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1、第第2章 热电传感器 章 热电传感器 第第2章 热电传感器章 热电传感器2.1 热电势式测温传感器热电势式测温传感器2.2 热电阻式温度传感器热电阻式温度传感器 2.3 PN结型测温传感器结型测温传感器2.4 集成电路温度传感器集成电路温度传感器2.5 热释电式传感器热释电式传感器2.6 热电传感器应用实例热电传感器应用实例 思考题与习题思考题与习题 第第2章 热电传感器 章 热电传感器 2.1 热电势式测温传感器 热电势式测温传感器 2.1.1 工作原理 两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起,组成一个闭合回路,如图2.1所示。当两接点温度不等（TT0）时,回路中就会产生电动势,从而形成热电
2、流。这一现象称为热电效应。回路中产生的电动势称为热电势。 第第2章 热电传感器 章 热电传感器 图2.1 热电偶的结构示意图TT0AB第第2章 热电传感器 章 热电传感器 通常,把上述两种不同导体的组合称为热电偶,称A、B两导体为热电极。两个接点,一个为工作端或热端（T），测量时将它置于被测温度场中；另一个叫自由端或冷端（T0）,一般要求恒定在某一温度。 在图2.1所示的热电偶回路中,所产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。 接触电势的成因,是研究热电偶的一个重点。 第第2章 热电传感器 章 热电传感器 现在分析接触电势产生的原因。我们知道,不同导体的自由电子密度是不同的。当两种不同的
3、导体A、B紧密连接在一起时,在A、B的接触处就会产生电子的扩散。设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度（NANB）,那么,在单位时间内,由导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数多。这时,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,在接触表面上便形成了一个电场,在A、B之间形成一个电位差,即电动势（见图2.2）。第第2章 热电传感器 章 热电传感器 图2.2 两不同导体接触处电子的扩散与静电场的形成AB电子扩散 NANBE 第第2章 热电传感器 章 热电传感器 这个电动势将阻碍电子由导体A向导体B的进一步扩散。当电子的扩散作用与阻碍扩散的作用相等时,接触处
4、的自由电子的扩散便达到动态平衡。这种由于两 种导体自由电子密度不同,而在其接触处形成的电动势,称为接触电势。用符号eAB(T)和eAB(T0)表示导体A和导体B的两处接触点在温度T和T0时形成的电位差。根据物理学上的推导,有0000ln)(ln)(00 00BTAT BTATABBTAT BTATABNNeTkUUTeNN eTkUUTe(2.1) (2.2) 第第2章 热电传感器 章 热电传感器 式中：k0波兹曼常数, k0=1.3810-23JK =8.6210-5eVK; T, T0接触处的绝对温度（K）； NA,NB材料A、B的自由电子密度； e 电子电荷量,e=1.60210-19C
5、 。 热电偶热电势的另一个组成部分是温差电势。温差电势是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。 实验与理论均已证明,热电偶回路总电势主要是由接触电势引起的。 第第2章 热电传感器 章 热电传感器 在图2.1中,若A为正极,B为负极,则所产生的总电势为EAB（T,T0）=eAB(T)-eAB(T0) (2.3) 通过热电偶理论可以得到如下几点结论： 若热电偶两电极材料相同,则无论两接点温度如 何,总热电势为零。 若热电偶两接点温度相同,尽管A、B材料不同,回路中总电势等于零。 热电偶产生的热电势只与材料和接点温度有关, 与热电极的尺寸、形状等无关。同样材料的热电极,其 温度和电势的关系
6、是一样的。因此,热电极材料相同的 热电偶可以互换。第第2章 热电传感器 章 热电传感器 热电偶A、B在接点温度为T1、T3时的热电势,等 于此热电偶在接点温度为T1、T2与T2、T3两个不同状态 下的热电势之和,即EAB（T1,T3）=EAB(T1, T2)+EAB(T2, T3) =eAB（T1）-eAB（T2）+eAB（ T2）- eAB（ T3） = eAB（T1）- eAB（ T3）（2.4） 当热电极A、B选定后,热电势EAB（T,T0）是两 接点温度T和T0的函数差,即EAB（T,T0）=f(T)-f(T0) (2.5) 如果使冷端温度T0保持不变,则f(T0)=C(常数)。此 时
7、,EAB（T,T0）就成为T的单值函数,即EAB（ T,T0）= f(T) -C=(T) （2.6） 第第2章 热电传感器 章 热电传感器 2.1.2 热电偶中引入第三导体 在A、B材料组成的热电偶回路中接入第三导体C,只要引入的第三导体两端温度相同,则此导体的引入不会改变总电势EAB （T,T0）的大小。在实际应用中,热电偶回路中需接入测量仪表,相当于在热电偶回路中接入第三导体,如图2.3所示。在图2.3(a)中,2、3两点温度相同,回路中总电势EABC（T,T0）=eAB（T）+eBC（T0）+eCA（T0） (2.7) 当回路中各接点温度相同时,总电势为零,即EABC（T, T0） =e
