第九讲 热电式温度传感器
热电偶温度传感器原理
热电偶温度传感器原理热电偶温度传感器是一种常见的温度测量装置，其工作原理基于热电效应。
热电效应是指当两种不同金属的接触点处于不同温度时，会产生电动势。
利用这一原理，热电偶温度传感器可以测量被测物体的温度。
热电偶温度传感器由两根不同金属的导线组成，一般常用的金属有铜和铠，这两种金属具有较大的热电效应。
两根导线的一端通过焊接或者紧固连接在一起，形成一个热电偶的测量点。
另一端则与温度显示仪器连接，用于读取并显示温度数值。
当热电偶的测量端与被测物体接触时，由于两种金属的热电效应不同，两端之间就会产生一个微小的电势差。
这个电势差与被测物体的温度成正比，即温度升高，电势差增大；温度降低，电势差减小。
通过测量这个电势差，可以确定被测物体的温度。
热电偶温度传感器的测量精度主要取决于两个方面：一是热电偶的材料选择，二是温度显示仪器的精度。
热电偶的材料选择需要满足被测物体的温度范围，并且具有较大的热电效应。
常用的热电偶材料有K型、J型、T型等，它们适用于不同的温度范围。
在实际应用中，为了提高测量精度，常常采取一些校准和补偿方法。
热电偶温度传感器在测量前需要进行零点校准和线性校准，以消除传感器本身的误差。
同时，由于热电偶的输出信号受到环境温度的影响，还需要进行冷端补偿，以提高测量精度。
热电偶温度传感器具有许多优点，首先是其响应速度快，可以实时测量温度变化。
其次，热电偶温度传感器结构简单，成本较低，可靠性高。
此外，热电偶温度传感器的温度范围广，可测量的温度范围一般在-200℃到+2000℃之间。
然而，热电偶温度传感器也存在一些限制和注意事项。
首先，热电偶温度传感器的输出信号较小，需要进行放大和滤波处理。
其次，热电偶温度传感器对外部电磁干扰较为敏感，需要采取屏蔽措施。
此外，在测量过程中需要注意测量点与被测物体之间的热接触，以确保温度测量的准确性。
热电偶温度传感器是一种常用的温度测量装置，其工作原理基于热电效应。
通过测量两种不同金属的导线之间的电势差，可以确定被测物体的温度。
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。
热电式传感器传感器PPT演示课件
14
⑤ 对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，若各 接点温度分别为T1、T2……TN ，闭合回路总的热电 动势为：
② 只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材 料不会产生热电动势。
因为当A、B两种导体是同一种材料时， ln（nA/nB）=0，所以EAB（T，T0）=0。
13
③ 只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热 电偶才能有热电动势产生；当热电偶两端温度相同时， 不同材料组成的热电偶也不产生热电动势，即EAB（T， T0）=0。
4
热电势 EAB( T,T0 )
接触电势 温差电势
（1 ）接触电动势
若金属A的自由电子浓度大于金属B的，则在同 一瞬间由A扩散到B的电子将比由B扩散到A的电子多， 因而A对于B因失去电子而带正电，B获得电子而带 负电，在接触处便产生电场。A、B之间便产生了一 定的接触电动势。
5
接触电动势的大小与两种金属的材料、接点的温度有关， 与导体的直径、长度及几何形状无关。
ln
nA nB
k (T
T0 ) ln
nA nB
上式说明接触电动势的大小与接点温度的高低及导体 的性质有关。如果两接触点的温度相同，尽管两接触 点处都存在接触电势，但回路中总接触电势等于零。
7
（2）温差电动势 对于任何一种金属，当其两端温度不同时，两端
的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有 较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。因此 高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电 子而带正电，低温端得到电子而带负电，形成温差电 动势，又称汤姆森电动势。
热电式传感器设计
热电式传感器热电式传感器是一种能够将温度变化转换成电信号的装置。
它是利用某些材料或元器件的性能随温度变化的特性进行测温的。
温度是表征物体冷热程度的物理量。
它反映物体内部各分子运动平均动能的大小。
温度可以利用物体的某些物理性质（电阻、电势、等）随着温度变化的特征进行测量。
测量方法按作用原理分接触式和非接触式。
接触式传感器接触温度场，二者进行热交换。
（热电偶、热电阻温度传感器）。
测温范围在-250——1800度，适用于远距离多点测量。
一、热电偶传感器热电偶传感器是工业中使用最为普遍的接触式测温装置。
这是因为热电偶具有性能稳点、测温范围大、信号可以远距离传输等特点，并且结构简单、使用方便。
热电偶能够将热能直接转换成电信号，并且输出直流电压信号，使得显示、记录和传输都很容易。
热点偶传感器的原理：当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为TO，称为自由端(也称参考端)或冷端，则回路中就有电流产生。
这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。
与塞贝克有关的效应有两个：其一，当有电流流过两个不同导体的连接处时此处便吸收或放出热量(取决于电流的方向)，称为珀尔帖效应；其二，当有电流流过存在温度梯度的导体时，导体吸收或放出热量(取决于电流相对于温度梯度的方向)，称为汤姆逊效应。
两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。
热电偶的热电势EAB(T，T0)是由接触电势和温差电势合成的。
接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势，此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。
温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势，此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关，而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。
无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势，热电偶测量的热电势是二者的合成。
热电式传感器讲课文档
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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
