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1、第七章热电式传感器热电式传感器Thermoelectric sensor7/31/20241热电传感器热电式传感器热电式传感器 Thermoelectric sensorv热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。进行检测的装置。v将温度变化转换为电阻变化的热电式传感器将温度变化转换为电阻变化的热电式传感器称为称为热电阻传感器热电阻传感器(thermoresistive sensor)。v将温度变化转换为热电势变化的热电式传感将温度变化转换为热电势变化的热电式传感器称为
2、器称为热电偶传感器热电偶传感器(thermocouple)。7/31/20242热电传感器热电式传感器热电式传感器 Thermoelectric sensor主要内容主要内容1.热电阻传感器热电阻传感器2.热电偶传感器热电偶传感器3.热电式传感器的应用热电式传感器的应用7/31/20243热电传感器7.1 热电阻传感器热电阻传感器Thermoresistive sensor应用实例应用实例：7/31/20244热电传感器7.1 热电阻传感器热电阻传感器Thermoresistive sensorv热电阻传感器可分为：热电阻传感器可分为：1)金属热电阻式（热电阻）金属热电阻式（热电阻）2)半导体
3、热电阻式（热敏电阻）半导体热电阻式（热敏电阻）主要介绍：主要介绍：1.热电阻热电阻2.热敏电阻热敏电阻7/31/20245热电传感器1. 热电阻热电阻ThermoresistanceA.热电阻材料的特点：热电阻材料的特点：1)高温度系数，高电阻率。高温度系数，高电阻率。2)化学、物理性能稳定。化学、物理性能稳定。3)良好的输出特性。良好的输出特性。4)良好的工艺性，以便于批量生产，降低成本。良好的工艺性，以便于批量生产，降低成本。7/31/20246热电传感器B.铂、铜热电阻的特性铂、铜热电阻的特性v铂、铜为应用最广的热电阻材料铂、铜为应用最广的热电阻材料1)铂：特点是测量精度不高，测量范围较
4、小。铂：特点是测量精度不高，测量范围较小。1. 热电阻热电阻Thermoresistance7/31/20247热电传感器2)铜：特点是电阻率低，易被氧化，适用于温铜：特点是电阻率低，易被氧化，适用于温度较低和没有腐蚀性的介质。度较低和没有腐蚀性的介质。3.其他热电阻其他热电阻1. 热电阻热电阻Thermoresistance7/31/20248热电传感器2. 热敏电阻热敏电阻Thermal resistanceA.A.热敏电阻的特点热敏电阻的特点: :1)1)热敏电阻是用半导体材料热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。分类：制成的热敏器件。分类：b.b.正温度系数热敏电阻（正温度系数热敏电阻
5、（PTCPTC）c.c.临界温度系数热敏电阻临界温度系数热敏电阻（CTRCTR）a.a.负温度系数热敏电阻（负温度系数热敏电阻（NTCNTC）7/31/20249热电传感器2) 负温度系数热敏电阻特点：与热电阻相比，负温度系数热敏电阻特点：与热电阻相比，v电阻温度系数大，灵敏度高。电阻温度系数大，灵敏度高。v电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。v结构简单，体积小，可以测量点温度。结构简单，体积小，可以测量点温度。v易于维护和进行远距离控制。易于维护和进行远距离控制。v制造简单，寿命长。制造简单，寿命长。v热敏电阻的不足：互换性差，非线性严重。热敏电阻的不足：互换
6、性差，非线性严重。2. 热敏电阻热敏电阻Thermal resistance7/31/202410热电传感器2.2.负负温度系数热敏电阻的特性温度系数热敏电阻的特性1)1)负温度系数热敏电阻的电阻负温度系数热敏电阻的电阻- -温度特性曲线：温度特性曲线：2. 热敏电阻热敏电阻Thermal resistance7/31/202411热电传感器2)热敏电阻特性的严重非线性是扩热敏电阻特性的严重非线性是扩大测量范围和提高精度必须解决大测量范围和提高精度必须解决的问题。的问题。v解决办法：利用温度系数很小解决办法：利用温度系数很小金属电阻与热电阻串联或并联，金属电阻与热电阻串联或并联，是热敏电阻阻值
7、在一定范围内是热敏电阻阻值在一定范围内呈线性关系。呈线性关系。2. 热敏电阻热敏电阻Thermal resistance3)热敏电阻的结构组成热敏电阻的结构组成3.近代热敏电阻的特性：近代热敏电阻的特性：7/31/202412热电传感器7.2 热电偶传感器热电偶传感器Thermocouple应用实例应用实例：7/31/202413热电传感器7.2 热电偶传感器热电偶传感器Thermocouplev热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广热电偶传感器是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器。的热电式传感器。主要介绍：主要介绍：v热电效应及其工作定律热电效应及其工作定律v热电偶热电偶7/31/202
