第8章热电式传感器.ppt

1、第八章，热电传感器的定义：热电传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。它利用敏感元件的电磁参数随温度变化的特性来达到测量的目的。下一页，背面，画廊，第8章热电传感器，8.1热敏电阻8.2热电偶8.3热敏电阻。本章要点，下页，后页，画廊，8.1热电阻，热电阻温度测量的基础：电阻率随温度升高而增加，具有正温度系数特性。精度高，适合测量低温。铜电阻器：铂是一种贵金属，价格昂贵。因此，当温度测量范围相对较小(-50-150)时，可以使用由铜制成的温度测量电阻器，这被称为铜电阻器。铁电阻和镍电阻铁和镍：具有较高的电阻温度系数和较高的电阻率，因此可用作小尺寸、高灵敏度的电阻温度计。它们的缺点是容易氧化

2、、化学稳定性差、难以纯化、重现性差以及电阻和温度之间的线性关系差。8.1.2热电阻温度计最常用的测量电路是电桥电路图8-2热电阻温度计的测量电桥电路(在图中，G是指示表，R1、R2和R3是固定电阻，而Ra是零位调整电阻)图8-3热电阻温度计的四线连接法热电阻温度计电桥，下页、上页、下页、下页、下页、下页有较高的准确度；测量范围广。常用的热电偶在低温下可达-50，在高温下可达1600左右。采用特殊材料制成的热电极，最低温度可达-180，最高温度可达2800。具有良好的灵敏度；易于使用等。下一页，上一页，上一页，下一页，上一页，上一页，下一页，上一页，上一页，上一页，上一页，上一页，上一页，上一页

3、，上一页，上一页，上一页，上一页，上一页，上一页，上一页，上一页，上一页，上一页，上一页，下一页，上一页，上一页，上一页，上一页，上一页，上一页，回路中产生的电流称为热电流，导体甲和导体乙称为热电极。测量温度时，节点1置于被测温度场中，称为测量端(工作端和热端)；节点2通常处于恒温状态，称为参考端(自由端和冷端)。结合这两种导体并将温度转换成热电势的传感器称为热电偶。图8-4热电效应示意图，下一页，上一页，返回，画廊，8.2.1热电效应，两导体接触电势公式中的玻尔兹曼常数为1.3810-16；t触点的绝对温度；电子电荷数；钠和铌的金属a和b的自由电子密度。下一页，上一页，返回，画廊，8.2.1

4、热电效应，类似地，可以计算出，在由两种金属A和B组成的回路的温度端的接触电势是(8-5)，但是方向相反，因此从上述公式可以看出回路的总接触电势(8-6)，当两个节点的温度相同时，即T=T0，回路中的总电势将为零。下一页，上一页，返回，画廊，8.2.1热电效应，单个导体的热电势图8-6热电势当导体两端的温度分别为T和T0时，热电势可由以下公式(8-7)表示：导体的汤姆逊系数。对于由两种金属A和B组成的热电偶电路，汤姆逊势等于其代数和，即(8-8)，下页，上页，返回，画廊，8.2.1热电效应。综上所述，对于由均匀导体A和B组成的热电偶，其总电势是接触电势和温差电势之和。如图8-7所示，公式可以表示

5、为：(8-9)、下一页、上一页、返回页、画廊和8.2.1热电效应。从公式(8-9)可以得出以下结论：如果热电偶的两个电极的材料相同，则两端的温度不同(TT0)。但是总的来说如果热电偶的两个节点温度相同，回路中的总电量将等于零。从以上分析可知，热电势只与材料和节点温度有关，与热电偶的大小和形状以及沿电极的温度分布无关。应该注意的是，如果热电极本身是不均匀的，由于温度梯度的存在，将会有额外的电势。下一页，上一页，返回，廊道，8.2.2热电偶基本定律，中间导体定律，标准电极定律，连接导体定律和中间温度定律，下一页，上一页，返回，廊道，8.2.2热电偶基本定律，中间导体定律是在热电偶回路中，只要中间导

