魯科版-選修3-2-第5章 傳感器及其應(yīng)用-第2節(jié) 常見傳感器的工作原理（省一等獎）

熱電偶傳感器熱電偶傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理是將溫度或能轉(zhuǎn)換成溫度變化的物理量，經(jīng)熱電偶轉(zhuǎn)換成熱電勢的輸出。這種傳感器的主要特點(diǎn)是：(1)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，有標(biāo)準(zhǔn)的顯示和記錄儀表(動圈式儀表)配合使用(2)以熱電勢輸出，屬于自發(fā)電型傳感器。測量時，無需外加電源。(3)測量范圍廣，尤其是高溫域的測量，可達(dá)1800℃(4)便于遠(yuǎn)距離測量和多點(diǎn)測量，可測溫度、溫度差或平均溫度。一、熱電偶熱電效應(yīng)和熱電偶定律一）熱電偶熱電偶是用兩種不同材料的導(dǎo)體A，B首尾相接，組成一個閉合回路，如圖4—1所不。其中AlB(圖中的2)稱為熱電偶的熱電極。兩個接點(diǎn)放在不同的溫度場中，通常T(圖中的1)為被測溫度，也稱工作端或熱端，T0(圖中的4)為參考溫度，也稱自由端或冷端。3是當(dāng)熱電偶回路產(chǎn)生熱電勢時，回路內(nèi)產(chǎn)生的磁場。熱電偶的工作原理是基于熱電效應(yīng)，即兩種不同材料的熱電極首尾連接置于不同的溫度場中，在熱電偶回路內(nèi)產(chǎn)生電動勢，如圖4—2所示。熱電偶回路內(nèi)產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成：接觸電勢和溫差電勢。1接觸電勢由兩種導(dǎo)體相接觸而形成的電勢稱為接觸電勢。它的產(chǎn)生是出于兩個熱電極A，B材料不同(假設(shè)nA＞nB)，則它們的自由電子的濃度不等，當(dāng)這兩種材料在T和T0處相接觸時，由于nA＞nB，在接觸面上會產(chǎn)生電子擴(kuò)散。電子擴(kuò)散的速率與兩電極的材料和接觸面溫度有關(guān)，電子擴(kuò)散的結(jié)果使導(dǎo)體A出于失去電子而帶正電荷，導(dǎo)體B獲得電子而帶負(fù)電荷，在接觸面形成電場，這個電場阻礙了電子的繼續(xù)擴(kuò)散，在某一時刻達(dá)到動態(tài)平衡，在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢。2溫差電勢對于同一導(dǎo)體，由于兩端溫度不同而形成的電勢稱為溫差電勢。假設(shè)T＞T0，由于同一熱電材料高溫端電子所具有的動能較大，因而向低溫端擴(kuò)散。高溫端因失去電子而帶正電，低溫端出得到電子而帶負(fù)電，這樣就會在高、低溫兩端之間形成一個電位差，產(chǎn)生了溫差電勢。二）熱電偶定律1．中間導(dǎo)體定律在實(shí)際測量時，熱電偶回路中接入測量儀表，并用導(dǎo)線連接。只要引入導(dǎo)線兩端溫度相同，熱電偶回路生成的熱電勢不受影響，這就是中間導(dǎo)體定律。2．中間溫度定律熱電偶T與T0之間若有一溫度Tn，熱電偶的熱電勢EAB（T，T0）可以用EAB（T，TA）與EAB（TA，Tn）的和表示，這就是熱電偶的中間溫度定律。二常用熱電偶及測溫電路一）常用熱電偶材料通常適于用做熱電偶的材料有300多種。到目前為止，國際電工委員會已經(jīng)將其中八種材料作為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。圖4—3為八種常見的熱電偶及其特性。二）結(jié)構(gòu)與用途熱電偶根據(jù)結(jié)構(gòu)型式的不同，各自的用途也不同。1．普通型熱電偶普通型熱電偶上要用于測量氣體、液體、蒸氣等物質(zhì)的溫度。由于在基本相似的條件下使用，因此普通型熱電偶已制成標(biāo)準(zhǔn)形式，主要有棒形、角形、錐形等，還做成無專門固定裝置、有螺紋固定裝置及法蘭固定裝置等多種形式。圖4。9所示即為一棒形、無螺紋、法蘭固定的普通型熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖。2．鎧裝熱電偶特殊熱電偶結(jié)構(gòu)圖如圖4—10所示。鎧裝熱電偶又稱為纜式熱電偶，它是由熱電極、絕緣材料和金屬保護(hù)套管三部分組合在一起構(gòu)成的特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶，可以做得很細(xì)很長，且可以彎曲。其結(jié)構(gòu)如圖4—10(a)所示，可以分成單芯和雙芯兩種類型。鎧裝熱電偶是由熱電極、絕緣材料和金屬保護(hù)套管三部分一起拉制成型的，因此外徑可以小到1mm一3mm，內(nèi)部熱電極直徑常為0．2mm一0．8mm，而套管外壁一般為0.12mm—0．6mm。鎧裝熱電偶的特點(diǎn)是熱慣性小，有良好的柔性，便于彎曲，抗振性能好，動態(tài)響應(yīng)快(時間常數(shù)可達(dá)0．0ls)，適用于測量狹長對象上各點(diǎn)的溫度。3．薄膜熱電偶所謂薄膜熱電偶是指通過真空蒸鍍(或真空濺射)的方法，把熱電偶材料沉積在絕緣基板上面而制成的熱電偶，其結(jié)構(gòu)示意圖如4—10(b)所示。由于采用蒸鍍技術(shù)，熱電偶可以做得很薄(微米級)。薄膜熱電偶使用溫度范因?yàn)?—200一500)℃時，熱電偶通常使用銅一康銅、鎳鉻一考銅、鎳鉻—鎳硅等材料制成，絕緣基板材料采用云母，適用于各種表面的溫度測量以及汽輪機(jī)葉片等溫度的測量。當(dāng)使用溫度范圍為(500一1800)℃時，熱電偶使用鎳鉻一鎳硅、鉑銠一鉑銠等材料制成，絕緣基板則采用陶瓷材料制成，常用于火箭、飛機(jī)噴射的溫度測量和鋼錠、軋輥等表面溫度的測量。4．表面熱電偶適用于測量圓弧形表面的溫度，其熱電偶做成帶狀，接點(diǎn)在中央作為測量端，面兩端固定安裝有手柄的弓形架上，手柄上裝有毫伏表，使用時把熱電偶的中間貼在被測表面上。5．消耗式熱電偶消耗式熱電偶主要用于測量鋼水溫度，圖4—11為其結(jié)構(gòu)原理圖。其中，熱電偶2是用鉑銠10-鉑或鉑銠10-鉑銠制成，裝在U型