熱電式傳感器

關(guān)于熱電式傳感器第1頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三第9章熱電式傳感器第一節(jié)熱電偶測(cè)溫傳感器第二節(jié)熱電阻式傳感器第三節(jié)新型溫度傳感器

熱電傳感器原理第2頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三熱電式傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對(duì)溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測(cè)的裝置。其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器；將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)變化的稱為熱電偶傳感器。第一節(jié)熱電偶測(cè)溫傳感器熱電偶是將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)大小的熱電式傳感器。熱電偶測(cè)溫傳感器是目前溫度測(cè)量中使用最普遍的傳感元件之一。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號(hào)為電信號(hào)便于遠(yuǎn)傳或信號(hào)轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)。第3頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三一、熱電偶測(cè)溫原理熱電效應(yīng)把兩種不同導(dǎo)體材料A、B的兩端分別連接在一起，組成閉合回路，這種組合稱為熱電偶。當(dāng)接觸處的溫度不同時(shí)，回路中就要產(chǎn)生熱電勢(shì)，這個(gè)物理現(xiàn)象稱為金屬絲的熱電效應(yīng)。此現(xiàn)象是1823年塞貝克（T.J.Seebeck）用銅和銻做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的，稱為塞貝克電勢(shì)。TT0BA熱電效應(yīng)原理圖工作端熱端自由端冷端如圖所示：將兩個(gè)接點(diǎn)置于溫度為T和T0（設(shè)T>T0），T稱為熱端（工作端）T0

稱為冷端（自由端）在該回路會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（熱電勢(shì)），用EAB(T,T0)

表示。第一節(jié)熱電偶測(cè)溫傳感器第4頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三（1）接觸電勢(shì)所有金屬內(nèi)部都有大量的自由電子，不同金屬材料其自由電子密度不同。設(shè)：導(dǎo)體A自由電子密度為nA導(dǎo)體B自由電子密度為nBnA>nB圖中：eAB(T)接觸點(diǎn)在溫度T時(shí)的接觸電勢(shì)e電子電荷量，其值e=1.6×10-19CT

接觸面的溫度nA導(dǎo)體A自由電子密度nB導(dǎo)體B自由電子密度+++---ABeAB（T）接觸電勢(shì)nAnB當(dāng)兩種不同金屬接觸時(shí)，在接觸面上因自由電子密度不同而發(fā)生電子擴(kuò)散，電子擴(kuò)散速率與導(dǎo)體的自由電子密度有關(guān)，和接觸區(qū)的溫度成正比。熱電勢(shì)由兩部分組成，即接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)。第5頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三設(shè)：導(dǎo)體A自由電子密度為nA導(dǎo)體B自由電子密度為nBnA>nB在接觸面由A擴(kuò)散到B的自由電子必然比B擴(kuò)散到A的電子數(shù)多；因此在兩種導(dǎo)體的接觸面附近，導(dǎo)體A中部分原子失去電子而帶正電，導(dǎo)體B中部分原子因獲得電子而帶負(fù)電，在導(dǎo)體A、B接觸面上形成一個(gè)由A指向B的靜電場(chǎng)；這個(gè)電場(chǎng)阻礙了電子的繼續(xù)擴(kuò)散，當(dāng)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，即接觸電勢(shì)，其可表示為：式中：eAB(T)

接觸點(diǎn)在溫度T時(shí)的接觸電勢(shì)e電子電荷量，其值e=1.6×10-19CK玻耳茲曼常數(shù)K=1.38×10-23J/KT接觸面的溫度nA導(dǎo)體A自由電子密度nB導(dǎo)體B自由電子密度+++---ABeAB（T）接觸電勢(shì)nAnB第6頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三（2）溫差電勢(shì)單一導(dǎo)體中，如果兩端溫度不同，在兩端間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，即單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)。這是由于導(dǎo)體內(nèi)自由電子在高溫端具有較大的動(dòng)能，因而向低溫端擴(kuò)散（運(yùn)動(dòng)），結(jié)果高溫端中的原子因失去電子而帶正電荷，低溫端中的原子因得到電子而帶負(fù)電荷，從而形成一個(gè)靜電場(chǎng)；這個(gè)電場(chǎng)阻礙了電子的繼續(xù)擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在導(dǎo)體兩端形成一個(gè)穩(wěn)定的電位差，即溫差電勢(shì)，其可表示為：式中：eA(T，T0)導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時(shí)的溫差電勢(shì)σ湯姆遜系數(shù)，表示單一導(dǎo)體兩端溫度差為

