传感器5章热电

2014通过本章的学习了解温度传感器的作用、地位、分类和发展趋势；理解热电效应定义，掌握热电偶三定律及相关计算，热电偶冷端补偿原因及补偿方法；掌握热敏电阻不同类型的特点、特性曲线及应用场合；掌握集成温度传感器特点、工作原理和使用方法；了解其他温度传感器工作原理。学习要点第5章热电式传感器2014在各种热电式传感器中，以把温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中，将温度转换为电势大小的热电式传感器叫热电偶；将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫热电阻。目前这两种传感器在工业中被广泛使用。另外利用半导体PN结与温度的关系，可制成PN结型温度传感器（也称为半导体型温度传感器），还有集成温度传感器在实际中也被广泛应用。5.1热电偶热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器，可测温度范围100～1300。根据需要还可测更高或更低的温度。热电偶具有结构简单、使用方便、精度高、热惯性小、可测局部温度和便于远距离传送与集中检测、自动记录等特点。C第5章热电式传感器热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度及与温度有关的参量进行检测的装置。具体说是一种将温度变化转化为电量变化并输出的装置。20145.1热电偶5.1.1热电效应在两种不同的导体或半导体所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就会产生热电势thermo-electricforce（也称塞贝克电势）。这种现象称为热电效应。图5.1热电效应原理实验证明，热电偶回路总的热电势为：)()(),(000TETEdTTTEABABTTABAB式中：为热电势率或塞贝克系数，其值的大小随着热电极材料和两接点温度的变化而定。第5章热电式传感器2014常见普通工业装配式热电偶的外形结构第5章热电式传感器5.1热电偶20141.帕尔帖效应也称为接触效应。将相同温度的两种不同的金属材料互相接触，因为自由电子密度不同，那么，在两金属的接触处会发生自由电子的扩散现象，扩散现象直到在接触面处建立了充分强的静电场，从而阻止电子扩散达到动态平衡，两种不同金属的接触处产生的电势叫接触电势（又称为帕尔帖电势），用来表示。大小由两金属的特性和接点处的温度决定。即)(TEABBAABnneKTTEln回路总的接触电势为：BAABABABnnTTeKTETETTEln)()()(),(000+ABTeAB(T)-接触电势5.1热电偶20142.汤母逊效应也称为温差效应。在一均质棒状导体的一端加热，则此棒状导体会形成温度差，如图所示，导体内的自由电子会从温度高端向温度低的一端扩散，并在低温端积累，致使棒内建立一静电场，当达到动态平衡时，电场对电子的作用力与扩散力相平衡，此时电场产生的电势叫汤母逊电势或温差电势。用来表示，即),(0TTEATTAAdTTTE0),(0回路总的温差电势为：dTTTETTETTEBTTABAAB)(),(),(),(0000为汤母逊系数，表示温差为一度时所产生的电势值。大小与材料性质和导体两端的温度有关。规定：当电流方向与导体温度降低方向一致时，取正值，当电流方向与导体温度升高方向一致时，则取负值。AeA(T,To)ToT温差电势5.1热电偶2014总上所述，热电偶回路，当接点温度时，回路总的热电势为：T0T)()(),(),(),(0000TETETTETTETTEABABABABABdTnnTTeKBTTABA)(ln)(00得到下面结论：(1)若热电偶两电极材料相同，两接点处温度不同，则回路中不会产生热电势。(2)若热电偶两电极材料不同，两接点处温度相同，则回路中不会产生热电势。(3)若热电偶两电极材料不同，两接点处温度不同，则回路中就会产生热电势，大小为：(4)若热电偶一端的温度保持不变，即为常数，则热电偶产生的热电势为热端温度的函数，即：，工程上常采用这种方法进行测量。)