第七熱電式傳感器演示文稿

1、第七熱電式傳感器演示文稿第一頁，共二十七頁。優(yōu)選第七熱電式傳感器第二頁，共二十七頁。溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號便于遠(yuǎn)傳或信號轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)外，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動態(tài)溫度的測量。第三頁，共二十七頁。一、熱電效應(yīng)與熱電偶測溫原理 兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體閉合回路，若連接處溫度不同（設(shè)TT0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)?；芈分兴a(chǎn)生的電動勢，叫熱電勢。熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢

2、。 第四頁，共二十七頁。1熱電效應(yīng) （1）兩種導(dǎo)體的接觸熱電勢（2）溫差電動勢 接觸電勢的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。即，取決于A、B的性質(zhì)及接觸點(diǎn)的溫度，而與其形狀尺寸無關(guān)。 溫差電動勢是在同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢。高溫側(cè)電子受熱能運(yùn)動加劇，高溫側(cè)失去電子而帶正電，低溫側(cè)得到電子帶負(fù)電即形成一個靜電場，使兩端出現(xiàn)電位差，此電位差叫溫差電動勢。第五頁，共二十七頁。（3）回路總電勢 熱電偶的熱電勢可表示為： 熱電勢與溫度之間的關(guān)系是通過熱電偶分度表來確定。 （4）結(jié)論 熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)，與熱電偶的長度、粗細(xì)無關(guān)。只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體

3、（或半導(dǎo)體）才能組合成熱電偶；相同材料不會產(chǎn)生熱電勢。只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同，熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時才能有熱電勢產(chǎn)生。導(dǎo)體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使EAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢EAB(T，T0)就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的原理。第六頁，共二十七頁。2熱電偶的基本定律（1）中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要該導(dǎo)體兩端溫度相等，則熱電偶產(chǎn)生的總熱電勢不變。 可以在熱電偶回路中接入電位計(jì)E，只要保證電位計(jì)與連接熱電偶處的接點(diǎn)溫度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢。 （2）中間溫度定律定律描述：該定律為使用熱電偶如何分

4、度表提供了依據(jù)。同時，可使用補(bǔ)償導(dǎo)線使測量距離加長，也可用于消除熱電偶自由端溫度變化影響。第七頁，共二十七頁。（3）參考電極定律定律描述：當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度為T、T0時，用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電勢的代數(shù)和。此為參考電極定律，也稱組成定律 例當(dāng)T為100，T0為0時，鉻合金鉑熱電偶的E（100，0）為+3.13mV，鋁合金鉑熱電偶E（100，0）為-1.02mV，求鉻合金鋁合金組成熱電偶的熱電勢E（100，0）。解：設(shè)鉻合金為A，鋁合金為B，鉑為C。即EAC（100，0）=+3.13mVEBC（100，0）=-1.02mV根據(jù)式（7-8），有EAB（100，0）=

5、EAC（100，0）-EBC（100，0）=3.13mV-1.02mV=4.15mV第八頁，共二十七頁。（4）均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其導(dǎo)體是否存在溫度梯度，回路中沒有電流（即不產(chǎn)生電動勢）；反之，如果有電流流動，此材料則一定是非均質(zhì)的。此為均質(zhì)導(dǎo)體定律。 熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。 對于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，接點(diǎn)溫度分別為T1、T2、Tn，冷端溫度為零度的熱電勢。其熱電勢為： 第九頁，共二十七頁。二、熱電偶及其分度表 1熱電偶材料 熱電極材料所滿足的要求：熱電偶材料受溫度作用后能產(chǎn)生較高的熱電勢，熱電勢和溫度之間的關(guān)系最好呈線性或近似線性的單值函數(shù)

6、關(guān)系；材料的電阻溫度系數(shù)要小，電阻率高，資源豐富，價格便宜。能測量較高的溫度，并在較寬的溫度范國內(nèi)應(yīng)用；物理性能穩(wěn)定，導(dǎo)電性能好，熱容量要?。换瘜W(xué)性能穩(wěn)定，以保證在不同介質(zhì)中測量時不被腐蝕；熱電性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時間改變；機(jī)械性能好，材質(zhì)均勻；復(fù)現(xiàn)性要好，便于大批生產(chǎn)和互換，便于制定統(tǒng)一的分度表第十頁，共二十七頁。2熱電偶的種類 常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。第十一頁，共二十七頁。3熱電偶的分度表第十二頁，共二十七頁。4熱電偶的結(jié)構(gòu)形式（1）普通型熱電偶為裝配式結(jié)構(gòu)，一般由熱電極、絕緣管、保護(hù)套管和接線盒等部分組成。貴金屬熱電極的直徑不大于0.5mm，廉價金屬熱電極直徑一

