第九章热电偶传感器第二讲
热电偶传感器电子教案
热电偶传感器电子教案第一章：热电偶传感器概述1.1 热电偶传感器的定义1.2 热电偶传感器的工作原理1.3 热电偶传感器的特点与应用第二章：热电偶的分类与结构2.1 热电偶的分类2.1.1 按材料分类2.1.2 按构造分类2.2 热电偶的结构2.2.1 热电偶的热电极2.2.2 热电偶的绝缘材料2.2.3 热电偶的连接线第三章：热电偶的工作原理与性能3.1 热电偶的工作原理3.1.1 塞贝克效应3.1.2 热电偶的工作曲线3.2 热电偶的性能参数3.2.1 热电偶的热电特性3.2.2 热电偶的温度范围3.2.3 热电偶的测量精度第四章：热电偶的应用与安装4.1 热电偶的应用领域4.1.1 工业生产4.1.2 科学研究4.1.3 日常生活4.2 热电偶的安装方法4.2.1 插入式安装4.2.2 固定式安装4.2.3 铠装式安装第五章：热电偶传感器的测量与校准5.1 热电偶传感器的测量原理5.2 热电偶传感器的测量电路5.3 热电偶传感器的校准方法5.3.1 对比法5.3.2 自动校准法5.3.3 手动校准法第六章：热电偶传感器的电路设计与应用6.1 热电偶传感器电路设计基础6.1.1 热电偶的冷端补偿电路6.1.2 热电偶的放大电路6.1.3 热电偶的线性化电路6.2 热电偶传感器在自动化控制系统中的应用6.2.1 温度控制系统的组成6.2.2 热电偶在温度控制系统中的应用案例第七章：常见热电偶传感器的选用与维护7.1 常见热电偶传感器的选用7.1.1 根据测量温度范围选用7.1.2 根据测量精度选用7.1.3 根据使用环境选用7.2 热电偶传感器的维护与保养7.2.1 清洁与保护7.2.2 定期校准7.2.3 注意使用寿命第八章：热电偶传感器的故障分析与处理8.1 热电偶传感器的常见故障8.1.1 测量误差过大8.1.2 显示值不稳定8.1.3 传感器损坏8.2 故障原因分析8.3 故障处理方法8.3.1 故障排查步骤8.3.2 故障处理策略第九章：新型热电偶传感器的研发与进展9.1 纳米材料在热电偶传感器中的应用9.2 光纤热电偶传感器的研发与应用9.3 无线热电偶传感器的研究与发展9.4 多功能热电偶传感器的创新应用第十章：热电偶传感器在国内外的发展趋势与展望10.1 国内外热电偶传感器市场现状10.2 热电偶传感器行业的发展趋势10.3 我国热电偶传感器产业的发展策略与展望10.4 热电偶传感器在未来的应用前景重点和难点解析重点环节一：热电偶传感器的工作原理解析：热电偶传感器的工作原理是基于塞贝克效应，即两种不同金属连接在一起形成的回路在温度变化时会产生电动势。
热电偶传感器ppt课件
3. 镍铬-镍硅热电偶（K型）
使用量最大旳便宜金属热电偶，用量为其他热电 偶旳总和。 正极（KP）旳名义化学成份为：Ni:Cr=90:10， 负极（KN）旳名义化学化学成份为Ni:Si=97:3。 其使用温度为-200～1300℃。
正
较硬
B
负
稍软
0.033
600~900
0~1600
1800
Ⅲ
＞800
±4℃ ±0.5%t
正
不亲磁
Ⅱ
-40~1300
±2.5℃或±0.75%t
K
4.096
0~1200
1300
负
稍亲磁
Ⅲ
-200~40
±2.5℃或±1.5%t
N
正
不亲磁
负
稍亲磁
2.774
200~1200
1300
Ⅰ Ⅱ
-40~1100 -40~1300
T —— 接触面旳绝对温度
e —— 单位电荷量 NA——金属电极A旳自由电子密度 NB——金属电极B旳自由电子密度
2. 温差电势
温差电势（汤姆逊电势）
T
eA (T ,T0 )
dT
T0
(6.3.2)
图6.3.3 热电偶旳温差电势
δ —— 汤姆逊系数，它表达温差为1℃时所产生旳 电动势值，它与材料旳性质有关。
热电极旳温度分布无关； 假如热电偶旳热电极是非匀质导体，在不均匀温度
