《傳感器技術(shù)與應(yīng)用》教學(xué)課件第六章熱電式傳感器

1、2022/8/201第6章 熱電式傳感器第1頁，共40頁。2022/8/202引言熱電式傳感器就是一種能將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置，它是利用敏感元件的電參數(shù)隨溫度變化的特性來達(dá)到測量的目的。本章主要介紹熱電偶、熱電阻和熱敏電阻傳感器的原理、測量電路及其應(yīng)用。第2頁，共40頁。2022/8/2036.1.1 熱電偶1熱電效應(yīng) 熱電效應(yīng)就是把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體（A和B）串接成一個(gè)閉合回路，如果兩導(dǎo)體接點(diǎn)處溫度（ 和 ）不同，則兩點(diǎn)之間便產(chǎn)生電動勢，從而在回路中便形成了電流的現(xiàn)象。由此效應(yīng)產(chǎn)生的電動勢，通常稱為熱電動勢。1821年由Seeback發(fā)現(xiàn)的，故又稱為賽貝克效應(yīng)。6.1 熱電偶傳感

2、器第3頁，共40頁。2022/8/2046.1.1 熱電偶第4頁，共40頁。2022/8/205熱電勢由兩部分組成兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電勢則稱為“熱電勢”，熱電偶的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，一個(gè)稱為測量端（工作端或熱端），另一個(gè)稱為參考端（自由端或冷端）。一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電勢，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電勢。第5頁，共40頁。2022/8/2062接觸電勢 當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時(shí)，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同（即電子密度不同），因此，電子在兩個(gè)方向上擴(kuò)散的速率就不一樣。 。假設(shè)導(dǎo)體A的自由電子密度大于導(dǎo)體B的自由電子密度，則導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體

3、B的電子數(shù)要比導(dǎo)體B擴(kuò)散到導(dǎo)體A的電子數(shù)大。所以導(dǎo)體A失去電子帶正電荷，導(dǎo)體B得到電子帶負(fù)電荷。于是，在A、B兩導(dǎo)體的接觸界面上便形成一個(gè)由A到B的電場 。第6頁，共40頁。2022/8/207熱電動勢示意圖 第7頁，共40頁。2022/8/208形成機(jī)理該電場的方向與擴(kuò)散進(jìn)行的方向相反，它將引起反方向的電子轉(zhuǎn)移，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)擴(kuò)散作用與阻礙擴(kuò)散作用相等時(shí)，即自導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的自由電子數(shù)與在電場作用下自導(dǎo)體B到導(dǎo)體A的自由電子數(shù)相等時(shí)，便處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，A與B兩導(dǎo)體的接觸處產(chǎn)生了電位差，稱為接觸電勢。接觸電勢的大小與導(dǎo)體材料、結(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的直徑、長

4、度及幾何形狀無關(guān)。 第8頁，共40頁。2022/8/209接觸電勢大小 第9頁，共40頁。2022/8/20103溫差電動勢 溫差電動勢是同一導(dǎo)體（熱電極）的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢。由于溫度不同，低溫端的電子數(shù)會比高溫端的電子數(shù)多，結(jié)果高溫端因少出電子而帶正電， 低溫端因多出電子而帶負(fù)電，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電動勢。其大小可表示為 和第10頁，共40頁。2022/8/20114熱電偶的電勢 設(shè)導(dǎo)體A、B組成熱電偶的兩結(jié)點(diǎn)溫度分別為T和T0，熱電偶回路所產(chǎn)生的總電動勢， 熱電偶的接觸電動勢要遠(yuǎn)大于溫差電動勢，忽略溫差電動勢，熱電偶的熱電勢可表示為，第11頁，共40頁。2022/8/2

5、012結(jié)論（1）如果熱電偶兩材料相同，則無論結(jié)點(diǎn)處的溫度如何，總電勢為0。（2）如果兩結(jié)點(diǎn)處的溫度相同，盡管A、B材料不同，總熱電勢為0。（3）熱電偶熱電勢的大小，只與組成熱電偶的材料和兩結(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺寸無關(guān)，當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電勢便是兩結(jié)點(diǎn)電勢差。（4）如果使冷端溫度0保持不變，則熱電動勢便成為熱端溫度的單一函數(shù)。 第12頁，共40頁。2022/8/20136.1.2 熱電偶結(jié)構(gòu)及種類1熱電偶的基本結(jié)構(gòu)形式 2熱電偶材料 3常用熱電偶第13頁，共40頁。2022/8/20141.熱電偶的基本結(jié)構(gòu)形式熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。熱電

6、偶的種類雖然很多，但通常由金屬熱電極、絕緣子、保護(hù)套管及接線裝置等部分組成。 第14頁，共40頁。2022/8/2015普通型熱電偶 普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成。普通型熱電偶按其安裝時(shí)的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動法蘭連接、無固定裝置等多種形式。普通型熱電偶結(jié)構(gòu)圖 第15頁，共40頁。2022/8/2016普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭第16頁，共40頁。2022/8/2017普通裝配型熱電偶的結(jié)構(gòu)放大圖 接線盒引出線套管 固定螺紋 （出廠時(shí)用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端） 不銹鋼保護(hù)管 第17頁，共40頁。2022/

7、8/2018鎧裝型熱電偶 鎧裝型熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體 .它可以做得很細(xì)很長，使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝型熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測溫端熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快，機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。 第18頁，共40頁。2022/8/2019鎧裝型熱電偶結(jié)構(gòu) 1接線盒 2金屬套管 3固定裝置 4絕緣材料 5熱電極第19頁，共40頁。2022/8/2020鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可 長達(dá)上百米薄壁金屬 保護(hù)套管（鎧體） BA絕緣 材料鎧裝型熱電偶橫截面第20頁，共40頁。2022/8/2021

