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1、传感器原理及应用,第七章热电式传感器,正常体温为37相当于华氏温度多少度？,发展阶段：华氏温标(F)摄氏温标(C)开氏温标(K),温度测量及传感器分类,温度传感器的种类及特点,第7章热电式传感器,热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置在各种热电式传感器中，把温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中将温度转化为电势的热电式传感器叫热电偶。将温度转换为电阻值的热电式传感器叫热电阻。基于半导体PN结的伏安特性与温度之间的关系开发出的固态传感器，我们一般称其为热敏电阻，其实也是热电阻的一种。热电式传感器目前在工业生产中得到了广泛的应用，并且可以选用定型的显示仪表和记录仪来进行显示和记录。,
2、下一页,第7章热电式传感器,71热电偶72热电阻73集成温度传感器74热敏电阻,上一页,下一页,热电偶测温的主要优点：,71热电偶,1.属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；2.测温范围广：下限可达-270，上限可达1800以上；3.各温区中的各种热电偶的热电动势均符合国际计量委员会的标准,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电动势,A,B,从实验到理论：热电效应,1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点）
3、，发现放在回路中的指南针发生偏转。说明回路中产生了什么？,如果用两盏酒精灯同时加热两个结点，指南针的偏转角反而减小。这又说明什么？,结论：指南针的偏转说明回路中有电动势产生，并有电流在回路中流动。热电流的强弱与两个结点的温差有关，而不是与单一的一端结点的温度成正比。,71热电偶,一、热电效应两种不同的导体或半导体A、B两端连接在一起组成回路，如图示：当两结点温度不等时（设），回路中就会产生电动势，从而形成电流，这种现象称为热电效应，该电动势称为热电动势。通常我们把上述两种不同导体的组合称热电偶，称A、B两种导体为热电极。两个结点，一个为工作端或称热端（），测量时将它置于被测量度场中。另一个叫自
4、由端或称冷端（），一般要求恒定在某一温度。经研究发现，上图中热电偶回路中所产生的热电动势由两部分组成，其一是两种导体的接触电势，另一个是单一导体的温差电势。,(一)接触电势由于不同导体的自由电子密度不同，当两种不同的导体A、B连接在一起时，在接触面就会发生电子的扩散，假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，那么在单位时间内，由导体A扩散到导体B的电子数要比从导体B扩散到导体A的电子数多，此时导体A因失去电子而带正电，导体B因得到电子而带负电，于是在接触区就形成一个从A到B的静电场（电位差），如图所示，这个电场阻碍了电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触
5、电势。由物理学可知，在温度为T时：接触电势：其中：温度为T时的接触电动势波尔兹曼常数（k=1.3810-23J/K）电子电荷量材料A、B的自由电子密度（随温度变化而改变）（单位体积的电子数）结论：接触电动势的大小只与导体材料A、B的性质和结点的温度有关，而与材料的几何形状，尺寸无关。,上一页,下一页,“结点”产生热电动势的微观动画,两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的相互扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电动势。,自由电子,A,B,eAB（T）,T,热电偶的图