场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料旳均 匀性是衡量热电偶质量旳主要技术指标之一。
2. 中间导体定律 在热电偶回路中接入与A、B电极不同旳另一种
导体称中间导体C，只要中间导体旳两端温度相同， 热电偶回路总电动势不受中间导体接入旳影响。
传感器原理-PN结、热电偶
PN结传感器原理
1 构造和特性
PN结是由n型半导体和p型半导体的交界处组成的。当给PN结加上逆向电压时，没有电流 通过。而当给PN结加上正向电压时，电流可以通过。
2 工作原理
PN结传感器通过监测电流和电压的变化来检测物理量的变化。例如，温度传感器就是根 据温度对PN结电容的变化来检测的。
3 应用场景
3
应用场景
热电偶广泛应用于医疗、工业测量、航空航天等领域。
压力传感器的原理
构造和特点
压力传感器由弹性体和检测元件组成。当弹性体 受到外力时，会变形，检测元件则会测量压力变 化。
应用场景
压力传感器广泛应用于工业、汽车、航空等领域。 例如，它可以用来检测装配生产线中的压力变化。
总结
了解不同传感器的原理和应用场景对我们进行相关工作有很大帮助。传感器 在此时此刻，或许正为我们所处的这个世界创造奇迹。
传感器原理-PN结、热电 偶
传感器在现代化社会中扮演着重要的角色。从PN结到热电偶，让我们来学习 不同传感器的原理、构造、特点和应用场景。
传感器概述
传感器是一种将物理量转变为电信号的器件。它们广泛应用于各行各业，包 括工业、医疗、安全等领域。了解不同类型的传感器的工作原理、构造和应 用场景对我们选择合适的传感器有极大的帮助。
工作原理
光学传感器通过检测光信 号的变化来检测物理量的 变化。例如，它可以用来 检测光线的强度和频率等 信息。
应用场景
光学传感器广泛应用于光 学仪器、环境检测、自动 化生产等领域。
热电偶的原理
1
构造和特点
热电偶由两个不同金属的导线的连接组成。当两个连接处的温度不同时，会产生 电势差。
2
工作原理
热电偶通过检测温度的变化来检测物理量的变化。例如，它可以用来检测热流和 温度差等信息。
热电偶传感器工作原理
热电偶传感器工作原理
热电偶传感器是一种常用的温度测量设备，它的工作原理基于热电效应。
热电效应是指当两种不同金属或半导体导线连接在一起时，由于两种导线的电子运动能级不同，导致在导线之间形成电动势。
热电偶传感器通常由两根不同金属或合金的导线组成，如铜和铜镍合金。
这两根导线的一端通过焊接或者紧密接触在一起，被称为测温点。
当测温点的温度发生变化时，由于两根导线的电子运动能级不同，会引发一个电动势。
当热电偶传感器的测温点温度高于其连接端的温度时，电动势将导致电子从温度高的导线流向温度低的导线，从而产生一个电流。
该电流的大小与温度差成正比，可以通过测量电流的大小来间接测量温度。
热电偶传感器的优点是响应速度快、测量范围广、精度高，并且具有较好的耐高温性能。
然而，由于热电偶传感器产生的电动势较小，需要使用专门的仪器来放大和处理电信号，以便准确测量温度。
总的来说，热电偶传感器的工作原理是基于热电效应，通过测量由温度差引发的电动势来间接测量温度。
这种传感器在许多领域中都有广泛应用，如工业控制、环境监测和实验室仪器等。
图文并茂热电偶传感器PPT共60页
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
图文并茂热电偶传感器
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热电偶传感器PPT
热电偶的基本定律
1、中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，
只要其两端的温度相等，该导体的接入就 不会影响热电偶回路的总热电动势。
