第8章 热电传感器精选PPT.ppt

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1、第8章 热电传感器第1页，本讲稿共29页 一、热电传感器一、热电传感器将温度变化转换为电量变化的装置。将温度变化转换为电量变化的装置。二、热电传感器的种类：1、按测量方式不同分为接触式测量和非接触式测量两种；2、按转换电量不同分为发电式和参量式两种。把温度转换为热电势输出的热电式传感器叫做热电偶。它是一种发电式传感器，直接将热能转换为电能。把温度转换为电阻输出的热电式传感器叫做热电阻、热敏电阻等；它们都是参量式传感器。第2页，本讲稿共29页8.1、热电偶传感器、热电偶传感器一、热电效应一、热电效应（3）、汤姆逊（）、汤姆逊（Thomson）效应：效应：由同一种导体或半导体组成闭合回路，保持回路

2、两侧有一定的温度差T，并通以电流I时，回路的温度转折处将产生比例于IT的吸热或放热，这种现象称为汤姆逊效应。（2）、珀尔帖（）、珀尔帖（peltier）效应：效应：在两种不同材料接成的闭合回路中，通入电流I时，则在一个结点上产生热量Q，而另一个接点吸收热量Q，这种现象称为珀尔帖效应。（1）、塞贝克（）、塞贝克（seeback）效应：效应：两种不同导体或半导体A与B组成闭合回路。如果两结点之间存在温度差时，则在回路内有电流产生，亦即在两结点间产生电动势，这种现象称为塞贝克效应。热电效应热电效应由温度引起电势差的物理现象叫做热电效应，俗称温差电效应第3页，本讲稿共29页（3 3）、热电偶总的热电势

3、）、热电偶总的热电势 E EABAB（T T、T T0 0）=EAB（T）-EAB（T0）如图83所示：二、热电偶工作原理二、热电偶工作原理1 1、热电偶、热电偶：两种不同性质的导体A和B组成的闭合回路称为热电偶。如图8-1示：其中导体A和B称为热电极，温度高的一端T称为热端，或工作端、测量端；温度低的一端T0称为冷端，或自由端、参考端；热电势记为EAB（T，T0）2、热电势的组成及产生原因：、热电势的组成及产生原因：热电势由接触电势和温差电势两部分组成（1）、两种不同金属的接触电势（珀尔帖电势）如图）、两种不同金属的接触电势（珀尔帖电势）如图82（a）所示：所示：（2）、单一导体的温差电势（

4、汤姆逊电势）。如图）、单一导体的温差电势（汤姆逊电势）。如图82（b）所示：）所示：第4页，本讲稿共29页热电偶三点结论：热电偶三点结论：、热电偶必须采用两种不同金属材料作热电极、热电偶必须采用两种不同金属材料作热电极。、热电偶的两结点必须存在温度差。、热电偶的两结点必须存在温度差。、热电偶的热电势大小只与两结点温度有关，而与材料、热电偶的热电势大小只与两结点温度有关，而与材料A A、B B的中间各处温度无的中间各处温度无关。关。3 3、热电势性质：、热电势性质：（1）、导体A与B在工作端（T）产生的接触电势可以写成：EAB（T）EA（T）EB（T）（2）、同一导体的温差电势可以写成：EA（T

5、、T0）EA（T）EA（T0）（3）、接触电势下标A与B代表电压方向。EAB（T）EBA（T）；（4）、温差电势括号中的温度顺序代表高温到低温。故温差电势中的温度顺序改变，其电势值的正、负号也随之改变。EA（T、T0）EA（T0、T）（5）、热电势大小只与热电极材料性质及两接点的温度有关，而与热偶形状和大小无关。第5页，本讲稿共29页三、热电偶基本定律三、热电偶基本定律1 1、中中间间导导体体定定律律。在热电偶中接入不同性质的第三导体C，只要保证C两端的温度相等，则接入第三导体C后热电偶的总热电势不变。如图85所示：2 2、中间温度定律。、中间温度定律。在热电偶回路中，如果存在一个中间温度Tn

