传感器第6章 热电式传感器.

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1、第6章 热电式传感器 温度是表示物体冷热程度的物理量，是一个十分重要的物 理参数，无论在工农业生产、科学研究、国防和人们日常 生活等各领域，温度的测量和控制是极为重要的课题。所 以在种类繁多的传感器中，在产品和应用方面，温度传感 器都处前列。 热电式传感器是一种将温度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变化的特性来达到测量 的目的。例如将温度转化为电阻、磁导或电势等的变化， 通过适当的测量电路，就可由这些电参数的变化来表达所 测温度的变化。在各种热电式传感器中，以把温度量转换 为电势和电阻的方法最为普遍。其中将温度转换为电势大 小的热电式传感器叫做热电偶，将温度转换为电阻

2、值大小 的热电式传感器叫做热电阻。这两种热电式传感器目前在 工业生产中已得到广泛的应用。 另外利用半导体PN结与温度的关系，所研制的PN结型温 度传感器在窄温场中，也得到了十分广泛的应用。 对温度传感器的要求是：灵明度高、线性好、稳定性好、 重复性好、工作范围宽、互换性好、响应快、尺寸小、成 本低、使用方便等指标来衡量。 温度不能直接测量，但物体的许多属性都随温度变化，因 此，通过其他物理量间接测量温度。原则上，物体的属性 ，只要随温度变化而发生单调的、显著的、可重复的变化 ，都可以用于温度测量。温敏器件最常用的物理量包括体 积、压力、电阻、磁化率和热电动势等，分别被用来制成 气体温度计、液体

3、温度计、铂电阻温度计、热电偶温度计 和半导体温度计等。 6.1热电偶温度传感器 6.1.1热电偶测温原理 热电偶传感器是一种能将温度转换成电势的装置。目前 在工业生产和科学研究中已得到广泛的应用，并且已经 可以选用标准的显示仪表和记录仪表来进行显示和记录 。 将两种不同材料的导体，组成一个闭合回路，如图6.1所 示。如果两端点的温度不同，则在两者间产生一电动势 ，这个电势的大小和方向与两种导体的性质和两个结点 温度差有关，这一温度现象称为热电效应，有时也称温 差电效应。由两种导体组成的回路叫热电偶，组成热电 偶的A、B两种导体叫热电级，两个结点，一个称为工作 端或热端（t），另一个叫自由端或冷

4、端（t0）。热电偶 产生的电势Eab称为热电势或温差电势。如果图中，A为 正极， B为负极，且t，则产生的热电势为 (6.1) 式中：t热端温度（）；冷端温度（） 由此可知，用热电偶测温，有两个重要的问题要解决，即 补偿导线和冷端温度补偿。 图6-1热电效应 6.1.2热电势的测量 上述的热电偶是指两个电极组成的闭合电路。当要测量此 热电势时，实际最简单的测量线路如图6-2所示。这时回 路中除热电极A、B外，还有测量仪器M和谅解导线C、D 。那么，此时M所测到的电势是否与式（6-1）所表示的 相同呢？这时有条件的。如果两连接线C、D材料相同， 并且两倒显得接入点温度对应相同，即 ，且 与热电极

5、相接的一端温度与热电偶冷端温度相同，即 ，则根据热电偶的基本定律可知，导线C、D和仪表M的接 入不影响原热电偶的热电势，M所测得的电势即为原热电 偶的热电势 ；如果C、D材料不同，情况比较复 杂，除接入点温度满足上述要求外，导线C、D材料在要 求的温度范围内 ，还必须满足“热电性能一致性”的要求，即 （6.2） 显然，热电偶的连接导线是不能任意取的，不同的热电偶 ，所需配用的连接导线夜不同，这种线称为补偿导线。随 便用连接线，将产生附加的测量误差。 6-2热电偶工作原理图 6.1.3 热电偶的基本定律 中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体，只要第 三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热

