第8章傳感器與檢測技術(shù)

第8章傳感器與檢測技術(shù)第一頁，共64頁。第8章熱電式傳感器8.1熱電偶傳感器8.2熱電阻傳感器8.3熱敏電阻傳感器第二頁，共64頁。知識單元與知識點熱電效應(yīng)、熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、接觸電動勢、溫差電動勢、工作端（熱端）、自由端（冷端）、分度表等概念；熱電偶的測溫原理、基本定律、熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類、熱電偶的冷端溫度補償、熱電偶的測溫電路；熱電阻（鉑熱電阻、銅熱電阻）的溫度特性、測量電路（兩線制、三線制、四線制）；熱敏電阻的溫度特性；熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的應(yīng)用。能力點深入理解熱電效應(yīng)、熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、接觸電動勢、溫差電動勢、工作端（熱端）、自由端（冷端）、分度表等概念；理解熱電偶的測溫原理、基本定律、熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類、熱電偶的冷端溫度補償、熱電偶的測溫電路；理解熱電阻（鉑熱電阻、銅熱電阻）的溫度特性、測量電路（兩線制、三線制、四線制）；會使用熱電偶、熱電阻的分度表；理解熱敏電阻的溫度特性；了解熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的應(yīng)用。重難點重點：基本概念；熱電偶的測溫原理、基本定律、冷端溫度補償方法、實用測溫電路；熱電阻的溫度特性、測量電路；熱敏電阻的溫度特性。難點：熱電偶的種類及冷端溫度補償方法。學習要求熟練掌握熱電效應(yīng)、熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、接觸電動勢、溫差電動勢、工作端（熱端）、自由端（冷端）、分度表等概念；掌握熱電偶的測溫原理、基本定律、熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類、熱電偶的冷端溫度補償、熱電偶的測溫電路；掌握熱電阻（鉑熱電阻、銅熱電阻）的溫度特性、測量電路（兩線制、三線制、四線制）；掌握熱電偶、熱電阻的度表的使用方法；掌握熱敏電阻的溫度特性；了解熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的應(yīng)用。第三頁，共64頁。8.1熱電偶傳感器

1.熱電偶測溫原理熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個閉合回路，當兩接點溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。熱電勢、熱電偶、熱電極熱端（測量端或工作端）、冷端（參考端或自由端）第四頁，共64頁。

熱電偶回路第五頁，共64頁。接觸電動勢（兩種導(dǎo)體）

接觸電動勢的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的材料特性和接觸點的溫度。兩接點的接觸電動勢eAB(T)和eAB（T0）可表示為含義：由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。第六頁，共64頁。

同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢。大小表示：

溫差電動勢（單一導(dǎo)體）機理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負電，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電動勢。第七頁，共64頁。熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢

eAB(T,T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0) 忽略溫差電動勢，熱電偶的熱電勢可表示為：

第八頁，共64頁。影響因素取決于材料和接點溫度，與形狀、尺寸等無關(guān)兩熱電極相同時，總電動勢為0兩接點溫度相同時，總電動勢為0對于已選定的熱電偶，當參考端溫度T0恒定時，eAB(T0)=c為常數(shù)，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即

可見：只要測出eAB（T,T0）的大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。討論第九頁，共64頁。熱電偶的分度表不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同的函數(shù)關(guān)系，一般通過實驗的方法來確定，并將不同溫度下測得的結(jié)果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對照表，即分度表。供查閱使用，每10℃分檔。中間值按內(nèi)插法計算。第十頁，共64頁。S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表第十一頁，共64頁。

在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。中間導(dǎo)體定律

（三種方法？）應(yīng)用：利用熱電偶進行測溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。2.熱電偶基本定律第十二頁，共64頁。第十三頁，共64頁。測量儀表及引線作為第三種導(dǎo)體的熱電偶回路第十四頁，共64頁。中間溫度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)

在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點的溫度，熱電偶AB在接點溫度為t、t0時的熱電勢eAB(t,t0)等于熱電偶AB在接點溫度t、tc和tc、t0時的熱電勢eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代數(shù)和，即第十五頁，共64頁。中間溫度定律的應(yīng)用

根據(jù)這個定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體A′和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。

該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據(jù)。在實際熱電偶測溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對參考端溫度不為0℃的熱電勢進行修正。第十六頁，共64頁。標準導(dǎo)體（電極）定律第十七頁，共64頁。標準導(dǎo)體定律的意義通常選用高純鉑絲作標準電極只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據(jù)標準電極定律計算出來。第十八頁，共64頁。例子熱端為100℃，冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為－4.0mV，則鎳鉻和考銅組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢應(yīng)為：2.95－(－4.0)=6.95(mV)第十九頁，共64頁。均質(zhì)導(dǎo)體定律由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關(guān)。即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。意義：有助于檢驗兩個熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。第二十頁，共64頁。

為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對象的測溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有：普通型熱電偶特殊熱電偶－鎧裝型熱電偶－薄膜熱電偶等。