mV
A
T01
A
t01
T
T
B
T02
B
t02
(a)插入中间导体
(b)应用电路
图2-3-2 热电偶插入中间导体示意图
13
2、中间温度定律 在热电偶测量电路中，热端温度为t，冷
端温度为t0，中间温度为t1,则（t,t0）的热 电动势等于（t,t1）与（t1，t0）热电动势 的代数和。 3、标准电极定律
只要测得标准电极与各种金属组成的热电 偶的热电动势，则任何两种电极配对组合 成的热电偶的热电动势就可根据标准电极 定律定律计算出，而不需要逐个测定。
14
热电偶基本定律
（1）如果热电偶两种电极材质相同，则无论 两接点的温度如何，总电动势始终为零。
3
热电偶主要用来测量中高温，它的测温范 围大，适用于炼钢炉、炼焦炉等高温地区 的温度测量。
4
热电偶测温原理
热电效应和热电动势 热电偶是利用热电效应的原理制成的。
5
热电效应和热电动势
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来， 构成一个闭合回路。当导体A和B的两个交接点t和 t0之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而 在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电 效应， 也称塞贝尔效应。
薄膜型热电偶采用真空镀膜技术，由两种 金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电 偶，其结构示意图如图所示。适用于微小 面积上的表面温度的测量以及快速变化的 表面温度的测量。
28
测量CPU散热片的温度应选用（ C ）型的 热电偶
热电偶传感器的工作原理
热电偶传感器的工作原理
热电偶传感器是一种常用的温度传感器，其工作原理基于热电效应。
热电效应是指在两种不同金属或半导体材料之间，当温度差异存在时，会出现电动势的现象。
而热电偶传感器则利用了这种现象来测量温度。
热电偶传感器由两种不同金属或半导体材料组成，这两种材料被连接在一起形成一个热电偶接头。
当热电偶接头处于不同温度时，由于热电效应导致在两种材料之间产生电动势，这个电动势与接头处的温度差异成正比。
通过测量热电偶接头的电动势，就可以计算出接头所处的温度。
热电偶传感器的灵敏度高、响应速度快、可靠性好等优点，使得它广泛应用于各种工业自动化控制系统和科学实验中。
但是热电偶传感器也存在一些不足，比如在高温环境下容易发生漂移、偏差等问题，需要进行校正和维护。
- 1 -。
热电偶传感器课件
05
热电偶传感器实验与操作
实验目的和原理
实验目的 掌握热电偶传感器的基本原理和工作特性。
了解热电偶传感器的测量电路和信号处理方法。
实验目的和原理
• 通过实验操作，培养实验技能和动手能力。
实验目的和原理
实验原理
热电偶传感器是一种基于热电效应的测温元件，由两种不同的导体或半导体制成回路，当两 端存在温差时，回路中就会产生热电动势。
热电偶传感器具有测量精度高、测量范围广、稳定性好等优点，被广泛应用于温度测量领域。
实验步骤和注意事项
实验步骤 1. 准备实验器材和热电偶传感器。
2. 搭建测量电路，连接热电偶传感器和测量仪表。
实验步骤和注意事项
3. 对热电偶传感器进 行标定，记录标定数 据。
5. 对测量数据进行处 理和分析，得出实验 结果。
保护套管
用于保护热电极免受被测介质化学腐蚀和机械损伤，同时起到固定和绝 缘的作用。
03
接线盒
用于连接热电偶丝和补偿导线，方便安装和维修。
热电偶分类与特点
分类
根据热电偶的材质、结构和使用环境等不同特点，可将其分 为多种类型，如K型、S型、E型、J型、T型等。
特点
不同类型的热电偶具有不同的测温范围、精度、稳定性等特 点。例如，K型热电偶具有线性度好、热稳定性高、测温范围 广等优点；而S型热电偶则具有精度高、抗氧化性能强等特点 。
