传感器技术与应用课件第六章热电式传感器

1、2021-10-221第第6章章 热电式传感器热电式传感器2021-10-222引言引言n热电式传感器就是一种能将温度变化转热电式传感器就是一种能将温度变化转换为电量变化的装置，它是利用敏感元换为电量变化的装置，它是利用敏感元件的电参数随温度变化的特性来达到测件的电参数随温度变化的特性来达到测量的目的。本章主要介绍热电偶、热电量的目的。本章主要介绍热电偶、热电阻和热敏电阻传感器的原理、测量电路阻和热敏电阻传感器的原理、测量电路及其应用。及其应用。2021-10-2236.1.1 热电偶热电偶n1热电效应热电效应 n热电效应就是把两种不同的导体或半导热电效应就是把两种不同的导体或半导体（体（a和

2、和b）串接成一个闭合回路，如果）串接成一个闭合回路，如果两导体接点处温度（两导体接点处温度（ 和和 ）不同，则两点）不同，则两点之间便产生电动势，从而在回路中便形之间便产生电动势，从而在回路中便形成了电流的现象。由此效应产生的电动成了电流的现象。由此效应产生的电动势，通常称为热电动势。势，通常称为热电动势。n1821年由年由seeback发现的，故又称为赛发现的，故又称为赛贝克效应。贝克效应。6.1 热电偶传感器热电偶传感器2021-10-2246.1.1 热电偶热电偶2021-10-225热电势由两部分组成热电势由两部分组成n两种导体组成的回路称为两种导体组成的回路称为“热电偶热电偶”，这两

3、种导体称为这两种导体称为“热电极热电极”，产生的电，产生的电势则称为势则称为“热电势热电势”，热电偶的两个结，热电偶的两个结点，一个称为测量端（工作端或热端），点，一个称为测量端（工作端或热端），另一个称为参考端（自由端或冷端）。另一个称为参考端（自由端或冷端）。n一部分是两种导体的接触电势，另一部一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。分是单一导体的温差电势。2021-10-2262接触电势接触电势 n当当a和和b两种不同材料的导体接触时，由于两两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同（即电子者内部单位体积的自由电子数目不同（即电子密度不同），因此，

4、电子在两个方向上扩散的密度不同），因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。速率就不一样。 n。假设导体。假设导体a的自由电子密度大于导体的自由电子密度大于导体b的自的自由电子密度，则导体由电子密度，则导体a扩散到导体扩散到导体b的电子数的电子数要比导体要比导体b扩散到导体扩散到导体a的电子数大。所以导的电子数大。所以导体体a失去电子带正电荷，导体失去电子带正电荷，导体b得到电子带负得到电子带负电荷。于是，在电荷。于是，在a、b两导体的接触界面上便两导体的接触界面上便形成一个由形成一个由a到到b的电场的电场 。2021-10-227热电动势示意图热电动势示意图 2021-10-228形成机理形

5、成机理n该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体导体a扩散到导体扩散到导体b的自由电子数与在电场作的自由电子数与在电场作用下自导体用下自导体b到导体到导体a的自由电子数相等时，的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。在这种状态下，便处于一种动态平衡状态。在这种状态下，a与与b两导体的接触处产生了电位差，称为接触两导体的接触处产生了电位差，称为接触电势。接触电势的大小与导体材料、结点的温电势

6、。接触电势的大小与导体材料、结点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。 2021-10-229接触电势大小接触电势大小 baabnnqktteln)(02021-10-22103温差电动势温差电动势 n温差电动势是同一导体（热电极）的两温差电动势是同一导体（热电极）的两端因其温度不同而产生的一种电动势。端因其温度不同而产生的一种电动势。由于温度不同，低温端的电子数会比高由于温度不同，低温端的电子数会比高温端的电子数多，结果高温端因少出电温端的电子数多，结果高温端因少出电子而带正电，子而带正电， 低温端因多出电子而带负低温端因多出电子而带负电，在

7、导体两端便形成温差电动势。其电，在导体两端便形成温差电动势。其大小可表示为大小可表示为 和和),(0ttea),(0tteb2021-10-22114热电偶的电势热电偶的电势 n设导体设导体a、b组成热电偶的两结点温度分组成热电偶的两结点温度分别为别为t和和t0，热电偶回路所产生的总电，热电偶回路所产生的总电动势，动势， 热电偶的接触电动势要远大于温差电动势，忽略热电偶的接触电动势要远大于温差电动势，忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为温差电动势，热电偶的热电势可表示为，),(),()()(),(0000ttettetetettebaabababbaabababnnttqktetetteln

