第九章 热电式传感器优秀PPT.ppt

第九章热电式传感器第一页，本课件共有92页第九章第九章 热电式传感器热电式传感器9-1 9-1 热电阻传感器热电阻传感器热电阻传感器热电阻传感器是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和温度有关的参数进行检测的装置。度和温度有关的参数进行检测的装置。热电阻效应热电阻效应物质的电阻率随温度变化而变化的现象。物质的电阻率随温度变化而变化的现象。金属原子最外层的电子能自由移动，当加上电压以后，这些无金属原子最外层的电子能自由移动，当加上电压以后，这些无规则移动的电子就按一定的方向流动，形成电流。随着温度的增加，规则移动的电子就按一定的方向流动，形成电流。随着温度的增加，电子的热运动剧烈，电子之间、电子与振动的金属离子之间的碰撞电子的热运动剧烈，电子之间、电子与振动的金属离子之间的碰撞机会就不断增加，因此电子的定向移动将受到阻碍，金属的机会就不断增加，因此电子的定向移动将受到阻碍，金属的电阻率电阻率也随之增大。也随之增大。第二页，本课件共有92页取一只取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484。第三页，本课件共有92页热电热电阻材料的特点阻材料的特点(1).(1).高温度系数、高高温度系数、高电电阻率。阻率。这样这样在同在同样样条件下可加快反条件下可加快反应应速度，提高灵敏度，减小体速度，提高灵敏度，减小体积积和重量。和重量。(2).(2).化学、物理性能化学、物理性能稳稳定。定。以保以保证证在使用温度范在使用温度范围围内内热电热电阻的阻的测测量准确性。量准确性。(3).(3).良好的良好的输输出特性。出特性。即必即必须须有有线线性的或者接近性的或者接近线线性的性的输输出。出。(4).(4).良好的工良好的工艺艺性，以便于批量生性，以便于批量生产产、降低成本。、降低成本。第四页，本课件共有92页实践证明，纯金属、铂、铜、铁和镍是比较适合的材料，其中实践证明，纯金属、铂、铜、铁和镍是比较适合的材料，其中主要应用的是主要应用的是铂和铜铂和铜。铂铂是一种贵重金属，其物理和化学性能非常稳定，是制造热电阻是一种贵重金属，其物理和化学性能非常稳定，是制造热电阻的最好材料，主要作标准电阻温度计。的最好材料，主要作标准电阻温度计。铜铜可用来制造可用来制造-50150范围内工业用电阻温度外，特范围内工业用电阻温度外，特点是点是价格低廉价格低廉，缺点是，缺点是电阻率低电阻率低，且，且容易氧化容易氧化，一般用在较低温，一般用在较低温度和没有水分和浸蚀性的介质之中。度和没有水分和浸蚀性的介质之中。l铂丝的电阻值与温度之间的关系铂丝的电阻值与温度之间的关系在在-2000范围内，范围内，RtR01+At+Bt 2+C(t100)t 3（1）在在0850范围内，范围内，RtR01+At+Bt 2（2）R0当温度为当温度为0时的电阻值；时的电阻值；Rt温度为温度为t时的电阻值；时的电阻值；A、B、C由实验确定的常数。由实验确定的常数。A3.9080210-3/B=-5.80210-7/2C-4.2735010-12/4第五页，本课件共有92页即便在氧化性介质中，其物理、化学性能都很稳定；易提纯，复现性好，有良好的工艺性；有较高的电阻率；在还原性介质中性能易受影响；电阻温度系数不太高；价格贵。铂电阻的特点铂电阻的特点第六页，本课件共有92页目前我国常用的铂电阻有两种，值分别为目前我国常用的铂电阻有两种，值分别为50和和l00，电阻值与温度，电阻值与温度t的关系统一列成表格，称其为铂电的关系统一列成表格，称其为铂电阻的阻的分度表分度表，分度号分别为，分度号分别为Pt100和和Pt50。分度表制表方法为：当在分度表制表方法为：当在200t0时，用式时，用式1；而；而当当0t850时，用式时，用式2，每隔，每隔1求取一个相应的值，求取一个相应的值，即可制成铂热电阻分度表。即可制成铂热电阻分度表。使用标准分度表时，只要知道热电阻阻值，即可从分度表中取与对应使用标准分度表时，只要知道热电阻阻值，即可从分度表中取与对应的温度值。的温度值。第七页，本课件共有92页在在-50150温度范围内，铜电阻与温度之间的关系为：温度范围内，铜电阻与温度之间的关系为：RtR0(1+At+Bt 2+Ct 3)Rt温度为温度为t时的铜电阻值时的铜电阻值R0温度为温度为0时的铜电阻值时的铜电阻值A、B、C常数常数A4.2889910-3/B-2.13310-7/2C1.23310-9/3l铜丝的电阻值与温度之间的关系铜丝的电阻值与温度之间的关系目前，铜：目前，铜：Cu50、Cu100铂的测温精度很高，达铂的测温精度很高，达0.001铜铜0.5（5050），），1（50150）第八页，本课件共有92页铜电阻的特点铜电阻的特点电阻率小；容易氧化；价格便宜。