传感器与检测技术第二版陈洁黄鸿第十一章 热电式传感器(定稿)

电容传感器测量电路分类测量电路（转换电路）调制型脉冲型调频电路调幅电路---电流电桥（输出交流信号）--------------直接通过低通滤波之后即可得到反映极板变化方向的直流信号2、二极管双T形交流电桥（了解）如图4-14示。

e是高频电源，它提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。图4-14二极管双T形交流电桥

当传感器没有输入时，C1=C2。电路工作原理：当e为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，于是电容C1充电，其等效电路如图4-14（b）所示；在随后负半周出现时，电容C1上的电荷通过电阻R1，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I1。当e为负半周时，VD2导通、VD1截止，则电容C2充电，其等效电路如图4-14（c）所示；在随后出现正半周时，C2通过电阻R2，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2

。电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。

若传感器输入不为0，则C1≠C2,I1≠I2,此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零，因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为式中,f为电源频率。当RL已知，则测量电路输出电压与传感器电容值之间关系为：

结论：输出电压Uo不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压Uo是电容C1和C2的函数。电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。当U幅值较高，使二极管VD1、VD2工作在线性区域时，测量的非线性误差很小。电路的输出阻抗与电容C1、C2无关，而仅与R1、R2及RL有关，约为1~100kΩ。输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1kΩ的负载电阻上升时间为20μs左右，故可用来测量高速的机械运动。3、

脉冲宽度调制电路（了解）图4-16脉冲宽度调制电路图图4-17脉冲宽度调制电路电压波形

电路各点波形如图4-17（b）所示，此时uA、uB脉冲宽度不再相等，一个周期(T1+T2)时间内的平均电压值不为零。此uAB电压经低通滤波器滤波后，可获得Uo输出式中：

U1——触发器输出高电平；

T1、T2——Cx1、Cx2充电至Ur时所需时间。由电路知识可知（4-39）（4-40）将T1、T2代入式（4-38），得（4-41）把平行板电容的公式代入式（4-41），在变极板距离的情况下可得（4-42）式中,d1、d2分别为Cx1、Cx2极板间距离。当差动电容Cx1=Cx2=C0，即d1=d2=d0时，Uo=0；若Cx1≠Cx2，设Cx1>Cx2

，即d1=d0-Δd,d2=d0+Δd,则有（4-43）同样，在变面积电容传感器中，则有（5-44）

由此可见，差动脉宽调制电路适用于变极板距离以及变面积差动式电容传感器，并具有线性特性，且转换效率高，经过低通放大器就有较大的直流输出，调宽频率的变化对输出没有影响。4交流电桥（理解）

引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于两只应变片各并联了一个电容。交流电桥交流电桥输出：电桥平衡条件：Uo=0，即Z1Z4=Z2Z3

交流电桥的平衡条件（实部、虚部分别相等）：

当被测量变化引起Z1=Z10+ΔZ,Z2=Z20－ΔZ变化时（Z10=Z20=Z0），则电桥输出为

温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，现代生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都少不了温度传感器。概述温度测量方法及分类测量方法按感温元件是否与被测介质接触,可以分成接触式与非接触式两大类。接触式测温方法是使温度敏感元件和被测温度对象相接触,当被测温度与感温元件达到热平衡时,温度敏感元件与被测温度对象的温度相等。非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。概述

温度传感器的种类很多，如果按价格和性能可分为：热膨胀温度传感器，有液体、气体的玻璃式温度计、体温计，结构简单，应用广泛；家电、汽车上使用的传感器，价格便宜、用量大、成本低、性能差别不大；工业上使用的温度传感器，性能价格差别比较大，因为传感器的精度直接关系到产品质量和控制过程，通常价格比较昂贵。

概述概述概述各种热电阻以下例举几种温度传感器：热电偶，利用金属热电势，有耐高温、精度高的特点；热电阻，利用导体随温度变化，测温不高；热敏电阻，利用半导体材料随温度变化测温，体积小、灵敏度高、稳定性差；集成温度传感器，利用晶体管PN结电流、电压随温度变化，有专用集成电路，体积小、响应快、价廉，测量150℃以下温度。概述热电偶温度传感器热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。其结构简单、使用方便、测温点小、准确度高、热惯性小、响应速度快、便于维修、复现性好；测温范围广，一般为-270℃～+2800℃；直接输出电信号，不需要转换电路。适于远距离测量、自动记录、集中控制等优点。在温度测量中占有很重要的地位。缺点是存在冷端温度补偿问题。

1.热电效应两种不同材料的导体A和B组成一个闭合电路时，若两接点温度不同，则在该电路中会产生电动势，这种现象称为热电效应。该电动势称为热电动势。图8-4热电偶测温原理图一热电偶工作原理热电偶工作原理演示热端温度高于冷端温度时，回路中产生的热电势大于零冷热端温度相等时，回路中不产生热电势热端温度低于冷端温度时，回路中产生的热电势小于零热电动势的组成

图8-7

热电偶回路总热电势两种导体的接触电势

两种导体的接触电势单一导体的温差电势温差电势很小单一导体的温差电动势

接触电动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1.两种导体的接触电势不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会产生电子扩散，浓度大的向浓度小的金属扩散。浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。2.单一导体的温差电势（汤姆逊电势）对单一金属如果两边温度不同，两端也产生电势。产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电。＋－Ｔ＞Ｔ０总热电动势表达式则总的热电动势就只与热端温度t成单值函数关系，即

