车辆检测技术-热电式传感器

10第七章热电式传感器第一节热电偶热电式传感器是一种利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来测量温度的装为电势的热电式传感器叫热电偶温度传感器目前在工业生产中得到了广泛的应用记录。在计算机掌握系统中，热电式传感器的输出信号可直接进入I/O卡，进展信号的预处理、显示和掌握。热电偶由于性能稳定、构造简洁、制造便利、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出-50℃，高温可到达+1600-150℃～20237-1所示，热电偶温度传感器将被测温度转换成毫伏级热电势统，从而实现温度的显示、记录和调整。7-1—热电偶的根本原理1热电效应1821年，德国物理学家赛贝克〔TJSeebeck〕用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精〔称为结点〕，觉察放在回路中的电流表指针发生偏转。假设用两盏势产生并有电流在回路中流淌，电流的强弱与两个结点的温差有关。AB7-2所示。假设节点(1)、(2)处于不同的温度(T≠T0)时，两者之间将产生一热电势，在回路中形成肯定大“热电偶”，组成热电偶的导体称为“热电极”于温度为T的被测对象中的结点称之为测量端，又称为工作端或热端；而置于参考温度为T0(珀尔帖电势)和温差电势(汤姆逊电势)两局部组成。图7-2 热电效应示意图接触电势与结点温度有关。在温度为T时的接触电势：kT NE AB

eln

ANB (7-1)AB式中，E 〔T〕——A、B两种金属在温度T时的接触电势；k——波尔兹曼常数，ABk=1.38×10-23(J/K)；A e——电子电荷，e=1.6×10-19(C)；N、N——金属A、B的自由电子密度；T——A 温差电势7-3大小与金属材料的性质和两端的温差有关，可表示为：A

T dTAT0

(7-2)E式中 A

0

——金属A两端温度分别为T

T 与0时的温差电势；

A——温差系数；T、T0——高、低温端确实定温度。7-3热电回路各电势7-3所示A、B两种导体构成的闭合回路，总的温差电势为：E A

EB

0

TT 0

B

(7-3)于是，回路的总热电势为：E (T,TAB

)EAB

AB

T)T0 T 0

B

(7-4)由此可以得出如下结论：B A ①假设热电偶两电极的材料一样，即NA=N，σ＝σB A 0T＝T，闭合回路中也不产生热电势。0③在实际测温时，必需在热电偶闭合回路中引入连接导线和仪表。图7-4热电偶连接导线示意图 图7-5三导体热电回路2热电偶根本定律中间导体定律7-4T0处断开，接入第三种导体C，如图7-5所示。假设三个结点温度均为T0，则回路中的总热电势为：E TE TE T0AB 0 BC 0 CA 0 (7-5)0A、B结点温度为T，其余结点温度为T0

，而且T＞T

，则回路中的总热电势为：0EABC

0

EAB

BC

T,0E0

0

(7-6)由式(7-5)可得：E TE TE AB 0 BC 0 CA 0将式(7-7)代入式(7-6)可得：

(7-7)E T,TE T,0ABC 0 AB AB 0 (7-8)结论：导体A、B组成的热电偶，当引入第三导体时，只要保持其两端温度一样，则对回路总热电势无影响，这就是中间导体定律。利用这个定律可以将第三导体换成毫伏表，只可以将热电偶的一个接点一样，也可以得到一样的结论。连接导体定律与中间温度定律在热电偶回路中，如图7-4所示，假设导体A、BA′、B′相接，接点温度n 分别为T、T、Tn EABB”A”

T,T,Tn

EAB

n

T,TB”A” n 0

(7-9)E连接导体定律：回路的总电势等于热电偶电势AB

n

与连接导线电势

T,TB”A” n 0的代数和。连接导体定律是工业上运用补偿导线进展温度测量的理论根底。中间温度定律：当导体AA′、BB′材料分别一样时，则式(7-9)可写为：E T,T,TAB n 0

EAB

n

T,TB”A” n 0

(7-10)E AB

E回路的总热电势等于AB

n

E与AB

n

的代数和。

n称为中间温个电极A、B的材料性质以及A、B两个接点的温度值T、T0，而与温度热电极的分布以及热电极的尺寸和外形无关。中间温度定律在热电偶测温中应用极为广泛。依据该定律，我们可以在冷端温度为任一恒定值时，利用热电偶分度表求出工作端的被测温度值。例如，用镍铬—镍硅热电偶测量炉温时，当冷端温度T0=30℃时，测得热电势0

