傳感器原理與應(yīng)用-4-溫傳感器-1-熱電偶

溫度傳感器

將溫度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)的熱電式傳感器叫做熱電偶，將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值的熱電式傳感器叫做熱電阻（金屬）半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590熱敏電阻（半導(dǎo)體，陶瓷）熱釋電紅外傳感器當(dāng)前第1頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)溫標(biāo)為了定量的描述溫度高低，必須建立溫度標(biāo)尺，即溫標(biāo)。各種溫度計(jì)和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標(biāo)確定。熱力學(xué)溫度是國際上公認(rèn)的基本溫度，我國實(shí)行的是1990年國際溫標(biāo)（ITS-90）。國際開爾文溫度為T90單位為K（開爾文）國際攝氏溫度為t90單位是℃（攝氏度）華氏溫標(biāo)單位是℉（度）華氏度=32+攝氏度×1.8攝氏度=(華氏度-32)÷1.8非重點(diǎn)當(dāng)前第2頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)4.1熱電偶part1.原理當(dāng)前第3頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)熱電偶熱電偶傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)變化的傳感器。在工業(yè)應(yīng)用中，熱電偶是應(yīng)用最廣泛的測(cè)溫元件之一。優(yōu)點(diǎn)：測(cè)溫范圍廣，可以在1K~2800℃范圍內(nèi)使用。精度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)性能好能把溫度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)信號(hào)，便于處理和遠(yuǎn)距離傳輸。當(dāng)前第4頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)熱電效應(yīng)熱電偶是利用熱電效應(yīng)制成的溫度傳感器。熱電偶效應(yīng)是1823年，賽貝克（SeeBack）發(fā)現(xiàn)的，相應(yīng)的原理如圖所示：把兩種不同的金屬A、B連接成閉合回路，將它們的兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度為T及T0（設(shè)T>T0）的熱源中，則在該回路中會(huì)有電流流動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)勢(shì)。這一現(xiàn)象稱為熱電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)，也成為熱電效應(yīng)（賽貝克效應(yīng)）。產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫做熱電勢(shì)（也成賽貝克電勢(shì)），用EAB(T,T0)表示。當(dāng)前第5頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)接觸電勢(shì)

因不同金屬的自由電子密度不同，當(dāng)兩種金屬接觸在一起時(shí)，在接點(diǎn)處會(huì)發(fā)生電子遷移擴(kuò)散。電子從濃度大的向濃度小的金屬擴(kuò)散，濃度高的失去電子顯正點(diǎn)，濃度低的得到電子顯負(fù)點(diǎn)，當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到某種動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，得到一個(gè)穩(wěn)定的接觸電勢(shì)，在金屬的接觸處形成電位差，此電位差稱為接觸電勢(shì).其大小與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)、接點(diǎn)溫度有關(guān)。當(dāng)前第6頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)當(dāng)溫度為T時(shí)，熱端的接觸電勢(shì)可以表示為：相應(yīng)的冷端的接觸電勢(shì)可以表示為：式中：K:波爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J/Ke:電子電荷量，e=1.6×10-19CT、T0:分別表示熱端和冷端的溫度NA、NB:分別表示金屬A、B的自由電子濃度當(dāng)前第7頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)）

對(duì)于單一的金屬，如果兩端的溫度不同，導(dǎo)體兩端也會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)稱為單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。產(chǎn)生該電勢(shì)的原因是由于導(dǎo)體內(nèi)高溫端的自由電子相對(duì)于低溫端具有較大的動(dòng)能，高溫端自由電子向低溫端遷移擴(kuò)散。由于導(dǎo)體高溫端失去電子帶正電荷，低溫端得到電子帶負(fù)電荷，從而形成一個(gè)靜電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻礙電子的繼續(xù)擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，導(dǎo)體的兩端便產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)的電位差，從而形成溫差電勢(shì)。當(dāng)前第8頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)熱電極A中，溫差電勢(shì)的大小可以表示成：熱電極B中，溫差電勢(shì)的大小可以表示成：式中：σA、σB:熱點(diǎn)極A、B的湯姆遜系數(shù)，表示單一導(dǎo)體兩端溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電勢(shì)，其值與材料性質(zhì)以及兩端溫度有關(guān)。當(dāng)前第9頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)熱電偶回路的熱電勢(shì)

在一個(gè)熱電偶回路中，總的熱電勢(shì)為：當(dāng)前第10頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)結(jié)論

熱電偶兩個(gè)電極材料相同，即NA=NB，σA=σB，無論兩端點(diǎn)溫度如何變化，總的熱電勢(shì)為零；如果熱電偶的兩個(gè)接點(diǎn)溫度相同，即T=T0時(shí)，無論導(dǎo)體A、B材料相同或不同，回路的總電勢(shì)也為零；熱電偶必須用不同材料作為電極，在T、T0兩端必須有溫度梯度，這是熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)的必要條件；由于熱電偶的熱電勢(shì)是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度的函數(shù)，因此必須固定參考端（冷端）的溫度，才能確定熱電勢(shì)與被測(cè)溫度T的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)前第11頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)熱電偶的技術(shù)指標(biāo)