8、414热电传感器1. 热电效应及其工作定律热电效应及其工作定律Pyroelectric effect and working laws1 1）热电效应）热电效应(Pyroelectric effect )热电效应热电效应：将两种不同性：将两种不同性质的导体质的导体A A、B B组成闭合回组成闭合回路，若两接点处温度不同，路，若两接点处温度不同，两者之间将产生一热电势，两者之间将产生一热电势，在回路中形成一定大小的在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电电流，这种现象称为热电效应。效应。7/31/202415热电传感器 A.接触电势接触电势：当两种不同金属接触时，在接触处形：当两种不同金属接
9、触时，在接触处形成的电势，称为接触电势。成的电势，称为接触电势。热电效应产生的热电势由两部分组成：热电效应产生的热电势由两部分组成：接触电势接触电势（珀尔帖电势）和（珀尔帖电势）和温差电势温差电势（汤姆逊电势）。（汤姆逊电势）。1. 热电效应及其工作定律热电效应及其工作定律Pyroelectric effect and working laws7/31/202416热电传感器B.温差电势温差电势：对于单一金属，如果两端的温度不同，：对于单一金属，如果两端的温度不同，则温度高端的自由电子向低端迁移，使单一金属两则温度高端的自由电子向低端迁移，使单一金属两端产生不同的电位，形成电势，称为温差电势。
10、其端产生不同的电位，形成电势，称为温差电势。其大小与金属材料的性质和两端的温度有关。大小与金属材料的性质和两端的温度有关。1. 热电效应及其工作定律热电效应及其工作定律Pyroelectric effect and working laws7/31/202417热电传感器回路总热电势：回路总热电势：1. 热电效应及其工作定律热电效应及其工作定律Pyroelectric effect and working laws7/31/202418热电传感器p结论：结论：v如果热电偶两电极材料相同，即如果热电偶两电极材料相同，即N NA A=N=NB B，A A= = B B 但闭合回路的总热电势仍为零。
11、因此，但闭合回路的总热电势仍为零。因此，热电偶必热电偶必须用两种不同材料作电极须用两种不同材料作电极。v如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，即相同，即T=TT=T0 0，闭合回路中也不产生热电势。即闭合回路中也不产生热电势。即热热电偶两接点温度不同时，才有热电势输出。电偶两接点温度不同时，才有热电势输出。 。v必须形成闭合回路才有热电势产生必须形成闭合回路才有热电势产生。1. 热电效应及其工作定律热电效应及其工作定律Pyroelectric effect and working laws7/31/202419热电传感器2 2）工作定律）
12、工作定律中间导体定律中间导体定律：导体：导体A A、B B组成的热组成的热电偶，当引入第三导体时，只要保电偶，当引入第三导体时，只要保持其两端温度相同，则对回路总热持其两端温度相同，则对回路总热电势无影响，这就是中间导体定律。电势无影响，这就是中间导体定律。v应用应用：将第三导体换成毫伏表，只要保证两个节点温度一：将第三导体换成毫伏表，只要保证两个节点温度一致，就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。致，就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。1. 热电效应及其工作定律热电效应及其工作定律Pyroelectric effect and working laws7/31/202420热电
13、传感器连接导体定律连接导体定律：v应用应用：连接导体定律是工：连接导体定律是工业上运用业上运用补偿导线补偿导线进行温度进行温度测量的理论基础。测量的理论基础。1. 热电效应及其工作定律热电效应及其工作定律Pyroelectric effect and working laws7/31/202421热电传感器中间温度定律中间温度定律：v应用应用：中间温度定律为制订分度表奠定了理论基础。：中间温度定律为制订分度表奠定了理论基础。1. 热电效应及其工作定律热电效应及其工作定律Pyroelectric effect and working laws例题例题由连接导体定律，当由连接导体定律，当A与与A、
14、B与与B相同时：相同时：7/31/202422热电传感器参考电极定律参考电极定律：v应用应用：利用该定律可大大简化热电偶选配工作，：利用该定律可大大简化热电偶选配工作，只要知道有关电极与标准电极配对的热电势，即可只要知道有关电极与标准电极配对的热电势，即可求出任何两种热电极配对的热电势而不需要测定。求出任何两种热电极配对的热电势而不需要测定。1. 热电效应及其工作定律热电效应及其工作定律Pyroelectric effect and working laws例题例题7/31/202423热电传感器2. 热电偶热电偶Thermocouple热电偶材料热电偶材料热电偶的结构热电偶的结构热电偶的温度
15、补偿热电偶的温度补偿 T T作为被测温度端，作为被测温度端，T T0 0作为固定冷端（参考作为固定冷端（参考温度端）通常要求温度端）通常要求T T0 0保持为保持为0 00 0C C。热电偶冷端热电偶冷端温度补偿法有：温度补偿法有：a.a.0 00 0C C恒温法恒温法：在标准大气压下将清洁的水和冰屑混：在标准大气压下将清洁的水和冰屑混合后放在保温容器内，可使合后放在保温容器内，可使T T0 0保持保持0 00 0C C。7/31/202424热电传感器b.b.补正系数修正法补正系数修正法：设冷端温度为：设冷端温度为t tn n，此时测得的温此时测得的温度为度为t t1 1，则则实际温度为：实