8、)()()(),(00002021-10-2212结论结论n（1）如果热电偶两材料相同，则无论结点处）如果热电偶两材料相同，则无论结点处的温度如何，总电势为的温度如何，总电势为0。n（2）如果两结点处的温度相同，尽管）如果两结点处的温度相同，尽管a、b材材料不同，总热电势为料不同，总热电势为0。n（3）热电偶热电势的大小，只与组成热电偶）热电偶热电势的大小，只与组成热电偶的材料和两结点的温度有关，而与热电偶的形的材料和两结点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热电势便是两结点电势差。电势便是两结点电势差。n（4）如果使冷端温度

9、）如果使冷端温度0保持不变，则热电动保持不变，则热电动势便成为热端温度势便成为热端温度的单一函数。的单一函数。 2021-10-22136.1.2 热电偶结构及种类热电偶结构及种类n1热电偶的基本结构形式热电偶的基本结构形式 n2热电偶材料热电偶材料 n3常用热电偶常用热电偶2021-10-22141.热电偶的基本结构形式热电偶的基本结构形式n热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。装型热电偶和薄膜热电偶等。n热电偶的种类虽然很多，但通常由金属热电偶的种类虽然很多，但通常由金属热电极、绝缘子、保护套管及接线装置热电极、绝缘子、保护套管及接线

10、装置等部分组成。等部分组成。 2021-10-2215普通型热电偶普通型热电偶 n普通型结构热电偶工业上使用最多，它普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。线盒组成。n普通型热电偶按其安装时的连接形式可普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。动法兰连接、无固定装置等多种形式。普通型热电偶结构图 2021-10-2216普通装配型热电偶的外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰2021-10-2217普通装配型热电偶的结构放大图 接线

11、盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 不锈钢不锈钢保护管保护管 2021-10-2218铠装型热电偶铠装型热电偶 n铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体拉伸加工而成的坚实组合体 .n它可以做得很细很长，使用中随需要能它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装型热电偶的主要优点是任意弯曲。铠装型热电偶的主要优点是测温端热容量小，动态响应快，机械强测温端热容量小，动态响应快，机械强度高

12、，挠性好，可安装在结构复杂的装度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工业部门中。置上，因此被广泛用在许多工业部门中。 2021-10-2219铠装型热电偶结构铠装型热电偶结构 1接线盒 2金属套管 3固定装置 4绝缘材料 5热电极2021-10-2220铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管（铠体）（铠体） ba绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶铠装型热电偶横截面横截面2021-10-2221薄膜热电偶薄膜热电偶 n用真空蒸镀（或真空溅射）、化学涂层等工艺，用真空蒸镀（或真空溅射）、化学涂层等工艺，将热电极材料沉

13、积在绝缘基板上形成的一层金将热电极材料沉积在绝缘基板上形成的一层金属薄膜。热电偶测量端既小又薄（厚度可达属薄膜。热电偶测量端既小又薄（厚度可达0.010.1 m），因而热惯性小，反应快，），因而热惯性小，反应快，可用于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温可用于测量瞬变的表面温度和微小面积上的温度。度。 n其结构有片状、针状和把热电极材料直接蒸镀其结构有片状、针状和把热电极材料直接蒸镀在被测表面上等在被测表面上等3种。所用的电极类型有铁种。所用的电极类型有铁-康康铜、铁镍、铜铜、铁镍、铜-康铜、镍铬康铜、镍铬-镍硅等。测温范围镍硅等。测温范围为为200300。 2021-10-2222铁铁-镍薄膜

14、热电偶结构镍薄膜热电偶结构 1测量接点 2铁膜 3铁丝 4镍丝5接头夹具 6镍膜 7衬架2021-10-2223表面热电偶表面热电偶 n表面热电偶是用来测量各种状态的固体表面热电偶是用来测量各种状态的固体表面温度的，如测量轧辊、金属块、炉表面温度的，如测量轧辊、金属块、炉壁、橡胶筒和涡轮叶片等表面温度。壁、橡胶筒和涡轮叶片等表面温度。n此外还有测量气流温度的热电偶、浸入此外还有测量气流温度的热电偶、浸入式热电偶等。式热电偶等。2021-10-22242.热电偶材料热电偶材料n1对热电极材料的一般要求对热电极材料的一般要求 n2电极材料的分类电极材料的分类 n3绝缘材料绝缘材料 n4保护管材料保

