热电势传感器

1、 第第8 8章章 热电式传感器热电式传感器 热电式传感器的定义：热电式传感器的定义：热电式传感器是将热电式传感器是将温度变化温度变化转换为转换为电量变化电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。变化而变化的特性来达到测量目的。下页下页返回返回图库图库 第第8 8章章 热电式传感器热电式传感器 8.1热电阻热电阻 8.2热电偶热电偶 8.3热敏电阻热敏电阻 本章要点本章要点下页下页上页上页返回返回图库图库8.1 热电阻热电阻热电阻测温的基础热电阻测温的基础：电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系数电阻率随温度升高而增大，具

2、有正的温度系数特点特点: 精度高，适宜于测低温精度高，适宜于测低温下页下页上页上页返回返回8.1.1 热电阻的材料及工作原理热电阻的材料及工作原理图库图库8.1.1 热电阻的材料及工作原理热电阻的材料及工作原理 铂电阻铂电阻: 精度高，稳定性好，性能可靠。精度高，稳定性好，性能可靠。 铜电阻铜电阻: 铂是贵金属，价格昂贵，因此在测温范围铂是贵金属，价格昂贵，因此在测温范围比较小比较小(-50+150)的情况下，可采用铜制成的测的情况下，可采用铜制成的测温电阻，称铜电阻。温电阻，称铜电阻。 铁电阻和镍电阻铁和镍铁电阻和镍电阻铁和镍: 这两种金属的电阻温度系这两种金属的电阻温度系数较高、电阻率较大

3、，故可作成体积小，灵敏度高数较高、电阻率较大，故可作成体积小，灵敏度高的电阻温度计，其缺点是容易氧化，化学稳定性差，的电阻温度计，其缺点是容易氧化，化学稳定性差，不易提纯，复制性差，而且电阻值与温度的线性关不易提纯，复制性差，而且电阻值与温度的线性关系差系差。下页下页上页上页返回返回图库图库热电阻工作原理：热电阻工作原理：温度升高，金属内部原子晶格的温度升高，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

4、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。的变化趋势相同。 热电阻的材料要求：热电阻的材料要求：图图8-1 热电阻测温电桥的三线连接法热电阻测温电桥的三线连接法1. 1. 三线式电桥连接法三线式电桥连接法Rt为热电阻为热电阻, r1 、r2、r3为为引线电阻引线电阻, R1 、R2为两桥为两桥臂电阻臂电阻,R1=R2 ,R3为调整为调整电桥的精密电阻。电桥的精密电阻。M表内表内阻很大，故电流近似为零。阻很大，故电流近似为零。当当UA=UB时电桥平衡。若时电桥平衡。若使使r1=r2 ,则则R3=Rt,就可消就可消除引线电阻的影响。除引线电阻的影响。8.1.2 测量电路测量电路2

5、. 四线式电桥连接法四线式电桥连接法图图8-2 热电阻测温电桥的四线连接法热电阻测温电桥的四线连接法调零的电位器 的接触电阻和指示电表串联，接触电阻的不稳定不会破坏电桥的平衡和正常工作状态。pR8.2 热电偶热电偶 热电偶作为敏感元件优点为：热电偶作为敏感元件优点为： 结构简单：其主体实际上是由两种不同性质的导体或半结构简单：其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的；导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的； 具有较高的准确度具有较高的准确度 ； 测量范围宽，常用的热电偶，低温可测到测量范围宽，常用的热电偶，低温可测到-50，高温，高温可以达到可以达到1600左右

6、，配用特殊材料的热电极，最低可左右，配用特殊材料的热电极，最低可测到测到-180，最高可达到，最高可达到+2800的温度；的温度； 具有良好的敏感度；具有良好的敏感度； 使用方便等。使用方便等。下页下页上页上页返回返回图库图库8.2 热电偶热电偶 热电效应热电效应 热电偶基本规律热电偶基本规律 热电偶材料及常用热电偶热电偶材料及常用热电偶 热电偶测温电路热电偶测温电路 热电偶参考端温度热电偶参考端温度下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.1 热电效应热电效应 热电效应或塞贝克效应热电效应或塞贝克效应 ： 两种两种不同不同的导体或半导体的导体或半导体A A和和B B组合成如图所示组合成如图所示

