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第六章 热电式传感器 利用转换元件的电磁参量随温度变化的特征，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置称热电式传感器热电偶传感器:将温度变化转换为热电势变化热电阻传感器:将温度变化转化为电阻变化1.第一节 热电偶温度传感器 热电偶温度传器通过连接导线与显示仪表相连接组成测温系统。热电偶温度传器属于自发电性传感器（有源传感器）。2.第一节、热电偶温度传感器 热电偶温度传器是利用导体的“热电效应”制作的仪器，其敏感元件是热电偶。热电偶由两根不同的导体或半导体一端焊接或绞接而成。热电偶结构示意图热电极热端冷端TABT0T0冷端通常称为参考端或自由端热端通常称为测量端或工作端3.一、热电偶测温原理 把两种不同的导体或半导体两端相接组成闭合回路，当两接点分别置于T T和T T0 0(设TTTT0 0)两不同温度时，则在回路中就会产生热电势，形成回路电流。这种现象称塞贝克效应，即热电效应。T0TABITT0热电效应4.一、热电偶测温原理 （一）热电势的产生热电偶回路产生的热电势由接触电势温差电势5.一、热电偶测温原理 （一）热电势的产生 1、接触电势 不同的导体由于材料不同，电子密度不同设NANBNANB。当两种导体相接触时，从A A扩散到B B的电子数比从B B扩散到A A的电子数多，在A A、B B接触面上形成从A A到B B方向的静电场 ES ，这个电场又阻碍扩散运动，最后达到动态平衡，则此时接点处形成电势差 EAB（T）。BANBNA设NANBABESEAB（T）接触电势大小表达式：6.一、热电偶测温原理 （一）热电势的产生2、温差电势同一根导体两端处于T T和ToTo不同温度，导体中会产生温差电势。导体A A两端温度分别为T T和ToTo，温度不同，从而从高温端跑到低温端电子数比低温端跑到高温端的多，于是在高、低温端之间形成静电场。与接触电势的形成同理，形成温差电势EA(T,To)AEA温差电势大小表达式：EA（T,T0）TT07.一、热电偶测温原理 3 3、热电偶回路总电势（一）热电势的产生6-7E EABAB(T,To)(T,To)由A A、B B材料构成的热电偶在端点温度为T T和T T0 0时的总热电势;E EABAB(T,O)(T,O)由A A、B B材料构成的热电偶在端点温度T T处的热电势（冷端温度为0 0时）;E EABAB(To,0)(To,0)由A A、B B材料构成的热电偶在端点温度ToTo处的热电势（冷端温度为0 0时）。8.通常热电偶的温差电势极小，可以忽略；热电偶回路起决定作用的是接触电势热电回路的总电势 热电回路的总电势与材料性质和冷热端温度差有关。当材料性质一定时，热电回路的总电势只和冷热端温度差有关（成正比关系）。9.一、热电偶测温原理 3、热电偶回路总电势（一）热电势的产生在热电极材料一定时，EAB(T，T0)成为两端温度的函数，即 EAB(T，T0)=f(T)-f(T0)如果冷端温度T0保持恒定，则EAB(T,T0)=f(T)-C 在标定热电偶时，使T。为常数，热电偶的热电势与温度对应关系通常使用热电偶分度表来查询。分度表的编制是在冷端(参考端)温度为O Oo oC C时进行的。10.总结1 1、由一种均质材料 (导体或半导体)两端焊接组成闭合回路，无论导体截面如何以及温度如何分布，将不产生接触电势，温差电势相抵消，回路中总电势为零。2 2、如果热电偶两端点温度相同，尽管由两种材料焊接组成闭合回路，同样回路中总电势为零。3 3、热电偶回路热电势的大小只与材料和端点温度有关，与热电偶的尺寸形状无关。11.一、热电偶测温原理 （二）热电偶的基本定律1 1、中间温度定律 热电偶回路两接点 (温度为T T、T To)间热电势，等于热电偶在温度为T T、TnTn时的热电势与在温度为Tn n、To时的热电势的代数和。证明如下。=12.1 1、中间温度定律热电偶分度表按冷端温度为 O Oo oC C 时分度 ，若冷端温度不为 O Oo oC C ，则可视实际冷端温度T T。