第5章热电式传感器.docx

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第5章热电式传感器

热电式传感器:

是一种将温度转换为电量的装置。

5.1热电偶（Thermocouple

5.1.1热电效应（PyroelectricEffect,ThermoelectricEffect

定义:

由两种不同材料的导体构成闭合回路,当两个接点处的温度不相等时,回路中就会产生电动势（热电势,形成电流,这种现象被称为热电效应。

A、B—热电极

T—工作端（测量端、热端T0—自由端（参考端、冷端

1.接触电势

An、Bn—导体A、B自由电子浓度

ABnneKTTeln

（=

ABnneKTTeln

（00=

其数量级约为3210~10--伏（VT—绝对温度

K—波尔兹曼常数/1038.1（23KJK-⨯=e—电子电荷电量106.1（19Ce-⨯=

总的接触电势:

AABABnnTTeK

TeTeln（（（00-=

-2.温差电势

单一导体,如果两端温度不同,在两端间会产生温差电势。

⎰=T

TAAdTTTe0,（0σ

⎰=T

TBBdTTTe0

（0σ其数量级约为510-伏（V

Aσ、Bσ—汤姆逊系数

总的温差电势:

⎰-=-T

TBABAdTTTeTTe0

（,（,（00σσ

3.热电偶总的热电势

[][],（,（（（,（0000TTeTTeTeTeTTEABABABAB-+-=

由于温差电势较小,可以忽略,所以B

AABABABnnTTeK

TeTeTTEln（（（,（000-=

-≈

（1若构成热电偶的两个导体材料相同,即BAnn=,则

0ln（,（00=-=

AABnnTTeK

TTE,所以必须采用两种不同的材料。

（2若0TT=,则0,（0=TTEAB,所以热端、冷端必须具有不同的温度。

5.1.2热电偶测温原理

（（,（00TeTeTTEABABAB-=常数（（0CTeAB=热电偶的热电特性:

（（,（0TgCTeTTEABAB=-=是被测温度T的单值函数热电偶分度表:

000=T,通过实验建立起热电势与温度之间的数值对应关系。

5.1.3热电偶基本定律

1.中间温度定律

参考端CTTn000=≠

（（（（（（（,（,（0000TTETeTeTeTeTeTeTTETTEABABABABnABnABABnABnAB=-=-+-=+

2.中间导体定律

在热电偶回路中,只要接入的第三根导体两端温度相同,则对回路的总热电势没有影响。

（1第一种情况

证明:

（（（,（000TeTeTeTTECABCABABC++=

若所有结点温度为T0,则0（（（,（00000=++=TeTeTeTTECABCABABC

（（（000TeTeTeABCABC-=+

（（（（（（,（00000TTETeTeTeTeTeTTEABABABCABCABABC=-=++=

（2第二种情况

证明:

（（（（（（（

（（（（,,（0011011010TTETeTeTeTeTeTeTeTeTeTeTTTEABABABACACBAABCAACBAABABC=-=-++=+++=

3.标准电极定律

C—标准电极,通常采用纯铂丝

（,（,（000TTETTETTECBACAB+=

证明:

（（（]（（[（（（（（（,（,（00000000TTETeTeTeTeTeTeTeTeTeTeTTETTEABABABCBACCBACCBCBACACCBAC=-=+-+=-+-=+

5.1.4热电偶的误差及其补偿措施

1.冰浴法（00

C恒温法

只适用于实验室,工业现场使用极不方便。

2.恒温槽法

保持T0=恒温

3.冷端自动补偿法

补偿电桥与冷端处于相同的温度下。

选取RCu的值,使电桥平衡,Uab=0。

若温度升高时,

↑↑→↑→abCuuRT0,同时↓↑→,（00TTETAB

若使,（0TTEuABab∆=∆

则,（,（,（000TTETTETTEuuABABABabcd=∆-+∆=保持恒定不变

4.延长热电极法

补偿导线:

其热电性能与相应的热电偶的热电性能十分相近。

即:

（,（0'00'0''TTETTEABBA

补偿导线的作用:

（1用廉价的补偿导线作为贵金属热电偶的延长导线,以节约贵金属热

电偶。

（2将热电偶的冷端迁移至远离热源且环境温度较恒定的环境中。

5.1.5热电偶的材料与种类1.电极材料

贵金属:

铂铑合金、铂

普通金属:

铁、铜、铐铜、镍硅合金等。

2.常用热电偶

（1铂铑10—铂热电偶（贵金属

正极:

90%铂+10%铑（合金丝负极:

纯铂丝

（2铂铑30—铂铑10正极:

70%铂+30%铑负极:

90%铂+10%铑

5.1.6热电偶实用测量电路

1.测量单点温度的基本测温线路

2.测量两点之间温差的测量线路（热电偶的反向串联

回路总热电势:

（（

（（（（（（0'0

2'0'01'00TeTeTeTeTeTeTeTeECFACBADBBDABCAFCT+++++++=

因为

0（（00=+TeTeCFFC

0（'0=TeCA,0（'0=TeAC,0（'0=TeBD,0（'0=TeDB因此

（（（（2121TeTeTeTeEABABBAABT-=+=

3.测量几点温度之和的测温线路（热电偶的正向串联

回路总的热电势:

