传感器原理及应用(第三版)第7章

1、传感器的原理和应用，第7章热电传感器，正常温度37相当于华氏多少度？发展阶段：华氏温标(F)摄氏温标(C)开尔文温标(K)、温度测量和传感器分类、温度传感器的类型和特性第七章热电传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置在所有类型的热电传感器中，将温度量转化为电势和电阻的方法是最常见的。将温度转换成电势的热电传感器叫做热电偶。将温度转换成电阻值的热电传感器称为热阻。基于半导体PN结伏安特性与温度之间的关系而开发的固态传感器通常被称为热敏电阻，但它也是一种热阻。目前，热释电传感器已经广泛应用于工业生产中，并且可以通过使用固定的显示仪器和记录器来显示和记录。下页，第7章热电传感器，7-1热电偶，7

2、-2热敏电阻，7-3集成温度传感器，7-4热敏电阻，上页，下页，热电偶温度测量的主要优点：7-1热电偶，1。自生传感器：测量时无需外部电源，可直接驱动动圈式仪器；2.测温范围宽：下限可达-270，上限可达1800以上；3.每个温度区内各种热电偶的热电动力符合国际计量委员会的标准。结论：当两个节点的温度不同时，回路中会产生电动势。热电极甲，右端叫做：自由端(参考端，冷端)，左端叫做：测量端(工作端，热端)，热电极乙，热电动力，甲，乙，从实验到理论：热电效应。1821年，德国物理学家塞贝克用两种不同的金属形成了一个闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点。回路中发生了什么？如果用两个酒精灯同时加热两

3、个节点，罗盘的偏转角反而会减小。这是什么意思？结论：指南针的偏转表明回路中有电动势，电流在回路中流动。热流的强度与两个节点之间的温差有关，而不是与单个节点的温度成正比。1.热电偶1。热电效应两种不同的导体或半导体连接在一起形成一个回路。如图所示，当两个节点的温度不相等时，回路中会产生电动势，从而形成电流。这种现象叫做热电效应，这种电动势叫做热电动力。一般来说，我们称上述两种不同导体的组合为热电偶，这两种导体A和B称为热电极。两个节点，一个是工作端或热端()，在测量过程中放置在测量度字段中。另一种称为自由端或冷端()，通常要求在一定温度下固定。发现上图中热电偶电路产生的热电动力由两部分组成，一部

4、分是两种导体的接触电势，另一部分是单个导体的温差电势。(1)接触电势由于不同导体的自由电子密度不同，当两个不同导体a和b连接在一起时，电子扩散将发生在接触表面。假设导体a的自由电子密度大于导体b的自由电子密度，则单位时间内从导体a扩散到导体b的电子数量大于从导体b扩散到导体a的电子数量，并且由于此时电子的损失，导体a带正电。导体B带负电荷，因为它得到电子，所以在接触区域形成从A到B的静电场(电势差)。如图所示，这个电场阻碍了电子的连续扩散。当达到动态平衡时，在接触区域中形成稳定的电势差，即接触电势。根据物理学，当温度为t时：接触电势：其中：-温度下的接触电动势-玻尔兹曼常数(k=1.3810-

5、23j/k)-电子电荷量-材料a和b的自由电子密度(随温度变化)(每单位体积的电子数)结论：接触电动势这种“结合”产生了热电动力的微观动画。当两种不同的金属相互接触时，由于不同金属中自由电子的密度不同，自由电子将在两种金属A和B的接触点发生相互扩散。自由电子将从密度高的金属A扩散到密度低的金属B，这样，A将失去带正电荷的电子，而B将得到带负电荷的电子，从而产生热电动力。，自由电子，A，B，EAB (T)，T，热电偶图形符号，(2)热电势单导体，电场阻碍电子的连续扩散。当达到动态平衡时，在导体的两端将产生稳定的电势差，即热电势。从物理学中还知道：热电势：其中：-当导体A两端的温度为0时形成的热电

