传感器与检测技术ppt课件第六章

1、2020/7/2，1，第六章热电传感器，2020/7/2，2，引言热电传感器是一种能够将温度变化转换成电量变化的装置，利用传感器的电参数的温度变化特性实现测量的目的。 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。2020/7/2、3、6.1.1热电偶、1 .热电效应是将两个不同的导体或半导体(a和b )连接在一个闭合电路上，如果两个导体接点温度(和)不同，则在两点之间产生电动势，电路中产生电流的现象。 由此效应产生的电动势一般称为热电动势。 因为是在1821年发现的Seeback，所以也称为Seeback效应。6.1热电偶传感器、2020/7/2、5、5、4、6.1.1

2、热电偶、2020/7/2、5、热电偶由两部分构成，由两个导体构成的电路被称为“热电偶”，两个导体被称为“热电偶”，产生的电位被称为“热电偶” 一部分是两种导体的接触电位，另一部分是单一导体的温差电位。 2020/7/2、6、2 .接触电位是，当a和b两种不同材料的导体接触时，两者内部的每单位体积的自由电子数不同(即电子密度不同)，因此电子向两个方向扩散的速度不同。 的双曲馀弦值。 假设导体a的自由电子密度比导体b的自由电子密度大，则导体a向导体b扩散的电子数比导体b向导体a扩散的电子数大。 因此，导体a电子带正电，导体b电子带负电。 于是，在a、b两导体的接触界面上形成从a到b的电场。2020

3、/7/2、7、热电动势的图像、2020/7/2、8、形成机制、该电场的方向与扩散进行的方向相反，引起反方向的电子移动，阻碍扩散作用的继续。 在扩散作用和扩散阻碍作用相等的情况下，即从导体a扩散到导体b的自由电子数和通过电场作用从导体b扩散到导体a的自由电子数相等的情况下，处于动态平衡状态。 在此状态下，在a和b两导体的接触部产生电位差，称为接触电位。 接触电位的大小与导体材料、节点的温度无关，与导体的直径、长度及几何形状无关。 2020/7/2、9、9、接触电位的大小、2020/7/2、10、3 .温差电动势、温差电动势是在同一导体(热电极)的两端因温度的不同而产生的电动势。 根据温度，低温端

4、的电子数比高温端的电子数多的结果，高温端由于电子少而带正电，低温端由于电子多而带负电，在导体的两端形成温差电动势。 其大小可以表示为和、2020/7/2，11，4 .热电偶的电位，导体a、b构成热电偶的两个节点温度分别为t和T0，热电偶电路产生的总电动势，热电偶的接触电动势远大于温差电动势，无视温差电动势，热电偶的热电偶可以表示为2020/7/2，12，结论： (1)如果热电偶两种材料相同，则无论节点的温度如何，总电位都为0。 (2)如果两个节点的温度相同，则尽管a、b材料不同，总热电势也为0。 (3)热电偶的热电偶电位的大小仅与构成热电偶的材料和两节点的温度有关，与热电偶的形状和尺寸无关，热

5、电偶的两电极材料被固定时，热电偶电位成为两节点的电位差。 (4)当冷端温度T0保持一定时，热电动势成为热端温度t的单一函数。 2020/7/2、13、6.1.2热电偶的结构和种类，1热电偶的基本结构形式2热电偶材料3常用热电偶，2020/7/2、14、1 .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、鞘型热电偶和薄膜热电偶等。 热电偶的种类很多，但通常由金属热电极、绝缘体、保护套管、配线装置等构成。2020/7/2、15、普通型热电偶、普通型结构热电偶在工业上使用最多，一般由热电极、绝缘套管、保护管和端子箱构成。普通型热电偶，根据其安装时的连接形式，分为固定螺钉连接、固定法兰连接、可

6、动法兰连接、无固定装置等各种形式。 普通型热电偶的构造图，2020/7/2、16，普通组装型热电偶的外形，安装螺钉，安装法兰，2020/7/2、17，普通组装型热电偶的构造放大图，端子箱，引出螺钉，固定螺钉(出厂时用塑料包装)，热电偶的工作端(热端)、 热电偶线材、绝缘材料和金属套管三者被拉伸加工而成的坚固组合体，可以细长，在使用中可以根据需要自由弯曲。 套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，能安装在结构复杂的装置上，被许多工业部门广泛使用。2020/7/2、19、鞘型热电偶结构、1-端子箱2-金属套管3-固定装置4-绝缘材料5-热电极、2020/7/2、20、

