热电式传感器.doc

第7章 热电式传感器定义：利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。它利用传感元件的电磁参数随温度变化的特征来达到测量的目的。通常将被测温度转换为敏感元件的电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可由电压、电流这些电参数的变化来表达所测温度的变化。将温度转换为电势大小的热电式传感器叫热电偶；将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。7.1 热电阻传感器热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻7.1.1 热电阻用于测量温度的热电阻的材料应该满足以下条件：（1）、电阻温度系数要大且保持常数；（2）、电阻率要大，以减少热电阻的体积，减小热惯性；（3）、在使用温度范围内，材料的物理、化学特性要保持稳定，以保证热电阻的测量准确性；（4）、良好的输出特性，即必须有线性的或者接近线性的输出；（5）、生产成本要低，工艺实现要容易，便于批量生产。常用的金属材料有：铂、铜、镍、铁等。1、铂热电阻铂热电阻（熔点1772）是最佳的热电阻。其优点包括：物理、化学性能非常稳定，特别是耐氧化能力很强，在很宽的温度范围内（1200以下，按IEC（国际电工委员会标准）标准, 铂热电阻的使用温度范围为-200+850。）都能保持上述特性；电阻率较高，易于加工，可以制成非常薄的铂箔和极细的铂丝等。其缺点主要是：电阻温度系数较小，成本较高，在还原性介质中易变脆等。铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似表示为：在-200-0温度范围内在0-850温度范围内式中，Rt和R0分别为0和t的电阻值，ABC为常数：A=3.96847103 / B=5.847107 /2 C=4.221012 /4目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和R0=100两种, 它们的分度号分别为Pt10和Pt100, 其中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表, 即Rt-t 的关系表, 这样在实际测量中, 只要测得热电阻的阻值Rt, 便可从分度表上查出对应的温度值。2、铜热电阻 铜热电阻也是一种常用的热电阻。由于铂热电阻价格高，通常在一些测量精度要求不高而且测量温度较低的场合（如50150），普遍采用铜热电阻。其电阻温度系数较铂热电阻高、容易提纯、价格低廉。近似为国内统一设计标准铜电阻分度号为Cu50和Cu100其最主要的缺点是电阻率较小，约为铂热电阻的1/5.8，因而铜热电阻的电阻丝细而且长，机械强度较低，体积较大。此外铜热电阻易被氧化，不宜在侵蚀性介质中使用。注意：热电阻阻值较小引线电阻不能忽视3、热电阻的接线、测量电路 内引线：内部引线方式有两线制、 三线制和四线制三种。在热电阻感温元件的两端各连一根导线的引线形式为两线制热电阻。这种两线制热电阻配线简单，安装费用低，但要带进引线电阻的附加误差。因此，不适用于高精度测温场合使用。并且在使用时引线及导线都不宜过长。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。 四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响, 用于高精度温度检测。工业用铂电阻测温采用三线制或四线制。测量电路：（1）、二线制接法（2）、三线制接法（3）、四线制接法 4、其他热电阻铂、铜热电阻不适宜做低温和超低温的测量。铟电阻适宜在-269-258温度范围内使用，测温精度高，灵敏度是铂电阻的10倍，但是复现性差。锰电阻适宜在-271-210温度范围内使用，灵敏度高，但是质脆易损坏。碳电阻适宜在-273-268.5温度范围内使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但是热稳定性较差。除了普通工业用热电阻外，近年来为了挺高响应速度，发展了一些新产品。例如，封装在金属管套内的嵌装热电阻，这种热电阻外径直径小（最小仅1mm），除感温元件处外，可以任意弯曲，特别适合在复杂结构中安装。由于封装良好，具有良好的抗振动、抗冲击性能和耐腐蚀性能。又如线绕薄片型铂热电阻和利用IC工艺制作的厚膜铂电阻与薄膜铂电阻，后者具有较高的性价比。7.1.2 热敏电阻半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化的性质而制成的温度敏感元件，半导体和金属具有完全不同的导电机理。热敏电阻的材料：锰、钴、铜、铁、锌等的氧化物的混合物。半导体热敏电阻与金属热电阻相比较，具有灵敏度高、体积小、热惯性小、响应速度快等优点；但目前它存在的主要缺点是互换性和稳定性较差，非线性严重，且不能在高温下使用，所以限制了其应用领域。1、半导体热敏电阻的类型半导体热敏电阻随温度变化的典型特性有三种类型，即负温度系数热敏电阻NTC（Negative Temperature Coefficient）、正温度系数热敏电阻PTC（Positive Temperature Coefficient）和在某一特定温度下电阻值发生突然变化的临界温度电阻器CTR（Critical Temperature Resistor）。它们的特性曲线如图所示。PTC热敏电阻正温度系数钛酸钡掺合稀土元素烧结而成用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。CTR热敏电阻负温度系数以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成用途：温度开关。NTC热敏电阻很高的负电阻温度系数主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物混合烧结而成应用：点温、表面温度、温差、温场等测量自动控制及电子线路的热补偿线路NTC型，负温度系数：适用于-1003002、NTC的电阻-温度特性NTC在低于450时，有经验公式：式中 RT , R0热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值()； T0, T 介质的起始温度和变化温度（K）； t0 , t 介质的起始温度和变化温度（）； B 热敏电阻材料常数，一般为20006000K，其大小取决于热敏电阻的材料。