第四章熱電傳感器

1、第四章熱電傳感器 概述概述熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量的裝置。它是利用某些材料或元件的性能隨溫度變化的特性來進(jìn)行測(cè)量的。例如將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻、熱電動(dòng)勢(shì)、熱膨脹、導(dǎo)磁率等的變化，再通過適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路達(dá)到檢測(cè)溫度的目的。 概述概述概述概述 各種熱電偶各種熱電偶概述概述 各種熱電阻各種熱電阻概述概述( )lnAABBNKTETeN冷端（冷端（0）接觸電勢(shì)）接觸電勢(shì)：00()lnAABBKTNETeN 式中： A A、B B 代表不同材料；代表不同材料； ，0 為兩端溫度；為兩端溫度； k波爾茲曼常數(shù)；波爾茲曼常數(shù)； e 電子電荷量； BNAN是A、B 材料的電子濃度；00ln,AABB

2、NKETTT TeN0lnABNKTTeN2、單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)） 對(duì)單一金屬如果兩邊溫度不同，兩端也產(chǎn)生電勢(shì)。 產(chǎn)生這個(gè)電勢(shì)是由于導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具 有較大的動(dòng)能，會(huì)向低溫端擴(kuò)散。由于高溫端失 去電子帶正電，低溫端得到電子帶負(fù)電。v A、B 兩導(dǎo)體構(gòu)成閉合回路總的溫差電勢(shì)為：000,()TABABTeT TeT TdT00,TAATeTTd T單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)為：:湯姆遜系數(shù)00,TBBTeTTd T根據(jù)兩導(dǎo)體的接觸電勢(shì)（珀?duì)柼妱?shì)）和單一導(dǎo)體溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)）。v熱電偶總的熱電勢(shì)為：0000,()TABABABTET Te T Te T TdT00ln()TAABT

3、BNKTTdTeN000,ln()TAABABTBNKET TTTdTeN 000,ABCABBCCAET TETETET：0TT設(shè) 時(shí)， 00ABCET000BCCAABETETET 將 代入上式有： 000,ABCABABABET TETETET T,ABCET T與與 0,ABCET T的代數(shù)和為：的代數(shù)和為：0,0,ABABCABCET TET TET T 實(shí)際測(cè)量時(shí)，利用這一性實(shí)際測(cè)量時(shí)，利用這一性 質(zhì)，對(duì)參考端溫度不為零質(zhì)，對(duì)參考端溫度不為零 度時(shí)的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。度時(shí)的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。(3)延伸熱電極法延伸熱電極法(即補(bǔ)償導(dǎo)線法即補(bǔ)償導(dǎo)線法) 熱電偶長(zhǎng)熱電偶長(zhǎng) 度一般只有一米左右

4、，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，度一般只有一米左右，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，需要將熱電偶輸出的電勢(shì)傳輸?shù)綌?shù)十米外的顯示儀需要將熱電偶輸出的電勢(shì)傳輸?shù)綌?shù)十米外的顯示儀表或控制儀表，根據(jù)表或控制儀表，根據(jù)即可實(shí)現(xiàn)上述要即可實(shí)現(xiàn)上述要求。一般選用直徑粗、導(dǎo)電系數(shù)大的材料制作延伸求。一般選用直徑粗、導(dǎo)電系數(shù)大的材料制作延伸導(dǎo)線，以減小熱電偶回路的電阻，節(jié)省電極材料。導(dǎo)線，以減小熱電偶回路的電阻，節(jié)省電極材料。(4)補(bǔ)償電橋法補(bǔ)償電橋法 該法利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓來補(bǔ)償熱電偶參考端溫度該法利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓來補(bǔ)償熱電偶參考端溫度變化引起的電勢(shì)變化。變化引起的電勢(shì)變化。 電橋四個(gè)橋臂與冷端處于同一溫度，其中電橋四個(gè)橋臂與冷

5、端處于同一溫度，其中R1=R2=R3為錳銅為錳銅線繞制的電阻，線繞制的電阻，R4為銅導(dǎo)線繞制的補(bǔ)償電阻，為銅導(dǎo)線繞制的補(bǔ)償電阻，E是電橋的電源，是電橋的電源，R為限流電阻，阻值取決于熱電偶材料。為限流電阻，阻值取決于熱電偶材料。 使用時(shí)選擇使用時(shí)選擇R4的阻值使電橋保持平衡，電橋輸出的阻值使電橋保持平衡，電橋輸出 Uab=0。當(dāng)。當(dāng)冷端溫度升高時(shí)，冷端溫度升高時(shí)，R4阻值隨之增大，電橋失去阻值隨之增大，電橋失去 圖示圖示 補(bǔ)償電橋補(bǔ)償電橋法示意圖平衡，法示意圖平衡，Uab相應(yīng)增大，此時(shí)熱電偶電勢(shì)相應(yīng)增大，此時(shí)熱電偶電勢(shì)Ex由于冷端溫由于冷端溫度升高而減小。若度升高而減小。若Uab的增量等于熱電

