第二章熱電式傳感器

第二章熱電式傳感器第1頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章熱電式傳感器熱電式傳感器是工程上應用最廣泛的溫度傳感器。它將熱能直接轉化成電量輸出，具有構造簡單，使用方便，準確度、穩(wěn)定性及復現性較高，溫度測量范圍寬等優(yōu)點，在溫度測量中占有重要的地位。本章主要介紹：1熱電偶傳感器4石英溫度傳感器2熱電阻傳感器5半導體溫度傳感器3熱敏電阻傳感器6集成溫度傳感器第2頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月學習要求1.了解熱電偶傳感器基本結構和工作原理2.掌握熱電偶傳感器溫度補償方法3.了解熱電阻傳感器基本結構和工作原理4.掌握熱敏電阻的工作原理5.了解熱敏電阻的主要參數第3頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)熱電偶傳感器一、熱電效應

將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個節(jié)點溫度不同時，在回路中就會產生熱電勢，形成電流，此現象稱為熱電效應。熱電勢由導體中的接觸電勢和溫差電勢決定。熱電偶-200~1300°C熱電阻

-200~850°C

第4頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶工作原理熱電偶的測溫原理基于熱電效應。工作端

參比端圖2-1熱電效應T>T0

這種由兩種導體的組合并將溫度轉化為熱電動勢的傳感器叫做熱電偶。第5頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：熱電偶構成條件1、兩種不同導體2、閉合回路3、兩接合點處溫度不同“塞貝克溫差電動勢”簡稱“熱電動勢”熱電動勢：

兩種導體——接觸電勢

單一導體——溫差電勢

第6頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月接觸電勢由于不同金屬材料所具有的自由電子密度不同，當兩種不同的金屬導體接觸時，在接觸面上就會發(fā)生電子擴散。ABTT0第7頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月溫差電勢因導體兩端溫度不同而產生的電動勢稱為溫差電勢。高溫（T）端電子將向低溫端（T0）擴散，致使高溫端因失去電子帶正電，低溫端因獲電子而帶負電。因而在同一導體兩端也產生電位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴散，于是電子擴散形成動平衡，此時所建立的電位差稱為溫差電勢即湯姆遜電勢。ABTT0第8頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶的熱電勢是隨著介質的溫度變化而變化的，其量值關系可由式所表示：式中：——熱電偶的熱電勢，單位V；——溫度為T時的熱電勢，單位V；——溫度為T0時的熱電勢，單位V。上一頁下一頁返回第9頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月結論:1.熱電偶必須采用兩種不同的材料作為熱電極；2.如果熱電偶兩結點溫度相同，即T=T0，則盡管導體A、B的材料不同，熱電偶回路中的總電動勢也為零。3.熱電偶AB的熱電動勢與A、B材料的中間溫度無關，只與結點溫度有關。4.熱電勢的大小與兩種導體材料的性質及結點溫度有關，而與電極的幾何尺寸無關。第10頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶基本定律中間導體定律：

在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，第三導體的引入不會影響熱電偶的熱電動勢。根據這個定律，可以將第三導線換成測試儀表或連接導線，只要保持兩結點溫度相同，就可以對熱電勢進行測量而不影響原熱電動勢的數值。第11頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的熱電偶

并不是所有材料均可以用來作熱電偶的，對組成熱電偶的材料應具備以下一些條件：1.在測溫的范圍內，熱電特性要穩(wěn)定，不隨時間而變化。2.在測溫的范圍內，物理、化學性能要穩(wěn)定，不易氧化或腐蝕3.在測溫中產生的熱電動勢要大，并且熱電動勢隨溫度變化為單值的、線性的、或者接近線性的。4.電阻溫度系數要小，電阻率要高。5.材料的復制性好，易焊接、拉絲和加工。第12頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