若已知 则可计算：NTC电阻温度系数 负电阻温度系数3、NTC的伏安特性当流过热敏电阻的电流很小时:不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律。主要用来测温。当电流增大到一定值时：流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻特性。因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降。其所能升高的温度与环境条件(周围介质温度及散热条件)有关。当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。可用它来测量流体速度和介质密度。热敏电阻特性的严重非线性，是扩大测温范围和提高精度必须解决的关键问题。解决办法是，利用温度系数很小的金属电阻与热敏电阻串联或并联，使热敏电阻阻值在一定范围内呈现线性关系。串联法：只要金属电阻Rx 选的合适，在一定温度范围内可得到近似双曲线特性，即温度与电阻的倒数成线性关系，从而使温度与电流呈线性关系。7.1.3 热电阻传感器的应用7.2 热电偶传感器热电偶（thermocouple）在温度测量中应用极为广泛，因为它具有构造简单、使用方便、准确度高和温度测量范围宽等特点。常用的热电偶可测温度范围为-501600。若配用特殊材料，其温度范围可扩大为-1802800。7.2.1 热电效应及其工作定律塞贝克（Seeback）效应：1821年，德国物理学家发现，将两种不同的金属导体接成闭合回路时，如果将它的两个接点分别置于温度不同的两个环境中，则电路中就会有电流产生。这一现象称为塞贝克效应，这样的电路叫做温差电偶，产成电流的电动势叫做温差电动势。例如：铁与铜的冷接头为1，热接头处为100，则有5.2毫伏的温差电动势产生。帕尔帖(peltire)效应：1834年巴黎的钟表匠帕尔帖发现了塞贝克效应的逆效应。当电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。汤姆逊效应（Thomson effect）：1856年，汤姆逊对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。认为，在绝对零度时，帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。在此基础上，他又从理论上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆逊热）。或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。这一现象叫汤姆逊效应，成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应1、热电效应两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回路。当两接点温度不等时，回路中就会产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，该电动势称为热电动势。两种不同的导体（或半导体）组成一个闭合回路,在闭合回路中，A、B导体称为热电极。T端结点称为工作端或热端；T0端结点称为冷端或自由端。分析表明，热电效应产生的热电式由接触电势（帕尔贴电势）和温差电势（汤姆逊电势）两部分组成。（1）、接触电势产生原因：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。 两种导体接触时,自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散, （NANB,A到B）在接触处失去电子的一侧带正电, 得到电子的一侧带负电, 形成稳定的接触电势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。两接点的接触电动势eAB(T)和eAB（T0）可表示为 式中: K波尔兹曼常数; k=1.3806505(24) 1023 J/Ke单位电荷电量; NAT、NBT和NAT0、NBT0分别在温度为T和T0时, 导体A、B的自由电子密度。 （2）、温差电动势同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。机理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。温差电势表示：表示汤姆逊系数，即温度为一度时电动势的值热电偶回路中产生的总热电势 在总热电势中, 温差电势比接触电势小很多, 在精度要求不高的情况下, 热电偶的热电势可近似表示为：AB(T, T0) eAB(T) -eAB(T0)热电偶回路的几点结论： 如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零。必须采用两种不同的材料作为热电极。 如果热电偶两结点温度相等，热电偶回路内的总电势亦为零。 热电偶AB的热电势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。2、工作定律（1）匀质导体定律。由一种匀质导体组成的闭合回路，不论导体的截面和长度如何，都不能产生热电势。由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、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。 意义：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。（2）中间导体定律。在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路总的热电动势不变。应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路 （3）标准电极定律。如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知，这个定律就称为标准电极定律。