6、偶電勢(shì)的增量等于熱電偶電勢(shì)Ex的減小量，回的減小量，回路總的電勢(shì)路總的電勢(shì)Uab的值就不會(huì)隨熱電偶冷端溫度變化而變化，即：的值就不會(huì)隨熱電偶冷端溫度變化而變化，即： UAB=EX+Uab 結(jié)構(gòu)： 普通熱電偶，測(cè)量氣體、蒸汽、液體等，棒形結(jié)構(gòu)； 薄膜熱電偶，用于火箭、飛機(jī)噴嘴溫度測(cè)量，結(jié)構(gòu)較薄； 鎧裝熱電偶，用以測(cè)量狹小對(duì)象，結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)、可彎曲； 表面熱電偶，用于弧形表面物體測(cè)溫； 消耗式熱電偶，主要用于鋼水溫度測(cè)量。a)普通熱電偶 b)薄膜熱電偶 c)鎧裝熱電偶v 熱電偶可以測(cè)量上千度高溫，并且精度高、熱電偶可以測(cè)量上千度高溫，并且精度高、 性能好，這是其它熱電式傳感器無法替代的。性能好，這是其

7、它熱電式傳感器無法替代的。 00,0,0ABABABEtEt tEt貼片式薄膜式 大功率 -200O +0850 2301100tRRtbtc tt201tRRtbt式中： 0RtR為溫度 00 C和 0tC時(shí)的電阻值。溫度 時(shí)， 0R的公稱值是100。 00 C 熱電阻電阻體（最主要部分）絕緣套管接線盒熱電阻電阻體（最主要部分）絕緣套管接線盒 作為熱電阻的材料要求：電阻溫度系數(shù)要大，以提高熱電阻的靈敏作為熱電阻的材料要求：電阻溫度系數(shù)要大，以提高熱電阻的靈敏度；電阻率盡可能大，以便減小電阻體尺寸；熱容量要小，以便提度；電阻率盡可能大，以便減小電阻體尺寸；熱容量要小，以便提高熱電阻的響應(yīng)速度；

8、在測(cè)量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性高熱電阻的響應(yīng)速度；在測(cè)量范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能；電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性；應(yīng)有良好的可加工性，且能；電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性；應(yīng)有良好的可加工性，且價(jià)格便宜。價(jià)格便宜。 使用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅使用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅 鉑熱電阻鉑熱電阻 主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)，廣泛應(yīng)用于溫度基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)，廣泛應(yīng)用于溫度基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。遞。 銅熱電阻銅熱電阻 測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，測(cè)量范圍一般為測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，測(cè)量范圍一般為50150。鉑熱電阻鉑熱電阻 長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的復(fù)現(xiàn)性可達(dá)長(zhǎng)時(shí)間

9、穩(wěn)定的復(fù)現(xiàn)性可達(dá)10-4 K ，是目前測(cè)溫復(fù)現(xiàn)性最好，是目前測(cè)溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種溫度計(jì)。的一種溫度計(jì)。鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān)鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān)純度電阻比純度電阻比W（100）越高，表示鉑絲純度越高，）越高，表示鉑絲純度越高，國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)規(guī)定，作為基準(zhǔn)器的鉑電阻，國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)規(guī)定，作為基準(zhǔn)器的鉑電阻，W（100）目前技術(shù)水平已達(dá)到目前技術(shù)水平已達(dá)到W（100），），工業(yè)用鉑電阻的純度工業(yè)用鉑電阻的純度W（100）為。）為。1000(100)RWR鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系，即特性方程如下：鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系，即特性方程如下：當(dāng)溫度當(dāng)溫度t在在200t 0時(shí)時(shí)：當(dāng)溫

10、度當(dāng)溫度t在在0t 650時(shí)時(shí)：國(guó)內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，W（100），R0分為分為50和和100兩種，分度號(hào)分別為兩種，分度號(hào)分別為Pt50和和Pt100，其分度表（給出阻值和溫度的關(guān)系）其分度表（給出阻值和溫度的關(guān)系）2301(100)tRRAtBtC tt201tRRAtBt銅熱電阻銅熱電阻應(yīng)用：測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合應(yīng)用：測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合測(cè)量范圍：測(cè)量范圍：5050150150優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：溫度范圍內(nèi)線性關(guān)系好，靈敏度比鉑電阻高，容易提純、溫度范圍內(nèi)線性關(guān)系好，靈敏度比鉑電阻高，容易提純、加工，價(jià)格便宜，復(fù)制性能好。加工，價(jià)

