第5章热电式传感器.docx

1、第5章热电式传感器第 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(Pyroelectric Effect, Thermoelectric Effect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 T 0 自由端(参考端、冷端1. 接触电势 A n 、 B n 导体 A 、 B 自由电子浓度B AAB n n e KT T e ln(=BAAB n n e KT T e ln

2、(00=其数量级约为 321010-伏(V T 绝对温度K 波尔兹曼常数 /1038. 1(23K J K -= e 电子电荷电量 106. 1(19C e -=总的接触电势:BA AB AB n n T T e KT e T e ln ( ( (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。 =TT A A dT T T e 0 , (0=TT B B dT T T e 0, (0 其数量级约为 510-伏(V A 、 B 汤姆逊系数总的温差电势:-=-TT B A B A dT T T e T T e 0( , ( , (003. 热电偶总的热电势 , (

3、, ( ( ( , (0000T T e T T e T e T e T T E A B AB AB AB -+-=由于温差电势较小,可以忽略,所以 BA AB AB AB n n T T e KT e T e T T E ln ( ( ( , (000-=-(1若 构 成 热 电 偶 的 两 个 导 体 材 料 相 同 , 即 B A n n =, 则0ln ( , (00=-=BA AB n n T T e KT T E ,所以必须采用两种不同的材料。 (2 若 0T T =,则 0 , (0=T T E AB ,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( ( , (

4、00T e T e T T E AB AB AB -= 常数 ( (0C T e AB = 热电偶的热电特性:( ( , (0T g C T e T T E AB AB =-= 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 C T T n 000= , ( ( ( ( ( ( ( , ( , (0000T T E T e T e T e T e T e T e T T E T T E AB AB AB AB n AB n AB AB n AB n AB =-=-+-=+2. 中间导体

5、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:( ( ( , (000T e T e T e T T E CA BC AB ABC +=若所有结点温度为 T 0,则 0 ( ( ( , (00000=+=T e T e T e T T E CA BC AB ABC( ( (000T e T e T e AB CA BC -=+, ( ( ( ( ( ( , (00000T T E T e T e T e T e T e T T E AB AB AB CA BC AB ABC =-=+=(2第二种情况 证明:, ( ( ( ( (

6、( ( ( ( ( , , (0011011010T T E T e T e T e T e T e T e T e T e T e T e T T T E AB AB AB AC AC BA AB CA AC BA AB ABC =-=-+=+=3. 标准电极定律 C 标准电极,通常采用纯铂丝, ( , ( , (000T T E T T E T T E CB AC AB +=证明:, ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( , ( , (00000000T T E T e T e T e T e T e T e T e T e T e T e T T E T T E AB AB AB CB

7、 AC CB AC CB CB AC AC CB AC =-=+-+=-+-=+5.1.4 热电偶的误差及其补偿措施1. 冰浴法(00C 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 T 0=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 R Cu 的值,使 电桥平衡, U ab =0。若温度升高时,ab Cu u R T 0, 同时 , (00T T E T AB若使 , (0T T E u AB ab =则 , ( , ( , (000T T E T T E T T E u u AB AB AB ab cd =-+= 保持恒定不变4. 延长热电极法

8、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 T T E T T E AB B A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

9、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 02 0 01 00T e T e T e T e T e T e T e T e E CF AC BA DB BD AB CA FC T +=因为0 ( (00=+T e T e CF FC0 ( 0=T e CA , 0 ( 0=T e AC , 0 ( 0=T e BD , 0 ( 0=T e D B 因此( ( ( (2121T e T e T e T e E AB AB BA AB T -=+=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:( (

10、 ( ( ( ( (0302010T e T e T e T e T e T e T e E D F AB D C AB D C AB FC T += 因为( ( (000T e T e T e AB BA D C -= ( (ln ln ( (000000T e T e n n e KT n n e KT T e T e AB DC CFF D FC DF -=+=+ 所以, ( , ( , ( ( ( ( ( ( (030201030201T T E T T E T T E T e T e T e T e T e T e E AB AB AB AB AB AB AB AB AB T +=-

11、+-+-=4. 测量平均温度的测温线路(热电偶的并联 设: 0321R R R R = 则: 3/0321R R R R R =, 030201R E R ER E i += , ( , ( , (31(31030201321T T E T T E T T E E E E iR E AB AB AB T +=+=5.2 热电阻(Thermal Resistance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:(温度

12、系数较小,价格昂贵。(1铂热电阻特性在 C C 000190-时(3201001t t C Bt At R R t -+= 在 C C 0074. 6300时 (201Bt At R R t +=R 0 温度为 00C 时的电阻值 R t 温度为 t 0C 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(0100100R R W =(3标准化铂热电阻分度表工业用铂热电阻:R 0=50(分度号:Pt 50 , R 0=100(分度号:Pt 1002. 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 C C 0015050+-优点:

13、其 值比铂的高,线性好,容易提纯,价格便宜。 缺点:易被氧化。在 C C 0015050-时(t R R t +=10R 0 温度为 00C 时的电阻值 铜电阻温度系数, C 033/1028. 41025. 4-= 分度号: 50(050=R Cu , 100(0100=R Cu3. 热电阻的测量电路(1三线式电桥连接测量电路 321, , r r r 引线电阻取 21R R =,调节 3R ,使 331R r R r t +=+,电桥平衡,即可消除引线 电阻的影响。(2四线式测量电路4321, , , r r r r 引线电阻电压表内阻很大,所以 M V I I , 0V I(32r r

14、I E E V M +-= MMV M V M t I E I I r r I E I E R -+=(32 由上式可知,引线电阻 4321, , , r r r r 将不引入测量误差。E5.3 热敏电阻(Thermal Resistor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 Negative Temperature Coefficient 用于温度测量,应用最广泛。(2正电阻温度系数热敏电阻(PTC Positive Temperature Coefficient 用于温度测量,温度控制开关(温

15、控开关(3临界温度系数热敏电阻(CTR Critical Temperature Resistance 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 (NTC11(00T T B T eR R -=0, R R T 分别为温度 T (K 和 T 0(K 时的阻值。B 热敏电阻的材料常数,通常 B=20006000K。定义:热敏电阻的温度系数 T 21TB dT dR R T T T -= 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

16、利用温度 频率转换电路改善非线性(见课本 P945.4 PN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 00Fg F I T B e T k U U -=I F 正向电流;T 绝对温度。2DWM1型温敏二极管的 U F -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 I C 的关系 (发 射极正向偏置 00C g BE I T B e T k U U -= CC R EI =(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 -