热电式传感器

1、1第9章 热电式传感器9.1 热电偶传感器热电偶传感器9.2 热电阻传感器热电阻传感器9.3 热敏电阻传感器热敏电阻传感器 2一、温度的概念一、温度的概念 温度是什么？计量术语名词中有定义，其定义为“温度是描述物体冷热程度的物理量，是描述物体不同自由度之间能级分布的状态参数。一切互为热平衡的系统都具有共同的温度。”此定义从几个方面对温度的概念进行了说明，但依此是很难理解温度的。要全面理解，必须要建立热平衡的概念，还需要用到统计物理学方面的知识。因篇幅所限，本书仅对温度的概念作简单介绍。有兴趣的读者可以参见本章的参考文献。 热力学第零定律告诉我们：当物体处于热平衡时，相互之间没有净热流，它们具有

2、共同的温度；如果相互间有热流，则热量从高温物体流向低温物体。 分子运动论对温度概念也有阐述。温度高低反映了分子平均动能的大小。但是，当温度很低时，分子运动论就失效了。对于像由电子等量子组成的系统，当温度趋于绝对零度时，电子的运动速度仍达108米/秒，此时必须要用统计物理学的知识来解释温度。 由两个物体构成的闭合系统，当它们处于热平衡时，其熵达到极大值。设物体1的能量和熵分别为U1和S1，物体2的能量和熵分别为U2和 S2，则系统总的能量U和熵S分别为：U= U1+ U2， S =S1 +S2。 因为系统的熵与状态数有关，所以物体温度的高低反映了该系统的状态分布。根据这一定义，就可以很好地解释绝

3、对零度、负温度等概念。 预备知识预备知识3二、温标二、温标 尽管上面对温度的概念进行了解释，但仍很抽象，难以理解。为更好地理解温度的概念，还需像其他物理量一样，赋予温度数值和单位。 温度的数值表示方法，称为温标。它包含了温度的数值和单位。目前使用的温度单位是开尔文，它定义为水三相点热力学温度的/273.16，符号为K。 根据温标的定义，温标包括三方面的内容，也就是所谓的温标三要素，即定义固定点、内插仪器和内插函数。定义固定点是由一些物质的相平衡点组成的，其中最基本的是水的三相点，它的数值是给定的，用来定义温度的单位。其他的固定点主要是一些金属的凝固点和气体的三相点，它们的数值由热力学测温方法测

4、量后赋予定义值，用于确定内插函数中的系数。内插仪器即温度计，也就是通常所指的温度传感器，它通过其他物理性质的变化与温度联系，能感知温度的变化，这些物理性质有：体积、压力、长度、热电势、热电阻、热辐射等一些物理量。内插函数是指其他物理量与温度的变化关系，定义固定点之间的温度用这些函数进行内插得到。 从温标的定义可以看出，温标三要素的选择不一样，所建立的温标就不一样。历史上曾经出现过许多温标，最著名和使用最广泛的有华氏温标和摄氏温标。华氏温标是由建立的，它用精密水银温度计作内插仪器，将水的冰点定为212度，水的沸点定为32度，其他的温度用水银柱的高度随温度的变化线性插值。摄氏温标是由建立的，它也用

5、精密水银温度计作内插仪器，但将水的冰点定为100度，水的沸点定为0度，其他的温度也用水银柱的高度随温度的变化线性插值。这两个温标的数值可以互换，其关系如下： tF=9/5*tC+32其中tF代表用华氏度表示的温度值，tC代表用摄氏度表示的温度值。 4 以上的温标统称为经验温标，它们的缺陷是随意性较大，与所选用的测温介质和变量有关，各温标间的量值不统一。为克服经验温标的这一缺陷，1841年开尔文提出了用热力学温标来统一温度的量值。开尔文用卡诺定理的结论定义了一个与测温介质无关的温标，我们称之为热力学温标。他同时提出了用一个固定点定义温度单位的设想。由于热力学温标与所用的测温介质无关，因此我们可以

6、用理想气体温标来复现热力学温标。同样我们也可以用其他任何一种热力学原理来实现热力学温度的测量。至今，已实现的热力学测温方法有：气体温度计、声速温度计、磁测温法、全辐射测温法。 尽管热力学温标与测温介质无关，但是实现起来极其困难，过程非常复杂，复现精度较低，实用性不强。为了能使温度的量值统一，又能使所使用的温标易于实现。在十九世纪末，欧美一些国家提出了使用国际温标的建议。第一次世界大战结束后，国际计量大会于1927年发布了第一个国际温标，即ITS-27。此后，约每隔20年对旧的温标进行修改，实施使用新的温标。若旧温标不能适应当时科学技术水平发展的需要，而下次修订时间还没到，也可以采用临时温标。曾