11、格便宜，復(fù)制性能好。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：易于氧化，一般只用于易于氧化，一般只用于150150以下的低溫測(cè)量和沒有水分及以下的低溫測(cè)量和沒有水分及無侵蝕性介質(zhì)的溫度測(cè)量。無侵蝕性介質(zhì)的溫度測(cè)量。與鉑相比，銅的電阻率低，所以銅電阻的體積較大。與鉑相比，銅的電阻率低，所以銅電阻的體積較大。銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為關(guān)系是線性的關(guān)系是線性的工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的R0按國(guó)內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)取按國(guó)內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)取50和和100兩種，兩種，分度號(hào)分別為分度號(hào)分別為Cu50和和Cu100，相應(yīng)的分度表可查閱相關(guān)資料。相應(yīng)的分度表可查閱相關(guān)資料。)1(0tRRt+

12、=0001()tRRtt普普通通工工業(yè)業(yè)用用熱熱電電阻阻式式熱熱電電式式傳傳感感器器銅熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖銅熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖鉑熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖熱敏電阻符號(hào) PTC PTC 正溫度系數(shù)型；正溫度系數(shù)型； NTC NTC 負(fù)溫度系數(shù)型負(fù)溫度系數(shù)型；負(fù)溫度系數(shù)型熱敏電阻特性曲線 1 expTBRA TTTRA 與材料和形狀有關(guān)；B 常數(shù)； 溫度為T時(shí)的電阻值； 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：(1) 熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬大（熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬大（49倍）倍）(2) 電阻率大，體積小，熱慣性小，適于測(cè)量點(diǎn)溫、電阻率大，體積小，熱慣性小，適于測(cè)量點(diǎn)溫、表面溫度及快速變化的溫度。表面溫度及快速變化的溫度。(3) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

13、單、機(jī)械性能好。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械性能好。缺點(diǎn)：線性度較差，復(fù)現(xiàn)性和互換性較差。缺點(diǎn)：線性度較差，復(fù)現(xiàn)性和互換性較差。熱敏電阻的結(jié)構(gòu)形式熱敏電阻的主要特性熱敏電阻的主要特性溫度特性溫度特性熱敏電阻的電阻溫度熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)比金屬絲的高很系數(shù)比金屬絲的高很多，多，所以它的靈敏度很高。所以它的靈敏度很高。u當(dāng)流過熱敏電阻的電流很小時(shí)當(dāng)流過熱敏電阻的電流很小時(shí): 不足以使之加熱。電阻值只決定于環(huán)境溫度，伏安特性是直線，不足以使之加熱。電阻值只決定于環(huán)境溫度，伏安特性是直線，遵循歐姆定律。主要用來測(cè)溫。遵循歐姆定律。主要用來測(cè)溫。u當(dāng)電流增大到一定值時(shí)：當(dāng)電流增大到一定值時(shí)： 流過熱敏電阻的電流使之

14、加熱，本身溫度升高，出現(xiàn)負(fù)阻特流過熱敏電阻的電流使之加熱，本身溫度升高，出現(xiàn)負(fù)阻特性。因電阻減小，即使電流增大，端電壓反而下降。其所能升性。因電阻減小，即使電流增大，端電壓反而下降。其所能升高的溫度與環(huán)境條件高的溫度與環(huán)境條件(周圍介質(zhì)溫度及散熱條件周圍介質(zhì)溫度及散熱條件)有關(guān)。當(dāng)電流有關(guān)。當(dāng)電流和周圍介質(zhì)溫度一定時(shí)，熱敏電阻的電阻值取決于介質(zhì)的流速、和周圍介質(zhì)溫度一定時(shí)，熱敏電阻的電阻值取決于介質(zhì)的流速、流量、密度等散熱條件?？捎盟鼇頊y(cè)量流體速度和介質(zhì)密度。流量、密度等散熱條件?？捎盟鼇頊y(cè)量流體速度和介質(zhì)密度。伏安特性伏安特性熱敏電阻的主要參數(shù)標(biāo)稱電阻值RH在環(huán)境溫度為時(shí)測(cè)得的電阻值，又稱冷

