第1章 溫度傳感器 (2)

1、傳感器原理第一章 溫度傳感器第一章 溫度傳感器n主要內(nèi)容：n電阻型溫度傳感器n熱電阻n熱敏電阻n熱電偶n熱電偶的基本原理n熱電偶的種類和結(jié)構(gòu)n熱電偶的實用測量電路n溫度傳感器的應(yīng)用第一章 溫度傳感器n 溫度傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變化的裝置，用于檢測溫度和熱量，也叫做熱電式傳感器。n 溫度傳感器的用途n 溫度測量n 溫度控制n 溫度補償?shù)谝徽?溫度傳感器n熱傳遞的方式傳導(dǎo)：指熱量在固體內(nèi)或靜止的液體內(nèi)通過擴(kuò)散來傳播的方式。對流：對流是指熱量通過液體或氣體的運動來傳遞?？煞譃樽杂蓪α骱蛷?qiáng)制對流。自由對流是指由于流體間存在溫度梯度而使其產(chǎn)生運動來傳遞熱量。強(qiáng)制對流指通過外界使流體運動來傳

2、遞熱量。輻射：是指熱量通過電磁波的發(fā)射來傳遞。第一章 溫度傳感器在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢和電阻的方法最為普遍。n熱電偶n將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化n熱電阻n將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化n熱釋電傳感器、紅外傳感器n將熱輻射轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的變化1.1 電阻型溫度傳感器n幾乎所有導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率都隨本身溫度的變化而變化熱電阻效應(yīng)n利用溫度與電阻之間的函數(shù)關(guān)系，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為其它電參量的變化，從而實現(xiàn)溫度的電測量n利用這一原理制成的溫度敏感元件稱為熱電阻n熱電阻材料分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻1.1.1 熱電阻n工作原理n電阻溫度特性方程n對于絕大多數(shù)金屬導(dǎo)體

3、，并不是一個常數(shù)，而是溫度的函數(shù)n在一定的溫度范圍內(nèi)， 可近似看作一個常數(shù)n不同的金屬導(dǎo)體， 保持常數(shù)所對應(yīng)的溫度范圍不同)(100ttRRt1.1.1 熱電阻n對感溫元件材料的要求n材料的電阻溫度系數(shù)要大n在測溫范圍內(nèi)，材料的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定n在測溫范圍內(nèi)，電阻溫度系數(shù)保持為常數(shù)，便于實現(xiàn)溫度表的線性刻度特性n具有較大的電阻率，以利于減少熱電阻的體積，減小熱慣性n良好的可加工性，特性復(fù)現(xiàn)性好，容易復(fù)制n常用的材料有鉑、銅、鐵和鎳常見的熱電阻n鉑熱電阻n一般用于高精度工業(yè)測量n標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計，常用作溫度基準(zhǔn)n長時間穩(wěn)定的溫度重現(xiàn)性n銅熱電阻n溫度范圍較窄n良好的性價比n常用于對溫度測量精度要

4、求不高的場合n其他熱電阻幾種金屬的溫度特性曲線熱電阻圖片及結(jié)構(gòu)示意圖n普通鎧裝熱電阻1.1.1 熱電阻n熱電阻的測量電路n 三線連接法n 四線連接法1.1.2 熱敏電阻n熱敏電阻是用某種金屬氧化物為基體原料，加入一些添加劑，采用陶瓷工藝制成的具有半導(dǎo)體特性的電阻器n半導(dǎo)體比金屬具有更大的電阻溫度系數(shù)n熱敏電阻的類型n正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻，常用作限流元件n負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻，常用于自動控制及電子線路的熱補償線路中n臨界溫度系數(shù)(CTR)熱敏電阻，主要用作溫度開關(guān)三種熱敏電阻的電阻溫度特性熱敏電阻的特性參數(shù)n標(biāo)稱電阻值（R25）n熱敏電阻在25時的零功率狀態(tài)下的阻值。n電阻溫度系

5、數(shù)（T）n在規(guī)定的溫度下，單位溫度變化使熱敏電阻的阻值變化的相對值熱敏電阻的特性參數(shù)n時間常數(shù)（）n熱敏電阻在零功率測量狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時，熱敏電阻的阻值從起始值變化到最終變化量的63時所需的時間n額定功率（PE）n指在標(biāo)準(zhǔn)壓力和規(guī)定的最高環(huán)境溫度下，熱敏電阻長期連續(xù)工作所允許的最大耗散功率熱敏電阻的特性參數(shù)n熱容量（C）n熱敏電阻的溫度變化1所需吸收或釋放的熱量n耗散系數(shù)（H）n指熱敏電阻的溫度與周圍介質(zhì)的溫度相差1 時所耗散的功率n能量靈敏度（G）n使熱敏電阻的阻值變化1所需耗散的功率熱敏電阻的主要特性n溫度特性n熱敏電阻的電阻隨溫度變化之間的關(guān)系特性n伏安特性n在穩(wěn)態(tài)情況下，通過熱