6、形符号,(二)温差电势单一导体，如果两端温度不同，则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，高温端因失去电子而带正电，低温端因得到电子而带负电，从而形成静电场，如图所示。该电场阻碍电子的继续扩散，当达到动平衡时，在导体两端便产生一个稳定的电位差，即温差电势。同样由物理学可知：温差电势:其中：导体A两端温度为时形成的温差电势汤姆逊系数，表示单一导体两端温差1时所产生的温差电势，其值与材料性质及两端温度有关.结论：在热电偶中，温差电势相对于接触电势非常小，工程上常将其忽略不计，起决定作用的是接触电势。但热电偶作为检测计量使用时要加以考虑。,上一页,下一页,(三)热电偶回路总热电势对
7、于由导体A、B组成的热电偶回路，当时，闭合回路中产生的接触电势和温差电势如图所示。则闭合回路总的热电动势为：设回路电流顺时针方向为正，则：将，代入得：结论：1如果热电偶两极材料相同（即），虽然两结点温度不同（），总热电势仍为零（）因此，热电偶必须用两种不同的材料作电极。,上一页,下一页,2如果两极材料不同，而两结点（两端）温度相同（），回路热电势也为零（）3前面提过，由于温差电势很小，可忽略，故工程中常将上式简化如下：4由上式可知，热电势是温度和的双值函数，这在使用中很不方便，因此在标定热电偶时，使为常数。即：（常数）则即回路总热电势看成温度T的单值函数，方便工程测量。实际通常使，对热电偶进行
8、标定（分度表）。,上一页,下一页,热电偶分度表针对某型号的热电偶，在其冷端温度为条件下，制作的热电动势E与热端温度T的对应关系表。使用时，测得冷端温度为时的热电动势查表即可得到所测温度。因为非线性关系，所以使用分度表时要求其冷端温度为，如果冷端温度不为，必须对冷端温度修正到。,二、热电偶基本定律(一)中间导体定律：定律描述：在热电偶回路中，其它金属材料作为中间导体引入，如图示，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶回路的总电动势无影响。数学表达式：证明：右图所示回路总电势为,上一页,下一页,下一步求出该两项,设三个结点（1、2、3）温度均相等均为,则有下式成立：因此上述定律成
9、立。,其中,所以,代入上式得：,上一页,下一页,；,(二)标准电极定律：（也称参考电极定律）定律描述：当接点温度为时，用导体A、B组成热电偶产生的热电势等于A、C热电偶和C、B热电偶热电势的代数和。数学表达式：导体C（一般铂）称标准电极证明：参见上图所示有：,上一页,下一页,所以有下式：因此上述定律成立。,上一页,下一页,（三）连接导体定律和中间温度定律：1连接导体定律：定律描述：在热电偶回路中，如果热电极A、B分别与连接导线A、B相连接，接点温度分别为，那么回路的总热电势等于热电偶电势与连接导线热电势代数和。,数学表达式：,证明：由上图所示，回路总电势,上一页,下一页,因为：同时：将中间结果
10、代入最上式得：因此上述定律成立。该定律是工业上用补偿导线测温度的基础。,上一页,下一页,2中间温度定律：定律描述：热电偶在结点温度为时的热电势，等于热电偶在时相应的热电势与的代数和。数学表达式：证明：根据连接导体定律，当导体A与，B与材料分别相同时，即是中间温度定律。无须额外证明。中间温度定律为制定热电动势分度表奠定了基础。分度表是参考端温度在0（）时的条件下，对应热端温度不同得到的一系列热电动势值，不同的热电偶具有不同的分度表。只要求得参考端温度0时的热电动势与温度的关系，就可根据上式求出参考端温度不等于0时的热电动势；反之，也然。因此，“中间温度定律”是热电偶使用计算中最常用的基本定理。,
11、上一页,下一页,K热电偶的分度表,分别查出-100、+100时的2个热电动势。计算与0之差，体会热电动势的非线性。,三、常用热电偶及结构从理论上讲，虽然任意两种导体（或半导体）都可以配制成热电偶，但作为实用的测温元件，对它的要求是多方面的，并非所有材料都适合制作热电偶，对热电偶的电极材料要求是：（1)配制成的热电偶应具有较大的热电势，并希望热电势与温度之间呈线性关系或近似线性关系。（2)能在较宽的温度范围内使用，并且长期工作后物理化学性能与热电性能都比较稳定。（3)导电率要求高，电阻温度系数小，比热小。（4)易于复制，工艺简单，成本低。(一)常用热电偶（或称工业标准化热电偶）铂铑铂，热电偶分度
