装配等工艺制成的坚实的组合体，其断面结构如图6-5所示。套管可长达100m，管外径最细能达0.25mm。分为单支式(两芯)、双支式(四芯)和三支式(六芯)几种。铠装热电偶已实现标准化、系列化。铠装热电偶体积小、热容量小，动态响应快；有良好的柔性，便于弯曲；强度高，抗震性能好，因此被广泛用于工业生产过程，特别是高压装置和狭窄管道等处的温度测量。 根据测量端的不同，铠装式热电偶有几种形式。 ① 碰底型： ② 不碰底型： ③ 露头型： ④ 帽型：

8. 3) 薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶。它的测量端既小又薄，热容量很小，动态响应快，可用于微小面积上的温度测量，以及快速变化的表面温度的测量。测量时薄膜热电偶用黏结剂紧贴在被测表面，热损失很小，测量精度高。但由于受黏结剂及衬垫材料限制，测量温度范围一般限于－200～＋300℃。 4) 表面热电偶 主要用于测量各种固体表面(如金属块、炉壁、涡轮叶片等)的温度。 5) 浸入式热电偶(消耗型热电偶或快速热电偶) 主要用于测量钢水、铝水以及其他熔融金属的温度。

9. 2.热电偶材料 从理论上讲任何两种导体或半导体都可配成热电偶，只要两结点存在温差，就产生电动势，但电动势因材料的性能不同而有很大的差异，因此不是所有材料都能做成热电偶。 热电偶材料必须具备以下基本特点： 1· 热电性能稳定，热电势与温度有单值关系或简单的函数关系。 2· 热电势应足够大。 3· 电阻温度系数和电阻率要小。 4· 物理性能稳定，化学成分均匀，不易氧化和腐蚀，机械强度高。 一般来说，纯金属热电偶容易复制，但其热电势小；非金属热电极的热电势大、融点高，但复制性和稳定性都较差；合金热电极的热电性能和工艺性能介于前面两者之间，所以目前合金热电极用的较多。常用的热电偶材料有铂铑、镍铬、镍硅、康铜、镍铜、纯铂丝等。

10. 标准化热电偶国家已定型批量生产，它具有良好的互换性，有统一的分度表，并有与之配套的记录和显示仪表。这对生产和使用都带来了方便。标准化热电偶国家已定型批量生产，它具有良好的互换性，有统一的分度表，并有与之配套的记录和显示仪表。这对生产和使用都带来了方便。 分度表的横向是不同的感温材料（对应于分度号），纵向是各温度下的热电势。其作用是规定了某种材料在各温度下应产生的标准热电势，使得配套的仪表电路能作出相应的调整，以适应工业现场对测温热电偶进行维修性更换。 热电偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。其中S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。 各分度号的应用特点及应用范围，请看教材。

11. 6.1.3热电偶的冷端温度补偿 由热电偶测温原理可知，热电偶的热电动势的大小不仅与测量端的温度有关，还与冷端温度有关。只有当冷端温度保持不变时，热电势才是测量端温度的单值函数。热电偶分度表及配套的显示仪表都要求冷端温度恒定为0℃，否则将产生测量误差。然而在实际应用中，由于热电偶的冷、热端距离通常很近，冷端受热端及环境温度波动的影响，温度很难保持稳定，保持0℃就更难。因此必须采取措施，消除冷端温度波动及冷端不为0℃时所产生的误差，即需进行冷端温度补偿。 1．补偿导线 当测温仪表与测量点距离较远时，为节省热电偶的材料，通常使用补偿导线。补偿导线由两种不同性质的廉价金属材料制成，在一定温度范围内(0～100℃)，与所配接的热电偶具有相同的热电特性，起着延长热电偶冷端的作用。

