第02章热电式传感器58页.
热电式传感器的原理和应用
热电式传感器的原理和应用一、热电式传感器的原理热电式传感器是一种使用热电效应来测量温度的传感器。
它利用了热电效应在两个不同材料接合处产生的温度差，从而生成一个电压或电流信号，用于测量温度。
1. 热电效应的基本原理热电效应是指两个不同材料的接触处由于温度差异而产生的电势差。
根据这个原理，热电式传感器通常由两种不同材料的导线或导体构成。
2. 热电偶原理热电偶是热电式传感器的一种常见类型，它由两根不同材料的导线通过焊接连接而成。
当一个导线的接触处受到热源的加热时，会产生一个电势差，这个电势差与温度成正比。
通过测量这个电势差，可以间接测量热源的温度。
3. 温度与电势差的关系热电偶的电势差与温度之间的关系可以通过热电势-温度特性曲线来描述。
每种材料的热电性质都不同，因此每根导线的热电特性也不同。
通过测量两个导线的电势差，可以确定温度的值。
二、热电式传感器的应用热电式传感器由于其简单、可靠的原理，被广泛应用于温度测量以及其他相关领域。
1. 工业自动化在工业自动化中，热电式传感器常用于测量各种流体、气体以及固体的温度。
它可以实时监测温度变化，并与控制系统相连，实现温度的自动调控。
2. 热处理过程热电式传感器在热处理过程中起到关键作用。
通过测量加热炉、熔炉等设备的温度，可以确保热处理过程的准确性和稳定性。
3. 医疗设备热电式传感器在医疗设备中也有广泛应用。
例如，体温计和血糖仪等便携式医疗设备都采用了热电式传感器来测量体温和血糖水平。
4. 环境监测热电式传感器还可以用于环境监测。
例如，测量室内和室外温度、湿度等参数，可以帮助调节室内环境，提供舒适的生活和工作环境。
结论热电式传感器是一种常见且有效的温度测量工具。
它利用热电效应的原理，通过测量热源产生的电势差来间接测量温度。
热电式传感器应用广泛，在工业自动化、热处理过程、医疗设备和环境监测等领域都有重要作用。
热电式传感器的原理和应用对提升生活和工作环境的舒适性，以及保证工业生产过程的准确性和稳定性都起到了关键作用。
热电式传感器工作原理
热电式传感器是一种常用的温度测量装置，它基于热电效应来实现温度的检测和测量。
其工作原理可以归纳如下：
1.热电效应：热电效应是指当两个不同金属或半导体材料形成一个闭合回路时，在两个接
点处存在温差时会产生电势差。
这种现象称为热电效应，主要有两种类型：塞贝克效应和佩尔丹效应。
2.塞贝克效应：塞贝克效应是指当两种不同金属材料的接点处存在温差时，由于热电效应
产生的电势差。
这个电势差与温差之间的关系是线性的，即温差越大，产生的电势差越大。
3.佩尔丹效应：佩尔丹效应是指当两种不同半导体材料的接点处存在温差时，由于热电效
应产生的电势差。
与塞贝克效应类似，佩尔丹效应也具有线性关系。
4.传感器结构：热电式传感器通常由两种不同金属或半导体材料组成的热电偶或热敏电阻
构成。
其中一个接点暴露于待测温度环境，而另一个接点则与参考温度保持恒定。
当两个接点存在温差时，通过测量产生的热电势差就可以确定温度。
5.信号读取：为了读取热电势差并将其转换为温度值，通常使用热电偶仪表或热敏电阻仪
表。
这些仪器测量和解释由热电效应产生的微弱电信号，并将其转化为相应的温度值。
总结起来，热电式传感器利用热电效应来测量温度变化。
通过测量不同金属或半导体材料之间的热电势差，可以确定温度差异并将其转化为实际温度值。
这种原理使得热电式传感器在许多应用领域中被广泛使用，如工业过程控制、温度监测等。
热电式传感器讲课文档
第三十二页，共69页。
使用补偿导线时注意问题：
补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。 补偿导线只能用在规定的温度范围内（0~100℃）； 热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；
第章热电式传感器
第一页，共69页。
第一节 热电偶传感器
热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。
优点有： 构造简单,
使用方便,
具有较高的精度、稳定性及复现性好, 温度测量范围宽（100~1600℃）,
在温度测量中占有重要的地位。
第二页，共69页。
一、热电偶测温原理
1、热电偶的结构
图中的闭合回路称为热电偶，导体A和B称为热电偶的热电极。热电 偶的两个接点中，置于被测介质（温度为T）中的接点称为工作端或热端， 置于温度为参考温度T0的一端称为参考端或冷端。