1℃時(shí)產(chǎn)生的溫差電勢(shì)，其值與材料性質(zhì)和兩端溫度有關(guān)+++---AeA（T,T0）溫差電勢(shì)TT0—第7頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三（3）熱電偶回路熱電勢(shì)對(duì)于由導(dǎo)體A、B組成的熱電偶閉合回路，當(dāng)溫度T>T0，nA>nB時(shí)，閉合回路總的熱電勢(shì)為EAB（T,T0），可用下式表示eAB(T)eAB(T0)BA回路總電勢(shì)eA(T,T0)eB(T,T0)或?qū)懗墒街校簄AT，nAT0

導(dǎo)體A在接點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度nBT，nBT0

導(dǎo)體B在接點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度σA，σB

導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)EAB(T,T0)=[eAB(T)-eAB(T0)]+[-eA(T,T0)+eB(T,T0)]第8頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三在金屬導(dǎo)體中自由電子數(shù)目很多，但溫度不能顯著地改變導(dǎo)體中自由電子的動(dòng)能，所以，在同一種金屬導(dǎo)體內(nèi)，溫差電勢(shì)極小，可以忽略。因此，在一個(gè)熱電偶回路中起決定作用的是兩個(gè)接點(diǎn)處材料的性質(zhì)和該點(diǎn)所處溫度有關(guān)的接觸電勢(shì)。故上式可以近似為：eAB(T)eAB(T0)TT0熱電偶回路接觸電勢(shì)EAB(T,T0)=[eAB(T)-eAB(T0)]+[-eA(T,T0)+eB(T,T0)]第9頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三在工程中，常用上式表示熱電偶回路的總熱電勢(shì)。從上式可以看出，回路的總電勢(shì)是隨T和T0而變化的，即總電勢(shì)為T和T0的函數(shù)差，這在實(shí)際使用中不方便。為此，在使用和標(biāo)定熱電勢(shì)時(shí)，使T0為常數(shù)，即:eAB(T0)=f(T0)=C(常數(shù))則上式可寫成EAB(T,T0)=eAB(T)-f(T0)=f(T)-C當(dāng)熱電偶回路的一個(gè)端點(diǎn)（冷端）保持溫度不變，則熱電勢(shì)EAB（T,T0）只隨另一個(gè)端點(diǎn)（熱端）的溫度變化而變化，回路總電勢(shì)是（熱端）溫度T的單值函數(shù)。第10頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三結(jié)論：●熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)無(wú)關(guān)?！裰挥杏貌煌再|(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶；相同材料不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，因?yàn)楫?dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0?！裰挥挟?dāng)熱電偶兩端溫度不同，熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時(shí)才能有熱電勢(shì)產(chǎn)生；且兩個(gè)端點(diǎn)溫差（T-T0）越大，回路總電勢(shì)EAB（T,T0）也越大。第11頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三1.均質(zhì)導(dǎo)體定律由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與兩材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無(wú)關(guān)。即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。應(yīng)用：可用于檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。

二、熱電偶基本定律第12頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三在熱電偶測(cè)溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對(duì)回路的總熱電勢(shì)沒(méi)有影響。2.中間導(dǎo)體定律

EABC（T，T0）=EAB（T，T0）三種不同導(dǎo)體組成的熱電偶回路TABCT0T0如圖，由A、B、C三種材料組成的閉合回路，由中間導(dǎo)體定律有：（9-1）第13頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三公式推導(dǎo)：TABCT0T0在熱電偶AB回路中，斷開參考結(jié)點(diǎn)，接入第三種導(dǎo)體C，只要保持兩個(gè)新結(jié)點(diǎn)AC和BC的溫度仍為參考結(jié)點(diǎn)溫度T0，根據(jù)熱電偶的熱電勢(shì)等于各結(jié)點(diǎn)熱電勢(shì)的代數(shù)和，即：EABC（T,T0）=EAB（T）+EBC（T0）+ECA（T0）（9-2）如果回路中各結(jié)點(diǎn)溫度相等，均為T0，則回路中的總熱電勢(shì)應(yīng)等于零，即：EAB（T0）+EBC（T0）+ECA（T0）=0（9-3）將式（9-3）代入式（9-2），得：EABC（T,T0）=EAB（T）-EAB（T0）=EAB（T，T0）

