傳感器技術與應用第六章課件

1、2022/7/241第6章 熱電式傳感器2022/7/242引言熱電式傳感器就是一種能將溫度變化轉換為電量變化的裝置，它是利用敏感元件的電參數(shù)隨溫度變化的特性來達到測量的目的。本章主要介紹熱電偶、熱電阻和熱敏電阻傳感器的原理、測量電路及其應用。2022/7/2436.1.1 熱電偶1熱電效應 熱電效應就是把兩種不同的導體或半導體（A和B）串接成一個閉合回路，如果兩導體接點處溫度（ 和 ）不同，則兩點之間便產生電動勢，從而在回路中便形成了電流的現(xiàn)象。由此效應產生的電動勢，通常稱為熱電動勢。1821年由Seeback發(fā)現(xiàn)的，故又稱為賽貝克效應。6.1 熱電偶傳感器2022/7/2446.1.1 熱

2、電偶2022/7/245熱電勢由兩部分組成兩種導體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導體稱為“熱電極”，產生的電勢則稱為“熱電勢”，熱電偶的兩個結點，一個稱為測量端（工作端或熱端），另一個稱為參考端（自由端或冷端）。一部分是兩種導體的接觸電勢，另一部分是單一導體的溫差電勢。2022/7/2462接觸電勢 當A和B兩種不同材料的導體接觸時，由于兩者內部單位體積的自由電子數(shù)目不同（即電子密度不同），因此，電子在兩個方向上擴散的速率就不一樣。 。假設導體A的自由電子密度大于導體B的自由電子密度，則導體A擴散到導體B的電子數(shù)要比導體B擴散到導體A的電子數(shù)大。所以導體A失去電子帶正電荷，導體B得到電子帶負

3、電荷。于是，在A、B兩導體的接觸界面上便形成一個由A到B的電場 。2022/7/247熱電動勢示意圖 2022/7/248形成機理該電場的方向與擴散進行的方向相反，它將引起反方向的電子轉移，阻礙擴散作用的繼續(xù)進行。當擴散作用與阻礙擴散作用相等時，即自導體A擴散到導體B的自由電子數(shù)與在電場作用下自導體B到導體A的自由電子數(shù)相等時，便處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A與B兩導體的接觸處產生了電位差，稱為接觸電勢。接觸電勢的大小與導體材料、結點的溫度有關，與導體的直徑、長度及幾何形狀無關。 2022/7/249接觸電勢大小 2022/7/24103溫差電動勢 溫差電動勢是同一導體（熱電極）的兩端

4、因其溫度不同而產生的一種電動勢。由于溫度不同，低溫端的電子數(shù)會比高溫端的電子數(shù)多，結果高溫端因少出電子而帶正電， 低溫端因多出電子而帶負電，在導體兩端便形成溫差電動勢。其大小可表示為 和2022/7/24114熱電偶的電勢 設導體A、B組成熱電偶的兩結點溫度分別為T和T0，熱電偶回路所產生的總電動勢， 熱電偶的接觸電動勢要遠大于溫差電動勢，忽略溫差電動勢，熱電偶的熱電勢可表示為，2022/7/2412結論（1）如果熱電偶兩材料相同，則無論結點處的溫度如何，總電勢為0。（2）如果兩結點處的溫度相同，盡管A、B材料不同，總熱電勢為0。（3）熱電偶熱電勢的大小，只與組成熱電偶的材料和兩結點的溫度有關

5、，而與熱電偶的形狀尺寸無關，當熱電偶兩電極材料固定后，熱電勢便是兩結點電勢差。（4）如果使冷端溫度0保持不變，則熱電動勢便成為熱端溫度的單一函數(shù)。 2022/7/24136.1.2 熱電偶結構及種類1熱電偶的基本結構形式 2熱電偶材料 3常用熱電偶2022/7/24141.熱電偶的基本結構形式熱電偶的結構形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。熱電偶的種類雖然很多，但通常由金屬熱電極、絕緣子、保護套管及接線裝置等部分組成。 2022/7/2415普通型熱電偶 普通型結構熱電偶工業(yè)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成。普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可分為固定螺紋連接

6、、固定法蘭連接、活動法蘭連接、無固定裝置等多種形式。普通型熱電偶結構圖 2022/7/2416普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭2022/7/2417普通裝配型熱電偶的結構放大圖 接線盒引出線套管 固定螺紋 （出廠時用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端） 不銹鋼保護管 2022/7/2418鎧裝型熱電偶 鎧裝型熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經拉伸加工而成的堅實組合體 .它可以做得很細很長，使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝型熱電偶的主要優(yōu)點是測溫端熱容量小，動態(tài)響應快，機械強度高，撓性好，可安裝在結構復雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。 2022/7/2419鎧裝