第五页，共69页。
热电偶两接点的接触电势 e A B (和T ) e A B (T大0 )小可表示为 ：
eAB(T )
KT e
ln NAT NBT
eAB(T0)
KT0 e
ln
NAT0 NBT0
式中: K——波尔兹曼常数，k=1.38*10-23J/K; e——单位电荷电量，e=1.6*10-19C;
第十八页，共69页。
（2）参考电极定律 当结点温度为T、 T0时，用导体AB组成的热电偶的热
电势等于AC热电偶和CB热电偶的热电势的代数和。
即： E A B ( T ,T 0 ) E A C ( T ,T 0 ) E C B ( T ,T 0 )
证明过程见课本。
导体C称为标准电极
（一般由铂制成）。
用在许多工业部门中。
第二十七页，共69页。
(3) 薄膜热电偶
第热电式传感器演示文稿
tM
tL
EM EH
EL EL
(tH
tL )
第17页，共59页。
热电偶的分度表（热电势与温度的关系）
第18页，共59页。
S型(铂铑10-铂)热电偶分度表
第19页，共59页。
➢热电偶的基本定律 （1）中间导体定律
EABC (t, t0 ) EAB (t, t0 ) EAB (t) EAB (t0 )
热电势。
A＋
T
自由 电子
B
2022/2/17
eAB（ T ）
10
第10页，共59页。
（1）两种导体的接触热电势
接触电势的大小与温度高低及 导体中的电子密度有关。即，取 决于A、B的性质及接触点的温度，
而与其形状尺寸无关。
第11页，共59页。
（2）温差电动势
温差电动势是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种 电动势。高温侧电子受热能运动加剧，高温侧失去电子而带正电，
第20页，共59页。
A T
B A T B
TC
如第三种导体两端C温度不等TC
，将造A 成热电势变化，变化
A
C
取决于导体热电性质与接点
T温度。因此，接入导体材料
T
要尽量与热电近根电偶据偶热此回B电性性路质质中相可引在入热各
0
TC
种测量仪表、连线 等均不影响热电势
的测量
C
D
第21页，共59页。
2．热电偶的基本定律
势存在，这种现象叫做热电效应。回路中所产生的电动势，叫 热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。
• 两个结点中，一个称为工作端或热端，另外一个称为自由端或 冷端。
第02章热电式传感器58页优秀课件
A tc A(A)
t
t0
B tc B(B)
中间温度定律
中间温度定律的应用
• 根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体
A′和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热
电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。
•该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电 偶测温回路中, 利用热电偶这一性质, 可对参考端温度不为 0℃的热电势进行修正。
普通型热电偶结构
保护 管
绝缘管 热端
接线 盒
热电 极
铠装型热电偶
接线盒 固定装置
B
B
金属导管 绝缘材料 B-B
A
A放大 热电极
优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高， 挠性好，可安装在结构复杂的装置上。
E(t，0)＝E(t, t1 ) + E(t1, 0 ) ＝29.90 +1.53= 31.43 mV
再 查 K 型 分 度 表 ， 由 31.43 mV 查 得 到 实 际 炉 温 755℃ 。
上述例子，若参比端不作修正，则按所测测量端和参
比端间的热电动势E(t, 32 )＝29.90 mV查K型分度表得 对应的炉温718℃，与实际炉温755℃相差37℃，由此产 生的相对误差约为5%。由此可见，如果不考虑参比端温 度修正、补偿有时将产生相当大的（温度）测量误差。
热电偶回路中产生的总热电势 eAB(T, T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0) 忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为：