为中间温度 Tn Tn，则满足 E EABAB(T(T，O)=EO)=EABAB(T,To)+E(T,To)+EABAB(To,O)(6-10)(To,O)(6-10)E EABAB(T,To)=E(T,To)=EABAB(T(T，O)-EO)-EABAB(To,O)(To,O)可根据热电偶分度表计算热电偶的实际热电势。13.2 2、中间导体定律在热电偶回路中接人中间导体 (第三导体C)C)，只要中间导体两端温度相同，中间导体的引人对热电偶回路总电势没有影响。14.2 2、中间导体定律根据热电偶具有中间导体定律这一特性，可以在其回路中接入电气测量仪表。实现温度测量。15.二、热电偶的种类与结构 （一）热电偶的种类1、标准热电偶2、非标准化热电偶 经国际电工委员会(IEC)认证的性能较好的热电偶为标准热电偶否则为非标准热电偶16.（一）热电偶的种类 目前，经国际电工委员会(IEC)(IEC)认证的性能较好的标准热电偶有8 8种，国际上称之为“字母标志热电偶”，即其名称用专用字母表示，这个字母即热电偶型号标志，称为分度号，是各种类型热电偶的一种很方便的缩写形式。热电偶名称由热电极材料命名，正极写在前面，负极写在后面。如表6-16-1所示。名 称分度号名 称分度号铂铑30-铂铑6B镍铬硅-镍硅N铂铑13-铂R镍铬-铜镍(康铜)E铂铑10-铂S铁-铜镍(康铜)J镍铬-镍硅K铜-铜镍(康铜)T1、标准热电偶17.（一）热电偶的种类 末经国际电工委员会(IEC)认证的热电偶为非标准热电偶 没有统一的分度表，也没有与其配套的显示仪表。但这些热电偶具有某些特殊性能，能满足一些特殊条件下测温的需要，如超高温、极低温、高真空或核辐射环境。包括：铂铑系、铱铑系、钨铼系及金铁热电偶、双铂钼等热电偶 2、非标准化热电偶18.（二）热电偶的结构型（5种）由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒等主要部分组成。1、普通型热电偶19.(1)热电极 热电极作为测温敏感元件，是热电偶温度传感器的核心部分，其测量端通常采用焊接方式构成。(2)绝缘套管 两热电极之间要求有良好的绝缘，绝缘套管用于防止两根热电极短路。(3)保护管 为延长热电偶的使用寿命，使之免受化学和机械损伤，通常将热电极(含绝缘套管)装人保护管内，起到保护、固定和支撑热电极的作用。作为保护管的材料应有较好的气密性，不便外部介质渗透到保护管内;有足够的机械强度，抗弯抗压;物理、化学性能稳定，不产生对热电极的腐蚀;高温环境使用，耐高温和抗震性能好。(4)接线盒 热电偶的接线盒用来固定接线座和连接外接导线之用，起着保护热电极免受外界环境侵蚀和外接导线与接线柱良好接触的作用。接线盒一般由铝合金制成，根据被测介质温度对象和现场环境条件要求，设计成普通型、防溅型、防水型、防爆型等接线盒。接线盒与感温元件、保护管装配成热电偶产品即形成相应类型的热电偶温度传感器。如图6-9所示。20.2、铠装型热电偶 它是由金属套管、绝缘材料和热电极经焊接密封和装配等工艺制成的坚实的组合体。21.3、薄膜型热电偶4、表面型热电偶 5、浸入式热电偶 薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶，它的测量端既小又薄，热容量很小，可用于微小面积上温度测量;动态响应快，可测量快速变化的表面温度。主要用于测量金属块、炉壁、涡轮叶片、轧辊等固体表面温度。主要用于测量钢水、铜水、铝水以及熔融合金的温度。22.三、热电偶冷端温度补偿 (一)补偿导线 根据热电偶测温原理可知，热电偶回路的热电势的大小不仅与热端温度有关，而且与冷端温度有关，只有当冷端温度保持不变，热电势才是被测热端温度的单值函数。(二)冷端温度校正法(三)冰浴法(四)补偿电桥法 23.三、热电偶冷端温度补偿 补偿导线是由两种不同性质的廉价金属材料制成，在一定温度范围内(0(0100*C)100*C)与所配接的热电偶具有相同的热电特性的特殊导线。用补偿导线(连接导线)连接热电偶和显示仪表，根据中间温度定律，热电偶与补偿导线产生的热电势之和为E(tE(t，to)to)，因此补偿导线的使用相当于将热电极延伸至与显示仪表的接线端，使回路热电势仅与热端和补偿导线与仪表接线端(新冷端)温度t t0 0有关，而与热电偶接线盒处(原冷端)温度t t0 0 变化无关。