黄贤武传感器第5章

1、第五章第五章 热电式传感器热电式传感器 主讲：潘汉军热电式传感器的热电式传感器的基本原理基本原理：将将温度温度变化转换为变化转换为电量电量变化变化 ，再经相应的测，再经相应的测量电路最后量电路最后显示温度显示温度的变化。的变化。热电式热电式传感器传感器被测温度被测温度电阻、电势或磁导电阻、电势或磁导热电偶热电偶将温度转换为将温度转换为电势电势大小的热电大小的热电式传感器式传感器 ；热电阻热电阻将温度转换为将温度转换为电阻值电阻值大小的热大小的热电式传感器电式传感器 ；PN结型结型温度传感器利用温度传感器利用半导体半导体PN结与结与温度的关系温度的关系所研制的温度传感器，在窄所研制的温度传感器，

2、在窄温场中得到了十分广泛的应用。温场中得到了十分广泛的应用。第第5章章 热电式传感器热电式传感器|第一节第一节 热电偶热电偶 |第二节第二节 热电阻热电阻 |第三节第三节 热敏电阻热敏电阻 |第四节第四节 应用举例应用举例作业：P1092第一节第一节 热电偶热电偶一、热电效应一、热电效应 二、热电偶基本定律二、热电偶基本定律 三、热电偶结构和种类三、热电偶结构和种类 四、热电偶实用测量电路四、热电偶实用测量电路 五、热电偶冷端补偿方式五、热电偶冷端补偿方式 热电效应热电效应把两种不同的金属A和B连接成闭合回路，如果将它们的两个接点中的一个进行加热，使其温度为T，而另一点置于室温T0中，则在回路

3、中就有电流产生。这一象称为热电效应。产生电流的电动势叫做热电势，用EAB(T，T0)来表示。把两种不同的金属的组合称为热电偶。A和B分别称为热电极。温度高的接点称为热端(或称为工作端)，而温度低的接点称为冷端(或称为自由端)。 热电势的产生原因 热电势EAB(T，T0)由接触电势和温差电势两部分组成 。接触电势 eAB(T) 所有金属都具有自由电子。在不同的金属中，自由电子的浓度不同。当两种不同金属A和B接触时，在接触处便发生电子的扩散。若金属A的自由电子浓度大于金属B的白由电子浓度，则在同一瞬间由金属A扩散到金属B中去的电子将比由金属B扩散到A中去的电子多，因而金属A对于金属B因失去电子而带

4、正电荷，金属B获得电子而带负电荷。由于正、负电荷的存在，在接触处便产生电场。该电场将阻碍扩散作用的进一步发生，同时引起反方向的电子转移。扩散和反扩散形成矛盾运动。上述过程的发展直至扩散作用和反扩散作用的效果相同时，也即金属A扩散到金属B的自由电子与金属B扩散到金属A的自由电子(形成漂移电流)相等时，该过程便处于动态平衡。在这种动态平衡状态下，A和B两金属之间便产生一定的接触电势，它的数值取决于两种金属的性质和接触点的温度，而与金属的形状及尺寸无关。 温差电势任何一种金属，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

5、的自由电子要向低温端扩散，高温端失去电子而带正电，而低温端得到电子带负电，最后同样要达到动态平衡。从而在两端形成温差电势，又称为汤姆森电势。 金属A的温差电势记为： eA（T，T0）热电势的产生原因在由两种不同金属组成的闭合回路中，当两端点的温度不同时，回路中产生的热电势等于上述电势的代数和，即： 在一个热电偶回路中起决定作用的是两个接点处产生的与材料性质和该点所处温度有关的接触电势。 回路的总电势是随（TT0）而变化的，即总电势为（TT0） 差的函数。在实际使用中不方便。通常令T00。 热电偶基本定律热电偶基本定律(1)只有由化学成分不同的两种导体材料组成的热电偶，在其两端点间的温度不同时，

6、才能产生热电势。 热电势的大小与材料的性质及其两端点的温度有关，而与材料的形状、大小无关。 热电偶基本定律热电偶基本定律(2)化学成分相同的材料组成的热电偶，即使两个接点的温度不同，回路的总热电势也等于零。应用这一定律可以判断两种金属是否相同。 热电偶基本定律热电偶基本定律(3)化学成分不相同的两种材料组成的热电偶，若两个接点的温度相同，回路中的总热电势也等于零。 热电偶基本定律热电偶基本定律（4）在热电偶中插入第三种材料，只要插入材料两端的温度相同，对热电偶的总热电势没有影响。 这一定律具有特别重要的实际意义。因为利用热电偶来测量温度时，必须在热电偶回路中接入电气测量仪表，也就相当于接入第三

7、种材料。热电偶的这一特性，不但可以允许在其回路中接入电气测量仪表，而且也允许采用任意的焊接方法来焊接热电偶。 热电偶基本定律热电偶基本定律 接入第三种材料不宜采用与热电极的热电性质相差很远的材料；否则，一旦温度发生变化，热电偶的电势变化将会很大，从而影响测量精度。 热电偶基本定律热电偶基本定律(5) 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势已知，则此两种导体组成热电偶的热电势就已知。 热电偶基本定律热电偶基本定律 当任一电极B，C，D，与一标准电极A组成热电偶产生热电势为巳知时，就可以利用式(5-11)求出这些热电极彼此任意组成热电偶时的热电势。通常采用铂作为标准电极。 热电偶结

