第8章胡向东传感器与检测技术PPT.docx
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第8章胡向东传感器与检测技术PPT
第章藝电式传感器
81热电偶传感器8・2热电阻传感器83热敏电阻传感器
教学基本要求和重点
掌握育关热吐偶、热电阻和热敏电阻的基本概念
学握三类热电式传感器的基本工作原理
掌握热电偶的基木定律、基木类型、温度补偿方法、使用热电偶的测温方法
掌握热电阻的内部引线方式及其适用场合
掌握热敏电阻的电阻一温度特性
会使用分度表
8J热电偶传感發
1•热电偶测温原理
热电效应：
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7；）不同时，则在该回路屮就会产生电动势的现彖。
热电势.热电偶.热电极
热端（测量端或工作端）、冷端（参考端或自［11端）
含义:
lirr两种不同导体的自山电了/*
密度不同而在接触处形成的屯动势。
B
接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。
两接点的接触电动势（门和（G）町表示为
机理：
高温端的电子能量要比低温端的电子能量人，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的耍多，结果高温端因失去电了而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，在导沐两端便形成温差电动势。
大小表示：
勺（八刀））
g（久7；））=g（D+勺⑺?
；））一％（/；））—勺（久人））
忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为:
Eab（『'『0）=Erb（f）~£八（口0）+Er（7,『0）-E^u仏）®EaB（f）1^AB（’0）
讨込
-y“耐一yn頑U
•影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关
•两热电极相同时，总电动势为0•两接点温度相同时，总电动势为0
Ea乳f，『0）=于（『）一/（『0）=/（［）—C=傾『）
可见：
只要测出5b（T,Tq）的大小，就能得到被测温度7；这就是利用热电偶测温的原理。
•对于已选立的热电偶，当参考端温度To恒主时，％（A）=Q为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即
不同金属组成的热电偶，温度与热电动势Z间有不同的函数关系，•般通过实验的方法來确定，并将不同温度下测得的结果列成农格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。
供杳阅使用，每w°c分档。
中间值按内插法计算。
S型（钳链倚钳）热电偶分度表
0
10
20
30
50
70
80
90
fi度；C
热电动势/mV
0
0.000
0.055
0.113
0.173
0.235
0・299
0.365
0-432
0.502
0-573
lOO
0.645
0.719
0.795
0.872
0-950
1.029
1.109
b190
1.273
1.356
200
l・440
1.525
1.6H
1.698
1.785
1.873
1.962
2-051
2-141
2.232
300
2.323
2.414
2.506
2.599
2.692
2-786
2.880
2.974
3.069
3・164
400
3.260
3.356
3.452
3.549
3.645
3.743
3-840
3.938
4-036
4-135
500
4・234
4.333
4.432
4,532
4.632
4.732
4.832
4.933
5.034
5.136
600
5-237
5.339
5.442
5.S44
5・648
5.751
5・855
5,960
6・064
6.169
700
6.274
6.380
&486
&592
6・699
6.805
6.913
7,020
7,128
7.236
800
7.345
7.454
7.563
7,672
7・782
7-892
&003
&114
&225
&336
900
8.448
&560
&673
&786
&899
9.012
9.126
9.240
9・3S5
9.470
1000
9.585
9.700
9.816
9.932
10.048
10.165
10.282
10.400
10.517
10.635
1100
10.754
10.872
10.991
11.110
11-229
11.348
11.467
11.587
1L707
11.827
1200
11.947
12.067
12.188
12.308
12.429
12.5S0
12.671
12,792
12.913
13.034
1300
13-155
13.276
13.397
13.519
13.640
13.761
13.883
14・004
14.125
14.247
1400
14.368
14・489
14-610
14.731
14.852
14・94
15-094
15,215
15.336
15.456
1500
15.576
15.697
15.817
15.937
16.057
16,L6
1&296
16-415
16.534
16.653
】6C0
16.771
16.890
17-008
17.125
17.245
17.360
17.477
17.594
17.71L
17.826
（養考竭温度为0C）
分度号.S
2.热电他基本定律
在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则刈卜I路的总热电势没有影响。
■bl
Eahc（人G）=Eab（f）—Eab（/（））=Eab（f,『0）
凌用：
利丿U热电偶进行测温，必须在冋路中引入连接导线和仪农，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。
