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1、第四章 热电式传感器,【内容提示】温度是定量反映物体冷热程度的物理量，在工农业生产、科学实验和人们日常生活中，随时可见它的踪影，它与人类的关系密切。在很多场合，监测它的变化、控制它的趋势，显得非常重要。本章就目前应用广泛的热电偶、热电阻和集成温度传感器进行介绍，内容包括将温度转换为电阻或电动势的机理、温度传感器的特性以及应用等。,4.1 概述,热电式传感器是一种将温度量转换成电信号的装置，它利用某些材料或元件随着温度变化其自身参数发生变化的特性进行测温。通常都是将被测温度的变化转换成这些元件的电阻变化、电势的变化、磁导率变化或者热膨胀变化等，然后经过相应的处理电路输出电压或电流，进而由这些参数
2、的大小来反映被检测对象的温度变化。,热电式传感器的应用十分广泛，在工农业生产、航空航天、生物医学，家用电器、医疗仪器、火灾报警以及海洋气象等诸多领域都可找到它的踪迹。例如，在化工生产中，各生产工艺过程都是在一定的温度下进行的，因此温度的测量和控制成为化学反应过程中的一个重要环节；在钢铁工业，要想炼好钢，就必须对炉温进行实时测量和有效控制；在现代化大型温室里，要想长久保持新鲜蔬菜和良种，就不得不对温度进行监控和及时调整；在科学研究领域，更是与温度有着不解之缘；即使是在人们的日常生活中，温度及其测量也占着十分重要的地位。,温度传感器的种类很多，根据引起物理参量的变化可分为：热电偶式，热电阻式，热膨
3、胀式，PN结型式、热辐射式、红外式和集成温度式传感器等；根据感受温度的途径分为：接触式和非接触式。所谓接触式测温是指通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度；非接触式是通过接受被测物体发出的热辐射来感知物体的温度。 在众多的热电式传感器中，将温度量转换成电势或电阻的测量原理最为普遍，因而本章将重点介绍在工业应用最多的热电偶式和热电阻式传感器，以及使用方便、适应性强的半导体集成温度传感器。,4.2 热电偶,在温度测量中，热电偶（thermoelectric pair, thermocouple）的使用可谓相当广泛，属于接触式温度传感器，具有结构简单、准确度高、制造和使用方便、测量范围广、敏感
4、度高、惯性小和输出信号便于远距离传送等优点。,4.2.1 常用热电偶及其结构,实际应用中组成热电极的材料必须具备以下几方面的条件： （1）测量范围广，在规定的温度测量范围内具有较高的测量精确度 （2）在测量范围内，热电性能稳定； （3）物理、化学性质稳定性，抗氧化或抗还原性能强； （4）电阻温度系数小，电导率高； （5）有较大的热电动势，温度与热电动势的关系是线性关系； （6）有足够的机械强度及较好的耐振动、耐热冲击性能；,（7）复现性好，便于成批生产，应用上可保证良好的互换性； （8）制造工艺简单，且价格便宜。,目前常用的热电偶种类及性质如表4-1所示,表4-1 常用热点偶种类及性质 （略）
5、,由于热电偶的应用广泛，因此为了适用不同测量对象的测温条件和要求，热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装热电偶及薄膜热电偶等。 1.普通型热电偶 普通型热电偶的结构由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等组成，见图4-1所示。其中热电极是热电偶的基本组成部分，有正、负极性之分。热电极的直径大小由材料价格、机械强度、导电率、热电偶的用途和测量范围等因素决定。绝缘管防止电极间短路，根据不同使用温度，选择相应的绝缘材料：如橡皮、塑料（6080）、玻璃丝、玻璃管（500）、石英管 (01300)、瓷管 (1400) 和氧化管，而最常用的是氧化铝和耐火陶瓷等。保护管用来隔离热电极与被测温介质，保护热点偶感温
6、元件免受被测温介质化学腐蚀和机械损伤的装置。常用的保护管材料有两类：金属和非金属。金属常用铝、铜、铜合金、不锈钢、镍等高温合金材料，非金属材料有石英、高温陶瓷、氧化铝（镁）等，应根据需要选择。接线盒供热电偶与补偿导线连接之用。根据被测对象和现场环境条件，可分为普通式、防溅式（密封式）两种结构。,图4-1 普通热电偶结构图,2. 铠装热电偶（armoured thermocouple） 铠装型热电偶又称套管热电偶。它由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体，如图4-2所示。它可以做得很细很长，使用中可随需要任意弯曲；测温范围通常在1100以下。其优点是：测温端热容量小，因此热
7、惯性小、动态响应快、寿命长、机械强度高、弯曲性好，可安装在结构复杂的装置上。,图4-2 铠装型热电偶,3.薄膜热电偶（film thermocouple） 薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成的一种特殊热电偶，如图4-3所示。薄膜热电偶的接点可以做得很小、很薄，具有热容量小，响应速度快等特点。适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度的测量，测温范围在300以下。,图4-3 薄膜型热电偶,4.2.2 热电偶的测温原理、基本定律及温度补偿,1. 热电偶的测温原理 热电偶传感器的测温原理是基于热电效应。将不同的导体或半导体组成闭合回路，如图4-4所
8、示。当两个接合点温度T和 不同时，则在该回路中就会产生电动势、这种现象称为热电效应。而这两种不同材料的导体的组合就称为热电偶，通常将温度高的接点称为热端、测温端或工作端；温度低的接点称为冷端、参考端或自由端，它通过导线与显示仪表或测量电路相连，如图4-5所示。测量时，将工作端置于被测温度场中，自由端固定在某一温度下。,图4-4 热电效应原理图 图4-5 热电偶测温系统简图,接触电势式是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。两导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散，在接触处失去电子的一侧带正电，得到电子的一侧带负电，扩散达到动平衡时，在接触面的两侧就形成稳定的接