第九页，本课件共有92页其它热电阻其它热电阻铁铁/镍热电阻：电阻温度系数比铂和铜高，电阻率镍热电阻：电阻温度系数比铂和铜高，电阻率也较大，可做成体积小、灵敏度高的温度计，但也较大，可做成体积小、灵敏度高的温度计，但易氧化，不宜提纯且电阻与温度非线性，仅用于易氧化，不宜提纯且电阻与温度非线性，仅用于-50100；用的较少。；用的较少。铟电阻：铟电阻：-269-258；测量精度高，灵敏度；测量精度高，灵敏度高，但重现性差。高，但重现性差。锰电阻：锰电阻：-271-210；灵敏度高，但脆性高，；灵敏度高，但脆性高，易损坏；易损坏；炭电阻：炭电阻：-273-268.5；热容量小，灵敏度高，；热容量小，灵敏度高，价格低，易操作，但热稳定性较差。价格低，易操作，但热稳定性较差。第十页，本课件共有92页热电阻的结构和类型热电阻的结构和类型热电阻电阻体绝缘套管接线盒热电阻电阻体绝缘套管接线盒（1）普通型热电阻）普通型热电阻第十一页，本课件共有92页第十二页，本课件共有92页(2)(2)铠装热电阻铠装热电阻铠装热电阻的结构较为特殊。热电阻体与保护套封装成一个整体，铠装热电阻的结构较为特殊。热电阻体与保护套封装成一个整体，具有良好的机械性能，耐振动与冲击，有良好的挠性，便于安装，具有良好的机械性能，耐振动与冲击，有良好的挠性，便于安装，不受有害介质侵蚀，外径尺寸可以做得很小，反应速度快，适用于不受有害介质侵蚀，外径尺寸可以做得很小，反应速度快，适用于安装在结构复杂的设备上进行测温，使用寿命较长。安装在结构复杂的设备上进行测温，使用寿命较长。第十三页，本课件共有92页(3)(3)薄膜热电阻薄膜热电阻 薄膜热电阻是用真空镀膜法将铂直接蒸镀在陶瓷基体上制成的热电薄膜热电阻是用真空镀膜法将铂直接蒸镀在陶瓷基体上制成的热电阻，薄膜热电阻减少了热惯性，提高了灵敏度和响应速度，适用于平阻，薄膜热电阻减少了热惯性，提高了灵敏度和响应速度，适用于平面物体的表面温度和动态温度的测量。面物体的表面温度和动态温度的测量。第十四页，本课件共有92页WZP系列装配式铂电阻系列装配式铂电阻及铠装电阻芯及铠装电阻芯用于一般工业场测温用于一般工业场测温使用温度-200700高强度石英管测温铂电阻高强度石英管测温铂电阻温度范围温度范围-100C至至+500C适用于镀锌锅炉、耐酸、耐碱适用于镀锌锅炉、耐酸、耐碱等强腐蚀场合等强腐蚀场合注注:不耐氢氟酸及磷酸不耐氢氟酸及磷酸WZP系列工业热电阻作为测量温度的传感器，通常和显示仪表、记录仪表系列工业热电阻作为测量温度的传感器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器和电子调节器配套使用。它可以直接测量各种生产过程中从配套使用。它可以直接测量各种生产过程中从-200-420范围内的液体、蒸汽和气体介范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。质以及固体表面温度。第十五页，本课件共有92页精密温度传感器精密温度传感器PtWD1A型-100300误差小于0.1，精度为超A级天燃气流量计天燃气流量计温度补偿用铂电阻温度补偿用铂电阻天燃气涡轮流量计等用天燃气涡轮流量计等用油浸变压器用铂电阻油浸变压器用铂电阻第十六页，本课件共有92页医疗器械铂电阻医疗器械铂电阻薄模铂电阻元件薄模铂电阻元件用用于汽车工业、白色家电，食品加工业、医疗行业。于汽车工业、白色家电，食品加工业、医疗行业。尺寸：尺寸：2.3mm2.1mm0.9mm（长（长宽宽高）高）线长线长10mm第十七页，本课件共有92页防水封装铂电阻防水封装铂电阻核心元件：德国进口精密铂电阻（核心元件：德国进口精密铂电阻（PT100PT1000）元件精度：元件精度：0.15(A级级)0.30(B级级)封装材料：镀镍铜管或不锈钢管封装材料：镀镍铜管或不锈钢管管料尺寸：管料尺寸：4*25mm连接线：连接线：PVC包胶电缆线（可选择耐高温型的）包胶电缆线（可选择耐高温型的）第十八页，本课件共有92页WZC-111/12*1000mmCu50第十九页，本课件共有92页l热电阻测量线路热电阻测量线路利用热电阻测量温度实际是测量热电阻工作状态利用热电阻测量温度实际是测量热电阻工作状态下的阻值，由电阻和温度之间的关系，求出被测温度，下的阻值，由电阻和温度之间的关系，求出被测温度，整个测温系统主要由整个测温系统主要由热电阻传感器热电阻传感器、测量电桥测量电桥、显示仪表、显示仪表及连接导线组成。