6、势-汤姆逊系数，表示当单个导体两端的温差为1时产生的热电势，其值与材料性质和两端的温度有关。结论：在热电偶中，热电势相对于接触势非常小，在工程中经常被忽略，接触势起着决定性的作用。然而，当热电偶用作测量仪器时，应予以考虑。上一页，下一页，(3)热电偶回路的总热电势对于由导体A和导体B组成的热电偶回路，闭合回路中产生的接触电势和温差电势如图所示。那么，闭合回路的总热电势是：如果回路电流顺时针方向为正，代入，得到：结论：如果热电偶电极的材料相同(即，虽然两个节点的温度不同)，总热电势仍然为零()。因此，热电偶必须使用两种不同的材料作为电极。上一页，下一页、2如果两个电极的材料不同，两个节点(两端)

7、的温度相同()，则回路热电势也为零() 3 如前所述，由于热电势很小，可以忽略，所以在工程中，上述公式通常简化如下：4从上述公式可以看出，热电势是温度和的双函数。 这是非常不方便的，也就是说，(常数)意味着回路的总热电势被视为温度t的单值函数，这便于工程测量。 在实践中，热电偶通常被校准(分度表)。上一页，下一页，热电偶分度表针对某型热电偶，在冷端温度为0时，制作的热电动力E与热端温度T对应关系表。使用时，当冷端温度为0时，可通过查温差电动势表得到测量温度。由于非线性关系，分度台的冷端温度要求为0。如果冷端温度不为0，必须将冷端温度校正为0。热电偶基本定律(1)中间导体定律：定律描述：在热电偶

8、回路中，引入其他金属材料作为中间导体。如图所示，只要中间导体两端的温度相同，连接中间导体后，热电偶回路的总电动势不受影响。数学表达式：证明右图所示回路的总电势为，上一页和下一页，下一步是找出两个项，并假设三个节点(1、2和3)的温度都相等，则下列等式成立：因此，上述定律成立。其中，因此，替换上面的公式以获得：上一页，下一页，(2)标准电极定律：(也称为参比电极定律)定律描述：当结温为0时，由导体A和导体B组成的热电偶产生的热电势等于热电偶A和导体C和导体B的热电势的代数和。数学表达式：导体C(普通铂)称为标准电极。证明：参见上图，图中显示：上一页，下一页，因此有以下公式：因此，上述定律成立。(

9、3)连接导体定律和中间温度定律：1。连接导体定律：定律描述：在热电偶回路中，如果热敏电阻A和B分别与连接线A和B相连，并且接头温度分别为，则回路的总热电势等于热电偶电势和连接线热电势的代数和。证明：如上图所示，循环的总电势，上一页，下一页，因为：同时：中间结果被代入到顶部公式，所以上述定律成立。该定律是工业上用补偿线测量温度的基础。中温定律：定律描述：当结温等于热电偶的热电势和相应热电势的代数和时，热电偶的热电势。数学表达式：证明：根据连接导体的定律，当导体a和b与材料相同时，它是中温定律。不需要额外的证明。中温定律为制作温差电动势分度表奠定了基础。分度表是当基准端温度为0时，根据不同的热端温

10、度获得的一系列热电动力值，不同的热电偶有不同的分度表。只要得到基准端温度为0时热电动力与温度的关系，就可以根据上述公式得到基准端温度不等于0时的热电动力；相反，这也是事实。因此，“中间温度定律”是热电偶使用计算中最常用的基本定理。上一页、下一页、K热电偶分度表、分别求出-100和100时的两个热电势。计算与0的差值，实现热电动力的非线性。常用的热电偶和结构理论上讲，虽然任何两种导体(或半导体)都可以制成热电偶，但作为一种实用的测温元件，对它们有许多要求。并非所有材料都适合制作热电偶。对热电偶电极材料的要求如下：(1)制备的热电偶应具有较大的热电势，希望热电势与温度呈线性关系或近似线性关系。(2

11、)可在较宽的温度范围内使用，经过长期工作，其理化性能和热电性能相对稳定。(3)电导率高，电阻温度系数小，比热小。(4)易于复制，工艺简单，成本低。(1)常用热电偶(或工业标准化热电偶)铂铑，热电偶分度号为。铂铑合金作为正极，铂丝作为负极。适用于1300以下的温度范围。优点：具有更高的复制精度和测量精度，可用于精密测量和标准热电偶。缺点：热电势低，在高温下容易被还原气体和金属蒸气侵蚀，属于高成本贵金属材料。上一页，下一页，镍铬镍硅，热电偶分度号为K，镍铬为正极，镍硅为负极，适用于900以下的温度范围。优点：重现性好，热电势大，线性好，成本低。缺点：易被还原性介质腐蚀，测量精度低。镍铬铜(镍铜合金