6、敏電阻的電流I與其兩端之間電壓U的關(guān)系，稱為熱敏電阻的伏安特性n安時特性n表示熱敏電阻在不同的外加電壓下，電流達(dá)到穩(wěn)定最大值所需的時間。熱敏電阻的優(yōu)缺點n優(yōu)點n電阻溫度系數(shù)大n靈敏度高n熱容量小n響應(yīng)速度快n分辨率很高n缺點n互換性差n熱電特性非線性大1.1.4電阻式溫度傳感器的應(yīng)用n溫度檢測及指示n溫度補償n過熱保護(hù)n自動延時電路n控溫電路n降溫報警器1.2 熱電偶n熱電偶是將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢大小的熱電式傳感器n熱電偶體現(xiàn)的是熱電效應(yīng)n應(yīng)用：n廣泛用于測量1001300范圍內(nèi)的溫度n根據(jù)需要可以用來測量更高或更低的溫度1.2 熱電偶n特點：n結(jié)構(gòu)簡單n使用方便n精度高n熱慣性小n可測量局部溫

7、度n便于遠(yuǎn)距離傳送與集中檢測、自動記錄1.2.1 熱電偶的基本原理n熱電效應(yīng)n1823年由塞貝克（Seebeck）發(fā)現(xiàn)n在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當(dāng)兩接觸處的溫度不同時，回路中就要產(chǎn)生熱電勢，稱為塞貝克電勢。n這個物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)TAT0B1.2.1 熱電偶的基本原理n兩種不同材料的導(dǎo)體兩端聯(lián)接在一起，一端稱為工作端或熱端(T)，測溫時置于被測溫度場中；另一端稱為參考端或冷端(T0)，通常恒定在某一溫度。此時在這個回路中將產(chǎn)生一個與溫度T、T0、以及導(dǎo)體材料性質(zhì)有關(guān)的電勢EAB(T,T0)，然后可以利用這個熱電效應(yīng)來測量溫度。n把由兩種不同材料構(gòu)成的上述熱電變換元件稱為熱電偶，A

8、和B兩種不同的導(dǎo)體稱為熱電極1.2.1 熱電偶的基本原理n實驗證明，回路的總熱電勢為式中為熱電勢率或塞貝克系數(shù)，其值隨熱電極材料和兩接點的溫度而定n熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電勢由珀爾帖效應(yīng)（接觸電勢）和湯姆遜效應(yīng)（溫差電勢）兩部分組成)()(),(000TETEdTTTEABABTTABAB1.2.1 熱電偶的基本原理n珀爾帖效應(yīng)（接觸電勢）n將同溫度的兩種不同的金屬互相接觸，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬的接觸處會發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象，直至在接點處建立起平衡電場n兩種不同金屬的接點處產(chǎn)生的電動勢稱為珀爾帖電勢，又稱接觸電勢EAB(T)ABuBAABABBAABnnTTqkTETEnnqk

9、TTEln)()()(ln)(001.2.1 熱電偶的基本原理n湯姆遜效應(yīng)（溫差電勢）n當(dāng)勻質(zhì)棒狀導(dǎo)體兩端存在溫度梯度時，導(dǎo)體內(nèi)自由電子將從溫度高的一端向溫度低的一端擴(kuò)散，從而使棒內(nèi)建立起平衡電場。n電場產(chǎn)生的電勢稱為湯姆遜電勢或溫差電勢n當(dāng)勻質(zhì)導(dǎo)體兩端的溫度分別是T、T0時，溫差電勢為。體兩端的平均溫度有關(guān)的大小與材料性質(zhì)和導(dǎo)的電勢值。示溫差為一度時所產(chǎn)生稱為湯姆遜系數(shù)，它表式中或TTBBTTAAdTTTEdTTTE00),(),(001.2.1 熱電偶的基本原理n湯姆遜效應(yīng)（溫差電勢）n回路的溫差電勢為n如果兩接點溫度相同，則溫度電勢為零。TTBATTTTBABAdTdTdTTTETTE0