EABC（T，T0）=EAB（T，T0）（9-1）此式即為（9-1）式。第14頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三利用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，根據(jù)中間導(dǎo)體定律，只要保證電位計(jì)與連接熱電偶處的接點(diǎn)溫度相等，接入導(dǎo)線和儀表后不會(huì)影響回路中的熱電勢(shì)。接入的方式如下圖所示。應(yīng)用：第15頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.中間溫度定律

在熱電偶測(cè)溫回路中，tc為熱電極上某一點(diǎn)的溫度，熱電偶AB在結(jié)點(diǎn)溫度為t、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(t,t0)等于熱電偶AB在結(jié)點(diǎn)溫度t、tc的熱電勢(shì)

eAB(t,tc)和tc、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(tc,t0)之和，即eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)第16頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三

根據(jù)中間溫度定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體A′和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。在實(shí)際熱電偶測(cè)溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對(duì)參考端溫度不為0℃的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。應(yīng)用：第17頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.標(biāo)準(zhǔn)電極定律

當(dāng)熱電偶回路的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)，用導(dǎo)體AB組成熱電偶的熱電勢(shì)等于熱電偶AC和熱電偶CB的熱電勢(shì)的代數(shù)和，即：導(dǎo)體C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極。第18頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三標(biāo)準(zhǔn)電極C通常選用高純鉑絲制成，因?yàn)殂K的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，易提純，熔點(diǎn)高。如果已求得各種熱電極對(duì)鉑極的熱電動(dòng)勢(shì)，即可以用標(biāo)準(zhǔn)電極定律，求出其中任意兩種材料配成熱電偶后的的熱電勢(shì)，這大大簡(jiǎn)化了熱電偶的選配工作。應(yīng)用：第19頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三例：設(shè)熱端為100℃，冷端為0℃時(shí)，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為－4.0mV，則鎳鉻和考銅組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為：2.95－(－4.0)=6.95(mV)第20頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三三、常用熱電偶及結(jié)構(gòu)類型目前，常用熱電材料分貴金屬和普通金屬兩大類我國(guó)使用的熱電偶有以下幾種鉑銠-鉑熱電偶鎳鉻-鎳硅熱電偶分度號(hào)為S測(cè)溫范圍：0-1300℃分度號(hào)為K測(cè)溫范圍：0-1000℃鎳鉻-考銅熱電偶分度號(hào)為E測(cè)溫范圍：0-600℃分度號(hào)為B測(cè)溫范圍：0-1800℃分度號(hào)為T測(cè)溫范圍：0-1000℃鉑銠30-鉑銠6熱電偶銅-康銅熱電偶1.常用的熱電偶第21頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三2.常用的熱電偶的結(jié)構(gòu)類型（1）工業(yè)用熱電偶（普通熱電偶）下圖為典型工業(yè)用熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖。它由熱電偶絲、絕緣套管、保護(hù)套管以及接線盒等部分組成。實(shí)驗(yàn)室用時(shí)，也可不裝保護(hù)套管，以減小熱慣性。工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖1－接線盒；2－保險(xiǎn)套管；3―絕緣套管；4―熱電偶絲1234第22頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三（2）鎧裝式熱電偶（又稱套管式熱電偶）下圖為鎧裝式熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖。它由熱電極、絕緣材料、金屬保護(hù)套等部分組成。其結(jié)構(gòu)比較特殊，可做得很細(xì)、很長(zhǎng)，可以彎曲等。優(yōu)點(diǎn)：測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)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。第23頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三特點(diǎn)：熱接點(diǎn)可以做得很?。é蘭），具有熱容量小、反應(yīng)速度快（μs）等特點(diǎn)，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。（3）薄膜熱電偶下圖為薄膜熱電偶的結(jié)構(gòu)示意圖。它由熱電極、絕緣基板、接頭夾具等部分組成。采用真空蒸鍍、化學(xué)涂層和電鍍等工藝制成。