热电式传感器

1、会计学1热电式传感器热电式传感器22、热电效应产生的原因 产生热电效应,这是因为产生了电动势, 称为热电势, 用 EAB( T ,T0 ) 表示. 通常把两种不同的金属的这种组合称为热电偶。 A和B - 热电极温度高一端(T) - 热端或工作端温度低一端(T0) - 冷端或自由端.33、热电势产生的原因热电偶产生热电势是由珀尔帖效应和汤姆逊效应引起.珀尔帖效应 - 接触电势 A和B两种金属的自由电子的浓度不同, 假设nAnB, 那么金属A和B接触时, 在接触处产生电子的扩散. AB)(TEABu4 金属 A 中的电子向 B 扩散, 金属A失去电子带正电荷, B 金属获得电子带负电荷, 在接触处

2、产生内电场, 该电场将阻碍扩散运动, 同时产生反扩散运动, 最终达到动态平衡, 产生珀尔帖电势,又称接触电势, 用 EAB ( T ) 表示. AB)(TEABu5BAABnnekTTEln)(BAABnnekTTEln)(00由电子理论6汤姆逊效应 - 温差电势 任何一种金属，当其两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不相同。温度高的一端浓度大，具有较大的动能; 温度低的一端浓度小，动能也小。T0T),(0TTEAu7 因此，高温端的自由电子要向低温端扩散,最后要达到动态平衡,高温端失去电子而带正电,而低温端得到电子带负电,从而在两端形成温差电势,又称为汤姆逊电势,用EA( T,T0 ) 和E

3、B ( T,T0 ) 表示。 T0T),(0TTEAudTTTEdTTTETTBBTTAA00),(),(00-汤姆逊系数84、回路中总的热电势),(0TTEA),(0TTEB)(0TEAB)(TEABAB)()()()()()()()()(),(00000000TETEdTTEdTTEdTTETETTEABABTBAABTBAABTTBAABABAB9)()()()()()()()()(),(00000000TETEdTTEdTTEdTTETETTEABABTBAABTBAABTTBAABABAB4、结论( 1 ) 如果热电偶两个电极的材料相同，两个结点温度虽不相同，不会产生热电势；( 2

4、) 如果两个电极的材料不同，但两接点温度相同，也 不会产生热电势；),(),(),(000TTETTETTEBAABAB10( 3 ) 当热电偶两个电极的材料不同，且A、B固定后， 热电势EAB( T, T0 )便为两接点温度 T 和 T0 的函数， 即)()(),(00TETETTEAB一般 T0 保持不变, E( T0 )为常数EAB( T, T0 )为温度 T 的函数)()(),(0TcTETTEAB11 二、热电偶的基本定律1、均质导体定律 两种均质金属组成的热电偶，其热电势大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。 如果材质不均匀，则当热电极

5、上各处温度不同时，将产生附加热电势，造成无法估计的测量误差，因此，热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。12T0T2、中间导体定律 在热电偶回路中插入第三、四种导体，只要插入导体的两端温度相等，切插入导体是匀质的，则无论插入导体的温度分布如何，都不会影响原来热电偶的热电势的大小。 因此，我们可以将毫伏表（一般为铜线）接入热电偶回路，并保证两个结点温度一致，就可对热电势进行测量，而不影响热电偶的输出。133、中间温度定律 热电偶在接点温度为T，T0时的热电势等于该热电偶在接点温度为T，Tn和Tn，T0时相应的热电势的代数和，即),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB若

6、 T0 = 0 ，则有)0 ,(),()0 ,(nABnABABTETTETE14 三、热电偶冷端温度及其补偿热电偶的分度表：设冷端的温度 T0 0，绘成热电势 EAB( T ,T0 ) 与温度 T 的关系表。1、冷端温度修正法 冷端温度 T0 不等于0时，但能保持恒定不变的情况，可采用修正法。15热电势修正法 冷端温度 T0 不等于0而是某一恒定温度 Tn ，输出电动势为 E ( T , Tn ) , 对其要修正为)0 ,(),()0 ,(nnTETTETE温度修正法 冷端温度 T0 , T/ 为仪表的指示温度，被测的实际温度 T 为0kTTTk - 热电偶的修正系数162、冷端温度自动补偿

