热电式传感器原理应用学习教案.pptx
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1、会计学1热电式传感器原理热电式传感器原理(yunl)应用应用第一页,共61页。概述概述(i sh)热电式传感器是一种将温度(wnd)变化转换为电量变化的装置。它利用传感元件的电磁参数随温度(wnd)变化的特征来达到测量的目的。通常将被测温度(wnd)转换为敏感元件的电阻、磁导或电势等的变化,通过适当的测量电路,就可由电压、电流这些电参数的变化来表达所测温度(wnd)的变化。将温度(wnd)转换为电势大小的热电式传感器叫热电偶;将温度(wnd)转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。第1页/共61页第二页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器
2、。它构造简单,使用方便,具有较高的准确度、稳定性及复现性,温度测量范围宽,在温度测量中占有(zhnyu)重要的地位。第2页/共61页第三页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器热电效应两种不同的金属A和B构成如图4-1所示的闭合回路,如果将它们的两个接点中的一个进行加热(ji r),使其温度为T,而另一点置于室温T0中,则在回路中会产生热电势,用 来表示,这一现象称为热电效应。图4-1 热电效应(r din xio yng)原理图第3页/共61页第四页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器通常把两种不同金属的这种组合叫做热电偶,A、B叫做热电极,温度高的接点叫做热端
3、或工作端,而温度低的接点叫做冷端或自由端。由理论分析知道,热电效应产生的热电式是由接触电势和温差(wnch)电势两部分组成。Rt=Ro1+(tto)(4.1-1)式中 Rt温度t时的电阻值();Ro温度to时电阻值();热电阻的电阻温度系数(1/),表示单位温度引起的电阻对变化。第4页/共61页第五页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器 电阻灵敏度为 金属的电阻温度系数一般在(0.3%0.6%)/之间。绝大多数金属导体的电阻温度系数并不是一个常数,它随温度的变化而变化,只能在一定的温度范围(fnwi)内将其看成是一个常数。根据热电阻的电阻、温度特性不同,可分为金属热电阻和半导体
4、热敏电阻两大类。第5页/共61页第六页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器 金属(jnsh)热电阻1、电阻材料特性要求用于金属(jnsh)热电阻的材料应该满足以下条件:电阻温度系数要大且保持常数;电阻率要大,以减少热电阻的体积,减小热惯性;在使用温度范围内,材料的物理、化学特性要保持稳定;生产成本要低,工艺实现要容易。常用的金属(jnsh)材料有:铂、铜、镍等。第6页/共61页第七页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器n n2 铂热电阻n n铂热电阻是最佳(zu ji)的热电阻。其优点包括:物理、化学性能非常稳定,特别是耐氧化能力很强,在很宽的温度范围内(120
5、0以下)都能保持上述特性;电阻率较高,易于加工,可以制成非常薄的铂箔和极细的铂丝等。其缺点主要是:电阻温度系数较小,成本较高,在还原性介质中易变脆等。第7页/共61页第八页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器n n 在实际应用中,可以利用如下模型来描述铂热电阻与温度(wnd)之间的关系,即n n在-2000:n n (4.1-5)n n在0850:n n 第8页/共61页第九页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器n n (4.1-6)n n式中 温度为t时铂热电阻的电阻值()n n R温度为0时铂热电阻的电阻值()n n 系数(xsh)A,B,C分别为A=3.9
6、6847,n nB=-5.847,C=4.22。n n目前,我国常用的标准化铂热电阻按分度号有,它们相应地记为Pt50,Pt100和Pt300。有关技术指标如表所列。第9页/共61页第十页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器第10页/共61页第十一页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器n n 3.铜热电阻 n n 铜热电阻也是一种常用的热电阻。由于铂热电阻价格高,通常在一些测量精度要求不高而且测量温度较低的场合(如50150),普遍采用铜热电阻。其电阻温度系数较铂热电阻高。容易提纯,价格低廉。其最主要(zhyo)的缺点是电阻率较小,约为铂热电阻的1/5.8,因而
7、铜热电阻的电阻丝细而且长,机械强度较低,体积较大。此外铜热电阻易被氧化,不宜在侵蚀性介质中使用。第11页/共61页第十二页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器n n温度在50150范围(fnwi)内,铜热电阻与温度之间的关系如下:n n Rt=RO(1+At+Bt2+Ct3)(4.1-7)n n式中 Rt温度为t时铜热电阻的电阻值();n n RO温度为0时铜热电阻的电阻值()。n n 系数A,B,C分别为A=4.288991031,B=2.1331072,C=1.233109-3。第12页/共61页第十三页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器n n4.热电阻的
8、结构n n热电阻主要由不同材料的电阻丝绕制而成。为了避免通过交流电时产生感抗,或有交变磁场(cchng)时产生感应电动势,在绕制热电阻时要采用双线无感绕制法。图4.1-1 铜热电阻结构(jigu)示意图 图4.1-2 铂热电阻示意图第13页/共61页第十四页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器n n热电阻测温传感器n n半导体热敏电阻是利用半导n n体材料的电阻率随温度变化n n的性质而制成的温度敏感元n n件,半导体和金属(jnsh)具有完全n n不同的导电机理。n n 图4.1-3 半导体热敏电阻(r mn din z)的温度特性曲线 第14页/共61页第十五页,共61页。
