第八章 熱電式傳感器

1、第8章 熱電式傳感器l 熱電式傳感器是將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏孔兓难b置；l 用熱電偶可以將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱莸淖兓?；l 用熱電阻可以將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮璧淖兓?.1 熱電偶8.1.1 熱電偶的特點(diǎn)l 熱電偶可以將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱莸淖兓籰 熱電偶可測1001300度的溫度范圍，特殊的熱電偶還可測更低和更高的溫度；l 熱電偶可用于測量局部溫度；l 熱電偶的信號可以遠(yuǎn)距離傳輸，便于集中處理和自動記錄；l 熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，精度高，熱慣性小等優(yōu)點(diǎn)。8.1.2 熱電效應(yīng)l 1823年塞貝克發(fā)現(xiàn)了熱電效應(yīng)：由兩種不同的金屬組成的閉合回路中，當(dāng)兩種金屬兩個接觸點(diǎn)溫度不同時，回路中就要產(chǎn)生熱電

2、勢，這個稱為塞貝克電勢。 B A l 熱電偶就是由兩種不同的金屬組成的閉合回路；l 塞貝克電勢： 稱為熱電勢率或塞貝克系數(shù) 和與AB兩種材料有關(guān)8.1.3 珀?duì)柼麩犭娦?yīng)原理l 珀?duì)柼妱荩ń佑|電勢）的產(chǎn)生：A B 電子濃度大 電子濃度小 擴(kuò)散 漂移 電子濃度大使電子產(chǎn)生從A到B的擴(kuò)散運(yùn)動； 擴(kuò)散運(yùn)動產(chǎn)生電勢，并逐漸增長； 電勢使電子產(chǎn)生從B到A的漂移運(yùn)動，逐漸增長，漂移運(yùn)動也就逐漸增強(qiáng)； 漂移運(yùn)動逐漸增強(qiáng)到抵消擴(kuò)散運(yùn)動，最終達(dá)到動態(tài)平衡，使電勢不變。l 擴(kuò)散運(yùn)動產(chǎn)生于電子熱運(yùn)動，溫度越高電子熱運(yùn)動越強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動強(qiáng)，抵消擴(kuò)散運(yùn)動的漂移運(yùn)動也要求越大，從而珀?duì)柼妱菀簿涂梢栽鲩L得越大，l 珀?duì)柼?/p>

3、電勢：接觸點(diǎn)絕對溫度；：波爾茲曼常數(shù)；：電子電量；：材料的自由電子密度。8.1.4 湯姆遜熱電效應(yīng)原理l 湯姆遜電勢（溫差電勢）的產(chǎn)生： 擴(kuò)散 漂移 導(dǎo)體A兩端溫度差使電子產(chǎn)生從到的擴(kuò)散運(yùn)動； 擴(kuò)散運(yùn)動產(chǎn)生電勢，并逐漸增長； 電勢使電子產(chǎn)生從到的漂移運(yùn)動，逐漸增長，漂移運(yùn)動也就逐漸增強(qiáng)； 漂移運(yùn)動逐漸增強(qiáng)到抵消擴(kuò)散運(yùn)動，最終達(dá)到動態(tài)平衡，使電勢不變。l 擴(kuò)散運(yùn)動產(chǎn)生于電子熱運(yùn)動，導(dǎo)體A兩端溫度差越高電子熱運(yùn)動越強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動強(qiáng)，抵消擴(kuò)散運(yùn)動的漂移運(yùn)動也要求越大，從而湯姆遜電勢也就可以增長得越大。l 導(dǎo)體的湯姆遜電勢：， 方向與溫度下降方向相同 稱為湯姆遜系數(shù)。 與導(dǎo)體A的材料性質(zhì)和兩端的平均溫度

4、有關(guān)； 與導(dǎo)體的幾何形狀無關(guān)。 與導(dǎo)體的溫度分布無關(guān)。8.1.5 熱電偶的電勢l 熱電偶的電勢： B A l 熱電偶兩電極材料相同，兩接點(diǎn)溫度即使不同，熱電偶的電勢也為零l 熱電偶的電勢只與兩接點(diǎn)的溫度的函數(shù)，兩接點(diǎn)溫度相同時，熱電偶的電勢為零 l 固定熱電偶一接點(diǎn)的溫度，熱電偶的電勢是熱電偶另一接點(diǎn)溫度的單值函數(shù)。l 熱電偶的測量電壓。 B A C 8.1.6 熱電偶的基本定律l 勻質(zhì)導(dǎo)體定律：兩種勻質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其電勢大小與熱電極直徑、長度及沿?zé)犭姌O長度上的溫度分布無關(guān)，只與熱電材料和兩端溫度有關(guān)，當(dāng)導(dǎo)體不均勻時，熱電極上溫度的不同將產(chǎn)生附加熱電勢，加熱電勢是造成熱電偶測量的誤差，因

