热电式传感器

1、热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器热电式传感器是种将温度变化转换为电量的装置。它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性来进行测量的。热电式传感器种类很多，主要有热电阻和热电偶两种。一般来讲，热电阻用于检测500摄氏度以下，热电偶用于检测500摄氏度以上。1 1 热电阻热电阻 1.1 金属热电阻传感器 金属热电阻传感器，利用金属导体的电阻随温度变化的原理进行测温。最基本的热电阻传感器有热电阻，连接导线和显示仪表组成。广泛用于-220850 范围内的温度，常用材料有铂和铜。 1.1.3 热电阻传感器的结构 工业用热电阻结构如图所示，有电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒组成。

2、1.1.4 热电阻传感器的测量电路 热电阻传感器的测量电路多为电桥电路，外界引线较长时，引线电阻变化会使得测量结果有较大误差，为减少误差，可采用三线制电桥连接法测量电路或四线制恒流源测量电路。导线从热电阻感温体根部引出。 （1）两线制电桥测量电路 仅用两根导线连接在热电阻两端，导线本身的阻值与热电阻的阻值串联在一起，造成测量误差。如果导线电阻是r，电桥平衡时， 测量结果中必然含有绝对误差2r （2）三线制电桥测量电路 为避免或减少引线对温度的影响，常采用三线制电桥测量电路。热电阻的一端与一根引线相连，另外一端同时接两根引线。热电阻的3根导线粗细相同，长度相等，假设阻值均为r。其中一根串接在电桥

3、电源上，对电桥的平衡毫无影响。另外两根分别串接在电桥的相邻桥臂上，使相邻桥臂的阻值都增加r。电桥平衡时：两边的r相互抵消，导线电阻r对测量毫无影响。 （3）四线制电桥测量电路 四线制恒流源测量电路，有恒流源提供电流I流热敏电阻Rt，在Rt上面产生压降U，便可用欧姆定律求Rt。 该电路供给电流和测量电压分别使用热电阻上的四根导线。虽然每根导线上都有电阻r，但电流导线上形成的压降不在测量范围内。所以导线电压对测量结果没有影响。1.2 半导体热敏电阻 半导体热敏电阻是一种新型的半导体测温元件，是利用某些金属氧化物或锗、硅等材料，按特定工艺制成的感温元件。 热敏电阻可分为三种类型，正温度系数热敏电阻和

4、负温度系数热敏电阻，以及在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻。 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器，测温范围广，一般为-270+2800；还具有可直接输出电压信号，不需要转换电路，适合远距离测量、自动记录、集中控制等优点，在温度测量中占重要地位。缺点是冷端温度补偿问题。2 2 热电偶温度传感器热电偶温度传感器2.1 热电效应 两种不同的材料A和B组成一个闭合回路。若两接点的温度不同，则回路中将产生电动势，两个接点的温差越大，产生的电动势越大。组成的回路的导体材料不同，所产生的电动势也不同，这种现象称为热电效应。 两种导体所组成的闭合回路称为热电偶；热电偶所产生的电动势称为热电动势；

5、组成热电偶的材料A和B称为热电极；两个接点中温度高的一端称为热端或者测量端（工作端），另外一端则称为冷端或参考端（自由端）。热电偶是基于热电效应的原理来测量温度的。2.2 热电势是由两种导体接触电势 和 单一导体温差电势组成2.2.1 两种导体接触电势 接触电势是由两种不同导体的自由电子浓度不同而在接触面形成电动势。假设两种金属A和B的电子浓度分别为NA和NB，且NANB。当两种金属相接时，将产生自由电子扩散现象。在同一瞬间，A向B扩散的电子比B向A扩散的多，从而A失去电子点正电，而B带负点，在接触面形成电场。电场阻止电子扩散，当达到动态平衡时，在接触面两侧形成稳定的电位差，即接触电动势E。