(一)补偿导线t t0 0t t0 024.常用热电偶补偿导线见表6-26-2补偿导线配用补偿导线材料 补偿导线绝缘层着色 正极 负极正极负极SCSC S S 铜 铜镍合金 红色 绿色 KCK铜铜镍合金 红色 蓝色 KX K镍铬合金镍硅合金 红色 黑色表6-26-225.(二)冷端温度校正法 0t0tE已知冷端温度t0，根据中间温度定律，应用下式进行修正：E(t，0)=E(t，t0)+E(t0，0)(614)其中，E(t，t0)为回路实际热电势。1计算修正法 配用补偿导线，将冷端延伸至温度基本恒定的地方，但新冷端若不恒为0 00 0C C，配用按分度表刻度的温度显示仪表，必定会引起测量误差，必须予以校正。26.2机械零位调整法当冷端温度比较恒定时，工程上常用仪表机械零位调整法。如动圈仪表的使用，可在仪表未工作时，直接将仪表机械零位调至冷端温度处。由于外线路电势输人为零，调整机械零位相当于预先给仪表输入一个电势E(E(t0,0),0)。当接人热电偶后，外电路热电势E E（t,to)t,to)与表内预置电势E(to,0)E(to,0)迭加，使回路总电势正好E(t,O)E(t,O)，仪表直接指示出热端温度t t27.(三)冰浴法(四)补偿电桥法 实验室常采用冰浴法使冷端温度保持为恒定0oC，来对热电偶进行热电势值的校验。补偿电桥法利用不平衡电桥产生的不平衡电势来补偿因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可以自动地将冷端温度校正到补偿电桥的平衡点温度上。28.四、热电偶测量线路 (有4 种）热电偶显示仪表连接导线1 1测量单点温度的基本测温线路29.2测量两点之间温差的测温线路 用两只同型号的热电偶，配用相同的补偿导线，采用反向连接方式，这时仪表即可测得两点温度之差。Et=EAB(t1)-EAB(t2)30.3 3测量平均温度的测温线路 测量平均温度的方法通常用几只相同型号的热电偶并联在一起。R远大于热电偶内阻，为均衡电阻。Et=（E1+E2+E3）/331.4测量几点温度之和的测温线路 既可测几点温度之和又可测几点平均温度。Et=E1+E2+E3 E平均=Et/332.5若干只热电偶共用一台仪表的测量线路 33.第二节 电阻式温度传感器 热电偶传感器主有用于测量-2701802范围内的温度。电阻式传感器广泛被用于测量一200+960范围内的温度。什么是电阻式温度传感器？利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的性质而工作的，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值对应的温度值。34.第二节 电阻式温度传感器 金属热电阻传感器称热电阻半导体热电阻传感称热敏电阻分类：35.一、热电阻(一)热电阻测温原理 热电阻主要是利用电阻随温度升高而增大的特性来测量温度的。温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻力增大，宏观上表现出电阻率变大，总电阻值增加。热电阻的阻值与温度的关系为：Rt=Ro(1+At+Bt2+Ct3+Dt4)(619)式中：R0为热电阻在0时的电阻值A、B、C、D为温度系数 36.一、热电阻 为了准确地测出电阻的大小以反映温度的高低，常采用电桥来测量R Rt t阻值的变化，并转化为电压输出UU。在一定范围内，UU与R Rt t有良好的线性关系。(一)热电阻测温原理37.(一)热电阻测温原理 当连接导线较长时，导线电阻R1R1随温度的变化会影响测量结果。为解决此问题，工业上常采用三线制接法。38.(二)常用热电阻及结构 常用热电阻有：1 1、铂电阻2 2、铜电阻 目前中国常用的铂电阻有两种，分度号Ptl00和Ptl0，最常用的是Ptl00，R(0)=100.00，纯度为R（100）/R（0）=1.3851 分度表.常用测温范围-2008501铂电阻(WZP型号）39.40.(二)常用热电阻及结构 1铂电阻结构 银引出线铂丝云母骨架银绑带保护套管石英骨架41.2铜电阻（WZC型号）目前我国工业上用的铜电阻分度号为Cu50Cu50和Cul00Cul00.