第24頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三四、熱電偶冷端誤差及補(bǔ)償原因熱電偶熱電勢(shì)的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢(shì)是被測(cè)溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢(shì)是以冷端溫度0℃為依據(jù)，如果冷端溫度不為0℃，就會(huì)產(chǎn)生誤差。為了消除或補(bǔ)償這個(gè)誤差，常采用以下幾種補(bǔ)償方法。第25頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路，必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里，浸入同一冰點(diǎn)槽，使相互絕緣。1.冰點(diǎn)槽法（00C恒溫法）這種方法是一種準(zhǔn)確度很高的冷端處理方法，但使用起來(lái)比較麻煩，需保持冰水兩相共存，僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用。第26頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)2.計(jì)算修正法在實(shí)際使用中，熱電偶冷端保持00C比較麻煩，但將其保持在某一恒溫下，置熱電偶冷端在一個(gè)恒溫箱內(nèi)比較容易做到。此時(shí)，可以采用冷端溫度修正法（即計(jì)算修正法）。根據(jù)中間溫度定律：當(dāng)冷端溫度TH為某一個(gè)非00C的恒定值時(shí)，由冷端溫度引入的誤差EAB（TH，T0）是一個(gè)常數(shù)，可以由分度表查得其電勢(shì)值。將測(cè)得的熱電勢(shì)值EAB（T,TH）加上EAB（TH，T0)值，即可獲得冷端溫度T0=00C時(shí)的熱電勢(shì)EAB（T，T0），經(jīng)查熱電偶分度表，即可得到被測(cè)熱源的真實(shí)溫度T。第27頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三例用銅-康銅熱電偶測(cè)某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T，TH)=1.999mV，又用室溫計(jì)測(cè)出TH=21℃,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，求被測(cè)熱源的真實(shí)溫度T。注意:既不能只按1.999mV查表，認(rèn)為T=49℃，也不能把49℃加上21℃，認(rèn)為T=70℃。由已知條件可得：EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，與2.831mV對(duì)應(yīng)的熱端溫度T=68℃。由公式：EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)第28頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個(gè)橋臂和橋路電源組成。設(shè)計(jì)時(shí)，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，電橋輸出Uab=0，電橋?qū)x表讀數(shù)無(wú)影響。注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。T0UabEAB(T,T0)當(dāng)冷端溫度升高時(shí)，補(bǔ)償橋臂RCu阻值增大，電橋失去平衡，電橋輸出隨之增大。而熱電偶的熱電勢(shì)EAB（T，T0），由于冷端溫度升高而減小，若電橋輸出值的增大量Uab等于熱電偶電勢(shì)的減小量ΔEAB，則總輸出值U=EAB+Uab，就不隨著冷端溫度的變化而變化。3.補(bǔ)償電橋法冷端溫度補(bǔ)償電橋測(cè)溫時(shí)若保持冷端溫度為某一恒溫有困難，可采用電橋補(bǔ)償法。利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢(shì)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢(shì)的變化值。如下圖所示。E是電橋的電源，R為限流電阻。第29頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三第二節(jié)熱電阻式傳感器物質(zhì)的電阻率隨溫度變化而變化的物理現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)。熱電阻傳感器就是根據(jù)熱電阻效應(yīng)制成的。熱電阻傳感器按材料不同，可分為金屬熱電阻（一般稱為熱電阻）和半導(dǎo)體熱電阻（一般稱為熱敏電阻）兩大類。一、熱電阻大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度的升高而增加，電阻增加的原因可用其導(dǎo)電機(jī)理說(shuō)明。1、金屬導(dǎo)體測(cè)溫機(jī)理第30頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三在金屬中參加導(dǎo)電的為自由電子，當(dāng)溫度升高時(shí)，雖然自由電子數(shù)目基本不變，但是每個(gè)自由電子的動(dòng)能將增加。因此，在一定的電場(chǎng)作用下，要使這些雜亂無(wú)章的電子作定向運(yùn)動(dòng)就會(huì)遇到更大的阻力，導(dǎo)致金屬電阻隨溫度的升高而增加，其變化關(guān)系可由下式表示：Rt=R0[1+α(t-t0)](9-4)式中：Rt，R0分別為熱電阻在t0C和t00C時(shí)的電阻值；α為熱電阻的電阻溫度系數(shù)。由式（9-4）可見，只要α保持不變，則金屬電阻Rt將隨溫度線性的增加。第31頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。（1）鉑熱電阻2、常用熱電阻按IEC標(biāo)準(zhǔn)，鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200～850℃。第32頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三由特性方程可見：鉑熱電阻和溫度之間近似線性關(guān)系；且熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與0℃時(shí)的電阻值R0有關(guān)。目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。鉑熱電阻的特性方程為：在-200～0℃的溫度范圍內(nèi)：Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］

