热电式传感器课件

热电式传感器8.1 热电阻热电阻热电阻测温的基础热电阻测温的基础：电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系数电阻率随温度升高而增大，具有正的温度系数特点特点:精度高，适宜于测低温精度高，适宜于测低温下页下页上页上页返回返回8.1.1 热电阻的材料及工作原理热电阻的材料及工作原理图库图库8.1.1 热电阻的材料及工作原理热电阻的材料及工作原理铂电阻铂电阻:精度高，稳定性好，性能可靠。精度高，稳定性好，性能可靠。铜电阻铜电阻:铂是贵金属，价格昂贵，因此在测温范围比较小铂是贵金属，价格昂贵，因此在测温范围比较小(-50+150)的情况下，可采的情况下，可采用铜制成的测温电阻，称铜电阻。用铜制成的测温电阻，称铜电阻。铁电阻和镍电阻铁和镍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，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电阻值与温度的线性关系差。下页下页上页上页返回返回图库图库8.1.2 测量电路测量电路热电阻温度计最常用的测量电路是电桥电路热电阻温度计最常用的测量电路是电桥电路 图图8-2 热电阻温度计测量电桥电路热电阻温度计测量电桥电路 （图中（图中G为指示电表、为指示电表、R1，R2、R3为固定电阻、为固定电阻、Ra为零位调节电阻）为零位调节电阻）图图8-3 热电阻测温电桥的四线连接法热电阻测温电桥的四线连接法下页下页上页上页返回返回图库图库8.2 热电偶热电偶 热电偶作为敏感元件优点为：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；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；具有较高的准确度具有较高的准确度；测量范围宽，常用的热电偶，低温可测到测量范围宽，常用的热电偶，低温可测到-50，高温可以达到，高温可以达到1600左右，配用特殊材料的热左右，配用特殊材料的热电极，最低可测到电极，最低可测到-180，最高可达到，最高可达到+2800的温度；的温度；具有良好的敏感度；具有良好的敏感度；使用方便等。使用方便等。下页下页上页上页返回返回图库图库8.2 热电偶热电偶热电效应热电效应热电偶基本规律热电偶基本规律热电偶材料及常用热电偶热电偶材料及常用热电偶热电偶测温电路热电偶测温电路热电偶参考端温度热电偶参考端温度下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.1 热电效应热电效应 热电效应或塞贝克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，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，导体导体A、B称为热电极。测温时结点称为热电极。测温时结点1置于被测的温度场中，称为测量端置于被测的温度场中，称为测量端(工作端、热端工作端、热端)；结点；结点2一般处在某一恒定温度，称为参考端一般处在某一恒定温度，称为参考端(自由端、冷端自由端、冷端)。由这两种导体的组合。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。并将温度转换成热电势的传感器称为热电偶。图图8-4 热电效应示意图热电效应示意图下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.1 热电效应热电效应两种导体的接触电势两种导体的接触电势 式中式中 k波尔兹曼常数，为波尔兹曼常数，为1.3810-16；T 接触处的绝对温度；接触处的绝对温度；e 电子电荷数；电子电荷数；NA、NB 金属金属A、B的自由电子密度。的自由电子密度。下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.1 热电效应热电效应同理可以计算出同理可以计算出A、B两种金属构成回路在温度端的接触电势为两种金属构成回路在温度端的接触电势为 （8-5）但但 与与 方向相反，所以回路的总接触电势方向相反，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，即由上式可见，当两结点的温度相同，即T=T0，回路中总电势将为零。，回路中总电势将为零。下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.1 热电效应热电效应单一导体的温差电势单一导体的温差电势 图图8-6 温差电势温差电势 当导体两端的温度分别为当导体两端的温度分别为T、T0时，温差电势可由下式表示时，温差电势可由下式表示 （8-7）式中式中 AA导体的汤姆逊系数。导体的汤姆逊系数。对于两种金属对于两种金属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）下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.1 热电效应热电效应综上所述，对于匀质导体综上所述，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，用所示，用式子可表示为：式子可表示为：（8-9）下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.1 热电效应热电效应 由式由式(8-9)可得出以下结论：可得出以下结论：如果热电偶两电极材料相同，则虽两端温度不同如果热电偶两电极材料相同，则虽两端温度不同(TT0)。但总输出电势仍为零。因此必须由两种不同。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。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。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。下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.2 热电偶基本规律热电偶基本规律中间导体定律中间导体定律标准电极定律标准电极定律连接导体定律和中间温度定律连接导体定律和中间温度定律下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.2 热电偶基本规律热电偶基本规律 中间导体定律中间导体定律 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：电势无影响。