CH 2 传感器原理8节 0

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,*,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,*,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,*,工作原理：,利用敏感元件的,电磁参数,随温度变化而变化的特性，把,温度,变化转换为,电量,的变化。,热电阻：,将,温度变化,转换为,电阻,变化。,热电偶：,将,温度变化,转换为,热电势,变化。,2.8,热电式传感器,温度是国际单位制中七个基本物理量之一。,温度的,宏观概念,是表示物体的,冷热程度,。当两个物体互为热平衡时其温度相等。,温度的,微观概念,是物体内部,分子运动平均动能的大小,。分子动能愈大，运动愈剧烈，其温度表现越高。,温标,用来度量物体温度数值的标尺。,温标规定了温度的,读数起点,（零点）和测量温度的,基本单位,。,目前国际上用得较多的温标有,摄氏温标、华氏温标、热力学温标、国际温标,等。,列氏温标、兰氏温标,摄氏温标,瑞典人,Celsius,于,1740,年提出。,在标准大气压下，纯水冰点为,0,度，沸点为,100,度，中间等分成,100,格，每格,1,为摄氏度，符号为。,华氏温标,德国人,Fahrenheit,于,1714,年提出。,将纯水的冰点规定为,32,度，沸点为,212,度，中间等分成,180,格，每格,1,为华氏度，符号为。,37, ,98.6,国际,(,实用,),温标,在,1990,年的国际温标中指出，,热力学温度,是基本物理量，并定义水的三相点热力学温度为,273.16K (0.01,),。,在,ITS90,中同时使用,国际开尔文温度,（符号为,T,90,）和,国际摄氏温度,（符号为,t,90,），其关系为：,t,90,=,T,90,K,-273.15,从实验到理论：,热电效应,1821,年，德国物理学家,Thomas,Seebeck,用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点，发现放在回路中的指南针发生偏转；如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小。,指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。,2.8.1,热电偶,(Thermocouple),Thomas Johann,Seebeck,（,1780,1831,）,1.,热电效应,热电偶的热电效应,两种不同的导体两端相连组成的闭合回路称为,热电偶,。如果两个接点温度不同，回路中就会产生电流，表明回路中存在电动势，这种现象称为,热电效应,（,塞贝克效应,，,Seebeck,），相应的电动势称为,热电势,（,塞贝克电动势）,。,组成热电偶的两种不同的导体称为,热电极,；放置在被测温度为,T,的介质中的接点称为,测量端,（,工作端、热端,）；另一个接点通常置于某个恒定的温度,T,0,（如,0,），称为,参考端,（,自由端、冷端,）,。,热电势大小与组成回路的热电极的,材料性质,及两个,接点的温度,有关，用,E,AB,(,T,T,0,),表示。,热电势温差电势接触电势,单一导体的,温差电势,（汤姆逊电势，,Thomson,）,当一根均质导体上存在,温度梯度,时，处于高温端的电子能量比低温端的电子能量大，所以从高温端向低温端移动的电子数比从低温端向高温端移动的电子数多得多。结果高温端因失去电子而带正电，低温端因得到电子而带负电，在两端之间便形成一个从高温端指向低温端的静电场。这个静电场将阻止电子进一步从高温端向低温端移动，并加速电子从低温端向高温端移动，进而建立相对的动态平衡。此时，导体两端产生的电位差称为,温差电势，,用,E,A,(,T,T,0,),表示，,T,和,T,0,的顺序决定了电动势的方向。,+,+,+,T,高,T,0,低,E,s,E,A,(,T,T,0,),A,E,A,(,T,T,0,),和,E,B,(,T,T,0,) ,导体,A,和,B,在两端温度分别为,T,和,T,0,时的温差电势,e,电子电荷量，,e,=1.610,19,C,K,玻尔兹曼常数，,K,1.3810,23,J/K,N,A,(,T,),和,N,B,(,T,) ,金属导体,A,和,B,在温度为,T,时的电子密度,温差电势的大小只与,导体的种类,及导体,两端温度,有关。,E,A,(,T,T,0,),可表示为,同理：,两种导体的,接触电势（珀尔帖电势，,Peltier,）,当两种不同导体,A,、,B,接触时，由于两者电,子密度不同，如,N,A,N,B,，则在接触面处产,生自由电子扩散现象，从,A,到,B,扩散的电子,数比从,B,到,A,的多，导致接触处形成一个由,A,到,B,的静电场,E,s,，阻止电子从,A,到,B,的扩散，并加速电子从,B,到,A,的扩散，当电子扩散能力与静电场阻力平衡时，接触处的电子扩散就达到了动平衡。