6、接触电势的数值取决于两种导体的性质和接触点的温度，而与导体的形状及尺寸无关。 2.2.2 单一导体温差电势组成 对于单一导体，如果两端温度分别为t和t0，则导体中的自由电子，在高 温端具有较大的动能，因而向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电， 低温端获得电子而带负电，导体两端产生电势，这个电势称为单一导体的 温差电势。 在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电势可表示为： 实际应用中，热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度表确定的。分度表是参考端温度为0时，通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应的关系。2.3 热电偶的基本定律 2.3.1 之间导体定律在

7、热电偶电路中接入第三种导体，只要保持该导体两接入点的温度相等，回路中总的热电势不变。当t = t0时 同理，在热电偶回路中接入第四、第五种导体，只要保证每种导体两端的温度相同，同样不影响热电偶回路中总的热电动势大小。 根据中间导体定律，可采用任何方式焊接导线，可以将热电势通过导线接到测量仪表进行测量，而且不影响精度。 可采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量，只要保证两热电极插入地方的温度相同即可。 2.3.2 中间温度定律 在热电偶测量电路中，测量端温度温t，自由端温度为t0，中间温度为t，则E（t，t0）的热电动势等于E（t，t）和E（t，t0）的热电势代数和。 即参考电极定律大大

8、简化了热电偶选配电极的工作，只要获得有关电极与参考电极配对的热电势，那么任何两种电极配对后的热电势均可利用该定律计算，而不需要逐个进行测定。由于纯铂丝的物理化学性能稳定，熔点高，易于提纯，所以目前常用纯铂丝作为参考电极。2.4 热电偶材料及常用热电偶 根据热电偶的测量原理，理论上任何两种不同材料的导体都可以作为热电极组成热电偶，但实际应用中，为了准确可靠地进行温度测量，必须对热电偶组成的材料进行严格的选择。组成热电偶材料必须满足： （1）在测量温度范围内，热电性能温度，不随时间和被测介质变化，物理化学性能稳定，耐高温，不易氧化和腐蚀； （2）导电率高，电阻温度系数小； （3）热电势随温度变化率

9、大，该变化率最好是常数； （4）组成热电偶的两极材料应具有相近的熔点和特性稳定的工作范围； （5）材料的机械强度高，来源充足，复制工艺简单，价格便宜。2.5 热电偶传感器结构 2.5.1 普通型热电偶 工业测量上应用最多的普通型热电偶，一般有热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒组成2.5 热电偶传感器结构 2.5.2 铠装热电偶 也叫缆式热电偶，它将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘熔铸在一起，外套不锈钢管等。这种热电偶耐高温、反应时间短、坚固耐用。 2.5.3 薄膜热电偶 薄膜热电偶用真空镀膜技术等方法，将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶。2.5 热电偶传感器结构 2.5.3 薄膜热电偶 薄膜热

10、电偶用真空镀膜技术等方法，将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶。2.6 热电偶冷端温度补偿 由于热电偶分度表是在冷端温度为0时测得的，如果冷端温度不为冷，测的热电势不能直接去查相应的温度表。另外，根据热电偶的测温原理，热电偶回路的热电势只与冷端和热端温度有关，当冷端温度保持不变时，热电势才与被测量端温度成单值对应关系。当实际测量中，冷端温度是随环境温度变化而变化的。为了消除或补偿冷端温度的影响，常采用以下方法： 2.6.1 0恒温法 将热电偶的冷端置于0的恒温器内，保持t0位0。此方法比较局限，一般用于实验室。2.6.2 冷端恒温法 将冷端置于其他恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差。利用中间温度定律即可求出测量端相对于0的电动势。 2.6.3 补偿导线法（延引导线法） 实际测量时，由于热电偶的长度有限，冷端温度直接受到被测介质温度和周围环境温度的影响。 为了使冷端不受测量端温度影响，可将热电偶加长。 一般采用在一定温度范围内（0-100）与热电偶热电特性相近且廉价的材料代替热电偶来延长热电极，这种导线称为补偿导线，这