传感器技术讲解课件4

第4章热电式传感器

温度是表征物体冷热程度的物理量。它反映物体内部各分子运动平均动能的大小。温度可以利用物体的某些物理性质（电阻、电势、等）随着温度变化的特征进行测量。测量方法按作用原理分接触式和非接触式。接触式传感器接触温度场，二者进行热交换。（热电偶、热电阻温度传感器）。

测温范围在-250——1800度，适用于远距离多点测量。非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。物体辐射能量的大小与温度有关,当选择合适的接收检测装置时,便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号,实现温度的测量。这类测温方法的温度传感器主要有光电高温传感器、红外辐射温度传感器、光纤高温传感器等。测量范围600—6000度。4.1热电偶传感器一.热电偶的测温原理1.接触电势2.温差电势回路总的电势为由于温差电势很小，可略去。因此回路的电势为:热电偶回路的几点结论：①如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。必须采用两种不同的材料作为热电极。②如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电势亦为零。③热电偶AB的热电势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。二.热电偶基本定律1.中间导体定律利用热电偶进行测温,必须在回路中引入连接导线和仪表,接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间导体定律说明,在热电偶测温回路内,接入第三种导体,只要其两端温度相同,则对回路的总热电势没有影响。接入第三种导体回路如图所示。由于温差电势可忽略不计,则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和。即EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0)（1）当T=T0时,有EABC(T0)=eAB(T0)+eBC(T0)+eCA(T0)=0由此得eAB(T0)＝－eBC(T0)－eCA(T0)=0代入（1）式ＥＡＢＣ(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=eAB(T,T0)同理,加入第四、第五种导体后,只要加入的导体两端温度相等,同样不影响回路中的总热电势。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动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。

参考电极的实用价值在于：它可大大简化热电偶的选配工作。实际测温中，只要获得有关热电极与参考电极配对时的热电势值，那么任何两种热电极配对时的热电势均可按公式而无需再逐个去测定。用作参考电极(标准电极)的材料，目前主要为纯铂丝材，因为铂的熔点高，易提纯，且在高温与常温时的物理、化学性能都比较稳定。3.中间间温温度度定定律律在热热电电偶偶回回路路中中,两接接点点温温度度为为T,T0时的的热热电电势势,等于于该该热热电电偶偶在在接接点点T,Ta和Ta和T0时的的热热电电势势。。根据据这这一一定定律律，，只只要要给给出出自自由由端端0℃℃时的的热热电电势势和和温温度度关关系系，，就就可可求求出出冷冷端端为为任任意意温温度度T0的热热电电偶偶电电动动势势。。它它是是制制定定热热电电偶偶分分度度表表的的理理论论基基础础。。在在实实际际热热电电偶偶测测温温回回路路中中,利用用热热电电偶偶这这一一性性质质,可对对参参考考端端温温度度不不为为0℃℃的热热电电势势进进行行修修正正。。三、、常常用用热热电电偶偶理论上上讲,任何两两种不不同材材料的的导体体都可可以组组成热热电偶偶,但为了了准确确可靠靠地测测量温温度,对组成成热电电偶的的材料料必须须经过过严格格的选选择。。工程程上用用于热热电偶偶的材材料应应满足足以下下条件件:热电势势变化化尽量量大,热电势势与温温度关关系尽尽量接接近线线性关关系,物理、、化化学性性能稳稳定,易加工工,复现性性好,便于成成批生生产,有良好好的互互换性性。实际上上并非非所有有材料料都能能满足足上述述要求求。