第三章温度传感器1-2.ppt

1、1,第三章 温度传感器,概 论 热电偶温度传感器 热敏电阻温度传感器 集成温度传感器 其他温度传感器,2,了解温度传感器的作用、地位和分类 理解热电效应定义，掌握热电偶三定律及相关计算，热电偶冷端补偿原因及补偿方法 掌握热敏电阻不同类型的特点、特性曲线及应用场合 掌握电流型、电压型、数字型三种集成温度传感器特点、工作原理和使用方法 了解其他温度传感器工作原理,学习要点,3,第一节 概 论,温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。,温度是与人类生活息息相关的物理量。 温度检测始于2000多年前。 工业、农业、商业、科研、国防、

2、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。 工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的一半左右。,因此，现代人类离不开温度，因此也离不开温度传感器。,一、温度的基本概念,温度：衡量物体冷热程度的物理量。温度的高低反映了物体内部分子运动平均动能的大小。 温标：表示温度大小的尺度是温度的标尺。,热力学温标thermodynamic temperature scale 水三相点 273.16K 开尔文 国际实用温标International practical temperature scale 冰点 273.15K 开尔文 华氏温标Fahrenheit temperature scale 华氏度

3、 非法定计量单位 华伦海特 摄氏温标 Celsius temperature scale 常用温标 摄氏度 摄耳修司 n=5(m-32)/9,5,二、温度传感器的特点与分类,随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化 蒸气压的温度变化 电极的温度变化 热电偶产生的电动势 光电效应 热电效应 介电常数、导磁率的温度变化 物质的变色、融解 强性振动温度变化 热放射 热噪声,1 温度传感器的物理原理(11种),诸多物理量或物理现象能够反映出温度的变化,6,物理现象,体积热膨胀,电阻变化,温差电现象,导磁率变化,电容变化,压电效应,超声波传播速度变化,物质 颜色,PN结电动势,晶体管特性变化,可控硅动作特

4、性变化,热、光辐射,种类,铂电阻、热敏电阻,热电偶,BaSrTiO3陶瓷,石英晶体振动器,超声波温度计,示温涂料 液晶,半导体二极管,晶体管半导体集成电路温度传感器,可控硅,辐射温度传感器 光学高温计,1.气体温度计 2. 玻璃制水银温度计 3.玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计 5.液体压力温度计 6. 气体压力温度计,1 热铁氧体 2 Fe-Ni-Cu合金,7,特性与温度之间的关系要适中，并容易检 测和处理，且随温度呈线性变化 除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低 特性随时间变化要小 重复性好，没有滞后和老化 灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小 机械性能好，耐化学腐蚀

5、，耐热性能好 能大批量生产，价格便宜 无危险性，无公害等,2.温度传感器应满足的条件,8,3. 温度传感器的种类及特点,接触式温度传感器 非接触式温度传感器,接触式温度传感器是将测温敏感元件直接与被测介质接触，使被测介质与测温敏感元件进行充分热交换，当两者具有相同温度时，达到测量的目的。这种传感器的测量精度较高，但由于被测介质的热量传递给传感器，从而降低了被测介质的温度，特别是被测介质热容量较小时，会给测量带来误差。,非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；

6、连续测量不会产生消耗；反应快等。,9,热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅,分 类,特 征,传 感 器 名 称,超高温用传感器,1500以上,光学高温计、辐射传感器,高温用 传感器,10001500,光学高温计、辐射传感器、热电偶,中高温用传感器,5001000,光学高温计、辐射传感器、热电偶,中温用 传感器,0500,低温用 传感器,-2500,极低温用传感器,-270-250,BaSrTiO3陶瓷,晶体管、热敏电阻、 压力式玻璃温度计,见表下内容,测 温 范 围,温度传感

7、器分类(1),10,温度传感器分类(2),11,温度传感器分类(3),12,温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。 特点：结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。,第二节 热电偶温度传感器,热电偶的工作原理 热电偶回路的性质 热电偶的常用材料与结构 冷端处理及补偿,13,两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种

8、现象早在1821年首先由西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜克效应。,一、工作原理,回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势thermo-electric force由两部分组成，即温差电势和接触电势。,热端,冷端,14,1. 接触电势,eAB(T),eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势； e单位电荷， e =1.610-19C； k波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ； NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。,接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。,接触电势原理图,15,eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势； T，

