《传感器技术与应用》教学课件第六章热电式传感器

1、2022/8/201第6章 热电式传感器第1页，共40页。2022/8/202引言热电式传感器就是一种能将温度变化转换为电量变化的装置，它是利用敏感元件的电参数随温度变化的特性来达到测量的目的。本章主要介绍热电偶、热电阻和热敏电阻传感器的原理、测量电路及其应用。第2页，共40页。2022/8/2036.1.1 热电偶1热电效应 热电效应就是把两种不同的导体或半导体（A和B）串接成一个闭合回路，如果两导体接点处温度（ 和 ）不同，则两点之间便产生电动势，从而在回路中便形成了电流的现象。由此效应产生的电动势，通常称为热电动势。1821年由Seeback发现的，故又称为赛贝克效应。6.1 热电偶传感

2、器第3页，共40页。2022/8/2046.1.1 热电偶第4页，共40页。2022/8/205热电势由两部分组成两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电势则称为“热电势”，热电偶的两个结点，一个称为测量端（工作端或热端），另一个称为参考端（自由端或冷端）。一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。第5页，共40页。2022/8/2062接触电势 当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同（即电子密度不同），因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。 。假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体

3、B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电子带正电荷，导体B得到电子带负电荷。于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场 。第6页，共40页。2022/8/207热电动势示意图 第7页，共40页。2022/8/208形成机理该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。在这种状态下，A与B两导体的接触处产生了电位差，称为接触电势。接触电势的大小与导体材料、结点的温度有关，与导体的直径、长

4、度及几何形状无关。 第8页，共40页。2022/8/209接触电势大小 第9页，共40页。2022/8/20103温差电动势 温差电动势是同一导体（热电极）的两端因其温度不同而产生的一种电动势。由于温度不同，低温端的电子数会比高温端的电子数多，结果高温端因少出电子而带正电， 低温端因多出电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。其大小可表示为 和第10页，共40页。2022/8/20114热电偶的电势 设导体A、B组成热电偶的两结点温度分别为T和T0，热电偶回路所产生的总电动势， 热电偶的接触电动势要远大于温差电动势，忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为，第11页，共40页。2022/8/2

5、012结论（1）如果热电偶两材料相同，则无论结点处的温度如何，总电势为0。（2）如果两结点处的温度相同，尽管A、B材料不同，总热电势为0。（3）热电偶热电势的大小，只与组成热电偶的材料和两结点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热电势便是两结点电势差。（4）如果使冷端温度0保持不变，则热电动势便成为热端温度的单一函数。 第12页，共40页。2022/8/20136.1.2 热电偶结构及种类1热电偶的基本结构形式 2热电偶材料 3常用热电偶第13页，共40页。2022/8/20141.热电偶的基本结构形式热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。热电

6、偶的种类虽然很多，但通常由金属热电极、绝缘子、保护套管及接线装置等部分组成。 第14页，共40页。2022/8/2015普通型热电偶 普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。普通型热电偶结构图 第15页，共40页。2022/8/2016普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰第16页，共40页。2022/8/2017普通装配型热电偶的结构放大图 接线盒引出线套管 固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端） 不锈钢保护管 第17页，共40页。2022/

7、8/2018铠装型热电偶 铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体 .它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装型热电偶的主要优点是测温端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工业部门中。 第18页，共40页。2022/8/2019铠装型热电偶结构 1接线盒 2金属套管 3固定装置 4绝缘材料 5热电极第19页，共40页。2022/8/2020铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可 长达上百米薄壁金属 保护套管（铠体） BA绝缘 材料铠装型热电偶横截面第20页，共40页。2022/8/2021

