第二章热电式传感器

第二章热电式传感器第1页，课件共44页，创作于2023年2月第二章热电式传感器热电式传感器是工程上应用最广泛的温度传感器。它将热能直接转化成电量输出，具有构造简单，使用方便，准确度、稳定性及复现性较高，温度测量范围宽等优点，在温度测量中占有重要的地位。本章主要介绍：1热电偶传感器4石英温度传感器2热电阻传感器5半导体温度传感器3热敏电阻传感器6集成温度传感器第2页，课件共44页，创作于2023年2月学习要求1.了解热电偶传感器基本结构和工作原理2.掌握热电偶传感器温度补偿方法3.了解热电阻传感器基本结构和工作原理4.掌握热敏电阻的工作原理5.了解热敏电阻的主要参数第3页，课件共44页，创作于2023年2月第一节热电偶传感器一、热电效应

将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个节点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。热电势由导体中的接触电势和温差电势决定。热电偶-200~1300°C热电阻

-200~850°C

第4页，课件共44页，创作于2023年2月热电偶工作原理热电偶的测温原理基于热电效应。工作端

参比端图2-1热电效应T>T0

这种由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶。第5页，课件共44页，创作于2023年2月注意：热电偶构成条件1、两种不同导体2、闭合回路3、两接合点处温度不同“塞贝克温差电动势”简称“热电动势”热电动势：

两种导体——接触电势

单一导体——温差电势

第6页，课件共44页，创作于2023年2月接触电势由于不同金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。ABTT0第7页，课件共44页，创作于2023年2月温差电势因导体两端温度不同而产生的电动势称为温差电势。高温（T）端电子将向低温端（T0）扩散，致使高温端因失去电子带正电，低温端因获电子而带负电。因而在同一导体两端也产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，于是电子扩散形成动平衡，此时所建立的电位差称为温差电势即汤姆逊电势。ABTT0第8页，课件共44页，创作于2023年2月热电偶的热电势是随着介质的温度变化而变化的，其量值关系可由式所表示：式中：——热电偶的热电势，单位V；——温度为T时的热电势，单位V；——温度为T0时的热电势，单位V。上一页下一页返回第9页，课件共44页，创作于2023年2月结论:1.热电偶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同，即T=T0，则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路中的总电动势也为零。3.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。4.热电势的大小与两种导体材料的性质及结点温度有关，而与电极的几何尺寸无关。第10页，课件共44页，创作于2023年2月热电偶基本定律中间导体定律：

在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，第三导体的引入不会影响热电偶的热电动势。根据这个定律，可以将第三导线换成测试仪表或连接导线，只要保持两结点温度相同，就可以对热电势进行测量而不影响原热电动势的数值。第11页，课件共44页，创作于2023年2月常用的热电偶

并不是所有材料均可以用来作热电偶的，对组成热电偶的材料应具备以下一些条件：1.在测温的范围内，热电特性要稳定，不随时间而变化。2.在测温的范围内，物理、化学性能要稳定，不易氧化或腐蚀3.在测温中产生的热电动势要大，并且热电动势随温度变化为单值的、线性的、或者接近线性的。4.电阻温度系数要小，电阻率要高。5.材料的复制性好，易焊接、拉丝和加工。第12页，课件共44页，创作于2023年2月

根据上述要求，国际上目前得到应用的热电偶材料有300多种，广泛应用的有40~50种。国际电工委员会IEC对已被公认为性能比较好的七种热电偶制订了统一的标准。我国已采用IEC标准，按标准生产，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。IEC推荐的标准化热电偶如表所示。热电偶名称IEC分度号我国分度号国家标准号新旧铂铑10-铂铂铑30-铂铑6镍铬-镍硅铜-铜镍（康铜）镍铬-铜镍（康铜）铁-铜镍（康铜）铂铑13-铂SBKTEJRSBKTEJRLB-3LL-2EU-2CK---GB3772-83GB2902-82GB2614-85GB2903-82GB4993-85GB4994-85GB1598-79第13页，课件共44页，创作于2023年2月K型热电偶K型热电偶是目前在500℃以上的测温区用量最大的金属热电偶，其用量是其他金属热电偶的总和。K型热电偶线性度好、热电动势较大，所以能用于氧化性、惰性气氛中。但K型热电偶不能直接在高温下用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛之中。

第14页，课件共44页，创作于2023年2月热电偶的补偿根据热电偶测温原理，只有当热电偶的参考端的温度保持不变时，热电动势才是被测温度的单值函数。原因：通常要求T0保持为0℃，但在实际使用时，由于热电偶的两端离的很近，冷端又暴露在空气中，受其环境温度的影响，冷端的温度很难保持恒定的0℃，于是就产生了热电偶冷端补偿的问题。主要方法有：冷端导线延伸补偿法，电桥补偿法，参考端0℃恒温法。第15页，课件共44页，创作于2023年2月法1：冷端导线延伸补偿法为了使热电偶的冷端温度保持恒定（最好为0℃），常用导线将热电偶的冷端延伸出来，使其置于恒温环境中。延伸用的导线在一定温度范围内（0-1000℃）。应具有和所连热电偶相同的热电偶相同的热电性能。第16页，课件共44页，创作于2023年2月不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。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。供电4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范围起补偿作用。电桥补偿的作用注意：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++-abUUabRCuR1R2R3RT0EAB(T,T0)RCu