12、号为。铂铑合金为正极，铂丝为负极。适合于1300以下温度范围。优点：复制精度和测量准确度较多，可用于精密测量和作标准热电偶。缺点：热电势小，高温时易受还原气体和金属蒸气侵害,属贵金属材料,成本高。,上一页,下一页,镍铬镍硅、热电偶分度号为K，镍铬为正极，镍硅为负极，适合于900以下温度范围。优点：复制性好，产生热电势大，线性度好，成本低。缺点：易受还原性介质腐蚀，测量精度偏低。镍铬考铜（镍铜合金）热电偶分度号E，镍铬为正极，考铜为负极，适合于600以下温度范围优点：灵敏度高，成本低，适用于还原性和中性介质场合。缺点：测温范围窄而低，易氧化，复制性差。铜康铜（镍铜合金），热电偶分度号为T，铜为正
13、极，康铜为负极，适合于温度范围优点：低温下有较好的稳定性，多用于实验室和科研。缺点：电特性复制差，所以热电势常用下式近似得出常数（查表）注意：测量低温时，由于工作端温度低于参考端，所以正负极要发生变化。,上一页,下一页,(二)热电偶结构热电偶通常由热电极，绝缘套管，保护套管和接线盒四部分组成。如右图。热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下几点：组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。,上一页,下一页,接线盒,引出线套管,固定螺纹（出厂时用塑料包裹
14、）,热电偶工作端（热端）,不锈钢保护管,安装法兰,装配式热电偶结构,薄壁金属保护套管（铠体）,铠装型热电偶可长达上百米,快速反应薄膜热电偶1热电极2热接点3绝缘基板4引出线,小形K型热电偶,XC系列陶瓷纤维柔性热电偶,四、热电偶冷端温度补偿根据热电偶的原理知道，只有当冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数，在应用中，由于热电偶工作端与冷端距离很近，冷端又暴露于空气中，容易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。为此可采用下述几种方法进行补偿。（一）补偿导线法（又称延伸热电极法）要保证热电偶冷端的温度不变，可以把热电极加长，使冷端远离工作端，放到恒温或温度波动较小的地方。
15、这样若是使用贵金属作电极的热电偶时，将大大增加成本。因此一般是采用一种特殊导线（称补偿导线），将热电偶的冷端延伸出来。如下图所示。图中AB为热电偶，原冷端温度为（变化不定），为补偿导线，是仪表与连接点的温度（即延伸后的新冷端），其数值基本稳定。从热电性来看，可以认为分别是A、B的延长，热电偶的冷端也由处移到处。补偿导线是由价格低廉的两种不同成分导体组成的热电偶，在一定的温度范围内，具有和所连接的AB热电偶相同的热电性能，即确保,上一页,下一页,根据热电偶的“连接导线定律和中间温度定律”可得：这就是是补偿导线法或称延伸热电极法。通常对补偿导线的选用是：对于铂铑铂热电偶，补偿导线选铜镍铜；镍铬镍硅
16、热电偶，补偿导线选铜康铜；镍铬考铜热电偶，补偿导线选用自身电极材料；铜康铜热电偶，补偿导线选用自身电极材料。注意：选则补偿导线应与热电偶电极材料对应，不可随意选取，以保证热电性一致。且正负极应对应连接，不能接反。同时，温度不应高于100，否则会因热电性不同带来新的误差。,上一页,下一页,A,B,屏蔽层,保护层,（二）冷端温度计算校正法由于热电偶的温度热电势关系（即分度表）是在冷端温度保持在的情况下得到的。与它配套使用的仪表又是根据分度表进行刻度的。因此，尽管已采用了补偿导线使热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，但只要冷端温度，就必须对仪表示值加以修正。公式如下：举例说明：K型热电偶在工作时冷端温度，测得热电动势。求被测介质温度？解：,查K型分度表得：,由修正公式得：,上一页,下一页,反查分度表得：,（对应于40.37mv）,计算修正法举例,K热电偶测温电路中，热电极A、B直接焊接在钢板上，A、B为补偿导线，Cu为铜导线，已