e A B (T ,T 0 ) e A B (T ) e A B (T 0 ) q k 0(T T 0 )lnn n B A
讨论
传感器技术课件-热电式传感器
热电式传感器的应用领域
工业自动化
用于测量温度、流量、气体浓度等参数，提高生产效率和质量。
能源管理
用于监测和控制能源消耗，优化能源利用效率。
汽车工业
用于发动机温度、刹车系统和座椅加热等应用。
热电式传感器与其他传感器的比较
热电式传感器
• 适用于高温环境 • 温度测量范围宽 • 稳定性和精度高
压力传感器
热电式传感器的结构及原理
结构
热电式传感器通常由热电材料、保护层、连接线 和环境接口组成。
原理
当热电材料的两端产生温度差时，热电效应将使 电场中的电子产生电流，从而实现温度测量。
热电式传感器的分类
1 温度差型热电式传感器
适用于测量温度差异的传感器，如热电偶和 热敏电阻。
2 温度感应型热电式传感器
适用于测量单一温度的传感器，如热电阻和 热电堆。
选择离测量对象最近的位置，避免热量流失。
2 防护和维护
确保传感器受到适当的防护，并进行定期检查和校准。
3 电源和电路设计
考虑传感器的电源供应和信号处理电路的设计，以确保准确运行。
热电式传感器的校验方法
1 对比法
2 零点校准
将传感器与已知准确度的 参考温度计进行偏差。
传感器技术课件-热电式 传感器
热电式传感器是一种能够将热量转化为电能的传感器。了解其基本原理、结 构和应用领域，以及其优点和缺点是非常重要的。
什么是热电式传感器
热电式传感器是一种将温度变化转化为电压或电流输出的传感器。它利用热电效应来测量温度，并将温度变化 转化为电信号。
热电效应的基本原理
热电效应是指当两个不同材料的接触点形成温度差时，产生的电压或电流。 这种效应是由于不同材料的电子在温度梯度下产生的差异。
热电传感器的工作原理
热电传感器的工作原理
热电传感器是一种通过测量电压差来检测温度变化的传感器。
它基于"塞贝克效应"和"泊尔-塞贝克效应"的原理。
热电传感器通常由两个不同材料的导线组成，这些导线被称为"热电偶"。
当两个不同材料的导线连接成热电偶时，它们形成一个电路环路。
当热电偶的两个连接端温度不相等时，就会在电路中产生一个电压差。
这是由于两种不同材料在温度变化下产生的电动势不同所引起的。
这个电压差是一个关于温度差的非线性函数。
热电传感器通常会将热电偶的两个连接端的电压差转换成一个与温度变化成比例的电压输出。
这个输出电压可以通过放大电路被放大，以便更容易测量。
热电传感器的精度取决于热电偶材料的选择、导线的大小和长度、接触点的温度补偿等因素。
由于热电偶的工作原理相对简单可靠，且能够测量非常高温和低温环境，因此热电传感器被广泛应用于温度测量和控制领域，如工业自动化、家用电器等。
第二章热电式传感器
a bt ct
2
式中 ρ ——电阻率； t ——温度； a、b、c ——由实验确定的常量。
实物
第三节 热敏电阻
• 半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、 铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合 烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度 系数，随温度上升而阻值下降。 • 热敏电阻将温度的变化转换为 电阻的变化。热敏电阻是半导体元 件，其电阻具有负温度系数。
接触电势
• 由于不同金属材料所具有的自由电子密度不同， 当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会 发生电子扩散。
A
T B T0
A
B
温差电势
• 因导体两端温度不同而产生的电动势称为温差电势。 高温（T）端电子将向低温端（T0）扩散，致使高温端 因失去电子带正电，低温端因获电子而带负电。因而在 同一导体两端也产生电位差，并阻止电子从高温端向低 温端扩散，于是电子扩散形成动平衡，此时所建立的电 位差称为温差电势即汤姆逊电势。 A T B
学习要求
1.了解热电偶传感器基本结构和工作原理 2.掌握热电偶传感器温度补偿方法 3.了解热电阻传感器基本结构和工作原理 4.掌握热敏电阻的工作原理 5.了解热敏电阻的主要参数
第一节 热电偶传感器
• 一、热电效应 • 将两种不同材料的导体A和B串接成 一个闭合回路，当两个节点温度不同时， 在回路中就会产生热电势，形成电流， 此现象称为热电效应。 • 热电势由导体中的接触电势和温差 电势决定。 • 热电偶 -200~1300°C • 热电阻 -200~850 °C
