第6章 热电偶传感1.ppt

1、温度传感器广泛应用于微波炉、空调、吹风机、烤箱、电磁炉、暖风机、冰箱、冰柜、饮水机、消毒柜、洗衣机、烘干机、恒温箱等的温度测量与控制。,第6章 热电式传感器,6.1 热电偶传感器 6.2 热电阻传感器 6.3 PN结温度传感器和集成温度传感器,热电式传感器是将温度变化转换为电阻或电势变化的装置，因此又称为温度传感器。把温度变化转换为电势变化的热电式传感器称为热电偶传感器；把温度变化转换为电阻值变化的热电式传感器称为热电阻传感器。,6.1 热电偶传感器,6.1.1 热电偶的工作原理 6.1.2 热电偶的基本定律,6.1.1 热电偶工作原理 热电效应： 将两种不同材料的导体或半导体连成闭合回路，两

2、个接点分别处于不同的温度场T和T0中，则该回路内会产生电动势，并在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应。由此产生的电动势通常称为热电势。,两种不同的导体或半导体的组合称为热电偶。 A和B称为热电极，两个接点, 一个称工作端, 又称测量端或热端, 测温时将它置于被测介质中; 另一个称自由端, 又称参考端或冷端。,所产生的热电势由两部分组成:,接触电势 温差电势,(1) 接触电动势 产生原因：由于不同导体的自由电子密度不同。 假设nAnB,接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。与导体的直径、长度等几何形状无关。,（2）温差电动势 同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电

3、势。 同一导体的两端温度不同时, 高温端的电子浓度大，动能大，低温端的电子浓度小，动能小，因此高温端的电子向低温端扩散，结果高温端因失去电子而带正电, 低温端因获得多余的电子而带负电, 形成一个静电场，该静电场阻止电子继续向低温端扩散，最后达到动态平衡。因此, 在导体两端便形成温差电势。,温差电动势的大小由下面公式给出: 导体A:,：汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势。,导体B:,热电偶回路中总的电动势应是接触电动势与温差电动势之和,（3）回路总电动势,在总电动势中, 温差电动势比接触电动势小很多, 在精度要求不高的情况下, 热电偶的电动势可近似表示为：,AB(T, T

4、0) eAB(T) - eAB(T0),当参考端温度T0恒定时, eAB(T0) 为常数, 则总的电动势就只与温度T成单值函数关系, 即 AB(T, T0) = EAB(T) - c = f(T),热电偶回路的几点结论：, 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，热电偶回路内的总电动势为零。必须采用两种不同的材料作为热电极。, 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。, 热电势的大小只与两个热电极的材料性质、热端和冷端的温度有关，而与导体的粗细、长短及两导体的接触面积无关。,6.1.2 热电偶基本定律,均质导体定律 两种均质金属组成的热电偶，其电势大

5、小与热电极直径、长度及沿电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料性质和两端温度有关。 如果材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时，将产生附加热电势，造成误差。因此，热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。,2.中间导体定律 在热电偶测温回路内, 插入第三种，第四种导体, 只要插入导体的两端温度相同, 且插入导体是均质的，则无论插入导体的温度分布如何，都不会影响原来热电偶的热电势的大小。 因此，可以在回路中引入连接导线和仪表进行测量。,将一接点分开，第三种导体接在接点处，两端温度为T0： EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0) （1） 当T= T0 时, 有

6、 EABC(T0)=eAB(T0 )+eBC(T0)+eCA(T0) =0 由此得: eAB(T0 )- eBC(T0) - eCA(T0) 代入（1）式得: ABC(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。,第三种导体接在A导体之间（或B）,两端温度为T1：,EABC(T,T0)=eAB(T)- eAB(T0)+eAC(T1)+eCA(T1),由于,eAC(T1) = - eCA(T1),所以：,EABC(T,T0)=eAB(T)- eAB(T0)= EAB(T,T0),在热电偶的任何位置，接入第三种导体，其总电动势都不变。我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表。,3. 中间温度定律,热电偶在接点温度为T、T0时的电动势等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、 T0时相应的热电势的代数和，即,EAB(T,T0)=EAB(T, Tn)+EAB(Tn,T0),证明：,EAB(T, Tn)+EAB(Tn,T0) =eAB(T)- eAB(Tn)+ eAB(Tn)- eAB(T0) = eAB(T)- eAB