15、护管材料 2021-10-2225对热电极材料的一般要求对热电极材料的一般要求n（1）配对的热电偶应有较大的热电势，并且）配对的热电偶应有较大的热电势，并且热电势对温度尽可能有良好的线性关系。热电势对温度尽可能有良好的线性关系。n（2）能在较宽的温度范围内应用，并且在长）能在较宽的温度范围内应用，并且在长时间工作后，不会发生明显的化学及物理性能时间工作后，不会发生明显的化学及物理性能的变化。的变化。n（3）电阻温度系数小，电导率高。）电阻温度系数小，电导率高。n（4）易于复制，工艺性与互换性好，便于制）易于复制，工艺性与互换性好，便于制定统一的分度表，材料要有一定的韧性，焊接定统一的分度表，材

16、料要有一定的韧性，焊接性能好，以利于制作。性能好，以利于制作。2021-10-2226电极材料的分类电极材料的分类n（1）一般金属，如镍铬）一般金属，如镍铬-镍硅，铜镍硅，铜-镍铜，镍铜，镍铬镍铬-镍铝，镍铬镍铝，镍铬-考铜等。考铜等。n（2）贵金属，这类热电偶材料主要是由）贵金属，这类热电偶材料主要是由铂、铱、铑、钌、锇及其合金组成，如铂、铱、铑、钌、锇及其合金组成，如铂铹铂铹-铂、铱铑铂、铱铑-铱等。铱等。n（3）难熔金属，这类热电偶材料系由钨、）难熔金属，这类热电偶材料系由钨、钼、铌、铼、锆等难熔金属及其合金组钼、铌、铼、锆等难熔金属及其合金组成，如钨铼成，如钨铼-钨铼、铂铑钨铼、铂铑-

17、铂铑等热电偶。铂铑等热电偶。2021-10-2227绝缘材料绝缘材料n热电偶测温时，除测量端以外，热电极热电偶测温时，除测量端以外，热电极之间和连接导线之间均要求有良好的电之间和连接导线之间均要求有良好的电绝缘，否则会有热电势损耗而产生测量绝缘，否则会有热电势损耗而产生测量误差，甚至无法测量误差，甚至无法测量 n（1）有机绝缘材料。）有机绝缘材料。n（2）无机绝缘材料。）无机绝缘材料。 2021-10-2228保护管材料要求保护管材料要求n（1）气密性好，可有效地防止有害介质）气密性好，可有效地防止有害介质深入而腐蚀结点和热电极。深入而腐蚀结点和热电极。n（2）应有足够的强度及刚度，耐振、耐）

18、应有足够的强度及刚度，耐振、耐热冲击。热冲击。n（3）物理化学性能稳定，在长时间工作）物理化学性能稳定，在长时间工作中不至于介质、绝缘材料和热电极互相中不至于介质、绝缘材料和热电极互相作用，也不产生对热电极有害的气体。作用，也不产生对热电极有害的气体。n（4）导热性能好，使结点与被测介质有）导热性能好，使结点与被测介质有良好的热接触。良好的热接触。2021-10-22296.1.3 热电偶传感器温度补偿方法热电偶传感器温度补偿方法n常用的补偿方法有：常用的补偿方法有：n补偿导线法，补偿导线法，n冷端恒温法，冷端恒温法，n温度修正法，温度修正法，n电桥补偿法等。电桥补偿法等。2021-10-22

19、301补偿导线法补偿导线法 2021-10-22312冷端恒温法及温度修正法冷端恒温法及温度修正法 在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0，此种做法称之为冷端0恒温法。2021-10-22323电桥补偿法电桥补偿法 电桥补偿法：补偿方法是在热电偶和测量仪表间接入一个不平衡电桥，也称为冷端温度补偿器，如图所示。2021-10-22336.2 热电阻传感器热电阻传感器n热电阻温度传感器就是利用导体的电阻热电阻温度传感器就是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和温度有关随温度变化的特性，对温度和温度有关的参数进行检测的装置。的参数进行检测的装置。2021-10-22346.2.1 热电阻结构及类型热电阻结构及类型n热电阻通常由电阻体、瓷绝缘套管、不热电阻通常由电阻体、瓷绝缘套管、不锈钢套管、安装固定件、接线盒和引出锈钢套管、安装固定件、接线盒和引出线口等组成，如图所示。线口等组成，如图所示。2021-10-22356.2.3 测量电路测量电路n用热电阻传感器进行测温时，测量电路用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。热电阻与检测仪表经常采用电桥电路。热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测相隔一段