12. 2．冷端温度补偿 热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度仪表，其分度都是指热电偶冷端处在0℃时的电动势，因此在实际测量中，应使冷端保持在0℃，如果冷端不是0℃：，则热电偶的电动势为： E(t，0)=E(t，t0)+E(t0，0) (6-3) 冷端温度补偿的方法主要有以下几种。 1) 计算修正法 已知冷端温度为t0，根据中间温度定律，应用式(6-3)进行修正。 2)机械零位调整法 当冷端温度比较稳定时，工程上常用仪表机械零位调整法。如动圈仪表的使用，可在仪表未工作时，直接将仪表机械零位调整至冷端温度处。由于外接电动势为零，调整机械零位相当于预先给仪表输入一个电动势E(t0，0)。当接入热电偶后，热电偶热电势E(t，t0)与仪表预置电势E(t0，0)叠加，使回路总电势正好为E(t，0)，仪表直接指示出热端温度t。

13. A RX R1 － ＋ RS D C ＋ － R3 R2 B － ＋ 图6-7 WBC型冷端温度补偿器工作原理图 3)冰浴法 实验室常采用冰浴法使冷端温度保持为恒定0℃。 4)冷端补偿器法(补偿电桥法) 冷端补偿器是用来自动补偿热电偶的测量值随冷端温度的变化而变化的一种装置。图6-7是国产WBC型冷端温度补偿器的工作原理图。 由图6-7可知，此种补偿器的内部是一个不平衡电桥，其输出端于热电偶串联。RS是限流电阻，根据所配合的热电偶选择适当的RS，使电桥的电压输出特性与所配合的热电偶的热电特性相似。

14. mV 图6-8 单点测温 图6-9 测2点间的温差 6.1.4热电偶的测量线路 1．测量单点温度的基本测温线路 如图6-8所示。 2．测量两点之间温差的测温线路 如图6-9所示。用两只同型号的热电偶，配用相同的补偿导线，反向连接，这时仪表即可测得两点温度之差。

15. 图6-10 测量平均温度 图6-11 测多点温度之和 3．测量平均温度的测温线路 测量平均温度时通常把几只相同型号的热电偶并联在一起，如图6-10所示。要求三支热电偶都工作在线性段。测量仪表中指示出的为三支热电偶输出电势的平均值。 4.测量多点温度之和的测量线路 利用同类型的热电偶串联，可以测量多点温度之和，也可以测量多点的平均瘟度。如图6-11所示。这种接法的好处在于当有一只热电偶烧断时，回路内的电势消失，可以立即知道有热电偶烧断。

16. 图6-12 使用J型热电偶专用集成电路AD594的温度测量电路 6.1.5 热电偶测量电路 1．使用AD594的J型热电偶测温电路 使用J型热电偶专用集成电路AD594的温度测量电路如图6-12所示，用转换开关S1进行两个量程的切换，两个量程的温度测量范围分别为0～300℃和300～600℃。这样可减小非线性误差，在0～600℃范围内，非线性误差为1～2℃。

17. 图6-14 采用集成电路AD595的K型热电偶温度测量电路 2．采用AD595的K型热电偶测温电路 采用AD595的K型热电偶的测温电路如图6-14所示。AD595的内部框图和管脚配置与AD594相同。冷端补偿和放大由AD595完成，非线性校正电路采用AD538和运算放大器AI~A4等组成。该电路测温范围为0～1200℃，分0~600℃和600~1200℃两路输出。

21. 6.2 热电阻传感器 利用导体及半导体材料的电阻值随温度的变化而变化的特性可实现测温。一般把由金属导体如铂、铜、镍等制成的测温元件称为热电阻；把由半导体材料制成的测温元件称为热敏电阻。 6.2.1 常用的热电阻传感器及其性能 热电阻主要是利用金属材料的阻值随温度升高而增大的特性来测量温度的。温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻力增大，宏观上表现出电阻率变大，总电阻值增加。 热电阻传感器主要用于中、低温度(－200℃～＋650℃或850℃)范围的温度测量。常用的工业标准化热电阻有铂热电阻、铜热电阻和镍热电阻。

