熱電式傳感器

1、會計(jì)學(xué)1熱電式傳感器熱電式傳感器22、熱電效應(yīng)產(chǎn)生的原因 產(chǎn)生熱電效應(yīng),這是因?yàn)楫a(chǎn)生了電動勢, 稱為熱電勢, 用 EAB( T ,T0 ) 表示. 通常把兩種不同的金屬的這種組合稱為熱電偶。 A和B - 熱電極溫度高一端(T) - 熱端或工作端溫度低一端(T0) - 冷端或自由端.33、熱電勢產(chǎn)生的原因熱電偶產(chǎn)生熱電勢是由珀?duì)柼?yīng)和湯姆遜效應(yīng)引起.珀?duì)柼?yīng) - 接觸電勢 A和B兩種金屬的自由電子的濃度不同, 假設(shè)nAnB, 那么金屬A和B接觸時, 在接觸處產(chǎn)生電子的擴(kuò)散. AB)(TEABu4 金屬 A 中的電子向 B 擴(kuò)散, 金屬A失去電子帶正電荷, B 金屬獲得電子帶負(fù)電荷, 在接觸處

2、產(chǎn)生內(nèi)電場, 該電場將阻礙擴(kuò)散運(yùn)動, 同時產(chǎn)生反擴(kuò)散運(yùn)動, 最終達(dá)到動態(tài)平衡, 產(chǎn)生珀?duì)柼妱?又稱接觸電勢, 用 EAB ( T ) 表示. AB)(TEABu5BAABnnekTTEln)(BAABnnekTTEln)(00由電子理論6湯姆遜效應(yīng) - 溫差電勢 任何一種金屬，當(dāng)其兩端溫度不同時，兩端的自由電子濃度也不相同。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。T0T),(0TTEAu7 因此，高溫端的自由電子要向低溫端擴(kuò)散,最后要達(dá)到動態(tài)平衡,高溫端失去電子而帶正電,而低溫端得到電子帶負(fù)電,從而在兩端形成溫差電勢,又稱為湯姆遜電勢,用EA( T,T0 ) 和E

3、B ( T,T0 ) 表示。 T0T),(0TTEAudTTTEdTTTETTBBTTAA00),(),(00-湯姆遜系數(shù)84、回路中總的熱電勢),(0TTEA),(0TTEB)(0TEAB)(TEABAB)()()()()()()()()(),(00000000TETEdTTEdTTEdTTETETTEABABTBAABTBAABTTBAABABAB9)()()()()()()()()(),(00000000TETEdTTEdTTEdTTETETTEABABTBAABTBAABTTBAABABAB4、結(jié)論( 1 ) 如果熱電偶兩個電極的材料相同，兩個結(jié)點(diǎn)溫度雖不相同，不會產(chǎn)生熱電勢；( 2

4、) 如果兩個電極的材料不同，但兩接點(diǎn)溫度相同，也 不會產(chǎn)生熱電勢；),(),(),(000TTETTETTEBAABAB10( 3 ) 當(dāng)熱電偶兩個電極的材料不同，且A、B固定后， 熱電勢EAB( T, T0 )便為兩接點(diǎn)溫度 T 和 T0 的函數(shù)， 即)()(),(00TETETTEAB一般 T0 保持不變, E( T0 )為常數(shù)EAB( T, T0 )為溫度 T 的函數(shù))()(),(0TcTETTEAB11 二、熱電偶的基本定律1、均質(zhì)導(dǎo)體定律 兩種均質(zhì)金屬組成的熱電偶，其熱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)，只與熱電極材料和兩端溫度有關(guān)。 如果材質(zhì)不均勻，則當(dāng)熱電極

