傳感器結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)第十章熱電式傳感器課件

1、第十章 熱電式傳感器第一節(jié) 熱電偶傳感器一、熱電偶的工作原理1、熱電效應(yīng)定義：將兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體A，B串接成一個(gè)閉合回路，如果兩接合點(diǎn)處的溫度不同(T0T)，則在兩導(dǎo)體間產(chǎn)生熱電勢(shì)，并在回路中有一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。 第1頁，共40頁。術(shù)語：閉合回路中兩種導(dǎo)體叫熱電極； 兩個(gè)結(jié)點(diǎn)中，一個(gè)稱工作端或熱端(T)，另一個(gè)叫參比端或冷端(T0)；由這兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)的傳感器叫做熱電偶。第2頁，共40頁。第3頁，共40頁。熱電動(dòng)勢(shì)的組成：接觸電動(dòng)勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)。（1） 接觸電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生機(jī)理：不同的金屬材料具有不同的自由電子密度，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體接觸時(shí)，在

2、接觸面上就會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散，電子的擴(kuò)散速率與兩導(dǎo)體的電子密度有關(guān)并和接觸區(qū)的溫度成正比。設(shè)導(dǎo)體A和B的自由電子密度為NA和NB，且有NANB，電子擴(kuò)散的結(jié)果使導(dǎo)體A失去電子而帶正電，導(dǎo)體B則因獲得電子而帶負(fù)電，在接觸面形成電場(chǎng)。第4頁，共40頁。這個(gè)電場(chǎng)阻礙了電子繼續(xù)擴(kuò)散，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在接觸區(qū)形成一個(gè)穩(wěn)定的電位差，即接觸電動(dòng)勢(shì)。接觸電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式：eAB(T) 導(dǎo)體A和B的結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電勢(shì)；e 電子電荷，e1.6x10-19C；k 玻爾茲曼常數(shù)，k1.38x10-23J/K；NA，NB 導(dǎo)體A，B的自由電子密度。第5頁，共40頁。（2）同一導(dǎo)體中的溫差電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生機(jī)理： 導(dǎo)體內(nèi)自

3、由電子在高溫端具有較大的動(dòng)能，因而向低溫端擴(kuò)散的結(jié)果。高溫端因失去電子而帶正電，低溫端由于獲得電子而帶負(fù)電，在高低溫端之間形成一個(gè)電位差。 溫差電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式：eA(T，T0) 導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時(shí)形成的溫差電勢(shì)；T，T0 高、低端的絕對(duì)溫度；A 湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1時(shí)所產(chǎn)生的溫差電勢(shì)，例如在0時(shí)，銅的=2V/。第6頁，共40頁。第7頁，共40頁。對(duì)于上圖中導(dǎo)體A、B組成的熱電偶回路，當(dāng)溫度TT0時(shí)，回路總的熱電勢(shì)可表示為 NAT、NAT0 導(dǎo)體A在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度；NBT、NBT0 導(dǎo)體B在結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度；A、B 導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)

4、。第8頁，共40頁。關(guān)于熱電偶回路的結(jié)論：如果構(gòu)成熱電偶的兩個(gè)熱電極為材料相同的均質(zhì)導(dǎo)體，即AB，NANB，則無論兩結(jié)點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路內(nèi)的總熱電勢(shì)為零。因此，熱電偶必須采用兩種不同的材料作為熱電極。如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相等即TT0，則盡管導(dǎo)體A、B的材料不同，熱電偶回路內(nèi)的總電勢(shì)亦為零。熱電偶AB的熱電動(dòng)勢(shì)與A、B材料的中間溫度無關(guān)，只與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。 第9頁，共40頁。2、熱電偶基本定律（1）中間導(dǎo)體定律 在T0處斷開，接入第三導(dǎo)體C，則當(dāng)A、B結(jié)點(diǎn)溫度為T，其余結(jié)點(diǎn)溫度為T0，且TT0，回路總電動(dòng)勢(shì)：（84）（85）（86）第10頁，共40頁。圖83結(jié)論：在熱電偶回路中接入第三種材料

