第七章电势型传感器

第7章电势型传感器7.1热电偶7.2光电池7.3压电石英晶体和压电陶瓷7.4电势型传感器的应用实例7.1热电偶7.1.1热电偶的工作原理热电偶也叫温差电偶，是一种常见的温度检测传感器。热电偶在温度测量中应用极为广泛，具有结构简单、使用方便、测量精度高、测量范围宽等优点。常用的热电偶测量范围为-50～1600℃。如果配用特殊材料，测量范围会更广，某些特殊热电偶最低可测到-269℃(如金铁镍铬)，最高可达+2800℃(如钨—铼)。热电偶是将两种不同的导体(金属或半导体)A和B组成一个闭合回路，如图7-1所示。当两导体的两个接点1和2分别处于不同的温度T和T0时，回路中有一定大小的电流，表明回路中有电势产生，该现象称热电效应。回路中的电势称为热电势，用EAB(T,T0)表示。两个导体A和B称为热电极。测量温度时，两个热电极的一个接点1置于被测温度场(T)中，称该点为测量端，也叫工作端或热端；另一个接点2置于某个恒定温度(T0)的地方，称参考端或自由端、冷端。下一页返回7.1热电偶热电偶回路内产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。1.接触电势导体中都有大量的自由电子，材料不同自由电子的浓度也不同。当两种不同的金属导体A、B接触在一起时，在接触面就会发生电子的扩散。电子浓度大的一方向电子浓度小的一方扩散。这时，电子浓度大的金属因失去电子带正电，电子浓度小的金属因获得扩散来的电子带负电，于是接触面两边形成电位差，即接触电势。若金属A的电子浓度NA大于金属B中的电子浓度NB，则两金属接触面产生接触电势EAB，如图7-2所示。电子的扩散由于受电位差(接触电势)建立的电场的阻碍作用而逐断减弱，最后达到动态平衡，接触电势EAB也就达到一个稳态值，此时A和B接触处等效为一个电动势为EAB的电源，其中电子浓度高的金属为正极，低的为负极。上一页下一页返回7.1热电偶EAB的大小与两种导体材料和接触点的温度有关，其数量级约为10-3～10-2V。两导体两端接触电势用符号EAB(T)和EAB(T0)表示。它的数学表达式由物理学可知(7-1)(7-2)式中k——波尔兹曼常数；T——接触处的绝对温度；e——电子电荷量；NA、NB——A、B两种材料的自由电子浓度。由图7-1看出，热电偶是个闭合回路，有两个温度不同的接点，也就有两个大小不等的接触电势。由式(7-1)和式(7-2)知，回路总的接触电势为AABB1nNkTETeN0AAB0B1nkTNETeN上一页下一页返回7.1热电偶(7-3)由式(7-3)可以看出，当热电偶两端温度相同时，回路中总的接触电势为零。2.温差电势对于同一导体，由于两端温度不同而形成的电势称为温差电势。假设两端温度不同，由于同一热电材料高温端电子动能较大，电子会向低温端扩散。因此高温端因失去电子而带正电，低温端因得到电子而带负电，这样就会在高低温两端形成电位差，从而产生温差电势EA(T，T0)和EB(T，T0)。如图7-3所示。AAB0ABAB00B,1nNkETTETETTTeN上一页下一页返回7.1热电偶温差电势的大小与热电极的材料和两端温度有关。(7-4)(7-5)式中、——导体A、B的汤姆逊系数，表示导体两端温度差为1℃时产生的温差电势7.1.2热电偶的结构形式及热电偶材料1.热电偶的结构将两热电极的一个端点焊接在一起组成热结点，就构成了热电偶。在两个热电极之间用耐高温材料进行绝缘，再根据不同的用途做适当的处理就构成了工作热电偶。根据被测对象的不同，热电偶的结构形式是多种多样的。常见的热电偶结构形式有普通型热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶、表面热电偶和浸入式热电偶。0A0A,dTTETTT0B0B,dTTETTTAB上一页下一页返回7.1热电偶(1)普通型热电偶它的热电极是一端焊在一起的两根金属丝。