传感器读书报告

6/16/2020传感器读书报告1传感器读书报告题目：热电偶传感器读书报告姓名：卫璐瑶学号：20131001241院系：数理学院班级：122131专业：物理学任课教师：刘忠池6/16/2020传感器读书报告2一、简介温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中最普遍的传感器之一，是一种将温度转换为电势变化的传感器。二、热电偶温度传感器的特点1、结构简单；2、测量范围广3、准确度高4、热惯性小5、输出信号为电压信号6、可以测量流体、固体以及固体壁面的温度7、微型热电偶可以用于快速及动态温度的测量三、热电偶的理论基础在热电效应的基础上，热电偶温度传感器可以将温度变化量转化为热电势，即将热能转化为电能。将两种不同的材料的导体A和B两端点连接在一起，一端的温度为T0,另一端的温度为T，组成一个闭合回路。如果两个结点温度不同，则回路中将产生一定的电势，称为热电势（因为热电势是由塞贝尔发现的，所以热电势也称为赛贝尔电势），其大小与材料的性质以及结点温度有关，即EAB=f(材料，T0，T)，这种物理效应称为热电效应。如下图：ＢAT0T6/16/2020传感器读书报告3A、B为两种不同材料的导体，A、B的两端点连接在一起，一端温度为T，另一端温度为T0，设TT0,这时在回路中将产生一个与温度T、T0以及两导体材料性质有关的电势。实验证明，回路中的总电势为：EAB(T，T0)=EAB(T)-EAB(T0)研究指出，EAB是由帕尔帖效应和汤姆逊效应两个效应引起的，即：热电势EAB(T，T0)=接触电势+温差电势。下面介绍这两种电势以及热电势。1、温差电势（汤姆逊效应）对于同一种导体（或半导体），由于导体（或半导体）两端温度不同，在两端形成电势的现象称为汤姆逊效应。如图：设T2T1，由于T1不等于T2，一个导体两端存在温差，则导体两端的电子密度就不同，温度高的T2（A）一端的电子密度nA大于温度低的T1（B）一端的电子密度nB,即nAnB，并且温度高的T2端电子动能也大于温度低的T1端的电子动能，所以电子必从A端向B端扩散，造成正负电荷在A、B两端分别堆积，从而在导体内形成电场E。这种非静电来源于热扩散的作用，可等效T6/16/2020传感器读书报告4为有一个非静电力K1在推动电子运动的结果。实验表明，K1的大小正比于温度的梯度。当电子达到动态平衡时，导体两端形成的电位差应等于力推动电荷所做的功，即由此知道，汤姆逊系数（汤姆逊系数指的是当导体两端的温度差为1℃时所产生的电动势）的大小与导体的材料性质、导体两端的平均温度有关。通常规定：当电流方向与导体温度低的一方一致时，汤姆逊系数取正值；当电流方向与温度高的一方一致时，汤姆逊系数取负值。对于有两种材料A与B组成的热电偶回路，当结点温度TT0时，回路的温差电势等于两导体温差电势的代数和，即：由此知，热电偶回路的温差电势只与热电极材料A、B两结点的温度T、T0有关，而与热电极的几何尺寸（如长度、粗细等）和沿热电极的温度分布无关。如果T=T0，则温差电势为零。2、接触电势（帕尔帖效应）两种不同材料的金属A和B接触时，在它们的接触面上也会形成电势差，称为内接触电势。这种效应即为帕尔帖效应。如图所示，6/16/2020传感器读书报告5设A、B导体电子密度分别为nA、nB,且nAnB,则由于nAnB，在两导体的接触处会发生自由电子的扩散现象，自由电子将从密度大的A导体一方向密度小的B导体一方扩散（即形成所谓的扩散电流），使A导体失去电子而带正电，B导体得到电子而带负电，正负电荷的对垒使得在A、B接触面上形成了由A向B的静电场，该电场将阻止电子进一步扩散，直到电子扩散力与电场力达到平衡。这时，在A、B之间就建立起一个稳定的电势，像这样在两种不同导体接触面上形成的电势，称为帕尔帖电势，又称为接触电势。此电势由两导体的材料性质和接触面处的温度T决定，根据电子学理论有;E’AB（T）=[k*T*ln(nA/nB)]/e;EAB（T0）=[k*T0*ln(nA/nB)]/e;式中，k为玻尔兹曼常数，k=1.38*pow(10,-23)J/K;T，T0为接触处的绝对温度（单位为开尔文）；nA，nB分别为A、B导体的自由电子密度；e为自由电子电荷量，e=1.6*pow(10,-19)C。