7、法电桥补偿法 - 采用了冷端温度补偿器热电偶cuR1R2R3RsREUab 冷端补偿器内有一个不平衡直流电桥，其输出端串联在热电偶回路中。桥臂电阻R1，R2，R3和限流电阻Rs的电阻值几乎不随温度变化。Rcu为铜电阻，其阻值随温度升高而增大。17 在某一温度 T0 下，设计电桥处于平衡状态，电桥输出为零, 则 Uab = 0，该温度称为电桥平衡点温度或补偿温度。此时补偿电桥对热电偶回路的热电势没有影响。热电偶cuR1R2R3RsREUab)()(),(00TETETTEEAB18 当环境温度变化时，冷端温度随之变化，热电偶的热电势值随之变化E1 。 TTT00100),(),(ETTETTTE

8、ABAB 同时，Rcu的电阻值也随环境温度变化，使电桥失去平衡，有不平衡电压 Uab = E2输出。如果21EE那么整个回路的电势保持不变, 即ETETEEETTEEAB)()(),(021019pn结冷端温度补偿法DWRumV0tt二极管冷端补偿的电路 其补偿电压u是由pn结端电压VD通过电位器分压得到的，pn结置于与热电偶冷端相同的温度t0中， u反向接入热电偶测量回路。20)0 ,(),()0 ,(00tEttEtE等效电路)0 ,(tE)0 ,(0tEumV设 E(t0,0) = k1t0, 式中k1为热电偶在0附近的灵敏度。)0 ,()0 ,(),(00tEtEttE则热电偶测量回路

9、的电势为nutktEutEtEED010)0 ,()0 ,()0 ,(002 . 2 tuuD而且2101000010)2 . 2()0 ,(2 . 2)0 ,()0 ,()0 ,(tknnutEntutktEutEtEE令nk2 . 21回路的电势nutEE0)0 ,( 可见，回路电势与冷端温度变化无关，只要用u0/n作相应的修正，就可得到真实的热电偶电势E ( t, 0 )。22tAD590在冷端补偿中的应用 AD590是一个两端器件，其输出电流与绝对温度成正比,通过电子采样开关送入A/D转换器转换成数字量，存放在内存单元中。这样，电路就完成了对补偿电势的采样。23 接着电路对测温热电偶的

10、热电势进行采样，并转换成数字量，单片机将该信号线性化后与内存中的补偿电势相加，即得到真是的热电势值。t243、延引热电极法TTT0T 一般恒温装置或补偿器距被测对象较远，需要很长的热电极把冷端引到这些装置中，这对于贵金属热电偶是很不经济的。可以用比较便宜的，在0100 0 温度范围内，热电性质与工作热电偶相近的导线代替贵金属热电极。这种导线常称为延引电机、冷端延长线或冷端补偿导线。25 由C、D组成的热电偶与由A、B组成的工作热电偶具有相同的热电特性，即 ECD ( T,0 ) = EAB ( T,0 )，则由中间温度定律可知，C、D的接入不会引起附加误差。 应用延伸导线时必须注意：(1) 不

11、同的热电偶必须选用相应的补偿导线；(2) 延伸导线和热电极连接处两接点的温度必须相同， 而且不可超过规定的温度范围(一般为0 100 0 )；(3) 采用延伸线只是移动了冷接点的位置，当该处温度 不为0时，仍须进行冷端温度补偿。26四、热电偶的类型及结构1、热电极材料和热电偶类型 热电特性稳定 【1】对热电极材料的基本要求 热电势要足够大，这样易于测量热电势 热电势与温度为单值关系，最好成线性关系 电阻温度系数和电阻率要小 物理性能稳定，化学成分均匀，不易氧化和腐蚀 材料的复制性好 材料的机械强度要高27【2】 热电偶类型标准化热电偶铂铑10铂热电偶（WRLB）（分度号：LB-3） 优点：热电

12、特性稳定，测温准确度高，容易获得纯净的 铂和理想的铂铑合金，熔点高，便于复制，可作 基准和标准热电偶。缺点：热电势较低，价格昂贵，不能用于金属蒸汽和还 原性气体中。 分度号：分度表的代号，分为S 、R、B、K、J、T、N28优点：比铂铑10铂热电偶具有更高的测量上限（ 1800），更好的稳定性和更高的机械强度，室 温下热电势比较少，因此许多情况下不需要参考 端补偿和修正，可作标准热电偶。缺点：热电势小，要配更高灵敏度和更高精度的仪表。 铂铑30铂铑6热电偶（WRLL）（分度号：LL-2）29优点：热电势较大，热电势与温度的关系很接近线性关 系，有较强的抗氧化性和抗腐蚀性。化学稳定性 好，复制性