及连接导线组成。由于热电阻的阻值较小由于热电阻的阻值较小(几欧姆到几十欧姆范围几欧姆到几十欧姆范围)，热电阻本体的引线电阻和连接导线的电阻会给温度测量热电阻本体的引线电阻和连接导线的电阻会给温度测量结果带来很大的影响，为了解决这一问题，热电阻的连结果带来很大的影响，为了解决这一问题，热电阻的连接线路从二线制发展到三线制和四线制接线路从二线制发展到三线制和四线制.第二十页，本课件共有92页（1 1）三线式电桥连接法三线式电桥连接法uAr r：电桥电源；：电桥电源；：电桥电源；：电桥电源；2r2r：相邻臂：相邻臂：相邻臂：相邻臂平衡：平衡：平衡：平衡：导线电阻导线电阻导线电阻导线电阻rr对测量无影响对测量无影响对测量无影响对测量无影响注意：注意：为了避免热电阻中流过电流时产生加热效应，在设计电桥时要使流过热电为了避免热电阻中流过电流时产生加热效应，在设计电桥时要使流过热电阻的电流尽量小些阻的电流尽量小些,一般要求小于一般要求小于10mA。第二十一页，本课件共有92页r r1 1r r2 2r r3 3r r4 4R Rt tI IV VI IMME EMM电压表电压表电压表电压表恒流源恒流源恒流源恒流源（2 2）四线式电阻测量电路）四线式电阻测量电路因因因因I I I IV VI I I IM M,I,I,I,IV V 0,0,又又又又E EM M=E+=E+I IV V（r r2 2+r+r+r+r3 3 3 3 ）电压表的值电压表的值E EM M可认为是热电阻可认为是热电阻R Rt t上的压降，据此可计算出上的压降，据此可计算出微小温度变化。微小温度变化。不受其它条件约束；不受其它条件约束；不受其它条件约束；不受其它条件约束；恒流源恒流源I稳定。稳定。第二十二页，本课件共有92页9-2 9-2 热敏电阻传感器热敏电阻传感器热敏电阻是用半导体材热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件，与金属料制成的热敏器件，与金属热电阻比较而言，具有热电阻比较而言，具有温度温度系数高系数高，灵敏度高灵敏度高，热惯性热惯性好（适宜动态测量）好（适宜动态测量）但其但其稳定稳定性和互换性较差性和互换性较差。温度温度半导体半导体热敏电阻热敏电阻电电阻阻铂热电阻铂热电阻金属的电阻随温度的升高而金属的电阻随温度的升高而增大，但半导体却相反，它增大，但半导体却相反，它的电阻值随温度的升高而急的电阻值随温度的升高而急剧减小，并呈现非线性。剧减小，并呈现非线性。一、工作原理一、工作原理 第二十三页，本课件共有92页半导体这种温度特性，是因为半导体的导电方式半导体这种温度特性，是因为半导体的导电方式是载流子（电子、空穴）导电。由于半导体中载流子是载流子（电子、空穴）导电。由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子少得多，所以它的电阻的数目远比金属中的自由电子少得多，所以它的电阻率很大。率很大。随着温度的升高随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子，半导体中参加导电的载流子数目就会增多，故数目就会增多，故半导体导电率就增加，它的电阻率也半导体导电率就增加，它的电阻率也就降低了就降低了。热敏电阻正是利用半导体的电阻值随温度显著变化热敏电阻正是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的热敏元件。它是由某些金属氧化物按不这一特性制成的热敏元件。它是由某些金属氧化物按不同的配方比例烧结制成的。在一定的范围内，根据测量同的配方比例烧结制成的。在一定的范围内，根据测量热敏电阻阻值的变化，便可知被测介质的温度变化。热敏电阻阻值的变化，便可知被测介质的温度变化。第二十四页，本课件共有92页 半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其半导体热敏电阻有很高的电阻温度系数，其灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度比热比热电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，电阻高得多。而且体积可以做得很小，故动态特性好，适于在适于在-100-100300300之间测温。之间测温。热敏电阻的缺点是互换性较差，另外其热电特性是热敏电阻的缺点是互换性较差，另外其热电特性是非线性非线性的。的。的。的。