第5章熱電式傳感器

第5章熱電式傳感器熱電式傳感器:是一種將溫度變換為電量的裝置。5.1熱電偶(Thermocouple5.1.1熱電效應(yīng)(PyroelectricEffect,ThermoelectricEffect定義:由兩種不一樣資料的導(dǎo)體組成閉合回路,當兩個接點處的溫度不相等時,回路中就會產(chǎn)生電動勢(熱電勢,形成電流,這類現(xiàn)象被稱為熱電效應(yīng)。A、B—熱電極T—工作端(丈量端、熱端T0—自由端(參照端、冷端接觸電勢An、Bn—導(dǎo)體A、B自由電子濃度BAABnneKTTeln(=BAABnneKTTeln(00=其數(shù)目級約為3210~10--伏(VT—絕對溫度K—波爾茲曼常數(shù)/1038.1(23KJK-?=e—電子電荷電量106.1(19Ce-?=總的接觸電勢:BAABABnnTTeKTeTeln(((00-=2.溫差電勢單調(diào)導(dǎo)體,假如兩頭溫度不一樣,在兩頭間會產(chǎn)生溫差電勢。?=TTAAdTTTe0,(0σ?=TTBBdTTTe0(0σ其數(shù)目級約為510-伏(VAσ、Bσ—湯姆遜系數(shù)總的溫差電勢:?-=-TTBABAdTTTeTTe0(,(,(00σσ熱電偶總的熱電勢[][],(,(((,(0000TTeTTeTeTeTTEABABABAB-+-=因為溫差電勢較小,能夠忽視,所以BAABABABnnTTeKTeTeTTEln(((,(000-=-≈(1若組成熱電偶的兩個導(dǎo)體資料同樣,即BAnn=,則0ln(,(00=-=BAABnnTTeKTTE,所以一定采納兩種不一樣的資料。(2若0TT=,則0,(0=TTEAB,所以熱端、冷端一定擁有不一樣的溫度。5.1.2熱電偶測溫原理((,(00TeTeTTEABABAB-=常數(shù)((0CTeAB=熱電偶的熱電特征:((,(0TgCTeTTEABAB=-=是被測溫度T的單值函數(shù)熱電偶分度表:000=T,經(jīng)過實驗成立起熱電勢與溫度之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。5.1.3熱電偶基本定律1.中間溫度定律參照端CTTn000=≠(((((((,(,(0000TTETeTeTeTeTeTeTTETTEABABABABnABnABABnABnAB=-=-+-=+中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中,只需接入的第三根導(dǎo)體兩頭溫度同樣,則對回路的總熱電勢沒有影響。(1第一種狀況證明:(((,(000TeTeTeTTECABCABABC++=若全部結(jié)點溫度為T0,則0(((,(00000=++=TeTeTeTTECABCABABC(((000TeTeTeABCABC-=+((((((,(00000TTETeTeTeTeTeTTEABABABCABCABABC=-=++=(2第二種狀況證明:,(((((((((((,,(0011011010TTETeTeTeTeTeTeTeTeTeTeTTTEABABABACACBAABCAACBAABABC=-=-++=+++=標準電極定律C—標準電極,往常采納純鉑絲,(,(,(000TTETTETTECBACAB+=證明:(((](([((((((,(,(00000000TTETeTeTeTeTeTeTeTeTeTeTTETTEABABABCBACCBACCBCBACACCBAC=-=+-+=-+-=+5.1.4熱電偶的偏差及其賠償舉措冰浴法(00C恒溫法只合用于實驗室,工業(yè)現(xiàn)場使用極不方便。恒溫槽法保持T0=恒溫冷端自動賠償法賠償電橋與冷端處于同樣的溫度下。選用RCu的值,使電橋均衡,Uab=0。若溫度高升時,↑↑→↑→abCuuR同T0,時↓↑→,(00TTETAB若使,(0TTEuABab?=?則,(,(,(000TTETTETTEuuABABABabcd=?-+?=保持恒定不變延伸熱電極法賠償導(dǎo)線:其熱電性能與相應(yīng)的熱電偶的熱電性能十分鄰近。即:,(,(0'00'0''TTETTEABBA賠償導(dǎo)線的作用:(1用低價的賠償導(dǎo)線作為貴金屬熱電偶的延伸導(dǎo)線,以節(jié)儉貴金屬熱電偶。(2將熱電偶的冷端遷徙至遠離熱源且環(huán)境溫度較恒定的環(huán)境中。5.1.5熱電偶的資料與種類1.電極資料貴金屬:鉑銠合金、鉑一般金屬:鐵、銅、銬銅、鎳硅合金等。