工业过程自动化
石油化工
在石油化工行业，热电偶传感器 被用于测量和控制反应釜、分馏 塔等设备的温度，实现生产过程
的自动化和优化。
电力行业
热电偶传感器在电力行业中被广泛 应用于汽轮机、锅炉等设备的温度 监测与控制，提高发电效率和安全 性。
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教师授课方案（首页）授课班级09D电气1、电气2 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五节热电偶冷端温度补偿及技术第六节热电偶的应用及配套仪表教学目的与要求【知识目标】1、掌握热电偶的冷端温度补偿方法2、掌握温控仪表的接线方法【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：机械调零法、电桥法、半导体集成温度传感器及温控仪表接线难点：温控仪表接线教具教学辅助活动教具：多媒体课件、习题册教学辅助活动：提问、学生讨论一节教学过程安排复习1、温标的概念举例说明测量温度的方法2、热电偶传感器的工作原理、热电极、热电势、冷端、测量端；3、热电偶的分类、选用及怎样查分度表；4、热电偶的冷端补偿应怎样配型5分钟讲课1、掌握热电偶的冷端温度补偿方法2、掌握温控仪表的接线方法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：叶睿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、温标的概念举例说明测量温度的方法2、热电偶传感器的工作原理、热电极、热电势、冷端、测量端；3、热电偶的分类、选用及怎样查分度表；4、热电偶的冷端补偿应怎样配型第五节热电偶的冷端温度补偿及技术处理【本节内容设计】通过课件与教师讲授热电偶的冷端温度补偿方法，为测量温度及热电偶传感器的学习奠定基础【授课内容】由热电偶测温原理可知，热电偶的输出热电势是热电偶两端温度t 和t0差值的函数，当冷端温度t0不变时，热电势与工作端温度成单值函数关系。
各种热电偶温度与热电势关系的分度表都是在冷端温度为0℃时作出的，因此用热电偶测量时，若要直接应用热电偶的分度表，就必须满足t0=0℃的条件。
但在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0℃，而且也不恒定，因此将产生误差，一般情况下，冷端温度均高于0℃，热电势总是偏小。
消除或补偿这个损失的方法，常用的有以下几种：一、冷端恒温法1、冰浴法;将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0℃不变。
此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0℃而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。
2、恒温器法：将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度略高于环境温度的上限（例如40℃）。
3、空调法：将热电偶的冷端置于恒温空调房间中，使冷端温度恒定。
应该指出的是，除了冰浴法是使冷端温度保持0℃外，后两种方法只是使冷端维持在某一恒定（或变化较小）的温度上，因此后两种方法仍必须采用下述几种方法予以修正。
图9-9是冷端置于冰瓶中的接法布置图。
图9-9 冰浴法接线图1－被测流体管道2－热电偶3－接线盒4－补偿导线5－铜质导线6－毫伏表7－冰瓶8－冰水混合物9－试管10－新的冷端二、计算修正法1、公式当热电偶的冷端温度t0 0℃时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势E AB（t，t0）与冷端为0℃时所测得的热电势E AB（t，0℃）不等。