8、薄膜热电偶 用真空蒸镀（或真空溅射）、化学涂层等工艺，将热电极材料沉积在绝缘基板上形成的一层金属薄膜。热电偶测量端既小又薄（厚度可达0.010.1m），因而热惯性小，反应快，可用于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度。 其结构有片状、针状和把热电极材料直接蒸镀在被测表面上等3种。所用的电极类型有铁-康铜、铁镍、铜-康铜、镍铬-镍硅等。测温范围为200300。 第21页，共40页。2022/8/2022铁-镍薄膜热电偶结构 1测量接点 2铁膜 3铁丝 4镍丝5接头夹具 6镍膜 7衬架第22页，共40页。2022/8/2023表面热电偶 表面热电偶是用来测量各种状态的固体表面温度的，如测量轧辊、金

9、属块、炉壁、橡胶筒和涡轮叶片等表面温度。此外还有测量气流温度的热电偶、浸入式热电偶等。第23页，共40页。2022/8/20242.热电偶材料1对热电极材料的一般要求 2电极材料的分类 3绝缘材料 4保护管材料 第24页，共40页。2022/8/2025对热电极材料的一般要求（1）配对的热电偶应有较大的热电势，并且热电势对温度尽可能有良好的线性关系。（2）能在较宽的温度范围内应用，并且在长时间工作后，不会发生明显的化学及物理性能的变化。（3）电阻温度系数小，电导率高。（4）易于复制，工艺性与互换性好，便于制定统一的分度表，材料要有一定的韧性，焊接性能好，以利于制作。第25页，共40页。2022

10、/8/2026电极材料的分类（1）一般金属，如镍铬-镍硅，铜-镍铜，镍铬-镍铝，镍铬-考铜等。（2）贵金属，这类热电偶材料主要是由铂、铱、铑、钌、锇及其合金组成，如铂铹-铂、铱铑-铱等。（3）难熔金属，这类热电偶材料系由钨、钼、铌、铼、锆等难熔金属及其合金组成，如钨铼-钨铼、铂铑-铂铑等热电偶。第26页，共40页。2022/8/2027绝缘材料热电偶测温时，除测量端以外，热电极之间和连接导线之间均要求有良好的电绝缘，否则会有热电势损耗而产生测量误差，甚至无法测量 （1）有机绝缘材料。（2）无机绝缘材料。 第27页，共40页。2022/8/2028保护管材料要求（1）气密性好，可有效地防止有害介

11、质深入而腐蚀结点和热电极。（2）应有足够的强度及刚度，耐振、耐热冲击。（3）物理化学性能稳定，在长时间工作中不至于介质、绝缘材料和热电极互相作用，也不产生对热电极有害的气体。（4）导热性能好，使结点与被测介质有良好的热接触。第28页，共40页。2022/8/20296.1.3 热电偶传感器温度补偿方法常用的补偿方法有：补偿导线法，冷端恒温法，温度修正法，电桥补偿法等。第29页，共40页。2022/8/20301补偿导线法 第30页，共40页。2022/8/20312冷端恒温法及温度修正法 在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0，此种做法称之为冷

12、端0恒温法。第31页，共40页。2022/8/20323电桥补偿法 电桥补偿法：补偿方法是在热电偶和测量仪表间接入一个不平衡电桥，也称为冷端温度补偿器，如图所示。第32页，共40页。2022/8/20336.2 热电阻传感器热电阻温度传感器就是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和温度有关的参数进行检测的装置。第33页，共40页。2022/8/20346.2.1 热电阻结构及类型热电阻通常由电阻体、瓷绝缘套管、不锈钢套管、安装固定件、接线盒和引出线口等组成，如图所示。第34页，共40页。2022/8/20356.2.3 测量电路用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。第35页，共40页。2022/8/20366.3 热敏电阻传感器工作原理热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。金属导体的电阻值随温度的升高而增大，但半导体却相反，它的电阻值随温度的升高而急剧减小，在温度变化相同时，热敏电阻的阻值变化约为铂热电阻的10倍，因此可以用它来测量0.01或更小的温度。第36页，共40页。2022/8/2037结构