9.1.2熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類第二十一頁，共64頁。普通型熱電偶結(jié)構(gòu)第二十二頁，共64頁。

優(yōu)點：測溫端熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快；機械強度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上（1100°C以下）。鎧裝型熱電偶第二十三頁，共64頁。薄膜熱電偶

特點：熱接點可以做得很?。é蘭），具有熱容量小、反應(yīng)速度快（μs）等特點，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量（300°C以下）。第二十四頁，共64頁。熱電極材料的選取性能穩(wěn)定溫度測量范圍廣物理化學性能穩(wěn)定導(dǎo)電率要高，并且電阻溫度系數(shù)要小材料的機械強度要高，復(fù)制性好、復(fù)制工藝簡單，價格便宜第二十五頁，共64頁。工程用熱電偶材料應(yīng)滿足條件：熱電勢變化盡量大，熱電勢與溫度關(guān)系盡量接近線性關(guān)系，物理、化學性能穩(wěn)定，易加工，復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，有良好的互換性。熱電偶的種類

國際電工委員會（IEC）向世界各國推薦8種標準化熱電偶（已列入工業(yè)標準化文件中，具有統(tǒng)一的分度表）。我國已采用IEC標準生產(chǎn)熱電偶，并按標準分度表生產(chǎn)與之相配的顯示儀表。第二十六頁，共64頁。標準化熱電偶的主要性能和特點熱電偶名稱正熱電極負熱電極分度號測溫范圍特點鉑銠30－鉑銠6鉑銠30鉑銠6B0～＋1700℃（超高溫）適用于氧化性氣氛中測溫，測溫上限高，穩(wěn)定性好。在冶金、鋼水等高溫領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鉑銠10－鉑鉑銠10純鉑S0～＋1600℃（超高溫）適用于氧化性、惰性氣氛中測溫，熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強，精度高，但價格貴、熱電動勢較小。常用作標準熱電偶或用于高溫測量。鎳鉻－鎳硅鎳鉻合金鎳硅K－200～＋1200℃（高溫）適用于氧化和中性氣氛中測溫，測溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關(guān)系近似線性、熱電動勢大、價格低。穩(wěn)定性不如B、S型熱電偶，但是非貴金屬熱電偶中性能最穩(wěn)定的一種。鎳鉻－康銅鎳鉻合金銅鎳合金E－200～＋900℃（中溫）適用于還原性或惰性氣氛中測溫，熱電動勢較其他熱電偶大，穩(wěn)定性好，靈敏度高，價格低。鐵－康銅鐵銅鎳合金J－200～＋750℃（中溫）適用于還原性氣氛中測溫，價格低，熱電動勢較大，僅次于E型熱電偶。缺點是鐵極易氧化。銅－康銅銅銅鎳合金T－200～＋350℃（低溫）適用于還原性氣氛中測溫，精度高，價格低。在－200～0℃可制成標準熱電偶。缺點是銅極易氧化。第二十七頁，共64頁。8.1.3熱電偶的冷端溫度補償當熱端溫度為t時，分度表所對應(yīng)的熱電勢eAB(t,0)與熱電偶實際產(chǎn)生的熱電勢eAB(t,t0)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)由此可見，eAB(t0，0)是冷端溫度t0的函數(shù)，因此需要對熱電偶冷端溫度進行處理。第二十八頁，共64頁。熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm。在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h離現(xiàn)場數(shù)十米遠的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣,冷端溫度t0比較穩(wěn)定。(1)熱電偶補償導(dǎo)線解決辦法：工程中采用一種補償導(dǎo)線。在0～100℃溫度范圍內(nèi)，要求補償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。解決辦法：工程中采用一種補償導(dǎo)線。第二十九頁，共64頁。常用補償導(dǎo)線

熱電偶類型補償導(dǎo)線類型補償導(dǎo)線正極負極鉑銠10－鉑銅－銅鎳合金銅銅鎳合金（鎳的質(zhì)量分數(shù)為0.6%）鎳鉻－鎳硅I型：鎳鉻－鎳硅鎳鉻鎳硅鎳鉻－鎳硅II型：銅－康銅銅康銅鎳鉻－康銅鎳鉻－康銅鎳鉻康銅鐵－康銅鐵－康銅鐵康銅銅－康銅銅－康銅銅康銅第三十頁，共64頁。

在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0℃。這是一種理想的補償方法，但工業(yè)中使用極為不便。(2)冷端0℃恒溫法第三十一頁，共64頁。

當冷端溫度t0不等于0℃，需要對熱電偶回路的測量電勢值eAB（t，t0）加以修正。當工作端溫度為t時，分度表可查eAB(t,0)與eAB(t0,0)。根據(jù)中間溫度定律得到：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)(3)冷端溫度修正法第三十二頁，共64頁。

例子用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30℃，測得熱電勢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（K）分度表得t=829.8℃。第三十三頁，共64頁。(4)冷端溫度自動補償法（電橋補償法）第三十四頁，共64頁。8.1.4熱電偶測溫線路測量單點的溫度第三十五頁，共64頁。