若冷端温度高于0℃，则E AB（t，t0）<E AB （t，0℃）。
可以利用下式计算并修正测量误差E AB（t，0℃）=E AB（t，t0）+E AB（t0，0℃）（9-6）2、举例9-1 用镍铬-镍硅（K型）热电偶测炉温时，冷端温度t0=30℃，在直流毫伏表上测得的热电势E AB（t，30℃）=38.505mV，试求炉温为多少？解查镍铬-镍硅热电偶（附录D）分度表，得到E AB（30℃，0℃）=1.203mV。
根据式（9-6）有E AB（t，0℃）=E AB（t，30℃）+E AB（30℃，0℃）=（38.505+1.203）mV=39.708mV反查K型热电的偶分度表，得到t=960℃。
该方法适用于热电偶冷端温度较恒定的情况。
在智能化仪表中，查表及运算过程均可由计算机完成。
三、仪表机械零点调整法当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的冷端温度比较恒定，对测量准确度要求又不太高时，可将动圈仪表的机械零点调整至热电偶冷端所处的t0处，这相当于在输入热电偶的热电势前就给仪表输入一个热电势E（t0，0℃）。
这样，仪表在使用时所指示的值约为E （t，t0）+E（t0，0℃）。
说明：此方法的补偿范围是0～40℃，一般补偿为0～20℃此方法有误差，但测量简单，在工业上经常使用。
四、电桥补偿法利用不平衡电桥产生的电动势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，如图所示。
电桥由电阻R1.R2.R3.Rt组成，Rl, R2, R3一般由电阻温度系数很小的锰铜扮绕制，阻值一般不随温度变化，Rt由温度系数较大的铜线绕制，由稳压电源提供电桥电源。
0℃时电桥平衡，R1=R2=R3=Rt, Uab=0，对测量无影响，当环境温度变化时，Rt阻值随即变化，桥路失去平衡，此时Uab与热电偶的热电动势E叠加，最后输出,适当选择桥路电阻，使Uab正好补偿由于冷端温度变化引起的热电动势变化值，即可使输出端指示出正确温度。
此方法选配繁琐，影响精度五、半导体集成温度传感器及热电偶冷端温度的测量1、方法：在计算修正法中，首先必须测出冷端温度，才有可能进行计算修正。
玻璃温度计无法适应计算机自动检测的要求。
若使用铜热电阻测量，则需要较精密的桥路激励电源，而且温度与输出电压的标定也较复杂。
现在普遍使用半导体集成温度传感器来测量室温。
它具有体积小、集成度高、准确度高、线性好、输出信号大、无需冷端补偿、不需要进行温度标定、热容量小、外围电路简单等优点。
只要将它置于热电偶冷端附近，将该传感器的输出电压作简单的换算，就能得到热电偶的冷端温度，从而用计算修正法进行冷端温度补偿。
常用的集成温度传感器有：AD590系列电流输出型温度传感器、数字输出型集成温度传感器LM74、专用热电偶冷端温度补偿芯片MAX6675等。
2、举例：是一个热电偶温度采集电路。
AD590和R1, R2构成冷端补偿电路，补偿电压V=I(Rl//R2)=K(T+273.2)(Rl//R2)K=1μA/℃，调节电位器R2即可调整补偿电势。
设冷端温度T在0～50℃变化，热电偶的平均热电势率为40.44μV/℃,K=1μA/℃,所以为保证补偿电势V随温度变化率与热电偶相同，应使(Rl//R2) = 40.44Ω从而保证补偿电势V随温度变化率与热电偶相同。
放大器AD620是由ANALOG DEVICES公司生产的一种双电源(±2.3V～±18V)供电、低噪声、低失调、低功耗、高共模抑制比(G=1时，CMRR=90的仪器运算放大器，差分输入阻抗高达10GΩ//2pF，只要在1脚和8脚RG-接入一定阻值的电阻RG就可以得到对差动信号(2脚IN－和3脚IN+)一定倍数G的放大效果，V ouT=G[ (IN+)一(IN-)]+VREF。
