传感器结构原理与设计第十章热电式传感器课件

1、第十章 热电式传感器第一节 热电偶传感器一、热电偶的工作原理1、热电效应定义：将两种不同性质的导体A，B串接成一个闭合回路，如果两接合点处的温度不同(T0T)，则在两导体间产生热电势，并在回路中有一定大小的电流，这种现象称为热电效应。 第1页，共40页。术语：闭合回路中两种导体叫热电极； 两个结点中，一个称工作端或热端(T)，另一个叫参比端或冷端(T0)；由这两种导体的组合并将温度转换成热电动势的传感器叫做热电偶。第2页，共40页。第3页，共40页。热电动势的组成：接触电动势和单一导体的温差电动势。（1） 接触电动势产生机理：不同的金属材料具有不同的自由电子密度，当两种不同的金属导体接触时，在

2、接触面上就会发生电子扩散，电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NANB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。第4页，共40页。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势。接触电动势的计算公式：eAB(T) 导体A和B的结点在温度T时形成的接触电势；e 电子电荷，e1.6x10-19C；k 玻尔兹曼常数，k1.38x10-23J/K；NA，NB 导体A，B的自由电子密度。第5页，共40页。（2）同一导体中的温差电动势产生机理： 导体内自

3、由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散的结果。高温端因失去电子而带正电，低温端由于获得电子而带负电，在高低温端之间形成一个电位差。 温差电动势的计算公式：eA(T，T0) 导体A两端温度为T、T0时形成的温差电势；T，T0 高、低端的绝对温度；A 汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电势，例如在0时，铜的=2V/。第6页，共40页。第7页，共40页。对于上图中导体A、B组成的热电偶回路，当温度TT0时，回路总的热电势可表示为 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；A、B 导体A和B的汤姆逊系数

4、。第8页，共40页。关于热电偶回路的结论：如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，即AB，NANB，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。因此，热电偶必须采用两种不同的材料作为热电极。如果热电偶两结点温度相等即TT0，则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路内的总电势亦为零。热电偶AB的热电动势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。 第9页，共40页。2、热电偶基本定律（1）中间导体定律 在T0处断开，接入第三导体C，则当A、B结点温度为T，其余结点温度为T0，且TT0，回路总电动势：（84）（85）（86）第10页，共40页。图83结论：在热电偶回路中接入第三种材料

5、的导线，只要其两端的温度相等，第三导线的引入不会影响热电偶的热电动势。这个规律称为中间导体定律。第11页，共40页。第12页，共40页。（2）参考电极定律当结点温度为T、T0时，用导体A、B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，即第13页，共40页。公式也可如下：EAB（T，T0）=EAC（T，T0）EBC（T，T0） 标准电极通常采用纯铂丝制成，因为铂容易提纯，熔点高，性能稳定。标准电极定律使热电偶的选配工作大为简化，只要知道一些材料与标准电极相配时的热电势，就可用公式求出任何两种材料配成热电偶的热电势。 第14页，共40页。证明： 对于AC热电偶：对于BC热电偶：

6、第15页，共40页。依据101可得故有第16页，共40页。（3）中间温度定律 热电偶回路中，热端温度为 T、冷端为 T0时的热电势，等于此热电偶热端为T、冷端为T1，及同一热电偶热端为 T1、冷端为T0时热电势的代数和，如图所示。根据这一定律，只要列出参考温度为0的热电动势温度关系，则参考温度不等于0的热电动势都可以求出。T1T1第17页，共40页。二、常用热电偶1、铂铑10铂热电偶 由0.5mm的纯铂丝和相同直径的铂铑丝制成，用符号LB表示。铂铑丝为正极，纯铂丝为负极。这种热电偶可在1300以下范围内长期使用，短期可测1600高温。由于容易得到高纯度的铂和铂铑，故LB热电偶的复制精度和测量准

