第8章热电式传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第,8,章 热电式传感器,热电式传感器的定义：,热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。,下页,返回,图库,第,8,章 热电式传感器,8.1,热电阻,8.2,热电偶,8.3,热敏电阻,本章要点,下页,上页,返回,图库,8.1,热电阻,热电阻测温的基础,：,电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系数,特点,:,精度高，适宜于测低温,下页,上页,返回,8.1.1,热电阻的材料及工作原理,图库,8.1.1,热电阻的材料及工作原理,铂电阻,:,精度高，稳定性好，性能可靠。,铜电阻,:,铂是贵金属，价格昂贵，因此在测温范围比较小,(-50,+150),的情况下，可采用铜制成的测温电阻，称铜电阻。,铁电阻和镍电阻铁和镍,:,这两种金属的电阻温度系数较高、电阻率较大，故可作成体积小，灵敏度高的电阻温度计，其缺点是容易氧化，化学稳定性差，不易提纯，复制性差，而且电阻值与温度的线性关系差,。,下页,上页,返回,图库,8.1.2,测量电路,热电阻温度计最常用的测量电路是电桥电路,图,8-2,热电阻温度计测量电桥电路,（图中,G,为指示电表、,R,1,，,R,2,、,R,3,为固定电阻、,R,a,为零位调节电阻）,图,8-3,热电阻测温电桥的四线连接法,下页,上页,返回,图库,8.2,热电偶,热电偶作为敏感元件优点为：,结构简单：其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的；,具有较高的准确度；,测量范围宽，常用的热电偶，低温可测到,-50,，高温可以达到,1600,左右，配用特殊材料的热电极，最低可测到,-180,，最高可达到,+2800,的温度；,具有良好的敏感度；,使用方便等。,下页,上页,返回,图库,8.2,热电偶,热电效应,热电偶基本规律,热电偶材料及常用热电偶,热电偶测温电路,热电偶参考端温度,下页,上页,返回,图库,8.2.1,热电效应,热电效应或塞贝克效应,：,相应的热电势称为温差电势或塞贝克电势，通称热电势。回路中产生的电流称为热电流，导体,A,、,B,称为热电极。测温时结点,1,置于被测的温度场中，称为测量端,(,工作端、热端,),；结点,2,一般处在某一恒定温度，称为参考端,(,自由端、冷端,),。由这两种导体的组合并将温度转换成热电势的传感器称为热电偶。,图,8-4,热电效应示意图,下页,上页,返回,图库,8.2.1,热电效应,两种导体的接触电势,式中,k,波尔兹曼常数，为,1.3810,-16,；,T,接触处的绝对温度；,e,电子电荷数；,N,A,、,N,B,金属,A,、,B,的自由电子密度。,下页,上页,返回,图库,8.2.1,热电效应,同理可以计算出,A,、,B,两种金属构成回路在温度端的接触电势为,（,8-5,）,但 与 方向相反，所以回路的总接触电势,(8-6),由上式可见，当两结点的温度相同，,即,T=T,0,，,回路中总电势将为零。,下页,上页,返回,图库,8.2.1,热电效应,单一导体的温差电势 图,8-6,温差电势,当导体两端的温度分别为,T,、,T,0,时，温差电势可由下式表示,（,8-7,）,式中,A,A,导体的汤姆逊系数。,对于两种金属,A,、,B,组成的热电偶回路，汤姆逊电势等于它的代数和，即,（,8-8,）,下页,上页,返回,图库,8.2.1,热电效应,综上所述，对于匀质导体,A,、,B,组成的热电偶，其总电势为接触电势与温差电势之和。如图,8-7,所示，用式子可表示为：,（,8-9,）,下页,上页,返回,图库,8.2.1,热电效应,由式,(8-9),可得出以下结论：,如果热电偶两电极材料相同，则虽两端温度不同,(TT,0,),。,但总输出电势仍为零。因此必须由两种不同的材料才能构成热电偶。,如果热电偶两结点温度相同，则回路中的总电势必等于零,由上述分析知，热电势的大小只与材料和结点温度有关，与热电偶的尺寸、形状及沿电极温度分布无关。应注意，如果热电极本身性质为非均匀的，由于温度梯度存在，将会有附加电势产生。,下页,上页,返回,图库,8.2.2,热电偶基本规律,中间导体定律,标准电极定律,连接导体定律和中间温度定律,下页,上页,返回,图库,8.2.2,热电偶基本规律,中间导体定律,在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶回路的总热电势无影响。