6、体两端的温度相同，它对连接中间导体后热电偶回路的总热电势没有影响。公式可表示为：EABC(T，T0)=EAB(T，T0) (8-9)，下一页，上一页，返回，画廊，8.2.2热电偶基本定律，标准电极定律如果将导体C(热电极，一般为纯铂丝)用作标准电极(也称为参比电极)，并且标准电极和任何导体都是已知的，则由任意两个导体A和B组成的热电偶的热电势可通过以下公式获得：EAB(T，t0)=EAC (t，t0)-ebc (t，T0) (8 下一页，上一页，返回，画廊，8.2.2热电偶基本定律，连接导体定律和中间温度定律连接导体定律：当结温为T，TN和T0时，回路的热电势将等于热电偶的热电势EAB (T，

7、TN)和温度为Tn和T0时连接线A和B的热电势EAB(T，Tn)的代数和(见图8-10)，即EABA (T，Tn，T0)=EAB(T，Tn) EAB。 8.2.2热电偶基本定律、连接导体定律和中间温度定律：热电偶在结温T和t0时的热电势值eab (t，t0)等于相应热电势eab (T，Tn)和eab (Tn，T0)在(T，Tn，T0)时的代数和。如下式所示：eab (t，TN，t0)=eab (t，TN) eab (TN，t0) (8-12)，下一页，上一页，返回，走廊，8.2.2热电偶的基本规则，例如(可加或减)，已知由A和B组成的热电偶处于(1000，00C)，它们在(1000，1000)

8、的热电势为：10-1=9mV，下一页，上一页，后一页，走廊图8-8带中间导体的热电偶电路图8-9由三种导体组成的热电偶图8-10带连接线的热电偶8.2.3对于热电偶材料和常用的热电偶，对热电偶电极材料的主要要求是：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。 它可以在很宽的温度范围内使用，长期运行后具有稳定的物理化学性能和热电性能。电导率高，电阻温度系数小。易于复制，工艺简单，价格低廉。标准化热电偶包括铂铑铂热电偶、镍铬镍铝热电偶、镍铬铜热电偶和铜康铜热电偶。标准化热电偶的主要技术数据见表8-2。下一页，上一页，后一页，画廊，8.2.4热电偶测温电路，热电偶直接与

9、带热电偶的指示仪表和动圈仪表连接，如图8-11所示。此时，流经仪器的电流不仅与电位有关，还与温度测量电路的总电阻有关，因此要求电路的总电阻必须是一个恒定值，即Rc RG=Rr热电偶电阻为常数(8-14)；Rc连接线电阻。RG表示仪器的内部电阻。该电路由于结构简单、价格低廉，常用于温度测量精度不高的地方。图8-11热电偶与仪器、下一页、上一页、返回页、图库和8.2.4热电偶温度测量电路直接匹配。为了提高测量精度和灵敏度，同一型号的N个热电偶也可以依次串联，如图8-12所示。此时，线路的总电位为显然，总电势比单个热电偶的热电势高n倍。如果每个热电偶的绝对误差为E1、E2和En，则整个串联电路的绝对

10、误差为(8-16)，下一页、上一页、返回、画廊、8.2.4热电偶温度测量电路，如果E1=E2=En=E，(8-17)，则串联电路的相对误差为：8-18)如图8-13所示。如果N个热电偶的电阻值相等，并联电路的总热电势为(8-19)。图8-13热电偶并联测温电路，下一页，上一页，返回，廊道，8.2.4热电偶测温电路，图8-14显示测量两点间温差的电路。同一型号的两个热电偶配有相同的补偿导体，并反向串联连接，从而减去两个热电势，并测量T1和T2之间的温差。图8-14热电偶温差测量电路，下一页，上一页，返回，走廊，8.2.4热电偶温度测量电路，桥式电位计电路，如果需要高精度温度测量和自动记录，通常使