22. 1．铂热电阻 铂热电阻主要用于高精度的温度测量和标准测温装置。铂热电阻性能非常稳定，测量精度高，其测温范围为－200℃～＋850℃，分度号为Pt50(Ro=50.00Ω)和Ptl00(Ro=100.00Ω)，铂的纯度通常用W(100)= Rl00/R0来表示，其中Rl00代表在水沸点(100℃)时的电阻值，R0代表在水冰点(0℃)时的电阻值。 2．铜热电阻： 如果测量精度要求不是很高，测量温度小于150℃时，可选用铜热电阻。铜热电阻的测量范围是－50～＋l50℃。铜热电阻价格便宜，易于提纯，复制较好；铜热电阻测温范围较窄，体积较大，所以适用于对测量精度和敏感元件尺寸要求不是很高的场合。 3．镍热电阻 镍热电阻的测温范围为－100～＋300℃，它的电阻温度系数较高，电阻率较大，但它易氧化，化学稳定性差，不易提纯，复制性差，非线性较大，因此目前应用不多。

23. 图6-15 热电阻结构图 图6-16 铠装热电阻结构示意图 6.2.2 热电阻传感器的结构形式 1．普通热电阻 热电阻传感器一般由测温元件(电阻体)、保护管和接线盒三部分组成，如图6-15所示。铜热电阻的感温元件通常用0.1mm的漆包线或丝包线采用双线并绕在圆柱形塑料骨架上，线外再浸入酚醛树脂起保护作用。 2．铠装热电阻 铠装热电阻由金属保护管、绝缘材料和感温元件组成，如图6-16所示。其感温元件用细铂丝绕在陶瓷或玻璃骨架上制成。

24. 图6-17 工业热电阻产品外形 3．薄膜及厚膜型铂热电阻 薄膜及厚膜型铂热电阻主要用于平面物体的表面温度和动态温度的检测，也可部分代替线绕型铂热电阻用于测温和控温，其测温范围一般为－70～＋600℃。薄膜及厚膜型铂热电阻是近些年来发展起来的新型测温元件。厚膜铂电阻一般用陶瓷材料作基底，采用精密丝网印刷工艺在基底上形成铂电阻，再经焊接引线、胶封、校正电阻等工序，最后在电阻表面涂保护层而成。薄膜铂电阻采用溅射工艺来成膜，再经光刻、腐蚀工艺形成图案，其他工艺与厚膜电阻相同。图6-17为几种实际热电阻传感器产品外形图。

25. 图6-19 热电阻三线制电桥电路 图6-18 热电阻测温电桥原理 6.2.3热电阻传感器的测量线路 热电阻传感器的测量线路一般使用电桥，如图6-18所示。实际应用中，热电阻与测量桥路之间的连接导线的阻值R．会随环境温度的变化而变化，给测量带来较大的误差。为此，工业上常采用三线制接法，如图6-19所示。使导线电阻分别加在电桥相邻的两个桥臂上，在一定程度上可克服导线电阻变化对测量结果的影响。尽管这种补偿还不能完全消除温度的影响，但在环境温度为0～50℃内使用时，这种接法可将温度附加误差控制在0.5％以内，基本可满足工程要求。

26. 6.2.4热电阻传感器的测量电路 作为热电阻材料的金属要求电阻值稳定，电阻值随温度变化的线性好，最常用的是铂金属材料。热电阻的标称电阻值有温度为0℃时的50Ω和100Ω两种，但50Ω热电阻用得较少，将被淘汰掉，主要使用100Ω热电阻。 热电阻的使用温度范围：对于低温为－200～+100℃，对于中温为0～350℃，对于高温为0～500℃。用热电阻测量温度时。要外部施加电源使流经热电阻的电流为规定值，测量该电流在热电阻两端产生的电压降，从而达到测量温度的目的。因此，温度的测量精度高，尤其是测量常温下的温度比热电偶温度计更适宜。 为了对热电阻施加机械与化学性保护，使用时常将热电阻放在保护管内，尤其是在工业使用场合，对热电阻施加抵抗各种气体侵蚀的保护，这里需要注意保护管种类的选择。