目目前前在国国际上上被公公认比比较好好的热热电材材料只只有几几种。。国际际电工工委员员会（（IEC）向世界界各国国推荐荐8种标准准化热热电偶偶,所谓标标准化化热电电偶,它已列列入工工业标标准化化文件件中,具有统统一的的分度度表。。我我国从从1988年开始始采用用IEC标准生生产热热电偶偶。表表11-1为我国国采用用的几几种热热电偶偶的主主要性性能和和特点点。1.镍铬-考铜(E型)2.镍铬-镍铝(K型)3.铂铑30-铂铑6（B型）4.铂铑10-铂(S型）目前工工业上上常用用的有有四种种标准准化热热电偶偶四、热热电电偶的的结构构形式式为了适适应不不同生生产对对象的的测温温要求求和条条件,热电偶偶的结结构形形式有有普通通型热热电偶偶、铠铠装型型热电电偶和和薄膜膜热电电偶等等。1.普通型型热电电偶普通型型结构构热电电偶工工业上上使用用最多多,它一般般由热热电极极、绝绝缘套套管、、保护护管和和接线线盒组组成2.铠装热热电偶偶铠装热热电偶偶又称称套管管热电电偶。。它是是由热热电偶偶丝、、绝绝缘材材料和和金属属套管管三者者经拉拉伸加加工而而成的的坚实实组合合体,它可以以做得得很细细很长长,使用中中随需需要能能任意意弯曲曲。铠铠装热热电偶偶的主主要优优点是是测温温端热热容量量小,动态响响应快快,机械强强度高高,挠性好好,可安装装在结结构复复杂的的装置置上,因此被被广泛泛用在在许多多工业业部门门中。。3.薄膜热热电偶偶薄膜热热电偶偶是由由两种种薄膜膜热电电极材材料,用真空空蒸镀镀、化化学学凃层层等办办法蒸蒸镀到到绝缘缘基板板上面面制成成的一一种特特殊热热电偶偶,薄膜热热电偶偶的热热接点点可以以做得得很小小（可可薄到到0.01~0.1μμm）,具有热热容量量小,反应速速度快快等的的特点点,热相应应时间间达到到微秒秒级,适用于于微小小面积积上的的表面面温度度以及及快速速变化化的动动态温温度测测量。五.热电偶偶温度度补偿偿方法法从热电电偶测测温基基本公公式可可以看看到,对某某一一种种热热电电偶偶来来说说热热电电偶偶产产生生的的热热电电势势只只与与工工作作端端温温度度t和自自由由端端温温度度t0有关关,即:EAB(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)热电电偶偶的的分分度度表表是是以以t0=0℃℃作为为基基准准进进行行分分度度的的,而在在实实际际使使用用过过程程中中,参考考端端温温度度往往往往不不为为0℃℃,那么么工工作作端端温温度度为为t时,分度度表表所所对对应应的的热热电电势势EAB(t,0)与热热电电偶偶实实际际产产生生的的热热电电势势EAB(t,t0)之间间的的关关系系可可根根据据中中间间温温度度定定律律得得到到下下式式EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)由此此可可见见,EAB(t,0)是参参考考端端温温度度t0的函函数数,因此此需需要要对对热热电电偶偶参参考考端端温温度度进进行行处处理理。。1.补偿偿导导线线法法在实实际际测测温温时时,需要要把把热热电电偶偶输输出出的的电电势势信信号号传传输输到到远远离离现现场场数数十十米米的的控控制制室室里里的的显显示示仪仪表表或或控控制制仪仪表表,这样参参考端端温度度t0也比较较稳定定。热热电偶偶一般般做得得较短短需需要用用导线线将热热电偶偶的冷冷端延延伸出出来。。工程程中采采用一一种补补偿导导线,它通常常由两两种不不同性性质的的廉价价金属属导线线制成成,而且在在0~100℃温度范范围内内,要求补补偿导导线和和所配配热电电偶具具有相相同的的热电电特性性。2.冷端温温度修修正法法可得热热电偶偶热电电势的的计算算公式式：E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)E(t,0)－表示示冷端端为零零度，，热端端为t时的热热电势势E(t,t0)－表示示冷端端为t0，热端端为t时的热热电势势,实测值值E(t0,0)－表示示冷端端为零零度，，热端端为t0时的热热电势势采用补补偿导导线可可使热热电偶偶的参参考端端延伸伸到温温度比比较稳稳定的的地方方,但只要参考考端温度不不等于0℃,需要对热电电偶回路的的电势值加加以修正,修正值为EAB(t0,0)。经修正正后的实际际热电势,可由分度表表中查出被被测实际温温度值3.电桥补偿法法补偿电桥法法是利用不不平衡电桥桥产生的不不平衡电压压作为补偿偿信号,来自动补偿偿热电偶测测量过程中中因参考端端温度不为为0℃或变化而引引起热电势势的变化值值。