（（（（（（（0302010TeTeTeTeTeTeTeEDFABDCABDCABFCT++++++=因为

（（（000TeTeTeABBADC-==（（lnln（（000000TeTenneKTnneKTTeTeABDCC

FDFCDF-==+=+所以

（,（,（（（（（（（030201030201TTETTETTETeTeTeTeTeTeEABABABABABABABABABT++=-+-+-=

4.测量平均温度的测温线路

（热电偶的并联

设:

0321RRRR===则:

3////0321RRRRR=

=,0

30201RERE

REi++=[],（,（,（3

（31030201321TTETTETTEEEEiREABABABT++=++==

5.2热电阻（ThermalResistance

热电阻:

利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性测量温度的。

原理:

基于金属导体的热阻效应。

1.铂（Pt热电阻优点:

物理、化学性能稳定,耐氧化能力强,在很宽的温度范围内（12000C以下均能保持上述特性。

缺点:

α（温度系数较小,价格昂贵。

（1铂热电阻特性

在CC000~190-时

（[]

3201001ttCBtAtRRt-+++=在CC0074.630~0时（

201BtAtRRt++=

R0—温度为00C时的电阻值Rt—温度为t0C时的电阻值

A、B、C—分度系数（由实验测定的常数（2铂热电阻中铂丝的纯度

（0

100

100RRW=

（3标准化铂热电阻分度表

工业用铂热电阻:

R0=50Ω（分度号:

Pt50,R0=100Ω（分度号:

Pt100

2.铜热电阻

用于测量精度要求不高,而且被测温度较低、无侵蚀性的的场合。

测温范围CC00150~50+-

优点:

其α值比铂的高,线性好,容易提纯,价格便宜。

缺点:

易被氧化。

在CC00150~50-时

（tRRtα+=10

R0—温度为00C时的电阻值

α—铜电阻温度系数,C033/1028.4~1025.4--⨯⨯=α分度号:

50（050

Ω=RCu,100（0100Ω=RCu

3.热电阻的测量电路

（1三线式电桥连接测量电路

321,,rrr—引线电阻

取21RR=,调节3R,使331RrRrt+=+,电桥平衡,即可消除引线电阻的影响。

（2四线式测量电路

4321,,,rrrr—引线电阻

电压表内阻很大,所以MVII<<,0≈VI

（32rrIEEVM+-=M

VMVMtIEIIrrIEIER≈

-++==

（32由上式可知,引线电阻4321,,,rrrr将不引入测量误差。

5.3热敏电阻（ThermalResistor

半导体热敏电阻:

利用半导体材料的电阻率随温度变化的性质制成的温度敏感元件（热敏元件。

1.基本类型

（1负电阻温度系数热敏电阻（NTC—NegativeTemperatureCoefficient用于温度测量,应用最广泛。

（2正电阻温度系数热敏电阻（PTC—PositiveTemperatureCoefficient用于温度测量,温度控制开关（温控开关

（3临界温度系数热敏电阻（CTR—CriticalTemperatureResistance用作温控开关

2.热敏电阻的温度特性

对于负温度系数热敏电阻（NTC

11（00

TTBTe

RR-=

0,RRT—分别为温度T（K和T0（K时的阻值。

B—热敏电阻的材料常数,通常B=2000~6000K。

定义:

热敏电阻的温度系数Tα

21T

BdTdRRTTT-=⋅=

α温度变化引起的阻值变化大,非常适合测量微弱温度变化。

3.热敏电阻输出特性的线性化处理

（1线性化网络

（a串联补偿电路

（b并联补偿电路

（2计算修正法

包括硬件（电子线路法和软件（程序法

（3利用温度—频率转换电路改善非线性（见课本P94

5.4PN结型温度传感器

热电偶—测温范围宽,但其热电势较小;

热敏电阻—测温范围窄,输出特性为非线性,但灵敏度高,有利于检测微小温度变化;

PN结型温度传感器—输出特性呈线性,测量精度高。

1.温敏二极管

对于理想二极管,在一定的正向电流下,其正向电压与温度的关系为

'00

gFITBeTkUUγ↑-↓=

IF—正向电流;

T—绝对温度。

2DWM1型温敏二极管的UF-T特性

2.温敏三极管

NPN晶体管的基极-发射极电压与温度T和集电极电流IC的关系（发射极正向偏置

'00

CgBEITBeTkUUγ↑-↓=C

CRE

I=（恒定基本测温电路:

感测技术讲义3.集成温度传感器集成温度传感器：

将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器叫集成温度传感器。

优点：

直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出，体积小，低成本。

是现代半导体温度传感器的主要发展方向之一。

应用：

广泛用于-50~+1500C温度范围内的温度监测、控制。

5.5热电式温度传感器应用举例（见课本P101）1.2.3.4.温敏二极管的温度调节器温敏晶体管的温差检测电路集成温度传感器的典型应用基于热电偶的多功能高精度钢水测温仪-60-

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