第四章(6) 热电传感器.ppt

1、，主要内容：4.6.1热电偶4.6.2热敏电阻4.6.3集成温度传感器，4.6热电传感器，中国目前正在实施1990年国际温度标准(ITS90)定义的国际开氏温度(t90)国际摄氏度T90:单位(K)开氏温度T90:单位使用随温度变化的特定材料或零部件的性能进行测量。例如，将温度变化转换为电阻、热电动势、热膨胀、电导率等变化，然后通过适当的测量电路实现温度检测的目的。概述，热敏电阻，使用半导体材料根据温度变化测量温度，体积小，灵敏度高，稳定性差。集成温度传感器，使用晶体管PN结电流，电压随温度变化，专用集成电路，体积小，响应快，价格低，温度低于150。概述，4.6.1热电偶1热电效应，徐璐其他两

2、种类型的金属导体的两端分别连接在一起形成闭合回路，当两个节点温度不等时(TT0)，电路产生热电形成电流。这种现象称为热电效应。利用这种效果，只要知道一端的温度，就可以测量另一端的温度。和固定温度的触点称为基点(冷端)T0，在标准温度下保持不变。测量温度的触点称为温度测量点(热端)T，放置在测量的温度字段中。将温度转换为热功率的这种传感器称为热电偶，金属称为热电偶。热电效应，1，两种导体的接触电势(脉冲星效应)有不同的金属自由电子密度。当两种金属徐璐接触时，节点发生电子扩散，浓度大的金属扩散到浓度小的金属。浓度高表示失去电子，正电，浓度低表示得到电子，负电。扩散达到动态平衡时，可以得到稳定的接触

3、电势。热电效应，温度T时热段接触电势：，由于在高温的末端失去了电子带正电，低温团得到了电子带负电。、A、B、B、B、B、B、B、B、B、B、B、B、B、B、B、B、B、B2.如果热电偶两个触点温度相同，则当T=T0时，如果A，B材料不同，则回路的总电势为零。热电偶产生热电所需的条件：热电偶必须用其他材料制作电极。t，T0两端必须有温差。热电偶基本定律，1，均匀导体定律两种均匀导体。其电势大小与基于热电偶直径、长度和热电偶长度的温度分布无关，仅与热电偶材料和两端温度有关。材料不均匀的话，热电偶的各处温度不同时会发生额外的热电势，产生不可预测的测量误差。2热电偶基本定律，2，中间导体定律热电偶T0

4、端分开的话，第三导体C，电路中电势EAB(T，T0)应该写为，2。热电偶基本定律，替代相：2热电偶基本定律，结论：引入第三导体C时，如果C导体的两端温度相同，电路的总电势不变，2热电偶基本定律，3，参考电极定律(中间温度定律)节点温度为T，T0要使输出的电势成为测量温度的单个函数，通常使用T作为测量的温度端，使用T0作为固定冷端(参考温度端)。通常，T0必须保持为0(常数)，但是在实际使用中很难完成此操作，因此会出现热电偶冷端温度修正问题。3热电偶的温度补偿，(1)0恒温法在标准气压下混合干净的水和冰屑，然后放入保温容器，使T0保持在0。近年来，开发了能使温度保持为零的半导体冷却装置。(2)修

5、正系数修正法可以利用中间温度定律求出T0点的电势。这个方法比较准确，但很麻烦。因此，工程中常用的修正系数修正法实现了补偿。如果将冷端温度设定为Tn，则测量的温度必须是仪表测量温度(T1)，实际温度必须是T=T1 kTn式的K修正系数。3热电偶的温度补偿、(3)扩展热电偶长度一般只有1米左右，在实际测量中，热电偶输出的电势必须传输到距离数十米的显示仪表或控制仪表上，并且可以根据中间导体定律实现。通常，使用直径粗、电导率大的材料制造膨胀导线，减少热电偶电路的电阻，节省电极材料。3热电偶的温度补偿，(4)补偿全教法利用不平衡全校产生的电压，补偿热电偶基准温度变化引起的电势变化。桥的四条腿臂与冷端的温

6、度相同。其中R1=R2=R3是用钚铜线缠绕的电阻，R4是铜线缠绕的补偿电阻，E是桥的电源，R是电流限制电阻。电阻值取决于热电偶材料。使用时，选择R4的阻力值以平衡桥，然后选择桥输出Uab=0。冷端温度越高，R4电阻越大，桥失去图校正桥图平衡，Uab相应增大，热电偶电势Ex随着冷端温度上升而减小。如果Uab的增量等于热电偶电势Ex的减小量，则电路的总电势Uab的值不随热电偶冷端温度(即UAB=EX Uab，4热电偶的结构和种类)、结构：一般热电偶、测量气体、蒸汽、液体等条形结构而变化。薄膜热电偶用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构薄。用于测量狭窄物体的手套热电偶，结构细长，可以弯曲。测量弧面物体温度

7、的表面热电偶；主要用于钢水温度测量的消耗品热电偶。a)普通热电偶b)薄膜热电偶c)手套热电偶，4热电偶的结构和类型，热电偶种类：贵金属热电偶铂铑铂铑铂(6001700)普通金属热电偶镍铬镍硅(-2001200)例如：k型：0点0mV，600点e=24.902mv索引表基于t=0，在实际应用中为t0。如果参考侧温度不为零，工作侧温度为T，则在分图中，EA(t，0)和实际热电EAB(t，t0)之间的关系可以通过参考电极定律获得。5热电偶测量电路，电路调试阶段：0曹征：调节增益：在温度600处调节负反馈电阻，使计算输出为6V。放大器增益为240.94，获得全范围输出6V(600)。热阻有两大类别：金

