第八章 熱電式傳感器

1、第八章 熱電式傳感器 熱電式傳感器是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。它將熱能直接轉(zhuǎn)化成電量輸出，具有構(gòu)造簡單，使用方便， 準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性較高，溫度測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在溫度測(cè)量中占有重要的地位。 本章主要介紹：8.1 熱電偶傳感器 8.2 熱敏電阻傳感器8.3 熱電阻傳感器緒論中對(duì)熱電偶測(cè)溫有過簡略介紹。8.1 熱電偶傳感器一、熱電效應(yīng) 將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。 熱電勢(shì)由導(dǎo)體中的接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)決定。1. 接觸電勢(shì) 由于不同金屬材料所具有的自由電子密度不同，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體接觸時(shí)，在接觸

2、面上就會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散。BAABNNekTTEln)(k玻耳茲曼常數(shù)，e電子電荷量，T接觸處的溫度NA，NB分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。BAABNNekTTEln)(00 A B T0ABT2.溫差電勢(shì) 式中為湯姆遜系數(shù)，表示溫差1所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)值，其大小與材料性質(zhì)及兩端的溫度有關(guān)。 ABTT0 因?qū)w兩端溫度不同而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為溫差電勢(shì)。由于溫度梯度的存在，改變了電子的能量分布，高溫（T）端電子將向低溫端（T0）擴(kuò)散，致使高溫端因失去電子帶正電，低溫端因獲電子而帶負(fù)電。因而在同一導(dǎo)體兩端也產(chǎn)生電位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散，于是電子擴(kuò)散形成動(dòng)平衡，此時(shí)所建立的電位差稱為溫差電勢(shì)即

3、湯姆遜電勢(shì)，它與溫度的關(guān)系為TTdTe0 對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考溫度恒定時(shí)，總熱電動(dòng)勢(shì)就變成測(cè)量端溫度T的單值函數(shù)，即EAB(,T0)=f(T)。這就是熱電偶測(cè)量溫度的基本原理。3.熱電偶回路中總電勢(shì) 導(dǎo)體A和B組成的熱電偶閉合電路在兩個(gè)接點(diǎn)處有兩個(gè)接觸電勢(shì)eAB(T)與eAB(T0)，又因?yàn)門T0，在導(dǎo)體A和B中還各有一個(gè)溫差電勢(shì)。所以閉合回路總熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T,T0)應(yīng)為接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電勢(shì)的代數(shù)和，即：dTTTA0dTTTB0)(TEAB)(0TEABAB+_+_+_TT0二、熱電偶測(cè)溫基本定律1.均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何

4、均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。TT02.中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。TT0V中間導(dǎo)體定律證明 T T0 B A C ),(),(),()()()()()()(0 ),(),()()()(),(00000000000000TTETTeTTeTeTeTETeTeTeETTTTeTTeTeTeTeTTEABBAABABABCBCACABABCBABCACABABC代入當(dāng) 所以如前面提到的，可以將第三根導(dǎo)線換成測(cè)試儀表或連接導(dǎo)線，只要保持兩結(jié)點(diǎn)溫度相同，就可以對(duì)熱電勢(shì)進(jìn)行測(cè)量而不影響原熱電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值。 同理, 加入第四、第五

5、種導(dǎo)體后,只要加入的導(dǎo)體兩端溫度相等，同樣不影響回路中的總熱電勢(shì)。3.參考電極定律 兩種導(dǎo)體A、B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為已知，A和B兩極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)可用下式求得：TT0ABC),(),(),(000TTETTETTECBACABABTT0=ACTT0+CBTT0參考電極定律證明),(lnlnlnln),(),(),(),()()(),(),(),()()(),(0BB0000000000000000TTEdTdTdTdTNNBekTNNekTNNekTNNekTTTETTETTeTTeTeTeTTETTeTTeTeTeTTEATTTTCTTCTTACCBCA

6、CACBACBCCBCBCBCAACACAC由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。3. 中間溫度定律 當(dāng)熱電偶兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度為T、T1時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)為EAB(T,T1)；兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度為T1、T0時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)為EAB(T1,T0)。因此，節(jié)點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)為 EAB(T,T1)+ EAB(T1,T0)= EAB(T,T0) 根據(jù)此定律，只要列出參考溫度為0的熱電動(dòng)勢(shì)-溫度關(guān)系，那么參考溫度不等于0的熱電動(dòng)勢(shì)都可以根據(jù)上式求出。 作為作業(yè)，此定律請(qǐng)自行證明。三、常用熱電偶 理論上講，任何兩種不同材料的導(dǎo)體都可以組成熱電偶，但為了準(zhǔn)確可靠地測(cè)量溫度，對(duì)組成熱電偶的材料必須經(jīng)過嚴(yán)

7、格的選擇。工程上用于熱電偶的材料應(yīng)滿足以下條件:熱電勢(shì)變化盡量大，熱電勢(shì)與溫度關(guān)系盡量接近線性關(guān)系，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，易加工，復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，有良好的互換性。 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象的測(cè)溫要求和條件, 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。四、熱電偶的補(bǔ)償 從熱電偶測(cè)溫基本公式可以看到, 對(duì)某一種熱電偶來說熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)只與工作端溫度t和自由端溫度t0有關(guān)。通常熱電偶的分度表是以t0=0作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的, 而在實(shí)際使用過程中, 參考端溫度往往不為0, 那么工作端溫度為t時(shí), 分度表所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)EAB(t, 0)與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢(shì)EAB

8、(t, t0)有一定差值，需被補(bǔ)償。1.補(bǔ)償導(dǎo)線 在實(shí)際測(cè)溫時(shí), 需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場數(shù)十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表, 這樣參考端溫度t0也比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短 需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來。工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線, 它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬導(dǎo)線制成, 而且在0100溫度范圍內(nèi), 要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。2.參考端0恒溫法 在實(shí)驗(yàn)室及精密測(cè)量中, 通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中, 以便參考端溫度保持0, 這種方法又稱冰浴法。 3.參考端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法（補(bǔ)償電橋法） 補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓作為補(bǔ)償信號(hào),

9、來自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶測(cè)量過程中因參考端溫度不為0或變化而引起熱電勢(shì)的變化值。4.熱電偶測(cè)溫電路 五、應(yīng)用爐溫控制系統(tǒng)8.2 熱敏電阻傳感器 半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。 )11(00TTeRR 熱敏電阻的特點(diǎn)：1. 電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻大10100倍；2. 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以測(cè)量點(diǎn)溫度；3. 電阻率高，熱慣性小，適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量；4. 阻值與溫度變化成非線性關(guān)系；5. 穩(wěn)定性和互換性較差。 熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的特性，對(duì)溫度和與溫度有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的裝置。熱電阻傳感器分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類，一般把金屬熱電阻稱為熱電阻，而把半導(dǎo)體熱電阻稱