6、，则热电偶总热电势等于该热电偶在（T、Tn）时热电势EAB(T、Tn)与同一热电偶在（Tn、T0）时热电势EAB（Tn、T0）的代数和。3 3、参考电极定律。、参考电极定律。如图87所示：如果A、B两种不同材料的导体分别与参考导体C组成的热电偶所产生的热电势已知，那么A、B导体所组成的热电偶的热电势也可知。第6页，本讲稿共29页 四四四四、热热热热电电电电偶偶偶偶测测测测温温温温原原原原理理理理：如如果果保保持持自自由由端端温温度度T T0 00 0 0 0CC，则则热热电电势势大大小小仅仅与与工工作端温度作端温度T T成对应关系。这就是热电偶测温原理。成对应关系。这就是热电偶测温原理。五、热

7、电偶的结构与种类五、热电偶的结构与种类1、热电偶的结构热电偶的结构：普通热电偶由四部分组成：(1)、热电极；它是热电偶的核心。对热电极材料有以下要求：在测量范围内，热电性能稳定，不随时间变化而变化；在测量范围内，物理、化学性质稳定，不易氧化或腐蚀；电阻温度系数小，电导率高；组成热电偶测温时，产生热电势大，且热电势与温度成单值线性或接近线性关系；有足够的机械强度及较好的耐振动、耐热冲击性能；材料复制性好，价格便宜。(2)、绝缘套；防止电极之间以及电极与保护管之间短路，由绝缘材料制成。根据测量温度不同，绝缘材料不同。60800C，橡皮，塑料；5000C，玻璃丝、玻璃管；013000C，石英管；14

8、000C以上，瓷管；15000C以上，氧化铝管。（4）、接线盒）、接线盒。供热电偶与引线连接用。一船用铝合金制成。(3)、保护管、保护管。使热电极与被测介质温度隔离，使之免受化学侵蚀或机械损伤。要求它有良好的导热性并久耐用。有两类保护管：金属材料保护管。铝、铜、铜络、炭钢、不锈钢、镍合金等高温合金材料；非金属材料保护管。石英、高温陶瓷、氧化铝（镁）。第7页，本讲稿共29页（2 2）、根据测温范围分类：有三类：）、根据测温范围分类：有三类：高温热电偶，11000C16000C；中温热电偶，5000C10000C 低温热电偶，低于5000C以下。2 2、热电偶的种类：、热电偶的种类：（1 1）、根

9、据热电极材料分类：有四类：）、根据热电极材料分类：有四类：难熔热电极材料：铱、钨、铼；贵金属热电极材料：铂、铂铑合金；普通金属热电极材料：铁、铜、康铜、考铜、镍铬合金、镍铝合金 非金属热电极材料：炭、石墨、碳化硅。（3）、根据用途分类：有两类：）、根据用途分类：有两类：标准热电偶；工业用热电偶。第8页，本讲稿共29页六、几种常用热电偶六、几种常用热电偶 1 1、铂铑、铂铑、铂铑、铂铑1010铂热电偶。型号铂热电偶。型号铂热电偶。型号铂热电偶。型号WRLBWRLB、分度号分度号分度号分度号LB3LB3 正极：较硬的铂铑合金色（正极：较硬的铂铑合金色（9090PtPt，1010RnRn，简称铂铑，

10、简称铂铑10 10 。负极：柔软的纯铂丝。负极：柔软的纯铂丝。用途：长时间可在用途：长时间可在0 01300 0C1300 0C下工下工作，短时可测作，短时可测16000C 16000C。优点：优点：、物理化学性能稳定，用、物理化学性能稳定，用于精密测量或作标准热电偶；于精密测量或作标准热电偶；、在氧化性气体中使用有相当的稳定性。、在氧化性气体中使用有相当的稳定性。2、铂铑、铂铑13铂热电偶铂热电偶，工业用 01600 0C。3、铂铑、铂铑30铂铑铂铑6热电偶，热电偶，工业用高温热电偶 01700 0C。4、镍铬、镍铬镍铝热电偶镍铝热电偶，型号WREV，分度号EV2这是普通金属热电偶中最稳定的