,A,、,B,间所形成的电位差称为,接触电势,。,A,和,B,的接触点在温度为,T,时的,接触电势用,E,AB,(,T,),表示，,AB,的顺序代表电位差的方向。,接触电势的大小与两种,导体的种类,及,接触处的温度,有关。,+,A +,+,E,s,E,AB,(,T,),B,热电偶回路的总热电势,当两种不同的均质导体,A,和,B,首尾相接,组成闭合回路时，如果,N,A,N,B,， 且,T,T,0,，则在回路内将会产生两个,接触电势,E,AB,(,T,),、,E,AB,(,T,0,),和两个温差电势,E,A,(,T, T,0,),、,E,B,(,T, T,0,),。热电偶回路的总热电势,E,AB,(,T, T,0,),为：,即,由于,温差电势比接触电势小,，又有,T,T,0,，所以在总热电势,E,AB,(,T,T,0,),中，,E,AB,(,T,),所占的比例最大,，总热电势方向取决于,E,AB,(,T,),的方向。,在热电偶的回路中，因,N,A,N,B,，,所以,导体,A,为正极，,B,为负极,。,热电势取决于两个,热电极材料的性质,和,两端接点的温度,。当热电极的,材料选定,时，热电势,E,AB,(,T,T,0,),仅是两个接点温度,T,和,T,0,的函数差,若,T,0,恒定,，则,f,AB,(,T,0,),为常数，热电势只与热电偶测量端的温度,T,成单值函数关系，即,通常，热电偶的热电势与温度的关系，都是,规定冷端温度为,0,时，按热电偶的不同种类，分别列成表格，称为热电偶的,分度表,。,2.,热电偶基本定律,（,1,）均质导体定律,如果只用一种均质导体组成闭合回路，则无论是否存在温差，回路中均不会产生电流（即不产生电动势）；反之，如果回路中出现电流，则证明此导体是非均质的。,推论,1,：,热电极,必须是均质导体，否则将会给测量带来附加误差。,推论,2,：,热电偶,必须由两种不同性质的导体组成，否则即使两接点的温度不同，回路中也不会产生温差电势。,（,2,）中间温度定律,热电偶,AB,在接点温度为,T,1,、,T,3,时的热电势,E,AB,(,T,1,T,3,),等于热电偶,AB,在接点温度为,T,1,、,T,2,和,T,2,、,T,3,时热电势,E,AB,(,T,1,T,2,),和,E,AB,(,T,2,T,3,),的代数和，即,E,AB,(,T,1,T,2,),E,AB,(,T,2,T,3,),E,AB,(,T,1,T,3,),中间温度定律为制定热电偶的分度表奠定了理论基础。,（,3,）中间导体定律,在热电偶回路中接入第三种均质导体后，只要其两端具有相同的温度，就不会影响热电偶的热电势。,据此定律，可以在热电偶回路中引入,连接导线,和,显示仪表,。,（,4,）标准电极定律,两种导体,A,、,B,分别与,标准电极,C,（或称,参考电极,）组成热电偶，如果它们所产生的热电动势已知，那么在相同接点温度下，导体,A,和,B,组成的热电偶的热电动势为：,标准电极定律大大,简化了热电偶的选配,工作，只要获得有关热电极与,标准铂电极,配对的热电动势，那么由这两种热电极配对组成的热电偶的热电动势就可求得。,在工程测量中，由于纯铂丝的物理化学性能稳定，熔点较高，易提纯，所以常将,纯铂丝作为标准电极,。,热端为,100,、冷端为,0,时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电势为,2.95mV,，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电势为,-4.0mV,，求镍铬合金与考铜组成的热电偶的热电势。,解,：,E,AB,(T, T,0,)= E,AC,(T, T,0,)- E,BC,(T, T,0,)=2.95-(-4.0)=6.95mV,铂铑,30,-,铂铑,6,热电偶（双铂铑热电偶，分度号,B,）,典型的高温热电偶,。以铂铑,30,（ 铂,70%,，铑,30%,）为正极，铂铑,6,（铂,94%,，铑,6%,）为负极。,两个热电极都是铂铑合金，提高了抗污染能力和机械强度，高温下其热电特性较为稳定，宜在氧化性或中性介质中使用。长期使用的最高温度可达,1600 ,，短期使用温度可达,1800 ,。,热电动势较小，冷端温度在,40,以下使用时，一般不必进行冷端温度补偿。,铂铑,10,-,铂热电偶（分度号,S,）,铂铑,10,为正极，纯铂丝为负极。适宜在氧化性及中性介质中长期使用。其测温上限长期使用可达,1300 ,，短期可达,1600 ,。,缺点：热电势较小，价格昂贵，机械强度低；不宜在还原性介质中使用。