7、闭闭合回路合回路，若导体，若导体A A和和B B的的连接处连接处温度温度不同（设不同（设T TT T0 0），则在此），则在此闭合闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中就有电流产生，也就是说回路中有回路中有电动势电动势存在，这种现象叫做存在，这种现象叫做热电效应热电效应。这。这种现象早在种现象早在18211821年首先由西拜克（年首先由西拜克（SeeSeebackback）发现）发现, ,所以又称所以又称西拜克效应西拜克效应。下页下页上页上页返回返回图库图库图图8-3 热电效应示意图热电效应示意图固定温度的接点称基准点（固定温度的接点称基准点（冷端冷端）T T0 0 ，恒定在某一标准温度；，恒

8、定在某一标准温度； 待测温度的接点称测温点（待测温度的接点称测温点（热端热端）T T ，置于被测温度场中。，置于被测温度场中。这种将温度转换成热电动势的传这种将温度转换成热电动势的传感器称为热电偶，金属称热电极。感器称为热电偶，金属称热电极。测温过程：只要知道一端结只要知道一端结点温度，就可以测出另一端点温度，就可以测出另一端结点的温度。结点的温度。回路中所产生的电动势，叫回路中所产生的电动势，叫热电热电势势。热电势由两部分组成，即。热电势由两部分组成，即温温差电势差电势和和接触电势。接触电势。工作原理1.接触电势( )lnAABBNkTeTeNeAB(T)导体导体A、B结点在温度结点在温度T

9、 时形成的接触电动势；时形成的接触电动势；e单位电荷，单位电荷， e =1.610-19C； k波尔兹曼常数，波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ；NA、NB 导体导体A、B在温度为在温度为T 时的电子密度。时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。2.温差电势AToTeA(T,To)温差电势原理图温差电势原理图00( ,)TAATe T TdTeA(T，T0)导体导体A两端温度为两端温度为T、T0时形成的温差电动势；时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度；高低端的绝对温度； A汤姆逊系数，表示导体汤姆逊系

10、数，表示导体A两端的温度差为两端的温度差为1时所产生的温差电动势，时所产生的温差电动势，例如在例如在0时，铜的时，铜的 =2V/。3.回路总电势图图8-7 热电偶回路的总热电势热电偶回路的总热电势0000lnln()TATATABTBTBTNkTNkTdTeNeN),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABABNAT、NAT0导体导体A在结点温度为在结点温度为T和和T0时的电子密度；时的电子密度； NBT、NBT0导体导体B在结点温度为在结点温度为T和和T0时的电子密度；时的电子密度；A 、 B导体导体A和和B的汤姆逊系数。的汤姆逊系数。（8-9）8.2.1 热电效

11、应热电效应 由式由式(8-9)可得出以下结论：可得出以下结论： 如果热电偶两电极材料相同，则虽两端温度不同如果热电偶两电极材料相同，则虽两端温度不同(TT0)。但总输出电势仍为零。因此必须由两种不。但总输出电势仍为零。因此必须由两种不同的材料才能构成热电偶。同的材料才能构成热电偶。 如果热电偶两结点温度相同，则回路中的总电势如果热电偶两结点温度相同，则回路中的总电势必等于零必等于零 由上述分析知，热电势的大小只与材料和由上述分析知，热电势的大小只与材料和两端两端结点温度有关，与热电偶的结点温度有关，与热电偶的长度长度、粗细、粗细、形状形状无关。无关。下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.2