UaUab法2：电桥补偿法第17页，课件共44页，创作于2023年2月法3：参考端0℃恒温法

这种方法是将热电偶的参比端保持在稳定的0˚C环境中。在实验室中采用冰浴法，通常是把参比端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的保温容器中，使参比端保持0˚C。这种方法是一种理想方法，但只适用于实验室中使用，工业中使用极其不便。第18页，课件共44页，创作于2023年2月第19页，课件共44页，创作于2023年2月炉温控制系统第20页，课件共44页，创作于2023年2月第二节热电阻传感器工作原理：热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度的变化的特性，对温度和与温度有关的参数进行检测的装置。热电阻传感器按电阻－温度特性的不同可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。金属热电阻其电阻－温度特性表现为当温度升高时其电阻增大，而半导体热电阻随温度升高其电阻反而减小。一般把金属热电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏电阻。第21页，课件共44页，创作于2023年2月热电阻传感器的主要优点有：1.测量准确度高；2.有较大的测量范围，尤其在低温方面；3.易于使用在自动测量和远距离测量中。4.与热电偶传感器相比，没有参比端误差。热电阻传感器一般常用于测量-200~850℃范围内的温度，少数情况下，低温可至1K，高温可达1000

℃。第22页，课件共44页，创作于2023年2月二、热电阻材料和常用热电阻

作为测量温度用的热电阻材料必须具有以下特点：1.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准确度；2.良好的输出特性，即电阻与温度变化接近线性关系；3.在使用范围内，其化学、物理性能应保持稳定；4.良好的工艺性，以便于批量生产，降低成本。第23页，课件共44页，创作于2023年2月根据上述要求，纯金属是制造热电阻的主要材料。目前广泛应用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等。这些材料的电阻率与温度的关系一般可以近似用一个二次方程描述，即式中ρ——电阻率；

t——温度；a、b、c

——由实验确定的常量。第24页，课件共44页，创作于2023年2月第25页，课件共44页，创作于2023年2月实物第26页，课件共44页，创作于2023年2月第三节热敏电阻半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。热敏电阻将温度的变化转换为电阻的变化。热敏电阻是半导体元件，其电阻具有负温度系数。第27页，课件共44页，创作于2023年2月热电阻和热敏电阻的区别：（1）金属热电阻其阻值与温度近似的线性关系，而半导体热电阻的阻值随温度的升高而成非线性急剧变化。（2）金属热电阻有正的温度系数，而半导体热电阻中的大多数具有负的温度系数。（3）热敏电阻与金属电阻相比灵敏度极高，在温度变化相同的情况下，热敏电阻阻值的变化约为铂热电阻的10倍以上，为此它可以用来测量很小的温度差异，具有较高的灵敏度。第28页，课件共44页，创作于2023年2月热敏电阻的工作原理半导体是载流子（电子、空穴）导电方式所致。由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子少的多，所以它的电阻率很大。随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数目就会增多，其导电率随之增加，它的电阻率也就降低了。热敏电阻就是根据半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成的热敏元件。第29页，课件共44页，创作于2023年2月热敏电阻的结构与材料热敏电阻由热敏探头，引线，壳体等构成。热敏电阻的结构和符号1-探头；2-引线；3-壳体第30页，课件共44页，创作于2023年2月热敏电阻的特点(1)电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10~100倍；(2)结构简单，体积小，可以测量“点”温度；(3)电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；(4)功耗小，不需要参考端补偿，适于远距离的测量与控制。(5)阻值与温度的关系呈非线性；(6)元件的稳定性和互换性较差。第31页，课件共44页，创作于2023年2月热敏电阻的参数(1)初始电阻R（Ω），（2）热敏电阻常数B(3)标称阻值RT(4)电阻温度系数αT(5)时间常数τ(6)额定功率第32页，课件共44页，创作于2023年2月结构及实物第33页，课件共44页，创作于2023年2月应用车用温控器第34页，课件共44页，创作于2023年2月水温感应塞第35页，课件共44页，创作于2023年2月热敏电阻的种类根据热敏电阻的阻值随温度变化特性的差异，热敏电阻大体上可以分为三种，即NTC型、CTR型和PTR型。第36页，课件共44页，创作于2023年2月还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等第37页，课件共44页，创作于2023年2月第四节石英温度传感器工作原理

石英晶体振荡器是一种振荡频率非常稳定的振荡器，把石英晶体按一定的方向切成厚度不同的切片，就会形成各种不同频率的石英晶体振荡器。有一些切片的振荡频率随着温度的变化而变化，于是人们就利用这一现象，把由于温度引起振荡频率变化大的石英晶体切片制成石英温度传感器。第38页，课件共44页，创作于2023年2月第五节半导体温度传感器工作原理

半导体的最基本单元是PN结，一个PN结就构成一个二极管，二个PN结就构成了三极管，三个PN结就构成了晶闸管（又称可控硅）。PN结的正向电压降随着温度的变化而变化，温度每升高一度，PN结正向压将就下降2mV。利用PN结的这一特性，就可以用它进行温度测量。第39页，课件共44页，创作于2023年2月第六节集成温度传感器定义：所谓集成温度传感器，是指把温度传感器与后续的放大电路、驱动电路、信号处理电路等，用集成化技术制作在同一基片上而成的集传感器与放大为一体的功能器件。

第40页，课件共44页，创作于2023年2月复习被测量的物理量可分为（）和（）。传感器的三个组成部分（），（）和（）。传感器的静态特性指标有（），（）和迟滞，重复性。传感器