第九章熱電式傳感器

1、 第第9 9章章 熱電式傳感器熱電式傳感器 9.1 9.1 熱電偶熱電偶 9.1.1 9.1.1 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理 9.1.2 9.1.2 熱電偶基本定律熱電偶基本定律 9.1.3 9.1.3 常用熱電偶常用熱電偶 9.2 9.2 熱電阻熱電阻 9.2.1 9.2.1 鉑電阻鉑電阻 9.2.2 9.2.2 銅電阻銅電阻 9.3 9.3 熱敏電阻熱敏電阻 9.3.1 9.3.1 導電機理導電機理 9.3.2 9.3.2 電阻與溫度關(guān)系電阻與溫度關(guān)系 9.4 9.4 熱釋電型溫度傳感器熱釋電型溫度傳感器 9.5 9.5 半導體集成溫度傳感器半導體集成溫度傳感器 熱電式傳感器熱電式傳

2、感器是利用其敏感元件的特征參數(shù)是利用其敏感元件的特征參數(shù)隨溫度變化的特性，對溫度及與溫度有關(guān)的參量隨溫度變化的特性，對溫度及與溫度有關(guān)的參量進行測量的裝置。進行測量的裝置。 目前工業(yè)生產(chǎn)和控制中應用最為普遍的方法：目前工業(yè)生產(chǎn)和控制中應用最為普遍的方法： 熱電阻傳感器熱電阻傳感器: :將溫度變化轉(zhuǎn)換為將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻電阻變化。變化。 熱電偶傳感器熱電偶傳感器: :將溫度變化轉(zhuǎn)換為將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢熱電勢變化。變化。 半導體集成溫度傳感器：半導體集成溫度傳感器：利用利用熱釋電效應熱釋電效應制成制成的感溫元件，在測溫領(lǐng)域中也得到越來越多的重的感溫元件，在測溫領(lǐng)域中也得到越來越多的重視。視。

3、 溫度量溫度量轉(zhuǎn)化電阻和電勢電阻和電勢X 9.1 9.1 熱電偶熱電偶 9.1.1 9.1.1 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理 熱電偶：熱電偶：是利用導體或半導體材料的是利用導體或半導體材料的熱電效應熱電效應將將溫度溫度的變化轉(zhuǎn)換為的變化轉(zhuǎn)換為電勢電勢變化的元件。變化的元件。 1、熱電效應熱電效應 兩種不同導體或半導體兩種不同導體或半導體A、B的組成閉合回路。若使連接點分別處于不的組成閉合回路。若使連接點分別處于不同溫度場同溫度場T0和和T（設（設TT0），則在回路中產(chǎn)生由于接點溫度差（），則在回路中產(chǎn)生由于接點溫度差（TT0）引）引起的電勢差。這種現(xiàn)象是起的電勢差。這種現(xiàn)象是熱電效應熱電效

4、應。 兩種不同金屬的這種組合稱為兩種不同金屬的這種組合稱為熱電偶熱電偶，A和和B為熱電極，溫度高的接點稱為熱電極，溫度高的接點稱為熱端（或工作端），溫度低的接點稱為冷端（或自由端）。為熱端（或工作端），溫度低的接點稱為冷端（或自由端）。熱 端 T冷 端 T0ABUX 熱電偶的電動勢分類：熱電偶的電動勢分類： 接觸電動勢接觸電動勢 接點處因為電子密度不同，發(fā)生電子擴散效應，在接點處因為電子密度不同，發(fā)生電子擴散效應，在A、B兩種兩種電極間靜電場的作用下，形成穩(wěn)定的電動勢電極間靜電場的作用下，形成穩(wěn)定的電動勢 Eab(T). 結(jié)論：在結(jié)論：在A、B材料一定的條件下，接觸電動勢與溫度材料一定的條件下

5、，接觸電動勢與溫度T成正比。成正比。 溫差電動勢溫差電動勢 (湯姆遜效應湯姆遜效應) 同一導體，兩端處于不同溫度同一導體，兩端處于不同溫度( )時時,電子的能量不同，電子的能量不同，使得電子由溫度高的地方向溫度低的地方擴散。最終在內(nèi)電場作使得電子由溫度高的地方向溫度低的地方擴散。最終在內(nèi)電場作用下，形成電子動態(tài)平衡，即形成了一個穩(wěn)定的用下，形成電子動態(tài)平衡，即形成了一個穩(wěn)定的電位勢電位勢結(jié)論：一般溫差電勢很小，可忽略不計。結(jié)論：一般溫差電勢很小，可忽略不計。( )ln()AABBNKTETeN0TAATEdT0TT 回路中的總熱電動勢回路中的總熱電動勢熱 端 T冷 端 T0ABU0000( ,