7、般為0.53.2mm；熱電偶的長度為3502000mm。由于熱容量大，溫度響應(yīng)較慢。（2）鎧裝熱電偶它是將熱電偶絲、絕緣材料和保護(hù)套管三者組合裝配后，經(jīng)拉伸加工而成的一種堅(jiān)實(shí)的組合體。其外徑一般為0.58mm其長度最大可達(dá)100m。鎧裝熱電偶溫度響應(yīng)快；撓性好，可彎曲適用復(fù)雜場合安裝使用。應(yīng)用比較廣泛。 第十三頁，共二十七頁。三、熱電偶傳感器的應(yīng)用 1熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償（1）補(bǔ)償導(dǎo)線通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。 必須指出，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的

8、影響，不起補(bǔ)償作用。 補(bǔ)償導(dǎo)線：在一定溫度范圍內(nèi)（通常0150），與配用熱電偶的熱電特性相同的一對帶有絕緣層的導(dǎo)線。 第十四頁，共二十七頁。（2）冷端溫度測量計(jì)算法 EAB(T，T0)為測得的數(shù)值；T0為已知溫度，可反查分度表求得EAB(T0，0)；因此可以計(jì)算出EAB(T，0)值；正查分度表可求被測溫度T。（3）冷端恒溫法自由端溫度測量計(jì)算法需要保持冷端溫度恒定。在實(shí)驗(yàn)室及精密測量中通常把冷端置于冰點(diǎn)槽中，使之溫度為0。工業(yè)應(yīng)用時，一般把冷端放在電加熱的恒溫器中。 第十五頁，共二十七頁。（4）電橋補(bǔ)償法利用不平衡電橋產(chǎn)生的相應(yīng)電勢，以補(bǔ)償熱電偶由于冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化。強(qiáng)調(diào)：在使

9、用此種補(bǔ)償器時，必須把顯示儀表的起始點(diǎn)調(diào)到的20位置。 第十六頁，共二十七頁。2測量某點(diǎn)溫度 流過測溫毫伏表的電流為： 第十七頁，共二十七頁。3測量兩點(diǎn)之間的溫度差將兩個同型號的熱電偶配用相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，其接線應(yīng)使兩熱電勢反向串聯(lián)，此時儀表可測得T1和T2之間的溫度差值?；芈穬?nèi)的總電動勢為：第十八頁，共二十七頁。4測量設(shè)備中的平均溫度設(shè)，每只熱電偶的輸出為：回路總的熱電動勢為: 第十九頁，共二十七頁。5測量溫度之和回路總的熱電勢為：輸出電勢大，可感應(yīng)較小的信號。只有一個熱電偶斷路，總的熱電勢消失，或熱電偶短路，將會引起儀表值的下降。ET=E1+E2+E3 第二十頁，共二十七頁。第二節(jié) 熱釋電傳

10、感器 第二十一頁，共二十七頁。熱釋電傳感器是利用熱釋電效應(yīng)制成的一種非常有應(yīng)用潛力的傳感器。它能檢測人或某些動物發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號輸出。在六十年代，隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，推動了對熱釋電效應(yīng)的研究和對熱釋電晶體的應(yīng)用開發(fā)。近年來，伴隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，以及對該傳感器的特性的深入研究，相關(guān)的專用集成電路處理技術(shù)也迅速增長。熱釋電效應(yīng)在近10年被用于熱釋電紅外探測器中，廣泛地用于輻射和非接觸式溫度測量、紅外光譜測量、激光參數(shù)測量、工業(yè)自動控制、空間技術(shù)、紅外攝像中。 第二十二頁，共二十七頁。一、熱釋電效應(yīng) 1熱釋電效應(yīng)原理當(dāng)一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反

11、的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱為熱釋電效應(yīng)。第二十三頁，共二十七頁。2熱釋電效應(yīng)材料能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱之為熱釋電體或熱釋電元件，常用的熱釋電材料有單晶、壓電陶瓷及高分子薄膜等種類單晶熱釋電晶體的熱釋電系數(shù)高，介質(zhì)損耗小，至今性能最好的熱釋電傳感器大多選用單晶制作。如TGS、LATGS、LiTaO3等。壓電陶瓷熱釋電晶體成本較低，響應(yīng)較慢。如入侵報(bào)警用PZT陶瓷傳感器工作頻率為0.25Hz。薄膜熱釋電材料可以用濺射法、液相外延等方法制備。有些薄膜的自發(fā)極化取向率已接近單晶水平。由于薄膜一般可以做得很薄，因而對于制作高性能的熱釋電傳感器十分有利。第二十四頁，共二十七頁。二、熱釋電傳感器的工作原理 由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成 熱釋電傳感器的工作原理可以用三個過程來描述：輻射熱為吸收過程，熱溫度為加熱過程，溫度電則為測溫過程。 第二十五頁，共二十七頁。三、熱釋電傳感器的等效電路 熱釋電傳感器是