两热电极之间用绝缘管绝缘。这种热电偶主要用于测量气体、蒸汽、液体等介质的温度。(2)铠装热电偶(缆式)它是将热电极、绝缘材料和金属保护套管组合在一起，经拉伸加工而成。根据测量端的形式不同，可分为碰底型、不碰底型、露头型、帽型等。铠装热电偶的特点是：动态响应快，测量端热容量小，挠度好，强度高，机械性能好，抗震动和耐冲击。由于挠性好柔性大，因此可以弯成各种形状，适用于结构复杂的补测对象。(3)薄膜热电偶薄膜热电偶分为片状、针状等。它是由厚度为0.01～0.1µm的两种金属薄膜连接在一起的特殊结构的热电偶。其特点是：热容量小、动态响应快，适用于动态测量小面积的瞬时温度变化。上一页下一页返回7.1热电偶(4)表面热电偶表面热电偶适用于测量圆弧形表面的温度，其热电极做成带状，接点在中央作为测量端，而两端固定在装有手柄的弓形架上，手柄上装有毫伏表，使用时把热电极的中间贴在被测表面上。(5)浸入式热电偶浸入式热电偶主要用于测量钢水、铜水、铝水以及熔融合金的温度，主要特点是可以直接插入液态金属中进行测量。2.热电偶材料从理论上讲任何两种导体或半导体都可配成热电偶，只要两结点存在温差，就产生电动势，但电动势因材料的性能不同而有很大的差异，因此不是所有材料都能做成热电偶。热电偶材料必须具备以下基本特点：热电性能稳定，热电势与温度有单值关系或简单的函数关系。热电势应足够大。上一页下一页返回7.1热电偶电阻温度系数和电阻率要小。物理性能稳定，化学成分均匀，不易氧化和腐蚀，机械强度高。一般来说，纯金属热电偶容易复制，但其热电势小；非金属热电极的热电势大、溶点高，但复制性和稳定性都较差；合金热电极的热电性能和工艺性能介于前面两者之间，所以目前合金热电极用的较多。常用的热电偶材料有铂铑、镍铬、镍硅、康铜、镍铜、纯铂丝等。7.1.3常用热电偶标准化热电偶国家已定型批量生产，它具有良好的互换性，有统一的分度表，并有与之配套的记录和显示仪表。这对生产和使用都带来了方便。常用的热电偶如表7-1所示。上一页下一页返回7.1热电偶7.1.4热电偶测温及参考端温度补偿1.热电偶测温从热电偶的工作原理可知，若热电偶回路生成的总电动势为EAB(T,T0)，其方向与EAB(T)方向一致，则(7-6)式中EA(T,T0)和EB(T,T0)在总电动势中所占比例很小，可以忽略不计。当热电偶选取后NA、NB为定值，K、e为恒量，有(7-7)若冷端T0恒定，那么f(T0)为一常数，则(7-8)这就是热电偶测温的基本原理。通过以上分析可以得出以下结论：AB0ABAB0A0B0,,,ETTETETETTETTAB00,()()ETTfTfTAB0,()()ETTfTCT上一页下一页返回7.1热电偶热电偶的两个热电极必须是两种不同材料的均质导体，否则热电偶回路的总电势为零。热电偶两接点温度必须不等，否则，热电偶回路总热电势也为零。热电偶A、B产生的热电势只与两个接点温度有关，而与中间温度无关，与热电偶的材料有关，而与热电偶的尺寸、形状无关。2.参考(冷)端温度补偿由热电偶测量温度原理可知，为保证热电偶热电势与被测温度T成单值函数关系，则必须使T0端温度保持恒定。另外，在使用分度表时，要求参考端温度保持在0℃，因此需要对热电偶的参考端加以处理，于是产生热电偶参考端温度补偿问题。常用以下方法保持参考端为0℃或保持恒定。上一页下一页返回7.1热电偶(1)0℃恒温法将热电偶的参考端置于0℃的恒温容器中，从而保证参考端的温度恒为0℃。这种方法只适用于实验室中。(2)参考端恒温法在实际测量中，要把参考端恒定在0℃常常会遇到困难，因此可以设法使参考端恒定在某一常温Tn下。通常采用恒温器盛装热电偶的参考端，或将参考端置于温度变化缓慢的大油槽中。(3)电桥补偿法若实现参考端恒温也有困难，可采用电桥补偿法。