第二十五页，本课件共有92页1、热敏电阻的结构和特点、热敏电阻的结构和特点金属氧化物：金属氧化物：金属氧化物：金属氧化物：钴钴钴钴CoCo、锰、锰、锰、锰MnMn、镍、镍、镍、镍NiNi等的氧化物等的氧化物等的氧化物等的氧化物 采用不同比例配方、高温烧结而成。采用不同比例配方、高温烧结而成。采用不同比例配方、高温烧结而成。采用不同比例配方、高温烧结而成。优点：优点：优点：优点：（1 1）结构简单、体积小、可测点温度；）结构简单、体积小、可测点温度；）结构简单、体积小、可测点温度；）结构简单、体积小、可测点温度；（2 2）电阻温度系数大，灵敏度高（）电阻温度系数大，灵敏度高（）电阻温度系数大，灵敏度高（）电阻温度系数大，灵敏度高（1010倍）；倍）；倍）；倍）；（3 3）电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。）电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。）电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。）电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。第二十六页，本课件共有92页第二十七页，本课件共有92页热敏电阻的主要参数热敏电阻的主要参数热敏电阻的主要参数热敏电阻的主要参数第二十八页，本课件共有92页2、热敏电阻的温度特性、热敏电阻的温度特性负温度系数热敏电阻：负温度系数热敏电阻：负温度系数热敏电阻：负温度系数热敏电阻：NTCNTC正温度系数热敏电阻：正温度系数热敏电阻：正温度系数热敏电阻：正温度系数热敏电阻：PTCPTC临界温度系数热敏电阻：临界温度系数热敏电阻：临界温度系数热敏电阻：临界温度系数热敏电阻：CTRCTR040801201602000408012016020010106610104410102210100 0温度温度电阻电阻CTR NTC PTC 可见可见CTRCTR临界热敏电阻有一突临界热敏电阻有一突变温度，此特性可用于自动变温度，此特性可用于自动控温和报警电路中。控温和报警电路中。第二十九页，本课件共有92页NTC热敏电阻的材料是一种由锰（热敏电阻的材料是一种由锰（Mn）、镍）、镍（Ni）、铜（）、铜（Cu）、钴（）、钴（Co）、铁（）、铁（Fe）等金属）等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，改变混氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，改变混合物的成分和配比就可以获得测温范围、阻值及温合物的成分和配比就可以获得测温范围、阻值及温度系数不同度系数不同NTC热敏电阻热敏电阻。它具有。它具有负的电阻温度系负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。数，随温度上升而阻值下降。NTC热敏电阻应用广泛。热敏电阻应用广泛。1、NTC热敏电阻热敏电阻T R第三十页，本课件共有92页2、CTR热敏电阻热敏电阻CTR热敏电阻是以三氧化二钒热敏电阻是以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成，物的弱还原气氛中混合烧结而成，它呈半玻璃状，具有负温度系数。它呈半玻璃状，具有负温度系数。通常，通常，CTR热敏电阻用树脂包封成热敏电阻用树脂包封成珠状或厚膜形使用，其阻值在珠状或厚膜形使用，其阻值在1k 10M之间。之间。CTR热敏电阻随温度变化的热敏电阻随温度变化的特性属剧变型，具有开关特性，特性属剧变型，具有开关特性，如左图所示。当温度高于居里点如左图所示。当温度高于居里点TC时，其阻值会减小到临界状态，时，其阻值会减小到临界状态，突变的数量级为突变的数量级为24。因此又称这因此又称这类热敏电阻为临界热敏电阻类热敏电阻为临界热敏电阻。Tc温度温度T（）200150100500103101105107电阻率电阻率（.cm）第三十一页，本课件共有92页3、PTC热敏电阻热敏电阻TNTC1062001000101102103104105107温度温度T（）电阻率电阻率（.cm）PTC热敏电阻是以钛酸钡掺合热敏电阻是以钛酸钡掺合稀土元素烧结而成的半导休陶瓷元稀土元素烧结而成的半导休陶瓷元件，具有正温度系数。其温度特性件，具有正温度系数。