根據上述要求，國際上目前得到應用的熱電偶材料有300多種，廣泛應用的有40~50種。國際電工委員會IEC對已被公認為性能比較好的七種熱電偶制訂了統(tǒng)一的標準。我國已采用IEC標準，按標準生產，并按標準分度表生產與之相配的顯示儀表。IEC推薦的標準化熱電偶如表所示。熱電偶名稱IEC分度號我國分度號國家標準號新舊鉑銠10-鉑鉑銠30-鉑銠6鎳鉻-鎳硅銅-銅鎳（康銅）鎳鉻-銅鎳（康銅）鐵-銅鎳（康銅）鉑銠13-鉑SBKTEJRSBKTEJRLB-3LL-2EU-2CK---GB3772-83GB2902-82GB2614-85GB2903-82GB4993-85GB4994-85GB1598-79第13頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月K型熱電偶K型熱電偶是目前在500℃以上的測溫區(qū)用量最大的金屬熱電偶，其用量是其他金屬熱電偶的總和。K型熱電偶線性度好、熱電動勢較大，所以能用于氧化性、惰性氣氛中。但K型熱電偶不能直接在高溫下用于硫、還原性或還原、氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛之中。

第14頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶的補償根據熱電偶測溫原理，只有當熱電偶的參考端的溫度保持不變時，熱電動勢才是被測溫度的單值函數。原因：通常要求T0保持為0℃，但在實際使用時，由于熱電偶的兩端離的很近，冷端又暴露在空氣中，受其環(huán)境溫度的影響，冷端的溫度很難保持恒定的0℃，于是就產生了熱電偶冷端補償的問題。主要方法有：冷端導線延伸補償法，電橋補償法，參考端0℃恒溫法。第15頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月法1：冷端導線延伸補償法為了使熱電偶的冷端溫度保持恒定（最好為0℃），常用導線將熱電偶的冷端延伸出來，使其置于恒溫環(huán)境中。延伸用的導線在一定溫度范圍內（0-1000℃）。應具有和所連熱電偶相同的熱電偶相同的熱電性能。第16頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個橋臂和橋路電源組成。在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu),此時Uab=0,電橋對儀表讀數無影響。供電4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范圍起補償作用。電橋補償的作用注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3RT0EAB(T,T0)RCu

UaUab法2：電橋補償法第17頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月法3：參考端0℃恒溫法

這種方法是將熱電偶的參比端保持在穩(wěn)定的0?C環(huán)境中。在實驗室中采用冰浴法，通常是把參比端放在盛有絕緣油的試管中，然后再將其放入裝滿冰水混合物的保溫容器中，使參比端保持0?C。這種方法是一種理想方法，但只適用于實驗室中使用，工業(yè)中使用極其不便。第18頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月爐溫控制系統(tǒng)第20頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)熱電阻傳感器工作原理：熱電阻傳感器是利用導體的電阻值隨溫度的變化的特性，對溫度和與溫度有關的參數進行檢測的裝置。熱電阻傳感器按電阻－溫度特性的不同可分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩大類。金屬熱電阻其電阻－溫度特性表現為當溫度升高時其電阻增大，而半導體熱電阻隨溫度升高其電阻反而減小。一般把金屬熱電阻稱為熱電阻，而把半導體熱電阻稱為熱敏電阻。第21頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電阻傳感器的主要優(yōu)點有：1.測量準確度高；2.有較大的測量范圍，尤其在低溫方面；3.易于使用在自動測量和遠距離測量中。4.與熱電偶傳感器相比，沒有參比端誤差。熱電阻傳感器一般常用于測量-200~850℃范圍內的溫度，少數情況下，低溫可至1K，高溫可達1000