第六节热电偶的应用及配套仪表【本节内容设计】通过演示、课件与教师讲授温控仪表的接线，为实际工程测量温度及热电偶传感器的学习奠定基础【授课内容】一、与热电偶配套的仪表与热电偶配套的仪表有动圈式仪表及数字式仪表之分。
符合国家标准的动圈式显示仪表命名为XC系列。
按其功能有指示型（XCZ）和指示调节型（XCT）两个系列品种。
与K型热电偶配套的动圈仪表型号为XCZ系列及XCT系列等。
数字式仪表按其功能也有指示型XMZ系列和指示调节型XMT系列品种。
XMT系列仪表是在XCT系列仪表的基础上，加装了有调节、报警功能的数字式指示-调节型仪表，是专为热工、电力、化工等工业系统测量、显示、变送温度的一种标准仪器，适用于旧式动圈指针式仪表的更新、改造。
它不仅具有显示温度的功能，还能实现被测温度超限报警或双位继电器调节。
其面板上设置有温度设定按键。
当被测温度高于设定温度时，仪表内部的继电器动作，可以切断加热回路。
它的特点是采用工控单片机为主控部件，智能化程度高，使用方便。
这类仪表多具有以下功能：（1）双屏显示主屏显示测量值，副屏显示控制设定值。
（2）输入分度号切换仪表的输入分度号可按键切换（如K、R、S、B、N、E型等）。
（3）量程设定测量量程和显示分辩力由按键设定。
（4）控制设定上限、下限或“上上限”、“下下限”等各控制点值可在全量程范围内设定，上下限控制回差值也可分别设定。
（5）继电器功能设定内部的数个继电器可根据需要设定成上限控制（报警）方式或下限控制（报警）方式。
（6）断线保护输出可预先设定各继电器在传感器输入断线时的保护输出状态（ON/OFF/KEEP）。
（7）全数字操作仪表的各参数设定、准确度校准均采用按键操作，无须电位器调整，掉电不丢失信息。
（8）冷端补偿范围：0～60℃。
（9）接口许多型号还带有计算机串行接口和打印接口。
与热电偶配套的标准仪表外形及接线图如图9-16所示。
图9-16 与热电偶配套的标准仪表外形及接线图a）XMT仪表外形b）XCZ型接线c）XMT型接线图9-16b中的“短”、“短”两端在搬运仪表时须用导线短接起来，以保护仪表指针不致打弯或折断。
图9-16c右上角的三个接线端子分别为上限输出“2”的三个触点，从左到右依次为：仪表内继电器的常开（动合）触点、动触点和常闭（动断）触点。
当被测温度低于设定的上限值时，“高-总”端子接通，“低-总”端子断开；当被测温度达到上限值时，“低-总”端子接通，而“高-总”端子断开。
“高”、“总”、“低”三个输出端子在外部通过适当连接，能起到控温或报警作用。
“上限输出1”的两个触点还可用于控制其他电路，如风机等。
二、接线方法见下图三、热电偶的应用1、金属表面温度的测量对于机械、冶金、能源、国防，金属表面温度的测量是比较复杂又普遍的问题。
根据对象的特点，测温范围从几百到一千多摄氏度，测量的方法是接触测量法。
在200—300摄氏度时，用用粘接剂或焊接的方法，将热电偶的结点粘附于被测金属表面。
在测量高温较高时，采用焊接，将热电偶头部焊于金属壁面。
此时热电偶的接点接地，必须采用差动减法放大器。
焊接方式有V形焊、平行焊和交叉焊2、热电偶测量水泵的效率如果水泵的效率不为100%，动力轴输入的机械能量大部分转变成水的势能和动能，剩余部分必将转换成热量，使水的温度升高。
将两根同型号的热电偶反向串联后，分别安装在进水口和出水口处，其热电势之差反映了出水口和入水口的温度之差。
即可求出水泵的效率。
3、热电堆在红外探测器中的应用红外辐射可引起物体的温度上升。
将热电偶置于红外辐射的聚焦点上，可根据其输出的热电势来测量入红外线的强度。
单根热电偶的输出十分微弱。
为了提高红外辐射探测器的探测效应，可以将许多对热电偶串联。