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例子
用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度 t0=30℃，测得热电势 eAB（t ，t0 ）为33.29mV, 求加热炉 温度。 解 ： 查 镍 铬 - 镍 硅 热 电 偶 分 度 表 得 eAB （ 30 ， 0 ）
1.203 mV。 可得
eAB（t，0）= eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV 由镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.8℃ 。
B
A A放大
热电极
优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高， 挠性好，可安装在结构复杂的装置上。
冶金工程
冶金过程检测与控制
薄膜热电偶
热电极 工作端 绝 缘 基 板 引 出 导 线
接头夹具
特点：热接点可以做得很小（μm），具有热容量小、反 应速度快（μs）等特点，适用于微小面积上的表面温度以及 快速变化的动态温度测量。
R
R
R
ET E3
显 示 仪 表
E1
A B A
E2
B A
B
t1
t2
t3
ET t0 E1 E2
B A B A
热电偶的并联测温线路图
E3
B
特点：当有一只热电偶烧断时， 难以觉察出来。当然，它也不会 中断整个测温系统的工作。
A
t1
t2
t3
热电偶的串联测温线路图
冶金工程
冶金过程检测与控制
2.2 热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变 化而变化的原理进行测温的。 热电阻、热敏电阻。 热电阻广泛用来测量－ 200 ～ 850℃范围内的温度，少 数情况下，低温可测量至1K，高温达1000℃。标准铂电阻
冶金工程
冶金过程检测与控制
上述例子，若参比端不作修正，则按所测测量端和参 比端间的热电动势E(t, 32 )＝29.90 mV查K型分度表得
对应的炉温718℃，与实际炉温755℃相差37℃，由此产
生的相对误差约为5%。由此可见，如果不考虑参比端温 度修正、补偿有时将产生相当大的（温度）测量误差。
冶金工程
为常数，则总的热电动势就只与温度 T 成单值函数关系，
即 eAB(T,T0)=eAB(T)－c=f(T) 可见： 只要测出eAB （T,T0 ）的大小，就能得到 被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。
冶金工程
冶金过程检测与控制
热电偶的分度表 不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有 不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定， 并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热 电势与温度的对照表，即分度表。 供查阅使用，每10℃分档 。中间值按内插法计算。
nA k eAB (T , T0 ) eAB (T ) eAB (T0 ) (T T0 ) ln q0 nB
冶金工程
冶金过程检测与控制
讨论 •影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关 •两热电极相同时，总电动势为0
•两接点温度相同时，总电动势为0
•对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c
获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电 动势。 大小表示：
eA (T , T0 ) eB (T , T0 )
冶金工程
冶金过程检测与控制
热电偶回路中产生的总热电势 eAB(T, T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0) 忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为：
冶金工程
冶金过程检测与控制
4.