7、型熱電偶結構 1接線盒 2金屬套管 3固定裝置 4絕緣材料 5熱電極2022/7/2420鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可 長達上百米薄壁金屬 保護套管（鎧體） BA絕緣 材料鎧裝型熱電偶橫截面2022/7/2421薄膜熱電偶 用真空蒸鍍（或真空濺射）、化學涂層等工藝，將熱電極材料沉積在絕緣基板上形成的一層金屬薄膜。熱電偶測量端既小又?。ê穸瓤蛇_0.010.1m），因而熱慣性小，反應快，可用于測量瞬變的表面溫度和微小面積上的溫度。 其結構有片狀、針狀和把熱電極材料直接蒸鍍在被測表面上等3種。所用的電極類型有鐵-康銅、鐵鎳、銅-康銅、鎳鉻-鎳硅等。測溫范圍為200300。 2022/7/242

8、2鐵-鎳薄膜熱電偶結構 1測量接點 2鐵膜 3鐵絲 4鎳絲5接頭夾具 6鎳膜 7襯架2022/7/2423表面熱電偶 表面熱電偶是用來測量各種狀態(tài)的固體表面溫度的，如測量軋輥、金屬塊、爐壁、橡膠筒和渦輪葉片等表面溫度。此外還有測量氣流溫度的熱電偶、浸入式熱電偶等。2022/7/24242.熱電偶材料1對熱電極材料的一般要求 2電極材料的分類 3絕緣材料 4保護管材料 2022/7/2425對熱電極材料的一般要求（1）配對的熱電偶應有較大的熱電勢，并且熱電勢對溫度盡可能有良好的線性關系。（2）能在較寬的溫度范圍內應用，并且在長時間工作后，不會發(fā)生明顯的化學及物理性能的變化。（3）電阻溫度系數(shù)小，

9、電導率高。（4）易于復制，工藝性與互換性好，便于制定統(tǒng)一的分度表，材料要有一定的韌性，焊接性能好，以利于制作。2022/7/2426電極材料的分類（1）一般金屬，如鎳鉻-鎳硅，銅-鎳銅，鎳鉻-鎳鋁，鎳鉻-考銅等。（2）貴金屬，這類熱電偶材料主要是由鉑、銥、銠、釕、鋨及其合金組成，如鉑鐒-鉑、銥銠-銥等。（3）難熔金屬，這類熱電偶材料系由鎢、鉬、鈮、錸、鋯等難熔金屬及其合金組成，如鎢錸-鎢錸、鉑銠-鉑銠等熱電偶。2022/7/2427絕緣材料熱電偶測溫時，除測量端以外，熱電極之間和連接導線之間均要求有良好的電絕緣，否則會有熱電勢損耗而產生測量誤差，甚至無法測量 （1）有機絕緣材料。（2）無機絕緣

10、材料。 2022/7/2428保護管材料要求（1）氣密性好，可有效地防止有害介質深入而腐蝕結點和熱電極。（2）應有足夠的強度及剛度，耐振、耐熱沖擊。（3）物理化學性能穩(wěn)定，在長時間工作中不至于介質、絕緣材料和熱電極互相作用，也不產生對熱電極有害的氣體。（4）導熱性能好，使結點與被測介質有良好的熱接觸。2022/7/24296.1.3 熱電偶傳感器溫度補償方法常用的補償方法有：補償導線法，冷端恒溫法，溫度修正法，電橋補償法等。2022/7/24301補償導線法 2022/7/24312冷端恒溫法及溫度修正法 在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入0恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0

11、，此種做法稱之為冷端0恒溫法。2022/7/24323電橋補償法 電橋補償法：補償方法是在熱電偶和測量儀表間接入一個不平衡電橋，也稱為冷端溫度補償器，如圖所示。2022/7/24336.2 熱電阻傳感器熱電阻溫度傳感器就是利用導體的電阻隨溫度變化的特性，對溫度和溫度有關的參數(shù)進行檢測的裝置。2022/7/24346.2.1 熱電阻結構及類型熱電阻通常由電阻體、瓷絕緣套管、不銹鋼套管、安裝固定件、接線盒和引出線口等組成，如圖所示。2022/7/24356.2.3 測量電路用熱電阻傳感器進行測溫時，測量電路經常采用電橋電路。熱電阻與檢測儀表相隔一段距離，因此熱電阻的引線對測量結果有較大的影響。2022/7/24366.3 熱敏電阻傳感器工作原理熱敏電阻是利用半導體的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件，其特點是電阻率隨溫度而顯著變化。金屬導體的電阻值隨溫度的升高而增大，但半導體卻相反，它的電阻值隨溫度的升高而急劇減小，在溫度變化相同時，熱敏電阻的阻值變化約為鉑熱電阻的10倍，因此可以用它來測量0.0