8、AB（T0）+eBC（T0）+eCA（ T0）=0 eBC（T0）+eCA（ T0）=-eAB（ T0）（2.8）第第2章 热电传感器 章 热电传感器 将式（2.8）代入式（2.7）得EABC(T, T0) =eAB(T)-eAB(T0)=EAB(T, T0) (2.9) 同理可证图2.3(b)的情况。 第第2章 热电传感器 章 热电传感器 图2.3 热电偶回路中引入第三导体TT0A C213 4T1T1C(b)TA1T0T0CB(a)23B第第2章 热电传感器 章 热电传感器 2.1.3 标准热电极 如果两种导体（A和B）分别与第三种导体（C）组成热电偶所产生的热电势已知,则由这两个导体（A
9、,B）组成的热电偶产生的热电势可由下式算得：EAB（T,T0）=EAC（T,T0）-EBC（T,T0）（2.10）如图2.4所示,AC、BC、AB为三个热电偶,工作端温度为T,冷端温度为T0,则EAC（T,T0）=eAC（T）- eAC（ T0） EBC（T,T0）=eBC（T）-eBC（T0）第第2章 热电传感器 章 热电传感器 图2.4 通过标准热电极C求组合热电偶的热电势TT0ACTT0BCTT0AB第第2章 热电传感器 章 热电传感器 将上二式相减得：由式（2.8）有)()()()()()()()(),(),(000000TeTeTeTeTeTeTeTeTTETTEBCACBCACBC
10、BCACACBCAC(2.11),(),(),(000TTETTCETTEABBAC(2.12)第第2章 热电传感器 章 热电传感器 2.1.4 热电偶冷端温度误差及其补偿 通常用热电偶测量的是一个热源的温度,或两个热源的温 度差。为此,必须把冷端的温度保持恒定或采用一些方法处理。 热电偶的输出电压与温度成非线性关系。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T0=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,则只要正确地测得热电势
11、,通过对应分度表,即可查得所测 的温度。 但在实际测量中,热电偶的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,对冷端温度变化所引起的温度误差, 常采用下述补偿措施。 第第2章 热电传感器 章 热电传感器 1. 0 恒温法将热电偶的冷端保持在0器皿中,如图2.5所示。此法适用于实验室,它能使冷端温度误差得到完全的克服。=EAB（T,T0）- EAB（T,0） =-EAB（T0,0） 由该式可见,它虽不为零,但为一个定值。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。 第第2章 热电传感器 章 热
12、电传感器 图2.5 冷端0恒温TBA冰点器第第2章 热电传感器 章 热电传感器 3. 冷端补偿器法 工业上,常采用冷端补偿器法。冷端补偿器是一个四臂电桥,其中三个桥臂电阻的温度系数为零,另一桥臂采用铜电阻RCu（其值随温度变化）,放置于热电偶的冷接点处,如图2.6所示。通常,取T0=20 时电桥平衡（R1=R2=R3=RCu=20）。此时,若不考虑Rs和四臂电桥的负载影响,则)20()()20()(0)(3231ABABABABabCuCu abeTeeTeUUERRR RRRU第第2章 热电传感器 章 热电传感器 图2.6 冷端补偿器法原理UEbaR1R2R3RCuRsUabT0TAB四臂电
13、桥冷端补偿器第第2章 热电传感器 章 热电传感器 当 T0上 升 （ 如 T0=Tn） 时 ,RCu上 升 ,Uab = , Uab上升。由于U=Uab+ eAB(T)- eAB(20)- eAB(Tn-20) 而补偿器选择的RCu产生的Uab=eAB(Tn-20),故U维持公式：U= eAB(T)- eAB(20) 冷端补偿器所产生的不平衡电压正好补偿了由于冷端 温度变化引起的热电势变化值,仪表便可指示出正确的温度测量值。 使用冷端补偿器应注意： 由于电桥是在20平衡, 所以此时应把温度表示的机械零位调整到20处。 不同 型号规格的冷端补偿器应与一定的热电偶配套。 ERRR RRRCuCu)
14、(3231第第2章 热电传感器 章 热电传感器 4. 补偿导线法 当热电偶冷端的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。 此时,应先采用补偿导线（对于廉价热电偶,可以采用延长热电极的方法）将冷端远移至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 目前已经知道,镍钴-镍铝热电偶在300以下,镍铁- 镍铜热电偶在50以下,铂铑30-铂铑6热电偶在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。 第第2章 热电传感器 章 热电传感器 6. 补正系数修正法 工程上经常采
15、用补正系数法实现补偿。设冷端温度为tn,工作端测得温度场的温度为t1,其实际温度应为t=t1+ktn 式中k为补正系数,可从表2.1所示的补正系数表中查得。 第第2章 热电传感器 章 热电传感器 表2.1 热电偶补正系数 第第2章 热电传感器 章 热电传感器 例如,用镍铬-考铜热电偶测得某温度场温度为600 ,此时,冷端温度为30 ,则通过表2.1可查得k值为0.78,则温度场的实际温度为 t=600+0.7830=623.4 在使用热电偶作温度传感器、系统采用单片机的智能式温度测试系统中,这一修正过程可以自动完成。第第2章 热电传感器 章 热电传感器 2.1.5 常用热电偶的特性 虽说许多金属相互结合都会产生热电效应,但是能做成适于测温的实用热电偶者为数不多。目前常用的 热电偶及其特性见表2.2。由于热电偶能直接进行温度-电势转换,而且体积小、 测温范围广,因此,获得了广泛的应用。热电偶的结构除 普通型外,还有具有保护外套的所谓铠装(也有叫缆式)热电偶、薄膜热电偶等。薄膜热电偶是用真空蒸镀等 方法使两种热电极金属蒸镀到绝缘基板上,两者牢固地 结合在一起,形