纯度为R R（100100）/R/R（00）=1.4280.002=1.4280.002。常用测温范围-50-5015015042.铜电阻结构43.二、热敏电阻热敏电阻是半导体测温元件。分类：负温度系数热敏电阻(NTC)MF(NTC)MF型正温度系数热敏电阻(PTC)MZ(PTC)MZ型44.(一)测温原理及特性 NTC NTC热敏电阻研制得较早，也较成熟。最常见的是由金属氧化物组成的。如锰、钴、铁、镍、铜等多种氧化物混合烧结而成。根据不同的用途，NTC又可以分为两大类。第一类用于测量温度。它的电阻值与温度之间呈负的指数关系。第二类为负的突变型，当其温度上升到某设定值时，其电阻值突然下降，多用于各种电子电路中抑制浪涌电流，起保护作用。45.(一)测温原理及特性 PTC PTC热敏电阻通常是在钛酸钡陶瓷中加入施主杂质以增大电阻温度系数。它的温度-电阻特性曲线呈非线性，它在电子线路中多起限流、保护作用。当流过PTC的电流超过一定限度或PTC感受到的温度超过一定限度时，其电阻值突然增大。46.热敏电阻温度特性曲线 负的突变型NTC负指数型NTC正线性型PTC正突变型PTC47.热敏电阻结构正温度负温度48.二、热敏电阻应用 热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、阻值大、灵敏度高等优点，因此它在许多领域得到广泛应用。根据产品型号不同，其适用范围也各不相同，具体有以下三方面。1热敏电阻测温49.2热敏电阻用于温度补偿 50.51.3热敏电阻用于温度控制 1 1、继电保护52.2 2、温度上下限报警LED2温度上限报警 LED1温度下限报警 问题：运放接成比较工作方式，无零输出。53.第三节PNPN结型温度传感器 PNPN结测温传感器是利用半导体材料和器件的某些性能参数的温度依赖性，实现对温度的检测、控制和补偿功能。PNPN结温度传感器和前两种测温传感器相比，最大优点是输出特性呈线性，且测温精度高。一、温敏二极管 在一定的电流模式下，PNPN结的正向电压与温度之间具有很好的线性关系。（例如砷化嫁和硅温敏二极管在1-400K1-400K范围的温度表现为良好的线性。）54.基本特性（UFT）对于不同的工作电流，温敏二极管的UFT关系是不同的;但是UFT之间总是线性系。例如图6-226-22所示的2DWMl2DWMl型硅温敏二极管，在恒流下，UFT在-50-+15O50-+15Oo oC C范内，呈很好的线性关系。55.二、温敏三极管 晶体管发射结上的正向电压随温度上升而近似线性下降，这种特性与二极管十分相似，但晶体管表现出比二极管更好的线性和互换性。在不同的Ic情况下，温敏晶体管的Ube电压与温度T的实际结果。56.三、集成温度传感器 就是在一块极小的半导体芯片上集成了包括温度敏感器件（温敏三极管）、信号放大电路、温度补偿电路、基准电源电路等在内的各个单元，它使传感器和集成电路融为一体。集成温度传感器与传统的热电阻、热电偶温度计相比最大的优点是：线性度好 、灵敏度高 、输出信号大，且规范化标准化 集成温度传感器按信号输出形式分为：电流型 、电压型（一）、集成传感器概念（二）、优点57.（三）、AD590AD590系列集成温度传感器 AD590AD590是电流型集成温度传感器，其输出电流与环境绝对温度成正比，所以可以直接制成绝对温度仪。AD590AD590有I I、J J、K K、L L、M M等型号系列，采用金属管壳封装。外形图电路符号电源+电流输出端58.（四）、AN6701SAN6701S集成温度传感器 是电压型集成温度传感器，其输出电压U U0 0和温度成正比。它采用塑料封装，外形如图所示。59.PNPN结型温度传感器应用 1 1、温敏二极管温度调节器 60.2 2、温敏三极管 温差检测电路61.3-13-1、采用集成温度传感器的数字式温度计 162.3-2、采用集成温度传感器的数字式温度计 27016包括A/D转换器、时钟发生器、参考电压源、BCD七段译码器、显示驱动器。34：参考高33：参考低31：输入高32：公共30：输入低63.实验指导164.实验指导265.