傳感器與檢測(cè)技術(shù)第二版陳潔黃鴻第十一章 熱電式傳感器(定稿)

電容傳感器測(cè)量電路分類(lèi)測(cè)量電路（轉(zhuǎn)換電路）調(diào)制型脈沖型調(diào)頻電路調(diào)幅電路---電流電橋（輸出交流信號(hào)）--------------直接通過(guò)低通濾波之后即可得到反映極板變化方向的直流信號(hào)2、二極管雙T形交流電橋（了解）如圖4-14示。

e是高頻電源，它提供了幅值為U的對(duì)稱(chēng)方波，VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管，固定電阻R1=R2=R，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。圖4-14二極管雙T形交流電橋

當(dāng)傳感器沒(méi)有輸入時(shí)，C1=C2。電路工作原理：當(dāng)e為正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止，于是電容C1充電，其等效電路如圖4-14（b）所示；在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容C1上的電荷通過(guò)電阻R1，負(fù)載電阻RL放電，流過(guò)RL的電流為I1。當(dāng)e為負(fù)半周時(shí)，VD2導(dǎo)通、VD1截止，則電容C2充電，其等效電路如圖4-14（c）所示；在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)，C2通過(guò)電阻R2，負(fù)載電阻RL放電，流過(guò)RL的電流為I2

。電流I1=I2，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)RL的平均電流為零。

若傳感器輸入不為0，則C1≠C2,I1≠I(mǎi)2,此時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)RL上的平均電流不為零，因此產(chǎn)生輸出電壓，輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)平均值為式中,f為電源頻率。當(dāng)RL已知，則測(cè)量電路輸出電壓與傳感器電容值之間關(guān)系為：

結(jié)論：輸出電壓Uo不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數(shù)。電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。當(dāng)U幅值較高，使二極管VD1、VD2工作在線(xiàn)性區(qū)域時(shí)，測(cè)量的非線(xiàn)性誤差很小。電路的輸出阻抗與電容C1、C2無(wú)關(guān)，而僅與R1、R2及RL有關(guān)，約為1~100kΩ。輸出信號(hào)的上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻。對(duì)于1kΩ的負(fù)載電阻上升時(shí)間為20μs左右，故可用來(lái)測(cè)量高速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。3、

脈沖寬度調(diào)制電路（了解）圖4-16脈沖寬度調(diào)制電路圖圖4-17脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形

電路各點(diǎn)波形如圖4-17（b）所示，此時(shí)uA、uB脈沖寬度不再相等，一個(gè)周期(T1+T2)時(shí)間內(nèi)的平均電壓值不為零。此uAB電壓經(jīng)低通濾波器濾波后，可獲得Uo輸出式中：

U1——觸發(fā)器輸出高電平；

T1、T2——Cx1、Cx2充電至Ur時(shí)所需時(shí)間。由電路知識(shí)可知（4-39）（4-40）將T1、T2代入式（4-38），得（4-41）把平行板電容的公式代入式（4-41），在變極板距離的情況下可得（4-42）式中,d1、d2分別為Cx1、Cx2極板間距離。當(dāng)差動(dòng)電容Cx1=Cx2=C0，即d1=d2=d0時(shí)，Uo=0；若Cx1≠Cx2，設(shè)Cx1>Cx2

，即d1=d0-Δd,d2=d0+Δd,則有（4-43）同樣，在變面積電容傳感器中，則有（5-44）

由此可見(jiàn)，差動(dòng)脈寬調(diào)制電路適用于變極板距離以及變面積差動(dòng)式電容傳感器，并具有線(xiàn)性特性，且轉(zhuǎn)換效率高，經(jīng)過(guò)低通放大器就有較大的直流輸出，調(diào)寬頻率的變化對(duì)輸出沒(méi)有影響。4交流電橋（理解）

引入原因：由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。由于供橋電源為交流電源，引線(xiàn)分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性，即相當(dāng)于兩只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個(gè)電容。交流電橋交流電橋輸出：電橋平衡條件：Uo=0，即Z1Z4=Z2Z3