其温度特性曲线如左图所示，从特性曲线上可曲线如左图所示，从特性曲线上可以看到以看到PTC热敏电阻具有以下特性：热敏电阻具有以下特性：(1)当温度低于居里点当温度低于居里点TC时，具有半时，具有半导体特性；导体特性；(2)当温度高于居里点当温度高于居里点TC时，电阻时，电阻值随温度升高而急剧增大，至值随温度升高而急剧增大，至TN温温度时出现负阻现象；度时出现负阻现象；(3)具有通电瞬间产生强大电流而后很具有通电瞬间产生强大电流而后很快衰减的特性。快衰减的特性。基于基于PTC热敏电阻的特性，可利用热敏电阻的特性，可利用其自控作用，做成各种恒温器、限流其自控作用，做成各种恒温器、限流保护元件或温控开关。还可以用保护元件或温控开关。还可以用PTC组成发热元件，功率一般为几瓦到数组成发热元件，功率一般为几瓦到数百瓦。百瓦。第三十二页，本课件共有92页三、热敏电阻的伏安特性三、热敏电阻的伏安特性 RTA(T-1)exp(B/T)RT 温度为温度为T时电阻值时电阻值A与材料和几何尺寸有关的常数与材料和几何尺寸有关的常数B热敏电阻常数（与半导体物理性能有关）热敏电阻常数（与半导体物理性能有关）若已知若已知T1和和T2时电阻为时电阻为RT1和和RT2，则：，则：第三十三页，本课件共有92页将热敏电阻接上一个电流源将热敏电阻接上一个电流源，并在它两端测得端电压，可，并在它两端测得端电压，可得到热敏电阻的伏安特性。得到热敏电阻的伏安特性。V（电压）（电压）IaImI（电流）（电流）d0abc曲线分四段，曲线分四段，0a段：段：电电流小于流小于Ia，功耗小，电流不足，功耗小，电流不足以使热敏电阻发热，元件上的以使热敏电阻发热，元件上的温度基本是环境温度。此时热温度基本是环境温度。此时热敏电阻相当于一个固定电阻，敏电阻相当于一个固定电阻，电压与电流之间符合欧姆定律。电压与电流之间符合欧姆定律。ab段：段：随着电流增加，热敏电阻功耗增加，导致电流加热引起随着电流增加，热敏电阻功耗增加，导致电流加热引起热敏电阻自身温度超过环境温度（介质温度），其阻值降低，因热敏电阻自身温度超过环境温度（介质温度），其阻值降低，因此出现此出现非线性正阻区非线性正阻区，电流增长速度阻值减小的速度。，电流增长速度阻值减小的速度。cd段：段：随着电流增加，为随着电流增加，为Im时，电压达到最大值，电流继续增加，时，电压达到最大值，电流继续增加，热敏电阻本身加热更为剧烈，阻值迅速减小，热敏电阻本身加热更为剧烈，阻值迅速减小，阻值减小的速度大于电阻值减小的速度大于电流增加的速度流增加的速度，出现，出现cd段段负阻区负阻区。第三十四页，本课件共有92页0a段：正常使用热敏电阻测温时。段：正常使用热敏电阻测温时。cd段：可用来测量风速、真空度、流量等参段：可用来测量风速、真空度、流量等参数。数。热敏电阻非线性严重，使用中要进行非线性补热敏电阻非线性严重，使用中要进行非线性补偿。偿。在硬件电路方法上，采用温度系数较小的电阻与热在硬件电路方法上，采用温度系数较小的电阻与热敏电阻串、并联接法，使得热敏电阻的电阻敏电阻串、并联接法，使得热敏电阻的电阻温度曲线温度曲线变为平坦。变为平坦。第三十五页，本课件共有92页NTC输出特性的线性化处理输出特性的线性化处理电阻网络（线性化网络）：精密电阻与热敏电阻串、并联电阻网络（线性化网络）：精密电阻与热敏电阻串、并联电阻网络（线性化网络）：精密电阻与热敏电阻串、并联电阻网络（线性化网络）：精密电阻与热敏电阻串、并联1 1、串联法、串联法、串联法、串联法AT RT R2 2、并联法、并联法、并联法、并联法第三十六页，本课件共有92页热敏电阻的特点热敏电阻的特点电阻温度系数大，灵敏度高；形状多样，体积小，热惯性小，响应速度快；电阻值大，远距离测量时可不考虑导线电阻的影响；在-50C350C范围内具有良好的稳定性；阻值分散性大、复现性差；非线性大；老化较快。第三十七页，本课件共有92页热敏电阻体温表热敏电阻体温表 第三十八页，本课件共有92页热敏电阻用于热敏电阻用于CPU的温度测量的温度测量 第三十九页，本课件共有92页热敏电阻用于热敏电阻用于电热水器电热水器的温度控制的温度控制 第四十页，本课件共有92页A热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻平衡电阻平衡电阻平衡电阻平衡电阻电桥平衡电桥平衡电桥平衡电桥平衡电桥失衡电桥失衡电桥失衡电桥失衡测流速测流速第四十一页，本课件共有92页JT T正常：正常：正常：正常：RtRt较大、较大、较大、较大、BGBG不导通、不导通、不导通、不导通、JJ不吸合不吸合不吸合不吸合T T升高：升高：升高：升高：RtRt减小、减小、减小、减小、BGBG导通、导通、导通、导通、JJ吸合吸合吸合吸合应用：电机过热保护应用：电机过热保护应用：电机过热保护应用：电机过热保护热电式继电器热电式继电器热电式继电器热电式继电器第四十二页，本课件共有92页9-3 9-3 热电偶传感器热电偶传感器一、热电偶传感器的工作原理一、热电偶传感器的工作原理 1、热电效应、热电效应第四十三页，本课件共有92页9-3 9-3 热电偶传感器热电偶传感器一、热电偶传感器的工作原理一、热电偶传感器的工作原理 赛贝克（赛贝克（Seebeck）效应）效应(热电势热电势)1821 1821年赛贝克发现了铜、铁这两种金属的温差电年赛贝克发现了铜、铁这两种金属的温差电现象。