6、)( )( )( ,)( ,)ABABABABET TETETE T TE T TTTTNNTTeTTE0dln)(),(BABA00AB 熱電效應也稱塞貝克效應，熱電偶回路中產(chǎn)生的電勢差為熱電效應也稱塞貝克效應，熱電偶回路中產(chǎn)生的電勢差為 前一項是由于兩種不同材料金屬連接時產(chǎn)生的前一項是由于兩種不同材料金屬連接時產(chǎn)生的接觸電勢差接觸電勢差，取決，取決于材料的電子密度；于材料的電子密度； 而后一項是由于同一種材料的均質(zhì)導體，當兩端溫度不同時產(chǎn)生而后一項是由于同一種材料的均質(zhì)導體，當兩端溫度不同時產(chǎn)生的的溫差電勢溫差電勢,常可忽略。常可忽略。 當材料當材料 A、B的特性（的特性（NA、NB）為已

7、知時，使一端溫度）為已知時，使一端溫度T0固定，固定，則待測溫度則待測溫度 T是電動勢是電動勢E（T，T0）的單值函數(shù)。）的單值函數(shù)。 這給工程中用熱電偶測量溫度帶來極大的方便。這給工程中用熱電偶測量溫度帶來極大的方便。TTTNNTTeTTE0dln)(),(BABA00ABX 回路中的總熱電動勢回路中的總熱電動勢 為了使熱電偶冷端溫度為了使熱電偶冷端溫度T0固定，通常采用一些固定，通常采用一些措施對冷端進行補償。措施對冷端進行補償。 常用的方法常用的方法: a)將冷端置于冰內(nèi)或恒溫槽中將冷端置于冰內(nèi)或恒溫槽中; b)采用補償導線法將熱電極冷端延伸采用補償導線法將熱電極冷端延伸; c)通過補償

8、電橋法補償冷端的溫度變化通過補償電橋法補償冷端的溫度變化。X 9.1.2 9.1.2 熱電偶基本定律熱電偶基本定律（1）組成熱電偶回路的兩種導體材料相同時，無論兩接點的溫度如何，）組成熱電偶回路的兩種導體材料相同時，無論兩接點的溫度如何， 回路總熱電勢為零回路總熱電勢為零,稱為稱為均質(zhì)導體定律。均質(zhì)導體定律。（2）若熱電偶兩接點溫度相等，即）若熱電偶兩接點溫度相等，即T=T0，回路總熱電勢仍為零；，回路總熱電勢仍為零；（3）熱電偶的熱電勢輸出只與兩接點溫度及材料的性質(zhì)有關(guān)，與材料）熱電偶的熱電勢輸出只與兩接點溫度及材料的性質(zhì)有關(guān)，與材料A、 B的中間各點的溫度、形狀及大小無關(guān)。的中間各點的溫度

9、、形狀及大小無關(guān)。（4）在熱電偶中插入第三種材料，只要插入材料兩端的溫度相同，對）在熱電偶中插入第三種材料，只要插入材料兩端的溫度相同，對熱電偶的總熱電勢沒有影響。這一定律稱之為熱電偶的總熱電勢沒有影響。這一定律稱之為中間導體定律中間導體定律。X 1) 中間導體定律中間導體定律 在熱電偶的參考端接入第三種材料，只要插入材料兩端的在熱電偶的參考端接入第三種材料，只要插入材料兩端的溫度相同溫度相同，對熱電偶的總電動勢沒有影響。對熱電偶的總電動勢沒有影響。設，設，根據(jù)熱力學定律，回路中不會有熱電流（沒有電子的移動）。根據(jù)熱力學定律，回路中不會有熱電流（沒有電子的移動）。 A BCA B T0 T0

10、T T0 C 12 3 測 量 儀 表0CA0BCABABCTETETEE0TTABC0AB0BC0CA0( ,)0ET TETETET 中間導體定律中間導體定律 A BCA B T0 T0 T T0 C 12 3 測 量 儀 表00CA0BC0ABABCTETETEE0CA0BC0ABTETETE 0AB0ABAB0ABC,TTETETETTEX結(jié)論：結(jié)論： 由由A、B組成的熱電偶，當插入第三種導體時，只要該導體兩端溫度相同，組成的熱電偶，當插入第三種導體時，只要該導體兩端溫度相同，插入導體對回路總電動勢沒有影響。插入導體對回路總電動勢沒有影響。 方便引入導體（測量儀器、導線），測量回路中的