9、4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器n n1、半导体热敏电阻的类型n n半导体热敏电阻随温度变化的典型特性有三种类型,即负温度系数热敏电阻NTC(Negative Temperature Coefficient)、正温度系数热敏电阻PTC(Positive Temperature Coefficient)和在某一特定温度下电阻值发生突然变化的临界温度电阻器CTR(Critical Temperature Resistor)。它们(t men)的特性曲线如图4.1-3所示。第15页/共61页第十六页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器n n2.2.半导体热敏电阻的热电特性半导
10、体热敏电阻的热电特性n nNTCNTC热敏电阻的阻值与温度的关系近似符合热敏电阻的阻值与温度的关系近似符合(fh)(fh)指数规律,可以写为指数规律,可以写为n n式中式中 T T被测温度(被测温度(K K),),T=t+273.16T=t+273.16n n T0 T0参考温度(参考温度(K K),),T0=t0+273.16T0=t0+273.16n n Rt Rt温度温度T T(K K)时热敏电阻的电阻值()时热敏电阻的电阻值(););n n R0 R0温度温度T0T0(K K)时热敏电阻的电阻值()时热敏电阻的电阻值()第16页/共61页第十七页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电
11、阻测温传感器n nB热敏电阻的材料常数(K),通常由实验获得,一般(ybn)在20006000K。n n 热敏电阻的温度系数定义为温度变化1K时其自身电阻值的相对变化量,即第17页/共61页第十八页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器图4.1-4 热敏电阻的典型(dinxng)伏安特性第18页/共61页第十九页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器n n测温电桥(din qio)电路n n图为平衡电桥(din qio)电路原理示意图,常值电阻R1=R2=R0。第19页/共61页第二十页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器n n当热电阻Rt的阻值随温
12、度变化时,调节电位器RW的电刷位置(wi zhi)x,就可以使电桥处于平衡状态。n n式中n nL电位器的有效的长度(m);R0电位器的总电阻()n n这种电路的特点是:通过人工调节电位器Rw,抗扰性强,不受电桥工作电压的影响;主要用于静态测量。第20页/共61页第二十一页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器n n2不平衡电桥电路n n图不平衡电桥输出电路n n原理示意图,常值电阻R1=n nR2=R3=R0。初始(ch sh)温度t0时,n n热电阻Rt阻值为R0,电桥n n处于平衡状态,输出电压为零。当温度变化时,热电阻RtR0,电桥处于不平衡状态,输出电压为 第21页/共
13、61页第二十二页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器n n式中Uin电桥的工作电压(V);n nUout电桥的输出电压(V);n nRt热电阻的变化(binhu)量()。n n这种电路的特点是:快速,小范围线性,易受电桥工作电压的干扰。第22页/共61页第二十三页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器n n图为自动平衡电桥电路原理示意图,Rt为热电阻,R1,R2,R3,R4为常值电阻,RL为连线调整电阻,RW为电位器;A为差分放大器,M为伺服电机。电桥始终处于自动平衡状态。当被测温度变化时,差分放大器A的输出不为零,使伺服电机带动电位器RW的电刷移动,直到电桥重新
14、(chngxn)自动处于平衡状态。n n这种电路的特点是:测温系统引入了负反馈,复杂,成本高。当然,该测温系统也具有测量快速、线性范围大和抗干扰能力强等优点。第23页/共61页第二十四页,共61页。4.1 热电阻测温传感器热电阻测温传感器图4.1-7 自动(zdng)平衡点桥电路原理示意图第24页/共61页第二十五页,共61页。4.2热电偶测温热电偶测温n n热电偶(thermocouple)在温度测量中应用极为广泛,因为它具有构造简单、使用方便、准确度高和温度测量范围宽等特点。常用的热电偶可测温度范围为-501600。若配用特殊材料,其温度范围可扩大为-1802800。n n热电偶的工作原理
15、n n将两种不同成分(chng fn)的导体组成一个闭合回路,如图4.2-1,当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中,回路中产生一个方向和大小与导体的材料及两第25页/共61页第二十六页,共61页。4.2热电偶测温热电偶测温n n接点的温度有关接点的温度有关(y(y ugun)ugun)的电动势,这种效应称为的电动势,这种效应称为“热热电效应电效应”。这两种导体称为这两种导体称为“热电极热电极”,产生的电路势称,产生的电路势称为为“热电动势热电动势”。图4.2-1 热电偶回路(hul)第26页/共61页第二十七页,共61页。4.2热电偶测温热电偶测温n n热电路的热电动势由两部分组成,一部
16、分是两种导体的接触电动势,另一部分是单一导体的温差电动势。n n热电偶由温差产生(chnshng)的热电势是随介质变化而变化的,其关系为式中,EAB(t,t0)为热电偶的热电动势;eAB(t)是温度为t时工作端T的热电势(dinsh);eAB(t0)是温度为to时自由端To的热电势(dinsh)。第27页/共61页第二十八页,共61页。4.2热电偶测温热电偶测温n n综上所述,热电动势的大小只与材料和接点温度有关,与热电偶的尺寸、形状及沿电板温度分布无关。如果冷端温度固定(gdng),则热电偶的热电势就是被测温度的单值函数:n n这样,当冷端温度恒定,热电偶产生的热电动势只随热端(工作端T)温
17、度的变化而变化,一定的热电动势对应着一定的温度。第28页/共61页第二十九页,共61页。4.2热电偶测温热电偶测温n n热电偶的基本定律n n(1)匀质导体(dot)定律。由一种匀质导体(dot)组成的 闭 合 回 路,不 论 导 体(dot)的截面和长度如何,都不能产生热电势。n n(2)中间导体(dot)定律。在热电偶回路中接入第三种导体(dot),只要第三种导体(dot)的两接点温度相同,则回路总的热电动势不变。第29页/共61页第三十页,共61页。4.2热电偶测温热电偶测温n n(3 3)标准电极定律。如果两种导体分别与第三种)标准电极定律。如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产
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