熱電勢傳感器

第8章熱電式傳感器熱電式傳感器的定義：熱電式傳感器是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置，它利用敏感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化而變化的特性來達到測量目的。下頁返回圖庫第8章熱電式傳感器8.1熱電阻8.2熱電偶8.3熱敏電阻本章要點下頁上頁返回圖庫8.1熱電阻熱電阻測溫的基礎：電阻率隨溫度升高而增大，具有正的溫度系數(shù)特點:精度高，適宜于測低溫下頁上頁返回8.1.1熱電阻的材料及工作原理圖庫8.1.1熱電阻的材料及工作原理鉑電阻:精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠。銅電阻:鉑是貴金屬，價格昂貴，因此在測溫范圍比較小(-50～+150℃)的情況下，可采用銅制成的測溫電阻，稱銅電阻。鐵電阻和鎳電阻鐵和鎳:這兩種金屬的電阻溫度系數(shù)較高、電阻率較大，故可作成體積小，靈敏度高的電阻溫度計，其缺點是容易氧化，化學穩(wěn)定性差，不易提純，復制性差，而且電阻值與溫度的線性關(guān)系差。下頁上頁返回圖庫熱電阻工作原理：溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導體時的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。熱電阻的材料要求：電阻溫度系數(shù)要大；電阻率盡可能大，熱容量要小，在測量范圍內(nèi)，應具有穩(wěn)定的物理和化學性能；電阻與溫度的關(guān)系最好接近于線性；應有良好的可加工性，且價格便宜。R1R2R3Rtr1r3r2EABM圖8-1熱電阻測溫電橋的三線連接法1.三線式電橋連接法Rt為熱電阻,r1

、r2、r3為引線電阻,R1

、R2為兩橋臂電阻,R1=R2,R3為調(diào)整電橋的精密電阻。M表內(nèi)阻很大，故電流近似為零。當UA=UB時電橋平衡。若使r1=r2,則R3=Rt,就可消除引線電阻的影響。8.1.2測量電路2.四線式電橋連接法圖8-2熱電阻測溫電橋的四線連接法調(diào)零的電位器的接觸電阻和指示電表串聯(lián)，接觸電阻的不穩(wěn)定不會破壞電橋的平衡和正常工作狀態(tài)。8.2熱電偶熱電偶作為敏感元件優(yōu)點為：①結(jié)構(gòu)簡單：其主體實際上是由兩種不同性質(zhì)的導體或半導體互相絕緣并將一端焊接在一起而成的；②具有較高的準確度；③測量范圍寬，常用的熱電偶，低溫可測到-50℃，高溫可以達到1600℃左右，配用特殊材料的熱電極，最低可測到-180℃，最高可達到+2800℃的溫度；④具有良好的敏感度；⑤使用方便等。下頁上頁返回圖庫8.2熱電偶熱電效應熱電偶基本規(guī)律熱電偶材料及常用熱電偶熱電偶測溫電路熱電偶參考端溫度下頁上頁返回圖庫8.2.1熱電效應

熱電效應或塞貝克效應：

兩種不同的導體或半導體A和B組合成如圖所示閉合回路，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。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應。下頁上頁返回圖庫圖8-3熱電效應示意圖

固定溫度的接點稱基準點（冷端）T0

，恒定在某一標準溫度；待測溫度的接點稱測溫點（熱端）T，置于被測溫度場中。

這種將溫度轉(zhuǎn)換成熱電動勢的傳感器稱為熱電偶，金屬稱熱電極。測溫過程：只要知道一端結(jié)點溫度，就可以測出另一端結(jié)點的溫度?；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。工作原理1.接觸電勢接觸電勢原理圖+ABTeAB(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在溫度為T時的電子密度。接觸電勢的大小與溫度高低及導體中的電子密度有關(guān)。2.溫差電勢AToTeA(T,To)溫差電勢原理圖eA(T，T0)——導體A兩端溫度為T、T0時形成的溫差電動勢；T，T0——高低端的絕對溫度；σA——湯姆遜系數(shù)，表示導體A兩端的溫度差為1℃時所產(chǎn)生的溫差電動勢，例如在0℃時，銅的σ=2μV/℃。3.回路總電勢ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)圖8-7熱電偶回路的總熱電勢若T＞T0，則存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，回路總電勢：NAT、NAT0——導體A在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度；NBT、NBT0——導體B在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度；σA

、σB——導體A和B的湯姆遜系數(shù)。（8-9）8.2.1熱電效應

由式(8-9)可得出以下結(jié)論：①如果熱電偶兩電極材料相同，則雖兩端溫度不同(T≠T0)。但總輸出電勢仍為零。因此必須由兩種不同的材料才能構(gòu)成熱電偶。②如果熱電偶兩結(jié)點溫度相同，則回路中的總電勢必等于零由上述分析知，熱電勢的大小只與材料和兩端結(jié)點溫度有關(guān)，與熱電偶的長度、粗細、形狀無關(guān)。下頁上頁返回圖庫8.2.2熱電偶基本規(guī)律中間導體定律標準電極定律連接導體定律和中間溫度定律下頁上頁返回圖庫8.2.2熱電偶基本規(guī)律下頁上頁返回圖庫圖8-8具有中間導體的熱電偶回路（1）中間導體定律

在熱電偶回路中，只要中間導體兩端的溫度相同，那么接入中間導體后，對熱電偶回路的總熱電勢無影響?？捎檬阶颖硎緸椋?.2.2熱電偶基本規(guī)律下頁上頁返回圖庫

（2）標準電極定律

如果兩種導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就可知。其熱電勢由下式求得圖8-9三種導體分別組成的熱電偶證明：8.2.2熱電偶基本規(guī)律下頁上頁返回圖庫（3）中間溫度定律