可用式子表示为：EABC(T,T0)=EAB(T,T0)（8-9）下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.2 热电偶基本规律热电偶基本规律 标准电极定律标准电极定律 如果将导体如果将导体C(热电极，一般为纯铂丝热电极，一般为纯铂丝)作为标准电极作为标准电极(也称参考电极也称参考电极)，并已知标准电极与任意导体配对时，并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，则在相同结点温度的热电势，则在相同结点温度(T，T0)下，任意两导体下，任意两导体A、B组成的热电偶，其热电势可由下式求得组成的热电偶，其热电势可由下式求得 EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)（8-10）下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.2 热电偶基本规律热电偶基本规律 连接导体定律和中间温度定律连接导体定律和中间温度定律 连接导体定律连接导体定律：在热电偶回路中，如果热电极：在热电偶回路中，如果热电极A、B分别与连接导线分别与连接导线A、B相连接，结点温度分别为相连接，结点温度分别为T T、T Tn n、T T0 0，那么回路的热电势将等于热电偶的热电势，那么回路的热电势将等于热电偶的热电势E EABAB(T,T(T,Tn n)与连接导线与连接导线A、B在温度在温度T Tn n、T T0 0 时热电时热电势势 E EA AB B(T,T(T,Tn n)的代数和的代数和(见图见图8-10)，即，即 EABBA(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)（8-11）下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.2 热电偶基本规律热电偶基本规律 连接导体定律和中间温度定律连接导体定律和中间温度定律 中间温度定律中间温度定律：热电偶在结点温度为热电偶在结点温度为T T、T T0 0时的热电势值时的热电势值E EABAB(T,T(T,T0 0)，等于热电偶在，等于热电偶在(T,T(T,Tn n)、(T(Tn n,T,T0 0)时时相应的热电势相应的热电势EAB(T,T(T,Tn n)与与 EAB(T(Tn n,T,T0 0)的代数和。如下式所示：的代数和。如下式所示：EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)（8-12）下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.2 热电偶基本规律热电偶基本规律举例（可加减）举例（可加减）已知已知A A、B B组成的热电偶在（组成的热电偶在（1001000 0C C，0 00 0C C）时热电势为）时热电势为1mV1mV 且且A A、B B组成的热电偶在（组成的热电偶在（100010000 0C C，0 00 0C C）时热电势为）时热电势为10mV10mV 则它们在（则它们在（100010000 0C C，1001000 0C C）时的热电势为：）时的热电势为：10-1=9mV10-1=9mV下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.2 热电偶基本规律热电偶基本规律图图8-8 具有中间导体的热电偶电路具有中间导体的热电偶电路图图8-9 三种导体分别组成的热电偶三种导体分别组成的热电偶图图8-10 用连接导线的热电偶回路用连接导线的热电偶回路下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.3 热电偶材料及常用热电偶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。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。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。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。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标准化热电偶的主要技术数据列于表8-2中。中。下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.4 热电偶测温电路热电偶测温电路 热电偶直接与指示仪表配用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，即路的总电阻有关，因此要求回路总电阻必须为恒定值，即 Rr+Rc+RG=常数常数 （8-14）式中式中 Rr热电偶电阻；热电偶电阻；Rc 连接导线电阻；连接导线电阻；RG 指示仪表的内阻指示仪表的内阻 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。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。图图8-11 一支热电偶直一支热电偶直接配一台仪表接配一台仪表下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.4 热电偶测温电路热电偶测温电路串联串联 为了提高测量精度和灵敏度，也可将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所示。这时线路的总电势为 EG=E1+E2+En=nE （8-15）式中的式中的E1，E2，,En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。倍。若每支热电偶的绝对误差为若每支热电偶的绝对误差为E1，E2，,En，则整个串联线路的绝对误差为，则整个串联线路的绝对误差为 （8-16）下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.4 热电偶测温电路热电偶测温电路如果如果 E1=E2=En=E则则 （8-17）故串联电路的相对误差为：故串联电路的相对误差为：8-18）图图8-12 热电偶串联测温电路热电偶串联测温电路 下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.4 热电偶测温电路热电偶测温电路并联并联 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。如果所示。如果n支热电偶的电阻值相等，则并支热电偶的电阻值相等，则并联电路总热电势为联电路总热电势为 （8-19）图图8-13 热电偶并联测温线路热电偶并联测温线路下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.4 热电偶测温电路热电偶测温电路图图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，从而测出电势相减，从而测出T1和和T2的温度差。