《感測技術(shù)》第五章熱電傳感器(增加版)

1、 第五章 熱電傳感器第一節(jié) 熱電偶 第二節(jié) 電阻溫度傳感器 第三節(jié) 集成溫度傳感器 第一節(jié) 熱電偶熱電偶：將兩個溫度差值轉(zhuǎn)換為電勢大小測溫范圍寬：1802800精度高：0.1 結(jié)構(gòu)簡單：兩根偶線，封裝成兩芯導(dǎo)線的形式便于遠(yuǎn)距離測量：幾百米結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點(diǎn)溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點(diǎn)溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢熱電極熱電極A A自由端自由端（參考（參考端、冷端、冷端）端） 測量端測量端（工作（工作端、熱端、熱端）端） 熱電極熱電極B B熱電勢熱電勢AB 一、熱電效應(yīng) 在在兩種不同的導(dǎo)體組成的閉合回路兩種不同的導(dǎo)體組成的閉合回路中，若中，若兩連接點(diǎn)的兩連接點(diǎn)的溫度不同時溫度

2、不同時，閉合回路中閉合回路中就會就會產(chǎn)生電動勢而形成電流產(chǎn)生電動勢而形成電流，這，這種現(xiàn)象稱之為種現(xiàn)象稱之為熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)引起的電動勢和電流，稱為熱電勢和熱電流 1接觸電勢組成熱電偶的兩導(dǎo)體A和B屬于不同的兩物質(zhì)，各自內(nèi)部自由電子密度不同。擴(kuò)散理論：在接觸點(diǎn)處要產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動形成電場，該電場阻止電子擴(kuò)散運(yùn)動，當(dāng)電場作用與擴(kuò)散運(yùn)動達(dá)到平衡時，在接觸點(diǎn)處就產(chǎn)生穩(wěn)定的接觸電勢接觸電勢EABUAUB 。 一、熱電效應(yīng) 熱電勢可分為接觸電勢和溫差電勢熱電勢可分為接觸電勢和溫差電勢、 兩接觸點(diǎn)處的接觸電勢分別表示如下： 熱端接觸電勢BTATABNNqkTTEln)(00ln)(00BTATABN

3、NqkTTE k 波爾茲曼常數(shù)（1.381023 J/K） q 電子電荷量（1.6021019 C） T 熱端絕對溫度(K) NAT、NBT 導(dǎo)體A、B 在溫度為T時的自由電子密度 冷端接觸電勢 T0 冷端絕對溫度K NAT0、NBT0 導(dǎo)體A、B 在溫度為T0時的自由電子密度 2溫差電勢 由于熱端T 和冷端T0存在著溫度差，在同一導(dǎo)體內(nèi)，高溫端的自由電子向低溫端擴(kuò)散，從而形成高溫端與低溫端的溫差電勢。 導(dǎo)體A 溫差電勢dtTTEATTA0)(0 A 導(dǎo)體A 的湯姆遜系數(shù)，其大小與材料性質(zhì)和導(dǎo)體兩端的平均溫度有關(guān)。 dtTTEBTTB0)(0 導(dǎo)體B 溫差電勢 B 導(dǎo)體B 的湯姆遜系數(shù) 3回路

4、總電勢導(dǎo)體A 和B 組成的熱電偶回路，總電勢等于接觸電勢與溫差電勢的代數(shù)和由于溫差電勢通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于接觸電勢，因而工程計(jì)算上可以把接觸電勢看成回路總電勢令NANB, T T0以熱端接觸電勢（EAB（T）的方向?yàn)檎较?，則0000( ,)( )()()()ABABBABAET TETE TTETE TT000( )() ()()ABABABETETE TTE TT0( )()ABABETET回路總電勢成為熱端和冷端的溫度函數(shù)。在實(shí)際測溫中，總是把冷端置于某一恒溫下，此時冷端接觸電勢為一常量冷端接觸電勢為一常量即 ，則CTEAB)(0)()(),(0TfCTETTEABAB 回路總電勢回路總電勢僅決

5、定于熱端接觸電勢，只與熱端溫度有僅決定于熱端接觸電勢，只與熱端溫度有關(guān)，兩者之間是單值的函數(shù)關(guān)系關(guān)，兩者之間是單值的函數(shù)關(guān)系00( , )( )( )ABABABET TETET用何種表具測量回路總電動勢？用何種表具測量回路總電動勢？如何接入如何接入表具表具？接入表具是否影響回路總電動勢？接入表具是否影響回路總電動勢？冷端溫度設(shè)定為多少？冷端溫度設(shè)定為多少？冷端溫度變化的影響？冷端溫度變化的影響？ 二基本定律 中間導(dǎo)體定律 用熱電偶測溫時，在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則不影響熱電偶回路的總電勢。即 這一定律在實(shí)現(xiàn)熱電偶測溫工作中十分有用。),(),(00TTET