测量仪衣及引线作为第三科导体的热屯偶回珞
'0
zX
（b）
中间温度X律
在热电偶测温冋路中，4为热电极上某一点的温度,热电偶人£在接点温度为八『（）时的热电势eAB（t,心）等于热电偶/IB在接点温度八『c和/、r。
时的热电势加（r，O和的代数和，即
*人8（人/0）=*/18（'讥）+务8（0'0）
‘0
屮间温度定律
-根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体4和3,将热屯偶冷端延仲到温度恒定的地方，这就为热电偶冋路中应川升偿导钱提供了理论依据。
•该定律是参考罐浪庚针篇修正法的理论依据。
在实际热电偶测温回路屮，利用热电偶这一性质，可对参考端温度不为（TC的热电势进行修正。
EabO，%）~£必（匚心）—EbcQ，%）
■通常选川高纯钳丝作标准电极
■只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间和互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出來。
例子
■热端为100，冷端为o°c时，镰锯合金与纯钳组成的热电偶的热电动势为2.95mV,而考铜与纯钳组成的热电偶的热电动势为一4,0mV,则镰铭和考铜组成的热电偶所产牛的热电动势应为：
■2.95-（-4.0）=6.95（mV）
呷I两种均质导体组成的热电偶,其热电动势的人小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的人小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。
即热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。
9.1.2热电偶的结构与种类
有助于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀性。
为了适应不同生产对彖的测温要求和条件，热电偶的结构形式有：
•普通型热电偶
•特殊热电偶
一铠装型热电偶一薄膜热电偶等。
普通型热电偶结构
优点：
测温端热容暈小，动态响应快；机械强度高,挠性好，可安装在结构复杂的装置上。
接头夹典
特点：
热接点可以做得很小（pm）,具有热容暈小、反应速度快（IJS）等特点，适川于微小面积上的表而温度以及快速变化的动态温度测量。
热电极材料的选取
性能稳定
温度测量范围广
物理化学性能稳定
导电率要高，并且电阻温度系数要小
材料的机械强度耍高，复制性好、复制工艺简单，价格便宜
匸程用热电偶材料应满足条件：
热电势变化尽量人，热电势打温度关系尽暈接近线性关系，物理、化学性能稳定，易加工，复现性好，便丁•成批生产，有良好的互换性。
国际电工委员会（1EC）向世界各国推荐8种标准化热电偶（已列入工业标准化文件屮，具有统-的分度表）O我国已采JIJIEC标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相朮的显示仪表。
热电At；檸
M
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当热端温度为f时，分度表所对应的热电势勺8（人0）与热电偶实际产牛的热电势e,BW2,间的关系可根据中间温度定律得到下式：
幺朋（人°）=丘4〃（力'（））+族B（'（）9°）
ill此可见，幺八8（『0，0）是冷端温度『0的函数，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。
热电偶一般做得较短，一般为350〜2000mm。
在实际测温时，需要把热电偶输岀的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表,这样，冷端温度S比较稳定。
解决莎枚:
:
度范围内,电特性。
口©申卿»-稀洲整舷。
在0〜io（rc温逻求补偿导线＞^1酣热电偶具有相同的热t乙
B'
B
线
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M-1H«介ft
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（W的«・分ft畑・6«»
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加
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W-ME1H
M-«W
■
帝用补褛导线
在实验室及粘密测量屮，通常把冷端放入（TC恒温器或装满冰水混合物的容器屮，以便冷端温度保持0°C。
这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。
G）令踹温度修正法
当冷端温度5不等J：
o°c,需要对热电偶冋路的测暈电势值引B（A心）加以修正U当工作端温度为r时，分度表可查£朋（，，°）与SB（b°）。
根据小间温度定律得到:
0佔（匚°）=0佔（'』（））+€亦（心°）
例子
（30,0）
川線倂■镰硅热电偶测暈加热炉温度。
已知冷端温度『3（rC，测得热电势引B⑺『0）为33.29mV,求加热炉温度。
解：
查铢铭■铢硅热电他分度表得务3
1.203mVo可得
eAB（/，0）=5曲』0）+务8（b0）=33・29+l・203=34・493mV
白铢倂/臬硅热电偶分度表得匸829.89O
R、.％
皿R2巒*・_4
（心屮）（I+各拠+和J
R八\
特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。
如热电偶正向串联，可获得较人的热电势输出和提高灵墩度;
在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联：
利用热电
偶并联町以测量平均温度。
