车辆检测技术——热电式传感器
《热电式传感器》PPT课件
在-50～150℃温度范围内，铜电阻与温度之间的关系为： Rt＝R0(1+At+Bt 2+Ct 3) Rt — 温度为t℃时的铜电阻值 R0 — 温度为0℃时的铜电阻值
A、B、C — 常数 A＝4.28899×10-3/℃ B＝-2.133×10-7/℃2 C＝1.233×10-9/℃3
半导体 热敏电阻 电 阻
铂热电阻
热敏电阻是用半导体材
料制成的热敏器件，与金属 热电阻比较而言，具有温度 系数高，灵敏度高，热惯性 好（适宜动态测量）但其稳 定性和互换性较差。
金属的电阻随温度的升高而
增大，但半导体却相反，它
温度
的电阻值随温度的升高而急
剧减小，并呈现非线性。
第七章 热电式传感器 哈尔滨工业大学
第七章 热电式传感器 哈尔滨工业大学
防水封装铂电阻
核心元件：德国进口精密铂电阻（PT100 PT1000） 元件精度：±0.15℃ (A级) ±0.30℃ (B级) 封装材料：镀镍铜管或不锈钢管 管料尺寸：ø 4 * 25mm 连接线：PVC包胶电缆线（可选择耐高温型的）
第七章 热电式传感器 哈尔滨工业大学
当热电阻安装 的地方比较远，则 其导线电阻当环境 温度变化时也要变 化，会造成测量误 差。
图中R1、R2、R3 为固定电阻，Rp为 调零电位器
其它热电阻
第七章 热电式传感器 哈尔滨工业大学
✓ 铁/镍热电阻：电阻温度系数比铂和铜高，电 阻率也较大，可做成体积小、灵敏度高的温 度计，但易氧化，不宜提纯且电阻与温度非 线性，仅用于-50~100℃；用的较少。
铂丝的电阻值与温度之间的关系
在-200～0℃范围内，Rt＝R0[1+At+Bt 2+C(t－100)t 3]
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。
热电传感器
U AB E x Uab
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2. 热电偶
Thermocouple
④ 热电偶的使用误差：
1) 分度误差：热电偶的分度是指将热电偶置于给定温度下 测定其电势，以确定热电势与温度的关系。分度方法有 标准分度和单独分度法两种。
2. 负温度系数热敏电阻的特性
1) 负温度系数热敏电阻的电阻-温度特性曲线：
B
Rt Ae T Rt —温 度 为T（K） 时 的 电 阻 ； A—与 热 敏 电 阻 的 材 料 和 几何
尺寸有关的常数；
B—热敏电阻常数。
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2. 热敏电阻 Thermal resistance
2) 热敏电阻特性的严重非线性是扩 大测量范围和提高精度必须解决 的问题。
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1. 热电效应及其工作定律
Pyroelectric effect and working laws
② 热电效应产生的热电势由两部分组成：接触电势 （珀尔帖电势）和温差电势（汤姆逊电势）。
A. 接触电势：当两种不同金属接触时，在接触处形 成的电势，称为接触电势。
接 触电 势:
E AB (T )
kT e
ln
NA NB
EAB (T )— A、B两 种 金 属 在 温 度T的 接 触 电 势
k —波 尔 兹 曼 常 数 （1.381023 J / K）
e —电 子 电 荷 （1.61019 C）
N A，N B —金 属A，B的 自 由 电 子 密 度
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T —接 点处 的 绝对 温 度（K）
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。
热电式传感器
工程测试
热电式传感器
3.4
热电偶
• 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。 它构造简单，使用方便，具有较高的准确 度、稳定性及复现性，温度测量范围宽， 在温度测量中占有重要的地位。
工程测试
热电式传感器
3.4
热电偶
3.4.1 热电偶的工作原理
1. 热电效应
工程测试
热电式传感器
热电势 EAB( T,T0 ) B T0 A 热电偶 热电极 A、B叫做热电极 热端（工作端）温度高的接点 冷端（自由端）温度低的接点
——（6-13）
工程测试
热电式传感器
若一个热电偶由A、B、C三种导体组成，且回路中三 个接点的温度都相同，则回路总电动势必为零，即：
e AC T eCB T e BA T 0 e AC T0 eCB T0 e BA T0 0
或
e AC T －e BC T e AB T e AC T0 －e BC T0 e AB T0
上式说明接触电动势的大小与接点温度的高低及导体
中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。
而
所以
e AC T1 －eCA T1
E ABC T，T0 e AB T e BA T0 e AB T －e AB T0 E AB T，T0