5、的導(dǎo)線，只要其兩端的溫度相等，第三導(dǎo)線的引入不會(huì)影響熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)規(guī)律稱為中間導(dǎo)體定律。第11頁，共40頁。第12頁，共40頁。（2）參考電極定律當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)，用導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電勢(shì)等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電勢(shì)的代數(shù)和，即第13頁，共40頁。公式也可如下：EAB（T，T0）=EAC（T，T0）EBC（T，T0） 標(biāo)準(zhǔn)電極通常采用純鉑絲制成，因?yàn)殂K容易提純，熔點(diǎn)高，性能穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)電極定律使熱電偶的選配工作大為簡(jiǎn)化，只要知道一些材料與標(biāo)準(zhǔn)電極相配時(shí)的熱電勢(shì)，就可用公式求出任何兩種材料配成熱電偶的熱電勢(shì)。 第14頁，共40頁。證明： 對(duì)于AC熱電偶：對(duì)于BC熱電偶：

6、第15頁，共40頁。依據(jù)101可得故有第16頁，共40頁。（3）中間溫度定律 熱電偶回路中，熱端溫度為 T、冷端為 T0時(shí)的熱電勢(shì)，等于此熱電偶熱端為T、冷端為T1，及同一熱電偶熱端為 T1、冷端為T0時(shí)熱電勢(shì)的代數(shù)和，如圖所示。根據(jù)這一定律，只要列出參考溫度為0的熱電動(dòng)勢(shì)溫度關(guān)系，則參考溫度不等于0的熱電動(dòng)勢(shì)都可以求出。T1T1第17頁，共40頁。二、常用熱電偶1、鉑銠10鉑熱電偶 由0.5mm的純鉑絲和相同直徑的鉑銠絲制成，用符號(hào)LB表示。鉑銠絲為正極，純鉑絲為負(fù)極。這種熱電偶可在1300以下范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用，短期可測(cè)1600高溫。由于容易得到高純度的鉑和鉑銠，故LB熱電偶的復(fù)制精度和測(cè)量準(zhǔn)

7、確性高。LB熱電偶的材料為貴金屬，成本較高。2、鎳鉻鎳硅熱電偶 鎳鉻為正極，鎳硅為負(fù)極，熱偶絲直徑為1.2mm2.5mm，符號(hào)用EU。EU熱電偶化學(xué)穩(wěn)定性較高，測(cè)量范圍為-50+1312。3、鎳鉻考銅熱電偶 由鎳鉻材料與鎳、銅合金材料組成，符號(hào)為EA。熱偶絲直徑1.2mm2mm，鎳鉻為正極，考銅為負(fù)極。適用于還原性或中性介質(zhì)。第18頁，共40頁。三、熱電偶溫度補(bǔ)償熱電偶輸出的電勢(shì)是兩結(jié)點(diǎn)溫度差的函數(shù)。為了使輸出的電勢(shì)是被測(cè)溫度的單一函數(shù)，一般將T作為被測(cè)溫度端，T0作為參比溫度端(冷端)。通常要求T0保持為0，但在實(shí)際中做到這一點(diǎn)很困難，于是產(chǎn)生了熱電偶冷端補(bǔ)償問題。電位補(bǔ)償法： 補(bǔ)償電路：H

8、是工作熱端，它的工作溫度為t，而冷端放在補(bǔ)償器C中，溫度為tn，在補(bǔ)償器中還放有R3和具有正溫度系數(shù)的電阻Rt。外加電源U為一恒定電壓，為了調(diào)整分壓比，電路還串聯(lián)了電位器R1和電阻R2，經(jīng)補(bǔ)償了的熱電勢(shì)輸出為(t，t0)。 第19頁，共40頁。第20頁，共40頁。討論：當(dāng)冷端為一恒定溫度時(shí)(假定這個(gè)恒定溫度不是0)，A點(diǎn)供給熱電偶回路一個(gè)不變的修正電勢(shì)，其大小等于(tn，t0)，式中t00。當(dāng)冷端溫度波動(dòng)時(shí)，則熱電偶回路中的熱電勢(shì)與補(bǔ)償電路中的UA會(huì)相應(yīng)地向相反的方向變化，從而補(bǔ)償了熱電偶電動(dòng)勢(shì)的變化。經(jīng)適當(dāng)?shù)剡x擇電阻參數(shù)，可以足夠準(zhǔn)確地對(duì)冷端進(jìn)行補(bǔ)償。 第21頁，共40頁。第二節(jié) 熱電阻傳感