6、电动势不变 。 如图6-3，在热电偶回路中接人第三种导体C。设导体A 与B接点处的温度为t，A与C、B与C两接点处的温度为t0 ，则回路中的总电动势为 (6-3) 图6-3 热电偶中接入第三种导体 如果回路中三接点的温度相同，即tt0，则回路总电动 势必为零，即 或者 (6-4) 将式(5-7)代人式(5-6)，可得 (6-5) 可以用同样的方法证明，断开热电偶的任何一个极，用第 三种导体引入测量仪表，其总电动势也是不变的。 热电偶的这种性质在实用上有着重要的意义，它使我们可 以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器 ，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或 直接焊在金属表

7、面进行温度测量。 标准电极定律：如果两种导体分别与第三种导体组成热电 偶，并且热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所 产生的热电动势也就已知。 如图6-4，导体A、B分别与标准电极C组成热电偶，若它 们所产生的热电动势为已知，即 那么，导体A与B组成的热电偶，其热电动势可由下式求 得 (6-6) 图6-4 三种导体分别组成热电偶 标准电极定律是一个极为实用的定律。可以想象，纯金属 的种类很多，而合金类型更多。因此，要得出这些金属之 间组合而成热电偶的热电动势，其工作量是极大的。由于 铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，我们 通常选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯 铂组

8、成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而 成的热电偶的热电动势可根据式(6-6)直接计算出来。 例如：热端为100，冷端为0时，镍铬合金与纯铂组 成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的 热电偶的热电动势为-4.0mV，则镍铬和考铜组合而成的 热电偶所产生的热电动势应为 2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV 中间温度定律：热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势 等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电 动势的代数和。 中间温度定律可以用下式表示 (6-7) 中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明 ：若热电偶的热电极被导体延长，只要接入的导

9、体组成热 电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它 们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接 点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。 中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明 ：若热电偶的热电极被导体延长，只要接入的导体组成热 电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它 们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接 点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。 6.1.4热电偶冷端温度误差及其补偿 由式（6-1）表明，热电势 是两个接点温度的函数 。但是，通常要求测量的是一个热源的温度，或者两个热 源的温度差，为此，必须固定其中一个接点

10、的温度。对于 任何一种实际的热电偶并不是由精确的关系式表示其特性 ，而是用特性分度表。为了便于统一，一般手册上所提供 的热电偶特性分度表是在保持热电偶冷端温度0的条件 下，给出热电势与热端温度的数值对照。因此，当使用热 电偶测量温度时，如果冷端温度保持0 ，则只要正确地 测得电势，通过对应分度表，即可查的所测得温度。 但在实际测量中，热电偶冷端温度将受环境温度或热源温 度的影响，并不为0 ，为了使用特性分度表，对热电偶 进行标定，实现对温度的准确测量。对热电偶冷端温度变 化所引起的冷端温度误差，长采用下述补偿方法。 1.0恒温法 将热电偶的冷端保持在0容器内，如图6-3所示，此法 仅适合于实验

11、室内，但它能使冷端温度误差得到完全的解 决。 2.冷端恒温法 将热电偶冷端置于一恒温器内，如恒定温度为，则冷端误 差为 = （6.3） 由式可见，它虽不为零，但是一个定值。只要在回路中加 入相应的修正电压，或调整指示装置的起始位置，即可达 到完全补偿的目的。 图6-3冰点冷端恒温法 3.冷端补偿器法 工业上常采用冷端补偿。冷端补偿器是一个四臂电桥，如 图6-4所示，其中三个桥臂电阻 的温度系数为 零，另一个桥臂采用铜电阻 ，放置于热电偶的冷 端处。当 时，电桥平衡；当 时，电桥将产 生相应的不平衡电压。电桥的输出V与热电势串联，只 要满足 V= (6.4) 则热电偶的冷端误差变暖成了定值 。因