在0～850℃的溫度范圍內(nèi)：Rt=R0(1+At+Bt2)

式中：Rt

溫度為t℃時(shí)鉑電阻的電阻值（Ω）R0溫度為0℃時(shí)鉑電阻的電阻值（Ω）A常數(shù)，3.96847×10-3/℃B常數(shù)，-5.847×10-7/℃C常數(shù)，-4.22×10-12/℃t測(cè)量溫度第33頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三在一些測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，可采用銅熱電阻進(jìn)行測(cè)溫，它的測(cè)量范圍為-50～150℃。（2）銅熱電阻優(yōu)點(diǎn)：銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100℃以上時(shí)容易氧化，因此只能用于低溫及沒(méi)有浸蝕性的介質(zhì)中。特點(diǎn)：第34頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三銅電阻的溫度特性Rt=R0（1+αt）式中：Rt

溫度為t℃時(shí)銅電阻的電阻值（Ω）R0溫度為0℃時(shí)銅電阻的電阻值（Ω）α常數(shù)，4.28899×10-3/℃t測(cè)量溫度銅電阻的分度號(hào)：Cu50

測(cè)溫范圍：-50-150℃Cu100測(cè)溫范圍：-50-150℃（銅熱電阻在測(cè)量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的）第35頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.熱電阻的測(cè)溫電路用熱電阻傳感器進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，測(cè)量電路經(jīng)常采用電橋電路。熱電阻與檢測(cè)儀表相隔一段距離，因此熱電阻的引線對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大的影響。熱電阻內(nèi)部引線方式有三種：二線制、三線制和四線制。第36頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三（1）兩線制兩線制連接電路如圖所示。將兩根導(dǎo)線接在熱電阻兩端，導(dǎo)線本身的阻值和熱電阻串聯(lián)在一起。兩線制接法所帶來(lái)的測(cè)量誤差較大。這是由于導(dǎo)線所帶的阻值引起的；并且導(dǎo)線阻值會(huì)隨其所處環(huán)境的溫度變化而變化，難以修正。這種引線方式簡(jiǎn)單、費(fèi)用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會(huì)帶來(lái)附加誤差。兩線制適于引線不長(zhǎng)、測(cè)溫精度要求較低的場(chǎng)合。第37頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三（2）三線制三線制連接電路如圖所示。將熱電阻的一端與一根導(dǎo)線相接，另一端同時(shí)接兩根導(dǎo)線。三線制的連接方案可以消除導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)溫的影響。如圖所示，當(dāng)熱電阻與電橋電路配合時(shí)，其中一根導(dǎo)線串聯(lián)在電橋的電源上，對(duì)電橋的平衡與否毫無(wú)影響，另外兩根分別串聯(lián)在電橋的相鄰兩臂上，則相鄰兩臂的阻值都增加相同的阻值r。當(dāng)電橋平衡時(shí)，可寫出下列關(guān)系式，即：（Rt+r）R2=（R3+r）R1(9-5)第38頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三由式(9-5)可得：(9-6)由式(9-6)可見，設(shè)計(jì)電橋時(shí)如滿足R1=R2，則式(9-6)中右邊含有r的項(xiàng)完全消去，這種情況下連線電阻r對(duì)橋路平衡毫無(wú)影響，即可以消除熱電阻測(cè)量過(guò)程中r的影響。三線制比較適合用于工業(yè)測(cè)量，具有較高的測(cè)量精度。第39頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三（3）四線制四線制連接電路如圖所示。將熱電阻兩端各用兩根導(dǎo)線連到儀表上，一般使用直流電位差計(jì)作為指示或記錄儀表。由恒流源提供已知電流I，流過(guò)熱電阻Rt，使其產(chǎn)生壓降U，再用電位差計(jì)測(cè)出U，便可利用歐姆定律得到Rt：Rt=U/I(9-7)由式(9-7)可以看出，四線制連接方案中，四根導(dǎo)線的電阻r對(duì)熱電阻沒(méi)有影響。由恒流源提供已知電流I，雖然電流在導(dǎo)線上形成壓降r·I，但不在測(cè)量范圍之內(nèi)。而電壓導(dǎo)線上雖有電阻但無(wú)電流，所以四根導(dǎo)線的電阻r對(duì)測(cè)量均無(wú)影響。四線制連接方式適合實(shí)驗(yàn)室用，具有很高的測(cè)量精度。第40頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三半導(dǎo)體熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度而變化的性質(zhì)制成的溫度敏感元件。二、熱敏電阻1、半導(dǎo)體熱敏電阻測(cè)溫機(jī)理半導(dǎo)體中參加導(dǎo)電的是載流子，載流子的密度（單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目）與金屬中自由電子的密度相比要多得多，所以半導(dǎo)體的電阻率大。隨著溫度的升高，一方面，半導(dǎo)體中的價(jià)電子受熱激發(fā)躍遷到較高的能級(jí)而產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，使參加導(dǎo)電的載流子數(shù)目大大增加，導(dǎo)致電阻率減少；另一方面，半導(dǎo)體材料的載流子的平均運(yùn)動(dòng)速度升高，導(dǎo)致電阻率增大。因此，半導(dǎo)體熱敏電阻有多種不同類型。