℃。第22頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月二、熱電阻材料和常用熱電阻

作為測量溫度用的熱電阻材料必須具有以下特點：1.高且穩(wěn)定的溫度系數和大的電阻率，以便提高靈敏度和保證測量準確度；2.良好的輸出特性，即電阻與溫度變化接近線性關系；3.在使用范圍內，其化學、物理性能應保持穩(wěn)定；4.良好的工藝性，以便于批量生產，降低成本。第23頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月根據上述要求，純金屬是制造熱電阻的主要材料。目前廣泛應用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等。這些材料的電阻率與溫度的關系一般可以近似用一個二次方程描述，即式中ρ——電阻率；

t——溫度；a、b、c

——由實驗確定的常量。第24頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月實物第26頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)熱敏電阻半導體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結而成的半導體，它具有負的電阻溫度系數，隨溫度上升而阻值下降。熱敏電阻將溫度的變化轉換為電阻的變化。熱敏電阻是半導體元件，其電阻具有負溫度系數。第27頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電阻和熱敏電阻的區(qū)別：（1）金屬熱電阻其阻值與溫度近似的線性關系，而半導體熱電阻的阻值隨溫度的升高而成非線性急劇變化。（2）金屬熱電阻有正的溫度系數，而半導體熱電阻中的大多數具有負的溫度系數。（3）熱敏電阻與金屬電阻相比靈敏度極高，在溫度變化相同的情況下，熱敏電阻阻值的變化約為鉑熱電阻的10倍以上，為此它可以用來測量很小的溫度差異，具有較高的靈敏度。第28頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻的工作原理半導體是載流子（電子、空穴）導電方式所致。由于半導體中載流子的數目遠比金屬中的自由電子少的多，所以它的電阻率很大。隨著溫度的升高，半導體中參加導電的載流子數目就會增多，其導電率隨之增加，它的電阻率也就降低了。熱敏電阻就是根據半導體的電阻值隨溫度顯著變化的特性制成的熱敏元件。第29頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻的結構與材料熱敏電阻由熱敏探頭，引線，殼體等構成。熱敏電阻的結構和符號1-探頭；2-引線；3-殼體第30頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻的特點(1)電阻溫度系數大，靈敏度高，比一般金屬電阻大10~100倍；(2)結構簡單，體積小，可以測量“點”溫度；(3)電阻率高，熱慣性小，適宜動態(tài)測量；(4)功耗小，不需要參考端補償，適于遠距離的測量與控制。(5)阻值與溫度的關系呈非線性；(6)元件的穩(wěn)定性和互換性較差。第31頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻的參數(1)初始電阻R（Ω），（2）熱敏電阻常數B(3)標稱阻值RT(4)電阻溫度系數αT(5)時間常數τ(6)額定功率第32頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月結構及實物第33頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月應用車用溫控器第34頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月水溫感應塞第35頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻的種類根據熱敏電阻的阻值隨溫度變化特性的差異，熱敏電阻大體上可以分為三種，即NTC型、CTR型和PTR型。第36頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月還廣泛應用于空調、暖氣、電子體溫計等第37頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)石英溫度傳感器工作原理

石英晶體振蕩器是一種振蕩頻率非常穩(wěn)定的振蕩器，把石英晶體按一定的方向切成厚度不同的切片，就會形成各種不同頻率的石英晶體振蕩器。有一些切片的振蕩頻率隨著溫度的變化而變化，于是人們就利用這一現象，把由于溫度引起振蕩頻率變化大的石英晶體切片制成石英溫度傳感器。第38頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)半導體溫度傳感器工作原理

半導體的最基本單元是PN結，一個PN結就構成一個二極管，二個PN結就構成了三極管，三個PN結就構成了晶閘管（又稱可控硅）。PN結的正向電壓降隨著溫度的變化而變化，溫度每升高一度，PN結正向壓將就下降2mV。利用PN結的這一特性，就可以用它進行溫度測量。第39頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第六節(jié)集成溫度傳感器定義：所謂集成溫度傳感器，是指把溫度傳感器與后續(xù)的放大電路、驅動電路、信號處理電路等，用集成化技術制作在同一基片上而成的集傳感器與放大為一體的功能器件。

第40頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月復習被測量的物理量可分為（）和（）。傳感器的三個組成部分（），（）和（）。傳感器的靜態(tài)特性指標有（），（）和遲滯，重復性。傳感器