第7章 熱電式傳感器

第7章熱電式傳感器

7.1熱電偶傳感器7.2熱電阻式傳感器7.1熱電偶傳感器

熱電偶傳感器基于熱電效應(yīng)原理，其結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高、輸出信號便于遠(yuǎn)傳，在溫度測量中應(yīng)用極為廣泛。7.1.1

熱電偶傳感器原理

1．熱電效應(yīng)原理

由兩種不同材料（導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料）A、B組成閉合回路，兩個接點處于不同溫度T1和T2下，則在該回路中產(chǎn)生熱電動勢EAB（T1,T2）（或產(chǎn)生相應(yīng)的熱電流I），該現(xiàn)象稱之熱電效應(yīng)，如圖7.1所示。其電勢由接觸電勢（珀爾帖電勢）和溫差電勢（湯姆遜電勢）兩部分組成。ABT1I圖7.1熱電效應(yīng)原理圖T2（1）接觸電勢的產(chǎn)生

所有金屬都具有自由電子，且不同金屬中自由電子濃度不同，因此當(dāng)兩種不同金屬A和B接觸時，在接觸處便發(fā)生電子的擴(kuò)散如圖7.2所示。

圖7.2接觸電勢示意圖AB＋－EAB(T)（2）溫差電勢的產(chǎn)生

對任何金屬，當(dāng)其兩端溫度不同時，兩端自由電子濃度也不同。高溫端濃度大，具有較大的動能；低溫端濃度小，動能也小。因此，高溫端自由電子向低溫端擴(kuò)散，最后達(dá)到動態(tài)平衡。高溫端失去電子帶正電，低溫端得到電子帶負(fù)電。從而在兩端形成溫差電勢如圖7.3所示，又稱為湯姆森電勢。

圖7.3溫差電勢示意圖AB＋－EAB(T1,T2)T2T12.熱電偶基本定律

（1）均質(zhì)導(dǎo)體定律

兩電極(A,B)材料相同時則無論接點處溫度如何，熱電偶回路內(nèi)的總熱電勢恒為零。即EA→A(T)＝0。（2）中間導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中，接入第三種導(dǎo)體C，如圖7.5所示,在閉合回路中引入第三種導(dǎo)體C時，只要引入點處的溫度相同則回路中的總熱電勢不變。其表達(dá)式如下：mV圖7.5接入導(dǎo)體C的熱電偶回路圖ABT2T1C（3）標(biāo)準(zhǔn)電極定律

三組導(dǎo)體分別組成的熱電偶如圖7.6所示，A、B組成的熱電偶其產(chǎn)生的熱電勢等于A、C組成的熱電偶和C、B組成的熱電偶的熱電勢之和。即

圖7.6三組導(dǎo)線的熱電偶圖ABBCCAT1T1T1T2T2T2（4）連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律

當(dāng)導(dǎo)體A、B連接導(dǎo)體A′、B′如圖7.7所示，中間溫度Tn,其表達(dá)式為：

ABB′A′TT0Tn圖7.7導(dǎo)體AB與A′B′連接圖7.1.2

熱電偶種類及結(jié)構(gòu)

1．常用熱電偶種類

實際生產(chǎn)中充分考慮熱電偶的熱電勢及其制造的復(fù)制性和穩(wěn)定性這些特點,在工業(yè)中常采用合金熱電偶,如鉑銠、鎳鉻、康銅等。2.熱電偶結(jié)構(gòu)

由于熱電偶廣泛地應(yīng)用于各種條件下的溫度測量，因而它的結(jié)構(gòu)形式很多。按熱電偶本身的結(jié)構(gòu)劃分,有普通熱電偶、鎧裝熱電偶及薄膜熱電偶。

（1）普通熱電偶

一般熱電偶傳感器使用中其結(jié)構(gòu)分別由熱電極、絕緣套管、保護(hù)套管和接線盒等幾部分組成如圖7.8所示。

圖7.8普通熱電偶結(jié)構(gòu)圖熱端12341-熱電極2-絕緣管4-接線盒3-保護(hù)管（2）鎧裝熱電偶

鎧裝熱電偶又稱套裝熱電偶，是將熱電極、絕緣材料和金屬管組合在一起，經(jīng)拉伸加工成為一個堅實的組合體。鎧裝熱電偶熱端結(jié)構(gòu)如圖7.9所示

圖7.9鎧裝熱電偶熱端結(jié)構(gòu)圖（3）薄膜熱電偶

為適應(yīng)快速測量壁面溫度，人們采用真空蒸鍍、化學(xué)涂覆等工藝，將兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣基板上，二者牢固結(jié)合，形成薄膜狀熱電極及熱接點，其結(jié)構(gòu)如圖7.10所示。為防止熱電極氧化并與被測物絕緣，在薄膜熱電偶表面再涂覆一層sio2保護(hù)層。絕緣基板熱極點圖7.10薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)圖引出線熱電極3．熱電偶的主要技術(shù)參數(shù)

