热电式传感器(精)课件

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1、1,第9章 热电式传感器,9.1 热电偶传感器 9.2 热电阻传感器 9.3 热敏电阻传感器,2,一、温度的概念 温度是什么？计量术语名词中有定义，其定义为“温度是描述物体冷热程度的物理量，是描述物体不同自由度之间能级分布的状态参数。一切互为热平衡的系统都具有共同的温度。”此定义从几个方面对温度的概念进行了说明，但依此是很难理解温度的。要全面理解，必须要建立热平衡的概念，还需要用到统计物理学方面的知识。因篇幅所限，本书仅对温度的概念作简单介绍。有兴趣的读者可以参见本章的参考文献。 热力学第零定律告诉我们：当物体处于热平衡时，相互之间没有净热流，它们具有共同的温度；如果相互间有热流，则热量从高温

2、物体流向低温物体。 分子运动论对温度概念也有阐述。温度高低反映了分子平均动能的大小。但是，当温度很低时，分子运动论就失效了。对于像由电子等量子组成的系统，当温度趋于绝对零度时，电子的运动速度仍达108米/秒，此时必须要用统计物理学的知识来解释温度。 由两个物体构成的闭合系统，当它们处于热平衡时，其熵达到极大值。设物体1的能量和熵分别为U1和S1，物体2的能量和熵分别为U2和 S2，则系统总的能量U和熵S分别为：U= U1+ U2， S =S1 +S2。 因为系统的熵与状态数有关，所以物体温度的高低反映了该系统的状态分布。根据这一定义，就可以很好地解释绝对零度、负温度等概念。,预备知识,3,二、

3、温标 尽管上面对温度的概念进行了解释，但仍很抽象，难以理解。为更好地理解温度的概念，还需像其他物理量一样，赋予温度数值和单位。 温度的数值表示方法，称为温标。它包含了温度的数值和单位。目前使用的温度单位是开尔文，它定义为水三相点热力学温度的/273.16，符号为K。 根据温标的定义，温标包括三方面的内容，也就是所谓的温标三要素，即定义固定点、内插仪器和内插函数。定义固定点是由一些物质的相平衡点组成的，其中最基本的是水的三相点，它的数值是给定的，用来定义温度的单位。其他的固定点主要是一些金属的凝固点和气体的三相点，它们的数值由热力学测温方法测量后赋予定义值，用于确定内插函数中的系数。内插仪器即温

4、度计，也就是通常所指的温度传感器，它通过其他物理性质的变化与温度联系，能感知温度的变化，这些物理性质有：体积、压力、长度、热电势、热电阻、热辐射等一些物理量。内插函数是指其他物理量与温度的变化关系，定义固定点之间的温度用这些函数进行内插得到。 从温标的定义可以看出，温标三要素的选择不一样，所建立的温标就不一样。历史上曾经出现过许多温标，最著名和使用最广泛的有华氏温标和摄氏温标。华氏温标是由建立的，它用精密水银温度计作内插仪器，将水的冰点定为212度，水的沸点定为32度，其他的温度用水银柱的高度随温度的变化线性插值。摄氏温标是由建立的，它也用精密水银温度计作内插仪器，但将水的冰点定为100度，水

5、的沸点定为0度，其他的温度也用水银柱的高度随温度的变化线性插值。这两个温标的数值可以互换，其关系如下： tF=9/5*tC+32 其中tF代表用华氏度表示的温度值，tC代表用摄氏度表示的温度值。,4,以上的温标统称为经验温标，它们的缺陷是随意性较大，与所选用的测温介质和变量有关，各温标间的量值不统一。为克服经验温标的这一缺陷，1841年开尔文提出了用热力学温标来统一温度的量值。开尔文用卡诺定理的结论定义了一个与测温介质无关的温标，我们称之为热力学温标。他同时提出了用一个固定点定义温度单位的设想。由于热力学温标与所用的测温介质无关，因此我们可以用理想气体温标来复现热力学温标。同样我们也可以用其他