8、属热阻半导体热敏电阻广泛用于测量-200 850，几种可测量的1000。4.5.2热阻，金属热阻通常用于-200 500温度测量。材料大部分是纯白金金属线，还有铜、镍，缠绕在云母板、玻璃或陶瓷线圈架上，形成热阻。铂电阻电阻和温度变化之间的关系大致如下：4.5.2热阻1金属热阻，热阻体(主要部分)绝缘套管接线盒是热阻的材料要求。电阻温度系数必须很大，以提高热阻的灵敏度。电阻率尽可能大，以减小电阻体大小。为了提高热阻的响应速度，热容量必须小。在测量范围内，必须具有稳定的物理和化学性能。电阻和温度的关系最好离路线最近。要有好的可加工性，价格也便宜。最广泛使用的热阻材料是钨和铜热阻，主要用作标准电阻温

9、度计，广泛用于温度标准、标准传输。铜热阻测量精度不高，温度低的情况下，测量范围一般为50150。1金属热电阻，钚热阻长期稳定的再现性为10-4 K，是目前温度再现性最好的温度计。铂电阻的准确度与铂电阻的精炼程度相关的纯度比W(100)高，意味着铂电阻的纯度高，国际实用温标是参考器的铂电阻，目前技术水平达到W(100)1.3925，工业铂电阻的纯度W(，1金属热电阻，)温度T等于200t 0时：温度T等于0t 650时：国内集成设计的工业标准铂电阻，W(100)1.391，R0分为50和100。带保护管的铂热阻元件，铜热阻应用：测量精度要求不高，温度低的情况下测量范围：50150优点：温度范围内

10、的线性关系，灵敏度高于铂电阻，精炼，加工，价格低廉，复制性能好。缺点：容易氧化，一般只用于150以下的低温测量，没有水分和侵蚀性介质的温度测量。铜的电阻比钨低，所以铜电阻的体积大。铜电阻的电阻和温度之间的关系，线性工业中使用的标准化铜热电阻R0根据国内集成设计取50和100，等级号分别为Cu50和Cu100，相应的等级表可以参考相关资料。)1(0tRRt=，一般工业用热电阻式热电传感器，铜热电阻结构图，铂热电阻结构图，半导体的电阻温度系数大于金属。由热敏电阻半导体材料氧化复合烧结制成。主要材料为Mn、Co、Ni、Cu、Fe氧化物、结构为2段、3段、4段、直热式和侧热式。2热敏电阻，热敏电阻符号

11、，热敏电阻温度特性PTC正温度系数类型NTC负温度系数类型；负温度系数热敏电阻的特性曲线用经验公式表示：2热敏电阻，负温度系数类型热敏电阻特性曲线，大部分热敏电阻具有负温度系数，温度会提高电阻，灵敏度会下降，因此热电阻限制在高温下使用。目前热敏电阻温度上限约为300。优点：(1)热敏电阻的温度系数比金属高(49倍)(2)，电阻大，体积小，热惯性小，适合测量点温度、表面温度和快速变化的温度。(3)结构简单，机械性能好。缺点：线性下降，再现性和交换性下降。2热敏电阻、热敏电阻的结构形态、热敏电阻的主要特性、温度特性、热敏电阻的电阻温度系数比金属线高得多，因此灵敏度很高。当通过热敏电阻的电流很小时，

12、不足以加热。电阻值仅由环境温度确定，VA特性是直线，遵循欧姆定律。主要用于温度测量。电流增加到一定值：通过热敏电阻的电流加热，本身的温度升高，负电阻特性出现。电阻减小，电流增大，短电压反而下降。可能上升的温度与环境条件(环境介质温度和热条件)相关。电流和环境介质温度恒定时，热敏电阻的电阻取决于介质的流量、流量、密度等热条件。可用于测量流体速度和介质密度。伏安特性，热敏电阻的主要参数是电阻值RH在环境温度为250.2时测量的电阻值(又称冷电阻)。其大小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。耗散系数H表示热敏电阻的温度与周围介质的温度不同时，热敏电阻消耗的功率(MW/)。热容量C热敏电阻温度变化1所需的

13、吸收或释放热(J)；能量敏感度G(W)是将热敏电阻更改为1所需的消耗功率。时间常数温度为T0的热敏电阻突然放置在温度为T的介质上，热敏电阻的温度增加T=0.63(TT0)所需的时间。额定功率PE使用在规定的技术条件下允许热敏电阻长期连续使用的耗散功率(W)。实际使用时热敏电阻消耗的功率为额定功率，4.6.3热电传感器的应用，1，金属热阻传感器200 500范围内的温度测量特征：精度高，适合低温测量。2.半导体热敏电阻传感器的应用范围很广，可以在宇宙飞船、医学、工业、家电等领域用作温度测量、温度调节、温度补偿、流速测量、面值等。热电阻式传感器的应用，1，金属热电阻传感器，广泛应用于行业，200 500范围温度测量。特殊情况下测量的低温段可以达到3.4K，甚至更低或1K左右。高温的末端可以测量到1000。温度测量的特点：精度高，适用于低温测量。传感器的测量电路：经常使用电桥，高精度的是自动电桥。根据环境温度，经常使用三线制和四线制连接法，消除由于连接导线电阻引起的测量误差。三线制、工业热电阻一般可测量到三线制、G检流计、R1、R2、R3固定电阻133.32210-5Pa。(B)利用管内气体介质成分的比例变化、热风流量变化、流量测量、热敏电阻的热消耗和介质流速的关系，可以测量流量、流速、风速等。热敏电阻流量计，4.6.4集成温度传感器1集成温度传感器温度