工程测试
热电式传感器
(3) 标准电极定律 如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生 的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产 生的热电动势也就可知。
传感器技术第2讲热电式传感器
外形图
电路符号
电源+
电流输出端
第三节 集成温度传感器
四、AN6701S集成温度传感器
是电压型集成温度传感器，其输出电压U0和温度成正比。它采用塑料封装，外形如图所示。
温度变送器有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。
五、温度变送器
将输入的直流毫伏信号及被测温度信号转换为4mA～20mA DC和IV～5VDC输出的统一信号的装置称为变送器。这三种变送器在线路结构上都分为量程单元和放大单元两个部分，其中放大单元是通用的，量程单元随品种、测量范围而变。
热电阻的阻值与温度的关系为： Rt=Ro(1+K1t+k2t2+K3t3+K4t4) (6—19)
式中：R0为热电阻在0℃时的电阻值 K1、 K2、 K3C、 K4为温度系数
一、热电阻
一、热电阻
热电阻测温原理 为了准确地测出电阻的大小以反映温度的高低，常采用电桥来测量Rt阻值的变化，并转化为电压输出△U。
第二节 电阻式温度传感器
热敏电阻用于温度控制
热敏电阻—应用 热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、阻值大、灵敏度高等优点，因此它在许多领域得到广泛应用。根据产品型号不同，其适用范围也各不相同，具体有以下三方面。
01
02
就是在一块极小的半导体芯片上集成了包括温度敏感器件、信号放大电路、温度补偿电路、基准电源电路等在内的各个单元，它使传感器和集成电路融为一体。
三、热电偶冷端温度补偿
(一)补偿导线
补偿导线是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*C)与所配接的热电偶具有相同的热电特性的特殊导线。
补偿导线
热电式传感器经典版应用.
热电式传感器1.废弃再循环系统监测温度传感器（1）废气再循环系统监测温度传感器的结构和原理EGR检测温度传感器安装在EGR阀的出气道上。
如下图EGR监测温度传感器采用负温度系数的热敏电阻为检测元件，其结构如上图所示。
它用来监测EGR阀内再循环气体的温度变化情况并监测EGR阀的正常工作，从而控制从排气歧管出来的部分废气再循环进入进气歧管中，降低气缸的最高燃烧温度，并减少尾气中NO的含量，从而降低对环境的污染程度。
xEGR阀在发动机中速运转及中等负荷时开启，在发动机低速运转且冷却液温度低于60℃时EGR阀关闭，以防止发动机怠速不稳，在发动机大负荷运转时，EGR阀也关闭，以保证发动机有足够的功率输出。
因此，EGR监测温度传感器监测的温度范围为50～400℃。
（2）EGR监测温度传感器的监测当EGR系统发生故障导致没有废气再循环时，其原因可能如下：①EGR检测温度传感器连接电路短路或断路。
②EGR控制系统发生故障，引起系统停止工作。
③EGR管路中的沉积物堵塞了通路。
检查时，拆下EGR监测温度传感器，用专用设备加热，其电阻值应随温度的升高而下降。
若与标准值相差较大，则应更换EGR检测温度传感器。
一般工况下，EGR阀附近的废弃温度为100~200℃；高速，重负荷为300~400℃；不工作时为50℃左右。
2.空调蒸发器出口温度传感器（1）空调蒸发器出口温度传感器结构与工作原理蒸发器出口温度传感器安装在汽车空调系统的蒸发器片上。
蒸发器出口温度传感器仍采用负温度系数的热敏电阻为检测元件，工作温度为20～60℃，其结构、特性如下图所示。
蒸发器出口温度传感器用以检测蒸发器表面的温度变化，控制压缩机的工作状况。
工作时，空调蒸发器出口温度传感器检测蒸发器表面的温度信号，并将它转化为电信号输入给温度控制系统的ECU，ECU将输入的温度信号与设定的温度调节信号进行比较后，控制空调压缩机电磁离合器的通断，从而对压缩机的工作进行控制，同时还能利用此传感器检测到的温度信号，防止蒸发器出现冰堵现象。
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第七章热电式传感器第一节热电偶热电式传感器是一种利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来测量温度的装置。
在各种热电式传感器中，把温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。
其中将温度转换为电势的热电式传感器叫热电偶温度传感器，将温度转换为电阻值的热电式传感器叫电阻式温度传感器。
金属热电式传感器简称热电阻，半导体式传感器简称热敏电阻。
热电式传感器目前在工业生产中得到了广泛的应用，并且可以选用定型的显示仪表和记录仪来进行显示和记录。
在计算机控制系统中，热电式传感器的输出信号可直接进入I/O卡，进行信号的预处理、显示和控制。