11、一种热电偶。正极：镍铬合金（89Ni、10Cr、1Fe）负极：镍铝合金(94Ni、2Al、2.5Mn、1Si、0.5Fe)短时可测1300 0C，长时间可在1000 0C以下工作。特点：、高温下抗氧能力和耐腐蚀能力强，但易受还原性气体损害；、在500 0C以下低温时也可在还原性气体中使用；、在相同温度下，其热电势比铂铑铝热电偶大，45倍。5、镍铬、镍铬镍硅热电偶：镍硅热电偶：测温范围50 0C1312 0C。其热电性能比镍铬镍铝热电偶更好，有取代之势。6、镍铬、镍铬考铜热电偶考铜热电偶：型号：WREA 分度号：EA2，它是宜于还原性气体中使用，短时可测800 0C，长时间可测600 0C以下，

12、但复制性差。7、铜铜康钢热电偶康钢热电偶：属低温热电偶，测温范围200 0C400 0C，第9页，本讲稿共29页七、热电偶的特点七、热电偶的特点七、热电偶的特点七、热电偶的特点（1）结构简单，制造容易，使用方便，其电极不受大小和形状的限制，可按照需要进行配制。（2）因为它的输出信号为电势，因而测量时不必外加电源，室温下的输出电压为mV级，输出灵敏度一般在V/0C。（3）测量精度高，热电偶与被对象直接接触，不受中间介质的影响。（4）测量范围宽，从-2690C至18000C。（5）便于远距离测量、自动记录及多点测量。第10页，本讲稿共29页 八、热电偶实用测量电路八、热电偶实用测量电路八、热电偶实

13、用测量电路八、热电偶实用测量电路 1 1、测量单点温度的基本测温电路、测量单点温度的基本测温电路(如如8-10)8-10)2 2、测量两点之间温差、测量两点之间温差（如图811）3 3、测测量平均温度的量平均温度的电电路路 （如图812）第11页，本讲稿共29页4 4、测量温度和的电路、测量温度和的电路：（如图813）5 5、K K型型热电热电偶偶测测量量电电路路（如图814）第12页，本讲稿共29页 九、热电偶冷端处理九、热电偶冷端处理九、热电偶冷端处理九、热电偶冷端处理 1 1、恒定、恒定0 00 0C C法法;2 2、计算修正法、计算修正法;3 3、修正系数法、修正系数法 4 4、补偿导

14、线法、补偿导线法;5 5、电桥补偿法、电桥补偿法;6 6、电位补偿法、电位补偿法1、恒定、恒定00C法法。即将热电偶冷端浸入冰水保温瓶或冰点恒温槽中，保证冷端温度恒定在00C.2、计算修正法、计算修正法。根据中间温度定律：EAB（T、T0）EAB（T、Tn）EAB（Tn、T0）3、修正系数法。、修正系数法。t=t1+ktn 4、补偿导线法、补偿导线法（又称冷端延长法或延伸热电极法）如图815：必须注意以下几点:、热电偶与补偿导线的热电特性相同。、热电偶与补偿导线都有正、负极性不能接错.、补偿导线使用温度不能过高；、补偿导线的价格要比热电偶便宜。5、电桥补偿法、电桥补偿法.如图如图816：6、电

15、位补偿法。、电位补偿法。原理如图8-17：第13页，本讲稿共29页 8.2 热电阻传感器热电阻传感器 一、热电阻的基本知识一、热电阻的基本知识1 1、热电热电阻阻传传感器感器 2 2、分类：热电阻传感器有两大类：、分类：热电阻传感器有两大类：、金属热电阻、金属热电阻俗称热电阻；俗称热电阻；、半、半导导体体热电热电阻阻俗称俗称热热敏敏电电阻阻 3 3、热电热电阻效阻效应应物物质质的的电电阻率随阻率随温度温度变变化的化的现现象。象。4、对热电阻材料的要求、对热电阻材料的要求：、电阻温度系数要尽可能大，且稳定；、电阻率要高；、比热小，亦即热惯性小、电阻值随温度变化关系最好是线性关系；、在较宽的测量范