13、好，价格便宜，可选取其中较好的作 标准热电偶。缺点：测量精度比铂铑10铂热电偶低，热电势稳定性 也较差。 镍铬镍硅或镍铬镍铅热电偶（WREU）（分度号EU-2）30优点：热电势较大，电阻率小，适用于还原性和中性气 氛下测温，价格便宜。缺点：测量上限较低。 镍铬考铜热电偶（WREA）（分度号：EA-2）优点：热电势大，容易复制，价格低，可作二等标准仪 器。缺点：在高温下铜极易氧化，故不宜在氧化性气氛中工 作，较适用于低温和超低温测量。 铜康铜热电偶（分度号：CK）31非标准化热电偶 测温上限受绝缘材料的限制，一般可测到2400高温，采用钨铼合金代替钝钨和钝铼，热电偶的性能可得到改善。 铁康铜热电

14、偶 测温上限为600（长期），温度与热电势的线性关系好，灵敏度高，但铁极易生锈。钨钼热电偶 测温上限2100，但容易氧化，在使用中要加石墨保护管，使热电偶的热惰性增大。钨铼系热电偶322、热电偶结构普通型热电偶热端33铠装热电偶单芯结构碰底型不碰底型露头型帽型34小惯性热电偶35五、热电偶的测量及标定1、热电偶的测量伺服式温度表xEBEBCGEtRHRBRabBiiI开关合向C时RiIREabx 伺服式温度表是根据自平衡式电位差计的原理工作的。36xEBEBCGEtRHRBRabBiiI 检流计G指示为 i ,移动触点b，使检流计指零（即i=0）时,系统达到平衡，即有 abxIRE 电流 I

15、和电阻 Rab 已知时,则可以用可变电阻触点b的位置标明被测电势数值。 372、热电偶的标定 标定的目的是核对标准热电偶热电势温度关系是否符合标准，或确定非标准热电偶的热电势温度标定曲线，标定方法有定点法和比较法（分为双极法和单极法），下面主要介绍双极法。38手工标定 标定铂铑铂热电偶时，将标准电偶与被标定热电偶的工作端，用铂丝捆扎在一起，插到管式炉内的均匀温度场中，冷端分别插在0的恒温器中。用自耦变压器1调节炉温，当炉温到达所需的定标定温度点10内，且炉温变化每分钟不超过0.2时，就可读数。每一个标点温度的读数不得少于四次。 39自动标定tEBEEtt 同时测量电炉温度t，分别输出热电势EB

16、和Et，在减法器内被比较得电势差值 E = EtEB , E 输入记录仪进行记录。 同型号热电偶的自动标定 40不同型号热电偶的自动标定 tEBEttBEE 用标准铂铑热电偶标定贱金属热电偶，两者的热电势不能直接比较，因此，由函数发生器将标准热电偶输出的热电势E/B转换为EB，然后输入减法器与Et相比较。41 程序控制器包括升温指示器、恒温时间控制器和记录控制器三部分。其作用是在标定过程中，诸如电炉的升温、恒温、标定结果的显示、记录及转换和工作结束后自动切断电源等一系列动作，能够按预先给定的程序自动进行。 42微机全自动检定系统 应用微机实现的热电偶全自动检定系统，能实现自动控温、自动检测和自

17、动处理数据。 自动控制炉温：在升温段，控制量取一固定值，其大小与将要升到的检定点温度有关，以得到一个合适的升温率。当炉温将升到检定点温度时，通过一个预测炉温在预定惯性时间内能否达到检定点温度的判别式，决定控制量控制量是否取零（即停止加温）；停止加温后，炉温借热惯性继续上升，但其变化率由其某个正值越来越小，在变化率小至将近零值时，采用PC控制律（或非线性控制律）恒温，使炉温维护不变。 43第二节 热电阻 有些温度传感器是利用热电阻和热敏电阻的电阻率温度系数而制成的。大多数金属导体和半导体的电阻率都随温度发生变化，都称为热电阻，纯金属有正的温度系数，半导体有负的温度系数。一、金属热电阻1、工作原理

18、、结构和材料热电阻随温度变化的特征方程)(1 00ttRRt：热电阻的电阻温度系数44选作感温元件的材料应满足要求 ：材料的电阻温度系数要大 在测温度范围内，材料的物理、化学性质应稳定 在测温范围内，温度系数保持常数，便于实现温度表的线性刻度特性 具有比较大的电阻率，以利于减少热电阻的体积，减小热惯性 特性复现性好，容易复制 45【1】铂热电阻 铂电阻与温度的关系： )1 (20BtAtRRt)100(1 (320ttCBtAtRRt)755.6300(Ct)0190(CtC46铂热电阻的构造47【2】铜热电阻 )(1 000ttRRt铜电阻与温度的关系是线性的Rt482、金属热电阻的测量电路