热电偶由于性能稳定、结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传的特点，在工业和科研领域中得到广泛应用。
常用的热电偶，低温可测到-50℃，高温可达到+1600℃。
若配用特殊材料，其温度范围可达到-150℃～2000℃。
如图7-1所示，热电偶温度传感器将被测温度转换成毫伏级热电势，通过连接导线与显示表构成温度检测系统，从而实现温度的显示、记录和调节。
图7-1热电偶测温示意图一热电偶的基本原理1 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），发现放在回路中的电流表指针发生偏转。
如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指针的偏转角反而减小。
显然，指针的偏转说明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。
据此，赛贝克发现和证明了将两种不同性质的导体A 、B 组成闭合回路，如图7-2所示。
若节点(1)、(2)处于不同的温度(T≠T 0)时，两者之间将产生一热电势，在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应。
两种不同材料的导体所组成的回路称为“热电偶”，组成热电偶的导体称为“热电极”，热电偶所产生的电动势称为热电势。
热电偶的两个结点中，置于温度为T 的被测对象中的结点称之为测量端，又称为工作端或热端；而置于参考温度为T 0的另一结点称之为参考端，又称自由端或冷端。
其电势由接触电势(珀尔帖电势)和温差电势(汤姆逊电势)两部分组成。
图7-2 热电效应示意图（1）接触电势当两种金属接触在一起时，由于不同导体的自由电子密度不同，在结点处就会发生电子迁移扩散。
失去自由电子的金属呈正电位，得到自由电子的金属呈负电位。
当扩散达到平衡时，在两种金属的接触处形成电势，称为接触电势。
其大小除与两种金属的性质有关外，还与结点温度有关。
在温度为T 时的接触电势：B A AB N N e kT T E ln )(= (7-1)式中，E AB （T ）——A 、B 两种金属在温度T 时的接触电势；k ——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23(J/K)；e ——电子电荷，e=1.6×10-19(C)；N A 、N B ——金属A 、B 的自由电子密度；T ——结点处的绝对温度。
（2）温差电势热电回路各电势示意图如图7-3所示。
对于单一金属，如果两端的温度不同，则温度高端的自由电子向低端迁移，使单一金属两端产生不同的电位，形成电势，称为温差电势。
其大小与金属材料的性质和两端的温差有关，可表示为：()⎰=T T A A dT T T E 00,σ (7-2)式中 ()0,T T E A ——金属A 两端温度分别为T 与0T 时的温差电势；A σ——温差系数；T 、0T ——高、低温端的绝对温度。
图7-3 热电回路各电势对于图7-3所示A 、B 两种导体构成的闭合回路，总的温差电势为：()()()dT T T E T T E T T B A B A ⎰-=-000,,σσ (7-3) 于是，回路的总热电势为：()dT T E T E T T E T T B A AB AB AB ⎰-+-=0)()(),(00σσ (7-4)由此可以得出如下结论：①如果热电偶两电极的材料相同，即N A =N B ，σA ＝σB ，虽然两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍为零。
因此，热电偶必须用两种不同材料作热电极。
②如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，即T ＝T 0，闭合回路中也不产生热电势。
③在实际测温时，必须在热电偶闭合回路中引入连接导线和仪表。
图7-4 热电偶连接导线示意图 图7-5三导体热电回路2 热电偶基本定律（1）中间导体定律设在图7-4的T 0处断开，接入第三种导体C ，如图7-5所示。
若三个结点温度均为T0，则回路中的总热电势为：()()()0000=++T E T E T E CA BC AB (7-5)若A 、B 结点温度为T ，其余结点温度为T 0，而且T ＞T 0，则回路中的总热电势为：()()()()0,0,0,,000T E T E T E T T E CA BC AB ABC ++= (7-6)由式(7-5)可得：()()()000T E T E T E CA BC AB +=- (7-7)将式(7-7)代入式(7-6)可得： ()()()0,0,,00T E T E T T E AB AB ABC -= (7-8)结论：导体A 、B 组成的热电偶，当引入第三导体时，只要保持其两端温度相同，则对回路总热电势无影响，这就是中间导体定律。
利用这个定律可以将第三导体换成毫伏表，只要保证两个接点温度一致，就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。