第41頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三2、半導(dǎo)體熱敏電阻的基本類型半導(dǎo)體熱敏電阻隨溫度變化的典型特性有三種類型，即負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和在某一特定溫度下電阻值會(huì)發(fā)生突變的臨界溫度電阻器（CTR）。1．正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）電阻值隨溫度升高而增大的電阻器，簡(jiǎn)稱PTC熱敏阻器。它的主要材料是摻雜的BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷。2．負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）電阻值隨溫度升高而下降的熱敏電阻器簡(jiǎn)稱NTC熱敏電阻器。它的材料主要是一些過(guò)渡金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷。3．突變型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（CTR）該類電阻器的電阻值在某特定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而降低3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，即具有很大負(fù)溫度系數(shù)。其主要材料是VO2并添加一些金屬氧化物。第42頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.熱敏電阻的特點(diǎn)熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的熱敏器件。相對(duì)于一般的金屬熱電阻而言，它主要有如下特點(diǎn)：●靈敏度高，其電阻溫度系數(shù)比一般金屬電阻大10～100倍●工作溫度范圍較寬常溫器件適用于-55℃～315℃高溫器件適用溫度高于315℃（目前最高可達(dá)到2000℃）低溫器件適用于-273℃～55℃●結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量點(diǎn)溫度●電阻率高，熱慣性小，適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量●阻值與溫度變化呈非線性關(guān)系●穩(wěn)定性好，過(guò)載能力強(qiáng)第43頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.熱敏電阻的分類熱敏電阻器種類繁多，按阻值溫度系數(shù)可分為負(fù)電阻溫度系數(shù)（以下簡(jiǎn)稱負(fù)溫系數(shù)）和正電阻溫度系數(shù)（以下簡(jiǎn)稱正溫系數(shù)）熱敏電阻器；按溫度變化的靈敏度（大?。┓诸悺哽`敏度型（突變型）、低靈敏度型（緩變型）熱敏電阻器；按其受熱方式可分為直熱式和旁熱式；按其工作溫度范圍可分為常溫、高溫和超低溫?zé)崦綦娮杵?；按其結(jié)構(gòu)分類有棒狀、圓片、方片、墊圈狀、球狀、線管狀、薄膜以及厚膜等熱敏電阻器。第44頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三5.熱敏電阻的主要用途家用電器設(shè)備電熨斗、電冰箱、電飯鍋、洗衣機(jī)、電子爐灶、電暖壺、烘干機(jī)、電烤箱住房設(shè)備空調(diào)器、電熱褥、電熱地毯、太陽(yáng)能系統(tǒng)、風(fēng)取暖器、快速煮水器汽車電子噴油嘴、發(fā)動(dòng)機(jī)防熱裝置、液位計(jì)、汽車空調(diào)器測(cè)量?jī)x器流量計(jì)、風(fēng)速表、真空計(jì)、濃度計(jì)、濕度計(jì)、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)儀辦公設(shè)備復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、打印機(jī)農(nóng)業(yè)、園藝暖房培育、育苗、飼養(yǎng)、煙草干燥醫(yī)療體溫計(jì)、人工透晰、檢查診斷第45頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三第三節(jié)新型溫度傳感器一、PN結(jié)溫度傳感器1.PN結(jié)溫度傳感器的原理半導(dǎo)體PN結(jié)測(cè)溫傳感器是以PN結(jié)的溫度特性為理論基礎(chǔ)的。即半導(dǎo)體PN結(jié)的電流電壓與溫度有關(guān)的特性。PN結(jié)的伏安特性可用下式表示式中：I為PN結(jié)正向電流；U為PN結(jié)正向壓降；Is為PN結(jié)反向飽和電流；q為電子電荷量；T為絕對(duì)溫度；k為玻耳茲曼常數(shù)。（9-8）第46頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三由式（9-8）可見，只要通過(guò)PN結(jié)上的正向電流I恒定，則PN結(jié)的正向壓降U與溫度的線性關(guān)系只受反向飽和電流Is的影響，是溫度的緩變函數(shù)。只要選擇合適的摻雜濃度，即可認(rèn)為Is在不太寬的溫度范圍內(nèi)近似常數(shù)。因此，正向壓降U與溫度T呈線性關(guān)系。這就是PN結(jié)溫度傳感器的基本原理。（9-8）第47頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三例如，硅管的PN結(jié)的結(jié)電壓在溫度每升高10C時(shí)，下降-2mV，利用這種特性，一般可以直接采用二極管或采用硅晶體管接成二極管來(lái)做PN結(jié)溫度傳感器。第48頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三2.PN結(jié)溫度傳感器的應(yīng)用圖示為采用PN結(jié)溫度傳感器的數(shù)字式溫度計(jì)。圖中的VD為玻璃封裝的開關(guān)二極管1N4148，或?qū)⒐杈w管的b、e極短接成的二極管。測(cè)溫范圍-50～+1500C，分辨力為0.10C，在0～1000C范圍內(nèi)精度可達(dá)±10C。第49頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三PN結(jié)溫度傳感器的特點(diǎn)：目前多采用集成溫度傳感器。