5、上各處溫度不同時，將產(chǎn)生附加熱電勢，造成無法估計(jì)的測量誤差，因此，熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。12T0T2、中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中插入第三、四種導(dǎo)體，只要插入導(dǎo)體的兩端溫度相等，切插入導(dǎo)體是勻質(zhì)的，則無論插入導(dǎo)體的溫度分布如何，都不會影響原來熱電偶的熱電勢的大小。 因此，我們可以將毫伏表（一般為銅線）接入熱電偶回路，并保證兩個結(jié)點(diǎn)溫度一致，就可對熱電勢進(jìn)行測量，而不影響熱電偶的輸出。133、中間溫度定律 熱電偶在接點(diǎn)溫度為T，T0時的熱電勢等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為T，Tn和Tn，T0時相應(yīng)的熱電勢的代數(shù)和，即),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB若

6、 T0 = 0 ，則有)0 ,(),()0 ,(nABnABABTETTETE14 三、熱電偶冷端溫度及其補(bǔ)償熱電偶的分度表：設(shè)冷端的溫度 T0 0，繪成熱電勢 EAB( T ,T0 ) 與溫度 T 的關(guān)系表。1、冷端溫度修正法 冷端溫度 T0 不等于0時，但能保持恒定不變的情況，可采用修正法。15熱電勢修正法 冷端溫度 T0 不等于0而是某一恒定溫度 Tn ，輸出電動勢為 E ( T , Tn ) , 對其要修正為)0 ,(),()0 ,(nnTETTETE溫度修正法 冷端溫度 T0 , T/ 為儀表的指示溫度，被測的實(shí)際溫度 T 為0kTTTk - 熱電偶的修正系數(shù)162、冷端溫度自動補(bǔ)償

7、法電橋補(bǔ)償法 - 采用了冷端溫度補(bǔ)償器熱電偶cuR1R2R3RsREUab 冷端補(bǔ)償器內(nèi)有一個不平衡直流電橋，其輸出端串聯(lián)在熱電偶回路中。橋臂電阻R1，R2，R3和限流電阻Rs的電阻值幾乎不隨溫度變化。Rcu為銅電阻，其阻值隨溫度升高而增大。17 在某一溫度 T0 下，設(shè)計(jì)電橋處于平衡狀態(tài)，電橋輸出為零, 則 Uab = 0，該溫度稱為電橋平衡點(diǎn)溫度或補(bǔ)償溫度。此時補(bǔ)償電橋?qū)犭娕蓟芈返臒犭妱輿]有影響。熱電偶cuR1R2R3RsREUab)()(),(00TETETTEEAB18 當(dāng)環(huán)境溫度變化時，冷端溫度隨之變化，熱電偶的熱電勢值隨之變化E1 。 TTT00100),(),(ETTETTTE

8、ABAB 同時，Rcu的電阻值也隨環(huán)境溫度變化，使電橋失去平衡，有不平衡電壓 Uab = E2輸出。如果21EE那么整個回路的電勢保持不變, 即ETETEEETTEEAB)()(),(021019pn結(jié)冷端溫度補(bǔ)償法DWRumV0tt二極管冷端補(bǔ)償?shù)碾娐?其補(bǔ)償電壓u是由pn結(jié)端電壓VD通過電位器分壓得到的，pn結(jié)置于與熱電偶冷端相同的溫度t0中， u反向接入熱電偶測量回路。20)0 ,(),()0 ,(00tEttEtE等效電路)0 ,(tE)0 ,(0tEumV設(shè) E(t0,0) = k1t0, 式中k1為熱電偶在0附近的靈敏度。)0 ,()0 ,(),(00tEtEttE則熱電偶測量回路

9、的電勢為nutktEutEtEED010)0 ,()0 ,()0 ,(002 . 2 tuuD而且2101000010)2 . 2()0 ,(2 . 2)0 ,()0 ,()0 ,(tknnutEntutktEutEtEE令nk2 . 21回路的電勢nutEE0)0 ,( 可見，回路電勢與冷端溫度變化無關(guān)，只要用u0/n作相應(yīng)的修正，就可得到真實(shí)的熱電偶電勢E ( t, 0 )。22tAD590在冷端補(bǔ)償中的應(yīng)用 AD590是一個兩端器件，其輸出電流與絕對溫度成正比,通過電子采樣開關(guān)送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，存放在內(nèi)存單元中。這樣，電路就完成了對補(bǔ)償電勢的采樣。23 接著電路對測溫?zé)犭娕嫉?/p>