,标准化热电偶,(,共,8,种,),3.,标准化热电偶,镍铬,-,镍铝,或,镍铬,-,镍硅热电偶（分度号,K,）,镍铬合金为正极，镍铝,(,或镍硅,),合金为负极，一种廉价金属热电偶。具有较好的抗氧化性和抗腐蚀性；复现性较好；热电势大；热电势与温度关系近似为线性关系；成本较低，虽然测量精度不高，但能满足工业测温要求，是,工业上最常用的热电偶,；其长期使用的最高温度为,1000 ,，短期使用温度可达,1200 ,。,镍铬,-,康铜热电偶（分度号,E,）,镍铬合金为正极，康铜,(,含镍,45%,的镍铜合金,),为负极。,康铜在高温下易氧化,，其测温范围为,-200,870 ,。热电动势大，价格便宜，低温性能稳定，尤其适宜在,0 ,以下使用。,铁,-,康铜热电偶（分度号,J,）,铂铑,13,-,铂热电偶（分度号,R,）,镍铬硅,-,镍硅热电偶（分度号,N,）,铜,-,康铜热电偶（分度号,T,）,纯铜为正极，康铜为负极，其测温范围为,-200,300 ,。,铜热电极易氧化,，一般在氧化性气体中使用不宜超过,300 ,。其热电动势较大，热电特性良好，材质均匀，成本低。,热电偶的结构,普通型热电偶,由热电极、绝缘子、保护套管及接线盒四部分组成。,常用的有,螺纹,和,法兰,两种连接方式。,普通热电偶体积及热惯性较大。,铠装热电偶,将热电偶丝、绝缘材料及金属套管经整体复合拉伸工艺加工而成可弯曲的坚实组合体。铠装热电偶较好地解决了普通热电偶体积及热惯性较大，在结构弯曲复杂的对象上不便安装等问题。,氧化镁填实,5.,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，流过仪表的电流不仅与热电动势大小有关，而且与测温回路的总电阻有关，要求回路总电阻为恒定值，即,R,r,+,R,c,+,R,G,=,常数,R,r,热电偶电阻；,R,c,连接导线电阻；,R,G,指示仪表内阻,常用于测温精度要求不高的场合，结构简单，价格便宜。,一个热电偶直接配一台仪表,串联,为提高测量精度和灵敏度，可将,n,个型号相同的热电偶依次串接，总热电势为,E,G,=,E,1,+,E,2,+,+,E,n,=,nE,E,1,，,E,2,，,E,n,为单个热电偶的热电动势,总热电势是单个热电偶热电势的,n,倍。,热电堆,缺点：有一个热电偶断路，整个电路就不能工作；,个别热电偶短路，总热电势会降低。,并联,n,个热电偶并联可以测出,各点温度的算术平均值,。,热电偶并联测温,E,G,是平均热电势，可直接按相应的分度表查对温度。,与串联热电偶相比，并联热电偶热电势小。,个别热电偶断路，不会中断整个整个并联电路的工作。,如果所有热电偶的电阻值相等，则并联电路总热电动势为：,测两点温度差,两个型号相同的热电偶,反向串接,，并配用相同的补偿导线，使两热电动势相减，可测出,T,1,和,T,2,的温度差。,热电偶测温差,6.,热电偶的冷端补偿,热电偶产生的热电势与两端温度有关。,只有保持冷端温度恒定，热电势才是热端温度的单值函数,。,实际应用中，热电偶的冷端通常靠近被测对象，易受到周围环境温度的影响，其温度不是恒定的，必须采取相应措施进行补偿或修正。,冰浴法,将冷端置于,冰点恒温槽,中，在一个大气压下，冷端温度恒定在,0,，热电偶输出的热电势与分度表一致。,适用于实验室或精密温度测量。,mV,A,B,A,B,T,C,C,仪表,试管,补偿导线,热电偶,冰点槽,冰水混合物,T,0,铜导线,冷端温度修正（利用中间温度定律）,热电偶分度表是以冷端温度为,0,为基础而制成的，如果根据显示仪表的读数直接利用分度表求温度，必须使冷端温度保持为,0,。,如果冷端温度恒定在,T,0, 0,时，则测得的热电势将小于该热电偶的分度值。为了求得真实温度，可利用,E,(,T, 0),E,(,T,T,0,),E,(,T,0, 0),修正。,查表,查表,测得值,用镍铬,-,镍硅热电偶测量炉温，当冷端温度,T,0,=30 ,时，测得热电势,E(T,T,0,)= 39.168 mV,，求实际炉温。,解：由,T,0,=30,查分度表得,E(30, 0)=1.203 mV,。,根据中间温度定律得,:,E(T, 0)= E(T, 30)+E(30, 0)= 39.168+1.203 = 40.371 mV,查表得炉温,T=977,。,用镍铬,-,镍硅热电偶测量某低温箱温度，把热电偶直接与电位差计相连接。在某时刻，从电位差计测得热电势为,-1.19 mV,，此时电位差计所处的环境温度为,15,，试求该时刻温箱的温度。