成本低

輸出線性好，準(zhǔn)確度較高

體積小，使用方便

但在高、低溫區(qū)誤差較大第50頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三二、集成溫度傳感器1.集成溫度傳感器的原理集成溫度傳感器在20世紀(jì)80年代問(wèn)世。采用硅半導(dǎo)體集成工藝制成。它是將溫度傳感器集成在一個(gè)芯片上，可完成溫度測(cè)量及模擬信號(hào)輸出功能的專用IC，因此也稱為IC溫度傳感器或單片集成溫度傳感器。第51頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三集成溫度傳感器將熱敏晶體管、偏置電路和放大電路制作在同一芯片上，利用晶體管的基極-發(fā)射極電壓之間的差Ube與溫度成線性關(guān)系制成，基本電路如圖9-1所示。圖9-1集成溫度敏感元件的基本電路第52頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三當(dāng)忽略基極電流情況下，認(rèn)為兩個(gè)晶體三極管的溫度均為T時(shí)，它們的集電極電流是相等的，Ube1與Ube2的結(jié)壓降差就是電阻R1上的電壓降，即：（9-9）式中：γ為Tt1與Tt2結(jié)面積相關(guān)的倍數(shù)；e為電子電荷量；T為被測(cè)物體的熱力學(xué)溫度；k為玻耳茲曼常數(shù)。該式表明，ΔUbe正比于絕對(duì)溫度T。此即為集成溫度傳感器的測(cè)溫原理。與單個(gè)晶體管溫度傳感器相比，由于它采用了晶體管對(duì)作為溫度敏感器件，因而補(bǔ)償了許多不利因素。第53頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三2.集成溫度傳感器的應(yīng)用集成溫度傳感器具有測(cè)溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、體積小、微功耗、適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫、控溫等特點(diǎn)。常見的集成溫度傳感器可分為電壓型和電流型。電壓型的溫度系數(shù)約為10mV/K，電流型的溫度系數(shù)約為1uA/K；且輸出電壓或電流與絕對(duì)溫度成線性關(guān)系。典型產(chǎn)品有：電流型：AD590，AD592等；電壓型：MAX6610/6611，LM3911，LM335，AD22103等。第54頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三（1）電流輸出型溫度傳感器AD590AD590是屬于采用激光修正的精密集成溫度傳感器，其系列產(chǎn)品的引腳及符號(hào)如圖9-2所示。它共有3個(gè)引腳：1為正極，2為負(fù)極，3為管殼。使用時(shí)，將引腳3接地，可起到屏蔽作用。該系列產(chǎn)品以AD590M的性能最佳。其測(cè)溫范圍是-55～1500C，最大非線性誤差為±0.30C，響應(yīng)時(shí)間為20us，重復(fù)性誤差為±0.050C，功耗約為2mW。第55頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三AD590典型應(yīng)用①