即在这两种金属构成的闭合回路中，对两个接现象。即在这两种金属构成的闭合回路中，对两个接头的中一个加热即可产生电流。在冷接头处，电流从头的中一个加热即可产生电流。在冷接头处，电流从铁流向铜。由于冷、热两个端（接头）存在温差而产铁流向铜。由于冷、热两个端（接头）存在温差而产生的电势差生的电势差e e，就是温差热电势。这种由两种不同的金，就是温差热电势。这种由两种不同的金属构成的能产生温差热电势的装置称为热电偶。属构成的能产生温差热电势的装置称为热电偶。第四十四页，本课件共有92页将两根不同材料将两根不同材料的导体或半导体（的导体或半导体（A和和B）联接起来构成一个）联接起来构成一个回路，如果两个接合回路，如果两个接合点处的温度不同点处的温度不同（T0T），则在两导），则在两导体内产生热电势，并体内产生热电势，并在回路中有一定大小在回路中有一定大小的电流，这种现象称的电流，这种现象称为为热电效应热电效应。AB1T0T2mA铜铁热电偶的温差热电势与温度关系曲线铜铁热电偶的温差热电势与温度关系曲线第四十五页，本课件共有92页AB1T0T2由热电效应制成的测温传感器就是热由热电效应制成的测温传感器就是热电偶。测温时：电偶。测温时：l结点结点2置于被测温度场中，称为测量端（工作置于被测温度场中，称为测量端（工作端、热端）；端、热端）；l结点结点1处于某一恒定温度（或已知温度），处于某一恒定温度（或已知温度），称为参考端（自由端或冷端）。称为参考端（自由端或冷端）。可见热电偶由温差产生的热电势是随介质温度变化而变化，可见热电偶由温差产生的热电势是随介质温度变化而变化，即：即：EteAB(T)eAB(T0)；eAB(T0)温度为温度为T0处热电势；处热电势；eAB(T)温度为温度为T处热电势。处热电势。Et 热电偶的热电势；热电偶的热电势；第四十六页，本课件共有92页AB1T0T2热电偶示意图热电偶示意图ABT0T测量仪表测量仪表或电路或电路热电偶与测量仪热电偶与测量仪表连接示意图表连接示意图第四十七页，本课件共有92页2、热电偶的热电势、热电偶的热电势经研究发现，热电势实际上由经研究发现，热电势实际上由接触电势接触电势接触电势接触电势和和温差电势温差电势温差电势温差电势组成。组成。由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。电电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体设导体A和和B的自由电子密度为的自由电子密度为NA和和NB，且有，且有NANB，电子扩，电子扩散的结果使导体散的结果使导体A失去电子而带正电，导体失去电子而带正电，导体B则因获得电子而则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势。电动势。(1)接触电动势接触电动势第四十八页，本课件共有92页其大小可表示为：其大小可表示为：式中：式中：K波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，K1.3810-23e 电子电荷量电子电荷量e=1.610-19CNA(NB)为为A(B)材料的自由电子密度。材料的自由电子密度。ABT0T接触电势接触电势第四十九页，本课件共有92页同一导体中的，如果两端温度不同，在两端间会产生同一导体中的，如果两端温度不同，在两端间会产生电动势电动势，即产生单一导体的温差电动势，这是由于导体内自，即产生单一导体的温差电动势，这是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散的结果。由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散的结果。高温端因失去电子而带正电，低温端由于获得电子而带负电，高温端因失去电子而带正电，低温端由于获得电子而带负电，在高低温端之间形成一个电位差。温差电动势的大小与导体在高低温端之间形成一个电位差。