16、际温度为：t=tt=t1 1+kt+ktn n，k k为补正系数。为补正系数。c.c.延伸热电极法延伸热电极法（补偿导线法补偿导线法）：根据连接导体定律。）：根据连接导体定律。2. 热电偶热电偶Thermocoupled.d.补偿电桥法补偿电桥法：利用不平衡电桥产生的电压来补偿：利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶参考端温度变化引起的电势变化。热电偶参考端温度变化引起的电势变化。7/31/202425热电传感器热电偶的使用误差：热电偶的使用误差：1)1)分度误差：热电偶的分度是指将热电偶置于给定温度下分度误差：热电偶的分度是指将热电偶置于给定温度下测定其电势，以确定热电势与温度的关系。分度方法
17、有测定其电势，以确定热电势与温度的关系。分度方法有标准分度和单独分度法两种。标准分度和单独分度法两种。2)延伸导线误差延伸导线误差a.延伸导线的热特性与配用的热电偶不一致。延伸导线的热特性与配用的热电偶不一致。b.延伸导线与热电偶参考端的两点温度不一致。延伸导线与热电偶参考端的两点温度不一致。3)动态误差：测量瞬变温度时，由于滞后而引起的误差称动态误差：测量瞬变温度时，由于滞后而引起的误差称为动态误差。动态误差的大小与热电偶的时间常数有关。为动态误差。动态误差的大小与热电偶的时间常数有关。4)漏电误差：随着温度升高，绝缘效果明显变坏使热电势漏电误差：随着温度升高，绝缘效果明显变坏使热电势输出分
18、流造成漏电误差。输出分流造成漏电误差。2. 热电偶热电偶Thermocouple7/31/202426热电传感器7.3 热电式传感器的应用热电式传感器的应用测量管道流量测量管道流量热电式继电器热电式继电器气体成分分析仪气体成分分析仪金属材质鉴别仪金属材质鉴别仪7/31/202427热电传感器普通装配型普通装配型热电偶的热电偶的外形外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰7/31/202428热电传感器普通普通装配型装配型热热电偶的电偶的结构结构放大图放大图 接线盒接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 不锈钢不
19、锈钢保护管保护管 7/31/202429热电传感器铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形法兰法兰铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管（铠体）（铠体） BA绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶铠装型热电偶横截面横截面7/31/202430热电传感器隔爆隔爆型热电偶外形型热电偶外形厚壁保护管厚壁保护管压铸的接线盒压铸的接线盒电缆线电缆线7/31/202431热电传感器其他其他热电偶外形热电偶外形小形小形K K型热电偶型热电偶7/31/202432热电传感器补偿导线法补偿导线法p基本原理基本原理： 工业现场测温时，由于热电偶的长度有限，冷端温度直接受工业现场测温时
20、，由于热电偶的长度有限，冷端温度直接受到被测介质和周围环境的影响，不仅很难保持在到被测介质和周围环境的影响，不仅很难保持在00，而且经，而且经常波动，因此采用冷端延长线（或称冷端补偿导线）。常波动，因此采用冷端延长线（或称冷端补偿导线）。由连接导体定律可知：由连接导体定律可知：可见，适当选取可见，适当选取A、B、使得：使得：上式即为：上式即为：可见，通过连接补偿导线，可使中间温度的影响消除掉。可见，通过连接补偿导线，可使中间温度的影响消除掉。7/31/202433热电传感器 用一热电偶测温，热电偶输出示值为用一热电偶测温，热电偶输出示值为87mv87mv。已知环。已知环境温度为境温度为2525
21、，试确定热电偶热端温度（即被测温度），试确定热电偶热端温度（即被测温度）为多少？该热电偶的冷端温度为多少？该热电偶的冷端温度t t0 0=0=0的分度表如表的分度表如表1 1。表表1 1 热电偶分度表热电偶分度表(t(t0 0=0=0) )热端温度端温度t t（0 0C C）输出出电压E E（t t，t t0 0）（mvmv）热端温度端温度t t（0 0C C）输出出电压E E（t t，t t0 0）（mvmv）0 00 0700700606010101 175075066.566.515152.52.580080073.573.520204 4850850818125256 69009008
22、78727277.57.592092088.588.530309.59.595095090.590.5353512121000100093937/31/202434热电传感器 已知在某特定条件下材料已知在某特定条件下材料A A与铂配对的热电与铂配对的热电势为势为11.456mV11.456mV，材料，材料B B与铂配对的热电势为与铂配对的热电势为4.259mV4.259mV，求在此特定条件下材料，求在此特定条件下材料A A与材料与材料B B配对配对后的热电势后的热电势。 解解：根据参考电极定律：根据参考电极定律：7/31/202435热电传感器 比较查比较查出的出的3 3个热电个热电势，可以看势，可以看出热电势是出热电势是否否线性？线性？7/31/202436热电传感器