7、使用过的国际温标有ITS-27，ITS-48，IPTS-68及其修订版，EPT-76临时温标。目前，我们使用的温标是ITS-90（International Temperature Scale-1990）。有关国际温标的内容，参阅ITS-90的文本。 5n三、热辐射三、热辐射n热辐射是指物体在热平衡时的电磁辐射，由于热平衡时物体具有一定的温度，所以热辐射又称温度辐射。热辐射的波长范围从软X射线至微波，物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的，红外线在电磁波谱中的位置如图1所示。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。红外线的本质与可见光或电磁波性质一样

8、，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。n红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。而红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是22.6m、35 m和814 m，统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。 n黑体是特殊的热辐射体。在同温度下，其辐射能力最大。描述其辐射能量和温度之间的关系有两个重要的定律

9、，它们是普朗克定律和斯蒂芬玻尔兹曼定律。普朗克定律是由普朗克（Plank）于1900年发现的，它描述了黑体的光谱辐射能量与温度之间的关系。n斯蒂芬玻尔兹曼定律是由斯蒂芬玻尔兹曼（StefanBoltzmann）于19发现的，它描述了黑体的全波辐射能量与温度之间的关系，公式为：ST4n式中为斯蒂芬波尔兹曼常数，为待测物体表面面元的平均发射率，T为待测物体表面面元的温度，S为物体表面总辐出度。n从上述两公式可知，只要我们用传感器接受到物体的光谱辐射能量或全波辐射能量，我们就能够测量出物体的温度，这就是辐射传感器的基本工作原理。 69.1 热电偶传感器热电偶传感器热电式传感器是一种将温度变化转换为电

10、量变化的装置。它主要包括热电偶、热电阻和热敏电阻等，是温度测量的基本传感器。一、热电效应 塞贝克（Seebeck）效应：1821年塞贝克发现了铜、铁两种金属的温差电现象。即在这两种金属构成的闭合回路中，对两个接头中的一个加热即可产生电流。在冷接头处，电流从铁流向铜。由于冷、热两个端（接头）存在温差而产生的电势差，就是温差热电势。这种由两种不同的金属构成的能产生温差热电势的装置称为热电偶，温度高的那一端称为热电偶的热端，又可称测量端，温度低的那一端称为热电偶的冷端，又可称参考端。 将两种不同的导体或半导体两端相接组成闭合回路，当两接点的温度不同时，则在回路中产生热电势，并形成回路电流。这种现象称

11、塞贝克效应，即热电效应。 实验指出，当组成热电偶的材料A、B为均质材料时，回路电动势只与材料本身的性质有关，与两接点的温差有关，而与热电偶的长短和粗细无关。这样我们就可以将热电偶做成温度传感器，也可以做成测量与之有关的其他物理量的传感器。7n2热电效应的物理基础（经典电子理论）n 热电偶回路产生的热电动势由(两种导体)接触电动势和(一种导体)温差电动势两部分组成。n 接触电动势接触电动势珀耳帖珀耳帖(Peltier)电动势电动势n 1834年珀耳帖研究了热电现象，他发现当电流流过两种不同金属材料的接点时，接点的温度会随电流的方向产生升高或下降的现象。他提出要发生这种现象，接点处必定存在一电动势

12、，并且电动势的方向随电流方向可逆，我们把这一可逆电动势称为接触电动势，为纪念珀耳帖的发现，又称其为珀耳帖电动势。n 接触电动势可以用下图的电子运动过程来解释（唯象）。设NA是金属A的自由电子密度，NB是金属B的自由电子密度，进一步假设NANB，这样在密度差的作用之下，自由电子由A向B扩散，A段失去电子带正电，B段得到电子带负电，这样在AB间形成一内电场EAB，电子在电场力的作用下，又要被拉回到A段去。当然这样的过程不会无限下去，当扩散和形成的电场对电子的作用力相等时，接点处不再出现宏观的电子迁移，即达到动态平衡。当接点所处的温度发生变化时，自由电子在新的状态下达到新的动态平衡。此时在接点处形成

13、一个与接点温度和材料自由电子密度有关的电势。根据经典理论，此电势为：n neAB(T):导体A、B的接点在温度T时形成的接触电动势；k: 玻尔兹曼常数；导体自由电子密度；e: 电子电荷BAABnneTTeln)(8n 温差电动势温差电动势 汤姆逊（汤姆逊（Thomoson）电动势）电动势n1851年汤姆逊研究了热电现象，他发现当电流流过一根两端处于不同温度的导体时，导体中除产生焦耳热外，还有一随电流方向改变而吸收或产生热量的现象。他提出要发生这种现象，导体中必定存在一电动势，并且电动势的方向随电流方向可逆，我们把这一可逆电动势称为温差电动势，为纪念汤姆逊的发现，又称其为汤姆逊电动势。n温差电动