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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。
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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。
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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;
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（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。
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(3) 薄膜热电偶
热电式传感器的工作原理及其分类
热电式传感器的工作原理及其分类
热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置。
它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性来进行测量的。
例如将温度变化转换为电阻、热电动势、热膨胀、导磁率等的变化，再通过适当的测量电路达到检测温度的目的。
把温度变化转换为电势的热电式传感器称为热电偶；把温度变化转换为电阻值的热电式传感器称为热电阻。
热电式传感器的工作原理
热电偶是利用热电效应制成的温度传感器。
所谓热电效应，就是两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。
由热电效应产生的电动势包括接触电动势和温差电动势。
接触电动势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。
其数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。
温差电动势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。
其。
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。
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接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。
(2)单一导体温差电势（汤姆逊电势） T
o
温差电势原理图
热端
冷端
A
eA(T,To)
对单一金属如果两边温度不同，两端也产生 电势。 产生这个电势是由于导体内自由电子在高温 端具有较大的动能，会向低温端扩散。由于高 温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电。
0 200 400 600
-200
Rt R0[1 1t 2t 2 3t 3 ]
温度t[0C]
在-50～180℃范围内，金属铜的电阻值与温度的关系为
Rt R0 (1 t )
温度t℃时的电阻值 温度0℃时的电阻值
常用热电阻
铂电阻
电阻率较大，电阻-温度关系呈非线性，但测温范围广， 精度高，且材料易提纯，复现性好 工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10
T
eA (T , T0 ) AdT
T0
T
eA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势； T，T0——高低端的绝对温度；
σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温差为1℃时所产生的温差电动势，
例如在0℃时，铜的σ =2μV/℃。
(3) 回路总电势 由导体材料A、B组成闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果
云母 铂线 瓷器
5mm
带保护管的铂测温结构示意图
薄膜型及普通型铂热电阻
小型铂热电阻
防爆型铂热电阻
汽车用水温传感器及水温表
铜热电阻
铂热电阻分度表
四、热敏电阻 近年来，几乎所有的家用电器产品都装有微处理器，温度控 制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热敏电阻。
热敏电阻用半导体材料氧化复合烧结而成，主要材料有：Mn、
Rt R0 1 t bt 2 c t 100 t 3
Rt R0 1 t bt
2
R0
为0C时电阻，其值是
100
4
铂测温电阻元件的电阻的 温度特性
3
电阻比 R/R0
2
1
在0～630.74℃范围内， 金属铂的电阻值与温 度的关系为
刻度盘上显示出温度的
变化。
三、金属热电阻
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碍增大，宏观上表现出电阻率变 大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变 化趋势相同。金属热电阻一般用于-200～+600℃温度测量。
R R1[1 (t2 t1 )] R1[1 t ]
T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势。
E AB (T , T0 ) e AB (T ) e AB (T0 ) e A (T , T0 ) eB (T , T0 )
T kT N AT kT0 N AT0 ln ln ( A B )dT T0 e N BT e N BT0
热敏电阻外形
MF12型 NTC热敏电阻
聚脂塑料封装 热敏电阻
其他形式的热敏电阻
玻璃封装 NTC 热敏电阻
MF58 型热敏电阻
其他形式的热敏电阻
带安装孔的热敏电阻
大功率PTC热敏电阻
热敏电阻温度计面板表
热敏电阻
LCD
• 由于热敏电阻与温度呈较强的非线性，使得它的测温范围 和精度受到一定限制。
温度传感器组成框图
应用：热膨胀原理测温
测量原理 物体受热时产生膨胀
固体膨胀式温度计
液体膨胀式温度计
玻璃管温度计
双金属温度计
双金属温度计 双金属温度计是把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起 制成的，是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量
变化，不仅用于测量温度，而且还用于温度控制装置（尤其是