5、此導(dǎo)體均勻是熱電偶質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。l 中間導(dǎo)體定律：在熱電偶中插入第三、第四等等導(dǎo)體時，只要插入導(dǎo)體均勻且兩端溫度，無論插入導(dǎo)體上的溫度分布如何，熱電偶的電勢不變，這為測量電路提供了方便。l 中間溫度定律：設(shè)熱電偶兩端溫度分別為、和，其熱電勢分別為、和，則有8.1.7 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償l 熱電偶的分度表或分度曲線：熱電偶在冷端溫度為標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下的電勢可以得到熱電偶的分度表或分度曲線是 l 熱電勢修正法：冷端溫度不是恒定的標(biāo)準(zhǔn)溫度，而是恒定的溫度時，采用冷端熱電勢修正得實(shí)際溫度。 l 溫度修正法：冷端溫度不是恒定的標(biāo)準(zhǔn)溫度，而是恒定的溫度時，采用冷端熱電偶修正系數(shù)得實(shí)際溫度。 補(bǔ)償器 0

6、 電橋自動補(bǔ)償法：l 補(bǔ)償器等效電路 l pn結(jié)自動補(bǔ)償法：溫度升高時，pn結(jié)的電壓將線性下降，在范圍，溫度系數(shù)為,它可以很好地用于溫度補(bǔ)償，采用二極管做冷端補(bǔ)償，精度可達(dá),采用三極管做冷端補(bǔ)償，精度可達(dá)。 l 熱引電極補(bǔ)償法：AB與CD在溫度范圍熱電性接近測量電路 冷端 冷端移動 B 8.2 熱電阻8.2.1 熱電阻l 熱電阻有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻；l 熱電阻的溫度測量范圍一般為-200，特別的可以低溫達(dá)，高溫達(dá)1000。8.2.2 金屬熱電阻l 金屬熱電阻的特性方程： ：特性方程 ：是熱電阻在溫度溫度為時的電阻值； ：是熱電阻的溫度系數(shù)，是溫度的函數(shù)； ：溫度在附近變化時，近似為常數(shù)。

7、l 金屬熱電阻的溫度系數(shù)一般為正溫度系數(shù)；l 金屬熱電阻的材料： 常用材料有：鉑、銅、鐵、鎳； 在測溫范圍內(nèi)，它們的物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定； 在測溫范圍內(nèi)，它們的溫度系數(shù)較大，純金屬的溫度系數(shù)大于合金，一般采用純金屬； 在測溫范圍內(nèi)，它們的溫度系數(shù)為常數(shù)，便于應(yīng)用； 在測溫范圍內(nèi)，它們有較大的電阻率，可減小電阻體積和熱慣性； 它們的特性復(fù)現(xiàn)性好，便于復(fù)制。8.2.3 半導(dǎo)體熱敏電阻l 半導(dǎo)體熱敏電阻溫度系數(shù)一般大于金屬熱電阻；l 半導(dǎo)體熱敏電阻溫度系數(shù)有正溫度系數(shù)(PTC)，臨界溫度系數(shù)(CTR)和負(fù)溫度系數(shù)(NTC)三類；l 正溫度系數(shù)(PTC) 熱敏電阻，其溫度系數(shù)隨溫度上升而曾大，主要用于彩

8、電消磁、各種電器設(shè)備的過熱保護(hù)、發(fā)熱源的定溫控制、電路或設(shè)備的限流等；l 臨界溫度系數(shù)(CTR) 熱敏電阻，其溫度系數(shù)在某個溫度點(diǎn)上發(fā)生劇烈變化，主要用于溫度開關(guān)；l 負(fù)溫度系數(shù)(NTC) 熱敏電阻，其溫度系數(shù)很大，主要用點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、溫場等的測量，特別適用于，之間的測溫，還廣泛用于自動控制和電路的熱補(bǔ)償中；8.2.4 半導(dǎo)體熱敏電阻溫度特性（負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體）l 指數(shù)溫度特性： ：指數(shù)特性方程； ：絕對溫度； ：由材料的幾何形狀、工作方式和特性決定的常數(shù) 可以由兩個溫度下的電阻值決定； , ,一般取,l 線性溫度特性 ：線性特性方程 ：參考溫度，一般?。?：額定電阻，一般取； ：熱敏