10、熱電勢進(jìn)行采樣，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機(jī)將該信號線性化后與內(nèi)存中的補(bǔ)償電勢相加，即得到真是的熱電勢值。t243、延引熱電極法TTT0T 一般恒溫裝置或補(bǔ)償器距被測對象較遠(yuǎn)，需要很長的熱電極把冷端引到這些裝置中，這對于貴金屬熱電偶是很不經(jīng)濟(jì)的?？梢杂帽容^便宜的，在0100 0 溫度范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)與工作熱電偶相近的導(dǎo)線代替貴金屬熱電極。這種導(dǎo)線常稱為延引電機(jī)、冷端延長線或冷端補(bǔ)償導(dǎo)線。25 由C、D組成的熱電偶與由A、B組成的工作熱電偶具有相同的熱電特性，即 ECD ( T,0 ) = EAB ( T,0 )，則由中間溫度定律可知，C、D的接入不會引起附加誤差。 應(yīng)用延伸導(dǎo)線時必須注意：(1) 不

11、同的熱電偶必須選用相應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線；(2) 延伸導(dǎo)線和熱電極連接處兩接點(diǎn)的溫度必須相同， 而且不可超過規(guī)定的溫度范圍(一般為0 100 0 )；(3) 采用延伸線只是移動了冷接點(diǎn)的位置，當(dāng)該處溫度 不為0時，仍須進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。26四、熱電偶的類型及結(jié)構(gòu)1、熱電極材料和熱電偶類型 熱電特性穩(wěn)定 【1】對熱電極材料的基本要求 熱電勢要足夠大，這樣易于測量熱電勢 熱電勢與溫度為單值關(guān)系，最好成線性關(guān)系 電阻溫度系數(shù)和電阻率要小 物理性能穩(wěn)定，化學(xué)成分均勻，不易氧化和腐蝕 材料的復(fù)制性好 材料的機(jī)械強(qiáng)度要高27【2】 熱電偶類型標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶鉑銠10鉑熱電偶（WRLB）（分度號：LB-3） 優(yōu)點(diǎn)：熱電

12、特性穩(wěn)定，測溫準(zhǔn)確度高，容易獲得純凈的 鉑和理想的鉑銠合金，熔點(diǎn)高，便于復(fù)制，可作 基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。缺點(diǎn)：熱電勢較低，價格昂貴，不能用于金屬蒸汽和還 原性氣體中。 分度號：分度表的代號，分為S 、R、B、K、J、T、N28優(yōu)點(diǎn)：比鉑銠10鉑熱電偶具有更高的測量上限（ 1800），更好的穩(wěn)定性和更高的機(jī)械強(qiáng)度，室 溫下熱電勢比較少，因此許多情況下不需要參考 端補(bǔ)償和修正，可作標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。缺點(diǎn)：熱電勢小，要配更高靈敏度和更高精度的儀表。 鉑銠30鉑銠6熱電偶（WRLL）（分度號：LL-2）29優(yōu)點(diǎn)：熱電勢較大，熱電勢與溫度的關(guān)系很接近線性關(guān) 系，有較強(qiáng)的抗氧化性和抗腐蝕性。化學(xué)穩(wěn)定性 好，復(fù)制性

13、好，價格便宜，可選取其中較好的作 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。缺點(diǎn)：測量精度比鉑銠10鉑熱電偶低，熱電勢穩(wěn)定性 也較差。 鎳鉻鎳硅或鎳鉻鎳鉛熱電偶（WREU）（分度號EU-2）30優(yōu)點(diǎn)：熱電勢較大，電阻率小，適用于還原性和中性氣 氛下測溫，價格便宜。缺點(diǎn)：測量上限較低。 鎳鉻考銅熱電偶（WREA）（分度號：EA-2）優(yōu)點(diǎn)：熱電勢大，容易復(fù)制，價格低，可作二等標(biāo)準(zhǔn)儀 器。缺點(diǎn)：在高溫下銅極易氧化，故不宜在氧化性氣氛中工 作，較適用于低溫和超低溫測量。 銅康銅熱電偶（分度號：CK）31非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 測溫上限受絕緣材料的限制，一般可測到2400高溫，采用鎢錸合金代替鈍鎢和鈍錸，熱電偶的性能可得到改善。 鐵康銅熱電