可用式子表示为：,E,ABC,(T,T,0,)=E,AB,(T,T,0,),（,8-9,）,下页,上页,返回,图库,8.2.2,热电偶基本规律,标准电极定律,如果将导体,C(,热电极，一般为纯铂丝,),作为标准电极,(,也称参考电极,),，并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，则在相同结点温度,(T,，,T,0,),下，任意两导体,A,、,B,组成的热电偶，其热电势可由下式求得,E,AB,(T,T,0,)=E,AC,(T,T,0,)-E,BC,(T,T,0,),（,8-10,）,下页,上页,返回,图库,8.2.2,热电偶基本规律,连接导体定律和中间温度定律,连接导体定律,：在热电偶回路中，如果热电极,A,、,B,分别与连接导线,A,、,B,相连接，结点温度分别为,T,、,T,n,、,T,0,，,那么回路的热电势将等于热电偶的热电势,E,AB,(,T,T,n,),与连接导线,A,、,B,在温度,T,n,、,T,0,时热电势,E,A,B,(,T,T,n,),的代数和,(,见图,8-10),，即,E,ABBA,(T,T,n,T,0,)=E,AB,(T,T,n,)+E,AB,(T,n,T,0,),（,8-11,）,下页,上页,返回,图库,8.2.2,热电偶基本规律,连接导体定律和中间温度定律,中间温度定律,：,热电偶在结点温度为,T,、,T,0,时的热电势值,E,AB,(T,T,0,),，,等于热电偶在,(,T,T,n,),、,(T,n,T,0,),时相应的热电势,E,AB,(T,T,n,),与,E,AB,(T,n,T,0,),的代数和。如下式所示：,E,AB,(T,T,n,T,0,)=E,AB,(T,T,n,)+E,AB,(T,n,T,0,),（,8-12,）,下页,上页,返回,图库,8.2.2,热电偶基本规律,举例（可加减）,已知,A,、,B,组成的热电偶在（,100,0,C,，,0,0,C,）,时热电势为,1mV,且,A,、,B,组成的热电偶在（,1000,0,C,，,0,0,C,）时,热电势为,10mV,则它们在（,1000,0,C,，,100,0,C,）时的热,电势为：,10-1=9mV,下页,上页,返回,图库,8.2.2,热电偶基本规律,图,8-8,具有中间导体的热电偶电路,图,8-9,三种导体分别组成的热电偶,图,8-10,用连接导线的热电偶回路,下页,上页,返回,图库,8.2.3,热电偶材料及常用热电偶,对热电偶的电极材料主要要求是,：,配制成的热电偶应具有较大的热电势，并希望热电势与温度之间成线性关系或近似线性关系。,能在较宽的温度范围内使用并且在长期工作后物理化学性能与热电性能都比较稳定。,电导率要求高，电阻温度系数要小。,易于复制，工艺简单，价格便宜。标准化热电偶有：铂铑一铂热电偶、镍铬一镍铝热电偶、镍铬考铜热电偶及铜一康铜热电偶等。,标准化热电偶的主要技术数据列于表,8-2,中。,下页,上页,返回,图库,8.2.4,热电偶测温电路,热电偶直接与指示仪表配用,热电偶与动圈式仪表连接，如图,8-11,所示。这时流过仪表的电流不仅与势电势大小有关，而且与测温回路的总电阻有关，因此要求回路总电阻必须为恒定值，即,R,r,+R,c,+R,G,=,常数 （,8-14,）,式中,R,r,热电偶电阻；,R,c,连接导线电阻；,R,G,指示仪表的内阻,这种线路常用于测温精度要求不高的场合，因其结构简单，价格便宜。图,8-11,一支热电偶直接配一台仪表,下页,上页,返回,图库,8.2.4,热电偶测温电路,串联,为了提高测量精度和灵敏度，也可将,n,支型号相同的热电偶依次串接，如图,8-12,所示。这时线路的总电势为,E,G,=E,1,+E,2,+,+E,n,=,nE,（,8-15,）,式中的,E,1,，,E,2,，,E,n,为单支热电偶的热电势。显然总电势比单支热电偶的热电势增大,n,倍。,若每支热电偶的绝对误差,为,E,1,，,E,2,，,E,n,，,则整个串联线路的绝对误差为,（,8-16,）,下页,上页,返回,图库,8.2.4,热电偶测温电路,如果,E,1,=,E,2,=,=,E,n,=E,则 （,8-17,）,故串联电路的相对误差为：,8-18,）,图,8-12,热电偶串联测温电路,下页,上页,返回,图库,8.2.4,热电偶测温电路,并联,用若干个热电偶并联，测出各点温度的算术平均值。如图,8-13,所示。如果,n,支热电偶的电阻值相等，则并联电路总热电势为,（,8-19,）,图,8-13,热电偶并联测温线路,下页,上页,返回,图库,8.2.4,热电偶测温电路,图,8-14,所示为测两点温度差的线路。两支型号相同的热电偶配用相同的补偿导线，并反串连接，使两热电势相减，从而测出,T,1,和,T,2,的温度差。,图,8-14,热电偶测温差线路,下页,上页,返回,图库,8.2.4,热电偶测温电路,桥式电位差计线路,如果要求高精度测温并自动记录，常采用自动电位差计线路。图,8-15,为,XWT,系列自动平衡记录仪表采用的线路。