15、電阻。其大小取決于熱敏電阻的材料和幾何尺寸。耗散系數(shù)H指熱敏電阻的溫度與周圍介質(zhì)的溫度相差1時(shí)熱敏電阻所耗散的功率，單位為mW/；熱容量C熱敏電阻的溫度變化1所需吸收或釋放的熱量，單位為J；能量靈敏度能量靈敏度G（W）使熱敏電阻的阻值變化使熱敏電阻的阻值變化1所需耗散的功率。所需耗散的功率。時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) 溫度為溫度為T0的熱敏電阻突然置于溫度為的熱敏電阻突然置于溫度為T 的介質(zhì)中，的介質(zhì)中，熱敏電阻的溫度增量熱敏電阻的溫度增量T= 0.63(TT0) 時(shí)所需時(shí)所需的時(shí)間。的時(shí)間。額定功率額定功率PE 在規(guī)定的技術(shù)條件下，熱敏電阻長(zhǎng)期連續(xù)使用所在規(guī)定的技術(shù)條件下，熱敏電阻長(zhǎng)期連續(xù)使用所允許的

16、耗散功率，單位為允許的耗散功率，單位為W。在實(shí)際使用時(shí)，熱。在實(shí)際使用時(shí)，熱敏電阻所消耗的功率不得超過額定功率敏電阻所消耗的功率不得超過額定功率4.6.3 熱電式傳感器的應(yīng)用1、金屬熱電阻傳感器、金屬熱電阻傳感器200+500范圍的溫度測(cè)量范圍的溫度測(cè)量特點(diǎn)：精度高、適于測(cè)低溫。特點(diǎn)：精度高、適于測(cè)低溫。2、半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器、半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器應(yīng)用范圍很廣，可在宇宙航船、醫(yī)學(xué)、工業(yè)及家用電器等方面應(yīng)用范圍很廣，可在宇宙航船、醫(yī)學(xué)、工業(yè)及家用電器等方面用作測(cè)溫、控溫、溫度補(bǔ)償、流速測(cè)量、液面指示等。熱用作測(cè)溫、控溫、溫度補(bǔ)償、流速測(cè)量、液面指示等。熱電阻式傳感器的應(yīng)用電阻式傳感器的應(yīng)用1、

17、金屬熱電阻傳感器u工業(yè)廣泛使用，工業(yè)廣泛使用，200+500范圍溫度測(cè)量。范圍溫度測(cè)量。在特殊情況下，測(cè)量的低溫端可達(dá)在特殊情況下，測(cè)量的低溫端可達(dá)，甚至更，甚至更低，低，1K左右。高溫端可測(cè)到左右。高溫端可測(cè)到1000。u溫度測(cè)量的特點(diǎn)：精度高、適于測(cè)低溫。溫度測(cè)量的特點(diǎn)：精度高、適于測(cè)低溫。u傳感器的測(cè)量電路：經(jīng)常使用電橋、精度較高傳感器的測(cè)量電路：經(jīng)常使用電橋、精度較高的是自動(dòng)電橋。的是自動(dòng)電橋。u為消除由于連接導(dǎo)線電阻隨環(huán)境溫度變化而造為消除由于連接導(dǎo)線電阻隨環(huán)境溫度變化而造成的測(cè)量誤差，常采用三線制和四線制連接法。成的測(cè)量誤差，常采用三線制和四線制連接法。三線制工業(yè)用熱電阻一般采用三

18、線制工業(yè)用熱電阻一般采用三線制 G檢流計(jì)，檢流計(jì)，R1 ，R2 ，R3固定電阻，固定電阻， R a零位調(diào)節(jié)電阻，零位調(diào)節(jié)電阻，R t 熱電阻熱電阻熱電阻測(cè)溫電橋的三線制接法 精密測(cè)量中，采用四線制接法精密測(cè)量中，采用四線制接法金屬絲熱電阻作為氣體傳感器的應(yīng)用金屬絲熱電阻作為氣體傳感器的應(yīng)用1連通玻璃管連通玻璃管2流通玻璃管流通玻璃管3鉑絲鉑絲（a）真空度測(cè)量方法對(duì)環(huán)境溫度變化比較敏感，實(shí)際應(yīng)用中有恒溫或溫度補(bǔ)償裝置?？蓽y(cè)到133.32210-5Pa。（b）可檢測(cè)管內(nèi)氣體介質(zhì)成分比例變化、熱風(fēng)流速變化流量測(cè)量利用熱敏電阻上的熱量消耗和介質(zhì)流速的關(guān)系可以利用熱敏電阻上的熱量消耗和介質(zhì)流速的關(guān)系可以測(cè)量流量、流速、風(fēng)速等測(cè)量流量、流速、風(fēng)速等熱敏電阻流量計(jì) 圖為是絕對(duì)溫度比例電路（PTAT） V1、V2是兩只互相匹配的溫敏晶體管， I1、I2是集電極