温差电动势的大小与导体的性质和两端的温差有关。的性质和两端的温差有关。(2)温差电势温差电势第五十页，本课件共有92页 AA材料的汤姆逊系数。材料的汤姆逊系数。（表示导体（表示导体A两端的温度差为两端的温度差为1时所产生的温差电动势时所产生的温差电动势）ABT0T温差电势T T0第五十一页，本课件共有92页(3)回路总电势回路总电势由由导导体体材材料料A、B组组成成的的闭闭合合回回路路，其其接接点点温温度度分分别别为为T、T0,如如果果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)ABNAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度；NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；A、B导体A和B的汤姆逊系数。第五十二页，本课件共有92页实验和理论均以证明：热电偶回路的热电动势实验和理论均以证明：热电偶回路的热电动势主要是由接触电势引起的。又由于主要是由接触电势引起的。又由于EAB（T）和）和EAB（T0）的极性相反，所以回路总电势为：）的极性相反，所以回路总电势为：第五十三页，本课件共有92页几点讨论几点讨论如果组成热电偶的两个电极的材料相同，即使是两结点的温度不同如果组成热电偶的两个电极的材料相同，即使是两结点的温度不同也不会产生热电势。也不会产生热电势。组成热电偶的两个电极的材料虽然不相同，但是两结点的组成热电偶的两个电极的材料虽然不相同，但是两结点的温度相同也不会产生热电势。温度相同也不会产生热电势。由不同电极材料由不同电极材料A、B组成的热电偶，当冷端温度组成的热电偶，当冷端温度T0恒定时，产生恒定时，产生的热电势在的热电势在一定的温度范围内一定的温度范围内仅是热端温度仅是热端温度T 的单值函数。的单值函数。第五十四页，本课件共有92页1、中间导体定律、中间导体定律二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律 将由将由A A、B B两种导体组成的热电偶的冷端（两种导体组成的热电偶的冷端（T0 0端）断开端）断开而接入的三种导体而接入的三种导体C C后，只要冷、热端的后，只要冷、热端的T0 0 、T 保持不变，保持不变，则回路的总热电势不变。则回路的总热电势不变。BT0TABT0TT0AC第五十五页，本课件共有92页T T0ABT0TT0Cab第五十六页，本课件共有92页推导过程推导过程 此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时必须接入仪必须接入仪表表(第三种材料第三种材料)，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致(T0 0 )仪表的入就不会影响热电势。而且仪表的入就不会影响热电势。而且A A、B B结点的焊接方法也可以是任结点的焊接方法也可以是任意的。意的。第五十七页，本课件共有92页2、参考电极定律参考电极定律（标准电极定律）（标准电极定律）BT0TACT0TABT0TC 如果两种导体如果两种导体A A、B B分别与第三种导体分别与第三种导体C C所组成的热电偶所产生的热所组成的热电偶所产生的热电势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电势也是已知的，且电势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电势也是已知的，且 根据此定律，可以便于给出所有热电偶材料的有关参数，根据此定律，可以便于给出所有热电偶材料的有关参数，方便热电偶电极的选配。方便热电偶电极的选配。第五十八页，本课件共有92页证明证明：BT0TACT0TABT0TC第五十九页，本课件共有92页3、中间温度定律、中间温度定律BT0TABT1TABT0T1A这是中间温度定律，因为热电势与两个结的温度有这是中间温度定律，因为热电势与两个结的温度有关，要测得某一结所处的温度，则另一个结必须关，要测得某一结所处的温度，则另一个结必须0，而实际上这样的条件是难办到的；但只要测得而实际上这样的条件是难办到的；但只要测得（E表示热电势，表示热电势，A、B表示两种不同金属，表示两种不同金属，T、T1表示两表示两个结处在个结处在T、T1温度下），并且可测得温度下），并且可测得T1，则，则可可以查表确定，用以查表确定，用与与的和，便可确定的和，便可确定T处温度。处温度。