交流電橋的平衡條件（實(shí)部、虛部分別相等）：

當(dāng)被測(cè)量變化引起Z1=Z10+ΔZ,Z2=Z20－ΔZ變化時(shí)（Z10=Z20=Z0），則電橋輸出為

溫度是諸多物理現(xiàn)象中具有代表性的物理量，現(xiàn)代生活中準(zhǔn)確的溫度是不可缺少的信息內(nèi)容，如家用電器有：電飯煲、電冰箱、空調(diào)、微波爐這些家用電器中都少不了溫度傳感器。概述溫度測(cè)量方法及分類(lèi)測(cè)量方法按感溫元件是否與被測(cè)介質(zhì)接觸,可以分成接觸式與非接觸式兩大類(lèi)。接觸式測(cè)溫方法是使溫度敏感元件和被測(cè)溫度對(duì)象相接觸,當(dāng)被測(cè)溫度與感溫元件達(dá)到熱平衡時(shí),溫度敏感元件與被測(cè)溫度對(duì)象的溫度相等。非接觸式測(cè)溫方法是應(yīng)用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。概述

溫度傳感器的種類(lèi)很多，如果按價(jià)格和性能可分為：熱膨脹溫度傳感器，有液體、氣體的玻璃式溫度計(jì)、體溫計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛；家電、汽車(chē)上使用的傳感器，價(jià)格便宜、用量大、成本低、性能差別不大；工業(yè)上使用的溫度傳感器，性能價(jià)格差別比較大，因?yàn)閭鞲衅鞯木戎苯雨P(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量和控制過(guò)程，通常價(jià)格比較昂貴。

概述概述概述各種熱電阻以下例舉幾種溫度傳感器：熱電偶，利用金屬熱電勢(shì)，有耐高溫、精度高的特點(diǎn)；熱電阻，利用導(dǎo)體隨溫度變化，測(cè)溫不高；熱敏電阻，利用半導(dǎo)體材料隨溫度變化測(cè)溫，體積小、靈敏度高、穩(wěn)定性差；集成溫度傳感器，利用晶體管PN結(jié)電流、電壓隨溫度變化，有專(zhuān)用集成電路，體積小、響應(yīng)快、價(jià)廉，測(cè)量150℃以下溫度。概述熱電偶溫度傳感器熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)溫點(diǎn)小、準(zhǔn)確度高、熱慣性小、響應(yīng)速度快、便于維修、復(fù)現(xiàn)性好；測(cè)溫范圍廣，一般為-270℃～+2800℃；直接輸出電信號(hào)，不需要轉(zhuǎn)換電路。適于遠(yuǎn)距離測(cè)量、自動(dòng)記錄、集中控制等優(yōu)點(diǎn)。在溫度測(cè)量中占有很重要的地位。缺點(diǎn)是存在冷端溫度補(bǔ)償問(wèn)題。

1.熱電效應(yīng)兩種不同材料的導(dǎo)體A和B組成一個(gè)閉合電路時(shí)，若兩接點(diǎn)溫度不同，則在該電路中會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。該電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電動(dòng)勢(shì)。圖8-4熱電偶測(cè)溫原理圖一熱電偶工作原理熱電偶工作原理演示熱端溫度高于冷端溫度時(shí)，回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)大于零冷熱端溫度相等時(shí)，回路中不產(chǎn)生熱電勢(shì)熱端溫度低于冷端溫度時(shí)，回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)小于零熱電動(dòng)勢(shì)的組成

圖8-7

熱電偶回路總熱電勢(shì)兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)

兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)很小單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)

接觸電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值取決于兩種導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度，而與導(dǎo)體的形狀及尺寸無(wú)關(guān)1.兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)不同金屬自由電子密度不同，當(dāng)兩種金屬接觸在一起時(shí)，在結(jié)點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生電子擴(kuò)散，濃度大的向濃度小的金屬擴(kuò)散。濃度高的失去電子顯正電，濃度低的得到電子顯負(fù)電。當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，得到一個(gè)穩(wěn)定的接觸電勢(shì)。2.單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)）對(duì)單一金屬如果兩邊溫度不同，兩端也產(chǎn)生電勢(shì)。產(chǎn)生這個(gè)電勢(shì)是由于導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動(dòng)能，會(huì)向低溫端擴(kuò)散。由于高溫端失去電子帶正電，低溫端得到電子帶負(fù)電。＋－Ｔ＞Ｔ０總熱電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與熱端溫度t成單值函數(shù)關(guān)系，即

溫差電勢(shì)很小，可忽略不計(jì)

總熱電勢(shì)表達(dá)式to

恒定eAB（to）=C熱端接觸電勢(shì)

冷端接觸電勢(shì)

A導(dǎo)體的溫差電勢(shì)

B導(dǎo)體的溫差電勢(shì)