8、构和种类热电偶结构和种类热电极材料 常用热电极材料分为贵金属和普通金属两大类，这些材料在国内外都已经标准化。 贵金属热电极材料有铂铑合金和铂 普通金属热电极材料有铁、铜、康铜、考铜、镍铬合金、镍胶合金等 ，还有铱、钨、铼等耐高温材料。 非金属材料，如碳、石墨和碳化硅等也可以作热电极的材料。 热电偶实用测量电路热电偶实用测量电路测量单点温度的基本测温线路 测量两点之间温差的测温线路 测量平均温度的测温线路 测量几点温度之和的测温线路若干只热电偶共用一台仪表的测量线路 由于热电偶的输出为热电势，是由于热电偶的输出为热电势，是有源有源传感器，因而，在测量传感器，因而，在测量电路的分析中，总是将热电偶

9、视为电路的分析中，总是将热电偶视为电源电源，有正负极有正负极。热电偶的正负极由两种材料的热电偶的正负极由两种材料的配对配对决定，与两种材料的决定，与两种材料的电子电子浓度对比浓度对比有关。有关。测量电路直接反映的是热电势，间接反映出冷热端的温差。测量电路直接反映的是热电势，间接反映出冷热端的温差。测量单点温度的基本测温线路测量两点之间温差的测温线路测量平均温度的测温线路测量几点温度之和的测温线路多只热电偶共用一台仪表的测量线路热电偶冷端补偿方式热电偶冷端补偿方式1、冰水保温瓶方式(冰点器方式) 2、恒温槽方式 3、冷端自动补偿方式 恒温槽方式将冷端置于恒温槽中，设恒定温度为T0，则：E1(T,

10、0)= E1(T,T0)E1(T0,0)（热电偶的输入输出是线性的），式中：E1(T0,0)为常数（不随T 变化）；E1(T,T0)为热电偶的输出电势；E1(T,0)为热电偶冷端为0时的输出电势，反映冷热端的温差（T0），其值等于热端的温度T，测量（TT0）的电路中，加入相应的修正电压，或调整指示装置的起始位置，即可达到补偿（T00）的目的。从而得到 T （T0）。 冷端自动补偿方式分析的问题：如何做到：T不变，T0变化时，仪表的示值不变。第二节第二节 热电阻热电阻 热电阻是利用导体的电阻随温度变化而变化的特性测量温度的。 作为测量用的热电阻材料必须具备以下特点：电阻温度系数要尽可能大和稳定，

11、电阻率高，电阻与温度之间关系最好成线性，在较宽的测量范围内具有稳定的物理和化学性质。 目前应用得较多的热电阻材料有铂和铜等。 热电阻由电阻体、保护套和接线盒等部件组成。 它们可以测量200 500的温度。 一、常用的几种热电阻一、常用的几种热电阻 1、铂电阻 2、铜电阻 3、其它热电阻 1、铂电阻按国际温标IPTS - 68规定，在-259.34630.74温域内，以铂电阻温度计作基准器。铂电阻与温度的关系为在0630.74以内： 在 1900以内： A，B，C分度系数；A 3.94010 - 2，B 5.84 10-7 2，C 4.22 10-124。 在工业上将相应于R050和100的Rt

12、-t关系制成分度表，称为热电阻分度表，供使用者查阅。 分度表如表5-3和5-4所示。 2、铜电阻 在测量精度不太高、测温范围不大的情况下，可以采用铜电阻来代替铂电阻，这样可以降低成本，同时也能达到精度要求。 在 50 + 150的温度范围内，铜电阻与温度呈线性关系，可用下式表示： 铜电阻温度系数，4.2510-34.2810-3 我国以R0值在100和50条件下，制成相应分度表作为标准，供使用者查阅。分度表如表5 - 5所示。 3、其它热电阻 上述两种热电阻对于低温和超低温测量性能不理想，而铟、锰、碳等热电阻材料却是测量低温和超低温的理想材料。 铟电阻 用99.999高纯度的铜丝绕成电阻，可在

13、室温至4.2K温度范围内使用。实验证明：在4.215K温度范围内，灵敏度比铂电阻高10倍；其缺点是材料软，复制性差。 锰电阻 在2 - 63K温度范围内，电阻随温度变化大，灵敏度高。缺点是材料脆，难拉成丝。 碳电阻 适合用液氦温域的温度测量，价廉，对磁场不敏感，但热稳定性较差。 二、热电阻的测量电路与应用举例二、热电阻的测量电路与应用举例 1、测量电路 2、应用举例热电阻测量真空度 第三节第三节 热敏电阻热敏电阻 一、热敏电阻的结构形式一、热敏电阻的结构形式 二、热敏电阻的温度特性二、热敏电阻的温度特性 一、热敏电阻的结构形式一、热敏电阻的结构形式 热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴、锰、镍等的氧化物，采用不同比例的配方，经高温烧结而成，然后采用不同的封装形