12、此，只要再 采用定值误差的修正（恒温法），即可获得冷端温度误差 的完全补偿。 图6-4冷端补偿器的应用 4.采用补偿导线 当然电偶冷端温度由于受热端温度的影响，在很大范围内 变化时，则直接采用冷端温度补偿法将很困难。因此，应 先采用前述的补偿导线（对于廉价热电偶，可以采用延长 热电极的方法），将冷端远移到温度变化比较平缓的环境 中，再采用上述的补偿方法进行补偿。 5.采用不需要冷端补偿的热电偶 目前已知道：镍钴-镍铝热电偶在300以下，镍铁-镍铜 在50以下，铂-铂在50 以下的热电势均非常小。只要实际的冷端温度在其范围内 ，使用这些热电偶可以不考虑冷端误差。 6.1.5常用热电偶的特点 虽说

13、许多金属相互接合会产生热电效应，但是能做成适于 测量的实用热电偶为数还不多，目前常用的热电偶及其特 性见表6.1。 表6-1常用热电偶种类及性质 由于热电偶能直接进行温度-电势转换，体积小、测量范围 宽、耐用，因此，获得了十分广泛的应用。 热电偶虽然是一种古老的传感器，但因有如下特点，至今 仍在测温领域里得到广泛应用。 （1）结构简单，制造容易，使用方便，热电偶的电极不受 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动势，因此测量时，可不要外 加电源。输出灵敏度在室温下为 毫伏数量级。 （3）测量范围广，可从2691800OC。 （4）测量精度高，热电偶与被测对象直接接触

14、，不受中间 介质的影响。 （5）便于远距离测量、自动记录及多点测量。 6.1.6常用热电偶的应用举例 (一) 热电偶测金属表面温度 表面温度测量是温度测量的一大领域。金属表面温度的测 量对于机械、冶金、能源、国防等部门来说是非常普通的 问题。例如，热处理的锻件、铸件、气体水蒸汽管道、炉 壁面等表面温度的测量。测温范围从几百摄氏度到一千多 摄氏度。而测量方法通常利用直接接触测温法。 一般在200-300以下温度时，可采用粘接剂将热电偶 的结点粘附于金属壁面，工艺比较简单。在温度较高且测 量精度高和时间常数小的情况下，常采用焊接的方法，将 热电偶头部焊于金属壁面。 如图6-5热电偶测量系统 (二)

15、测控应用 如图6-5中所示为常用炉温测量采用的热电偶测量系统图 。图中由毫伏定值器给出设定温度的相应毫伏值，如热电 偶的热电势与定值器的输出（毫伏）值有偏差，则说明炉 温偏离给定值，此偏差经放大器送入调节器，再经过晶闸 管触发器去推动晶闸管执行器从而调整炉丝的加热功率， 消除偏差，达到温控的目的。 6.2热敏电阻温度传感器 热敏电阻是材料的电阻随温度显著变化的器件。它大多是 由金属氧化物半导体材料制成，也有由单晶半导体、玻璃 和塑料制成。由于热敏电阻器具有体积小、结构简单、灵 敏度高、稳定性好等优点，所以广泛地用于温度测量和温 度控制中。 6.2.1热敏电阻的基本类型 热敏电阻按其阻值随温度变

16、化的特性，可分为负温度系数 热敏电阻NTC、正温度系数热敏电阻PTC、临界温度电阻 CTR三种类型，它们的热电特性如图6-6所示。 图6-6三种热敏电阻的热电特性曲线 由图可知，PTC是当温度越过某一数值后，电阻率随温度 增高而迅速地增大，用于窄温区范围内的温度检测和温度 控制，如电子驱蚊器的加热芯片，电热毯的控温元件等， PTC作温度补偿元件夜获得应用。 CTR在临界温度附近（约68）电阻率产生突变，突变 数量级为24，可作温度开关用。 NTC的电阻率 随温度增加比较均匀地减小，这种较均 匀的感温特性，适用于作较宽范围的温度检测传感器，是 构成热敏传感器的主要元件。 目前实用化的NTC材料通常是 等24种 成分的氧化物烧结体，有时