14、偶 測溫上限為600（長期），溫度與熱電勢的線性關(guān)系好，靈敏度高，但鐵極易生銹。鎢鉬熱電偶 測溫上限2100，但容易氧化，在使用中要加石墨保護(hù)管，使熱電偶的熱惰性增大。鎢錸系熱電偶322、熱電偶結(jié)構(gòu)普通型熱電偶熱端33鎧裝熱電偶單芯結(jié)構(gòu)碰底型不碰底型露頭型帽型34小慣性熱電偶35五、熱電偶的測量及標(biāo)定1、熱電偶的測量伺服式溫度表xEBEBCGEtRHRBRabBiiI開關(guān)合向C時RiIREabx 伺服式溫度表是根據(jù)自平衡式電位差計(jì)的原理工作的。36xEBEBCGEtRHRBRabBiiI 檢流計(jì)G指示為 i ,移動觸點(diǎn)b，使檢流計(jì)指零（即i=0）時,系統(tǒng)達(dá)到平衡，即有 abxIRE 電流 I

15、和電阻 Rab 已知時,則可以用可變電阻觸點(diǎn)b的位置標(biāo)明被測電勢數(shù)值。 372、熱電偶的標(biāo)定 標(biāo)定的目的是核對標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電勢溫度關(guān)系是否符合標(biāo)準(zhǔn)，或確定非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電勢溫度標(biāo)定曲線，標(biāo)定方法有定點(diǎn)法和比較法（分為雙極法和單極法），下面主要介紹雙極法。38手工標(biāo)定 標(biāo)定鉑銠鉑熱電偶時，將標(biāo)準(zhǔn)電偶與被標(biāo)定熱電偶的工作端，用鉑絲捆扎在一起，插到管式爐內(nèi)的均勻溫度場中，冷端分別插在0的恒溫器中。用自耦變壓器1調(diào)節(jié)爐溫，當(dāng)爐溫到達(dá)所需的定標(biāo)定溫度點(diǎn)10內(nèi)，且爐溫變化每分鐘不超過0.2時，就可讀數(shù)。每一個標(biāo)點(diǎn)溫度的讀數(shù)不得少于四次。 39自動標(biāo)定tEBEEtt 同時測量電爐溫度t，分別輸出熱電勢EB

16、和Et，在減法器內(nèi)被比較得電勢差值 E = EtEB , E 輸入記錄儀進(jìn)行記錄。 同型號熱電偶的自動標(biāo)定 40不同型號熱電偶的自動標(biāo)定 tEBEttBEE 用標(biāo)準(zhǔn)鉑銠熱電偶標(biāo)定賤金屬熱電偶，兩者的熱電勢不能直接比較，因此，由函數(shù)發(fā)生器將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶輸出的熱電勢E/B轉(zhuǎn)換為EB，然后輸入減法器與Et相比較。41 程序控制器包括升溫指示器、恒溫時間控制器和記錄控制器三部分。其作用是在標(biāo)定過程中，諸如電爐的升溫、恒溫、標(biāo)定結(jié)果的顯示、記錄及轉(zhuǎn)換和工作結(jié)束后自動切斷電源等一系列動作，能夠按預(yù)先給定的程序自動進(jìn)行。 42微機(jī)全自動檢定系統(tǒng) 應(yīng)用微機(jī)實(shí)現(xiàn)的熱電偶全自動檢定系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)自動控溫、自動檢測和自