由于E’AB（T）与EAB（T0）方向相反，故回路的接触电势为：6/16/2020传感器读书报告6E’AB（T）-EAB（T0）=[k*T*ln(nA/nB)]/e-[k*T0*ln(nA/nB)]/e即E’AB（T）-EAB（T0）=[k*(T-T0)*ln(nA/nB)]/e3、热电势热电势为温差电势与接触电势之和，EAB=EAB(T)-EAB(T0)，其中EAB(T)称为热端分热电势，EAB(T0)称为冷端分热电势。4、多种材料的热电势对于仅有A、B两种材料组成的热电偶，E=EAB（T）-EAB（T0）=EAB（T）+EBA（T0）；对于由n种不同材料串联组成的闭合回路，结点温度分别为T1、T2、T3、……、Tn的情况下，其热电势可用下式计算：E=EAB（T１）+EBC（T２）+ＥCD（T3）+……+TNA(Tn)，式中EAB（T１）、EBC（T２）、ＥCD（T3）、……、ENA(Tn)分别为材料A和B、B和C、C和D、……、N和A的结点温度分别为T1、T2、T3、……、Tn时的热电势。综合以上所述，可得到以下推论：（1）如果热电偶两个电极材料相同，两结点温度不同，不会产生热电势；如果热电偶两极材料不同，两结点温度相同，同样不会产生热电势。只有当热电偶的两导体材料不同且结点两端温度不同时才会热电势；（2）只有用不同性质的导体（或半导体）才能组成热电偶；（3）如果热电偶两电极材料不同，且A、B材料固定后，热电势EAB仅为温度的函数。如果使EAB（T0）=常数C，则回路热电势EAB(T,T0)就只与温度T有关，是温度T的单值函数，即EAB=EAB6/16/2020传感器读书报告7(T)-EAB(T0)=EAB(T)-C（其中C为常数），这就是利用热电势测温的原理。热电偶的温度与热电势之间的函数关系可以用函数形式表示出来，也可以用表格形式表达出来。通常把温度较高的一端成为热端（也称为工作端），温度较低的一端称为冷端（也称为自由端）。在工业应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以备查用。四、热电偶的基本定律a)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体C，(如下图)由热电效应知：EABC（T1,T2）=EAB(T1,T2)证明:EABC（T1，T2）=EAB(T1)+EBC(T2)+ECA(T2)【式1】。当T1=T2时，回路中不会有热电流流过，即EABC（T1，T2）=0，那么EAB(T2)+EBC(T2)+ECA(T2)=0，得到EAB(T2)=-（EBC(T2)+ECA(T2)）【式2】。将式2代入式1，即可得到EABC（T1,T2）=EAB(T1,T2)。由A和B导体组成的热电偶，当接入第三种导体C时，只要保持导体C两端温度相同，则接入第三种导体后，回路总电势6/16/2020传感器读书报告8不受任何影响，仍为原A、B导体所组成的热电偶的电势，这就是中心导体定律。根据中心导体定律，我们可以得出如下推论：我们可以在热点偶回路中接入电位计（或者其他仪表、连接导线等），只要保证电位计与连接热电偶处的结点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，从而准确的测量出回路中的热电势或热电流的大小。b)标准电极定律如果两导体（A和B）分别与第三种导体（C）组成的热电偶的电势已知，则这两个导体（A和B）组成的热电偶的热电势为：EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T，T0）或者为：EAB（T,T0）=EAC（T,T0）-EBC（T，T0）证明：如下图：由图可知：EAC(T,T0)=EAC（T）-EAC（T0）【式1】EBC（T，T0）=EBC（T）-EBC（T0）【式2】EAB（T,T0）=EAB（T）-EAB（T0）【式3】联立上面式1、式2、式3即可得到：EAB（T,T0）=EAC（T,T0）6/16/2020传感器读书报告9-EBC（T，T0），此即证明了标准电极定律。