第八章_热电式传感器(讲稿)

热电传感器热能电能测量：温度、与温度有关的参量——热电偶温度电势电阻金属半导体热电阻热敏电阻——PN结型温度传感器热电式温度传感器主要内容热敏电阻式传感器–金属热电阻–半导体热电阻热电偶式传感器–工作原理–测量电路晶体管与集成温度传感器–晶体管温度传感器–集成电路温度传感器其他类型的温度传感器§8-1热敏电阻式传感器热电效应：物质的电阻率随其本身温度的变化而变化，这一物理现象称为热电阻效应利用热电阻效应原理制成的温度敏感元件称为热敏电阻一、金属热电阻热电阻材料特点（1）高温度系数、高电阻率（2）较宽测量范围内具有稳定的物理和化学性质（3）良好的输出特性（4）良好工艺性材料温度系数α（1/℃）比电阻ρ（.mm2/m）温度范围（℃）特性铂3.92×10-30.0981-200~+650近线性铜4.25×10-30.0170-50~+150线性铁6.50×10-30.0910-50~+150非线性镍6.60×10-30.1210-50~+100非线性原理：金属材料的电阻随温度变化而变化)1(20BtAtRRt])100(1[320ttCBtAtRRt0~630℃-200℃~0℃其中，Rt、R0——温度为t℃和0℃时的电阻；A、B、C为常数：A=3.983×10-3/℃B=-5.86×10-7/℃2C=-4.22×10-12/℃41、铂电阻一、金属热电阻国际温标IPTS-68规定：在–259.34℃~630.74℃内，以铂电阻作为温度基准器优点：（1）易提纯；（2）在高温和氧化性介质中性能稳定；（3）输出近线性；（4）测量精度高。1、铂电阻一、金属热电阻2、铜电阻其中，A、B、C为常数：A=4.28899×10-3/℃B=-2.133×10-7/℃2C=1.233×10-9/℃3)1(320CtBtAtRRt-50℃~150℃模型1：精确计算时一、金属热电阻模型2：简便计算，常用二项式计算)(1000ttRRt其中，Rt、R0——温度为t℃和t0℃时的电阻；——温度为t0℃时的温度系数。02、铜电阻一、金属热电阻优点（1）易提纯；（2）物理、化学特性稳定；（3）输出近线性；（4）价格低廉。缺点（1）电阻率低；（2）体积较大，热惯性较大；（3）温度高于100℃易氧化。2、铜电阻一、金属热电阻3、其它热电阻——低温、超低温材料温度范围优点缺点铟电阻室温~4.3K4.2~15K，灵敏度是铂的10倍。材料软，重复性差。锰电阻63~2K（-271℃~-210℃）灵敏度高材料脆，难拉成丝。碳电阻-273℃~-268.5℃液氦温域价格低廉，对磁场不敏感。热稳定差一、金属热电阻4、热电阻的测量电路（1）、三线制uA1R2R4RtRrrrE21RR若142RRRRt则r=0，导线电阻r对测量无影响1142)(RrRrRRRt)()(421rRRrRRt平衡：r：电桥电源；2r：相邻臂一、金属热电阻IURt（1）不受其它条件约束；（2）恒流源I稳定。（2）、四线制电位差计SEtRIIrrrr4、热电阻的测量电路一、金属热电阻二、半导体热敏电阻玻璃壳热敏电阻引线（a）珠状（b）片状（c）杆状（d）垫圈状优点：（1）结构简单、体积小、可测点温度；（2）电阻温度系数大，灵敏度高（10倍）；（3）电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。