固定溫度的接點(diǎn)稱(chēng)基準(zhǔn)點(diǎn)（冷端）T0，恒定在某一標(biāo)準(zhǔn)溫度；待測(cè)溫度的接點(diǎn)稱(chēng)測(cè)溫點(diǎn)（熱端）T，置于被測(cè)溫度場(chǎng)中。這種將溫度轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)的傳感器稱(chēng)為熱電偶，金屬稱(chēng)熱電極。2熱電偶的基本定律（1）

中間導(dǎo)體定律在熱點(diǎn)偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要該導(dǎo)體兩端溫度相等，則對(duì)熱電偶回路總的熱電動(dòng)勢(shì)無(wú)影響。同樣加入第四、第五種導(dǎo)體后，只要其兩端溫度相同，同樣不影響電路中的總熱電動(dòng)勢(shì)。EABC（t,to）=EAB（t，to）中間導(dǎo)體定律

第三種導(dǎo)體中間導(dǎo)體定律的意義根據(jù)這個(gè)定律，我們可采取任何方式焊接導(dǎo)線(xiàn)，可以將熱電動(dòng)勢(shì)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)接至測(cè)量?jī)x表進(jìn)行測(cè)量,且不影響測(cè)量精度?？刹捎瞄_(kāi)路熱電偶對(duì)液態(tài)金屬和金屬壁面進(jìn)行溫度測(cè)量，只要保證兩熱電極插入地方的溫度相同即可。圖8-8

連接儀表的熱電偶測(cè)量回路開(kāi)路熱電偶測(cè)溫（2）連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律在熱電偶測(cè)量電路中，測(cè)量端溫度為t，自由端為to，中間溫度為t′，則（t，to）的熱電勢(shì)等于（t，t′）與（t′，to）熱電勢(shì)代數(shù)和。即中間溫度定律中間溫度定律的意義1、利用該定律，可對(duì)參考端溫度不為0℃的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。2、熱電勢(shì)只取決于冷、熱接點(diǎn)的溫度，而與熱電極上的溫度分布無(wú)關(guān)。

中間溫度定律另外，可以選用廉價(jià)的熱電偶A′、B′代替t′到to段的熱電偶A、B，（只要在t′、to溫度范圍內(nèi)A′、B′與A、B熱電偶具有相近的熱電勢(shì)特性，）便可將熱電偶冷端延長(zhǎng)到溫度恒定的地方再進(jìn)行測(cè)量，使測(cè)量距離加長(zhǎng)，還可以降低測(cè)量成本，而且不受原熱電偶自由端溫度t′的影響。這就是在實(shí)際測(cè)量中，對(duì)冷端溫度進(jìn)行修正，運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)延長(zhǎng)測(cè)溫距離，消除熱電偶自由端溫度變化影響的道理。中間溫度定律的意義（3）參考（標(biāo)準(zhǔn)）電極定律

如圖5-18所示，已知熱電極A、B與參考電極C組成的熱電偶在接點(diǎn)溫度為（t，to）時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)分別為EAC（t，to），EBC（t，to），則相同溫度下，由A，B兩種熱電極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)EAB可按下面公式計(jì)算為

圖5-18參考電極定律標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體定律的意義通常選用高純鉑絲作標(biāo)準(zhǔn)電極只要測(cè)得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律計(jì)算出來(lái)。參考電極定律舉例例1已知鉑銠30—鉑熱電偶的E（1084.5℃，0℃）=13.937mV，鉑銠6—鉑熱電偶的

E（1084.5℃，0℃）=8.354mV，求：鉑銠30—鉑銠6熱電偶在同樣溫度條件下的熱電動(dòng)勢(shì)。EAB（1084.5℃，0℃）=EAC（1084.5℃，0℃）-EBC（1084.5℃，0℃）=5.622mV解:設(shè)A為鉑銠30電極，B為鉑銠6電極，C為純鉑電極結(jié)構(gòu)：普通熱電偶，測(cè)量氣體、蒸汽、液體等，棒形結(jié)構(gòu)；薄膜熱電偶，用于火箭、飛機(jī)噴嘴溫度測(cè)量，結(jié)構(gòu)較??；鎧裝熱電偶，用以測(cè)量狹小對(duì)象，結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)、可彎曲；表面熱電偶，用于弧形表面物體測(cè)溫；消耗式熱電偶，主要用于鋼水溫度測(cè)量。a)普通熱電偶b)薄膜熱電偶c)鎧裝熱電偶熱電偶