当参考端温度t0变化时，若能对热电偶回路提供一个附加电势，其大小与回路热电势因冷端热度t0变动引起的变化相等，但极性相反，达到恰好抵消的目的，从而保证热电路输出不变。电桥就是提供这种附加电势方法中的一种，电路如图7-4所示。上一页下一页返回7.1热电偶图中，在热电偶与显示仪表之间串接一个直流不平衡电桥，称它为参考端补偿器，电桥的输出端串接在热电偶回路中。电桥中的R2、R3、R4三个桥臂电阻由电阻温度系数很小的锰铜丝制作，它们的阻值不随温度变化。另一桥臂电阻Rcu由温度系数较大的铜线绕制。RP为限流电阻，其阻值因热电偶种类而异。电桥的4个电阻与热电偶冷端处于同一个环境温度，其中Rcu阻值随环境温度变化而变化，使电桥产生的不平衡电压的大小和极性随着环境的变化而变化，达到自动补偿的目的。设计时，选择Rcu的阻值使电桥在环境温度20℃时平衡，同时将显示仪表的起始值调整到20℃所对应的位置，即热端温度为t，冷端温度tn=20℃时，电桥输出为零，仪表显示的温度对照热电偶分度表恰好是t值。当热端温度仍为t，参考端湿度(环境温度)升高时，热电偶的输出减少。上一页下一页返回7.1热电偶同时，由于桥臂电阻Rcu的作用电桥有输出，让这个输出电压的极性与热电势的极性顺序串接，使回路内的热电势与电桥输出电压的和仍等于参考端温度tn=20℃时的电势，使仪表显示的温度仍为t；同理，参考端温度小于20℃时，由于不平衡电桥输出电压极性相反，使热电偶回路内热电势增加的部分被电桥输出的负电压抵消，使仪表显示的温度值仍不变。总之，电桥补偿法是利用不平衡电桥随温度变化的输出电压，自动地补偿因热电偶参考端温度变化而引起的热电势的变化。表7-2列出的定型补偿电桥，在热电偶参考端温度的一定变化范围内，能自动地补偿热电势的变化。上一页下一页返回7.1热电偶(4)补偿导线法补偿导线法又称参考端延长法，在实际工作中，热电偶常置于所测的温度场中，指示仪表与温度场往往相距很远。热电偶的材料通常为贵重金属，从经济的角度考虑，常用廉价的补偿导线来完成这种远距离的连接，所用的连接线称为参考端补偿导线或延长线。图7-5所示是补偿导线法示意图。该方法中热电极加长的部分是另外两根不同金属的长导线P和Q，称参考端补偿导线。要求P和Q的热电特性在一定温度范围内(通常指0～100℃)与原热电偶的热电特性相同或相近，这样的两根导线才适合将原热电偶的参考端送到较远的地点去，使参考端的温度相对地变化较小。上一页返回7.2光电池光电池的种类很多，有硅、锗、硒、氧化亚铜等。下面简单介绍硒光电池、硅光电池的结构、工作原理和特性。7.2.1硒光电池1.硒光电池的结构硒光电池的结构示意图如图7-6所示。用1～2mm厚的镀铁或铝板作为底板，其上覆盖一层P型硒半导体，在上面浅镀一层半透明的金属薄膜(如黄金)。这层金属膜和底板就是硒光电池的两个电极。2.硒光电池的工作原理金属与硒半导体接触经热处理后，在金属与硒半导体分界面附近形成阻挡层。若把金属看成N型半导体，则该阻挡层形成的原理与半导体PN结中阻挡层(耗尽层、空间电荷区)形成的原理相同。下一页返回7.2光电池该阻挡层中的内电场对P型半导体中的空穴(多数载流子)和金属中的电子来说，都起阻碍它们扩散的作用，但对P型半导体中的电子(少数载流子)来说却有促使它们向金属进行漂移的作用。当光透过金属膜照射在硒半导体上时，只要光子有足够的能量，半导体中的价电子吸收光子能后被激发产生光生电子-空穴对，由于阻挡层的存在，只有硒半导体中的光生电子通过阻挡层漂向金属，使金属膜因积累电子而成为硒光电池的负极，而硒半导体因积累空穴成为正极，两极间的电位差即为光生电势。若用导线将两电极连接起来，电流将从硒半导体经过导线流向金属膜，在光的不断照射下，可连续产生电流。3.硒光电池的特性(1)硒光电池的伏安特性上一页下一页返回7.2光电池硒光电池的伏安特性如图7-7所示，它是F1、F2、F3等不同光照度下输出电压和光电流关系的曲线族。曲线与横轴交点表示该照度下光电池的开路电压值，曲线与纵轴