9、電阻常數(shù)； ：熱敏電阻的溫度系數(shù)。8.2.5 半導(dǎo)體熱敏電阻伏安特性（負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體）l 在一定的環(huán)境溫度下，熱敏電阻的端電壓與電流的特性曲線叫熱敏電阻的伏安特性。l 在一定的環(huán)境溫度下，通過熱敏電阻的電流為小電流時，熱敏電阻的溫度基本等于環(huán)境溫度不變，此時，熱敏電阻的伏安特性為直線。l 在一定的環(huán)境溫度下，通過熱敏電阻的電流為大電流時，熱敏電阻的溫度不等于環(huán)境溫度，其溫度與環(huán)境溫度、電流、熱敏電阻周圍介質(zhì)散熱有關(guān)，也就是與環(huán)境溫度、電流、熱敏電阻周圍介質(zhì)散熱有關(guān)，即電壓與環(huán)境溫度、電流、熱敏電阻周圍介質(zhì)散熱有關(guān)，熱敏電阻的伏安特性為曲線。l 熱敏電阻通過大電流，熱敏電阻發(fā)熱，熱敏電阻周圍介

10、質(zhì)散熱，發(fā)熱等于散熱達(dá)到動態(tài)平衡，這個過程的時間為。l 在一定的環(huán)境溫度，一定電流下，熱敏電阻的電壓就只與熱敏電阻周圍介質(zhì)散熱有關(guān)，介質(zhì)散熱的快慢與介質(zhì)的流速有關(guān)，所以，熱敏電阻的電壓與介質(zhì)的流速有關(guān)，可利用它來測介質(zhì)的流速。8.2.6 半導(dǎo)體熱敏電阻的主要參數(shù)和特點(diǎn)l 標(biāo)稱電阻（冷電阻）：的電阻；l 電阻溫度系數(shù)：的溫度系數(shù)，單位：;l 耗散系數(shù)：單位時間、單位溫差（電阻溫度與環(huán)境溫度的差），電阻耗散流失的熱量，單位;l 熱容量：單位溫度變化（電阻溫度變化），電阻吸收或釋放的熱量，單位;l 能量靈敏度：電阻值變化，電阻所耗散的功率，單位,有關(guān)系式：l 時間常數(shù)：l 熱敏電阻溫度系數(shù)大、靈敏度

11、高、熱容量小、響應(yīng)速度快、分辨率高（可達(dá);l 熱敏電阻互換性差、熱電特性非線性大、其非線性可以用溫度系數(shù)小的電阻與熱電阻串聯(lián)或并聯(lián)進(jìn)行改善。8.2.7 電橋測量電路l 熱電阻測溫電橋的三線連接法1： 溫度變化不影響電橋狀態(tài) 溫度變化不影響電橋狀態(tài) 測溫?zé)犭娮?零點(diǎn)調(diào)節(jié) 探頭 觸點(diǎn)電阻將影響電橋狀態(tài) 電橋平衡條件： 零點(diǎn)電阻： 零點(diǎn)平衡調(diào)節(jié)： 測溫平衡調(diào)節(jié)： 溫度變化不影響電橋狀態(tài) 溫度變化不影響電橋狀態(tài) 測溫?zé)犭娮?零點(diǎn)調(diào)節(jié) 探頭 觸點(diǎn)電阻將影響電橋狀態(tài) l 熱電阻測溫電橋的三線連接法2：l 熱電阻測溫電橋的四線連接法： 溫度變化不影響電橋狀態(tài) 測溫?zé)犭娮?零點(diǎn)調(diào)節(jié) 探頭 觸點(diǎn)電阻將不影響電橋狀態(tài) l 熱電阻測溫性能穩(wěn)定，測量范圍廣，精度高，特別適合低溫測量；l 熱電阻測溫的電流不能太大，避免電流對熱電阻的加熱效應(yīng)，流過熱電阻的電流一般小于；l 熱電阻熱容量大，限制了它在溫度快速變化的動態(tài)測溫中的應(yīng)用；8.3 晶體管和集成溫度傳感器8.3.1 工作原理l 晶體管pn結(jié)的伏安特性與溫度有關(guān)：pn結(jié)正向電流，：pn結(jié)正向電壓：pn結(jié)反向飽和電流，：電子電荷：絕對溫度，：波爾