熱電偶的結(jié)構(gòu)和種類(lèi)根據(jù)熱電偶的測(cè)溫原理，熱電偶回路的熱電勢(shì)只與冷端和熱端的溫度有關(guān)，當(dāng)冷端溫度保持不變時(shí)，熱電勢(shì)才與測(cè)量端溫度成單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。但在實(shí)際測(cè)量時(shí)，冷端溫度常隨環(huán)境溫度變化而變化，不能保持恒定，因而會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。為了消除或補(bǔ)償冷端溫度的影響，常采用以下幾種方法。4熱電偶冷端溫度的補(bǔ)償（1）．0℃恒溫法（冰浴法）將熱電偶的冷端置于0℃的恒溫器內(nèi)，保持為0℃。此時(shí)測(cè)得的熱電勢(shì)可以準(zhǔn)確的反映熱端溫度變化的大小，直接查對(duì)應(yīng)的熱電偶分度表即可得知熱端溫度的大小。在冰瓶中，冰水混合物的溫度能較長(zhǎng)時(shí)間的保持在0℃不變冰浴法接線(xiàn)圖被測(cè)流體管道熱電偶接線(xiàn)盒補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)銅導(dǎo)線(xiàn)毫伏表冰瓶冰水混合物試管新的冷端此方法在熱電偶與動(dòng)圈式儀表配套使用時(shí)特別實(shí)用。可以利用儀表的機(jī)械調(diào)零點(diǎn)將零位調(diào)到與冷端溫度相同的刻度上，也就相當(dāng)于先給儀表輸入一個(gè)熱電勢(shì)，在儀表使用時(shí)所指示的值即為對(duì)應(yīng)的溫度值，也即實(shí)際測(cè)量的溫度的大?。?）．冷端溫度修正法

將冷端置于其他恒溫器內(nèi)，使之保持溫度恒定，避免由于環(huán)境溫度的波動(dòng)而引入誤差。利用中間溫度定律即可求出測(cè)量端相對(duì)于0℃的熱電勢(shì)。

例子用鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30℃，測(cè)得熱電勢(shì)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?？傻胑AB（t，0）=eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得t=829.8℃。

（3）.補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)法（延引電極法）實(shí)際測(cè)溫時(shí)，由于熱電偶的長(zhǎng)度有限，冷端溫度將直接受到被測(cè)介質(zhì)溫度和周?chē)h(huán)境的影響.例如，熱電偶安裝在電爐壁上，電爐周?chē)目諝鉁囟鹊牟环€(wěn)定會(huì)影響到接線(xiàn)盒中的冷端的溫度，造成測(cè)量誤差。圖5-20

補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)法熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的作用如果參考端溫度不穩(wěn)定，會(huì)使溫度測(cè)量誤差加大。為使熱電偶測(cè)量準(zhǔn)確，在測(cè)溫時(shí)，可采用配套的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)將參考端延伸到溫度穩(wěn)定處再進(jìn)行溫度測(cè)量。所以，補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)只起延長(zhǎng)熱電偶的作用，不起任何溫度補(bǔ)償作用，但與熱電偶有相同的功用。又因補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)比熱電偶便宜，使用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)可節(jié)約測(cè)量經(jīng)費(fèi)。使用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)必須注意兩個(gè)問(wèn)題：

①兩根補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與熱電偶相連的接點(diǎn)溫度必須相同，接點(diǎn)溫度不超過(guò)100℃

；②不同的熱電偶要與其型號(hào)相應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)配套使用，且必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用，極性不能接反。在我國(guó)，補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)已有定型產(chǎn)品，如表5-1所示。

常用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)

結(jié)構(gòu)：普通熱電偶，測(cè)量氣體、蒸汽、液體等，棒形結(jié)構(gòu)；薄膜熱電偶，用于火箭、飛機(jī)噴嘴溫度測(cè)量，結(jié)構(gòu)較??；鎧裝熱電偶，用以測(cè)量狹小對(duì)象，結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)、可彎曲；表面熱電偶，用于弧形表面物體測(cè)溫；消耗式熱電偶，主要用于鋼水溫度測(cè)量。a)普通熱電偶b)薄膜熱電偶c)鎧裝熱電偶熱電偶

熱電偶的結(jié)構(gòu)和種類(lèi)普通型熱電偶結(jié)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上。鎧裝型熱電偶鎧裝熱電偶外形鎧裝熱電偶橫截面薄膜熱電偶

特點(diǎn)：熱接點(diǎn)可以做得很小（μm），具有熱容量小