19、1R2R3RtRaR2r1rgrE 由于热电阻的电阻值很小，所以导线电阻值不可忽视 , 取 31RR 电阻为r1和r2的导线完全相同.热电阻三线测温电桥49Ra 为调整电桥的精密电阻,调节使电桥平衡若221RrRRrta就可消除引线电阻的影响。 1R2R3RtRaR2r1rgrE热电阻三线测温电桥501R2R3RtRaR2r1rE21RR 取321RrRRrta热电阻三线测温电桥 调零Ra 电位器的接触电阻和电桥臂的电阻相连,可导致电桥的零点不稳511R2R3RtRaRE热电阻四线测量电路 调零Ra 电位器的接触电阻和检流计出来串联,接触电阻的不稳定不会可导致电桥的零点不稳.52二、半导体热敏

20、电阻/电阻温度/负温度系数(NTC)正温度系数 (PTC)临界温度系数(CTR)1 、热敏电阻分为三种类型532、热敏电阻的主要特性温度特性TBTAeR dTdRRTTT1热敏电阻的温度系数定义为0011expTTBRRT21TBdTdRRTTT543、热敏电阻的主要参数标称电阻值RH ,即环境温度（250.2）时测得的电阻值，又称冷电阻 电阻温度系数耗散系数H 热容量C 能量灵敏度G 时间常数 55第三节 晶体管和集成温度传感器一、PN结温度传感器1、温敏二极管（1）工作原理)exp()exp(kTqUETBkTqUIIgoS 正向电流 I 与正向电压 U 和温度 T 之间的关系可表示为56

21、ITBqkTUIIqkTUgoSln)ln(qEUgogo 二极管的正向电压U与温度T之间的关系：在一定的电流下，其正向电压随温度的升高而降低，故呈现负温度系数。57（2）基本特性（UF - T）关系AIF100mVUF/T常数)ln(SIIqkdTdU582、温敏三极管(1) 基本原理 晶体管的T - UBE关系比二极管的T U 关系更符合理想情况，所以表现出更好的电压-温度线性关系。 根据晶体管的有关理论可以证明，NPN晶体管的发射极电流密度Je与温度 T 的函数关系为 )(lnsesebeJJJJqkTU若 Je 恒定，则UBE仅随温度 T 成单调单值函数变化。593、集成温度传感器 集

22、成电路温度传感是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。 (1) 基本原理 集成温度传感器均用差分电路形式，使其直接给出正比于绝对温度的严格的线性输出。 60T1 和T2 满足下列条件 lnln2121qkTJJqkTUUUeebebebe1I2IbeU1R1T2T2R常数）(,212121eessJJJJ 电阻 R1 上的电压应为T1和T2的基极-发射极电压差61lnqkTUBEln11qRkTRUIbe由“+”端到“-”端流过电路的总电流为reRTkIIln221001T2T3T4T1RI0I(2) 电流镜 PTAT 核心电路BG3、BG4具有完全相同的结构和性能，始终保

23、证21eeII62（3）电压型PTAT电路 在电流镜PTAT电路上增加一个与T3，T4相同性质的PNP晶体管T5和一只电阻R2，就构成了一种电压输出型的集成温度传感器的基本电路。 由于T5的发射极电压与T3，T4相同，所以流过T5和R2支路的电流与另两支电流相等，即1T2T3T4T5ToUI2R1RIII63因此输出电压为ln1222qkTRRIRRIUo1T2T3T4T5ToUI2R1RI64(1) 电压型集成温度传感器典型的有LM135、LM235、LM335系列。 主要性能指标：工作温度范围：- 55+150、- 40+125和 - 10+100灵敏度：10mV/K4 、集成温度传感器的

24、应用65(2) 电流型集成温度传感器 典型的AD590电流型集成温度传感器。：、119TT产生基射电压正比于绝对温度的三极管：、65RR使电压转换为电流1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T1R2R3R4R5R6RITkITTk：标度因子66AD590的主要特征# 线性电流输出# 宽温度范围: - 55+150# 精度高# 线性好# 电源范围宽67测量温度AD590是一个两端器件681TI2TI)(1212TTkIIITTT)(1233TTRkIRUTo测量温差69TuTu温度平均值、最低值的测量70思考题1. 热电偶的基本定律2.热电偶冷端温度补偿的方法3.热电偶的测量及标定的方法4. 金属热电阻的测量电路5. 热敏电阻类型6. AD590的典型应用71 金属 A 中的电子向 B 扩散, 金属A失去电子带正电荷, B 金属获得电子带负电荷, 在接触处产生内电场, 该电场将阻碍扩散运动, 同时产生反扩散运动, 最终达到动态平衡, 产生珀尔帖电势,又称接触电势, 用 EAB ( T ) 表示. A