27. 图6-20 2线式铂热电阻测量电路 1. 印制板上功率晶体管的温度测量电路 图6-20是2线式的铂热电阻接线电路，是一种恒温器电路，它检测印制板上的功率晶体管周围的温度，若超过60℃时就输出信号，实现自动调温。电路中，RT采用100Ω的铂热电阻，RT与R1串联接到恒压源(+12V)，RT中流经约1mA的电流。实际选用的Rl阻值比RT高很多，因此RT阻值变化引起的测量电流变化不大，获得近似恒流法的线性输出。 当功率晶体管周围温度低于60℃时，A1的同相输入端电位(由：RP、R2和R3分压确定)低于反相输入端，A1输出高电平；温度超过60℃时，则RT阻值增大到123.64（0℃时为100Ω)，A1的反相输入端电位高于同相输入端，Al输出变为低电平，从而控制有关电路进行温度调节。

28. 图6-21 三线式铂热电阻实用测温电路 2. 一般机械轴承的热电阻测温电路 图6-21是一种3线式测温电路。铂热电阻RT与高精度电阻Rl～R3组成桥路，而且R3的一端通过导线接地（R3的电阻值要与RT电阻相等，构成对称的相邻桥臂）。Rwl、Rw2和Rw3是导线等效电阻。因为R1的阻值比RT的要大得多，RT变动时的非线性对温度特性影响非常小。调整时，调整基准电源UT使其R2两端电压为准确的20V即可。

29. 图6-22 0～200℃铂热电阻测温电路 3. 测量0～200℃/0～500℃的铂热电阻测温电路 图6-22是铂热电阻的测温电路，输出UO接到数字万用表，就可直接数字显示测量温度，温度传感器采用TRRAl02B。图6-22是测温范围为0～200℃的电路，电路中三端集成稳压器采用MC7810，它的输出电压为10V，温度系数为100×10－6／℃(典型值)，在0～100℃温度变化范围内，温度系数只变化0.1％。

30. 图6-23 0～500℃铂热电阻测温电路 图6-23是测温范围为0～500℃的电路，传感器采用TRRAl02B铂热电阻。恒流工作时传感器的灵敏度约为3mV／℃，通用运算放大器都可胜任。该电路采用LM358通用运算放大器。LM358的输人失调电压温漂为10μV／℃(典型值)，每10℃温度变化范围也只有 10(μV／℃)×10(℃)／3(mV／℃)=0.033℃ 的温度误差。除LM358以外，采用AD648、LF442和TL062等低耗运算放大器也均可。

31. 6.3 热敏电阻传感器 热敏电阻利用半导体材料的阻值随温度的变化而变化的特性实现温度测量。与其他温度传感器相比，热敏电阻温度系数大，灵敏度高，响应迅速，测量线路简单，有些型号的传感器不用放大器就能输出几伏的电压，体积小，寿命长，价格便宜。由于本身阻值较大，因此可以不必考虑导线带来的误差，适于远距离的测量和控制。在需要耐湿、耐酸、耐碱、耐热冲击、耐振动的场合可靠性较高。它的缺点是非线性较严重，在电路上要进行线性补偿，互换性较差。目前已经有了多种集成化的热敏电阻传感器在应用，集成化的热敏电阻传感器做到了线性化。 热敏电阻主要用于点温度、小温差温度的测量；远距离、多点测量与控制；温度补偿和电路的自动调节等。测温范围为－50～＋450℃。

32. 图6-24 温度特性曲线 1.NTC；2.CTR；3.突变PTC 4.缓变PTC；5.铂丝 6.3.1 热敏电阻的分类 热敏电阻的温度系数有正有负，按温度系数的不同，热敏电阻可分为NTC、PTC、CTR三类。NTC为负温度系数的热敏电阻；PTC为正温度系数的热敏电阻；CTR为临界温度热敏电阻。CTR一般也是负温度系数，但与NTC不同的是，在某一温度范围内，电阻值会发生急剧变化。图6-24为热敏电阻的电阻温度特性曲线。图中：1为NTC，2为CTR，3为突变型PTC，4为缓变型PTC，5为铂丝。