6、TEABCAB000000000000()()() ()lnln ()ln ()() = ()A BC AB CC TB TA BA TC TB TA BA TA BA BA BEETETETNNkTkTETqNqNNkTETqNETETETT ，0()CAET0()BCET( )ABET 中間溫度定律 熱電偶在接觸點(diǎn)溫度為T、T0時的回路電勢，等于該熱電偶在接觸點(diǎn)溫度為 T、Tn和Tn、T0（TTnT0）時回路電勢之代數(shù)和代數(shù)和。即EAB（T，T0）EAB（T，Tn）+EAB（Tn，T0）若T00則有 EAB（T，0）EAB（T，Tn）+EAB（Tn，0） 這個定律在熱電偶冷端溫度校正時很有

7、用。證明：0( )()()()ABABnABnABETETETET右邊00( )()()ABABABETETET T,左邊該定律是熱電偶分度表應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。分度表是參考溫度為0時，熱電偶的回路電勢EAB（T，0）與被測溫度T的數(shù)值對照表。若已知T，可查表求EAB（T，0）；反之，若已知EAB（T，0），亦可查表求出T。 例：當(dāng)K型熱電偶冷端溫度為23時輸出的熱電動勢的測量值為1.200mV ，則熱端溫度為多少？即已知 求T( ,23)1.2E TmV分度表是E（T，0）的熱電勢值( ,0)( ,23)(23,0)E TE TE查表求E（23，0）熱電動勢(mV)溫度0123456789-30

8、-1.156-1.193-1.231-1.268-1.305-1.342-1.379-1.416-1.453-1.490-20-0.777-0.816-0.854-0.892-0.930-0.968-1.005-1.043-1.081-1.118-10-0.392-0.431-0.469-0.508-0.547-0.585-0.624-0.662-0.701-0.73900-0.039-0.0790.118-0.157-0.1970.236-0.275-0.314-0.353000.0390.0790.1190.1580.1980.2380.2770.3170.357100.3970.4370

9、.4770.5170.5570.5970.6370.6770.7180.758200.7980.8380.8790.9190.9601.0001.0411.0811.1221.162301.2031.2441.2851.3251.3661.4071.4481.4891.5291.570401.6111.6521.6931.7341.7761.8171.8581.8991.9401.981502.0222.0642.1052.1462.1882.2292.2702.3122.3532.394602.4362.4772.5192.5602.6012.6432.6842.7262.7672.8097

10、02.852.8922.9332.8753.0163.0583.1003.1413.1833.224803.2663.3073.3493.3903.4323.4733.5153.5563.5983.639903.6813.7223.7643.8053.8473.8883.933.9714.0124.0541004.0954.1374.1784.2194.2614.3024.3434.3844.4264.467 例：當(dāng)K型熱電偶冷端溫度為23時輸出的熱電動勢的測量值為1.200mV ，則熱端溫度為多少？即已知 求T( ,23)1.2E TmV分度表是E（T，0）的熱電勢值( ,0)( ,23)(

11、23,0)E TE TE查表求E（23，0）(23,0)0.919EmV( ,0)( ,23)(23,0)E TE TE1.20.9192.119mV再查表求溫度熱電動勢(mV)溫度0123456789-30-1.156-1.193-1.231-1.268-1.305-1.342-1.379-1.416-1.453-1.490-20-0.777-0.816-0.854-0.892-0.930-0.968-1.005-1.043-1.081-1.118-10-0.392-0.431-0.469-0.508-0.547-0.585-0.624-0.662-0.701-0.73900-0.039-0

12、.0790.118-0.157-0.1970.236-0.275-0.314-0.353000.0390.0790.1190.1580.1980.2380.2770.3170.357100.3970.4370.4770.5170.5570.5970.6370.6770.7180.758200.7980.8380.8790.9190.9601.0001.0411.0811.1221.162301.2031.2441.2851.3251.3661.4071.4481.4891.5291.570401.6111.6521.6931.7341.7761.8171.8581.8991.9401.981502.0222.0642.1052.1462.1882.2292.2702.3122.3532.394602.4362.4772.5192.5602.6012.6432.6842.7262.7672.809702.852.8922.9332.8753.0163.0583.1003.1413.1833.224803.2663.3073.3493.3903.4323.4733.5153.5563.5983.6399