第六十页，本课件共有92页对电极材料的要求：在同样的温差下产生的热电势大，且其热电势与温度之间呈线性或近似线性的单值函数关系；耐高温，抗辐射性能好，在较宽的范围内性能稳定；电导率高、电阻温度系数和比热容小；复制性和工艺性好，价格低廉。第六十一页，本课件共有92页三、常用的热电偶三、常用的热电偶分度号名称测量温度范围1000C热电势/mVB铂铑30铂铑6501820C4.834R铂铑13铂-501768C10.506S铂铑10铂-501768C9.587K镍铬镍铬(铝)-2701370C41.276E镍铬铜镍(康铜)270800C第六十二页，本课件共有92页热热电电偶偶分分度度表表第六十三页，本课件共有92页非标准化的热电偶非标准化的热电偶铁康铜热电偶：灵敏度高铁康铜热电偶：灵敏度高高温热电偶：钨铼系热电偶，测温上限可达高温热电偶：钨铼系热电偶，测温上限可达2450摄摄氏度氏度低温热电偶：铜铜锡低温热电偶：铜铜锡0.005可测可测-271-243摄氏度的摄氏度的低温；镍铬铁金低温；镍铬铁金0.03可测可测-269-0摄氏度摄氏度第六十四页，本课件共有92页按结构分类按结构分类普通型普通型第六十五页，本课件共有92页按结构分类按结构分类铠装型铠装型第六十六页，本课件共有92页按结构分类按结构分类隔爆型隔爆型第六十七页，本课件共有92页第六十八页，本课件共有92页四、热电偶的使用四、热电偶的使用1、冷端温度补偿及修正、冷端温度补偿及修正在实际使用时，由于热电偶的热端（测量端）与冷在实际使用时，由于热电偶的热端（测量端）与冷端离的很近，冷端又暴露于空间，容易受到环境温端离的很近，冷端又暴露于空间，容易受到环境温度的影响，因而冷端温度很难保持恒定。为此需要度的影响，因而冷端温度很难保持恒定。为此需要进行温度补偿。进行温度补偿。由热电偶测温原理可知，只有当热电偶的冷端温度由热电偶测温原理可知，只有当热电偶的冷端温度保持不变，热电势才是被测温度的单值函数。保持不变，热电势才是被测温度的单值函数。工程技术上使用的热电偶分度表和根据分度表刻划工程技术上使用的热电偶分度表和根据分度表刻划的测温显示仪表的刻度都是根据冷端温度为的测温显示仪表的刻度都是根据冷端温度为0而制而制作的。作的。第六十九页，本课件共有92页（1）0恒温法恒温法将热电偶的冷端置于冰水混合物中，保证冷端温度恒定为将热电偶的冷端置于冰水混合物中，保证冷端温度恒定为0。根据热电偶测得的输出热电势，再查找该热电偶的分度表，即可得根据热电偶测得的输出热电势，再查找该热电偶的分度表，即可得到测量端的温度。到测量端的温度。第七十页，本课件共有92页（2）热电势修正法）热电势修正法在实际使用中，使冷端保持在在实际使用中，使冷端保持在0很不方便，有很不方便，有时也使冷端保持在某一恒定的温度时也使冷端保持在某一恒定的温度Tn，这种情况下采，这种情况下采取热电势修正法。取热电势修正法。EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)EAB(T,Tn)实测值；实测值；EAB(Tn,T0)冷端为冷端为0时，工作端为时，工作端为Tn区段热区段热电势，可查分度表得到，即为修正法。电势，可查分度表得到，即为修正法。第七十一页，本课件共有92页（3）电桥补偿法）电桥补偿法冷端补偿器的作用注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabR3RcuR1R2R在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。T0Ua Uba EAB(T,T0)第七十二页，本课件共有92页第七十三页，本课件共有92页(4)、冷端延长线、冷端延长线工业应用时，被测点与指示仪表之间往往有工业应用时，被测点与指示仪表之间往往有很长的距离，这就要求热电偶有较长的尺寸，但很长的距离，这就要求热电偶有较长的尺寸，但由于热电偶材料较贵，热电偶尺寸不能过长，所由于热电偶材料较贵，热电偶尺寸不能过长，所以冷端（即接仪表端）常常不能放到任意点上去；以冷端（即接仪表端）常常不能放到任意点上去；且冷端温度不可能恒定，是波动的，为解决这一且冷端温度不可能恒定，是波动的，为解决这一问题，采用问题，采用冷端延长线冷端延长线（或称冷端补偿导线）。或称冷端补偿导线）。第七十四页，本课件共有92页所谓延长线实际上是把在一定温度范围内（一般所谓延长线实际上是把在一定温度范围内（一般为为0100）与热电偶具有相同热电特性的两种较长）与热电偶具有相同热电特性的两种较长金属导线与热电偶配接。它的作用是将热电偶冷端移金属导线与热电