第七熱電式傳感器

第七熱電式傳感器第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)熱電偶傳感器第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一溫差熱電偶（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3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一一、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)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(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。第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一1．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5頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一（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

①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)。②只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體（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。③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。④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6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一2．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E，只要保證電位計與連接熱電偶處的接點溫度相等，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度表提供了依據(jù)。同時，可使用補償導(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7頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一（3）參考電極定律定律描述：當(dāng)結(jié)點溫度為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℃）=EAC（100℃，0℃）-EBC（100℃，0℃）=3.13mV-1.02mV=4.15mV第8頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一（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。①熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。②對于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，接點溫度分別為T1、T2、…、Tn，冷端溫度為零度的熱電勢。其熱電勢為：

第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一二、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：①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)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。②能測量較高的溫度，并在較寬的溫度范國內(nèi)應(yīng)用；③物理性能穩(wěn)定，導(dǎo)電性能好，熱容量要??；④化學(xué)性能穩(wěn)定，以保證在不同介質(zhì)中測量時不被腐蝕；⑤熱電性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時間改變；⑥機械性能好，材質(zhì)均勻；⑦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10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一2．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11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一3．熱電偶的分度表第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一4．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般為0.5～3.2mm；熱電偶的長度為350～2000mm。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實的組合體。其外徑一般為0.5～8mm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13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一三、熱電偶傳感器的應(yīng)用

1．熱電偶冷端的溫度補償（1）補償導(dǎo)線通常采用補償導(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影響，不起補償作用。補償導(dǎo)線：在一定溫度范圍內(nèi)（通常0~150℃），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14頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一（2）冷端溫度測量計算法

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算法需要保持冷端溫度恒定。在實驗室及精密測量中通常把冷端置于冰點槽中，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15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一（4）電橋補償法利用不平衡電橋產(chǎn)生的相應(yīng)電勢，以補償熱電偶由于冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化。強調(diào)：在使用此種補償器時，必須把顯示儀表的起始點調(diào)到的20℃位置。

第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一2．測量某點溫度

流過測溫毫伏表的電流為：

第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一3．測量兩點之間的溫度差將兩個同型號的熱電偶配用相同的補償導(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18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一4．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19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一5．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20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)熱釋電傳感器第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一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22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一一、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23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一2．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。如入侵報警用PZT陶瓷傳感器工作頻率為0.2～5Hz。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24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一二、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25頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一三、熱釋電傳感器的等效電路

熱釋電傳感器是一個電容性的低噪聲器件。其信號輸出電壓為：其響應(yīng)率（靈敏度）為：

Re—傳感器和前置放大器的等效輸入電阻；

Ce—傳感器和前置放大器的等效電容；

τe—電時間常數(shù)，τe=ReCe。

第26頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一

熱釋電傳感器ΔT、R與ω的對數(shù)關(guān)系曲線

1）ω=0時，響應(yīng)率為零

2）ω≠0時，

①響應(yīng)率隨角頻率增加而增加

響應(yīng)率為常數(shù)響應(yīng)率與角頻率成反比

第27頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一四、熱釋電傳感器的應(yīng)用

1．被動式熱釋電紅外探頭當(dāng)人體進(jìn)入檢測區(qū)時，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有信號輸出；若人體進(jìn)入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出，所以這種傳感器能檢測人體或者動物的活動。2．被動式熱釋電紅外探頭的結(jié)構(gòu)（圖）傳感器主要有外殼、濾光片、熱釋電元件