根据这一定则，可以将热电偶的一个接点）断开接入第三种导体，也可以将热电偶的一种导体断开接入第三种导体，只要每一种导体的两端温度相同，均不影响回路的总热电动势。
在实际测温电路中，必须有连接导线和显示仪器，若把连接导线和显示仪器看成第三种导体，只要他们的两端温度相同，则不影响总热电动势。
若在热电偶回路中接入多种导体，只要每种导体两端的温度相同，也可以得到相同的结论。
（2）连接导体定律与中间温度定律在热电偶回路中，如图7-4所示，若导体A 、B 分别与连接导线A′、B′相接，接点温度分别为T 、n T 、0T ，则回路的总热电势为：()()()0''0'',,,,T T E T T E T T T E n A B n AB n A ABB += (7-9)连接导体定律：回路的总电势等于热电偶电势()n AB T T E ,与连接导线电势()0'',T T E n A B 的代数和。
连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。
中间温度定律：当导体A 与A′、B 与B′材料分别相同时，则式(7-9)可写为：()()()0''0,,,,T T E T T E T T T E n A B n AB n AB += (7-10)()0,T T E AB 回路的总热电势等于()n AB T T E ,与()0,T T E n AB 的代数和。
n T 称为中间温度。
中间温度定律为制订分度表奠定了理论基础。
热电偶的热电势只取决于构成热电偶的两个电极A 、B 的材料性质以及A 、B 两个接点的温度值T 、T 0， 而与温度热电极的分布以及热电极的尺寸和形状无关。
中间温度定律在热电偶测温中应用极为广泛。
根据该定律，我们可以在冷端温度为任一恒定值时，利用热电偶分度表求出工作端的被测温度值。
例如，用镍铬—镍硅热电偶测量炉温时，当冷端温度T 0=30℃时，测得热电势()0,T T E =39.17mv ，求实际炉温。
由T 0=30℃查分度表得()0,30E =1.2mv ，根据中间温度定律得：()()()37.402.117.390,3030,0,=+=+=E T E T E (mv)。
则查表得炉温T=946℃。
（3）标准电极定律图7-6 标准电极定律示意图图7-6为标准电极定律示意图。
图中C 为标准电极，接在热电偶A 、B 之间，形成三个热电偶组成的回路。
经过推导得：),(),(),(000T T E T T E T T E BC AC AB -= (7-11)表明标准电极C 与各种电极配对时的总热电势为两电极A 、B 配对后的电势之差。
由于铂的物理和化学性能稳定，熔点高，易提纯，通常采用纯铂丝制成标准电极C 。
由此可见，只要知道两种导体分别与标准电极组成热电偶时的热电动势，就可以依据标准电极定律计算出任意两种导体组成热电偶时的热电动势。
从而简化了热电偶的选配工作。
二 热电偶的类型及结构1 热电偶的类型常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶。
标准热电偶有与其配套的显示仪表可供选用。
非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。
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8种标准化了的通用热电偶。
我国标准化热电偶也有8种分别是：铂铑10—铂(分度号为S)、铂铑13—铂(R)、铂铑30—铂铑6(B)、镍铬—镍硅(K)、镍铬—康铜(E)、铁—康铜(J)、铜-康铜(T)和镍铬硅-镍硅(N)。
2 热电偶的结构热电偶的基本结构是热电极，绝缘材料和保护管。
热电偶简单分为装配式热电偶，铠装式热电偶和特殊形式热电偶；按使用环境细分有耐高温热电偶，耐磨热电偶，耐腐热电偶，耐高压热电偶，隔爆热电偶，铝液测温用热电偶，循环硫化床用热电偶，水泥回转窑炉用热电偶，阳极焙烧炉用热电偶，高温热风炉用热电偶，汽化炉用热电偶，渗碳炉用热电偶，高温盐浴炉用热电偶，铜、铁及钢水用热电偶，抗氧化钨铼热电偶，真空炉用热电偶，铂铑热电偶等。
工业热电偶作为测量温度的传感器，通常与显示仪表、记录仪表或计算机等配套使用。
可以直接测量各种生产过程中气体、液体、熔体及固体表面的温度。
（1）普通热电偶普通工业装配式热电偶作为测量温度的感应元件，通常和显示仪表、记录仪表和计算机控制系统配套使用。
它可以直接测量各种生产过程中从0℃到1800℃范围的液体、蒸汽和气体介质温度。
热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成，其常见外形结构如图7-7所示。
图7-7 普通热电偶结构示意图1-热电极；2-绝缘套管；3-保护管；4-接线盒；5-接线盒盖①热电极又称偶丝，它是热电偶的基本组成部分。
普通金属做成的偶丝，其直径一般为0.5～3.2mm，贵重金属做成的偶丝，直径一般为0.3～0.6mm。
偶丝的长度则由使用情况、安装条件，特别是工作端在被测介质中插入的深度来决定，通常为300～1000mm，常用的长度为350mm。
②绝缘管又称绝缘子，它是用于热电极之间及热电极与保护套管之间进行绝缘保护的零件。