傳感器原理與電路設計第15-18講熱電

熱電式傳感器在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度通常是測量和控制的重要參數(shù)之一。熱電式傳感器：將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的元件。

何種電量？前言以將溫度轉(zhuǎn)換成電動勢或電阻的方法最為常見將溫度變化轉(zhuǎn)換為電動勢變化：熱電偶將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化：熱電阻、熱敏電阻熱電效應熱電偶測溫原理1821年，西拜克（See-back）發(fā)現(xiàn)，兩種不同導體或半導體連接在一起，當兩端溫度不一樣時會出現(xiàn)一種現(xiàn)象。熱電效應：兩種不同的導體或半導體A和B組合成閉合回路，若導體A和B的連接處溫度不同（設t＞t0），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(又稱西拜克效應)。熱電偶原理圖tt0AB熱端冷端基本概念熱電勢熱電偶(A&B)熱電極(A、B)熱端(測量端或工作端)冷端(參考端或自由端)熱電偶熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶結(jié)構(gòu)與種類兩種導體接觸電動勢熱電偶+ABnA>nBEAB(t)-EAB(t)——導體A、B結(jié)點在溫度t時形成的接觸電動勢；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；

k——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K

；nA、nB

——導體A、B在某溫度(例如t)時的電子密度。接觸電動勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關。熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電勢包含接觸電勢和溫差電勢單一導體溫差電動勢熱電偶機理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負電，在導體兩端便形成溫差電動勢。AEA(t,to)tot熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶回路總電動勢熱電偶t0tEAB(t)EAB(t0)EA(t,t0)EB(t,t0)ABEAB(t,t0)=EAB(t)＋EB(t,t0)－EAB(t0)－EA(t,t0)實際可忽略溫差電動勢，熱電偶的熱電勢可表示為：熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶回路總電動勢熱電偶t0tEAB(t)EAB(t0)EA(t,t0)EB(t,t0)AB影響因素取決于材料和接點溫度，與形狀、尺寸等無關兩熱電極相同時，總電動勢為0兩接點溫度相同時，總電動勢為0對于已選定的熱電偶，當參考端溫度t0恒定時，EAB(t0)=c為常數(shù)，則總的熱電動勢就只與溫度t成單值函數(shù)關系，即可見：只要測出EAB(t,t0)的大小，就能得到被測溫度t，這就是利用熱電偶測溫的原理。熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶回路總電動勢熱電偶熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同的函數(shù)關系，一般通過實驗的方法來確定，并將不同溫度下測得的結(jié)果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對照表，即分度表，供查閱使用，每10℃分檔。中間值按內(nèi)插法計算。熱電偶基本定律熱電偶中間導體定律在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導體時，只要第三種導體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。應用：利用熱電偶進行測溫，必須在回路中引入連接導線和儀表，接入導線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶基本定律熱電偶中間導體定律熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶基本定律熱電偶中間溫度定律EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3)BBA

t2

t1

t3

AAB如果不同的兩種導體材料組成熱電偶回路，其接點溫度分別為t1、t2(如圖所示)時，則其熱電勢為EAB(t1,t2)；當接點溫度為T2、T3時，其熱電勢為EAB(t2,t3)；當接點溫度為t1、t3時，其熱電勢為EAB(t1,t3)，則熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶基本定律熱電偶中間溫度定律對于冷端溫度不是零度時，熱電偶如何使用分度表的問題提供了依據(jù)。如當t2=0℃時，則：EAB(t1,t3)=EAB(t1,0)+EAB(0,t3)=EAB(t1,0)-EAB(t3,0)=EAB(t1)）-EAB(t3)

說明：當在原來熱電偶回路中分別引入與導體材料A、B同樣熱電特性的材料A′、B′(如圖)即引入所謂補償導線時，當EAA'(t2)=EBB'(t2)時，則回路總電動勢為EAB=EAB(t1)–EAB(t0)ABt1t2t2A'B't0t0熱電偶補償導線接線圖E熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶基本定律標準電極定律通常選用高純鉑絲作標準電極只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據(jù)標準電極定律計算出來。

熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶熱電偶基本定律例題解：根據(jù)標準電極定律結(jié)論公式，有EAB（t,t0）=EAC（t,t0）－

