热电传感器论文

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1、传感器原理及应用题目热电式传感器学院物理与电子工程学院年级 XX 专业 XXXXX 班级 X班 学号 XXXX 学生姓名XXX指导教师XX 职称讲师论文提交日期 20XX年X月X日目录摘 要IVABSTRACT V第 1 章 绪 论 11.1 原理 11.2 热电式传感器的特点 1第 2 章 热电偶测温传感器 22.1 热电偶测温基本原理 22.1.1 各种误差引起的原因及解决方式 22.2 参考端温度影响及修正方法 22.3 传热及热电偶安装的影响 22.4 测量系统漏电影响 2结 论 3参考文献 4摘要热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置。它是利用某些材料或元 件的性能随温度变化的

2、特性来进行测量的。例如将温度变化转换为电阻、热电动 势、热膨胀、导磁率等的变化，再通过适当的测量电路达到检测温度的目的。把 温度变化转换为电势的热电式传感器称为热电偶；把温度变化转换为电阻值的热 电式传感器称为热电阻。关键词：热电式 传感器AbstractThe thermoelectric sensor is a temperature conversion device for the power change. It is the use of the performance of certain materials or components to be measured with t

3、he characteristics of the temperature change. For example, converted to temperature change resistance, thermal emf, thermal expansion, permeability changes through appropriate measurement circuit to achieve the purpose of the test temperature. Temperature conversion potential thermoelectric sensor c

4、alled a thermocouple; temperature thermoelectric sensor resistance value is called the thermal resistance.Keywords: thermoelectric sensors第 1 章 绪 论1.1 原理热电偶是利用热电效应制成的温度传感器。所谓热电效应，就是两种不同材 料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和TO不同时，则在 该回路中就会产生电动势的现象。由热点效应产生的电动势包括接触电动势和温 差电动势。接触电动势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。

5、其数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。温差电动势 是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。其产生的机理为：高温端 的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端 跑到高温端的要多，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，在导体两端便形成温差电动势。热电阻传感器是利用导体的电阻值随 温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻广泛用来测量一200850C范围内的 温度，少数情况下，低温可测量至1K,高温达1000C。标准铂电阻温度计的精 确度高，作为复现国际温标的标准仪器。1.2 热电式传感器的特点1、热电偶特点： 测量精度高：因热电

6、偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 测量范围广：常用的热电偶从-50+1600C均可连续测量，某些特殊热 电偶最低可测到-269C （如金铁镍铬），最高可达+2800C （如钨-铼）。构造简单，使用方便：热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不 受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。2、热电阻特点：信号输出较大，易于测量； 热电阻要借助外加电源，而热电偶可自身产生电势； 热电阻的测温反应速度慢； 同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。第 2 章 热电偶测温传感器2.1 热电偶测温基本原理将两种不同材料的导体或半导体A和B连接起来，构成一个闭合回路，就构 成热电偶。如图

7、1所示。温度t端为感温端称为测量端，温度t0端为连接仪表 端称为参比端或冷端，当导体A和B的两个执着点t和tO之间存在温差时，就在 回路中产生电动势 EAB(t，t0)， 因而在回路中形成电流，这种现象称为热电效应 .这个电动势称为热电势，热电偶就是利用这一效应来工作的.热电势的大小与 t 和 tO 之差的大小有关.当热电偶的两个热电极材料已知时，由热电偶回路热电 势的分布理论知热电偶两端的热电势差可以用下式表示：EAB( t,tO) =EAB( t) EAB( tO)式中EAB( t,t 0)热电偶的热电势；EAB(t)温度为t时工作端的热电势；EAB(tO)温度为tO时冷端的热电势。从上式

8、可看出!当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随之发生变 化，因此，只要测出EAB(t,t0)和知道EAB(tO)就可得到EAB(t),将热电势送入 显示仪表进行指示或记录，或送入微机进行处理，即可获得测量端温度 t 值。质材料定律：由一种均质材料组成的闭合回路，不论材料长度方向各处温度 如何分布，回路中均不产生热电势。这条规律要求组成热电偶的两种材料必须各 自都是均质的，否则会由于沿热电偶长度方向存在温度梯度而产生附加电势，从 而因热电偶材料不均引入误差。中间导体定律：在热电偶回路中插入第三种(或多种)均质材料，只要所插 入的材料两端连接点温度相同，则所插入的第三种材料不影响原回路的热电势

9、。 这条定律表明在热电偶回路中可拉入测量热电势的仪表，只要仪表处于稳定的环 境温度即可。同时还表明热电偶的接点不仅可经焊接而成，也可以借用均质等温 的导体加以连接。中间温度定律：两种不同材料组成的热电偶回路，其接点温度分别为 t 和 to时的热电势EAB(t,to)等于热电偶在连接点温度为(t,tn)和(tn, to)时相应的 热电势EAB(t,tn)和EAB(tn, to)的代数和，其中tn为中间温度。该定律说明当 热电偶参比端温度不为OC时，只要能测得热电势EAB( t,t o),且to已知，仍可 以采用热电偶分度表求得被测温度t值。连接导体定律：在热电偶回路中，如果热电偶的电极材料A和B