图,中,R,W,，,为调零电位器，在测量前调节它使仪表指针置于标度尺起点。,图,8-15,自动电位差计测温线路,下页,上页,返回,图库,8.2.5,热电偶参考端温度,0,恒温法,热电偶参考端温度为,t,n,时的补正方法,冷端延长线法,下页,上页,返回,图库,8.2.5,热电偶参考端温度,0,恒温法,把冰屑和清洁的水相混合，放在保温瓶中，并使水面略低于冰屑面，然后把热电偶的参考端置于其中，在一个大气压的条件下，即可使冰水保持在,0,，这时热电偶输出的热电势与分度值一致。实验室中通常使用这种办法。近年来，已生产一种半导体致冷器件，可恒定在,0,。,下页,上页,返回,图库,8.2.5,热电偶参考端温度,热电偶参考端温度为,t,n,时的补正方法,1,、热电势补正法,2,、温度补正法,3,、调整仪表起始点法,4,、热电偶补偿法,5,、电桥补偿法,图,8-16,热电偶特性曲线,下页,上页,返回,图库,8.3,热 敏 电 阻,热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感元件，其特点是电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变化转换为能量的变化。制造热敏电阻的材料很多，如锰、铜、镍、钴和钛等氧化物，它们按一定比例混合后压制成型，然后在高温下焙烧而成。热敏电阻具有灵敏度高、体积小、较稳定、制作简单、寿命长、易于维护、动态特性好等优点，因此得到较为广泛的应用，尤其是应用于远距离测量和控制中。,下页,上页,返回,图库,8.3,热 敏 电 阻,8.3.1,热敏电阻的主要特性,8.3.2,热敏电阻的特性线性化,8.3.3,热敏电阻的应用举例,下页,上页,返回,图库,8.3.1,热敏电阻的主要特性,电阻,-,温度特性,电阻与温度之间的关系可用下面公式来表示,:,R=,A,e,B,/T,A,与热敏电阻尺寸形状以及它的半导体物理性能有关,的常数；,B,与半导体物理性能有关的常数；,T,热敏电阻的绝对温度。,下页,上页,返回,图库,8.3.1,热敏电阻的主要特性,伏安特性,热敏电阻的电流一时间曲线，它们是在不同的外加电压情况下，电流达到稳定最大值所需的时间，从图中可以看到都有一段延迟时间，这是在自热过程中为达到新的热平衡状态所必需的，延迟时间反映了热敏电阻的动特性。适当选择热敏电阻的结构及相应的电路，可使这段延迟时间具有,0.001s,到几个小时的数值。对于一般结构的热敏电阻，其值可在,0.5-1s,之间。,下页,上页,返回,图库,8.3.1,热敏电阻的主要特性,电流一时间特性,图,8-20,热敏电阻的温度特性,图,8-21,负温度系数热敏电阻伏安特性,图,8-22,电流一时间特性,下页,上页,返回,图库,8.3.2,热敏电阻的特性线性化,图,8-23,串联补偿电阻,图,8-24,并联补偿电阻,由图,8-24,可见，补偿后的,R,P,的温度系数变小，电阻一温度曲线变平坦了。因此也可在某一温度范围内得到线性的输出特性：,除上述介绍的串联、并联补偿电阻之外，还有其它的办法，如 图,8-25,其它线性化电路 所示。,下页,上页,返回,图库,8.3.3,热敏电阻的应用举例,半导体点温计,利用热敏电阻对温度变化的高度敏感性能，可以制成测量点温、反应迅速的点温计。点温计不仅可以用来测量一般的气体、液体或固体的温度，而且还适宜于测量微小物体或物体局部的温度。例如，可以用来测量运行中电机轴承的温度、晶体管外管的温升、植物叶片温度以及人体内血液的温度等。,热敏电阻温度自动控制器,下页,上页,返回,图库,8.3.3,热敏电阻的应用举例,半 导 体 点 温 计,图,8-26,为半导体点温计的电原理图。它由热敏电阻，测量电阻和显示电表组成。图中,R,1,，,等于,R,2,，,是桥路固定锰铜电阻，能对热敏电阻的非线性起补偿作用；,R,3,是锰钢电阻，阻值等于点温计起始刻度时的热敏电阻的阻值；,R,m,是锰铜电阻，其阻值等于点温计满刻度时热敏电阻的阻值；,R,T,是半导体热敏电阻,(,测温元件,),，,R,4,和,R,w,的作用是调节桥路工作电压；开关,S,置于“,1”,时是调整，置于“,2”,时是测量；,P,是指示仪表。,下页,上页,返回,图库,8.3.3,热敏电阻的应用举例,电路为不平衡电桥，使用时，先把开关置于“,1”,位置，调节电位器,R,w,，,使电表满刻度。然后将开关置于“,2”,位置即可测量。,图,8-26,半导体点温计电原理图,下页,上页,返回,图库,8.3.3,热敏电阻的应用举例,热敏电阻温度自动控制器,图,8-27,热敏电阻自动控温仪电路图,下页,上页,返回,图库,第,8,章 本章要点,热电阻,热电阻的材料及工作原理,测量电路,热电偶,热电效应,热电偶基本定律,热电偶测温线路,结束,上页,返回,图库,