7、鞘型热电偶外形、凸缘、鞘型热电偶长达百米的薄壁金属保护套管(鞘)、鞘型通过真空蒸镀(或真空溅射)、化学涂布等工艺，在绝缘基板上堆积热电极材料而形成的金属薄膜。 热电偶的测量端小而薄(厚度达到0.010.1m )，热惯性小，反应快，可用于测量瞬变表面温度和微小面积的温度。 其结构有片状、针状、将热电极材料直接蒸镀在被检表面等3种。 使用的电极类型是铁-铜、铁-镍、铜-铜、镍-镍硅等。 测温范围为200300。2020/7/2、22、铁-镍薄膜热电偶结构、1-测定接点2-铁膜3-铁丝4-镍丝5-接头夹具6-镍膜7-衬垫、2020/7/2、23、表面热电偶、表面热电偶为了测定各种状态的固体表面温度，

8、例如辊、金属此外，还有测量气流温度的热电偶、浸渍热电偶等。 2020/7/2，24，2 .热电偶材料，1 .对热电偶材料的一般要求2 .电极材料的分类3 .绝缘材料4 .保护管材料，2020/7/2，25，对热电偶材料的一般要求，(1)对热电偶需要大的热电偶，热电偶对温度(2)能在较宽的温度范围内应用，且长时间工作后，不会发生明显的化学和物理性能变化。 (3)电阻温度系数小，电导率高。 (4)复印容易，技术性和互换性好，容易制作统一的分度表，材料需要一定的韧性，焊接性能好，有利于制作。2020/7/2、26、电极材料的分类，(1)镍铬合金、铜镍铜、镍铬合金、镍铬合金等一般金属。 (2)贵金属，

9、这种热电偶材料主要由铂、铱、铑、钌、锇及其合金构成，例如铂铷-铂、铱-铱等。 (3)高熔点金属，这种热电偶材料由钨、钼、铌、铼、锆等高熔点金属及其合金构成，是钨铼-钨铼、铂铑-铂铑等热电偶。2020/7/2、27、绝缘材料、热电偶测温时，除测定端外，热电极间和连接引线间都要求良好的电绝缘。 否则，会因热电势损失而产生测量误差，(1)无法测量到有机绝缘材料。 (2)无机绝缘材料。 2020/7/2，28，保护管材料，(1)气密性好，能有效地防止有害介质深入腐蚀接合部和热电极。 (2)需要足够的强度和刚性、耐振、耐热冲击。 (3)物理化学性能稳定，长时间工作不会使介电、绝缘材料和热电极相互作用，也

10、不会对热电极产生有害气体。 (4)热传导性好，节点和被检介质的热接触良好。 2020/7/2、29、6.1.3热电偶传感器的温度补偿方法，常用的补偿方法有补偿导线法、冷端恒温法、温度补偿法、桥补偿法等。在2020/7/2、30、1 .补偿导线法、2020/7/2、31、2 .冷端恒温法和温度校正法、实验室和精密测定中，通常将冷端温度称为0的恒温法，以使冷端温度保持在0。 2020/7/2，32，3 .桥补偿法，桥补偿法：补偿方法在热电偶和测量仪器之间连接不平衡桥，也称为冷温度补偿器。 2020/7/2、33、6.2热电阻传感器、热电阻温度传感器是利用导体电阻随温度变化的特性，检测与温度和温度相

11、关的参数的装置。2020/7/2、34、6.2.1热电阻的结构和类型，热电阻通常由电阻、瓷器绝缘套筒、不锈钢套筒、安装固定件、端子箱和引出口等构成。 在用2020/7/2、35、6.2.3测量电路、测温电阻体传感器进行测温时，测量电路总是采用桥电路。 由于测温电阻体与测定器距离很远，所以测温电阻体的引线对测定结果有很大的影响。 2020/7/2、36、6.3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着变化的特性制作的热敏元件，其特征在于，电阻率随温度显着变化。 金属导体的电阻值随着温度的上升而增大，但是半导体相反地随着温度的上升而急剧减少，在温度变化相同的情况下，热敏电阻的电阻值的变化约为铂测温电阻体的10倍，因此可以用它测量0.01以下的温