采用半导体材料制成的温度传感器分类负温度系数热敏电阻：NTC正温度系数热敏电阻：PTC临界温度系数热敏电阻：CRT04080120160200106104102100温度℃电阻CTRNTCPTC二、半导体热敏电阻NTC热敏电阻的主要特性二、半导体热敏电阻1、NTC的电阻-温度特性：TBTAeR试验求A、B2211TTRTRT11TBTAeR22TBTAeR)211(211TTBTTeRR对于NTC型热敏电阻，在一定温度内，热敏电阻的R-T特性符合指数规律，即11TBTeRA211221lnTTRRTTTTBTR00expTBTBRRT0T0R——0℃（273.15K）——0℃时的阻值1、NTC的电阻-温度特性：二、半导体热敏电阻NTC热敏电阻的主要特性2、NTC的伏安特性：在稳定情况下，热敏电阻两端的电压与流过电阻电流的关系IU电流较小：线性，欧姆定律电流增加：阻值减小、非线性电流较大：阻值减小超过电流增加二、半导体热敏电阻NTC热敏电阻的主要特性3、NTC的温度系数TdTdRRT1dTAedAeTBTB)(12TB.constT低温段比高温段灵敏TT：灵敏度比金属热电阻高（10倍）二、半导体热敏电阻NTC热敏电阻的主要特性在任意温度下温度变化1°C(K)时的零负载电阻变化率电阻网络（线性化网络）：精密电阻与热敏电阻串、并联XTSRRRTRS1TRUI1、串联法AITRXRETRXRTRXTRRNTC的线性化处理二、半导体热敏电阻NTC的线性化处理二、半导体热敏电阻2、并联法TRXRTRXRTRXTRR//XTXTRRRRR电阻网络（线性化网络）：精密电阻与热敏电阻串、并联NTC的线性化处理二、半导体热敏电阻应用举例二、半导体热敏电阻工作原理测量电路§8-2热电偶式传感器一、热电偶式传感器的工作原理MABT0T热电偶、热电极、热端、冷端（一）温差电现象将两种不同材料组成一个闭合回路，如果两个结点的温度不同，则回路中将产生一定的电流（电势），其大小与材料性质及结点温度有关，称这种物理现象为温差电现象，这个电势称作热电势热电势产生的原因（1）接触电势扩散BAnn扩散电场)(TEAB漂移ABBAABnnekTTEln)(KJk/1038.123Ce19106.1BAnn、——自由电子密度一、热电偶式传感器的工作原理(一)温差电现象TTAAdTTTE0),(0A——温差系数0TT、——热端和冷端的绝对温度（2）温差电势MABT0T热端冷端热电势产生的原因一、热电偶式传感器的工作原理(一)温差电现象（3）回路的总热电势),(),()()(),(0000TTETTETETETTEBAABABABTTBTTABABAdTdTnnekTnnekT00lnln0TTBABAdTTTnnek0)()(ln0热电势产生的原因一、热电偶式传感器的工作原理(一)温差电现象0,,TTnnBABA0,,TTnnBABA0),(0TTEAB产生热电势的条件：热电偶不同电极材料两端温度不同)()(),(0TCTETTEABAB则CT00令试验方法求解)()(),(00TETETTEABABAB)(ln0TTnnekBA忽略温差电势：（3）回路的总热电势热电势产生的原因一、热电偶式传感器的工作原理(一)温差电现象40080012001600705030100温度℃热电势（mV）铁-考铜镍铬-考铜EA2镍铬-镍硅EV2铂铑-铂LB-3热电势产生的原因一、热电偶式传感器的工作原理(一)温差电现象(二)、热电偶基本定律1、中间导体定律导体A、B组成的热电偶中插入第三种导体C，只要导体C两端温度相同，则对热点偶总热电势无影响。一、热电偶式传感器的工作原理意义：可用电器测量仪表直接测量热电势MABCT0T123MCABBT0T1T12342、连接导体定律),(),(),,(00TTETTETTTEnCDnABnABCD热电偶导体A、B分别与连接导线C、D相接，总热电势为两部分的代数和。T0TnTnTABCD意义：运用补偿导线法进行温度测量的理论基础(二)、热电偶基本定律一、热电偶式传感器的工作原理3、中间温度定律),(),(),,(00TTETTETTTEnCDnABnABCD若导体A与C、B与D的材料分别相同，则：),(),(),,(00TTETTETTTEnABnABnAB意义：为制定分度表奠定了理论基础),(),,(),(00TTETTTETTEnABnABnABCTCTn。。