热电偶传感器第一讲

教师授课方案（首页）授课班级09D电气授课日期课节 2 课堂类型讲授课题第九章热电偶传感器第一节温度测量的基本概念第二节热电偶传感器的工作原理第三节热电偶传感器的种类结构第四节热电偶的冷端延长教学目的与要求【知识目标】1、了解温标的概念2、了解热电偶传感器的工作原理；3、掌握热电偶的选用及掌握分度表的应用；4、掌握热电偶的应用【能力目标】培养学生理论分析及理论联系实际的能力，在实际测量中会进行热电偶传感器的选用以及冷端延长导线的选型。

【职业目标】培养学生爱岗敬业的情感目标。

重点难点重点：选用热电偶、冷端延长线的选择及分度表的使用难点：无教具教学辅助活动教具：热电偶、酒精灯、毫伏表、导线、多媒体课件、习题册教学辅助活动：提问、演示、生师讨论一节教学过程安排复习1、什么是霍尔效应传感器的工作原理2、霍尔集成电路的特性。

3、霍尔传感器有哪些应用。

5分钟讲课1、温标的概念2、热电偶传感器的工作原理；3、热电偶的分类、选用及掌握分度表的应用；4、掌握热电偶的应用73分钟小结小结见内页，之后利用10分钟时间与学生互动答疑10分钟作业习题册第九章热电偶传感器习题2分钟任课教师：2011年1月31日审查教师签字：年月日教案附页【复习提问】上节课知识点：1、什么是霍尔效应传感器的工作原理2、霍尔集成电路的特性。

3、霍尔传感器有哪些应用。

第九章热电偶传感器【章节导入】：在众多测温传感器中，热电偶传感器已成规格，并符合国际计量委员会的标准，在工业生产和科学研究得到广泛应用。

【本章要点】:1、了解温度测量的基本概念和方法；2、热电偶的工作原理，了解热电偶的分类及特点、进行热电偶传感器的选用；3、理解中间计算修正定律，掌握冷端延长的方法，并会选择补偿导线。

4、掌握控温仪表的接线方法。

第一节温度测量的基本概念【本节内容设计】通过课件与教师讲授温度的概念、温标、温度测量及温度测量传感器的分类及特性，为测量温度及热电偶传感器的学习奠定基础【授课内容】一、温度的概念温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。

温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。

二、温标1、温度的数值表示方法称为温标。

它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。

各类温度计的刻度均由温标确定。

2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。

几种温标的对比正常体温为37 C 相当于华氏温度 1.8×37+32=99F相当于热力学温标37+273=310K三、温度测量及传感器分类温度传感器按照用途可分为：基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为：接触式和非接触式；按工作原理又可分为：膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分：有自发电型、非电测型等。

五、举例：测量温度的方法第二节 热电偶传感器的工作原理非接触式测量、反应快；易受环境及被测体表面影响；标定困难-50～1500500～30000～10000～3500红外辐射温度计 光学高温温度计 热释电温度计 光子探测器光辐射 热辐射面积大、可得到温度图像、易衰老、分辨力低-50～1300 0～100 示温涂料 液晶 温度—颜色 体积小、线性好、测温范围小 -50～150 硅半导体 PN 结结电压标准化程度高；需要接入桥路得到输出电压 -200～900 -50～200 铂热电阻 热敏电阻 热电阻 自发电型，标准化程度高，品种多、可根据需要选择；需注意冷锻温度补偿 1000～2100 200～1800 -200～1200 钨铼热电偶 铂铑热电偶 其它热电偶 接触热电动势不需要电源、耐用；感温部件体积较大 -250～1000 -200～300 -50～350 -50～300 气体温度计 液体压力温度计 玻璃水银温度计 双金属片温度计 气体热膨胀 特点 测温范围/0C 传感器类型 所利用的物理现象【本节内容设计】通过演示、课件与教师讲授热电效应，为热电偶传感器的学习奠定基础【授课内容】一、热电效应1821年，德国物理学家赛贝克（T⋅J⋅Seebeck）用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转，如图9-1a所示。

二、演示：如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小。

显然，指南针的偏转说明了回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。

图9-1 热电偶原理图a）热电效应b）结点产生热电动势示意c）图形符号1－工作端2－热电极3－指南针4－参考端三、有关热电偶的概念及热电偶传感器的工作原理。

热电效应：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势的物理现象。

热电偶：两种不同材料的导体所组成的回路热电极：组成热电偶的导体热电偶热电动势：所产生的电动势称为（以下简称热电势）测量端：热电偶的两个结点中，置于温度为T的被测对象中的结点，又称为工作端或热端参考端：而置于参考温度为T0的另一结点，又称自由端或冷端。

几个结论：1）如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同（t≠t0），但总输出热电势仍为零。

因此必须由两种不同材料才能构成热电偶。

2）如果热电偶两结点温度相同，则回路总的热电势必然等于零。

两结点温差越大，热电势越大。

3）式（9-5）中未包含与热电偶的尺寸形状有关的参数，所以热电势的大小只与材料和结点温度有关。

如果以摄氏温度为单位，E AB（T，T0）也可以写成E AB（t，t0），其物理意义略有不同，但电动势的数值是相同的。

第三节热电偶的种类及结构【本节内容设计】通过课件与教师讲授热电偶的种类及结构的学习，为热电偶传感器及工程中温度测量的学习奠定基础【授课内容】一、热电偶的种类及特性1、热电极材料和通用热电偶热电极和热电偶的种类繁多，我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。