9、触电势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。两接点的接触电势 和 可表示为,（4-1）,式中， k为波尔兹曼常数， ，e 为单位电荷量， ； 、 和 、 分别为温度为T和 时， A、B 两种材料的电子密度。 温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高温端移动到低温端的,电子数比从低温端移动到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电。因此，在导体两端便形成温差电势，其大小为,（4-2）,式中， 和 分别为A 导体和 B 导体的电子密度，为温度的函数。,在图
10、4-4 所示的回路中产生的总热电势为,（4-3）,在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电势可表示为,（4-4）,对于已选定的热电偶，当参考端温度 恒定时， 为常数，则总的热电动势就只与温度 T 成单值函数关系，即,（4-5）,这一关系式在实际测量中是很有用的，即只要测出 的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。,2. 基本定律 (1) 均质导体定律,由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的尺寸大小，形状及沿电极各处的温度分布无关。如果材料不均匀，当导体上存在温度梯度时，将会有附加电动势产生。该定理说明，热电偶
11、必须由两种不同性质的均质材料构成。,（2）中间导体定律 在热电偶测温回路中接入第三种导体，只要保证其两端温度相同，则对回路的总热电动势没有影响，如图4-6 所示，即,（4-6）,图4-6 中间导体定律接线图,这一定律具有特别重要的实际意义。因为利用热电偶来测量温度时，必须在热电偶回路接入电气测量仪表，也就是相当于接入第三导体。接入方法有两种：一种如图 4-6,（a） （b）,（4-7）,（a）所示，则回路总热电势为,如果接成图（b），则回路总热电势为,（4-8）,根据这一定律，可将中间导体改成测试仪表或连接导线，只要保证其两端的温度相同，就可以对热电势进行测量。热电偶的这一特性，不但可以允许在
12、其回路中接入电气测量仪表，而且也允许采用任何焊接方法来焊接热电偶。,（3）中间温度定律 在热电偶测温回路中， 为热电极上某一点的温度(中间温度)，热电偶 AB 在接点温度为 t 、 时的热电势 等于热电偶在接点温度为t、 和 、 时的热电势 和 的代数和，如图 4-7 所示，即,（4-9）,该定律是参考温度计算修正法的理论依据，在实际热电偶测温回路中，利用热电偶这一性质，可对参考端温度不为0的热电势进行修正。而且根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体 和 ，如图4-7所示，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这也为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。,（4）标准电极定律,图4-7
13、中间温度定律,若两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，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4-8所示，导体A、B分别与标准电极C组成热电偶，若已知它们所产生的热电动势，即,（4-10）,图4-8 三种导体分别组成的热电偶,那么，导体A和B组成的热电偶，其热电动势可由下式求得：,（4-11）,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，而合金的种类则更多。因此，要得出各金属组合而成热电偶的热电动势，其工作量是极大的。由于铂的物理和化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以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成的热电偶的热电动势
14、，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 (4-11) 直接计算出来。,3. 温度补偿 热电势大小取决于热电偶两端的温度。只有在保证自由端温度恒定在0，其输出电势才是工作端温度的单值函数。也就是说，只有保证自由端温度恒定在0时，才能根据仪表读出的热电势值，查分度表，得出工作端的温度。而在室温下测温，自由端温度不是0，冷端环境温度会带来测量误差，为此对冷端变化引起的温度误差，常采用冷端0恒温法、补偿导线法、补偿电桥法和冷端温度修正法。,(1) 冷端0恒温法 冷端恒温法就是将热电偶的冷端置于某一温度恒定不变的装置中，以保证冷端温度不受热端测量温度的影响。 热电偶的分度表是以0为标准的
15、。所以在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0，这种方法又称为冰浴法。该方法的精度很高，但是复杂，只宜在实验室中进行测量。,(2) 补偿导线法 补偿导线法又称冷端延长法或延伸热电极法，如图4-9 所示。由于热电偶冷端温度易受热端温度的影响，则直接采用冷端温度补偿法将很困难。那么，采用补偿导线法将冷端,远移至温度变化比较平缓的环境中，再采用上述各种补偿方法进行补偿。,图4-9 补偿导线法接线图,热电极一般长约1m。在实际测量中，需要将热电偶输出电势传输到几十米以外的显示仪表或控制仪表。为此需要接入补偿导线，如图4-9中的 P、Q。 接入补偿导线后的总热电势为,（4-12）,如果B、Q的性质相同，则 ；如果 A、P 的性质相同，则 ，所以,(4-13),即热电偶接上补偿导线和测量仪表后总的热电势不变。但是，使用补偿导线必须注意一下几点：热电偶与补偿导线的热电特性必须相同。因此一般热电偶与补偿导线要配套使用，不能随便乱接；热电偶与补偿导线都有正、负极性，在使用时，热电偶的正极接补偿导线的正极，负极接负极，不能反接；补偿导线使用温度不能过高；补偿导线的,价格要比热电偶便宜。,（3）补偿电桥法 补偿电桥法也称冷端温度自动补偿法，它是利用不平衡电桥产生的不平衡电压 作为补偿信号，来自动补偿热电偶测量过程中因