()(),(00TETETTEABABAB0T)(0TEAB),(0TTEAB)()(),(0tcTETTEABABT5.1热电偶20144.零电势定律由两种相同材料组成的热电偶和在两接点处温度相同的热电偶，其回路中总的热电势等于零或者说表现为热电偶不产生热电势。5.附加定律也称为标准电极定律。就是说如果导体组成的热电偶所产生的热电势已知为，导体组成的热电偶所产生的热电势已知为，则导体组成的热电偶产生的热电势为：BA,),(0TTEABCA,),(0TTEACCB,),(),(),(000TTETTETTEABACBC5.1.2热电偶的基本定律1.均质导体定律只有两种均质的不同材料组成的热电偶且其两接点处的温度不同时，才会产生热电势。热电势的大小与材料的性质和接点处的温度有关。若材质不均匀时则会产生附加电势。2.中间导体定律在两种不同的材料组成的热电偶回路中接入第三种、第四种等等导体，只要接入导体的两端温度相等且是均质的，则接入以后对热电偶总的热电势没有影响。3.中间温度定律也称为传递性定律，热电偶在接点温度为，时的热电势等于该热电偶在接点温度为，和，时相应热电势的代数和，即：T0TTnTnT0T),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB5.1热电偶20145.1.3热电偶种类和结构(1)热电极电极材料做如下基本要求：1）在测温范围内，热电性质稳定，不随时间而变化，有足够的物理化学稳定性，不易氧化或腐蚀；2）电阻温度系数小，导电率高，比热小；3）测温中产生热电势要大，并且热电势与温度之间呈线性或接近线性的单值函数关系；4）材料复制性好，机械强度高，制造工艺简单，价格便宜。(2)绝缘套管绝缘套管又叫绝缘子，用来防止热电偶两个电极之间的短路。(3)保护管为了使热电偶能够有较长的使用寿命和保证测量的准确度，需要有适当的保护装置，这样可以防止热电极直接和被测介质接触，避免各种有害气体和物质的侵蚀。(4)接线盒热电偶接线盒供热电偶和测量仪表之间连接用，多采用铝合金制成。5.1热电偶20145.1.4热电偶冷端温度及其补偿根据热电效应知道，热电偶的热电势只有在热电极材料一定，且其冷端温度保持不变时，其热电势才能是工作温度的单值函数。而热电偶的分度表是在热电偶冷端温度等于0的条件下测得的，因此使用时，只有满足＝0时，才能直接应用分度表或分度曲线（工程上用表或曲线）；在工程测温中，冷端补偿方式有五种，如下：0T),(0TTEABTC0TC1.查分度表法根据中间温度定律对冷端进行修正，然后查分度表计算。当热电偶冷端的温度不为0而是时，查分度表将较低温度修正后为即可。CnT)0,(),()0,(nnTETTETE2.热电偶补偿导线法在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样，冷端温度比较稳定。热电偶一般为350～2000mm，需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线，它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。5.1热电偶20143.冰点槽补偿方式冷端置于冰点槽中，以获取参考温度0。这种方式比较麻烦，常用于实验室或科学研究中。如右图示C4.恒温槽补偿方式就是将冷端置于恒温槽中，如果恒定温度为，则其冷端的误差为：CT00,)0,(),(00TETETTE5.补偿电桥法全臂电桥：R1,R2,R3--锰铜线绕制电阻（固定电阻）R4--铜线绕制补偿电阻（热电阻）R--限流电阻E--电桥电源；平衡：调整R4，使得电桥输出Uab=0；补偿：6.软件处理法冷端温度↑热电偶输出热电势Ex↓R4↑→失衡→Uab↑若Ex↓=Uab↑→输出不变5.1热电偶20145.1.5热电偶温度测量电路1.测量单点温度的电路2.测量多点温度的电路用几个同样的热电偶串联，可测几点温度之和，也可测几点的平均温度，可作为测微小温度变化电路用。