EBC（t,t0）依題意可知，EAC（t,t0）＝13.967mV；EBC（t,t0）＝8.345mV則EAB(t,t0)＝13.967mV－8.345mV＝5.622mV因此，在此特定條件下材料A與材料B配對后的熱電勢為5.622mV。已知在某特定條件下材料A與鉑配對的熱電動勢為13.967mV，材料B與鉑配對的熱電動勢為8.345mV，求出在此特定條件下材料A與材料B配對后的熱電勢。熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶結(jié)構(gòu)與種類為了適應不同生產(chǎn)對象的測溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有：普通型熱電偶特殊熱電偶－鎧裝型熱電偶－薄膜熱電偶等。普通型熱電偶熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶結(jié)構(gòu)與種類為了適應特殊環(huán)境下使用鎧裝型熱電偶優(yōu)點：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(jié)構(gòu)復雜的裝置上。薄膜熱電偶特點：熱接點可以做得很?。é蘭），具有熱容量小、反應速度快（μs）等特點，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量。熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶熱電極材料的選擇熱電偶結(jié)構(gòu)與種類理論上，任何兩種不同材料的導體都可以組成熱電偶。但實際應用中，電極材料一般應具備以下條件：性能穩(wěn)定溫度測量范圍廣物理化學性能穩(wěn)定導電率要高，并且電阻溫度系數(shù)要小材料的機械強度要高，復制性好、復制工藝簡單，價格便宜熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶熱電偶的種類熱電偶結(jié)構(gòu)與種類工程用熱電偶材料應滿足條件：熱電勢變化盡量大，熱電勢與溫度關系盡量接近線性關系，物理、化學性能穩(wěn)定，易加工，復現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，有良好的互換性。國際電工委員會（IEC）向世界各國推薦8種標準化熱電偶（已列入工業(yè)標準化文件中，具有統(tǒng)一的分度表）。熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶熱電偶的種類熱電偶名稱正熱電極負熱電極分度號測溫范圍特點鉑銠30－鉑銠6鉑銠30鉑銠6B0～＋1700℃（超高溫）適用于氧化性氣氛中測溫，測溫上限高，穩(wěn)定性好。在冶金、鋼水等高溫領域得到廣泛應用。鉑銠10－鉑鉑銠10純鉑S0～＋1600℃（超高溫）適用于氧化性、惰性氣氛中測溫，熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強，精度高，但價格貴、熱電動勢較小。常用作標準熱電偶或用于高溫測量。鎳鉻－鎳硅鎳鉻合金鎳硅K－200～＋1200℃（高溫）適用于氧化和中性氣氛中測溫，測溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關系近似線性、熱電動勢大、價格低。穩(wěn)定性不如B、S型熱電偶，但是非貴金屬熱電偶中性能最穩(wěn)定的一種。鎳鉻－康銅鎳鉻合金銅鎳合金E－200～＋900℃（中溫）適用于還原性或惰性氣氛中測溫，熱電動勢較其他熱電偶大，穩(wěn)定性好，靈敏度高，價格低。鐵－康銅鐵銅鎳合金J－200～＋750℃（中溫）適用于還原性氣氛中測溫，價格低，熱電動勢較大，僅次于E型熱電偶。缺點是鐵極易氧化。銅－康銅銅銅鎳合金T－200～＋350℃（低溫）適用于還原性氣氛中測溫，精度高，價格低。在－200～0℃可制成標準熱電偶。缺點是銅極易氧化。我國已采用IEC標準生產(chǎn)熱電偶，并按標準分度表生產(chǎn)與之相配的顯示儀表。熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶補償導線法熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm。在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h離現(xiàn)場數(shù)十米遠的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣,冷端溫度t0比較穩(wěn)定。解決辦法：工程中采用一種補償導線。在0～100℃溫度范圍內(nèi)，要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。