7、确性高。LB热电偶的材料为贵金属，成本较高。2、镍铬镍硅热电偶 镍铬为正极，镍硅为负极，热偶丝直径为1.2mm2.5mm，符号用EU。EU热电偶化学稳定性较高，测量范围为-50+1312。3、镍铬考铜热电偶 由镍铬材料与镍、铜合金材料组成，符号为EA。热偶丝直径1.2mm2mm，镍铬为正极，考铜为负极。适用于还原性或中性介质。第18页，共40页。三、热电偶温度补偿热电偶输出的电势是两结点温度差的函数。为了使输出的电势是被测温度的单一函数，一般将T作为被测温度端，T0作为参比温度端(冷端)。通常要求T0保持为0，但在实际中做到这一点很困难，于是产生了热电偶冷端补偿问题。电位补偿法： 补偿电路：H

8、是工作热端，它的工作温度为t，而冷端放在补偿器C中，温度为tn，在补偿器中还放有R3和具有正温度系数的电阻Rt。外加电源U为一恒定电压，为了调整分压比，电路还串联了电位器R1和电阻R2，经补偿了的热电势输出为(t，t0)。 第19页，共40页。第20页，共40页。讨论：当冷端为一恒定温度时(假定这个恒定温度不是0)，A点供给热电偶回路一个不变的修正电势，其大小等于(tn，t0)，式中t00。当冷端温度波动时，则热电偶回路中的热电势与补偿电路中的UA会相应地向相反的方向变化，从而补偿了热电偶电动势的变化。经适当地选择电阻参数，可以足够准确地对冷端进行补偿。 第21页，共40页。第二节 热电阻传感

9、器一、概述定义：金属热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和与温度相关参数进行测力的装置。热电阻的优点：测量精度高；测量范围大（低温272270 ）；与热电偶相比，无参比端误差问题。第22页，共40页。二、常用热电阻热电阻传感器的组成：热电阻传感器是由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等组成。电阻体是主要部分。如图所示。第23页，共40页。第24页，共40页。（1）铂电阻特点：测温精度高，稳定性好，性能可靠；氧化性介质稳定，还原性介质易被污染测测量精度要求不高时，选铜电阻。测温范围：-200 850电阻与温度关系： -200 0 的温度范围内 0 850 的温度范围内为第25页，共

10、40页。 说明：Rt和 R0分别为 t和 0 时的铂电阻值；A、 B 和 C 为常数，其数值为分度号：t=0 时的铂电阻值为 R0，我国规定工业用铂热电阻有 R0 = 10和 R0 =100两种，它们的分度号分别为 Pt10和 Pt100，其中Pt100最常用。分度表：铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即 Rt t的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值 Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。第26页，共40页。第27页，共40页。（2）铜电阻特点：测温精度低于铂电阻，但线性度好、电阻温度系数高、价格便宜。测温范围：-50 150电阻与温度关系：第28页，共40页。第三节 热敏电阻传感

11、器一、热敏电阻的工作原理原理同金属热电阻，但感温元件为半导体材料。优点：灵敏度高，体积小，响应快，功耗低，价格低廉。缺点：非线性、元件稳定性及互换性差。材料：是由金属氧化物（NiO、MnO2、CuO、TiO2等）的粉末按照一定比例混合烧结而成的半导体。第29页，共40页。分类：不同的热敏电阻材料，有不同的电阻温度特性，按温度系数正负，分类如下。1、负电阻温度系数热敏电阻（NTC）第30页，共40页。各热敏电阻温度特性曲线第31页，共40页。2、正电阻温度系数热敏电阻（PTC）3、临界温度系数热敏电阻（CTR）特点：在某一温度点，电阻急剧降低，可作温度开关。第32页，共40页。二、热敏电阻的结构1热敏探头 2引线 3壳体 第33页，共40页。第34页，共40页。第35页，共40页。第四节 集成温度传感器一、概述集成温度传感器原理：利用晶体管结的电流和电压特性与温度的关系实现对温度测量的检测元件。类型：电流输出型、电压输出型和数字输出型。特点：灵敏度高（10mV/ )；线性好；测温范围窄（50150 ）；准确度低。第36页，共40页。二、集成温度传感器应用举例实例：AD590测温范围：55150 ；原理：半导体三极管的基极与发射极的电压约有-2.2mV/