8热电式传感器

1、 属于自发电型传感器：测量时可不加外电源，其输出可直接驱动动圈式仪表； 测温范围广：下限可达-270C ，上限可达1800C以上； 各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。第八章 热电式传感器8-1 热电偶传感器 （ thermocouple sensor ）先看一个实验热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 一、热电偶的工作原理 热电效应：两种不同的金属材料组成一个闭合电路，如果两个接点的温度不同，则在回路中有电势存在，这种现象叫。产生的电势叫热电势，表示为： 。构成的结构称为：热电偶。 热电极A测量端（工作端、热端） 自由端（参考端、冷端） 热电极B1.

2、 接触电势接触电势原理图+ABTeAB(T)-eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势；e单位电荷， e =1.610-19C； k波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ；NA、NB 导体A、B在温度为T 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。AeA(T,To)ToTeA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；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时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的 =2V/。2. 温差电势温差电势原理图由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存

3、在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3. 回路总电势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。根据电磁场理论得EAB(T,T0)=EAB(T )-EAB(T0 )=f(T )-C=g(T )由于NA、NB是温度的单值函数在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：EAB(T, T0)= EAB(T)-EAB(T0) = EAB(T)-EAB(0)-EAB(T)-EAB(T0)

4、 = EAB(T，0)-EAB(T0，0) 热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和零度以及T0和零度的热电势之差。结论：1) 热电势大小只与构成热电偶的材料(nA,nB)和两端的温度(T,T0)有关；2) 若两个热电极材料相同，回路不会产生热电势；3) 材料选定后，热电势的大小只与热电偶两端点的温度有关；4）当参考端温度选定后（一般取0摄氏度），热电势的大小只与测量端的温度有关；5）可以通过测量热电势的大小，测量被测温度。6）因为温度与热电势之间的关系不是线性关系，所以热电偶测温一般采用分度表。二、热电偶的几个基本定律-重点呀！ 1.中间导体定律 在热电偶中，当接入第三种导体时，只要被接入的

5、中间导体所形成的两个新接点温度相同，则对回路热电势没有影响。结论：利用这个定律可以将第三导体换成连接导线和毫伏表，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。ET0T0TET0T1T1T电位计接入 热电偶回路根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。 EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB 如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相

6、等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：2.参考电极定律应用：选配热电偶如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1, T3)，则BBA T2 T1 T3 AAB EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）3.中间温度定律应用：制定热电偶分度表的理论根据。4.匀质导体定律： 由一种均匀导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中都不会产生热电势；反之如果有热电势，则此材料一定是非

7、均匀的。应用：可以检查热电偶材料的均匀性。下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。 工业热电偶结构示意图1接线盒；2保险套管3绝缘套管4热电偶丝12341.热电偶的结构a.普通装配型热电偶的外形三、热电偶的结构及材料普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰b.铠装型热电偶外形管径：2mm到8mm ；长度：0.05m到百米；时间常数约为0.01s2.热电偶的材料a.热电偶传感器对材料要求： 在同样温度下产生的热电势要大，且热电势与温度间应成线性（或近似线性）关系； 耐高温和抗辐射性能好，在较宽的温度范围内，

8、化学及物理性能稳定； 电导率高，电阻温度系数小，比热小； 价格便宜。八种国际通用热电偶：B:铂铑30铂铑6 、R:铂铑13铂 、S:铂铑10铂 、 K:镍铬镍硅 、N:镍铬硅镍硅 、E:镍铬铜镍、 J:铁铜镍 、T:铜铜镍 用于制造铂热电偶的各种铂热电偶丝b.几种常用热电偶的测温范围及热电势 分度号 名称 测量温度范围 1000C热电势/ mVB铂铑30铂铑6501820 C4.834R铂铑13铂-501768 C10.506S铂铑10铂-501768 C9.587K镍铬镍铬 (铝) -2701370 C41.276E镍铬铜镍 (康 铜)270800 C抗氧化性能强、精度等级最高。 与S分度号

9、相比：热电动势大15%左右，其它性能几乎完全相同。 热电动势极小，故在测量时一般不用补偿导线。 抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，使用最广泛。 热电动势最大，即灵敏度最高。 3.热电偶的分度表 重点呀！热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法!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，制定相应分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。 直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。K热电偶的分度表 比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？四、热电偶冷端的延长 作用：可延长热

10、电偶的冷端，使之远离高温区；节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。型号配用热电偶正-负导线外皮颜色 正-负SC铂铑10-铂红-绿KC镍铬 - 镍硅红-蓝WC5/26钨铼5-钨铼26 红-橙 补偿导线在0100C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。补偿导线型号型号配用热电偶正-负型号导线外皮颜色 正-负100C时的热电势/ mVRCR（铂铑13铂）RC红-绿 0.647NC N（镍铬硅镍硅）NC 红-黄2.744EXE（镍铬铜镍）EX红-棕6.319JXJ（铁铜镍）JX红-紫5.264TXT（铜铜镍 ）TX红-白4.279补偿导线外形 AB屏蔽层保护层五、热电偶的冷端温度补

11、偿-重点呀！1.冷端温度补偿的必要性 用热电偶的分度表查毫伏-温度时，必须满足t0=0C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0C，而且也不恒定，因此将产生误差。 一般情况下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失 。冷端恒温法：把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。mVABABTCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T02.冷端温度补偿的方法计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH

12、，利用公式计算例 用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68。注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49，也不能把49加上21，认为T=70。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)计算修正法举例：用镍铬-镍硅（K）热电偶测温度，已知冷端温度为40C，用高精度毫伏表测

13、得这时的热电势为29.186mV，求被测点温度。 冷端补偿器法利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0 ，电桥对仪表读数无影响。 冷端补偿器的作用注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabRCuR1R2R3RT0 Ua Uab EAB(T,T0)供电4V直流，在040或-2020的范围起补偿作用。注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限

14、流电阻R不一样，互换时必须重新调整。第二节 热电阻传感器一 概述金属热电阻传感器（简称热电阻传感器）是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参数进行检测的装置。主要优点是：测量精度高；有较大的测量范围，尤其在低温方面；易于使用在自动测量和远距离测量中；与热电偶相比，它没有参比端误差问题。热电阻传感器之所以有较高的测量精度，主要是一些材料的电阻温度特性稳定，复现性好。二、热电阻材料和常用热电阻热电阻材料必须具有以下特点：高且稳定的温度系数和大的电阻率，以便提高灵敏度和保证测量精度；良好的输出特性，即电阻温度的变化接近于线性关系；在使用范围内，其化学、物理性能应保持稳定；良好的工艺性，以便于批量生产，降低成本。 材料的电阻率与温度的关系一般都可近似用一个二次方程描述 电阻率； T温度； a、b、c 由实验确定的常量。 第三节 热敏电阻传感器 一、热敏电阻的工作原理 半导体热敏电阻（简称热敏电阻）工作原理同金属热电阻一样，也是利用电阻随温度变化的特性测量温度。 不同的热敏电阻材料，具有不同的电阻温度特性，按温度系数的正负，将其分为正温度系数热敏电阻，负温度系数热