,温度,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,热电动势,(mV),-20,-0.77,-0.81,-0.84,-0.88,-0.92,-0.96,-0.99,-1.03,-1.07,-1.10,-10,-0.39,-0.43,-0.47,-0.51,-0.55,-0.59,-0.62,-0.66,-0.70,-0.74,-0,-0.00,-0.04,-0.08,-0.12,-0.16,-0.20,-0.23,-0.27,-0.31,-0.35,0,0.00,0.04,0.08,0.12,0.16,0.20,0.24,0.28,0.32,0.36,10,0.40,0.44,0.48,0.52,0.56,0.60,0.64,0.68,0.72,0.76,20,0.80,0.84,0.88,0.92,0.96,1.00,1.04,1.08,1.12,1.16,（注意分度表数据的读取）,镍铬,-,镍硅热电偶分度表,由,T,0,=15,查分度表得,E(15,，,0)=0.60 mV,。,根据中间温度定律有,E(T,，,0)= E(T,，,15)+E(15,，,0)= -1.19+0.60 = -0.59 mV,则查表得低温箱温度为,T=-15,。,用镍铬,-,镍硅热电偶测量炉温，当冷端温度为,30,时，测得热电势为,39.168mV,；若冷端温度为,-20 ,，则测得的热电势为多少？,已知,E(30, 0)=1.203 mV,，,E(,-,30, 0)=,-,1.14 mV,，,E(20, 0)=0.8 mV,，,E(,-,20, 0)=,-0,.77mV,解：,E(T, 0)= E(T, 30)+E(30, 0),= 39.168+1.203 = 40.371 mV,由,E(T,，,0)= E(T,-,20)+E(,-,20, 0),得：,E(T,-,20) = E(T, 0),-,E(,-,20, 0),= 40.371,-,(,-,0.77) = 41.141 mV,冷端补偿导线,用补偿导线代替部分热电偶丝作为热电偶的延长部分，,将冷端移到离被测介质较远的地方,，可节省较多的贵金属热电偶材料。,注意！对于具有补偿导线的热电偶，其冷端温度是,补偿导线的末端温度。,补偿导线的热电特性要与所代替的热电偶丝一致。,补偿导线在测温回路中的连接,热电阻,（金属）热电阻,（半导体）热敏电阻,2.8.2,热电阻（,Thermal resistor,）,金属,材料或,半导体,材料的电阻值会随温度而变化，电阻值和温度之间具有单一的函数关系。利用这一函数关系来测量温度的方法称为,热电阻测温法,，而用于测温的材料称为,热电阻,。,1.,金属热电阻,大多数金属热电阻的电阻率随温度升高而增大，具有正的电阻温度系数。,电阻温度系数,金属热电阻材料应具有较高的电阻温度系数。,金属的,纯度,越高，电阻温度系数越大。,目前技术水平，铂的纯度,W,(100),1.3930,，铂电阻温度系数,为,3.9310,-3,/,。,R,0,和,R,100,分别为,0 ,和,100 ,时热电阻的电阻值。,W,(100),R,100,/,R,0,，表示金属的纯度，,W,(100),值越高，纯度越高。,（,1,）铂热电阻（目前最好的材料） 铂容易提纯，在高温和氧化性介质中理化性能稳定，铂电阻输出,-,输入特性接近线性，测量精度高。,主要作为,标准电阻温度计,，广泛应用于,温度基准,、,温度标准,的传递。,工业用,标准铂电阻,的,R,0,有,50,和,100,两种，分度号分别为,Pt50,和,Pt100,。,铂热电阻的温度,-,电阻关系：,(-200 ,t,0 ),(0 ,t,850 ),R,t,为,t,时的电阻值；,A,、,B,、,C,为与铂纯度有关的常数。,（,2,）铜热电阻,应用,测量精度要求不高且温度较低的场合。,测温范围：,-,50,150,优点,测量温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性好。,缺点,易于氧化,，一般只用于,150,以下的低温测量和没有水分、没有腐蚀性介质的温度测量。,与铂相比，铜的电阻率低，所以铜热电阻的体积较大。,铜热电阻的,阻值-温度,关系为,:,工业上使用的标准化铜热电阻的,R,0,有,50,和,100,两种，分度号分别为,Cu50,和,Cu100,。,R,（,0,）,=50.00,工业铜热电阻（,Cu50,）分度表,(,一,),T/,0,-1,-2,-3,-4,-5,-6,-7,-8,-9,-40,41.4,41.184,40.969,40.753,40.537,40.322,40.106,39.89,39.674,39.458,-30,43.555,43.339,43.124,42.009,42.693,42.478,42.262,42.047,41.831,41.616,-20,45.706,45.491,45.276,45.061,44.846,44.631,44.416,44.2,43.985,43.77,-10,47.854,47.639,47.425,47.21,46.995,46.78,46.566,46.351,46.136,45.921,0,