14、势可以用下图的电子运动过程来解释（唯象）。设导体两端处于不同的温度T和T0，且TT0。由于金属导体两端的温度不同，则其自由电子的浓度亦不相同，温度高的一端浓度较大（动能较大，大于逸出功的电子数目较多），因此高温端的自由电子将向低温端扩散，高温端失去电子带正电，低温端得到多余的电子带负电，当扩散和形成的电场对电子的作用力相等时，在导体内形成一稳定的与温差和材料特性有关的电动势。根据经典理论，此电势为：n nA：汤姆逊系数，指导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势。TTAAdTTTe0),(09n 回路电动势 n当A、B两种金属构成热电偶回路，两端的温度分别为T、T0时，回路中存在两个接触电动

15、势和两个温差电动势，其方向相反，则热电偶回路中的总电势是它们的代数和，即为：n n实验指出，当A、B两种不同的金属所构成的热电偶的两端温度分别为T（热端温度）和T0（冷端温度）时，回路电动势与温差有下列近似关系：n 是与金属A、B有关的温差系数。n多数的金属材料AB在10-2 V10-3 V。而其a约为10-6伏/度，b约为10-8伏/度，所以在温度不太高、温差不太大、精度要求不高时，可以进一步近似为线性关系：TTBABTATBTATBAABABABdTNNekTNNekTTTeTTeTeTeTTE00000000lnln),(),()()(),(ABABABABABbaTTbTTae、,21

16、200。0TTaABAB10n 几点讨论 n 回路热电势的大小仅与材料和端点的温度有关，回路热电势的大小仅与材料和端点的温度有关，与热电偶的尺寸形状无关。与热电偶的尺寸形状无关。n 如果组成热电偶的两个电极的材料相同，即使是两结点的温度不同也不会产生热电势。ni.e. n 组成热电偶的两个电极的材料虽然不相同，但是两结点的温度相同也不会产生热电势。n i.e. n 由不同电极材料A、B组成的热电偶，当冷端温度 T0 恒定时，产生的热电势在一定的温度范围内仅是热端温度T的单值函数。相同、0)()(,0lnTTnnBABABA. 0)()(,0ln)(0000TTBABAdTTTnneTTTT11

17、n二、工业热电偶的结构n1结构n 工业用热电偶是要进行封装保护处理的，普通型工业用热电偶的封装形式如图6-5所示。主要有热电极（热电偶电极），绝缘材料，保护套管和接线盒等组成。为了便于安装，在保护套管上一般还安装法兰盘。n 根据工业测量的一些特殊要求，热电偶的结构做成很多形式，例如：测量物体表面温度的表面型热电偶，测量烟气温度的抽气热电偶，测量钢水温度的投入式热电偶，在爆炸环境中使用的隔爆型热电偶，等等。n2常用热电偶n热电偶分为标准化和非标准化两大类；也可以根据组成热电偶的材料将热电偶分为廉金属热电偶和贵金属热电偶两大类。一般情况下，高温用热电偶大多是由贵金属材料构成的。同时贵金属热电偶的性

18、能比较稳定，常常用来作为标准来使用。n标准化热电偶是由国际工程师协会IEC(International Engineer Commission)推荐的，目前共有8中，用英文大写字母表示，它们分别是R、B、S、K、N、J、E和T，其中R、B、S三种热电偶是用贵金属铂及其与铑的不同百分比的合金做成的，属于贵金属类，其余五种属于廉金属类 。标准化热电偶的最大特点是所有国家都采用由IEC推荐的E-T分度表。n非标准化热电偶因生产工艺，使用范围等因素的限制，不同国家生产的热电偶之间的热电动势与温度之间的关系难以采用统一的分度表，但各个国家或行业内还是有各自的标准。这类热电偶中，最常见的有用于高温测量的钨

19、铼系热电偶。 1213n三、热电偶测量电路n1.测量电路基本原理n根据中间导体定律，只要保证接入的测量仪表及连接线两端的温度一致，并保持为T0，则测得的电势为T单值函数，如右图所示。当T0=0，就可以直接用测得的电势值，查相应的电势-温度表，求出被测温度T。n2. 单点测温的基本电路n在实际应用中，由于测量仪表常常要远离被测量的场所，即从热电偶到测量仪表的连线（如右图中的C、D）较长。而热电偶材料的价格较贵，往往还是贵金属材料，所以连接导线通常不采用与热电偶相同的材料。虽然只要保证测量仪表、连接导线和连接导线与热电偶的结点温度相同（T0），测量仪表和连接导线就不会对测温产生任何影响，但这种等温