11、熱電勢或熱電流。方便引入導體（測量儀器、導線），測量回路中的熱電勢或熱電流。 0CA0BCABABCTETETEE 2）連接導體和中間溫度定律）連接導體和中間溫度定律00( ,)( ,)(,)ABABnABnET TET TET T中間溫度定律中間溫度定律:,00( ,)( )()()()ABB AnABnB AA AnBBET TTETETETET ( )( )lnlnlnln( )( )nnBAAAnA AnABnABnBBBABBkTkTNNNNETETETETeNNeNN,00( ,)( )()()()ABB AnABABnA BnA BET TTETETETET,00( ,)( ,)

12、(,)ABB AnABnA BnET TTET TET T ,0( ,)( ,)(, )ABB AnABnA BnET TTET TET T結(jié)論：結(jié)論： 回路總電動勢等于熱電阻回路總電動勢等于熱電阻A、B產(chǎn)生的熱電動勢與連接導體產(chǎn)生的熱電動勢與連接導體A B產(chǎn)生的產(chǎn)生的熱電動勢代數(shù)和。熱電動勢代數(shù)和。 當當A=A,B=B時，滿足：時，滿足： 中間溫度定律中間溫度定律： 根據(jù)根據(jù)Tn可確定冷端溫度不為零時的熱電動勢?？纱_定冷端溫度不為零時的熱電動勢。 00( ,)( ,)(,)ABABnABnET TET TET T000( ,)( )()( )(0)(0)()ABABABABABABABET

13、TETETETEEET00( ,)( ,0)(0,)ABABABET TETET2）連接導體和中間溫度定律）連接導體和中間溫度定律 3）標準電極定律）標準電極定律定律：導體定律：導體A和和B組成熱電偶的回路電勢等于導體組成熱電偶的回路電勢等于導體A、C和和C、B組成熱電偶回路電勢的組成熱電偶回路電勢的代數(shù)和代數(shù)和。000( ,)( ,)(,)ABACCBET TET TET T(9-6) 000( ,)( ,)(,)ABACCBET TET TET T(9-6)證明：證明：00( ,)( )()ACACACET TETET00( ,)( )()BCBCBCET TETET0000( ,)( ,

14、)( )() ( )()ACBCACACBCBCET TET TETETETET0000( ,)( ,)( )() ()()ACBCACBCACBCET TET TETETETET0000( ,)( ,)( )()( ,)ACBCABABABET TET TETETET T完畢完畢 標準電極定律是一個標準電極定律是一個實用定律實用定律。 測得標準熱電極和各種金屬電極組成的熱電勢，就可求出各種金屬測得標準熱電極和各種金屬電極組成的熱電勢，就可求出各種金屬電極任意組合的熱電勢。電極任意組合的熱電勢。 標準電極一般采用標準電極一般采用鉑絲鉑絲。 9.1.3 9.1.3 常用熱電偶常用熱電偶 1熱電偶

15、的材料選擇要求熱電偶的材料選擇要求 熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時間變化熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時間變化 物理、化學性質(zhì)穩(wěn)定，不易氧化腐蝕物理、化學性質(zhì)穩(wěn)定，不易氧化腐蝕 材料溫度系數(shù)小、導電率高材料溫度系數(shù)小、導電率高 熱電偶產(chǎn)生的熱電勢要大，線性或接近線性好熱電偶產(chǎn)生的熱電勢要大，線性或接近線性好 材料復雜性好，價格低廉。材料復雜性好，價格低廉。 9.1.3 9.1.3 常用熱電偶常用熱電偶 1熱電偶的材料熱電偶的材料 常用熱電極材料分常用熱電極材料分貴金屬貴金屬和和普通金屬普通金屬兩大類兩大類 貴金屬熱電極材料有鉑銠合金和鉑；貴金屬熱電極材料有鉑銠合金和鉑； 普通金屬熱電極材料有鐵、銅、康銅、考銅、鎳鉻

16、合金、鎳硅合金普通金屬熱電極材料有鐵、銅、康銅、考銅、鎳鉻合金、鎳硅合金等，還有銥、鎢、鋅等耐高溫材料，這些材料在國內(nèi)外都已經(jīng)標準化。等，還有銥、鎢、鋅等耐高溫材料，這些材料在國內(nèi)外都已經(jīng)標準化。 不同材料的熱電極的測量溫度范圍不同，一般可將熱電偶用于不同材料的熱電極的測量溫度范圍不同，一般可將熱電偶用于01800范圍的溫度測量。范圍的溫度測量。 貴金屬熱電偶電極直徑大多在貴金屬熱電偶電極直徑大多在0.13-0.65mm范圍內(nèi)，范圍內(nèi)， 普通金屬熱電偶電極直徑為普通金屬熱電偶電極直徑為0.5-3.2mm。 熱電極有正、負之分，使用時應注意到這一點。熱電極有正、負之分，使用時應注意到這一點。 X