现代工业中温度测量和控制是不可缺少的，
烟草烘干
木材烘干
一、温度检测 接触式测温 温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。 (1) 膨胀式温度计 (2) 热电阻温度计 (3) 热电偶温度计 (4) 其他原理的温度计 特点
直观、可靠，测量仪表也比较简单；时间滞后，对于较小的物体，可能因 测温元件引入影响温度场分布而造成测量误差，难以测量运动物体温度，
符号为℃。
华氏温标 ℉ ----规定在大气压下，纯水的冰融点为32度，纯水的沸点为 212度，中间划分为180等分，每一分为一华氏度，符号为℉。
热力学温标 K ---- 开尔文温标，单位为开尔文（K）。
热力学温标（K） 热力学温标是建立在热力学 第二定律基础上的最科学的温标，
是由开尔文根据热力学定律提出
热电阻
热电偶
体积热膨胀式
不需要电源，耐用；但感温 部件体积较大。
气体的体积与热力学温度成正比
电流输出型典型集成温度传感器有 AD590（美国AD公司生产），国内同类产 品SG590。 器件电压4～30V， 测温范围-50～150℃
基于1-WIRE总线的DB18B20 型智能温度传感器
DB18B20引脚
铜电阻
电阻值与温度的关系几乎呈线性，电阻温度系数也较大，
而且其材料易提纯，价格比较便宜，但缺点是在100℃以 上易被氧化 工业用铜热电阻的分度号为Cu50和Cu100
热电阻的主要技术性能
易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻
热电阻传感器的结构
应用于-200~600℃范围内的温度测量
热电阻＝电阻体（最主要部分）＋绝缘套管＋接线盒 材料要求：
热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分， 其特性曲线是非线性的。 NTC又可分为两大类：
第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指
数关系； 第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电 阻值突然下降 。
热敏电阻的外形、结构及符号
a）圆片型热敏电阻 b）柱型热敏电阻 c）珠型热敏电阻 d）铠装型 e）厚膜型 f）图形符号 1—热敏电阻 2—玻璃外壳 3—引出线 4—紫铜外壳 5—传热安装孔
• 一般利用温度系数很小的金属电阻与热敏电阻串联或并联，
使热敏电阻阻值在一定范围内呈线性关系。
• 热敏电阻测量的方法常用电桥法。
热敏电阻的应用
右图是一恒温电路，A为比
较器，当环境温度达到T℃时，
输出信号实现自动调温控制。
同相端输入有RP、R1、R2、 R3分压确定作比较电平，RP可
调节比较器的比较电平，从
热电偶工作原理演示实验
热电极B
热电极A 测量端（工 作端、热端）
热电势
A
自由端（参 考端、冷端）
B
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
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。
(1) 接触电势
A
+ -
B
热端 冷端
T
不同金属自由电子密度不同，当两种金
取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态 阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484 。
热电阻测温原理
测量原理 导体或半导体的电阻值随温度变化
热电阻
T
R
不同热电阻阻值与温度变化之间的关系不完全相同。
例，铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为：
-200～O℃ +0～850℃ 式中：
一般只适合于中低温测量
非接触测温 温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热 交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。 (1) 辐射式温度计 (2) 光纤式温度计： 不与被测物体接触，不破坏原有的温度场；测温范围广、理论上无温度上 特点
限限制、测温响应快、测温过程不影响温度场分布、能够检测运动物体温 度等；精度一般不高。
二、温标 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。 国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。
摄氏温标 ℃ ---把标准大气压下纯水的冰融点定为0度，纯水的沸点定为 100度。在0度和100度之间分成100等分，每一分为一摄氏度，
电阻温度系数要大；电阻率尽可能大，热容量要小，在测量 范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最 好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。
热电阻结构
6
5
4
热电阻结构
• 电阻的结构主要由不同材料的电阻丝绕制 而成，为了避免通过交流电时产生感抗， 或有交变磁场产生感应电动势，在绕制时 采用双线无感绕制。
NAT、NAT0——导体A在结点温 度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0——导体B在结点温 度为T和T0时的电子密度； σA 、 σB——导体A和B的汤姆 逊系数。
在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势，温差电动势可 以忽略不计。 EAB(T,T0)≈EAB(T )-EAB(T0 )
在标定热电偶时，一般使T0为常数，则：
第九讲 温度测量
学习目的与要求 • 了解测量温度的方法，理解各种测量温度传感器
的基本原理，了解各种传感器的组成、分类、特
点及标定方法。 • 重点是热电偶、电阻式温度传感器。
概述
温度是物理现象中具有代表性的物理量
现代生活中温度测量和控制是不可缺少的，如家用电器： 电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都少不了 温度传感器。
而调节所需控制温度。
热敏电阻的恒温控制电路
热敏电阻用于电热水器的温度控制
热敏电阻用于CPU的温度测量
热敏电阻体温表的调试、标定方法
小结 热敏电阻灵敏度高，比一般的金属大10~100倍；热惯性小，
动态测量；结构简单，体积小。
多数热敏电阻具有负温度系数，温度升高电阻下降，同时灵 敏度下降，所以热电阻限制了它在高温下使用。热敏电阻温度 上限约400℃ 。 热敏电阻最大的缺点是，产品一致性差，互换性不好，因此，