温差电势很小，可忽略不计

总热电势表达式to

恒定eAB（to）=C热端接触电势

冷端接触电势

A导体的温差电势

B导体的温差电势

固定温度的接点称基准点（冷端）T0，恒定在某一标准温度；待测温度的接点称测温点（热端）T，置于被测温度场中。这种将温度转换成热电动势的传感器称为热电偶，金属称热电极。2热电偶的基本定律（1）

中间导体定律在热点偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相等，则对热电偶回路总的热电动势无影响。同样加入第四、第五种导体后，只要其两端温度相同，同样不影响电路中的总热电动势。EABC（t,to）=EAB（t，to）中间导体定律

第三种导体中间导体定律的意义根据这个定律，我们可采取任何方式焊接导线，可以将热电动势通过导线接至测量仪表进行测量,且不影响测量精度。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。图8-8

连接仪表的热电偶测量回路开路热电偶测温（2）连接导体定律与中间温度定律在热电偶测量电路中，测量端温度为t，自由端为to，中间温度为t′，则（t，to）的热电势等于（t，t′）与（t′，to）热电势代数和。即中间温度定律中间温度定律的意义1、利用该定律，可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。2、热电势只取决于冷、热接点的温度，而与热电极上的温度分布无关。

中间温度定律另外，可以选用廉价的热电偶A′、B′代替t′到to段的热电偶A、B，（只要在t′、to温度范围内A′、B′与A、B热电偶具有相近的热电势特性，）便可将热电偶冷端延长到温度恒定的地方再进行测量，使测量距离加长，还可以降低测量成本，而且不受原热电偶自由端温度t′的影响。这就是在实际测量中，对冷端温度进行修正，运用补偿导线延长测温距离，消除热电偶自由端温度变化影响的道理。中间温度定律的意义（3）参考（标准）电极定律

如图5-18所示，已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在接点温度为（t，to）时的热电动势分别为EAC（t，to），EBC（t，to），则相同温度下，由A，B两种热电极配对后的热电动势EAB可按下面公式计算为

图5-18参考电极定律标准导体定律的意义通常选用高纯铂丝作标准电极只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。参考电极定律举例例1已知铂铑30—铂热电偶的E（1084.5℃，0℃）=13.937mV，铂铑6—铂热电偶的

E（1084.5℃，0℃）=8.354mV，求：铂铑30—铂铑6热电偶在同样温度条件下的热电动势。EAB（1084.5℃，0℃）=EAC（1084.5℃，0℃）-EBC（1084.5℃，0℃）=5.622mV解:设A为铂铑30电极，B为铂铑6电极，C为纯铂电极结构：普通热电偶，测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构；薄膜热电偶，用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄；铠装热电偶，用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲；表面热电偶，用于弧形表面物体测温；消耗式热电偶，主要用于钢水温度测量。a)普通热电偶b)薄膜热电偶c)铠装热电偶热电偶

热电偶的结构和种类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的温度有关，当冷端温度保持不变时，热电势才与测量端温度成单值对应关系。但在实际测量时，冷端温度常随环境温度变化而变化，不能保持恒定，因而会产生测量误差。为了消除或补偿冷端温度的影响，常采用以下几种方法。4热电偶冷端温度的补偿（1）．0℃恒温法（冰浴法）将热电偶的冷端置于0℃的恒温器内，保持为0℃。此时测得的热电势可以准确的反映热端温度变化的大小，直接查对应的热电偶分度表即可得知热端温度的大小。在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间的保持在0℃不变冰浴法接线图被测流体管道热电偶接线盒补偿导线铜导线毫伏表冰瓶冰水混合物试管新的冷端此方法在热电偶与动圈式仪表配套使用时特别实用。可以利用仪表的机械调零点将零位调到与冷端温度相同的刻度上，也就相当于先给仪表输入一个热电势，在仪表使用时所指示的值即为对应的温度值，也即实际测量的温度的大小（2）．冷端温度修正法

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℃的热电势。

例子用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30℃，测得热电势eAB（t，t0）为33.29mV,求加热炉温度。

解：查镍铬-镍硅热电偶分度表得eAB（30，0）1.203mV。可得eAB（t，0）=eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.8℃。

（3）.补偿导线法（延引电极法）实际测温时，由于热电偶的长度有限，冷端温度将直接受到被测介质温度和周围环境的影响.例如，热电偶安装在电炉壁上，电炉周围的空气温度的不稳定会影响到接线盒中的冷端的温度，造成测量误差。图5-20

补偿导线法热电偶补偿导线的作用如果参考端温度不稳定，会使温度测量误差加大。为使热电偶测量准确，在测温时，可采用配套的补偿导线将参考端延伸到温度稳定处再进行温度测量。所以，补偿导线只起延长热电偶的作用，不起任何温度补偿作用，但与热电偶有相同的功用。又因补偿导线比热电偶便宜，使用补偿导线可节约测量经费。使用补偿导线必须注意两个问题：

①两根补偿导线与热电偶相连的接点温度必须相同，接点温度不超过100℃

；②不同的热电偶要与其型号相应的补偿导线配套使用，且必须在规定的温度范围内使用，极性不能接反。在我国，补偿导线已有定型产品，如表5-1所示。

常用补偿导线

结构：普通热电偶，测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构；薄膜热电偶，用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄；铠装热电偶，用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲；表面热电偶，用于弧形表面物体测温；消耗式热电偶，主要用于钢水温度测量。a)普通热电偶b)薄膜热电偶c)铠装热电偶热电偶

热电偶的结构和种类普通型热电偶结构

优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。铠装型热电偶铠装热电偶外形铠装热电偶横截面薄膜热电偶

特点：热接点可以做得很小（μm），具有热容量小