鲁科版-选修3-2-第5章 传感器及其应用-第2节 常见传感器的工作原理（省一等奖）

热电偶传感器热电偶传感器的基本转换原理是将温度或能转换成温度变化的物理量，经热电偶转换成热电势的输出。这种传感器的主要特点是：(1)结构简单，使用方便，有标准的显示和记录仪表(动圈式仪表)配合使用(2)以热电势输出，属于自发电型传感器。测量时，无需外加电源。(3)测量范围广，尤其是高温域的测量，可达1800℃(4)便于远距离测量和多点测量，可测温度、温度差或平均温度。一、热电偶热电效应和热电偶定律一）热电偶热电偶是用两种不同材料的导体A，B首尾相接，组成一个闭合回路，如图4—1所不。其中AlB(图中的2)称为热电偶的热电极。两个接点放在不同的温度场中，通常T(图中的1)为被测温度，也称工作端或热端，T0(图中的4)为参考温度，也称自由端或冷端。3是当热电偶回路产生热电势时，回路内产生的磁场。热电偶的工作原理是基于热电效应，即两种不同材料的热电极首尾连接置于不同的温度场中，在热电偶回路内产生电动势，如图4—2所示。热电偶回路内产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。1接触电势由两种导体相接触而形成的电势称为接触电势。它的产生是出于两个热电极A，B材料不同(假设nA＞nB)，则它们的自由电子的浓度不等，当这两种材料在T和T0处相接触时，由于nA＞nB，在接触面上会产生电子扩散。电子扩散的速率与两电极的材料和接触面温度有关，电子扩散的结果使导体A出于失去电子而带正电荷，导体B获得电子而带负电荷，在接触面形成电场，这个电场阻碍了电子的继续扩散，在某一时刻达到动态平衡，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势。2温差电势对于同一导体，由于两端温度不同而形成的电势称为温差电势。假设T＞T0，由于同一热电材料高温端电子所具有的动能较大，因而向低温端扩散。高温端因失去电子而带正电，低温端出得到电子而带负电，这样就会在高、低温两端之间形成一个电位差，产生了温差电势。二）热电偶定律1．中间导体定律在实际测量时，热电偶回路中接入测量仪表，并用导线连接。只要引入导线两端温度相同，热电偶回路生成的热电势不受影响，这就是中间导体定律。2．中间温度定律热电偶T与T0之间若有一温度Tn，热电偶的热电势EAB（T，T0）可以用EAB（T，TA）与EAB（TA，Tn）的和表示，这就是热电偶的中间温度定律。二常用热电偶及测温电路一）常用热电偶材料通常适于用做热电偶的材料有300多种。到目前为止，国际电工委员会已经将其中八种材料作为标准热电偶。图4—3为八种常见的热电偶及其特性。二）结构与用途热电偶根据结构型式的不同，各自的用途也不同。1．普通型热电偶普通型热电偶上要用于测量气体、液体、蒸气等物质的温度。由于在基本相似的条件下使用，因此普通型热电偶已制成标准形式，主要有棒形、角形、锥形等，还做成无专门固定装置、有螺纹固定装置及法兰固定装置等多种形式。图4。9所示即为一棒形、无螺纹、法兰固定的普通型热电偶结构示意图。2．铠装热电偶特殊热电偶结构图如图4—10所示。铠装热电偶又称为缆式热电偶，它是由热电极、绝缘材料和金属保护套管三部分组合在一起构成的特殊结构的热电偶，可以做得很细很长，且可以弯曲。其结构如图4—10(a)所示，可以分成单芯和双芯两种类型。铠装热电偶是由热电极、绝缘材料和金属保护套管三部分一起拉制成型的，因此外径可以小到1mm一3mm，内部热电极直径常为0．2mm一0．8mm，而套管外壁一般为0.12mm—0．6mm。铠装热电偶的特点是热惯性小，有良好的柔性，便于弯曲，抗振性能好，动态响应快(时间常数可达0．0ls)，适用于测量狭长对象上各点的温度。3．薄膜热电偶所谓薄膜热电偶是指通过真空蒸镀(或真空溅射)的方法，把热电偶材料沉积在绝缘基板上面而制成的热电偶，其结构示意图如4—10(b)所示。由于采用蒸镀技术，热电偶可以做得很薄(微米级)。薄膜热电偶使用温度范因为(—200一500)℃时，热电偶通常使用铜一康铜、镍铬一考铜、镍铬—镍硅等材料制成，绝缘基板材料采用云母，适用于各种表面的温度测量以及汽轮机叶片等温度的测量。当使用温度范围为(500一1800)℃时，热电偶使用镍铬一镍硅、铂铑一铂铑等材料制成，绝缘基板则采用陶瓷材料制成，常用于火箭、飞机喷射的温度测量和钢锭、轧辊等表面温度的测量。4．表面热电偶适用于测量圆弧形表面的温度，其热电偶做成带状，接点在中央作为测量端，面两端固定安装有手柄的弓形架上，手柄上装有毫伏表，使用时把热电偶的中间贴在被测表面上。5．消耗式热电偶消耗式热电偶主要用于测量钢水温度，图4—11为其结构原理图。其中，热电偶2是用铂铑10-铂或铂铑10-铂铑制成，装在U型