12、热电偶基本规律热电偶基本规律中间导体定律中间导体定律标准电极定律标准电极定律连接导体定律和中间温度定律连接导体定律和中间温度定律下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.2 热电偶基本规律热电偶基本规律下页下页上页上页返回返回图库图库图图8-8 具有中间导体的热电偶回路具有中间导体的热电偶回路（1 1）中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中，只要中间导体两端的温在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶回路的度相同，那么接入中间导体后，对热电偶回路的总热电势无影响。可用式子表示为：总热电势无影响。可用式子表示为：），（），（0AB0ABCTTETTE8.2.2 热

13、电偶基本规律热电偶基本规律下页下页上页上页返回返回图库图库 （2）标准电极定律标准电极定律 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。其热电势由下式求得),(),(TT,E000ABTTETTEBCAC）（图图8-9 三种导体分别组成的热电偶三种导体分别组成的热电偶 0000TTETeTe TeTeTeTeTTETTEABABABBC0ACBCACBC0AC，证明：证明：8.2.2 热电偶基本规律热电偶基本规律下页下页上页上页返回返回图库图库（3）中间温度定律中间温度定律 热电偶在两接点温度分别为热电偶在两接点温度分别为T

14、、T0时的热电动势时的热电动势等于该热电偶在接点温度分别为等于该热电偶在接点温度分别为T、Tn和接点温度和接点温度分别为分别为Tn、T0时的相应热电动势的代数和。时的相应热电动势的代数和。()()()00+=TTETTETTEnABnABAB，8.2.3 热电偶材料及常用热电偶热电偶材料及常用热电偶 对热电偶的电极材料主要要求是对热电偶的电极材料主要要求是： 配制成的热电偶应具有较大的热电势，并希望热电势与温配制成的热电偶应具有较大的热电势，并希望热电势与温度之间成线性关系或近似线性关系。度之间成线性关系或近似线性关系。 能在较宽的温度范围内使用并且在长期工作后物理化学能在较宽的温度范围内使用

15、并且在长期工作后物理化学性能与热电性能都比较稳定。性能与热电性能都比较稳定。 电导率要求高，电阻温度系数要小。电导率要求高，电阻温度系数要小。 易于复制，工艺简单，价格便宜。标准化热电偶有：铂铑易于复制，工艺简单，价格便宜。标准化热电偶有：铂铑一铂热电偶、镍铬一镍铝热电偶、镍铬考铜热电偶及铜一康一铂热电偶、镍铬一镍铝热电偶、镍铬考铜热电偶及铜一康铜热电偶等。铜热电偶等。 标准化热电偶的主要技术数据列于表标准化热电偶的主要技术数据列于表8-2中。中。下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.4 热电偶测温电路热电偶测温电路 热电偶直接与指示仪表配用热电偶直接与指示仪表配用 热电偶与动圈式仪表连接，

16、如图热电偶与动圈式仪表连接，如图8-11所示。这时流过仪表的所示。这时流过仪表的电流不仅与势电势大小有关，而且与测温回路的总电阻有关，电流不仅与势电势大小有关，而且与测温回路的总电阻有关，因此要求回路总电阻必须为恒定值，即因此要求回路总电阻必须为恒定值，即 Rr+Rc+RG=常数常数 （8-14） 式中式中 Rr热电偶电阻；热电偶电阻； Rc 连接导线电阻；连接导线电阻； RG 指示仪表的内阻指示仪表的内阻 这种线路常用于测温精度要求不高的场合，因其结构简单，这种线路常用于测温精度要求不高的场合，因其结构简单，价格便宜。价格便宜。 下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.4 热电偶测温电路热电

17、偶测温电路 串联串联 为了提高测量精度和灵敏度，也可将为了提高测量精度和灵敏度，也可将n支型号相同的热电偶依支型号相同的热电偶依次串接，如图次串接，如图8-12所示。这时线路的总电势为所示。这时线路的总电势为 EG = E1 + E2 + + En = nE （8-15） 式中的式中的E1，E2， ,En为单支热电偶的热电势。显然总电势比为单支热电偶的热电势。显然总电势比单支热电偶的热电势增大单支热电偶的热电势增大n倍。倍。 若每支热电偶的绝对误差为若每支热电偶的绝对误差为E1，E2，,En，则整个串联线，则整个串联线路的绝对误差为路的绝对误差为 （8-16）22221nGEEEE 下页下页上