17、動處理數(shù)據(jù)。 自動控制爐溫：在升溫段，控制量取一固定值，其大小與將要升到的檢定點(diǎn)溫度有關(guān)，以得到一個合適的升溫率。當(dāng)爐溫將升到檢定點(diǎn)溫度時，通過一個預(yù)測爐溫在預(yù)定慣性時間內(nèi)能否達(dá)到檢定點(diǎn)溫度的判別式，決定控制量控制量是否取零（即停止加溫）；停止加溫后，爐溫借熱慣性繼續(xù)上升，但其變化率由其某個正值越來越小，在變化率小至將近零值時，采用PC控制律（或非線性控制律）恒溫，使?fàn)t溫維護(hù)不變。 43第二節(jié) 熱電阻 有些溫度傳感器是利用熱電阻和熱敏電阻的電阻率溫度系數(shù)而制成的。大多數(shù)金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體的電阻率都隨溫度發(fā)生變化，都稱為熱電阻，純金屬有正的溫度系數(shù)，半導(dǎo)體有負(fù)的溫度系數(shù)。一、金屬熱電阻1、工作原理

18、、結(jié)構(gòu)和材料熱電阻隨溫度變化的特征方程)(1 00ttRRt：熱電阻的電阻溫度系數(shù)44選作感溫元件的材料應(yīng)滿足要求 ：材料的電阻溫度系數(shù)要大 在測溫度范圍內(nèi)，材料的物理、化學(xué)性質(zhì)應(yīng)穩(wěn)定 在測溫范圍內(nèi)，溫度系數(shù)保持常數(shù)，便于實(shí)現(xiàn)溫度表的線性刻度特性 具有比較大的電阻率，以利于減少熱電阻的體積，減小熱慣性 特性復(fù)現(xiàn)性好，容易復(fù)制 45【1】鉑熱電阻 鉑電阻與溫度的關(guān)系： )1 (20BtAtRRt)100(1 (320ttCBtAtRRt)755.6300(Ct)0190(CtC46鉑熱電阻的構(gòu)造47【2】銅熱電阻 )(1 000ttRRt銅電阻與溫度的關(guān)系是線性的Rt482、金屬熱電阻的測量電路

19、1R2R3RtRaR2r1rgrE 由于熱電阻的電阻值很小，所以導(dǎo)線電阻值不可忽視 , 取 31RR 電阻為r1和r2的導(dǎo)線完全相同.熱電阻三線測溫電橋49Ra 為調(diào)整電橋的精密電阻,調(diào)節(jié)使電橋平衡若221RrRRrta就可消除引線電阻的影響。 1R2R3RtRaR2r1rgrE熱電阻三線測溫電橋501R2R3RtRaR2r1rE21RR 取321RrRRrta熱電阻三線測溫電橋 調(diào)零Ra 電位器的接觸電阻和電橋臂的電阻相連,可導(dǎo)致電橋的零點(diǎn)不穩(wěn)511R2R3RtRaRE熱電阻四線測量電路 調(diào)零Ra 電位器的接觸電阻和檢流計(jì)出來串聯(lián),接觸電阻的不穩(wěn)定不會可導(dǎo)致電橋的零點(diǎn)不穩(wěn).52二、半導(dǎo)體熱敏

20、電阻/電阻溫度/負(fù)溫度系數(shù)(NTC)正溫度系數(shù) (PTC)臨界溫度系數(shù)(CTR)1 、熱敏電阻分為三種類型532、熱敏電阻的主要特性溫度特性TBTAeR dTdRRTTT1熱敏電阻的溫度系數(shù)定義為0011expTTBRRT21TBdTdRRTTT543、熱敏電阻的主要參數(shù)標(biāo)稱電阻值RH ,即環(huán)境溫度（250.2）時測得的電阻值，又稱冷電阻 電阻溫度系數(shù)耗散系數(shù)H 熱容量C 能量靈敏度G 時間常數(shù) 55第三節(jié) 晶體管和集成溫度傳感器一、PN結(jié)溫度傳感器1、溫敏二極管（1）工作原理)exp()exp(kTqUETBkTqUIIgoS 正向電流 I 與正向電壓 U 和溫度 T 之間的關(guān)系可表示為56