分度號(hào)

國際上，按照熱電偶的A、B熱電極材料不同分成若干個(gè)分度號(hào)。當(dāng)前第12頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)分度表

由于多數(shù)熱電偶的輸出都是非線性的，國際計(jì)量委員會(huì)已對(duì)這些熱電偶的每一度的熱電偶做了非常精密的測(cè)試，并向全世界公布了其分度表。當(dāng)前第13頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)可以通過測(cè)量熱電偶輸出的熱電勢(shì)再查分度表得到相應(yīng)的溫度值。分度表是以每10℃分檔的，中間值按內(nèi)插法計(jì)算。tM：被測(cè)溫度值tH：較高溫度值tL：較低溫度值EM、EH、EL：分別為溫度tM、tH、tL對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)。當(dāng)前第14頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)幾種常用熱電偶的熱電勢(shì)與溫度關(guān)系曲線

EJKNRSBNKJE1020304050-2-4-6-8-10當(dāng)前第15頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)熱電偶結(jié)構(gòu)

常見的熱電偶結(jié)構(gòu)形式主要有普通熱電偶、薄膜熱電偶、鎧裝熱電偶、表面熱電偶等。非重點(diǎn)當(dāng)前第16頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)熱電偶的基本定律

1.中間導(dǎo)體定律當(dāng)熱電偶回路接入第三種金屬導(dǎo)體C，只要金屬導(dǎo)體C與金屬導(dǎo)體A、B的兩個(gè)接電處于同一溫度，則此導(dǎo)體對(duì)回路總的熱電勢(shì)沒有影響，其中導(dǎo)體C稱為中間導(dǎo)體。當(dāng)前第17頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)熱電偶的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)測(cè)溫范圍廣，能測(cè)較高的溫度（-180℃~2800℃）輸出的是電壓信號(hào)，測(cè)量方便，便于遠(yuǎn)距離傳輸結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便熱慣性和熱容量小，便于快速測(cè)量自身產(chǎn)生電壓，不需要外加驅(qū)動(dòng)電源，是典型的自發(fā)電式傳感器缺點(diǎn)低靈敏度、低穩(wěn)定性高溫下容易老化有漂移以及非線性需要外部參考端非重點(diǎn)當(dāng)前第18頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)回路總電勢(shì)為：若三個(gè)接觸點(diǎn)置于恒溫T0環(huán)境下，回路中是沒有電動(dòng)勢(shì)的。因此有：由于：因此得到：進(jìn)一步得到：帶入得到：當(dāng)前第19頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)定律的應(yīng)用：利用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后不會(huì)影響回路中的熱電勢(shì)。當(dāng)前第20頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)當(dāng)前第21頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)2.標(biāo)準(zhǔn)電極定律當(dāng)接點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)，用導(dǎo)體A、B組成熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)等于A、C熱電偶和C、B熱電偶熱電勢(shì)的代數(shù)和，即其中，導(dǎo)體C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極（一般由鉑制成）。這一規(guī)律稱為標(biāo)準(zhǔn)電極定律。非重點(diǎn)當(dāng)前第22頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)定律的應(yīng)用：通常都是選用高純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極。只要測(cè)得它與各種金屬組成的熱電偶的分度表，則各種金屬之間相互組合成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律計(jì)算出來。當(dāng)前第23頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)3.連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律

在熱電偶回路中，若導(dǎo)體A、B分別與連接導(dǎo)線A'、B'相連接，接點(diǎn)溫度分別為T、Tn、T0，則回路的總熱電勢(shì)為：當(dāng)前第24頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)上式為連接導(dǎo)線定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即回路總熱電勢(shì)等于熱電偶電勢(shì)EAB(T,Tn)與連接導(dǎo)線電勢(shì)EA'B‘(Tn,T0)的代數(shù)和。連接導(dǎo)線定律是工業(yè)上運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)。當(dāng)前第25頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)如果導(dǎo)體A與A‘，B與B’材料分別相同時(shí)，上式可變形為：上式為中間溫度定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即回路總熱電勢(shì)等于EAB(T,Tn)與EAB(Tn,T0)的代數(shù)和。其中Tn稱為中間溫度。中間溫度定律為指定熱電勢(shì)分度表奠定了理論基礎(chǔ)，只要求得參考溫度0℃時(shí)的熱電勢(shì)與溫度關(guān)系，就可求出參考電壓不等于0℃時(shí)的熱電勢(shì)。當(dāng)前第26頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)4.1熱電偶part2.基本應(yīng)用電路當(dāng)前第27頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)非線性校正熱電偶的輸出電勢(shì)與溫度的關(guān)系是