常用熱電偶(1鉑銠10—鉑熱電偶(貴金屬正極:90%鉑+10%銠(合金絲負極:純鉑絲(2鉑銠30—鉑銠10正極:70%鉑+30%銠負極:90%鉑+10%銠5.1.6熱電偶適用丈量電路丈量單點溫度的基本測溫線路丈量兩點之間溫差的丈量線路(熱電偶的反向串連回路總熱電勢:((((((((0'02'0'01'00TeTeTeTeTeTeTeTeECFACBADBBDABCAFCT+++++++=因為0((00=+TeTeCFFC0('0=TeCA,0('0=TeAC,0('0=TeBD,0('0=TeDB所以((((2121TeTeTeTeEABABBAABT-=+=丈量幾點溫度之和的測溫線路(熱電偶的正向串連回路總的熱電勢:(((((((0302010TeTeTeTeTeTeTeEDFABDCABDCABFCT++++++=因為(((000TeTeTeABBADC-==((lnln((000000TeTenneKTnneKTTeTeABDCCFFDFCDF-==+=+所以(,(,(((((((030201030201TTETTETTETeTeTeTeTeTeEABABABABABABABABABT++=-+-+-=丈量均勻溫度的測溫線路(熱電偶的并聯(lián)設(shè):0321RRRR===則:3////0321RRRRR==,030201REREREi++=[],(,(,(31(31030201321TTETTETTEEEEiREABABABT++=++==5.2熱電阻(ThermalResistance熱電阻:利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特征丈量溫度的。原理:基于金屬導(dǎo)體的熱阻效應(yīng)。鉑(Pt熱電阻長處:物理、化學(xué)性能穩(wěn)固,耐氧化能力強,在很寬的溫度范圍內(nèi)(12000C以下均能保持上述特征。弊端:α(溫度系數(shù)較小,價錢昂貴。(1鉑熱電阻特征在CC000~190-時([]3201001ttCBtAtRRt-+++=在CC0074.630~0時(201BtAtRRt++=R0—溫度為00C時的電阻值Rt—溫度為t0C時的電阻值A(chǔ)、B、C—分度系數(shù)(由實驗測定的常數(shù)(2鉑熱電阻中鉑絲的純度(0100100RRW=(3標準化鉑熱電阻分度表工業(yè)用鉑熱電阻:R0=50Ω(分度號:Pt50,R0=100分Ω(度號:Pt100銅熱電阻用于丈量精度要求不高,并且被測溫度較低、無侵害性的的場合。測溫范圍CC00150~50+-長處:其α值比鉑的高,線性好,簡單提純,價錢廉價。弊端:易被氧化。在CC00150~50-時(tRRtα+=10R0—溫度為00C時的電阻值α—銅電阻溫度系數(shù),C033/1028.4~1025.4--??=α分度號:50(050Ω=RCu,100(0100Ω=RCu熱電阻的丈量電路(1三線式電橋連結(jié)丈量電路321,,rrr—引線電阻取21RR=,調(diào)理3R,使331RrRrt+=+,電橋均衡,即可除去引線電阻的影響。(2四線式丈量電路4321,,,rrrr—引線電阻電壓表內(nèi)阻很大,所以MVII<<,0≈VI(32rrIEEVM+-=MMVMVMtIEIIrrIEIER≈-++==(32由上式可知,引線電阻4321,,,rrrr將不引入丈量偏差。E5.3熱敏電阻(ThermalResistor半導(dǎo)體熱敏電阻:利用半導(dǎo)體資料的電阻率隨溫度變化的性質(zhì)制成的溫度敏感元件(熱敏元件?；痉N類(1負電阻溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC—NegativeTemperatureCoefficient用于溫度丈量,應(yīng)用最寬泛。(2正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC—PositiveTemperatureCoefficient用于溫度丈量,溫度控制開關(guān)(溫控開關(guān)(3臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR—CriticalTemperatureResistance用作溫控開關(guān)熱敏電阻的溫度特征關(guān)于負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC11(00TTBTeRR-=0,RRT—分別為溫度T(K和T0(K時的阻值。B—熱敏電阻的資料常數(shù),往常B=2000~6000K。定義:熱敏電阻的溫度系數(shù)Tα21TBdTdRRTTT-=?=α溫度變化惹起的阻值變化大,特別合適丈量輕微溫度變化。熱敏電阻輸出特征的線性化辦理(1線性化網(wǎng)絡(luò)(a串連賠償電路(b并聯(lián)賠償電路(2計算修正法包含硬件(電子線路法和軟件(程序法(3利用溫度—頻次變換電路改良非線性(見課本P945.4PN結(jié)型溫度傳感器熱電偶—測溫范圍寬,但其熱電勢較小;熱敏電阻—測溫范圍窄,輸出特征為非線性,但敏捷度高,有益于檢測細小溫度變化;PN結(jié)型溫度傳感器—輸出特征呈線性,丈量精度高。溫敏二極管關(guān)于理想二極管,在必定的正向電流下,其正向電壓與溫度的關(guān)系為'00FgFITBeTkUU-↓=γ↑IF—正向電流;T—絕對溫度。2DWM1型溫敏二極管的UF-T特征溫敏三極管NPN晶體管的基極-發(fā)射極電壓與溫度T和集電極電流IC的關(guān)系(發(fā)射極正向偏置'00CgBEITBeTkUU-↓=γ↑CCREI=(恒定基本測溫電路:感測技術(shù)講義3.集成溫度傳感器集成溫度傳感器：將溫敏晶體管及其