9、T0高低端的绝对温度； 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，例如在0时，铜的 =2V/。,2. 温差电势,温差电势原理,16,由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：,T0,T,eAB(T),eAB(T0),eA(T,T0),eB(T,T0),A,B,3. 回路总电势,NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度； A 、 B导体A和B的汤姆逊系数。,17,导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB

10、(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。,只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。,热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。,只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。,在实际测量中只需用仪表测出回路中总电势即可。由于温差电势与接触电势相比较，其值很小，因此，在工程技术中认为热电势近似等于接触电势。 在工程应用中，测出回路总电势后，用

11、查热电偶分度表的方法确定被测温度。,18,由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。,二、热电偶回路的性质,1. 均质导体定律,19,E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0,三种不同导体组成的热电偶回路,2. 中间导体定律,一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。,由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则,20,两点结论： l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则

12、图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即 同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：,EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2）,EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）,21,根据上述原理，在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。,22,EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）,2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图。 它们相互间热电势的

13、关系为：,23,3. 中间温度定律,如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1, T3)，则,EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）,24,EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3）,对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0时，则：,只要T1、T0不变，

14、接入AB后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。,EAB=EAB(T1)EAB(T0),说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A、B(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA(T2)=EBB(T2)时，则回路总电动势为,25,例题,解：根据中间导体定律结论公式，有 EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0） 依题意可知，EAC（T, T0）13.967mV； ECB（T, T0）8.345mV 则 EAB(T, T0)13.967mV8.345mV5.622 mV 因此，在此特定条件下材料A与材料B配对后的热电势

15、为5.622 mV。,已知在某特定条件下材料A与铂配对的热电动势为13.967mV，材料B与铂配对的热电动势为8.345mV，求出在此特定条件下材料A与材料B配对后的热电势。,26,热电偶材料应满足： 物理性能稳定，热电特性不随时间改变； 化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀； 热电势高，导电率高，且电阻温度系数小； 便于制造； 复现性好，便于成批生产。,三、热电偶的常用材料与结构,27,1铂铂铑热电偶(S型) 分度号LB3 测量温度：长期：1300、短期：1600。,（一）热电偶常用材料,2镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型) 分度号EU2 测量温度：长期1000，短期1300。,3镍铬

16、考铜热电偶(E型) 分度号EA2 测量温度：长期600，短期800。,4铂铑30铂铑6热电偶(B型) 分度号LL2 测量温度：长期可到1600，短期可达1800。,28,几种持殊用途的热电偶 （1）铱和铱合金热电偶 如铱50铑铱10钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达2100的高温。 （2）钨铼热电偶 可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，使用温度范围3002000分度精度为1。 （3）金铁镍铬热电偶 主要用在低温测量，可在2273K范围内使用，灵敏度约为10V。 （4）钯铂铱15热电偶 输出性能高，在1398时的热电势为47.255mV。,（6）铜康铜热电偶，分度号MK 热电势略高于镍铬-镍硅热

17、电偶，约为43V/。复现性好，稳定性好，精度高，广泛用于20K473K的低温实验室测量中。,（5）铁康铜热电偶，分度号TK 灵敏度高，线性度好，可在800以下的还原介质中使用。,29,（二）常用热电偶的结构类型 1工业用热电偶 2铠装式热电偶（又称套管式热电偶） 3快速反应薄膜热电偶,30,方法 冰点槽法 计算修正法 补正系数法 零点迁移法 冷端补偿器法 软件处理法,四、冷端处理及补偿,原因 热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定； 热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。,31,1. 冰点槽法 把热电偶的

18、参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。,四、冷端处理及补偿,32,2. 计算修正法 用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算 例 用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.979mV，又用室温计测出TH=21，计算测量温度T的值。 解：查此种热电偶的分度表，EAB(21,0)=0.84mV，则 EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0) =1.979+0.84 =2.819(mV) 再次查分度表，与2.819mV对应的热端温度T=69。,注意:既不能只按1.979mV查表，认为T=49，也不能把49加上21，认为T=70。,EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0),33,34,3. 补正系数法 把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即 式中：T为未知的被测温度； T为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度； TH室温； k为补正系数。 例 用铂铑