18、页上页返回返回图库图库8.2.4 热电偶测温电路热电偶测温电路 如果如果 E1 = E2= En= E则则 （8-17） 故串联电路的相对误差为：故串联电路的相对误差为： （8-18） EnEG EEnEnEnEEGG 1下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.4 热电偶测温电路热电偶测温电路 并联并联 用若干个热电偶并联，测出各点温度的算术平均值。如用若干个热电偶并联，测出各点温度的算术平均值。如图图8-13所示。如果所示。如果n支热电偶的电阻值相等，则并联电支热电偶的电阻值相等，则并联电路总热电势为路总热电势为 （8-19） nEEEEnG 21下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.5

19、热电偶参考端温度热电偶参考端温度0恒温法恒温法热电偶参考端温度为热电偶参考端温度为tn时的补正方法时的补正方法下页下页上页上页返回返回图库图库热电偶分度表及根据分度表刻制的直读式仪表，都以热电偶参考端温度等于0度为条件的。所以使用时必须遵守该条件。如果参考端温度不是0度，尽管被测温度不变，热电势将随参考端温度变化而变化，因此要测得真实温度就必须进行修正或采取补偿措施。8.2.5 热电偶参考端温度热电偶参考端温度（1 1）00恒温法恒温法 把冰屑和清洁的水相混合，放在保温瓶中，并使水把冰屑和清洁的水相混合，放在保温瓶中，并使水面略低于冰屑面，然后把热电偶的参考端置于其中，面略低于冰屑面，然后把热

20、电偶的参考端置于其中，在一个大气压的条件下，即可使冰水保持在在一个大气压的条件下，即可使冰水保持在00，这时热电偶输出的热电势与分度值一致。实验室中这时热电偶输出的热电势与分度值一致。实验室中通常使用这种办法。近年来，已生产一种半导体致通常使用这种办法。近年来，已生产一种半导体致冷器件，可恒定在冷器件，可恒定在00。下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.5 热电偶参考端温度热电偶参考端温度（2 2）热电偶参考端温度为热电偶参考端温度为t tn n时的补正方法时的补正方法 1、热电势补正法、热电势补正法 2、温度补正法、温度补正法 3、调整仪表起始点法、调整仪表起始点法 4、热电偶补偿法、热电

21、偶补偿法 5、电桥补偿法、电桥补偿法 下页下页上页上页返回返回图库图库图图8-16 热电偶特性曲线热电偶特性曲线8.3 热热 敏敏 电电 阻阻下页下页上页上页返回返回图库图库 热敏电阻是利用热敏电阻是利用半导体半导体的电阻值随温度的变的电阻值随温度的变化而显著变化的特性实现测温的。半导体热化而显著变化的特性实现测温的。半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好动态特性好，特别适于在，特别适于在-100300之间之间测温。测温。热敏电阻的缺点是热敏电阻的缺点是互换性较差

22、互换性较差，另外其，另外其热电热电特性是非线性的特性是非线性的。8.3 热热 敏敏 电电 阻阻 8.3.1热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性 8.3.2热敏电阻的特性线性化热敏电阻的特性线性化 8.3.3热敏电阻的应用举例热敏电阻的应用举例 下页下页上页上页返回返回图库图库8.3.1 热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性下页下页上页上页返回返回图库图库热敏电阻主要有三种类型，即热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数型正温度系数型(PTC)(PTC)、负温度系数型负温度系数型(NTC)(NTC)、和临界温度系数型和临界温度系数型(CTR)(CTR)。对于大多数热敏电阻，它对于大多数热敏电阻，它的温度系数均为负值。的温度系