这里的C为标准电极，在实际应用中，标准电极通常取用纯铂，因为铂金易得到纯态，且物理、化学性质稳定，熔点高。采用标准电极可以大大的方便热电偶的选配，只要知道材料与标准电极的热电势，就可以知道任何两种材料配成热电偶时的热电势。3、均质导体定律沿导线长度方向各部分化学成分相同的导体称为均质导体。由一种均质导体组成的闭合回路，无论导体的截面积、长度、各处的温度如何，都不能产生热电势，即回路中总的热电势恒为零。均质导体定律说明，热电偶必须由两种不同材料的导体组成，且热电偶的热电势只与电极材料及两结点的温度有关，而与热电势两热电极的几何尺寸（长度、直径）以及沿热电极长度方向的温度分布无关。如果热电偶的热电极材料是非均质导体，则在不均匀的温度场中测温时会造成测量误差。根据均质导体定律可以检验热电极材料的不均匀性，也可以检验两种材料是否相同。4、连接导体定律在热电偶回路中，如果导体A、B分别于导体A’、B’相接，接点温度分别为T、Tn、T0，则回路总电势等于热电偶热电势和连接导体热电势的代数和，即EABA’B’（T,Tn,T0,Tn）=EAB(T,Tn)+EA’B’（Tn,T0）6/16/2020传感器读书报告10如下图：若A’、B’材料的热电特性在Tn～T0(低温区)之间与A、B材料的热电特性相同，则可用A’、B’材料代替A、B来延长热电偶。连接导体定律为在用热电偶测温时使用补偿导线提供了理论依据。在100摄氏度以下的范围内，与所匹配热电偶有相同热电特性的廉价金属导线就可以用来延长该热电偶，将这对导线称为该热电偶的补偿导线。工业常常运用补偿导线进行温度测量，连接导体定律成为工业测温的理论基础。5、中间温度定律热电极为A、B的热电偶在结点温度T、T0时的总热电势EAB（T，T0），等于同一热电偶在结点温度为T、Tn和Tn、T0时的热电势EAB（T，Tn）和EAB（Tn，T0）的代数和，也即热电势只与材料及温度有关，而与热电极的中间温度Tn的大小无关。如下图：6/16/2020传感器读书报告11中间温度定律的表达式为：EAB（T，T0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn，T0）中间温度定律为制定热电势分度表奠定了理论基础。只要测得参考端为0℃时的热电势与温度的关系，就可以根据中间温度定律的表达式求出参考端温度不等于0℃时的热电势。五、热电偶测量温度的基本原理根据中间导体定律，把第三种导体C换成毫伏表，并保持两个结点温度一致，就可以完成任何温度场的温度测量。如下图：导体A和B组成热电偶，第三种导体C为毫伏计，毫伏计与A、B热电偶冷端的两个结点温度均为冷端温度T0，而热电偶A、B的热端置于需要测量的温度场中，这样根据中间导体定律，由A、B、C组成的回路总电势为：EABC（T,T0）=EAB（T,T0）=EAB（T）6/16/2020传感器读书报告12-EAB（T0），当保持温度T0为常数时，则EAB（T0）=C时，有：EABC（T,T0）=EAB（T,T0）=EAB（T）-C（其中C为常数）成立。EABC（T,T0）=EAB（T,T0）=EAB（T）-C就是热电偶测温的理论基础，只要保持冷端温度T0不变，则热电偶的输出电势就是所测温度T的单值函数，即热电偶的输出电势EAB（T,T0）就反映了被测温度的大小。六、冷端温度补偿1、冷端补偿热电偶测温必须保持测量温度与被测温度保持单值关系，只有EAB（T0）=C才会满足条件。在确定EABC（T,T0）=EAB（T,T0）=EAB（T）-C的函数关系时，不是用精确的数学表达式计算出来，而是用实验方法，采用分度表的形式表达出温度与电势之间的关系值。在制作分度表时，通常是用热电偶的冷端温度T0等于0℃的条件，所以在使用热电偶时，只有满足冷端温度T0等于0℃的条件，才能直接使用分度表或分度曲线。在工程测温中，冷端温度经常