6、任何一种热力学原理来实现热力学温度的测量。至今，已实现的热力学测温方法有：气体温度计、声速温度计、磁测温法、全辐射测温法。 尽管热力学温标与测温介质无关，但是实现起来极其困难，过程非常复杂，复现精度较低，实用性不强。为了能使温度的量值统一，又能使所使用的温标易于实现。在十九世纪末，欧美一些国家提出了使用国际温标的建议。第一次世界大战结束后，国际计量大会于1927年发布了第一个国际温标，即ITS-27。此后，约每隔20年对旧的温标进行修改，实施使用新的温标。若旧温标不能适应当时科学技术水平发展的需要，而下次修订时间还没到，也可以采用临时温标。曾使用过的国际温标有ITS-27，ITS-48，IPT

7、S-68及其修订版，EPT-76临时温标。目前，我们使用的温标是ITS-90（International Temperature Scale-1990）。有关国际温标的内容，参阅ITS-90的文本。,5,三、热辐射 热辐射是指物体在热平衡时的电磁辐射，由于热平衡时物体具有一定的温度，所以热辐射又称温度辐射。热辐射的波长范围从软X射线至微波，物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的，红外线在电磁波谱中的位置如图1所示。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。红外线的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传

8、播，并具有明显的波粒二相性。 红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。而红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是22.6m、35 m和814 m，统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。 黑体是特殊的热辐射体。在同温度下，其辐射能力最大。描述其辐射能量和温度之间的关系有两个重要的定律，它们是普朗克定律和斯蒂芬玻尔兹曼定律。普朗克定律是由普朗克（P

9、lank）于1900年发现的，它描述了黑体的光谱辐射能量与温度之间的关系。 斯蒂芬玻尔兹曼定律是由斯蒂芬玻尔兹曼（StefanBoltzmann）于19发现的，它描述了黑体的全波辐射能量与温度之间的关系，公式为：ST4 式中为斯蒂芬波尔兹曼常数，为待测物体表面面元的平均发射率，T为待测物体表面面元的温度，S为物体表面总辐出度。 从上述两公式可知，只要我们用传感器接受到物体的光谱辐射能量或全波辐射能量，我们就能够测量出物体的温度，这就是辐射传感器的基本工作原理。,6,9.1 热电偶传感器,热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。它主要包括热电偶、热电阻和热敏电阻等，是温度测量的基本传感

10、器。 一、热电效应 塞贝克（Seebeck）效应：1821年塞贝克发现了铜、铁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，对两个接头中的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）存在温差而产生的电势差，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，温度高的那一端称为热电偶的热端，又可称测量端，温度低的那一端称为热电偶的冷端，又可称参考端。 将两种不同的导体或半导体两端相接组成闭合回路，当两接点的温度不同时，则在回路中产生热电势，并形成回路电流。这种现象称塞贝克效应，即热电效应。 实验指出，当组成热电偶的材料A、B为均质材料

11、时，回路电动势只与材料本身的性质有关，与两接点的温差有关，而与热电偶的长短和粗细无关。这样我们就可以将热电偶做成温度传感器，也可以做成测量与之有关的其他物理量的传感器。,7,2热电效应的物理基础（经典电子理论） 热电偶回路产生的热电动势由(两种导体)接触电动势和(一种导体)温差电动势两部分组成。 接触电动势珀耳帖(Peltier)电动势 1834年珀耳帖研究了热电现象，他发现当电流流过两种不同金属材料的接点时，接点的温度会随电流的方向产生升高或下降的现象。他提出要发生这种现象，接点处必定存在一电动势，并且电动势的方向随电流方向可逆，我们把这一可逆电动势称为接触电动势，为纪念珀耳帖的发现，又称其