熱電偶類型補償導線類型補償導線正極負極鉑銠10－鉑銅－銅鎳合金銅銅鎳合金（鎳的質(zhì)量分數(shù)為0.6%）鎳鉻－鎳硅I型：鎳鉻－鎳硅鎳鉻鎳硅鎳鉻－鎳硅II型：銅－康銅銅康銅鎳鉻－康銅鎳鉻－康銅鎳鉻康銅鐵－康銅鐵－康銅鐵康銅銅－康銅銅－康銅銅康銅熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶冷端恒溫法mVABA’B’tCC’儀表銅導線試管補償導線熱電偶冰點槽冰水溶液t0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℃。這是一種理想的補償方法，但工業(yè)中使用極為不便。熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶冷端溫度校正法當冷端溫度t0不等于0℃，需要對熱電偶回路的測量電勢值EAB（t，t0）加以修正。當工作端溫度為t時，分度表可查EAB(t,0)與EAB(t0,0)。根據(jù)中間溫度定律得到：EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)例子:用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30℃，測得熱電勢EAB(t,t0)為33.29mV,求加熱爐溫度。解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得EAB(30,0)=1.203mV?？傻肊AB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表插值得t=829.8℃。熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶自動補償法(電橋補償法)Uab冷端補償器

mVEAB(t,t0)t0t0tAB++-abURCuR1R2R3R利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢補償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個橋臂和橋路電源組成。設計時，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu),此時Uab=0,電橋?qū)x表讀數(shù)無影響。熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶軟件補償法熱電偶冷端溫度補償冷端溫度恒定t0：但t0不為0℃時，只需在采樣后加一個與冷端溫度對應的常數(shù)即可。冷端溫度t0波動：可利用熱敏電阻或其它傳感器把t0信號輸入計算機，按照運算公式設計一些程序，便能自動修正。后一種情況必須考慮輸入的采樣通道中除了熱電動勢之外還應該有冷端溫度信號，如果多個熱電偶的冷端溫度不相同，還要分別采樣，若占用的通道數(shù)太多，宜利用補償導線把所有的冷端接到同一溫度處，只用一個冷端溫度傳感器和一個修正t0的輸入通道就可以了。冷端集中，對于提高多點巡檢的速度也很有利。熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶測量單點溫度熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶測量兩點間溫度差(反極性串聯(lián))熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶測量多點的平均溫度(同極性并聯(lián)或串聯(lián))特點：當有一只熱電偶燒斷時，難以覺察出來。當然，它也不會中斷整個測溫系統(tǒng)的工作。優(yōu)點：熱電動勢大，儀表的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶并聯(lián)線路存在的缺點，可立即發(fā)現(xiàn)有斷路。缺點：只要有一支熱電偶斷路，整個測溫系統(tǒng)將停止工作。熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶同極性串聯(lián)同極性并聯(lián)應用一熱電偶結(jié)構(gòu)與種類AD594內(nèi)置放大器及溫度補償電路，如后接A/D轉(zhuǎn)換器，則可構(gòu)成數(shù)字溫度計。熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用熱電偶冷端溫度補償熱電偶測溫原理熱電偶應用二熱電偶結(jié)構(gòu)與種類熱電偶冷端溫度補償熱電偶實用測溫電路熱電偶的應用常用爐溫測量控制系統(tǒng)如圖所示。毫伏定值器給出給定溫度的相應毫伏值，熱電偶的熱電勢與定值器的毫伏值相比較，若有偏差則表示爐溫偏離給定值，此偏差經(jīng)放大器送入調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過晶閘管觸發(fā)器推動晶閘管執(zhí)行器來調(diào)整電爐絲的加熱功率，直到偏差被消除，從而實現(xiàn)控制溫度熱電偶測溫原理熱電偶熱電阻定義及結(jié)構(gòu)簡介熱電阻常用熱電阻熱電阻測量電路熱電阻應用熱電阻傳感器是利用導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。熱電阻廣泛用來測量－200～850℃范圍內(nèi)的溫度。標準鉑電阻溫度計的精確度高，作為實現(xiàn)國際溫標的標準儀器。電阻絲采用雙線并繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撐和絕緣作用。

熱電阻材料要求簡介熱電阻常用熱電阻熱電阻測量電路熱電阻應用對用于制造熱電阻材料的要求：具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率R-t關系最好成線性物理化學性能穩(wěn)定容易加工、價格盡量便宜等