11、用自动电位计电路。图8-15显示了XWT系列自动平衡记录仪采用的电路。图中的RW是一个调零电位计，在测量前对其进行调整，以便将仪器指针置于刻度的起点。图8-15自动电位器测温电路，下一页，上一页，返回，廊道，8.2.5热电偶参考端温度，0恒温热电偶参考端温度为tn，冷端延伸法，下一页，上一页，返回，廊道，8.2.5热电偶参考端温度，0恒温法，将冰块和洁净水相混合，放入热水瓶中，制成。这种方法通常用于实验室。近年来，已经生产出半导体制冷装置，其可以保持恒定在0。下一页，上一页，返回，通道，8.2.5热电偶参考端子温度，当热电偶参考端子温度为tn 1时的校正方法，热电势校正方法2，温度校正方法3，

12、仪器起点调整方法4，热电偶补偿方法5，电桥补偿方法图8-16热电偶特性曲线，下一页，上一页，返回，通道，8.3热阻和热敏电阻有许多用于制造热敏电阻的材料，例如锰、铜、镍、钴和钛的氧化物，它们以一定比例混合，压制成型，然后在高温下烘烤热敏电阻具有灵敏度高、体积小、稳定性好、制造简单、使用寿命长、易于维护和动态特性好等优点，因此得到了广泛的应用，特别是在远程测控方面。下一页，上一页，后一页，画廊，8.3热阻，8.3.1热敏电阻的主要特性，8.3.2热敏电阻特性的线性化，8.3.3热敏电阻的应用实例，下一页，前一页，后一页，画廊，8.3.1热敏电阻的主要特性，电阻和温度之间的关系可以用下列公式B表示

13、与半导体物理性质有关的常数；t热敏电阻的绝对温度。下一页，上一页，返回，画廊，8.3.1热敏电阻的主要特性，热敏电阻的伏安特性的电流-时间曲线，这是电流在不同施加电压下达到稳定最大值所需的时间。从图中可以看出，存在一个延迟时间，这是自加热过程中达到新的热平衡状态所必需的，延迟时间反映了热敏电阻的动态特性。通过适当选择热敏电阻的结构和相应的电路，延迟时间可以从0.001秒到几个小时。对于一般结构的热敏电阻，该值可以在0.5和1秒之间。8.3.1热敏电阻的主要特性，电流-时间特性图8-20热敏电阻温度特性图8-21负温度系数伏安特性图8-22电流-时间特性，下一页，上一页，上一页，下一页，上一页，

14、上一页，上一页，8.3.2热敏电阻特性线性化，图8-23串联补偿电阻图8-2因此，在一定的温度范围内可以获得线性输出特性：除了上述的串联和并联补偿电阻外，还有其他方法，如图8-22中的其他线性化电路所示，下一页，上一页，后一页，画廊，8.3.3热敏电阻的应用示例。半导体点温度计可以制成点温度计，可以测量点温度，并利用热敏电阻对温度变化的高灵敏度快速响应。点温度计不仅可以用来测量一般气体、液体或固体的温度，还可以用来测量微小物体或部分物体的温度。例如，它可以用来测量电机轴承的温度、晶体管外管的温升、植物叶片的温度和人体血液的温度。热敏电阻自动温度控制器，下一页，上一页，后一页，画廊，8.3.3热敏电阻，半导体点温度计的应用实例图8-26是半导体点温度计的电气原理图。它由热敏电阻、测量电阻和显示电流表组成。图中，R1相当于R2，是一个固定在电桥上的锰铜电阻，可以补偿热敏电阻的非线性；R3为锰钢电阻器，其电阻等于点温度计初始刻度处热敏电阻的电阻。Rm为锰铜电阻，当点温度计满量程时，其电阻值等于热敏电阻的电阻值；RT为半导体热敏电阻(测温元件)，R4和Rw用于调节电桥的工作电压；当开关S设置为“1”时，进行调节；当开关S设置为“2”时，进行测量；p是一