热电偶传感器

1、热电偶传感器人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。但是，单靠自 身的感觉器官的功能是远远不够的， 这时就需要使用传感器。传感器 是人类“五官”的延长。新技术革命的到来使人类进入信息时代。在利用信息的过程中， 首先要解决的是获取准确可靠的信息。传感器是获取自然或生产领域 中的信息的关键器件，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采 集工具。传感器技术与通讯技术和计算机技术构成了信息技术的三大 支柱产业。传感器技术的高低不但直接关系到信息技术水平，而且还 影响信息技术的发展与应用。传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输 出信号的器件或装置。通常由敏感组件和转换组件组成。最广

2、义地说， 传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。 国际电工委员会的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件， 它将输入变量转换成可供测量的信号”。传感器是传感器系统的一个 组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。热电偶的定义和原理不同材料的两根导线相互焊接起来，将此焊点置于被测温度下， 两导线的另一端便可出现电动势， 其值与被测温度有确定的关系，这 种温度传感器就称为“热电偶”。热电偶的特点是结构简单、动态响 应快、电动势信号便于传送，这些都是膨胀式温度传感器无法比拟的优点，所以在工业生产自动化领域得到了普遍的应用热电偶测温原理将两种不同的导体(或半导体) A、B组合

3、成闭合回路，若两结 点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有热电动势存在。 此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外， 还决定于结点处的 温差，这种现象称为热电效应或塞贝克效应。热电效应产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成的。(1) 接触电势 当两种导体(或半导体)接触在一起时，由于不 同导体的自由电子密度不同，在结点处就会发生电子迁移扩散。 失去 电子的导体呈正电位，得到电子的导体呈负电位。当扩散达到平衡时， 在两种金属的接触处形成电位差，此电位差称为接触电势。其大小与 两种导体的性质及结点的温度有关，可表示为：Eab(T) -KTl(10.1)e Nb式中，EAB(T)为A、

4、B两种导体在温度T时的接触电势；K为 玻尔兹曼常数；e为电子电荷；NA， NB为导体A、B的自由电子密 度；T为结点处的绝对温度。(2) 温差电势也称为汤姆逊电势，产生原因是，金属导体两端的温度不同，则其自由电子的浓度亦不相同，温度高的一端浓度较 大，因此高温端的自由电子将向低温端扩散，高温端失去电子带正电， 低温端得到多余的电子带负电，从而形成温差电势：TEa(T,T。) t AdT(10.2)I。式中，EA(T,T0)为导体A的两端温度分别为T与T0时的温差电 势；sA为温度系数(又叫汤姆逊系数)，它表示单一导体的两端温差 为1C时所产生的温差电势。EA T *热电偶的热电势热电偶的基本定

5、律(1) 匀质导体定律 由同一种匀质(电子密度处处相同)导体或 半导体组成的闭合回路中，不论其截面积和长度如何，不论其各处的 温度分布如何，都不能产生热电势。(2) 中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种金属导体，如图 所示，只要该金属导体C与金属导体A、B的两个结点处在同一温度， 则此导体对于回路总的热电势没有影响。 此定律具有特别重要的实用 意义，因为用热电偶测温时必须接入仪表(第三种材料)，根据此定律, 只要仪表两接入点的温度保持一致，仪表的接入就不会影响热电势。(3) 连接导体定律和中间温度定律在热电偶回路中，如果热电极 A与B分别连接导线a、b,其结 点温度分别为T、Tn和TO，如图

6、所示。则回路的总热电势 EABba(T,Tn,TO)等于热电偶的热电势EAB(T,Tn)与连接导线的热电势Eab(Tn,TO)之和，这就是连接导体定律，可用下式表示：EABba (T,Tn,T0)EAB (T ,Tn) Eab(Tn, T0)(105)当A和a，B和b的材料分别相同时，其各结点的温度仍为T，Tn和TO时，总热电势由上式可得：Eab (T,Tn,To) EAB(T,Tn) Eab (Tn,To)(10.6)这就是中间温度定律。它表明结点温度为T和T0的热电偶，其 热电势等于结点温度分别为 T和Tn（中间温度），以及Tn和TO两支 同性质热电偶热电势的代数和。（4）参考电极定律（标

7、准电极定律） 如果两种导体 A、B 分别与 第三种导体 C 所组成的热电偶所产生的热电势是已知的，则这两种 导体所组成的热电偶的热电势也是已知的，且EAB T ,TO E AC T ,TO EBC T ,TO根据此定律， 可以给出所有热电偶材料与标准电极的热电势， 方 便热电偶电极的选配。热电偶材料和种类热电偶的热电极材料应满足以下要求：物理、化学性能稳定；测温范围宽；热电性能好；电阻温度系数小；热容量小； 有良好的机械加工性能等。完全满足上述条件的材料很难找到， 故一般只根据被测温度的范 围，选择适当的热电极材料。目前热电极材料有金属、非金属和半导 体几大类。金属中又有廉价金属、贵金属和难熔