1显仪农
BB
A
A
Et=為（Wo）一為do）=
测量平旳锻度C幷联戎正向事联丿
优点：
热电动势大，仪表的灵敏度大大增加，且避免了热电偶并联线路存在的缺点，町立即叮以发现有断路。
缺点：
只要有一支热电偶断路，梏个测温系统将停“：
工作。
爲®6+Ej♦耳®Eg",。
）"**£u（L・fu）
8.1.5热电偶的应用
=£^（/,+r,+i,,3/o）=£^（/,+G+GJp）
8-2热电阻传感彖
■常用炉温测量控制系统如图所示•奄伏定值器给出给泄温度的相应毫伏值，热电偶的热电势与迩值器的毫伏值郴比钱，若有偏蕩则农示炉温偏离给定值，此偏差经放人器送入调节器，再经过晶闸管触发器推动晶闸管执行器來调鞭电炉丝的加热功率，克到偏羌被消除.从而实现控制温度。
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一200〜85（rc范围内的温度，少数悄况卜，低温町测量至1K,高温达lOOO^Co标准釦电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。
热电险的结构
电阻丝采用双线并绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷数料支架L支架起支撑和绝缘作用。
-具有尽可能人和稳泄的电阻温度系数和电阻率
-©f关系最好成线性
-物理化学性能稳总
-容易加1乙价格尽S便宜等。
冃前最常川的热电阻冇钳热电阻和铜热电阻。
（1）铸热亀阻
钳热电阻的特点是;m度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。
按lEC标准，釦热电阻的使用温度范围为・200〜850°C。
钳热电阻的特性方程为：
在・200〜0°C的温度范围内
R产RoEl+AZ+BZ2+CZ^（/-100）]
在（）〜850°C的温度范围内
«=心（1+如+皿2）
在ITS-9（）屮，这些常数规定为
43.97X[0-13/匸
B=-5.85X10讥2
C=4.22X10J2心
4
町见：
热电阻在温度r时的电阻值与O°C时的电阻值有关。
H前我国规定工业用to热电阻有心=10（2和&）=1（）（）0两种，它们的分度号分别为Pg）和Piiw其屮以Pl|（）o为常用。
釦热电阻不同分度号亦有相应分度表，即的关系表，这样在实际测暈中，只要测得热电阻的阻值/?
『，便町从分度表上杏出对应的温度值。
rlIOoc
钳电阻分度表
a度
0
10
2。
30
40
3。
6。
70
8。
90
电la/n
—2X）
】&49
-I'X）
60.25
56.19
52,11
48.00
43.87
39,71
35,53
31.32
27.08
22.80
0
100-00
96・09
92.16
86.22
84・27
80.51
76,33
72.33
6&33
64.30
0
iOO-00
103.90
107.79
111-67
115.54
119.10
123,24
127-07
130.89
134.70
10）
13&SO
142,29
146.06
149.82
153.58
157.31
161.04
164.76
16&46
172.16
20）
175.84
179.51
183.17
18&82
190.45
194-37
197.69
20b29
204.88
208.45
303
212.02
215-57
219.12
222・65
226.17
229.57
233.17
236・65
240.13
243.59
403
247.04
250.48
253.90
257.32
260.72
264.11
267,49
270-86
274.22
277・56
509
280,90
284.22
287-53
290.83
294・11
297.39
300.65
303.91
307.15
310.38
600
313.59
316.80
319.99
323.18
326・35
329.51
332.66
335.79
338.92
342.03
700
345.13
34&22
351.30
354.37
357,37
360-47
363・50
366.52
369.53
372.52
800
375.51
37&48
38b45
384.40
387,34
390.26
分度号,卩5。
（2）鋼热电阻
■在一些测量楮度要求不高且温度较低的场合,町采用铜热电阻进行测温，它的测量范围为-50〜1509。
铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系儿乎是线性的，可近似地表示为
R,=R（i（1+ctZ）
a=4.28X10VC
两种分度号：
Cu5o（&）=5（）⑵和Cu师（/?
o=lOOQ）O
温度
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
/•C
电阻/a
-0
50-00
47.85
45.70
43.55
41.40
39.24
0
50,00
52.14
45・28
56.42
5&56
60,70
62,84
64.98
67.12
69,26
100
71-40
73.54
75-68
77.83
79.98
82.13
■铜热电阻的电阻温度系数较大、线性性好、价格便宜。
■缺点：
电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定性较差，在were以上时容易氧化,因此只能用于低温及没有浸蚀性的介质中。
用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。
热电阻吗检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线対测暈结果冇较大的影响。
热电阻内部引线方式冇二线制、三线制和四线制三种。
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