特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是同一分度號的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下。如熱電偶正向串聯(lián)，可獲得較大的熱電勢輸出和提高靈敏度；在測量兩點溫差時，可采用熱電偶反向串聯(lián)；利用熱電偶并聯(lián)可以測量平均溫度。第三十六頁，共64頁。測量兩點間溫度差（反向串聯(lián)）第三十七頁，共64頁。測量平均溫度（并聯(lián)或正向串聯(lián)）

特點：當有一只熱電偶燒斷時，難以覺察出來。當然，它也不會中斷整個測溫系統(tǒng)的工作。優(yōu)點：熱電動勢大，儀表的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶并聯(lián)線路存在的缺點，可立即可以發(fā)現(xiàn)有斷路。缺點：只要有一支熱電偶斷路，整個測溫系統(tǒng)將停止工作。第三十八頁，共64頁。8.1.5熱電偶的應(yīng)用第三十九頁，共64頁。常用爐溫測量控制系統(tǒng)如圖所示。毫伏定值器給出給定溫度的相應(yīng)毫伏值，熱電偶的熱電勢與定值器的毫伏值相比較，若有偏差則表示爐溫偏離給定值，此偏差經(jīng)放大器送入調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過晶閘管觸發(fā)器推動晶閘管執(zhí)行器來調(diào)整電爐絲的加熱功率，直到偏差被消除，從而實現(xiàn)控制溫度。第四十頁，共64頁。8.2熱電阻傳感器

熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。熱電阻廣泛用來測量－200～850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測量至1K，高溫達1000℃。標準鉑電阻溫度計的精確度高，作為復(fù)現(xiàn)國際溫標的標準儀器。

第四十一頁，共64頁。熱電阻的結(jié)構(gòu)

電阻絲采用雙線并繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撐和絕緣作用。

第四十二頁，共64頁。1.常用熱電阻對用于制造熱電阻材料的要求：具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率

R-t關(guān)系最好成線性物理化學性能穩(wěn)定容易加工、價格盡量便宜等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。第四十三頁，共64頁。(1)鉑熱電阻鉑熱電阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。按IEC標準，鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200～850℃。鉑熱電阻的特性方程為：在-200～0℃的溫度范圍內(nèi)Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］第四十四頁，共64頁。在0～850℃的溫度范圍內(nèi)Rt=R0(1+At+Bt2)

在ITS—90中，這些常數(shù)規(guī)定為

A=3.97×10-13/℃

B=-5.85×10-7/℃2

C=-4.22×10-12/℃4

第四十五頁，共64頁。

可見：熱電阻在溫度t時的電阻值與0℃時的電阻值R0有關(guān)。目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號亦有相應(yīng)分度表，即Rt-t的關(guān)系表，這樣在實際測量中，只要測得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對應(yīng)的溫度值。第四十六頁，共64頁。鉑電阻分度表第四十七頁，共64頁。(2)銅熱電阻

在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，可采用銅熱電阻進行測溫，它的測量范圍為-50～150℃。銅熱電阻在測量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的，可近似地表示為Rt=R0（1+αt）α=4.28×10-3/℃

兩種分度號：Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。

第四十八頁，共64頁。銅熱電阻的分度表分度號：Cu50溫度/℃0102030405060708090電阻/Ω－050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13第四十九頁，共64頁。銅熱電阻的特點銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價格便宜。缺點：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100℃以上時容易氧化，因此只能用于低溫及沒有浸蝕性的介質(zhì)中。第五十頁，共64頁。用熱電阻傳感器進行測溫時，測量電路經(jīng)常采用電橋電路。熱電阻與檢測儀表相隔一段距離，因此熱電阻的引線對測量結(jié)果有較大的影響。熱電阻內(nèi)部引線方式有二線制、三線制和四線制三種。8.2.3熱電阻的測量電路第五十一頁，共64頁。內(nèi)部引線方式第五十二頁，共64頁。兩線制這種引線方式簡單、費用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差。兩線制適于引線不長、測溫精度要求較低的場合。平衡條件：誤差來源：第五十三頁，共64頁。三線制用于工業(yè)測量，一般精度第五十四頁，共64頁。例：對于標號為Pt100的鉑熱電阻，如果采用圖8.20的兩線制接法測溫，設(shè)電橋電源為10V，R1=R2=1000Ω，R3＝100Ω，引線電阻r=5Ω，如果被測溫度為300℃，試求兩線制接法引起的相對測量誤差。解：根據(jù)式（8.30），當t＝300℃時，鉑熱電阻的阻值為：按三線制接法，引線電阻不會引起誤差，其輸出電壓為：按圖8.20的二線制接法，輸出電壓為：因此，二線制接法引起的測量相對誤差為：可見，兩線制接法引起的測量誤差是相當大的，在實際測量中應(yīng)高度重視。第五十五頁，共64頁。四線制實驗室用，高精度測量第五十六頁，共64頁。第五十七頁，