17、 2.熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶的結(jié)構(gòu) A A A A A A B B B B B C 絕緣套 熱電極接線盒保護套管測量接點熱端襯架 Fe 膜Ni 膜Fe 絲Ni 絲接頭夾具（a）（b）（C）X 9.2 9.2 熱電阻熱電阻 工作原理：工作原理： 導體（或半導體）的電阻值隨溫度變化而改變，通過測量其電阻值推算出被測導體（或半導體）的電阻值隨溫度變化而改變，通過測量其電阻值推算出被測物體的溫度，這就是電阻溫度傳感器的工作原理。物體的溫度，這就是電阻溫度傳感器的工作原理。 應用：應用： 電阻溫度傳感器主要用于測量電阻溫度傳感器主要用于測量-200500范圍內(nèi)的溫度。范圍內(nèi)的溫度。 純金屬純金屬是熱電阻的主

18、要制造材料。是熱電阻的主要制造材料。 熱電阻的材料應具有以下特性：熱電阻的材料應具有以下特性： （1）電阻溫度系數(shù)要大而且穩(wěn)定電阻溫度系數(shù)要大而且穩(wěn)定，電阻值與溫度之間應具有良好的線性關(guān)系；電阻值與溫度之間應具有良好的線性關(guān)系； （2）電阻率高，熱容量小，反應速度快；）電阻率高，熱容量小，反應速度快； （3）材料的復現(xiàn)性和工藝性好，價格低；）材料的復現(xiàn)性和工藝性好，價格低； （4）在測溫范圍內(nèi)化學物理性能穩(wěn)定。）在測溫范圍內(nèi)化學物理性能穩(wěn)定。X 9.2.1 9.2.1 鉑電阻鉑電阻 鉑電阻與溫度之間的關(guān)系接近于線性，在鉑電阻與溫度之間的關(guān)系接近于線性，在0630.74范圍內(nèi)可范圍內(nèi)可用下式表示

19、用下式表示 在在-1900范圍內(nèi)為范圍內(nèi)為 當當R0值不同時，在同樣溫度下其值不同時，在同樣溫度下其Rt值也不同。值也不同。 國內(nèi)一般工業(yè)用標準鉑電阻國內(nèi)一般工業(yè)用標準鉑電阻R0值值有有100W W和和500W W兩種兩種。 將電阻值將電阻值Rt與溫度與溫度t的關(guān)系列成表格，稱其為鉑電阻的分度表，分度的關(guān)系列成表格，稱其為鉑電阻的分度表，分度號分別用號分別用pt100和和pt500表示。表示。201ttRRt3201001ttttRRtX 9.2.2 銅電阻銅電阻 在測量精度要求不高，且測溫范圍比較小的情況下，可采用銅做在測量精度要求不高，且測溫范圍比較小的情況下，可采用銅做熱電阻材料代替鉑電

20、阻。熱電阻材料代替鉑電阻。 在在-50150的溫度范圍內(nèi)，銅電阻與溫度呈線性關(guān)系，其電的溫度范圍內(nèi)，銅電阻與溫度呈線性關(guān)系，其電阻與溫度的函數(shù)表達式為阻與溫度的函數(shù)表達式為 銅電阻只能用在低溫及無浸蝕性的介質(zhì)中銅電阻只能用在低溫及無浸蝕性的介質(zhì)中. R0值在值在50和和100條件下，制成相應分度表作為標準條件下，制成相應分度表作為標準. tRRt10X 9.3 9.3 熱敏電阻熱敏電阻 熱敏電阻熱敏電阻是利用是利用半導體的電阻值隨溫度變化半導體的電阻值隨溫度變化特性，制成的一種熱特性，制成的一種熱敏元件。其主要特點是：敏元件。其主要特點是： （1）靈敏度高靈敏度高。一般金屬當溫度變化。一般金屬