10、分别与连接 导线A1和B1相连接(如下图所示)，各有关接点温度为t,tn和to,那么回路的 总热电势等于热电偶两端处于t和tn温度条件下的热电势EAB(t,tn)与连接导线 A1 和 B1 两端处于 tn 和 to 温度条件的热电势 EA1B1（tn,to） 的代数和。2.1.1 各种误差引起的原因及解决方式热电偶在生产过程中，偶丝经过多道缩径拉伸在其表面总是受玷污的，同时， 从偶丝的内部结构来看，不可避免地存在应力及晶格的不均匀性。因淬火或冷加 工引入的应力，可以通过退火的方法来基本消除,退火不合格所造成的误差,可达 十分之几度到几度。它与待测温度及热电偶电极上的温度梯度大小有关。廉金属 热

11、电偶的偶丝通常以“退火”状态交付使用,如果需要对高温用廉金属热电偶进 行退火，那么退火温度应高于其使用温度上限,插入深度也应大于实际使用的深 度。贵金属热电偶则必须认真清洗（酸洗和四硼酸钠清洗）和退火,以清除热电偶 的玷污与应力一般来说热电偶若是由均质导体制成的，则其热电势只与两端的温度有关， 若热电极材料不是均匀的，且热电极又处于温度梯度场中，则热电偶会产生一个 附加热电势，即“不均匀电势”。其大小取决于沿热电极长度的温度梯度分布状 态，材料的不均匀形式和不均匀程度，以及热电极在温度场所处的位置。造成热 电极不均匀的主要原因有：在化学成分方面如杂质分布不均匀，成分的偏析，热 电极表面局部的金

12、属挥发，氧化或某金属元素选择氧化，测量端在高温一的热扩 散，以及热电偶在有害气氛中受到玷污和腐蚀等。在物理状态方面有应力分布不 均匀和电极结构不均匀等。在工业使用中，有时不均匀电势引起的附加误差竟达30C这多，这将严重地影 响热电偶的稳定性和互换性，其主要解决方式就是对其进行检验，只使用在误差 允许范围内的热电偶。不稳定性就是指热电偶的分度值随使用时间和使用条件的不同而起的变化。 在大多数情况下，它可能是不准确性的主要原因。影响不稳定性的因素有：玷污， 热电极在高温下挥发，氧化和还原，脆化，辐射等。若分度值的变化相对地讲是 缓慢而又均匀的，这时经常进行监督性校验或根据实际使用情况安排周期检定，

13、 这样可以减少不稳定性引入的误差。2.2 参考端温度影响及修正方法热电偶的热电动势的大小与热电极材料以及工作端的温度有关。热电偶的分 度表和根据分度表刻度的温度显示仪表都是以热电偶参考端温度等于0 C为条 件的。在实际使用热电偶时，其冷端温度（参考端）不但不为0 C,而且往往是变 化的,测温仪表所测得的温度值就会产生很大误差,在这种情况下,我们通常采用 如下方法来修正。由中间温度定律可知，参考端温度为tn时的热电势EAB(t,tn) =EAB(t,tO) EAB(tn, tO)。所以，用常温下的温度传感器，只要测出参比端的温度tn,然 后从对应电偶的分度表中查出对应温度下的热电势E(tn, t

14、O)，再将这个热电势 与所实测的E(t,tn)代数相加，得出的结果就是热电偶参比端温度为0度时，对 应于测量端的温度为t时的热电势E(t,tO)最后再从分度表中查得对应于E(t,0) 的温度，这个温度就是热电偶测量端的实际温度t。在计算机应用日益广泛的今 天，可以利用软件处理方法，特别是在多点测量系统或高温测控中，采用这种方 法，可很好的解决参比端温度的变化问题，只要随时准确的测出tn，就可以准 确得到测量端温度。同时还充分应用了对应热电偶的分度表，并对非线性误差得 到了校正，而且适应各种热电偶。由于仪表示值是EAB(tn,t0)对应于热电势，如果在测量线路开路的情况下， 将仪表的指针零位调定

15、到tn处，就当于事先给仪表加了一个电势EAB(tn, tO)， 当用闭合测量线路进行测温时，由热电偶输入的热电势EAB(tn,tO)就与 EAB(t,tn)叠加，其和正好等于EAB(t,tO)。因此对直读式仪表采用调仪表起始 点的方法十分简便。采用补偿导线把热电偶的参考端延长到温度较恒定的地方,再进行修正。从 本质上来说它并不能消除参考端温度不为0C时的影响，因此，还应该与其它修 正方法结合才能将补偿导线与仪表连接处的温度修正到0C。此时参考端己变为 一个温度不变或变化很小的新参考端。此时的热电偶产生热电势己不受原参考端 温度变化影响，EAB ( T、T10 )是新参考端温度T10 (不等于C

16、)，且T10为一 常数时所测得热电势，TAB( T、T10 )是参考端温度T0 = 0 C时，工作端为T10 时所测得热电势(热电偶分度表中可查出) 。使用补偿导线时，不仅应注意补偿导线的极性，还应特别注意不要错用补偿 导线，同时应注意补偿导线与热电偶连接处的两端温度保持相等，且温度在0 100C(或0150C )之间，否则要产生测量误差。补偿器是一个不平衡电桥,电桥的 3 个桥臂电阻是电阻温度系数很小的锰 铜丝绕制的。其阻值基本上不随温度变化而变化，并使R1 = R2 =R3 = 1Q。另 一个桥臂电阻Rt是由电阻温度系数较大的铜绕制而成，并使其在20 C时Rt = R1 =1Q，此时电桥平衡,没有电压输出，当电桥所处温度发生变化时，Rt的阻值 也随之改变, 于是就有不平衡电压