熱電偶在兩接點溫度分別為T、T0時的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度分別為T、Tn和接點溫度分別為Tn、T0時的相應熱電動勢的代數(shù)和。BBA

Tn

T

T0

AAB即：8.2.3熱電偶材料及常用熱電偶

對熱電偶的電極材料主要要求是：①配制成的熱電偶應具有較大的熱電勢，并希望熱電勢與溫度之間成線性關(guān)系或近似線性關(guān)系。②能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用．并且在長期工作后物理化學性能與熱電性能都比較穩(wěn)定。③電導率要求高，電阻溫度系數(shù)要小。④易于復制，工藝簡單，價格便宜。標準化熱電偶有：鉑銠一鉑熱電偶、鎳鉻一鎳鋁熱電偶、鎳鉻考銅熱電偶及銅一康銅熱電偶等。標準化熱電偶的主要技術(shù)數(shù)據(jù)列于表8-2中。下頁上頁返回圖庫8.2.4熱電偶測溫電路

熱電偶直接與指示儀表配用熱電偶與動圈式儀表連接，如圖8-11所示。這時流過儀表的電流不僅與勢電勢大小有關(guān)，而且與測溫回路的總電阻有關(guān)，因此要求回路總電阻必須為恒定值，即Rr+Rc+RG=常數(shù)（8-14）式中Rr—熱電偶電阻；Rc—連接導線電阻；RG—指示儀表的內(nèi)阻這種線路常用于測溫精度要求不高的場合，因其結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。下頁上頁返回圖庫8.2.4熱電偶測溫電路串聯(lián)為了提高測量精度和靈敏度，也可將n支型號相同的熱電偶依次串接，如圖8-12所示。這時線路的總電勢為EG=E1+E2+…+En=nE（8-15）式中的E1，E2，…,En為單支熱電偶的熱電勢。顯然總電勢比單支熱電偶的熱電勢增大n倍。若每支熱電偶的絕對誤差為ΔE1，ΔE2，…,ΔEn，則整個串聯(lián)線路的絕對誤差為（8-16）下頁上頁返回圖庫8.2.4熱電偶測溫電路如果E1

=E2=…=

En=E則（8-17）故串聯(lián)電路的相對誤差為：

（8-18）

下頁上頁返回圖庫8.2.4熱電偶測溫電路并聯(lián)用若干個熱電偶并聯(lián)，測出各點溫度的算術(shù)平均值。如圖8-13所示。如果n支熱電偶的電阻值相等，則并聯(lián)電路總熱電勢為（8-19）

下頁上頁返回圖庫8.2.5熱電偶參考端溫度0℃恒溫法熱電偶參考端溫度為tn時的補正方法下頁上頁返回圖庫誤差產(chǎn)生原因：熱電偶分度表及根據(jù)分度表刻制的直讀式儀表，都以熱電偶參考端溫度等于0度為條件的。所以使用時必須遵守該條件。如果參考端溫度不是0度，盡管被測溫度不變，熱電勢將隨參考端溫度變化而變化，因此要測得真實溫度就必須進行修正或采取補償措施。措施：8.2.5熱電偶參考端溫度（1）0℃恒溫法

把冰屑和清潔的水相混合，放在保溫瓶中，并使水面略低于冰屑面，然后把熱電偶的參考端置于其中，在一個大氣壓的條件下，即可使冰水保持在0℃，這時熱電偶輸出的熱電勢與分度值一致。實驗室中通常使用這種辦法。近年來，已生產(chǎn)一種半導體致冷器件，可恒定在0℃。下頁上頁返回圖庫8.2.5熱電偶參考端溫度（2）熱電偶參考端溫度為tn時的補正方法

1、熱電勢補正法2、溫度補正法3、調(diào)整儀表起始點法

4、熱電偶補償法

5、電橋補償法

下頁上頁返回圖庫圖8-16熱電偶特性曲線8.3熱敏電阻下頁上頁返回圖庫熱敏電阻是利用半導體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實現(xiàn)測溫的。半導體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動態(tài)特性好，特別適于在-100℃～300℃之間測溫。熱敏電阻的缺點是互換性較差，另外其熱電特性是非線性的。8.3熱敏電阻8.3.1熱敏電阻的主要特性8.3.2熱敏電阻的特性線性化8.3.3熱敏電阻的應用舉例下頁上頁返回圖庫8.3.1熱敏電阻的主要特性下頁上頁返回圖庫熱敏電阻主要有三種類型，即正溫度系數(shù)型(PTC)、負溫度系數(shù)型(NTC)、和臨界溫度系數(shù)型(CTR)。1081021041060三類熱敏電阻的溫度特性溫度（℃）電阻（Ω）NTCCTRPTC4080120160180對于大多數(shù)熱敏電阻，它的溫度系數(shù)均為負值?？梢奀TR臨界熱敏電阻有一突變溫度，此特性可用于自動控溫和報警電路中。8.3.1熱敏電阻的主要特性一、電阻-溫度特性電阻與溫度之間的關(guān)系：式中A——與熱敏電阻尺寸形狀以及它的半導體物理性能有關(guān)的常數(shù)B——與半導體物理性能有關(guān)的常數(shù)T——熱敏電阻的絕對溫度。NTC的電阻—溫度關(guān)系的一般數(shù)學表達式為：為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25℃作為參考溫度（即T0=25℃），則NTC熱敏電阻器的電阻—溫度關(guān)系式：8.3.1熱敏電阻的主要特性下頁上頁返回圖庫二、伏安特性

伏安特性表征熱敏電阻在恒溫介質(zhì)下流過的電流I與其上電壓降U之間的關(guān)系。αβ

abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC熱敏電阻