12、)热电偶刻度数为E，镍铬为正极，铜为负极，适用于600以下的温度范围。优点：灵敏度高，成本低，适用于还原性和中性介质场合。缺点：低温测量范围窄，易氧化，重现性差。铜-康铜(镍-铜合金)，热电偶分度号T，铜为正极，康铜为负极，适用于温度范围。优点：低温稳定性好，主要用于实验室和科研。缺点：电特性的复制性差，因此热电势通常用下面的公式来近似，以获得的常数(查表)。注：测量低温时，工作端温度低于热电偶的结构形式为了保证热电偶能够可靠稳定地工作，其结构要求如下：组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极应相互隔离，防止短路；补偿线与热电偶自由端的连接应方便可靠；(4)保护外壳应确保热电极与有害介

13、质完全隔离。上一页，下一页，接线盒，出线套管，固定螺纹(工厂用塑料包裹)，热电偶工作端(热端)，不锈钢保护管，安装法兰，装配式热电偶结构，薄壁金属保护套管(铠装)，长达数百米的铠装热电偶，快速反应薄膜热电偶1-热电极2-热接点3- XC系列陶瓷纤维柔性热电偶，IV。热电偶冷端温度补偿根据热电偶的原理，只有冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。在应用中，由于热电偶的工作端靠近冷端，冷端暴露在空气中，易受环境温度波动的影响，冷端温度难以保持恒定。因此，以下方法可用于补偿。(a)补偿导线法(也称为扩展热电极法)为确保热电偶冷端的温度恒定，热电极可加长，使冷端远离工作端，并放置在恒温或温度

14、波动小的地方。这样，如果使用贵金属作为电极的热电偶，成本将大大增加。因此，通常使用一根特殊的导线(称为补偿导线)来延长热电偶的冷端。如下图所示。图中的AB为热电偶，原冷端温度为(可变)，是补偿线，是仪器和连接点的温度(即延伸的新冷端)，其值基本稳定。从热功率的角度来看，它可以分别被认为是A和B的延伸，热电偶的冷端也从一个地方移动到另一个地方。补偿导体是由两个低成本、不同成分的导体组成的热电偶，在一定的温度范围内，其热性能与连接的AB热电偶相同，即根据热电偶的“连接导体定律和中间温度定律”，可以得出这是补偿导体法还是扩展热电极法。通常，补偿导体的选择如下：对于铂铑铂热电偶，补偿导体为铜镍铜；镍铬

15、镍硅热电偶，以铜-康铜为补偿导体；镍铬铜热电偶，补偿线选用自己的电极材料；铜康铜热电偶，选用其自身的电极材料作为补偿导体。注：选择的补偿导体应与热电偶电极材料相对应，不应随机选择，以确保热性能一致。正极和负极应对应连接，不能反向连接。同时，温度不应高于100，否则会因不同的热性能带来新的误差。上一页，下一页，A，B，屏蔽层，保护层，(2)冷端温度计算修正方法是在保持冷端温度的条件下得到的。与它一起使用的仪器是根据分度表校准的。因此，尽管补偿线已被用于将热电偶的冷端延伸至恒温位置，但只要冷端的温度较高，就必须校正仪器值。公式如下：例如，在运行中的K热电偶的冷端温度下测量热电动力。找到被测介质的温度？解：查K型分度表得到：从校正公式得到：从上一页到下一页，查分度表得到：(对应40.37mv)。例如，在K热电偶温度测量电路中，热电极A和B直接焊接在钢板上，A和B是补偿线，铜是铜线，接线盒1的温度T1已知为40。seek: 1)温度T2；o1)接线盒1是热电极和补偿线(延长线)之间的连接位置，不影响测量结果，不需要考虑t1温度的大小和波动。冰瓶的温度是：0，这是补偿导体(冷端)和铜导体之间的连接位置，所以你可以直接查看