(a)普通测温电路(b)带有补偿器的测温电路(c)带有温度变送器的测温电路(d)一体化温度变送器测温电路多点温度测量电路TEE41＝平均平均温度为：0,4030201),(),(),(TTETTETTETTEEABABABABT0,4030201),(),(),(TTETTETTETTEEABABABABT总的热电势为：5.1热电偶2014（1）、单点温度测量5.1热电偶2014（2）、测量两点的温度差用两只相同型号的热电偶，配用相同的补偿导线，反向串联。产生热电势为ET=EAB（T1，T0）—EAB（T2，T0）显示仪表CBADBAT2T1T0T0C5.1热电偶2014热电阻是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，一般把金属热电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏电阻。而大多数金属热电阻具有正的温度系数，即温度越高电阻越大。5.2热电阻一般情况下，热电阻是由电阻体、保护层、接线盒、引线等组成。如图所示热电阻传感器的结构图。1-电阻体2-不锈钢管3-安装固定元件4-接线盒5-引线处6-绝缘管7-引线端8-保护膜9-电阻丝10-体心柱。5.2.1热电阻的组成与结构Pt100：20145.2.3热电阻的基本测温电路下图是3线式测温电路。电路中铂热电阻RT与高精度电阻R1～R3组成桥路，而且R3的一端通过导线接地。Rw1、Rw2和Rw3是导线等效电阻。流经传感器的电流路径为VT—R1—Rwl—RT一Rw3一地，流经R3的电流路径为VT—R2一R3一Rw2一Rw3一地。如果电缆中导线的种类相同，导线电阻Rw1和Rw2相等，温度系数也是一样的，因此，即使电缆长度改变，温度系数也会一起跟着改变进行温度补偿。另一方面，流经Rw3的两电流也都是相同的，不会影响测量结果。三级放大5.2热电阻2014热敏电阻是一种利用半导体材料制成的敏感元件，热敏电阻灵敏度高，是热电阻灵敏度的几百倍，可以完成更精确的温度测量任务；体积小，可以制成各种不同的形状；还具有稳定性好、使用方便、寿命长、工作温度范围宽、过载能力强等优点。但是它的电阻与温度变化关系线性特性差。1.热敏电阻的组成与结构一般情况下，热敏电阻是由热敏元件1、引线2及壳体3组成，是用金属氧化物半导体材料在不同的条件下烧制而成的，如右图所示。热敏电阻按受热方式可以分为直热式和旁热式两种，直热式热敏电阻一般做成二端口器件，旁热式热敏电阻一般做成三端口或四端口器件。5.3热敏电阻2014MF58型高精度负温度系数热敏电阻的外形结构热敏电阻的温度系数可以分为正温度系数，负温度系数和临界温度系数PTCNTCCTR5.3热敏电阻2014NTC二极管封装环氧封装、小型化高精度；响应时间快；稳定性好根据不同用途有多种封装结构；使用温区宽高稳定性、高可靠性根据不同用途有多种封装结构；使用温区宽；高稳定性、高可靠性；为客户提供多种便捷服务家用冰箱、空调器；电热水器、整体浴室；冰柜、豆浆机环氧封装、小型化、精度高；可靠性高、响应时间快；引线采用聚脂漆包线、耐热、绝缘性好5.3热敏电阻2014热敏电阻的应用家用电器电熨斗、电冰箱、电饭煲、洗衣机、电暖壶、烘干机、电烤箱、空调机、电热毯、热水器、热得快、电磁炉、汽车电子电子喷油嘴、空调机、发电机防热装置、电热座椅测量仪器流量计、风速表、真空计、浓度计、湿度计、空气传感器、环境监测仪、办公设备复印机、传真机、打印机、扫描仪农业园艺温室控制、人工气候箱、烘干系统、医疗器具体温计、人工透析、散热系统工业生产电动机过热保护、2014集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片上的传感器，是利用半导体PN结的伏安特性与温度之间的关系研制成的一种固态传感器。测温范围一般为-50~+150。集成温度传感器具有直接给出正比于绝对温度的理想线性输出；体积小、成本低；精度适中、灵敏度高；使用方便等优点。集成温度传感器的输出形式分为电压型和电流型两类。C5.4集成温度传感器20145.4.1集成温度