按此标准，共有八种标准化了的通用热电偶，如表9-2所示。

所列热电偶中，写在前面的热电极为正极，写在后面的为负极。

2、分度表：热电偶自由端（冷端）温度为0℃时，热电偶工作端（热端）温度与输出热电势之间的对应关系的表格。

本教材列出了工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表，见附录E。

表9-2 八种国际通用热电偶特性表名称分度号测温范围/℃100℃时的热电势/mV1000℃时的热电势/mV特点铂铑30-铂铑6①B50～18200.033 4.834熔点高，测温上限高，性能稳定，准确度高，100℃以下热电势极小，所以可不必考虑冷端温度补偿；价昂，热电势小，线性差；只适用于高温域的测量铂铑13-铂R -50～17680.647 10.506使用上限较高，准确度高，性能稳定，复现性好；但热电势较小，不能在金属蒸气和还原性气氛中使用，在高温下连续使用时特性会逐渐变坏，价昂；多用于精密测量铂铑10-铂S -50～17680.646 9.587优点同上；但性能不如R型热电偶；长期以来曾经作为国际温标的法定标准热电偶镍铬-镍硅K -270～13704.096 41.276热电势大，线性好，稳定性好，价廉；但材质较硬，在1000℃以上长期使用会引起热电势漂移；多用于工业测量镍铬硅-镍硅N-270～13002.744 36.256是一种新型热电偶，各项性能均比K型热电偶好，适宜于工业测量镍铬-铜镍（锰白铜）E-270～8006.319 －热电势比K型热电偶大50%左右，线性好，耐高湿度，价廉；但不能用于还原性气氛；多用于工业测量铁-铜镍（锰白铜）J-210～7605.269 －价格低廉，在还原性气体中较稳定；但纯铁易被腐蚀和氧化；多用于工业测量铜-铜镍（锰白铜）T-270～4004.279 －价廉，加工性能好，离散性小，性能稳定，线性好，准确度高；铜在高温时易被氧化，测温上限低；多用于低温域测量。

可作-200～0℃温域的计量标准①铂铑30表示该合金含70%的铂及30%的铑，以下类推。

分析图9-4：从图中可以看到，在0℃时它们的热电势均为零，这是因为绘制热电势-温度曲线或制定分度表时，总是将冷端置于0℃这一规定环境中的缘故。

从图9-4中还可以看出，B、R、S及WRe5-WRe26（钨铼5-钨铼26）等热电偶在100℃时的热电势几乎为零，只适合于高温测量。

从图9-4中还可以看到，多数热电偶的输出都是非线性（斜率不为常数）的。

国际计量委员会已对这些热电偶的化学成分和每一摄氏度的热电势做了非常精密的测试，并向全世界公布了它们的分度表（t0=0℃）。

使用前，只要将这些分度表输入到计算机中，由计算机根据测得的热电势自动查表就可获得被测温度值。

3、热电势-温度曲线因为绘制热电势-温度曲线或制定分度表时，总是将冷端置于0℃这一规定环境中的缘故所有曲线均过原点。

结论：N、K、E热电偶的测温上限较高E、J、K、N热电偶的灵敏度较高R、S、B热电偶的灵敏度较低多数热电偶的线性较差国际计量委员会公布了分度表，所以多采用查表法。

二、通过课件及实物让同学们观看热电偶的结构第四节热电偶冷端延长【本节内容设计】通过课件与教师讲授热电偶冷端延长的学习，使学生会选用补偿导线为热电偶传感器及工程中温度测量的学习奠定基础【授课内容】实际测量时，热电偶长度有限，冷端温度直接受到被测物温度和环境温度的影响。

工业中采用冷端延长的方法，使冷端远离高温区。

如果将热电偶做得太长、不经济，采用补偿导线将冷端延长。

一、可以证明：补偿导线在0～100 C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。

二、补偿导线的好处：（1）将自由端从温度波动区延长到温度稳定区，使指示仪表的示数稳定。

（2）补偿导线比使用相同长度的热电极便宜许多。

（3）补偿导线用铜及铜合金制作，单位长度直流电阻比热电极小得多，可以减小测量误差。

（4）补偿导线用塑料做绝缘层，自身为柔软的铜合金，易于弯曲，便于敷设。

三、补偿导线的注意事项：（1）两根补偿导线与两个热电极接点必须有相同温度（2）补偿导线必须与相应的型号的热电偶配用（3）必须在规定的温度范围内使用（4）极性切勿接反。

四、补偿导线型号【知识小结】:通过对以下知识的学习1、温度测量及传感器分类2、热电效应及热电偶传感器的工作原理；3、热电偶的种类及结构4、冷端延长的方法为掌握热电偶传感器的实际应用作知识储备。

【教学后记】:通过课堂习题的检验,作业的批改,第二堂课的提问,检验出学生对本节课的知识掌握良好,可以顺利地进行下一阶段的学习. 【板书设计】:如下第九章热电偶传感器第一节温度测量的基本概念一、温度温标二、温度测量及传感器分类第二节热电偶传感器的工作原理一、热电效应及演示二、热电偶传感器的工作原理及有关概念第三节热电偶的种类及结构一、热电偶的种类1、热电偶材料及种类第四节热电偶的冷端延长一、定律二、补偿导线的好处三、补偿导线的注意事项四、补偿导线的型号【知识小结】。