8、金属等。常见的热电 偶材料有：康铜、 Cu、 Fe、 W、 NiCr、 NiAl 、 Ni、 Pt、 PtRh、 Ag 等。标准化热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度关系及允许 误差，并有统一标准分度表的热电偶。目前在国际上被公认比较好的热电偶的材料只有几种。 国际电工 委员会（IEC）向世界各国推荐8种标准化热电偶。我国已采用IEC标 准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。 PtRh10-Pt 热电偶。这是一种贵金属热电偶，正极是由质量分 数为90%的Pt和10%的Rh制成的合金丝，负极为纯 Pt丝。可用于 较高的温度，能长时间在 0 1300C中工作，短时间可测到1600C

9、。 它的物理化学性能稳定，因此具有较好的复制性、精确性、稳定性和 可靠性，易于在氧化性和中性气氛中使用。缺点是热电势小、热电特 性的非线性较大，不宜在还原性气体、金属蒸气、金属氧化物、氧化 硅和氧化硫等气氛中使用。 否则会很快受到玷污而变质。 在上述气氛 中使用时，必须加保护套管。另外，它的价格贵，热电偶金属丝的直 径在 0.5mm 以下，机械强度低。 NiCr-NiSi(NiCr-NiAI)热电偶 这是一种廉价的金属热电偶，工业上应用最广泛。正极是 NiCr 合金，其成分为 Ni(89%)， Cr(10%)， Fe(1%);负极是 NiSi 合金，其成分为 Si(2.53)%, Cr(<

10、;0.69%),其 余为Ni。因为热电极中含有大量的 Ni，故这种热电偶在高温下抗氧 化能力及抗腐蚀能力都很强。 另外热电势与温度的线性关系好， 热电 势也较大，复制性好，价格低廉，可长时间在900C使用，短时间可以用到1200C，因此应用广泛。 铜-康铜热电偶 它在低温下使用较普遍。其正极为纯 Cu,负极为CuNi合金(Cu60%, Ni40%)。铜-康铜价格低廉，且在低温下 有较好的稳定性，可测-200C的低温。是常用的低温热电偶。目前在 0100C范围内，铜-康铜热电偶被选定为三级标准热电偶，用来检测 低温测量仪表。因为铜极易氧化，故一般测量上限w300 Co热电势(mV)各种热电偶的温

11、度一热电势关系曲线热电偶的结构(1) 普通型热电偶 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、保护管和接线盒组成，如图所示。主要用于测 量气体，蒸气和液体等介质的温度。其结构如下图所示。(2) 铠装热电偶 铠装热电偶是20世纪60年代兴起的新型结 构热电偶。它是把热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者组成一个 整体，并经复合拉伸而成的组合热电偶。其外径可拉得很细，一般直 径为1mm8mm,最小可达0.2mm,长度1m20m。其特点是：动态 响应快，热容量小，强度高，可挠性好，便于安装。（3）薄膜热电偶 薄膜热电偶的形状可分片状、针状等形式， 它是利用真空镀膜、化学涂层和电泳等

12、方法，将两种热电极材料直接 蒸镀（或沉积）于绝缘的基片上而制成，如图所示是片状薄膜热电偶。 其特点是热容量小，动态响应快，可直接贴附于被测表面，测量方便。（4）表面热电偶 表面热电偶是一种专门用来测量各种固体表面 温度的热电偶。它可根据需要自行设计，加工和安装使用。（5）快速热电偶 这种热电偶又称为消耗热电偶，它是专为测量 钢水，铝水，铜水及熔融合金的温度而设计的，其主要特点是可以直接插入液态金属中进行测量。热电偶冷端补偿方法在实际使用中若冷端不能保持在 0C或冷端温度随环境变化，将 引入测量误差。这就必须对热电偶的冷端（参比端）进行温度补偿。（1）冰浴法 在实验条件下，把冷端放在盛有绝缘油的

13、试管中， 然后再将其放入装满冰水混合物的保温容器中，可使冷端TO保持在0C,如图所示。现在已研制出一种能使温度恒定在0C的半导体制冷器件。c(2) 计算修正法 当热电偶冷端温度 TO工0C时，可用下面公 式对热电势进行修正。Eab(0) Eab(T,T。) Eab(To,O)(10.7)式中，EAB(T,0)为测量端温度为TC,冷端温度0C时经修正后 的热电势；EAB(T,T0)为测量端温度为TC,冷端温度TO C (工0) 时实际测量得到的热电势；EAB(T0,0)为测量端温度为T0C，冷端温 度为0C时的热电势，它即为冷端温度不为 0C时的热电势修正值。(3) 仪表机械零点调整法 现场测量中，如不需要很精确，或 热电偶冷端温度T0较为稳定，则可将显示仪表的机械零点预先调整 到T0 (按温度刻度的)，或者EAB(T0,0)(按毫伏刻度的)。热电偶的优点和缺点热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移