=39.17mv，求实际炉温。E30,0T0=30℃查分度表得

=1.2mv，依据中间温度定律得：ET,0ET,30E30,039.171.240.37标准电极定律

(mv)。则查表得炉温T=946℃。7-6标准电极定律示意图7-6C为标准电极，接在热电偶A、B之间，形成三个热电偶组成的回路。经过推导得：(7-11)E (T,T)E (T,T)E (T,T)(7-11)AB 0 AC 0 BC 0说明标准电极C与各种电极配对时的总热电势为两电极A、B配对后的电势之差。由于C要知道两种导体分别与标准电极组成热电偶时的热电动势任意两种导体组成热电偶时的热电动势。从而简化了热电偶的选配工作。二热电偶的类型及构造热电偶的类型常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特别场合的测量。1991年开头承受国际计量委员会规定的“1990年国际温标”〔ITS-90〕的标准。按此标准，共有8种标准化了的通用热电偶。我国标准化热电偶也有8种分别是：铂10—铂(分度号为S)13—铂(R)30—6(B)—镍硅(K)—康铜(E)、铁—康铜(J)、铜-康铜(T)和镍铬硅-镍硅(N)。热电偶的构造热电偶的根本构造是热电极，绝缘材料和保护管。热电偶简洁分为装配式热电偶，铠电偶，阳极焙烧炉用热电偶，高温热风炉用热电偶，汽化炉用热电偶，渗碳炉用热电偶，高温盐浴炉用热电偶，铜、铁及钢水用热电偶，抗氧化钨铼热电偶，真空炉用热电偶，铂铑热电偶等。工业热电偶作为测量温度的传感器，通常与显示仪表、记录仪表或计算机等配套使用。可以直接测量各种生产过程中气体、液体、熔体及固体外表的温度。一般热电偶一般工业装配式热电偶作为测量温度的感应元件，通常和显示仪表、记录仪表和计算0℃到1800气体介质温度。热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要局部组成，其7-7所示。7-71-热电极；2-绝缘套管；3-保护管；4-接线盒；5-接线盒盖①热电极又称偶丝，它是热电偶的根本组成局部。一般金属做成的偶丝，其直径一般为0.5～3.2mm0.3～0.6mm安装条件，特别是工作端在被测介质中插入的深度来打算，通常为300～1000mm，常用的350mm。②绝缘管又称绝缘子，它是用于热电极之间及热电极与保护套管之间进展绝缘保护的零件。外形一般为圆形或椭圆形，中间开有二个、四个或六个孔。偶丝穿孔而过。材料为粘土质、高铝质、刚玉质等，材料选用视使用的热电偶而定。在室温下，绝缘管的绝缘电阻应5MΩ以上。③保护套管它是用来保护热电偶感温元件免受被测介质化学腐蚀和机械损伤的装置。保护套管应具有耐高温、耐腐蚀的性能，要求导热性能好，气密性好。其材料有金属、非金lCrl8Ni9Ti不锈钢是目前热电偶保护套管使用的典型(85%--90%A1203)(99％Al2O3)，使用温度都在1300℃以上。金属陶瓷材料如氧化镁加金属钼，这种材料使用温度在1700℃，且在高温下有很好的抗氧化力量，适用于钢水温度的连续测量。外形一般为圆柱形。④接线盒依据被测量温度的对象及现场环境条件，设计有一般式、防溅式、防水式和接插座式等四种构造形式。用来固定接线座和作为连接补偿导线的装置。好、无腐蚀性气体的现场。防溅式、防水式接线盒有盖，且盖与盒体是由密封圈压严密封，便利，适用于需要快速拆卸的环境。铠装热电偶铠装热电偶，国际上又称之为无机物绝缘热电偶，是由不锈钢保护管、氧化镁绝缘粉、热电偶丝材组合,经模具压实的坚实整体，具有耐压、抗震、可挠、小型化、热响应时间快、安装便利、使用寿命长、机械强度好等优点，广泛应用于航空航天、原子能、石油、化工、冶金、机械、电力能源等工业部门和科研教学领域。铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应时间快和结实耐用等很多优点，它和工业用装配式热电偶一样，作为测量温度的变送器，元件。它可以直接测量名种生产过程中从0～800℃范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体外表的温度。7-8铠装热电偶断面构造图铠装热电偶的构造原理是由导体、高绝缘氧化镁、外套1Cr18Ni9Ti不锈钢保护管，经屡次一体拉制而成。铠装热电偶产品主要由接线盒、接线端子和铠装热电偶组成根本构造，并配以各种安装固定装置组成。铠装热电偶分绝缘式和接壳式两种。其次节热电阻热电阻是利用导体的电阻随温度变化而变化的特性测量温度的。热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。—金属热电阻热电阻测温原理热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进展温度测量的。阻将按以下公式而随温度发生变化：