21、當溫度變化 l時，其阻值變化時，其阻值變化0.4左左右，而半導體熱敏電阻變化可達右，而半導體熱敏電阻變化可達3-6； （2）體積小體積小。珠形熱敏電阻的探頭的最小尺寸達。珠形熱敏電阻的探頭的最小尺寸達0.2mm，能測熱，能測熱電偶和其它溫度計無法測量的空隙、腔體、內(nèi)孔等處的溫度，如人體電偶和其它溫度計無法測量的空隙、腔體、內(nèi)孔等處的溫度，如人體血管內(nèi)的溫度等；血管內(nèi)的溫度等； （3）使用方便使用方便。熱敏電阻阻值范圍。熱敏電阻阻值范圍在在102-105W W之間之間可任意挑選，可任意挑選，熱慣性小，而且不像熱電偶需要冷端補償，不必考慮線路引線電阻和熱慣性小，而且不像熱電偶需要冷端補償，不必考慮

22、線路引線電阻和接線方式，容易實現(xiàn)遠距離測量，功耗小。接線方式，容易實現(xiàn)遠距離測量，功耗小。 熱敏電阻分為：熱敏電阻分為：負溫度系數(shù)（負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻器）熱敏電阻器 正溫度系數(shù)（正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻器）熱敏電阻器 臨界溫度電阻器（臨界溫度電阻器（CTR）三類）三類。X 9.3.1 9.3.1 工作原理工作原理 熱敏電阻的導電性能主要是由內(nèi)部的載流子（電熱敏電阻的導電性能主要是由內(nèi)部的載流子（電子和空穴）密度、遷移率所決定的。子和空穴）密度、遷移率所決定的。 當溫度升高時外層電子在熱激發(fā)下，大量成為載流當溫度升高時外層電子在熱激發(fā)下，大量成為載流子，使載流子的密度大大增加，活動

23、能力加強，從而導子，使載流子的密度大大增加，活動能力加強，從而導致其阻值的急劇下降。致其阻值的急劇下降。X 9.3.2 9.3.2 電阻與溫度關(guān)系電阻與溫度關(guān)系 熱敏電阻的阻值和溫度的關(guān)系不是線性的，可表示熱敏電阻的阻值和溫度的關(guān)系不是線性的，可表示 式中式中 R RT T、R R0 0溫度溫度 T T、T T0 0時的阻值；時的阻值； B B 熱敏電阻的材料常數(shù)，常取熱敏電阻的材料常數(shù)，常取200020006000K6000K； T T 熱力學溫度；熱力學溫度； T T0 0 通常指通常指00或室溫。或室溫。)11(00eTTBTRR T RX 若定義若定義 為熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)為熱敏電

24、阻的電阻溫度系數(shù) ，則得，則得 可見，可見， 是隨溫度降低而迅速增大，它是決定熱敏電阻在全部工是隨溫度降低而迅速增大，它是決定熱敏電阻在全部工作范圍內(nèi)的溫度靈敏度。作范圍內(nèi)的溫度靈敏度。 熱敏電阻的測溫靈敏度比金屬絲的高很多。熱敏電阻的測溫靈敏度比金屬絲的高很多。 TRRTTdd1TT2dd1TBTRRTTT0011lnTTRRBTX 熱敏電阻的測量電路熱敏電阻的測量電路 9.4 9.4 熱釋電型溫度傳感器熱釋電型溫度傳感器 熱釋電型溫度傳感器是利用熱釋電型溫度傳感器是利用熱釋電效應熱釋電效應將熱輻射轉(zhuǎn)換為將熱輻射轉(zhuǎn)換為電量的器件。電量的器件。熱釋電效應熱釋電效應 當一些晶體受熱時，在晶體的兩

25、端將會產(chǎn)生數(shù)量相等、當一些晶體受熱時，在晶體的兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等、符號相反的電荷，這種因溫度變化引起的極化現(xiàn)象，稱為符號相反的電荷，這種因溫度變化引起的極化現(xiàn)象，稱為熱熱釋電效應釋電效應。 能產(chǎn)生熱釋電效應的晶體稱為能產(chǎn)生熱釋電效應的晶體稱為熱釋電體熱釋電體，也稱為熱電元，也稱為熱電元件。件。 9.4 9.4 熱釋電型溫度傳感器熱釋電型溫度傳感器 壓電晶體中的壓電晶體中的極性晶體極性晶體本身具有自發(fā)極化特性，其自發(fā)極化強度本身具有自發(fā)極化特性，其自發(fā)極化強度Ps是溫度的函數(shù)。是溫度的函數(shù)。 當環(huán)境溫度變化時，單疇晶體通過晶格吸收紅外線而使溫度升高，當環(huán)境溫度變化時，單疇晶體通過晶格吸收紅外線而使溫度升高，在其居里溫度以下，自發(fā)極化強度隨溫度升高而下降，這種變化導致在其居里溫度以下，自發(fā)極化強度隨溫度升高而下降，這種變化導致在垂直于自發(fā)極化強度方向的晶體外表面上極化電荷的變化，即晶