12、为珀耳帖电动势。 接触电动势可以用下图的电子运动过程来解释（唯象）。设NA是金属A的自由电子密度，NB是金属B的自由电子密度，进一步假设NANB，这样在密度差的作用之下，自由电子由A向B扩散，A段失去电子带正电，B段得到电子带负电，这样在AB间形成一内电场EAB，电子在电场力的作用下，又要被拉回到A段去。当然这样的过程不会无限下去，当扩散和形成的电场对电子的作用力相等时，接点处不再出现宏观的电子迁移，即达到动态平衡。当接点所处的温度发生变化时，自由电子在新的状态下达到新的动态平衡。此时在接点处形成一个与接点温度和材料自由电子密度有关的电势。根据经典理论，此电势为： eAB(T):导体A、B的接

13、点在温度T时形成的接触电动势；k: 玻尔兹曼常数；导体自由电子密度；e: 电子电荷,8, 温差电动势 汤姆逊（Thomoson）电动势 1851年汤姆逊研究了热电现象，他发现当电流流过一根两端处于不同温度的导体时，导体中除产生焦耳热外，还有一随电流方向改变而吸收或产生热量的现象。他提出要发生这种现象，导体中必定存在一电动势，并且电动势的方向随电流方向可逆，我们把这一可逆电动势称为温差电动势，为纪念汤姆逊的发现，又称其为汤姆逊电动势。 温差电动势可以用下图的电子运动过程来解释（唯象）。设导体两端处于不同的温度T和T0，且TT0。由于金属导体两端的温度不同，则其自由电子的浓度亦不相同，温度高的一端

14、浓度较大（动能较大，大于逸出功的电子数目较多），因此高温端的自由电子将向低温端扩散，高温端失去电子带正电，低温端得到多余的电子带负电，当扩散和形成的电场对电子的作用力相等时，在导体内形成一稳定的与温差和材料特性有关的电动势。根据经典理论，此电势为： A：汤姆逊系数，指导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势。,9, 回路电动势 当A、B两种金属构成热电偶回路，两端的温度分别为T、T0时，回路中存在两个接触电动势和两个温差电动势，其方向相反，则热电偶回路中的总电势是它们的代数和，即为： 实验指出，当A、B两种不同的金属所构成的热电偶的两端温度分别为T（热端温度）和T0（冷端温度）时，回路电动势

15、与温差有下列近似关系： 是与金属A、B有关的温差系数。 多数的金属材料AB在10-2 V10-3 V。而其a约为10-6伏/度，b约为10-8伏/度，所以在温度不太高、温差不太大、精度要求不高时，可以进一步近似为线性关系：,10, 几点讨论 回路热电势的大小仅与材料和端点的温度有关，与热电偶的尺寸形状无关。 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。 i.e. 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。 i.e. 由不同电极材料A、B组成的热电偶，当冷端温度 T0 恒定时，产生的热电势在一定的温度范围内仅是热端温度T的单值函数

16、。,11,二、工业热电偶的结构 1结构 工业用热电偶是要进行封装保护处理的，普通型工业用热电偶的封装形式如图6-5所示。主要有热电极（热电偶电极），绝缘材料，保护套管和接线盒等组成。为了便于安装，在保护套管上一般还安装法兰盘。 根据工业测量的一些特殊要求，热电偶的结构做成很多形式，例如：测量物体表面温度的表面型热电偶，测量烟气温度的抽气热电偶，测量钢水温度的投入式热电偶，在爆炸环境中使用的隔爆型热电偶，等等。 2常用热电偶 热电偶分为标准化和非标准化两大类；也可以根据组成热电偶的材料将热电偶分为廉金属热电偶和贵金属热电偶两大类。一般情况下，高温用热电偶大多是由贵金属材料构成的。同时贵金属热电偶的性能比较稳定，常常用来作为标准来使用。 标准化热电偶是由国际工程师协会IEC(International Engineer Commission)推荐的，目前共有8中，用英文大写字母表示，它们分别是R、B、S、K、N、J、E和T，其中R、B、S三种热电偶是用贵金属铂及其与铑