16、围内具有稳定的物理化学性质；、良好的工艺性，即特性的复现性好，便于批量生产 5、电阻与温度的关系电阻与温度的关系大多数金属导体的电阻随温度而变化的关系可由下式表示 Rt=R01+（t-t0）第14页，本讲稿共29页4、对热电阻材料的要求、对热电阻材料的要求：、电阻温度系数、电阻温度系数 要尽可能大，且稳定；要尽可能大，且稳定；、电阻率、电阻率 要高；要高；、比热小，亦即热惯性小；、比热小，亦即热惯性小；、电阻值随温度变化关系最好是线性关系；、电阻值随温度变化关系最好是线性关系；、在较宽的测量范围内具有稳定的物理化学性、在较宽的测量范围内具有稳定的物理化学性质；质；、良好的工艺性，即特性的复现性

17、好，便于批量、良好的工艺性，即特性的复现性好，便于批量生产。生产。第15页，本讲稿共29页 热电阻传感器由热电阻丝、绝缘骨架、引出线组成。热电阻传感器由热电阻丝、绝缘骨架、引出线组成。其中电阻丝是热电阻的主体。目前最广泛使用的热电阻材其中电阻丝是热电阻的主体。目前最广泛使用的热电阻材料是铜热电阻和铂热电阻。料是铜热电阻和铂热电阻。1、铂热电阻：、铂热电阻：型号为WZB，分度号为BA1 R046和BA2 R0100。2、铜热电阻：、铜热电阻：型号为WZG，分度号为G ，R033 RtR01AtBt2Ct3 其优点：、输出输入特性近似线性；、工艺性好，价格便宜。其缺点：、电阻率小，仅为铂的16，故

18、体积大，热惯性大。、当温度高于1000C时，易氧化、测量范围小，不适于在 腐蚀性介质或高温下工作。3、镍热电阻、镍热电阻在-502000C范围内，镍的电阻与温度的关系一般可写成 RtR01AtBt2 4、其他热电阻、其他热电阻、铟热电阻。、锰热电阻。、碳热电阻。、铁热电阻、镍热电阻 二、常用热电阻二、常用热电阻 第16页，本讲稿共29页1 1、三线制测量电路、三线制测量电路。如图820（a）2 2、四线制测量电路。、四线制测量电路。如图820（b）三、热电阻的测温电路三、热电阻的测温电路在实际测温中，常用电桥作为热电阻测量电路。但是，由于热电阻的本身的阻值很小，所以必须考虑导体电阻的影响。为了

19、消除引线的影响，常采用三线制、四线制电路。第17页，本讲稿共29页8.3 热敏电阻传感器热敏电阻传感器一、热敏电阻的结构形式一、热敏电阻的结构形式 1、热敏电阻电阻值随温度变化而变化的半导体热敏元件。2、热敏电阻成分：由钴、镍、锰等金属氧化物，采用不同比例配方，经高温烧结而成，然后制成各种形状，加上壳体和引线，便构成热敏电阻。二、热敏电阻工作原理二、热敏电阻工作原理 金属热电阻的电阻值随温度升高而增大。但半导体的电阻值随温度的升高而急剧下降。在温度变化相同时，热敏电阻的变化约为铝热电阻的10倍。因此用半导体热敏电阻可测量0.010C或更小的温度差异。第18页，本讲稿共29页 三、热敏电阻基本类

20、型及温度特性三、热敏电阻基本类型及温度特性三、热敏电阻基本类型及温度特性三、热敏电阻基本类型及温度特性 1 1、热敏电阻基本类型、热敏电阻基本类型 如图823。（1 1）按电阻）按电阻温度特性分类温度特性分类：、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（CTR）（2 2）按电阻获得温度的方式分类按电阻获得温度的方式分类：、直热式（不带加热器）；、旁热式（带有与热敏电阻绝缘，但紧密接在一起的加热器）。第19页，本讲稿共29页（3 3）按制成热敏电阻的材料分类）按制成热敏电阻的材料分类，有六种：、金属氧化物热敏电阻；、单晶热敏电阻；、玻璃热敏电阻；、陶瓷热敏