那么，导体A与B组成的热电偶热电动势为：意义：通常选用高纯铂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，则各种金属间相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来。（4）中间温度定律：在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t, t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势eAB(t ，tc)和eAB(tc ，t0)的代数和，即 eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0) 中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论基础。它表明热电偶的两电极被两根导体延长，只要接入的两导体组成的热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。 该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中, 利用热电偶这一性质, 可对参考端温度不为0的热电势进行修正。7.2.2 热电偶1、热电偶材料虽然金属都有热电效应，但在实际应用中，不是所有的金属都可以作为热电偶的。作为热电偶回路电极的金属导体应具备以下几个特点：配对的热电偶应有较大的热电势，并且热电势与温度尽可能有良好的线性关系。 能在较宽的温度范围内应用，并且在长时间工作后，不会发生明显的化学及物理性能的变化。温度系数小，电导率高。易于复制，工艺性与互换性好，便于制定统一的分度表，材料要有一定的韧性，焊接性能好，以利于制作。2、热电偶结构普通型热电偶。 工业用普通型热电偶的结构一般由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒四部分组成。铠装热电偶。铠装热电偶又称缆式热电偶，是由热电极、绝缘材料（通常为电熔氧化镁）和金属保护管三者经拉伸结合而成的。铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小, 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, 因此被广泛用在许多工业部门中。 薄膜热电偶。薄膜热电偶是用真空蒸镀的方法，把两种热电极材料分别沉积在绝缘#片上形成的一种快速感温元件。此外，还有表面热电偶、浸入式热电偶、特殊热电偶、热电锥等3、热电偶的温度补偿为使热电动势与被测温度间呈单值函数关系，需要把热电偶冷端的温度保持恒定。由于热电偶的分度表是在其冷端温度0条件下测得的，所以只有在满足=0的条件下，才能直接应用分度表。（1）0恒温法：将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温器内，使冷端温度保持0不变，它消除了不等于0而引入的误差。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。（2）冷端温度修正法： 式中，为热电偶热端温度为，冷端温度为0时的热电动势；为热电偶热端温度为，冷端温度为时的热电动势；为热电偶热端温度为，冷端温度为0时的热电动势。例子 用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30，测得热电势eAB（t，t0）为33.29mV, 求加热炉温度。 解：查镍铬-镍硅热电偶分度表得eAB（30，0）1.203 mV。 可得 eAB（t，0）= eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.8（3）补偿导线法：在使用热电偶测温时，必须使热电偶的冷端温度保持恒定，否则在测温时引入的测量误差将是个变量，影响测量的准确性。所以必须使冷端远离温度对象，采用补偿导线就可以做到这一点。 热电偶一般做得较短， 一般为3502000mm。在实际测温时，需要把热电偶输出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t0比较稳定。解决办法：工程中采用一种补偿导线。在0100温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。 常用补偿导线 热电偶类型补偿导线类型补偿导线正极负极铂铑10铂铜铜镍合金铜铜镍合金（镍的质量分数为0.6%）镍铬镍硅I型：镍铬镍硅镍铬镍硅镍铬镍硅II型：铜康铜铜康铜镍铬康铜镍铬康铜镍铬康铜铁康铜铁康铜铁康铜铜康铜铜康铜铜康铜（4）仪表机械零点调整法：对于具有零位调整的显示仪表而言，如果热电偶冷端温度较为恒定时，可采用测温系统未工作前，预先将显示仪表的机械零点调整到t0上。（5）补偿电桥法：当热电偶冷端温度波动较大时，一般采用补偿电桥法，其测量线路如图所示。补偿电桥法是利用不平衡电桥（又称冷端补偿器）产生不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化。不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻R1、R2 、R3、电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻RCU 和稳压电源组成。补偿原理：将带有铜热电阻的补偿电桥与被补偿的热电偶串联，铜与热电偶的冷端置于同一温度场。室温时，电桥输出为零，当冷端温度变化时，热电偶铜输出电压减小,电阻阻值变化造成电桥不平衡输出, 增加。 此不平衡输出电压对热电偶输出变化有抵消作用。4、热电偶的测温电路热电偶测温时, 它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、 数字表等）配套使用, 也可与温度变送器配套, 转换成标准电流信号, 下图 为典型的热电偶测温线路。 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, 且参考端应在同一温度下。如热电偶正向串联, 可获得较大的热电势输出和提高灵敏度。在测量两点温差时, 可采用热电偶反向串联。利用热电偶并联可以测量平均温度。（1）单点温度测量（2）测量两点的温度差用两只相同型号的热电偶，配用相同的补偿导线，反向串联。产生热电势为ET=EAB（T1，T0）EAB（T2，T0）（3）测量平均温度用几只型号特性相同的热电偶并联在一起。