不平衡电桥桥由三个电电阻温度系系数较小的的锰铜丝绕绕制的电阻阻R1、R2、R3、电阻温度系系数较大的的铜丝绕制制的电阻RCU和稳压电源源组成。补偿电桥法法补偿原理：：将带有铜铜热电阻的的补偿电桥桥与被补偿偿的热电偶偶串联，铜铜与热电偶偶的冷端置置于同一温温度场。室室温时，电电桥输出为为零，当冷冷端温度变变化时，铜铜电阻阻值值变化造成成电桥不平平衡输出。。此不平衡衡输出电压压对热电偶偶输出变化化有抵消作作用。4.冰浴法六．热电偶偶测温线路热电偶测温时时,它可以直接与与显示仪表（（如电子电位位差计、数数字表等）配配套使用,也可与温度变变送器配套,转换成标准电电流信号,下图为典型型的热电偶测测温线路。如用一台显示示仪表显示多多点温度时,可按下图连连接,这样可节约显显示仪表和补补偿导线。特殊情况下,热电偶可以串串联或并联使使用,但只能是同一一分度号的热热电偶,且参考端应在在同一温度下下。如热电偶偶正向串联,可获得较大的的热电势输出出和提高灵敏敏度。在测量量两点温差时时,可采用热电偶偶反向串联。。利用热电偶偶并联可以测测量平均温度度。（1）、单点温度度测量（2）、测量两点点的温度差用两只相同型型号的热电偶偶，配用相同同的补偿导线线，反向串联联。产生热电电势为ET=EAB（T1，T0）—EAB（T2，T0）显示仪表CBADBAT2T1T0T0C（3）、测量平均均温度用几只型号特特性相同的热热电偶并联在在一起。仪表R1E1R2R3E2E3T2T1T3T0ET例用镍铬一一镍硅热电偶偶测炉温时，，其冷端温度度to＝30℃，在直流电位差差计上测得的的电动势EAB(t,30)=38．500mV，求炉温为多少少?镍铬一镍硅热热电偶分度表表（自由端温温度为0℃）解：①查镍铬一镍硅硅热电偶K分度表得：②根据中间温度度定律得：③查镍铬一镍硅硅热电偶K分度表得：℃4.2热电阻传感器器一、概述热电阻传感器器是利用导体体或半导体的的电阻值随温温度变化而变变化的原理进进行测温的。。1.优点：①测量精度高；；②有较大的测量量范围；－200～600℃③易于使用在自自动测量和远远距离测量中中2.分类热电阻传感器器分为金属热热电阻和半导导体热电阻两两大类,一般把金属热热电阻称为热热电阻,而把半导体热热电阻称为热热敏电阻。3.常用热电阻用于制造热电电阻的材料应应具有尽可能能大和稳定的的电阻温度系系数和电阻率率,R-t关系最好成线线性,物理化学性能能稳定,复现性好等。。目前最常用用的热电阻有有铂热电阻和和铜热电阻。。4.热电阻的结构构构测温范围：-200℃~850℃电阻与温度的的关系：在-200℃℃~0℃℃范围在0～850℃范围式中，Rt—温度为t时的阻值R0—温度为0度时的阻值A－常数，B－常数，C－常数，二、铂电阻Pt热电阻在温度度t时的电阻值与与R0有关。目前我我国规定工业业用铂热电阻阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种,它们的分度号号分别为Pt10和Pt100,其中以Pt100为常用。铂热热电阻不同分分度号亦有相相应分度表,即Rt-t的关系表,这样在实际测测量中,只要测得热电电阻的阻值Rt,便可从分度表表上查出对应应的温度值。。参看表4.3-4.4(P135)由于铂是贵重重金属,因此,在一些测量精精度要求不高高且温度较低低的场合,可采用铜热电电阻进行测温温,它的测量范围围为－50～150℃。铜热电阻在测测量范围内其其电阻值与温温度的关系几几乎是线性的的,可近似地表示示为:Rt=R0（1+αt）式中：α为铜热电阻的的电阻温度系系数,取α=4.28×10-3/℃。铜热电组的两两种分度号为为：Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R100=100Ω）。三、铜热电阻阻铜热电阻线性性好,价格便宜,但它易氧化,不适宜在腐蚀蚀性介质或高高温下工作。。四、热电阻传传感器应用内部引线方式式有两线制、、三线制和和四线制三种种。二线制制中引线电阻阻对测量影响响大,用于测温精度度不高场合。。三线制可以以减小热电阻阻与测量仪表表之间连接导导线的电阻因因环境温度变变化所引起的的测量误差。。四线制可以完完全消除引线线电阻对测量量的影响,用于高精度温温度检测。工工业用铂电阻阻测温采用三三线制或四线线制。A、三线制测温消消除导线产生生误差原理相临两桥臂增增加同一阻值值的电阻，对对电桥的平衡衡无影