21、电阻；、塑料热敏电阻；、金刚石热敏电阻；2 2、热敏电阻温度特性、热敏电阻温度特性（1）负温度系数热敏电阻（NTC）（2）CTR热敏电阻（3）PTC热敏电阻 第20页，本讲稿共29页 四、基本参数和主要特性四、基本参数和主要特性四、基本参数和主要特性四、基本参数和主要特性 1 1、基本参数、基本参数 2 2、热敏电阻的主要特性、热敏电阻的主要特性（1 1）、电阻）、电阻-温度特性（温度特性（R-TR-T）（2 2）伏安特性）伏安特性（2 2）伏安特性）伏安特性 五热敏电阻输出特性的线五热敏电阻输出特性的线性化处理性化处理 1 1、线性化网络、线性化网络2 2、计算修正法、计算修正法3 3、利利

22、用用温温度度频频率率转转换换电电路路改善非线性改善非线性第21页，本讲稿共29页 8.4 8.4、PNPN结温度传感器结温度传感器 一、一、PNPN结温度传感器的种类结温度传感器的种类 1 1、PNPN结温度传感器结温度传感器 2 2、种类：、种类：、温敏二极管；、温敏三极管 、温控晶闸管。二、温敏二极管二、温敏二极管 1 1、工作原理、工作原理 2 2、基本特性、基本特性（1）UFT特性 （2）灵敏度特性（3）自热特性 第22页，本讲稿共29页 三、温敏三极管三、温敏三极管三、温敏三极管三、温敏三极管1 1、工作原理：、工作原理：上述三极管的正向电流IF实际上包括三部分：、扩散电流；、扩散电

23、流；、复合电流；、复合电流；、表面漏电流。、表面漏电流。四、温控晶四、温控晶四、温控晶四、温控晶闸闸闸闸管管管管第23页，本讲稿共29页 8 85 5 集成温度传感器集成温度传感器 一、集成温度传感器的特点一、集成温度传感器的特点1 1、定定义义：集成温度传感器是将温敏器件及其辅助电路集成在一块芯片上的集成化的温度传感器。2 2、特点、特点：、直接给出正比于绝对温度的理想线性输出；、体积小，成本低，是现代半导体温度传感器的发展方向。、目前测温范围：500C-1500C 。二、基本原理二、基本原理 第24页，本讲稿共29页 二、基本类型二、基本类型二、基本类型二、基本类型 集成温度传感器按输出量

24、的不同，分成电压型、电流型和频率型三大类。1 1、电压输出型、电压输出型 2 2、电流输出型、电流输出型 第25页，本讲稿共29页 8.6 8.6 8.6 8.6 热释电红外传感器热释电红外传感器热释电红外传感器热释电红外传感器 一、热释电效应一、热释电效应晶体受热时，由于温度变化使其原 子排列发生变化，晶体自然极化，在其两端表面产生电荷的现象称为热释电效应。根据热释电式红外光敏元件的原理，热释电材料应满足以下要求：（1）、对红外光有极强的吸收能力；（2）、对已接收的能量产生较大的温升；（3）、由于温度变化而引起的极化电荷量变化应当尽量大；（4）、元件本身电容小，以使表面的极化电荷量变化所引起

25、的输出电压信号较大；（5）、介电损失应尽量小，以减少元件误差。第26页，本讲稿共29页二、结构二、结构 三、三、热释电红外探测模块热释电红外探测模块 第27页，本讲稿共29页8 8 8 87 7 7 7 热电传感器的应用热电传感器的应用热电传感器的应用热电传感器的应用 一、无触点恒温控制器一、无触点恒温控制器（如图847所示）。控温范围：室温到1500C，精度为0.10C。RT为正温度系数热敏电阻；T1、T2差分放大器；BT单结晶体管；STR可控硅。第28页，本讲稿共29页 二、客房火灾报警器二、客房火灾报警器 TT201温控晶闸管安装在每间客房内，发光二极管LED和报警器放在总服务台。一般情况下，TT201不导通，LED不发光，报警器无声。当某一客房发生火灾，室内温度升高，TT201导通，LED发光，报警器发声报警。（如图849所示）。第29页，本讲稿共29页