33. NTC热敏电阻主要用于温度测量和补偿，测温范围一般为-50～+350℃，也可用于低温测量(-130～0℃)、中温测量(150～750℃)，甚至更高温度，测量温度范围根据制造时的材料不同而不同。 PTC热敏电阻既可作为温度敏感元件，又可在电子线路中起限流、保护作用。PTC突变型热敏电阻主要用作温度开关；PTC缓变型热敏电阻主要用于在较宽的温度范围内进行温度补偿或温度测量。当PTC热敏电阻用于电路自动调节时，为克服或减小其分布电容较大的缺点，应选用直流或60Hz以下的工频电源。 CTR热敏电阻主要用作温度开关。 热敏电阻一般不适用于高精度温度测量和控制，但在测温范围很小时，也可获得较好的精度。它非常适于在家用电器、空调器、复印机、电子体温计、点温度计、表面温度计、汽车等产品中作测温控温和加热元件。 热敏电阻的形状多种多样，有圆片状、圆柱状、球状等。

34. 图6-25 AD590外形及符号 （a）封装的外形； （b）符号 6.3.2 集成温度传感器 1．AD590型电流输出式精密集成温度传感器 1）性能特点 AD590是由美国英特西尔(Intersil)公司、模拟器件公司(ADI)等生产的恒流源式模拟集成温度传感器。它兼有集成恒流源和集成温度传感器的特点，具有测温误差小、动态阻抗高、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等优点，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准。 AD590属于采用激光修正的精密集成温度传感器。该产品有AD590 I／J／K／I／M 5挡以AD590M的性能最佳，其测温范围是－55～+150℃，最大非线性误差为±0.3℃，响应时间仅20μs。，重复性误差低至±0.05℃，功耗约2mW。

35. 图6-26 3½位显示的数字温度计 2）由AD590构成的数字温度计 AD590配以ICL7106型单片A/D转换器，即可构成3½位液晶显示的数字温度计，电路如图6-26所示。AD590跨接在IN－与U－之间。调整电位器RP1使基准电压UREF=500. 0mV。校正时用一只精密水银温度计监测温度，调整电位器RP2使仪表显示值与被测温度t(℃)相等。能显示的测温范围是0～199.9℃，但受AD590所限制，最高温度不得超过150℃。图6-26中，R2、RP1、R3、RP2和R4的总阻值应为28KΩ。

36. 图6-28 可调式恒温控制器电路 2. TMPl7型低价位电流输出式集成温度传感器 TMPl7是美国模拟器件公司生产的一种低价格电流输出式集成温度传感器。TMPl7分成2挡：TMPl7F、TMPl7G,。其中，TMPl7F的精度较高。 可调式恒温控制器电路如图6-28所示。由REF01E给TMPl7提供高稳定度的10V电源电压，在电阻R1上可获得与被测温度t成正比的电压信号。AD790为电压比较器。令t、t0分别表示温度的测量值和设定值，当t> t0时恒温控制器输出为低电平，t< t0时则输出高电平。t0值可通过电位器RP来调整。C1为消噪电容，C2为加速电容。温控电路的输出端可以通过各种执行机构来控制电加热装置，实现恒温控制。

37. 图6-30 采用LM35构成的温度控制电路 3. LM35系列电压输出式集成温度传感器 LM35系列是美国国家半导体公司(NSC)生产的电压输出式单片精密集成温度传感器，该系列产品包括5种型号：LM35、LM35A、LM35C、LM35CA和LM35D，以LM35A和LM35CA的测温精度最高。 图6-30是采用LM35构成的温度控制电路，电路工作简要说明如下：电路中，RP用于设定温度相应的基准电压US，UN为LM35检测温度相应的电压。当加热丝RH加热时，若超过预先设定值，即UN>US，则A1输出高电平，功率晶体管VT2截止，RH停止加热，温度降低。降到低于预先设定值时，即UN< US，则过程相反，VT2导通，RH开始加热。