黃賢武傳感器第5章

第五章熱電式傳感器

主講：潘漢軍熱電式傳感器的基本原理：

將溫度變化轉換為電量變化

，再經相應的測量電路最后顯示溫度的變化。熱電式

傳感器被測溫度電阻、電勢或磁導熱電偶－將溫度轉換為電勢大小的熱電式傳感器；熱電阻－將溫度轉換為電阻值大小的熱電式傳感器；PN結型溫度傳感器－利用半導體PN結與溫度的關系所研制的溫度傳感器，在窄溫場中得到了十分廣泛的應用。第5章熱電式傳感器第一節(jié)熱電偶

第二節(jié)熱電阻

第三節(jié)熱敏電阻

第四節(jié)應用舉例作業(yè)：P109－2第一節(jié)熱電偶一、熱電效應

二、熱電偶基本定律

三、熱電偶結構和種類

四、熱電偶實用測量電路

五、熱電偶冷端補償方式

熱電效應把兩種不同的金屬A和B連接成閉合回路，如果將它們的兩個接點中的一個進行加熱，使其溫度為T，而另一點置于室溫T0中，則在回路中就有電流產生。這一象稱為熱電效應。產生電流的電動勢叫做熱電勢，用EAB(T，T0)來表示。把兩種不同的金屬的組合稱為熱電偶。A和B分別稱為熱電極。溫度高的接點稱為熱端(或稱為工作端)，而溫度低的接點稱為冷端(或稱為自由端)。

熱電勢的產生原因熱電勢EAB(T，T0)

由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。接觸電勢eAB(T)所有金屬都具有自由電子。在不同的金屬中，自由電子的濃度不同。當兩種不同金屬A和B接觸時，在接觸處便發(fā)生電子的擴散。若金屬A的自由電子濃度大于金屬B的白由電子濃度，則在同一瞬間由金屬A擴散到金屬B中去的電子將比由金屬B擴散到A中去的電子多，因而金屬A對于金屬B因失去電子而帶正電荷，金屬B獲得電子而帶負電荷。由于正、負電荷的存在，在接觸處便產生電場。該電場將阻礙擴散作用的進一步發(fā)生，同時引起反方向的電子轉移。擴散和反擴散形成矛盾運動。上述過程的發(fā)展直至擴散作用和反擴散作用的效果相同時，也即金屬A擴散到金屬B的自由電子與金屬B擴散到金屬A的自由電子(形成漂移電流)相等時，該過程便處于動態(tài)平衡。在這種動態(tài)平衡狀態(tài)下，A和B兩金屬之間便產生一定的接觸電勢，它的數值取決于兩種金屬的性質和接觸點的溫度，而與金屬的形狀及尺寸無關。溫差電勢任何一種金屬，當其兩端溫度不同時，兩端的自由電子濃度也不同。溫度高的一端濃度大，具有較大的動能；溫度低的一端濃度小，動能也小。因此，高溫端的自由電子要向低溫端擴散，高溫端失去電子而帶正電，而低溫端得到電子帶負電，最后同樣要達到動態(tài)平衡。從而在兩端形成溫差電勢，又稱為湯姆森電勢。金屬A的溫差電勢記為：eA（T，T0）熱電勢的產生原因在由兩種不同金屬組成的閉合回路中，當兩端點的溫度不同時，回路中產生的熱電勢等于上述電勢的代數和，即：在一個熱電偶回路中起決定作用的是兩個接點處產生的與材料性質和該點所處溫度有關的接觸電勢?；芈返目傠妱菔请S（T－T0）而變化的，即總電勢為（T－T0）差的函數。在實際使用中不方便。通常令T0＝0℃。熱電偶基本定律(1)只有由化學成分不同的兩種導體材料組成的熱電偶，在其兩端點間的溫度不同時，才能產生熱電勢。熱電勢的大小與材料的性質及其兩端點的溫度有關，而與材料的形狀、大小無關。熱電偶基本定律(2)化學成分相同的材料組成的熱電偶，即使兩個接點的溫度不同，回路的總熱電勢也等于零。

應用這一定律可以判斷兩種金屬是否相同。熱電偶基本定律(3)化學成分不相同的兩種材料組成的熱電偶，若兩個接點的溫度相同，回路中的總熱電勢也等于零。熱電偶基本定律（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，對熱電偶的總熱電勢沒有影響。