21、ITBqkTUIIqkTUgoSln)ln(qEUgogo 二極管的正向電壓U與溫度T之間的關(guān)系：在一定的電流下，其正向電壓隨溫度的升高而降低，故呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)。57（2）基本特性（UF - T）關(guān)系A(chǔ)IF100mVUF/T常數(shù))ln(SIIqkdTdU582、溫敏三極管(1) 基本原理 晶體管的T - UBE關(guān)系比二極管的T U 關(guān)系更符合理想情況，所以表現(xiàn)出更好的電壓-溫度線性關(guān)系。 根據(jù)晶體管的有關(guān)理論可以證明，NPN晶體管的發(fā)射極電流密度Je與溫度 T 的函數(shù)關(guān)系為 )(lnsesebeJJJJqkTU若 Je 恒定，則UBE僅隨溫度 T 成單調(diào)單值函數(shù)變化。593、集成溫度傳感器 集

22、成電路溫度傳感是將溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一芯片的集成化溫度傳感器。 (1) 基本原理 集成溫度傳感器均用差分電路形式，使其直接給出正比于絕對溫度的嚴(yán)格的線性輸出。 60T1 和T2 滿足下列條件 lnln2121qkTJJqkTUUUeebebebe1I2IbeU1R1T2T2R常數(shù)）(,212121eessJJJJ 電阻 R1 上的電壓應(yīng)為T1和T2的基極-發(fā)射極電壓差61lnqkTUBEln11qRkTRUIbe由“+”端到“-”端流過電路的總電流為reRTkIIln221001T2T3T4T1RI0I(2) 電流鏡 PTAT 核心電路BG3、BG4具有完全相同的結(jié)構(gòu)和性能，始終保

23、證21eeII62（3）電壓型PTAT電路 在電流鏡PTAT電路上增加一個與T3，T4相同性質(zhì)的PNP晶體管T5和一只電阻R2，就構(gòu)成了一種電壓輸出型的集成溫度傳感器的基本電路。 由于T5的發(fā)射極電壓與T3，T4相同，所以流過T5和R2支路的電流與另兩支電流相等，即1T2T3T4T5ToUI2R1RIII63因此輸出電壓為ln1222qkTRRIRRIUo1T2T3T4T5ToUI2R1RI64(1) 電壓型集成溫度傳感器典型的有LM135、LM235、LM335系列。 主要性能指標(biāo)：工作溫度范圍：- 55+150、- 40+125和 - 10+100靈敏度：10mV/K4 、集成溫度傳感器的

24、應(yīng)用65(2) 電流型集成溫度傳感器 典型的AD590電流型集成溫度傳感器。：、119TT產(chǎn)生基射電壓正比于絕對溫度的三極管：、65RR使電壓轉(zhuǎn)換為電流1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T1R2R3R4R5R6RITkITTk：標(biāo)度因子66AD590的主要特征# 線性電流輸出# 寬溫度范圍: - 55+150# 精度高# 線性好# 電源范圍寬67測量溫度AD590是一個兩端器件681TI2TI)(1212TTkIIITTT)(1233TTRkIRUTo測量溫差69TuTu溫度平均值、最低值的測量70思考題1. 熱電偶的基本定律2.熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?.熱電偶的測量及標(biāo)定的方法4. 金屬熱電阻的測量電路5. 熱敏電阻類型6. AD590的典型應(yīng)用71 金屬 A 中的電子向 B 擴(kuò)散, 金屬A失去電子帶正電荷, B 金屬獲得電子帶負(fù)電荷, 在接觸處產(chǎn)生內(nèi)電場, 該電場將阻礙擴(kuò)散運(yùn)動, 同時產(chǎn)生反擴(kuò)散運(yùn)動, 最終達(dá)到動態(tài)平衡, 產(chǎn)生珀?duì)柼妱?又稱接觸電勢, 用 EAB ( T ) 表示. A