第9章 热电式传感器.ppt

1、第9章 热电式传感器 9.1 热电偶 9.1.1 热电偶的工作原理 9.1.2 热电偶基本定律 9.1.3 常用热电偶 9.2 热电阻 9.2.1 铂电阻 9.2.2 铜电阻 9.3 热敏电阻 9.3.1 导电机理 9.3.2 电阻与温度关系 9.4 热释电型温度传感器 9.5 半导体集成温度传感器,热电式传感器是利用其敏感元件的特征参数随温度变化的特性，对温度及与温度有关的参量进行测量的装置。 温度量转换为电阻和电势是目前工业生产和控制中应用最为普遍的方法 将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。 半导体集成温度传感器及利用热释电效应制成的感

2、温元件在测温领域中也得到越来越多的重视。,9.1 热电偶 9.1.1 热电偶的工作原理 热电偶是利用导体或半导体材料的热电效应将温度的变化转换为电势变化的元件。 所谓热电效应是指两种不同导体A、B的两端连接成如图所示的闭合回路。若使连接点分别处于不同温度场T0和T（设TT0），则在回路中产生由于接点温度差（TT0）引起的电势差。通常把两种不同金属的这种组合称为热电偶，A和B称为热电极，温度高的接点称为热端（或工作端），温度低的接点称为冷端（或自由端）。,热电效应也称塞贝克效应，热电偶回路中产生的电势差为 从式可知，前一项是由于两种不同材料金属连接时产生的接触电势差，取决于材料的电子密度；而后一

3、项是由于同一种材料的均质导体，当两端温度不同时产生的温差电势，即所谓汤姆逊效应。但由于导体汤姆逊效应引起的电势差相比甚小，常可忽略。于是当材料 A、B的特性（NA、NB）为已知时，并使一端温度T0固定，则待测温度 T是电动势E（T，T0）的单值函数。这给工程中用热电偶测量温度带来极大的方便。,为了使热电偶冷端温度T0固定，通常采用一些措施对冷端进行补偿。常用的方法是将冷端置于冰内或恒温槽中，或采用补偿导线法将热电极冷端延伸，或通过补偿电桥法补偿冷端的温度变化。,9.1.2 热电偶基本定律 （1）组成热电偶回路的两种导体材料相同时，无论两接点的温度如何，回路总热电势为零； （2）若热电偶两接点温

4、度相等，即T=T0，回路总热电势仍为零； （3）热电偶的热电势输出只与两接点温度及材料的性质有关，与材料A、B的中间各点的温度、形状及大小无关。 （4）在热电偶中插入第三种材料，只要插入材料两端的温度相同，对热电偶的总热电势没有影响。这一定律称之为中间导体定律。,中间导体定律,9.1.3 常用热电偶 1热电偶的材料 目前，常用热电极材料分贵金属和普通金属两大类，贵金属热电极材料有铂铑合金和铂；普通金属热电极材料有铁、铜、康铜、考铜、镍铬合金、镍硅合金等，还有铱、钨、锌等耐高温材料，这些材料在国内外都已经标准化。不同的热电极材料的测量温度范围不同，一般可将热电偶用于01800范围的温度测量。 贵

5、金属热电偶电极直径大多在0.130.65mm范围内，普通金属热电偶电极直径为0.53.2mm。热电极有正、负之分，在其技术指标中会有说明，使用时应注意到这一点。,2.热电偶的结构,9.2 热电阻 导体（或半导体）的电阻值随温度变化而改变，通过测量其电阻值推算出被测物体的温度，这就是电阻温度传感器的工作原理。电阻温度传感器主要用于测量-200500范围内的温度。纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下特性： （1）电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系； （2）电阻率高，热容量小，反应速度快； （3）材料的复现性和工艺性好，价格低； （4）在测温范围内化学物理

6、性能稳定。,9.2.1 铂电阻 铂电阻与温度之间的关系接近于线性，在0630.74范围内可用下式表示 在-1900范围内为 由以上两式看出，当R0值不同时，在同样温度下其Rt值也不同。目前国内统一设计的一般工业用标准铂电阻R0值有100W和500W两种，并将电阻值Rt与温度t的相应关系统一列成表格，称其为铂电阻的分度表，分度号分别用pt100和pt500表示，但应注意与我国过去用的老产品的分度号相区分。,9.2.2 铜电阻 在测量精度要求不高，且测温范围比较小的情况下，可采用铜做热电阻材料代替铂电阻。 在-50150的温度范围内，铜电阻与温度呈线性关系，其电阻与温度的函数表达式为 铜电阻只能用

7、在低温及无浸蚀性的介质中. R0值在50和100条件下，制成相应分度表作为标准.,9.3 热敏电阻 热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度变化这一特性制成的一种热敏元件。其主要特点是： （1）灵敏度高。一般金属当温度变化 l时，其阻值变化0.4左右，而半导体热敏电阻变化可达36； （2）体积小。珠形热敏电阻的探头的最小尺寸达0.2mm，能测热电偶和其它温度计无法测量的空隙、腔体、内孔等处的温度，如人体血管内的温度等； （3）使用方便。热敏电阻阻值范围在102105W之间可任意挑选，热惯性小，而且不像热电偶需要冷端补偿，不必考虑线路引线电阻和接线方式，容易实现远距离测量，功耗小。 热敏电阻一般可分为

8、负温度系数（NTC）热敏电阻器，正温度系数（PTC）热敏电阻器和临界温度电阻器（CTR）三类。,9.3.1 导电机理 热敏电阻的导电性能主要是由内部的载流子（电子和空穴）密度和迁移率所决定的，当温度升高时外层电子在热激发下，大量成为载流子，使载流子的密度大大增加，活动能力加强，从而导致其阻值的急剧下降。,9.3.2 电阻与温度关系 热敏电阻的阻值和温度的关系不是线性的，可由下面经验公式表示 RT、R0温度 T、T0时的阻值； B 热敏电阻的材料常数，常取20006000K； T 热力学温度； T0 通常指0或室温。,若定义 为热敏电阻的电阻温度系数 ，则得 可见， 是随温度降低而迅速增大，它是

9、决定热敏电阻在全部工作范围内的温度灵敏度。热敏电阻的测温灵敏度比金属丝的高很多。,9.4 热释电型温度传感器 压电晶体类中的极性晶体本身具有自发极化特性，其自发极化强度Ps是温度的函数。当环境温度变化时，单畴晶体通过晶格吸收红外线而使温度升高，在其居里温度以下，自发极化强度随温度升高而下降，这种变化导致在垂直于自发极化强度方向的晶体外表面上极化电荷的变化，即晶体两端出现随温度变化的开路电压，这种现象称为热释电效应.,在热释电体相对的两个面上制作电极，并在电极间用线连接，则可取出电流或电压。通过检测由此而产生的热释电电流或电压而测量温度的传感器称为热释电型温度传感器。 热释电型传感器多用于红外（热辐射）探测，应注意它是一种交流或瞬时响应的器件，若热释电体的温度处于恒定状态，则检测不到输出，即热释电型传感器对稳定或不变的辐射不作响应。,9.5 半导体集成温度传感器 半导体集成温度传感器是利用半导体PN结的正向压降随温度升高而近乎线性下降的特性制成的。其温度灵敏度高、线性度好。但测温范围仅为-