10、00)(),(),(001.2.1 熱電偶的基本原理n總熱電勢n如果熱電偶兩個電極的材料相同，兩個接點溫度不同，不會產(chǎn)生電勢n如果兩個電極的材料不同，但兩接觸點溫度相同，也不會產(chǎn)生電勢)()()()()()()()()(),(00000000TETEdTTEdTTEdTTETETTEABABTBAABTBAABTTBAABABAB1.2.1 熱電偶的基本原理n當(dāng)熱電偶兩個電極的材料不同，且A、B固定后，熱電勢EAB(T,T0)便為兩接點溫度T和T0的函數(shù)，即n當(dāng)T0保持不變，則熱電勢EAB(T,T0)便為熱電偶熱端溫度T的單值函數(shù)熱電偶測溫的基本公式)()(),(00TETETTEAB)()(

11、),(0TcTETTEAB熱電偶的基本定律n均質(zhì)導(dǎo)體定律n兩種均質(zhì)金屬組成的熱電偶，其電勢大小與熱電極直徑、長度及沿?zé)犭姌O長度上的溫度分布無關(guān)，只與熱電極材料和兩端溫度有關(guān)n如果材質(zhì)不均勻，則當(dāng)熱電極上各處溫度不同時，將產(chǎn)生附加的熱電勢，造成無法估計的測量誤差，因此，熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。n解決溫度分布對熱電偶熱電勢的影響問題熱電偶的基本定律n標(biāo)準(zhǔn)電極定律n兩種金屬組成熱電偶的熱電勢可以用它們分別與第三種金屬組成熱電偶的熱電勢之差來表示TAT0BTAT0CTBT0C熱電偶的基本定律n中間導(dǎo)體定律n在熱電偶回路中插入第三、四種導(dǎo)體，只要插入導(dǎo)體的兩端溫度相等，且插入導(dǎo)

12、體是均質(zhì)的，則無論插入導(dǎo)體的溫度分布如何，都不影響原來熱電偶的熱電勢的大小n解決熱電勢的測量問題TT0T0ABC熱電偶的基本定律n中間溫度定律n熱電偶在接點溫度為T，T0時的熱電勢等于該熱電偶在接點溫度為T，Tn和Tn，T0時的熱電勢的代數(shù)和n中間溫度定律是制訂分度表的理論基礎(chǔ))0 ,(),()0 ,(),(),(),(00nABnABABnABnABABTETTETETTETTETTE1.2.2 熱電偶的類型及結(jié)構(gòu)n 熱電極材料的基本要求n熱電特性穩(wěn)定，即熱電勢與溫度的對應(yīng)關(guān)系不變n熱電勢要足夠大，易于測量，有較高的準(zhǔn)確度n熱電勢與溫度為單值關(guān)系，最好為線性關(guān)系，或簡單的函數(shù)關(guān)系n電阻溫度系

13、數(shù)和電阻率要小n物理性能穩(wěn)定，化學(xué)成分均勻，不易氧化和腐蝕n材料的復(fù)制性好n材料的機(jī)械強(qiáng)度要高1.2.2 熱電偶的類型及結(jié)構(gòu)n熱電偶類型n熱電偶的類型、規(guī)格、結(jié)構(gòu)品種繁多，可以按不同的分類觀點進(jìn)行分類，如按使用溫度、熱電極材料、用途、結(jié)構(gòu)等。n熱電偶的結(jié)構(gòu)形式n普通型熱電偶n鎧裝熱電偶n小慣性熱電偶n薄膜熱電偶n表面熱電偶熱電偶的冷端溫度補償n恒溫法n分度表通常只提供冷端溫度為0的熱電勢n冷端恒溫時，熱電勢偏差為常數(shù)n電壓補償或修正熱電偶的冷端溫度補償n冷端自動補償法1.2.3 熱電偶的實用測量電路n單點溫度測量電路n兩點間溫差的測量電路n平均溫度測量電路n若干點溫度之和測量電路熱電偶實物圖片工業(yè)測溫用的熱電偶熱電偶，其基本構(gòu)造包括熱電偶熱電偶絲材、絕緣管、保護(hù)管和接線盒等。 熱電偶（阻）實物圖片壓簧式固定熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)熱電偶應(yīng)用實例塑膠射出成型機(jī)應(yīng)用熱電式傳感器應(yīng)用實例焊接熱循環(huán)測試與分析系統(tǒng)熱電偶的前置放大電路半導(dǎo)體