非線性的EJKNRSBNKJE1020304050-2-4-6-8-10當(dāng)前第28頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)非線性校正熱電偶測(cè)量電路溫度Ti熱電勢(shì)E(Ti,0)電壓Vout線性目標(biāo)f1()非線性f2()非線性當(dāng)前第29頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)非線性校正--測(cè)量電路特性曲線實(shí)驗(yàn)測(cè)得熱電偶的分度表（一系列離散點(diǎn)）轉(zhuǎn)換得到f2()的樣本點(diǎn)得到一條擬合曲線當(dāng)前第30頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)對(duì)于K型熱電偶，采用最佳一致逼近原則得到的非線性校正方程為：非線性校正--最佳一致逼近EJKNRSBNKJE1020304050-2-4-6-8-10當(dāng)前第31頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)測(cè)量電路的數(shù)學(xué)模型得到了，為：非線性校正--電路實(shí)現(xiàn)【思考】如何用電路實(shí)現(xiàn)上述的系統(tǒng)函數(shù)？？？當(dāng)前第32頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)非線性校正--電路實(shí)現(xiàn)？？？？當(dāng)前第33頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)【復(fù)習(xí)】同相放大器Port+與Port-虛短，則有：Port+與Port-虛斷，反向輸入端沒有電流，則通過R1和R2的電流相等，設(shè)此電流為I，根據(jù)歐姆定律得：由于V（-）等于R2上的分壓：又因?yàn)椋寒?dāng)前第34頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)非線性校正--電路分析同向放大器當(dāng)前第35頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)【背景知識(shí)】AD538AD538是美國ADI公司出品的實(shí)時(shí)模擬計(jì)算器件,能提供精確的模擬乘、除和冪運(yùn)算功能。最基本的計(jì)算功能，其他計(jì)算功能詳見DataSheet當(dāng)前第36頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)【背景知識(shí)】AD538根據(jù)AD538的芯片手冊(cè)（DataSheet）當(dāng)前第37頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)非線性校正--電路分析冪運(yùn)算當(dāng)前第38頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)【背景知識(shí)】AD53810V當(dāng)前第39頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)【復(fù)習(xí)】減法器Port+與Port-虛斷，則有：當(dāng)前第40頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)非線性校正--電路分析減法器當(dāng)前第41頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)非線性校正--電路分析單位：mV10V當(dāng)前第42頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償

用熱電偶測(cè)溫時(shí)，熱電勢(shì)的大小決定冷熱端的溫度之差。如果冷端溫度固定不變，熱電勢(shì)才是被測(cè)溫度的單值函數(shù)。在應(yīng)用時(shí)，由于熱電偶工作端與冷端距離很近，冷端又暴露在空氣中，容易受到周圍環(huán)境溫度波動(dòng)的影響，因而冷端溫度很難保持恒定，為此，需要采用一定的措施來消除冷端溫度變化所產(chǎn)生的影響。當(dāng)前第43頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)補(bǔ)償導(dǎo)線法

為了使熱電偶冷端溫度保持穩(wěn)定，熱電偶可以做的很長，使冷端原理工作端，并連同儀表一起放置到恒溫或溫度波動(dòng)較小的地方。帶來的問題：1，安裝不方便，2，需要消耗很多貴重的金屬材料。解決辦法：用便宜的導(dǎo)線（稱之為補(bǔ)償導(dǎo)線）將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的地方。需要指出，只有當(dāng)新移的冷端溫度恒定或配用儀表本身具有冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償裝置時(shí)，應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線才有意義。此外，熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線連接處溫度不應(yīng)超過100℃。非重點(diǎn)當(dāng)前第44頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)冷端溫度校正法

由于熱電偶的溫度分度表是在冷端溫度保持在0℃的情況下得到的，與它配套使用的測(cè)量電路或顯示儀表又是根據(jù)這一關(guān)系進(jìn)行刻度繪制的。因此當(dāng)冷端溫度不等于0℃時(shí)，就需要進(jìn)行修正。根據(jù)中間溫度定律，相應(yīng)的修正方程為：適用于冷端溫度恒定，但不是0℃的情況下。

？【注意】Tn是抖動(dòng)的。如何得到實(shí)時(shí)變化的EAB(Tn,0)當(dāng)前第45頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)冷端溫度恒溫法

為了避免校正的麻煩，采用冰浴的方法使冷端始終保持在0℃。這是一種理想的補(bǔ)償發(fā)發(fā)，但是在工業(yè)生產(chǎn)中使用極其不便。這種辦法僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用。非重點(diǎn)當(dāng)前第46頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)解決方案使用集成溫度傳感器AD590來進(jìn)行冷端溫度檢測(cè)。當(dāng)前第47頁\共有51頁\編于星期二\17點(diǎn)AD59025℃輸出為298.2uA線性度為1uA/KAD590屬于電流輸出型。輸出的比例關(guān)系為：

電流輸出電壓線性系數(shù)