9、器一、概述定義：金屬熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性，對(duì)溫度和與溫度相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)力的裝置。熱電阻的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高；測(cè)量范圍大（低溫272270 ）；與熱電偶相比，無參比端誤差問題。第22頁，共40頁。二、常用熱電阻熱電阻傳感器的組成：熱電阻傳感器是由電阻體、絕緣管、保護(hù)套管、引線和接線盒等組成。電阻體是主要部分。如圖所示。第23頁，共40頁。第24頁，共40頁。（1）鉑電阻特點(diǎn)：測(cè)溫精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠；氧化性介質(zhì)穩(wěn)定，還原性介質(zhì)易被污染測(cè)測(cè)量精度要求不高時(shí)，選銅電阻。測(cè)溫范圍：-200 850電阻與溫度關(guān)系： -200 0 的溫度范圍內(nèi) 0 850 的溫度范圍內(nèi)為第25頁，共

10、40頁。 說明：Rt和 R0分別為 t和 0 時(shí)的鉑電阻值；A、 B 和 C 為常數(shù)，其數(shù)值為分度號(hào)：t=0 時(shí)的鉑電阻值為 R0，我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有 R0 = 10和 R0 =100兩種，它們的分度號(hào)分別為 Pt10和 Pt100，其中Pt100最常用。分度表：鉑熱電阻不同分度號(hào)亦有相應(yīng)分度表，即 Rt t的關(guān)系表，這樣在實(shí)際測(cè)量中，只要測(cè)得熱電阻的阻值 Rt，便可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。第26頁，共40頁。第27頁，共40頁。（2）銅電阻特點(diǎn)：測(cè)溫精度低于鉑電阻，但線性度好、電阻溫度系數(shù)高、價(jià)格便宜。測(cè)溫范圍：-50 150電阻與溫度關(guān)系：第28頁，共40頁。第三節(jié) 熱敏電阻傳感

11、器一、熱敏電阻的工作原理原理同金屬熱電阻，但感溫元件為半導(dǎo)體材料。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，體積小，響應(yīng)快，功耗低，價(jià)格低廉。缺點(diǎn)：非線性、元件穩(wěn)定性及互換性差。材料：是由金屬氧化物（NiO、MnO2、CuO、TiO2等）的粉末按照一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體。第29頁，共40頁。分類：不同的熱敏電阻材料，有不同的電阻溫度特性，按溫度系數(shù)正負(fù)，分類如下。1、負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）第30頁，共40頁。各熱敏電阻溫度特性曲線第31頁，共40頁。2、正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）3、臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）特點(diǎn)：在某一溫度點(diǎn)，電阻急劇降低，可作溫度開關(guān)。第32頁，共40頁。二、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)1熱敏探頭 2引線 3殼體 第33頁，共40頁。第34頁，共40頁。第35頁，共40頁。第四節(jié) 集成溫度傳感器一、概述集成溫度傳感器原理：利用晶體管結(jié)的電流和電壓特性與溫度的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度測(cè)量的檢測(cè)元件。類型：電流輸出型、電壓輸出型和數(shù)字輸出型。特點(diǎn)：靈敏度高（10mV/ )；線性好；測(cè)溫范圍窄（50150 ）；準(zhǔn)確度低。第36頁，共40頁。二、集成溫度傳感器應(yīng)用舉例實(shí)例：AD590測(cè)溫范圍：55150 ；原理：半導(dǎo)體三極管的基極與發(fā)射極的電壓約有-2.2mV/