的温度差。图图8-14 热电偶测温差线路热电偶测温差线路下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.4 热电偶测温电路热电偶测温电路 桥式电位差计线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为为XWT系列自动平衡记录仪表采用系列自动平衡记录仪表采用的线路。图中的线路。图中RW，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。，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。图图8-15 自动电位差计测温线路自动电位差计测温线路下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.5 热电偶参考端温度热电偶参考端温度0恒温法恒温法热电偶参考端温度为热电偶参考端温度为tn时的补正方法时的补正方法冷端延长线法冷端延长线法下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.5 热电偶参考端温度热电偶参考端温度 0恒温法恒温法 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，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。下页下页上页上页返回返回图库图库8.2.5 热电偶参考端温度热电偶参考端温度 热电偶参考端温度为热电偶参考端温度为tn时的补正方法时的补正方法 1、热电势补正法、热电势补正法 2、温度补正法、温度补正法 3、调整仪表起始点法、调整仪表起始点法 4、热电偶补偿法、热电偶补偿法 5、电桥补偿法、电桥补偿法 图图8-16 热电偶特性曲线热电偶特性曲线下页下页上页上页返回返回图库图库8.3 热热 敏敏 电电 阻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。测量和控制中。下页下页上页上页返回返回图库图库8.3 热热 敏敏 电电 阻阻8.3.1热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性8.3.2热敏电阻的特性线性化热敏电阻的特性线性化8.3.3热敏电阻的应用举例热敏电阻的应用举例 下页下页上页上页返回返回图库图库8.3.1 热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性电阻电阻-温度特性温度特性 电阻与温度之间的关系可用下面公式来表示电阻与温度之间的关系可用下面公式来表示:R=AeB/T A与热敏电阻尺寸形状以及它的半导体物理性能有关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；的常数；B与半导体物理性能有关的常数；与半导体物理性能有关的常数；T热敏电阻的绝对温度。热敏电阻的绝对温度。下页下页上页上页返回返回图库图库8.3.1 热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性 伏安特性伏安特性 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，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。之间。下页下页上页上页返回返回图库图库8.3.1 热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性 电流一时间特性电流一时间特性 图图8-20 热敏电阻的温度特性热敏电阻的温度特性 图图8-21 负温度系数热敏电阻伏安特性负温度系数热敏电阻伏安特性 图图8-22 电流一时间特性电流一时间特性下页下页上页上页返回返回图库图库8.3.2 热敏电阻的特性线性化热敏电阻的特性线性化 图图8-23 串联补偿电阻串联补偿电阻 图图8-24 并联补偿电阻并联补偿电阻 由图由图8-24可见，补偿后的可见，补偿后的RP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：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 图图8-25 其它线性化电路其它线性化电路 所示。所示。下页下页上页上页返回返回图库图库8.3.3 热敏电阻的应用举例热敏电阻的应用举例 半导体点温计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。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热敏电阻温度自动控制器下页下页上页上页返回返回图库图库8.3.3 热敏电阻的应用举例热敏电阻的应用举例 半半 导导 体体 点点 温温 计计 图图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R1，等于，等于R2，是桥是桥路固定锰铜电阻，能对热敏电阻的非线性起补偿作用；路固定锰铜电阻，能对热敏电阻的非线性起补偿作用；R3是锰钢电阻，阻值等于点温计起始刻度时的是锰钢电阻，阻值等于点温计起始刻度时的热敏电阻的阻值；热敏电阻的阻值；Rm是锰铜电阻，其阻值等于点温计满刻度时热敏电阻的阻值；是锰铜电阻，其阻值等于点温计满刻度时热敏电阻的阻值；RT是半导体热敏电阻是半导体热敏电阻(测温元件测温元件)，R4和和Rw的作用是调节桥路工作电压；开关的作用是调节桥路工作电压；开关S置于置于“1”时是调整，置于时是调整，置于“2”时是测量；时是测量；P是指示仪表。是指示仪表。下页下页上页上页返回返回图库图库8.3.3 热敏电阻的应用举例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，调节电位器位置，调节电位器Rw，使电表满刻度。然后将开关置，使电表满刻度。然后将开关置于于“2”位置即可测量。位置即可测量。图图8-26 半导体点温计电原理图半导体点温计电原理图下页下页上页上页返回返回图库图库8.3.3 热敏电阻的应用举例热敏电阻的应用举例热敏电阻温度自动控制器热敏电阻温度自动控制器图图8-27 热敏电阻自动控温仪电路图热敏电阻自动控温仪电路图下页下页上页上页返回返回图库图库第第8章章 本章要点本章要点|热电阻热电阻热电阻的材料及工作原理热电阻的材料及工作原理测量电路测量电路|热电偶热电偶热电效应热电效应热电偶基本定律热电偶基本定律热电偶测温线路热电偶测温线路结束结束上页上页返回返回图库图库谢谢大家！