這一定律具有特別重要的實際意義。因為利用熱電偶來測量溫度時，必須在熱電偶回路中接入電氣測量儀表，也就相當于接入第三種材料。熱電偶的這一特性，不但可以允許在其回路中接入電氣測量儀表，而且也允許采用任意的焊接方法來焊接熱電偶。熱電偶基本定律接入第三種材料不宜采用與熱電極的熱電性質相差很遠的材料；否則，一旦溫度發(fā)生變化，熱電偶的電勢變化將會很大，從而影響測量精度。熱電偶基本定律(5)如果兩種導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產生的熱電勢已知，則此兩種導體組成熱電偶的熱電勢就已知。熱電偶基本定律當任一電極B，C，D，…與一標準電極A組成熱電偶產生熱電勢為巳知時，就可以利用式(5-11)求出這些熱電極彼此任意組成熱電偶時的熱電勢。通常采用鉑作為標準電極。熱電偶結構和種類熱電極材料常用熱電極材料分為貴金屬和普通金屬兩大類，這些材料在國內外都已經標準化。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、鎳鉻合金、鎳膠合金等，還有銥、鎢、錸等耐高溫材料。非金屬材料，如碳、石墨和碳化硅等也可以作熱電極的材料。熱電偶實用測量電路測量單點溫度的基本測溫線路測量兩點之間溫差的測溫線路

測量平均溫度的測溫線路

測量幾點溫度之和的測溫線路若干只熱電偶共用一臺儀表的測量線路

由于熱電偶的輸出為熱電勢，是有源傳感器，因而，在測量電路的分析中，總是將熱電偶視為電源，有正負極。熱電偶的正負極由兩種材料的配對決定，與兩種材料的電子濃度對比有關。測量電路直接反映的是熱電勢，間接反映出冷熱端的溫差。測量單點溫度的基本測溫線路測量兩點之間溫差的測溫線路測量平均溫度的測溫線路測量幾點溫度之和的測溫線路多只熱電偶共用一臺儀表的測量線路熱電偶冷端補償方式1、冰水保溫瓶方式(冰點器方式)2、恒溫槽方式

3、冷端自動補償方式

恒溫槽方式將冷端置于恒溫槽中，設恒定溫度為T0℃，則：E1(T,0)=

E1(T,T0)＋E1(T0,0)（熱電偶的輸入—輸出是線性的），式中：E1(T0,0)為常數（不隨T變化）；E1(T,T0)為熱電偶的輸出電勢；E1(T,0)為熱電偶冷端為0時的輸出電勢，反映冷熱端的溫差（T－0），其值等于熱端的溫度T，測量（T－T0）的電路中，加入相應的修正電壓，或調整指示裝置的起始位置，即可達到補償（T0－0）的目的。從而得到T＝（T－0）。

冷端自動補償方式分析的問題：如何做到：T不變，T0變化時，儀表的示值不變。第二節(jié)熱電阻熱電阻是利用導體的電阻隨溫度變化而變化的特性測量溫度的。作為測量用的熱電阻材料必須具備以下特點：

電阻溫度系數要盡可能大和穩(wěn)定，

電阻率高，

電阻與溫度之間關系最好成線性，

在較寬的測量范圍內具有穩(wěn)定的物理和化學性質。目前應用得較多的熱電阻材料有鉑和銅等。熱電阻由電阻體、保護套和接線盒等部件組成。它們可以測量－200~＋500℃的溫度。一、常用的幾種熱電阻

1、鉑電阻

2、銅電阻

3、其它熱電阻

1、鉑電阻按國際溫標IPTS-68規(guī)定，

在-259.34～＋630.74℃溫域內，以鉑電阻溫度計作基準器。鉑電阻與溫度的關系為

在0～＋630.74℃以內：在－190～0℃以內：

A，B，C－分度系數；

A＝3.940×10-2／℃，

B＝－5.84×10-7／℃2，

C＝－4.22×10-12／℃4。

在工業(yè)上將相應于R0＝50Ω和100Ω的

Rt-t關系制成分度表，稱為熱電阻分度表，供使用者查閱。分度表如表5-3和5-4所示。2、銅電阻在測量精度不太高、測溫范圍不大的情況下，可以采用銅電阻來代替鉑電阻，這樣可以降低成本，同時也能達到精度要求。在–50~+150℃的溫度范圍內，銅電阻與溫度呈線性關系，可用下式表示：α－銅電阻溫度系數，

α＝4.25×10-3~4.28×10-3／℃

我國以R0值在100Ω和50Ω條件下，制成相應分度表作為標準，供使用者查閱。

分度表如表5-5所示。

3、其它熱電阻上述兩種熱電阻對于低溫和超低溫測量性能不理想，而銦、錳、碳等熱電阻材料卻是測量低溫和超低溫的理想材料。

銦電阻用99.999％高純度的銅絲繞成電阻，可在室溫至4.2K溫度范圍內使用。實驗證明：在4.2～15K溫度范圍內，靈敏度比鉑電阻高10倍；其缺點是材料軟，復制性差。

錳電阻在2-63K溫度范圍內，電阻隨溫度變化大，靈敏度高。缺點是材料脆，難拉成絲。

碳電阻適合用液氦溫域的溫度測量，價廉，對磁場不敏感，但熱穩(wěn)定性較差。二、熱電阻的測量電路與應用舉例

1、測量電路2、應用舉例——熱電阻測量真空度第三節(jié)熱敏電阻一、熱敏電阻的結構形式

二、熱敏電阻的溫度特性

一、熱敏電阻的結構形式熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷、錳、鎳等的氧化物，采用不同比例的配方，經高溫燒結而成，然后采用