50,49.786,49.571,49.356,49.142,48.927,48.713,48.498,48.284,48.069,R,（,0,）,=50.00,工业铜热电阻（,Cu50,）分度表,(,二,),T/,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,0,50,50.214,50.429,50.643,50.858,51.072,51.386,51.505,51.715,51.929,10,52.144,52.358,52.572,52.786,53,53.215,53.429,53.643,53.857,54.071,20,54.285,54.5,54.714,51.928,55.142,55.356,55.57,55.784,55.988,56.071,30,56.426,56.64,56.854,57.068,57.282,57.496,57.71,57.924,58.137,58.351,40,58.565,58.779,58.993,59.207,59.421,59.635,59.848,60.062,60.276,60.49,50,60.704,60.918,61.132,61.345,61.559,61.773,61.987,62.201,62.415,62.628,60,62.842,63.056,63.27,63.484,63.698,63.911,64.125,64.339,64.553,64.767,70,64.981,65.194,65.408,65.622,65.836,66.05,66.246,66.478,66.692,66.906,80,67.12,67.333,67.547,67.761,67.975,68.189,68.403,68.617,68.831,69.045,90,69.259,69.473,69.687,69.901,70.115,70.329,70.544,70.726,70.972,71.186,100,71.4,71.614,71.828,72.042,72.257,72.471,72.685,72.899,73.114,73.328,110,73.542,73.751,73.971,74.185,74.4,74.614,74.828,75.043,75.258,75.472,120,75.686,75.901,76.115,76.33,76.545,76.759,76.974,77.189,77.404,77.618,130,77.833,78.048,78.263,78.477,78.692,78.907,79.122,79.337,79.552,79.767,140,79.982,80.197,80.412,80.627,80.834,81.058,81.273,81.788,81.704,81.919,150,82.134,普通热电阻,（,3,）金属热电阻的结构,铠装金属热电阻结构,1,不锈钢管；,2,感温元件；,3,内引线；,4,氧化镁,绝缘材料,铠装金属热电阻,热敏电阻是阻值随温度呈,指数变化,的多晶半导体感温元件，电阻温度系数比金属热电阻大很多，因此被称为热敏电阻。,根据热敏电阻的温度特性划分，热敏电阻有,负温度系数,热敏电阻（,NTC,）、,正温度系数,热敏电阻（,PTC,）和,临界温度系数,热敏电阻（,CTR,）。,2.,半导体热敏电阻,正温度系数热敏电阻,（,PTC,，,Positive Temperature Coefficient,）,电阻值随温度升高而呈,指数增加,。,有的正温度系数热敏电阻,达到某一温度时，其阻值会突然增大,，可以起高温临界温度报警作用。,电阻温度特性为：,负温度系数热敏电阻,（,NTC,，,Negative Temperature Coefficient,）,电阻值随温度升高而呈,指数降低,。其电阻温度特性为：,T,被测温度，,K,；,T,0,参考温度，,K,；,R,T,、,R,0,温度分别为,T,和,T,0,时的阻值；,B,热敏电阻的材料常数，又称,热敏指数,。,NTC,型热敏电阻的电阻温度系数,：,是热敏指数,B,和温度,T,的函数，与电阻,R,无关。,随温度的变化而变化，随温度的降低迅速增大，灵敏度高。,临界温度系数热敏电阻,（,CTR,，,Critical Temperature Resistor,）,CTR,的电阻温度特性与,NTC,相似，不同之处是当温度达到某一特定值时，,其阻值急剧下降,，阻值变化可达,1 4,个数量级，可用于低温临界温度报警和温度开关。,热敏电阻的电阻,-,温度特性曲线,1,2,3,4,铂丝,40,60,120,160,0,10,0,10,1,10,2,10,3,10,4,10,5,R,T,/,温度,T /,C,NTC,CTR,PTC,PTC,