热电偶类型
工程用热电偶材料应满足条件：热电势变化尽量大， 热电势与温度关系尽量接近线性关系，物理、化学性 能稳定，易加工，复现性好，便于成批生产，有良好 的互换性。 国际电工委员会（ IEC ）向世界各国推荐 7 种标准 化热电偶（已列入工业标准化文件中，具有统一的分
t
U AB E
RCU
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冶金过程检测与控制
6. 热电偶测温线路 测量某一点的温度
补偿 导线 A t B (a ) 补偿 导线 A t B (c) 温度 变送 器 A 显示 仪表 t B (d ) 温度 变送 器 显示 仪表 t B (b ) 铜导 线 显示 仪表 A 补偿 器 显示 仪表 补偿 导线
电偶 AB 在接点温度 t 、 tc 和 tc 、 t0 时的热电势 eAB(t, tc) 和
eAB(tc, t0)的代数和，即 eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)
冶金工程
冶金过程检测与控制
［思考题］：用 K型热电偶测炉温时，测得参比端温度 t1 ＝
38℃ ； 测 得 测 量 端 和 参 比 端间 的 热 电动 势 E(t, 38) ＝
3. 热电偶的结构形式 为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶 的结构形式有： •普通型热电偶 •铠装型热电偶
•薄膜热电偶等。
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冶金过程检测与控制
普通型热电偶结构
保护 管
绝缘 管
热端
接线 盒
热电 极
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铠装型热电偶
接线盒 固定装置 B 金属导管 绝缘材料 与控制
测量两点间温度差（反向串联）
显示仪表
A
B
B
A
t1
t2
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测量平均温度（并联或正向串联）
优点：热电动势大，仪表的灵敏度大 大增加，且避免了热电偶并联线路存 在的缺点，可立即可以发现有断路。 缺点：只要有一支热电偶断路，整个 测温系统将停止工作。
显示仪表
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标准导体（电极）定律
t0 t0 t0
A
C
B
C
A
B
t
t
t
EAB (t , t0 ) EAC (t , t0 )－EBC (t , t0 )
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标准导体定律的意义
通常选用高纯铂丝作标准电极 只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势， 则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根 据标准电极定律计算出来。
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S型(铂铑10-铂)热电偶分度表
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2. 热电偶基本定律 中间导体定律 在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三
种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。
A
t0
T
C
A
t
t0
B B
B （a)
t0
t1
C （b)
t1
EABC (t , t0 ) EAB (t ) EAB (t0 ) EAB (t, t0 )
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冶金过程检测与控制
(3) 冷端温度修正法 当冷端温度 t0 不等于 0℃，需要对热电偶回路的测量电
势值eAB（t，t0）加以修正。当工作端温度为t时，分度表可
查eAB(t,0)与eAB(t0,0)。 根据中间温度定律得到：
eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0)
冶金工程
冶金过程检测与控制
冶金工程
冶金过程检测与控制
(4) 冷端温度自动补偿法（电桥补偿法）
R4
R1
R2
B
E
A
Rcu
R3
－
＋
E AB (t , t0 ) t0 E AB (t , t0 ) U AB 恒定值 R U AB CU
R2 RCU R1R3 ( RCU R1 )( R2 R3 ) R2 E (1 R1 R1 R3 RCU )( R2 R3 )
A
T
T0
eAB (T0 )
B
eAB (T )
eB (T , T0 )
冶金工程
冶金过程检测与控制
热电偶测温系统简图
冶金工程
冶金过程检测与控制
接触电动势 含义：由于两种不同导体的自由电子
E AB (T )
密度不同而在接触处形成的电动势。
A
＋ － ＋ － ＋ －
B
nA nB
接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接 触点的温度。 两接点的接触电动势eAB(T)和eAB（T0）可表示为
冶金工程
冶金过程检测与控制
均质导体定律
由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与
两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状 及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两种不 同性质的均质材料构成。 意义：
有助于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀
性。
冶金工程
冶金过程检测与控制
29.90 mV，试求实际炉温。 ［解］由K型分度表查得E(38，0)＝1.53 mV，由中间 温度定律可得到： E(t，0)＝E(t, t1 ) + E(t1, 0 )
＝29.90 +1.53= 31.43 mV
再 查 K 型 分 度 表 ， 由 31.43 mV 查 得 到 实 际 炉 温 755℃ 。
度表）。我国已采用IEC标准生产热电偶，并按标准分
度表生产与之相配的显示仪表。
冶金工程
冶金过程检测与控制
标准化热电偶的主要性能和特点
冶金工程
冶金过程检测与控制
标准化热电偶的主要性能和特点
冶金工程
冶金过程检测与控制
5. 热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法
当热端温度为 t 时，分度表所对应的热电势 eAB(t, 0) 与 热电偶实际产生的热电势eAB(t,t0)之间的关系可根据中间温 度定律得到下式：