RR(1at)0 〔7-12〕0Rt℃时的电阻，R是℃时的电阻，a是常数。比较准确的公式是：000 〔7-13〕式中b是其次个常数。电阻温度计在-260℃～+1200℃范围内，可作极准确的测定。它适用范围广，远远超出水银温度计，可作测温的标准。热电阻材料的特点热电阻材料必需具有以下特点：高温度系数、高电阻率。这样在同样条件下可加快反响速度，提高灵敏度，减小体积和重量。化学、物理性能稳定。以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。良好的输出特性。即必需有线性的或者接近线性的输出。良好的工艺性，以便于批量生产、降低本钱。适宜制作热电阻的材料有铂、铜、镍、铁等。铂、铜为应用最广的热电阻材料。虽然铁、镍的温度系数和电阻率均比铂、铜要高，但由于存在着不易提纯和非线性严峻的缺点，出－输入特性接近线性，测量精度高。 铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示：0～ 在-190～0℃温度范围内：

R Rt

1AtBt2

(7-14)RRt

(7-15)式中R0、Rt——0t℃的电阻值；A——常数(3.96847×10-3/℃)；B——常数(-5.847×10-7/℃)；C——常数(-4.22×10-12/℃)。铂电阻制成的温度计，除作温度标准外，还广泛应用于高精度的工业测量。由于铂为-50～150℃范围 RRt

2Ct3

(7-16)当温度高于100℃时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。3热电阻的构造一般型热电阻WZP型〔圆柱形〕WZP型薄膜7-9所示。7-9铠装热电阻〔电阻体φ2～φ8mm，最小可达φ0.5mm。铠装铂电阻与一般型热电阻相比，它有以下优点：体积小，内部无空气隙，热惯性小，测量滞后小；机械性能好、耐振，抗冲击；能弯曲，便于安装；④使用寿命长。端面热电阻端面热电阻感温元件由特别处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面，它与一般轴向隔爆型热电阻隔爆型热电阻通过特别构造的接线盒，能把内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等Bla～B3c级区内具有爆炸危急场所的温度测量。薄膜铂电阻薄膜铂电阻是使用最的薄膜技术而制造的温度传感器。与其他类型的热电阻比十年月后期的技术水平。一体化数显温度变送器4～20mA的标准信号。二半导体热敏电阻μ 热敏电阻是一种开发早、种类多、进展较成熟的敏感元器件．热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起电阻变化．假设电子和空穴的浓度分别为n、p，迁移率分μ n pq(n p)n p

(7-28) n、p、n、p都是依靠温度T的函数，所以电导是温度的函数，因此可由测量—理．热敏电阻包括正温度系数热敏电阻〔PTC〕和负温度系数〔NTC〕热敏电阻以及临界温度热敏电阻〔CTR〕。它们的电阻--7-10所示。7-10几种热敏电阻阻值-温度曲线热敏电阻的主要特点是：灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10~6℃的温度变化；工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃〔目前最高可到达2023℃〕，低温器件适用于-273℃～55℃；体积小，能够测量其他温度计无法测量的0.1～100kΩ成简单的外形，可大批量生产；稳定性好、过载力量强．缺点是互换性差，非线性严峻。PTC热敏电阻PTC〔PositiveTemperatureCoefficient〕19501954年消灭了以钛酸钡为主要材料的PTC热敏电阻．其特点是在某一温度下电阻值急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料，可特地用作恒定温度传感器．典型的PTC热敏电阻是以BaTiO3SrTiO3或PbTiO3为主要成分的烧结体，其中掺入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物进展原子价掌握而使之半导化，常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为半导〔体〕瓷；同时还添加增大其正电阻温度系数的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物，承受一般陶瓷工艺成形、高温烧结而使钛酸铂等结条件〔尤其是冷却温度〕不同而变化．PTC热敏电阻的电阻-温度特性可近似用试验公式表示：R RT T0

expBp

(TT)0B

(7-16)RR式中 、RRT

T0T、T0

时电阻值，

p为该种材料的材料常数．NTC热敏电阻NTC〔NegativeTemperatureCoefficient〕是指随温度上升电阻呈指数关系减小，具有负温度系数的热敏电阻现象和材料。该材料是利用锰、铜、硅、鈷、铁、镍、锌等两种或两种系数〔NTC〕的热敏电阻。其电阻