目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。鉑熱電阻簡介熱電阻常用熱電阻熱電阻測量電路熱電阻應用鉑熱電阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應用。按IEC標準，鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200～850℃。鉑熱電阻的特性方程為：在-200～0℃的溫度范圍內(nèi)Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］在0～850℃的溫度范圍內(nèi)Rt=R0(1+At+Bt2)

A=3.97×10-13/℃

B=-5.85×10-7/℃2

C=-4.22×10-12/℃4

在ITS-90中常數(shù)為鉑熱電阻簡介熱電阻常用熱電阻熱電阻測量電路熱電阻應用-200～0℃：Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］0～850℃：Rt=R0(1+At+Bt2)可見：熱電阻在溫度t時的電阻值與0℃時的電阻值R0有關目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號亦有相應分度表，即Rt-t的關系表，這樣在實際測量中，只要測得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對應的溫度值。鉑熱電阻簡介熱電阻常用熱電阻熱電阻測量電路熱電阻應用熱電阻分度表，即Rt-t的關系表銅熱電阻簡介熱電阻常用熱電阻熱電阻測量電路熱電阻應用在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，可采用銅熱電阻進行測溫，它的測量范圍為-50～150℃。銅熱電阻在測量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關系幾乎是線性的，可近似地表示為：Rt=R0（1+αt）α=4.28×10-3/℃兩種分度號：Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。

銅熱電阻簡介熱電阻常用熱電阻熱電阻測量電路熱電阻應用銅熱電阻的分度表分度號：Cu50溫度/℃0102030405060708090電阻/Ω－050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13優(yōu)點：銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價格便宜。缺點：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100℃以上時容易氧化，因此只能用于低溫及沒有浸蝕性的介質(zhì)中。熱電阻內(nèi)部引線方式簡介熱電阻常用熱電阻熱電阻測量電路熱電阻應用用熱電阻傳感器進行測溫時，測量電路經(jīng)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(jié)果有較大的影響。熱電阻內(nèi)部引線方式有二線制、三線制和四線制三種。熱電阻測量電路簡介熱電阻常用熱電阻熱電阻測量電路熱電阻應用兩線制引線方式簡單、費用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差。適于引線不長、測溫精度要求較低的場合。三線制用于工業(yè)測量，一般精度。

四線制實驗室用，高精度測量。

熱電阻應用簡介熱電阻常用熱電阻熱電阻測量電路熱電阻應用電路調(diào)試用標準電阻箱代替?zhèn)鞲衅?，在T=0℃，調(diào)節(jié)RP1，使輸出U0=0V；在T=120℃，調(diào)節(jié)RP2，使使輸出U0=2V高精度溫度測量電路，測量范圍0-120℃，對應輸出U0為0-2V，可接入單片機做顯示或控制用。三線制接入電橋

信號放大

低通濾波

熱敏電阻定義簡介熱敏電阻熱敏電阻溫度特性熱敏電阻應用熱敏電阻是利用半導體（某些金屬氧化物如NiO,MnO2,CuO,TiO2)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。一般測溫范圍：－50~＋300℃熱敏電阻分類簡介熱敏電阻熱敏電阻溫度特性熱敏電阻應用1．正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）PositiveTemperatureCoefficient

2．負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）NegativeTemperatureCoefficient

3．突變型負溫度系數(shù)熱敏電阻器（CTR）

ChopTemperatureResistor熱敏電阻溫度特性簡介熱敏電阻熱敏電阻溫度特性熱敏電阻應用大多數(shù)：負溫度系數(shù)。熱敏電阻在不同值時的電阻－溫度特性，溫度越高，阻值越小，且有明顯的非線性。NTC熱敏電阻具有很高的負電阻溫度系數(shù)，特別適用于：－100～＋300℃之間測溫。PTC熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，且有斜率最大的區(qū)域，當溫度超過某一數(shù)值時，其電阻值朝正的方向快速變化。其用途主要是彩電消磁、各種電器設備的過熱保護等。CTR也具有負溫度系數(shù)，但在某個溫度范圍內(nèi)電阻值急劇下降，曲線斜率在此區(qū)段特別陡，靈敏度極高。主要用作溫度開關。各種熱敏電阻的阻值在常溫下很大，不必采用三線