20、条件实际中是难以满足的。14n一般用下面两种办法解决上面的困难：n C、D采用相同的导线来连接。使用中，只要保证连接导线与热电偶的两个连接点的温度均为T1且恒定即可。实验室中可以采用这种方法，而在工程应用中，特别是在高温场所测量时，不用这种方法。n C、D使用“补偿导线”来连接。要求补偿导线的冷端温差热电势特性与热电偶的冷端温差热电势特性相同，即，此时测得的温差热电势相当于将热电偶的冷端延长到了T0端，这是实际应用中通常采用的方法。15 热电阻是利用金属的电阻随温度变化的特性进行测温的装置。下图是几种常用的纯金属材料的电阻随温度变化的关系曲线，它们在一定的温度范围内可以表示为 R=R0（1+T

21、+T2）R0是0的电阻，和与材料性质有关。 热电阻的结构如图所示。热电阻的感温元件主要由铂丝、绝缘骨架、外保护管和引线四部分组成，一般做成铠装型。铂丝是感温元件的核心，丝的直径约0.01-0.05mm。实验表明铂丝只有达到一定的纯度，才能满足前面的R-T关系。铂的纯度常用W(100)来表示，W(100)=R100/R0，式中R100为温度在100时的电阻值，通常要求W(100)大于1.391。常用的热电阻的名义阻值R0有10，100，用符号Pt10和Pt100表示。现在已有R0为300、500的热电阻市售，但使用较少。除了丝绕型的热电阻外，现在已开发出厚膜和薄膜型热电阻，并投入工业使用。 引线

22、是热电阻的重要部分，有二线制、三线制、四线制三种形式。二线制热电阻用于精度较低的场合，三线制、四线制热电阻用于精度要求较高的场合，作标准用时，必须采用四线制结构。9.2 热电阻传感器热电阻传感器161718 热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件，包括半导体测温元件和由过渡族金属元素的氧化物的混合物做成的测温元件，它们的热电特性呈现出半导体的R-T特性。 热敏电阻按电阻温度系数分为： 负温度系数热敏电阻(NTC)-MF型； 正温度系数热敏电阻(PTC)-MZ型。 NTC又分两类： 用于测量温度阻值与温度呈负的指数关系； 负的突变型当温度上升至某一值，阻值突然下降，它多用于电子电路中抑制浪涌电流，

23、起保护作用。 PTC-通常是在鈦酸钡陶瓷中加入施主杂质以增大电阻温度系数，其温度-电阻特性曲线呈非线性，如 图7-15中曲线4所示。9.3 热敏电阻传感器热敏电阻传感器19n相对于一般的金属热电阻而言，热敏电阻相对于一般的金属热电阻而言，热敏电阻主要有如下特点：主要有如下特点：(1)电阻温度系数大，灵电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大敏度高，比一般金属电阻大10100倍。倍。(2)结构简单，体积小，可以测量点温度。结构简单，体积小，可以测量点温度。(3)电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。(4)阻值与温度变化呈非线性关系。阻值与温度变化呈非线性关系。(5

24、)稳定性稳定性和互换性较差。和互换性较差。 n热敏电阻的优点：尺寸小、响应速度快、热敏电阻的优点：尺寸小、响应速度快、阻值大、灵敏度高。阻值大、灵敏度高。n热敏电阻的缺点：互换性差，每一支热敏热敏电阻的缺点：互换性差，每一支热敏电阻都必须单独分度。电阻都必须单独分度。20 热敏电阻一般做成二端器件，但也有构成三端或四端的。二端和三端器件为直热式，即直接由电路中获得功率。四端器件则是旁热式的。根据不同的要求，可以把热电阻做成不同的形状结构。 21热敏电阻器发展趋势热敏电阻器发展趋势n一、提高精度，减小尺寸 n 在电子器件中，微电子的发展要求更高精度的温度控制，其结果对NTC热敏电阻器的要求增加，要求进一步改善精度、可靠性、减小尺寸。为了达到这些目的，日本村田公司采取了改进陶瓷薄膜形成方法，其目的是为了获得均匀的、稳定的晶粒结构。这样可在陶瓷和电极之间形成可靠的连接。他们的陶瓷膜形成技术已由0805向0603过渡，并正在考虑开发0402规格产品。这种陶瓷膜在25下，具有5的电阻允许误差，而且产品尺寸小，220100k的电阻值在高温下内电极结构实现了高可靠。他们的NTH40系列的电阻值达到2100k，在2550下的电阻允许