為保證熱電偶測溫精度的各項技術(shù)指標(biāo)，按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化要求，熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化兩種。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶指能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定，具有統(tǒng)一的分度表并已列入國際和國家標(biāo)準(zhǔn)文件中的熱電偶。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶無論在適用范圍或數(shù)量上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，但在某些特殊場合，如在高溫、低溫、超低溫、真空等被測對象中，這些熱電偶具有某些特別良好的特性。目前非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶主要用于進(jìn)一步擴(kuò)展高溫和低溫測量范圍，有很多產(chǎn)品，但這類熱電偶不夠成熟，沒有統(tǒng)一分度表，使用前需個別標(biāo)定，以確保熱測溫精度。對標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶則在使用一段時間后或測量端要受氧化腐蝕，并在高溫下發(fā)生再結(jié)晶，以及受拉伸、彎曲等機(jī)械應(yīng)力的影響后再進(jìn)行標(biāo)定，以消除測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差。

（1）標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要技術(shù)參數(shù)有熱電偶分度號、測量范圍、精度等級及允許偏差。（2）熱電偶的標(biāo)定

標(biāo)定就是核對熱電偶熱電勢－溫度關(guān)系是否符合標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)定曲線，也可以通過標(biāo)定消除測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，標(biāo)定方法有定點法和比較法。7.1.3熱電偶的誤差分析

1.傳熱誤差

（1）對流換熱

（2）輻射換熱

（3）傳導(dǎo)換熱

2.動態(tài)誤差3.其它誤差

（1）分度誤差

（2）儀表誤差及接線誤差

7.1.4熱電偶溫度補(bǔ)償

（3）干擾和漏電誤差

熱電偶的輸出電壓Er的表達(dá)式為：由此可以看出Er是T和T0的二元函數(shù)。要使Er成為熱端T的單值函數(shù)關(guān)系，則T0＝0℃或為恒定常數(shù)C。一般取T0＝0℃(分度表中T0＝0℃)，所以在實際運用中，要對冷端T0采取穩(wěn)定措施或補(bǔ)償措施。在實際的應(yīng)用中通常有以下幾種方法：1.冰點法冰點法又稱為冰浴法如圖7.12所示，為了測溫準(zhǔn)確，把熱電偶的冷端置于冰水混合物的容器中，保證使T0＝0℃。這種方法是最為妥善，但是不夠方便，所以一般都應(yīng)用于實驗，科研。

圖7.12

冷端處理冰點法示意圖冰點器TABCC銅導(dǎo)線冰水混合液水銀試管儀表mV2.冷端溫度計算校正法

一般與熱電偶配套使用的指示儀表刻度是依據(jù)分度表數(shù)值，而分度表是在T0＝0℃時得到的，所以當(dāng)T0≠0℃時，指示儀表的指示值就必須加以修正，修正方法如下：則有

3.補(bǔ)償電橋法

補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋中隨溫度變化的電勢值，以此補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化4.補(bǔ)償導(dǎo)線法

當(dāng)熱電偶冷端離熱源較近，受其影響使冷端溫度在很大范圍內(nèi)變化時，則直接采用冷端溫度補(bǔ)償法將很困難，此時采用延引熱電極的方法。如圖7.14所示

圖7.14補(bǔ)償導(dǎo)線電路圖ABT2T1T2ABT2T2mv

7.1.5熱電偶應(yīng)用

1.熱電偶測溫線路

在測溫準(zhǔn)確度要求不高的場合，可用動因圈式儀表(如毫伏表)直接與熱電偶連接，如圖7.14所示。為提高靈敏度，亦可采用同一型號的熱電偶，在冷端和熱端保持溫度為T0和T的情況下串聯(lián)使用，提高靈敏度，減小相對誤差，如圖7.15所示。

圖7.16熱電偶并聯(lián)測溫電路圖圖7.15熱電偶串聯(lián)測溫電路圖T2T2T2T2++－－－+T1E1T2E2TnEnmVT1E1T2E2TnEnmV2．單片機(jī)控溫器熱電偶測溫電路圖7.17熱電偶傳感器測溫系統(tǒng)硬件原理圖＋－＋5R1R2R3RcuRs＋－b＋－＋－20015K15K-15-154410K10K3232718+1571822K22K+1510K231K-1510K22K415-1576OP-07OP-07uA74166a

如圖7.17所示，測量放大電路第一級是兩個對稱的同相放大器OP-07，OP-07性能較好，第二級是一個μA741差動放大器，這不僅提高了抗干擾性能，而且能夠抑制溫度漂移和零點漂移。

7.2熱電阻式傳感器

熱電阻式傳感器是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行檢測的裝置，熱電阻傳感器的主要優(yōu)點是測量精確高、測量范圍大（在低溫方面）、易使用在自動測量和遠(yuǎn)距離測量中。7.2.2

熱敏電阻

熱敏電阻是一種電阻值隨溫度變化的半導(dǎo)體熱敏元件，它是由一些金屬氧化物，如鈷、錳、鎳等的氧化物，采用不同比例的配方，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。1.熱敏電阻材料及特點（1）組成材料

（2）熱敏電阻特點

1）靈敏度高

2）體積小3）使用方便4）熱敏電阻其溫度與阻值之間呈非線性轉(zhuǎn)換關(guān)系，且穩(wěn)定性以及互換性差2.基本參數(shù)（1）標(biāo)稱電阻R25（K）（2）材料常數(shù)B(K)（3）電阻溫度系數(shù)αt

（4）其他參數(shù)3.主要特性（1）熱敏電阻的溫度特性

圖7.19溫度特性曲線圖（2）熱敏電阻的熱電特性

圖7.20熱電特性曲線圖7.2.3

熱電阻式傳感器的應(yīng)用

1．熱電阻溫度計

圖7.21熱電阻測溫電路圖R′2R2R3R4R1R′1R