8、薄膜熱電偶 用真空蒸鍍（或真空濺射）、化學(xué)涂層等工藝，將熱電極材料沉積在絕緣基板上形成的一層金屬薄膜。熱電偶測量端既小又?。ê穸瓤蛇_(dá)0.010.1m），因而熱慣性小，反應(yīng)快，可用于測量瞬變的表面溫度和微小面積上的溫度。 其結(jié)構(gòu)有片狀、針狀和把熱電極材料直接蒸鍍在被測表面上等3種。所用的電極類型有鐵-康銅、鐵鎳、銅-康銅、鎳鉻-鎳硅等。測溫范圍為200300。 第21頁，共40頁。2022/8/2022鐵-鎳薄膜熱電偶結(jié)構(gòu) 1測量接點(diǎn) 2鐵膜 3鐵絲 4鎳絲5接頭夾具 6鎳膜 7襯架第22頁，共40頁。2022/8/2023表面熱電偶 表面熱電偶是用來測量各種狀態(tài)的固體表面溫度的，如測量軋輥、金

9、屬塊、爐壁、橡膠筒和渦輪葉片等表面溫度。此外還有測量氣流溫度的熱電偶、浸入式熱電偶等。第23頁，共40頁。2022/8/20242.熱電偶材料1對熱電極材料的一般要求 2電極材料的分類 3絕緣材料 4保護(hù)管材料 第24頁，共40頁。2022/8/2025對熱電極材料的一般要求（1）配對的熱電偶應(yīng)有較大的熱電勢，并且熱電勢對溫度盡可能有良好的線性關(guān)系。（2）能在較寬的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用，并且在長時(shí)間工作后，不會發(fā)生明顯的化學(xué)及物理性能的變化。（3）電阻溫度系數(shù)小，電導(dǎo)率高。（4）易于復(fù)制，工藝性與互換性好，便于制定統(tǒng)一的分度表，材料要有一定的韌性，焊接性能好，以利于制作。第25頁，共40頁。2022

10、/8/2026電極材料的分類（1）一般金屬，如鎳鉻-鎳硅，銅-鎳銅，鎳鉻-鎳鋁，鎳鉻-考銅等。（2）貴金屬，這類熱電偶材料主要是由鉑、銥、銠、釕、鋨及其合金組成，如鉑鐒-鉑、銥銠-銥等。（3）難熔金屬，這類熱電偶材料系由鎢、鉬、鈮、錸、鋯等難熔金屬及其合金組成，如鎢錸-鎢錸、鉑銠-鉑銠等熱電偶。第26頁，共40頁。2022/8/2027絕緣材料熱電偶測溫時(shí)，除測量端以外，熱電極之間和連接導(dǎo)線之間均要求有良好的電絕緣，否則會有熱電勢損耗而產(chǎn)生測量誤差，甚至無法測量 （1）有機(jī)絕緣材料。（2）無機(jī)絕緣材料。 第27頁，共40頁。2022/8/2028保護(hù)管材料要求（1）氣密性好，可有效地防止有害介

11、質(zhì)深入而腐蝕結(jié)點(diǎn)和熱電極。（2）應(yīng)有足夠的強(qiáng)度及剛度，耐振、耐熱沖擊。（3）物理化學(xué)性能穩(wěn)定，在長時(shí)間工作中不至于介質(zhì)、絕緣材料和熱電極互相作用，也不產(chǎn)生對熱電極有害的氣體。（4）導(dǎo)熱性能好，使結(jié)點(diǎn)與被測介質(zhì)有良好的熱接觸。第28頁，共40頁。2022/8/20296.1.3 熱電偶傳感器溫度補(bǔ)償方法常用的補(bǔ)償方法有：補(bǔ)償導(dǎo)線法，冷端恒溫法，溫度修正法，電橋補(bǔ)償法等。第29頁，共40頁。2022/8/20301補(bǔ)償導(dǎo)線法 第30頁，共40頁。2022/8/20312冷端恒溫法及溫度修正法 在實(shí)驗(yàn)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，此種做法稱之為冷

12、端0恒溫法。第31頁，共40頁。2022/8/20323電橋補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償法：補(bǔ)償方法是在熱電偶和測量儀表間接入一個(gè)不平衡電橋，也稱為冷端溫度補(bǔ)償器，如圖所示。第32頁，共40頁。2022/8/20336.2 熱電阻傳感器熱電阻溫度傳感器就是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性，對溫度和溫度有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行檢測的裝置。第33頁，共40頁。2022/8/20346.2.1 熱電阻結(jié)構(gòu)及類型熱電阻通常由電阻體、瓷絕緣套管、不銹鋼套管、安裝固定件、接線盒和引出線口等組成，如圖所示。第34頁，共40頁。2022/8/20356.2.3 測量電路用熱電阻傳感器進(jìn)行測溫時(shí)，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。第35頁，共40頁。2022/8/20366.3 熱敏電阻傳感器工作原理熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件，其特點(diǎn)是電阻率隨溫度而顯著變化。金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的升高而增大，但半導(dǎo)體卻相反，它的電阻值隨溫度的升高而急劇減小，在溫度變化相同時(shí)，熱敏電阻的阻值變化約為鉑熱電阻的10倍，因此可以用它來測量0.01或更小的溫度。第36頁，共40頁。2022/8/2037結(jié)構(gòu)