，其中，000已知温度T0=0℃时的热电势-温度关系，可求得参考温度不为0℃时的热电势。(二)、热电偶基本定律一、热电偶式传感器的工作原理4、参考电极定律若两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶的热电势已知，则A、B组成的热电偶也已知。BAABCC0TT标准电极：铂),(0TTEAB),(),(00TTETTEBCAC(二)、热电偶基本定律一、热电偶式传感器的工作原理例：已知mVEmVEBCAC354.8)0,5.1084(,967.13)0,5.1084(求：?)0,5.1084(ABE)(613.5354.8967.13)0,5.1084(mVEAB(二)、热电偶基本定律一、热电偶式传感器的工作原理（三）、热电偶的结构种类1、热电偶的结构（1）热电极（2）绝缘材料（3）保护套管（4）接线盒与介质隔离，优良传热性能防止电极间短路：氧化铝管、耐火陶瓷铝合金热电性质稳定物理化学性质稳定电阻温度系数小、电阻率高输出热电势大、输出呈线性复制性好、工艺简单、价格低贵金属普通金属一、热电偶式传感器的工作原理2、热电偶的种类种类特点普通热电偶测量气体、蒸汽和液体等介质的温度，标准化铠装热电偶（缆式热电偶）动态响应快、测量端热容量小、挠性好、强度高、种类多薄膜热电偶测量微小面积和瞬时变化的温度、热容量小、动态响应快表面热电偶测量金属块、炉壁、橡胶筒、涡轮叶片、轧辊等固体的表面温度浸入式热电偶直接插入液体中测量：钢水、铜水、铝水、熔融合金一、热电偶式传感器的工作原理（三）、热电偶的结构种类测量范围（℃）名称型号分度号长期短期铂铑-铂铑WRLLLL0～16000～1800铂铑-铂铂铑-铂181.21WRLBLB-30～13000～1600镍铬-镍铝镍铬-镍铝镍铬-镍硅WREU181.11EREUEU-2EU-2EU-20～10000～1300镍铬-考铜WREAEA-20～6000～900铁-考铜镍铬-镍铜-康铜181.310～6000～10000～9000～12000～400常用热电偶型号及测温范围二、热电偶实用测量电路1、测量单点温度MczABRRRTTEI),(0MczRRR、、——热电偶、补偿导线和仪表内阻T0TnTnTABCD0TMLR2、测量两点之间的温差仪表AABB1T2TCCDTE0T0T)()()(001TETETEEDBBDABT)()()(002TETETECAACBA)()(21TETEEBAABT)()(21TETEABAB3、测量平均温度AABB1T2TTE0T0TAB0T3T1E2E3E仪表3R2R1R3321EEEET),(),(),(31030201TTETTETTEABABAB缺点：当有一只热电偶烧断时，不易察觉。二、热电偶实用测量电路4、测量几点温度之和AABB1T2TTE0TAB3T仪表0T0T0TCCCDDD)()(01TETEEDCABT)()(03TETEDCAB)()(02TETEDCAB)()()(201TETETEEABABABT)()()(030TETETEABABAB),(),(),(030201TTETTETTEEABABABTTEE31平均)()(00TETEBADC)(0TEAB5、热电偶冷端补偿方法1、0℃恒温法标准大气压下，冰水混合物2、恒温修正法3、补偿电桥法冷端T=20℃0abUxABEUT升高4R0abUExabxABUEU不变)0,()0,(),(01101TETETTE冷端保持恒定温度T0：T0=50℃321RRR、、锰铜丝04R铜导线为正1R2R4RRaE3RbcdxEABxT冷端补偿器§8-3PN结型温度传感器种类特点热电偶优点：测温范围宽缺点