由AD590構(gòu)成的模擬式溫度計(jì)由AD590構(gòu)成的最簡(jiǎn)單的測(cè)溫電路如圖9-3所示。AD590把被測(cè)溫度轉(zhuǎn)成電流，使微安表偏轉(zhuǎn)。在對(duì)微安表進(jìn)行標(biāo)定之后，即可作為模擬式溫度計(jì)使用。為防止引入外界的干擾，需采用雙股絞合線（簡(jiǎn)稱雙絞線）作引線，其長(zhǎng)度可達(dá)幾百米。圖9-3由AD590構(gòu)成的模擬式溫度計(jì)第56頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三②由AD590構(gòu)成的數(shù)字溫度計(jì)AD590配以ICL7106型單片A/D轉(zhuǎn)換器，即可構(gòu)成數(shù)字溫度計(jì)，電路如圖9-4所示。AD590跨接在IN-與U-之間。調(diào)整電位器RP1使基準(zhǔn)電壓UREF=500.0mV。校正時(shí)用一只精密水銀溫度計(jì)監(jiān)測(cè)溫度，調(diào)整電位器RP2使儀表顯示值與被測(cè)溫度t（0C）相等。圖9-4液晶顯示的數(shù)字溫度計(jì)第57頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三（2）電壓輸出型溫度傳感器MAX6610/6611電壓型IC溫度傳感器是將溫度傳感器基準(zhǔn)電壓、緩沖放大器集成在同一芯片上的測(cè)溫傳感器。MAX6610/6611是美信公司2002年推出的一款電壓型IC溫度傳感器。適用于系統(tǒng)溫度監(jiān)控、溫度補(bǔ)償、通風(fēng)系統(tǒng)、家用電器等領(lǐng)域。MAX6611為六腳SOT-23封裝，如圖所示。1為電源正端，接0.1uF旁路電容；2、6為電源負(fù)端，接地；3為關(guān)閉控制端，低電平（≤0.5V）有效，不用時(shí)接Vcc；4接輸出與溫度成正比的模擬電壓；5為4.096V基準(zhǔn)電壓輸出端，其驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)1mA，接1nF~1uF的旁路電容。第58頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三MAX6611輸出電壓UTEMP與測(cè)量溫度T的關(guān)系為：式中：U0為00C時(shí)的輸出電壓；S為傳感器的靈敏度；T為測(cè)量溫度。該芯片輸出電壓UTEMP與溫度T的關(guān)系如圖所示。第59頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三傳感器的防爆標(biāo)準(zhǔn)防爆規(guī)定的標(biāo)識(shí)第60頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三傳感器的防爆在石油、化工、冶金等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，多有爆炸性、可燃性氣體、液體、粉塵存在，所以，要求傳感器具有防爆功能。如何防爆具有防爆的意識(shí)應(yīng)清楚防爆的原理、方法、分類與標(biāo)準(zhǔn)掌握防爆的基本知識(shí)爆炸是在同時(shí)滿足三個(gè)條件下發(fā)生的：①現(xiàn)場(chǎng)存在易燃易爆物質(zhì)（易燃易爆氣體、液體、固體）②現(xiàn)場(chǎng)存在氧氣③現(xiàn)場(chǎng)存在引燃引爆源，如足夠能量的電火花、足夠高的物體表面溫度顯然，消除三個(gè)條件中的任何一個(gè)，就能防爆。傳感器的防爆第61頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三防爆規(guī)定的標(biāo)識(shí)在實(shí)際應(yīng)用中，防爆儀表在名牌上必須標(biāo)識(shí)、標(biāo)注防爆標(biāo)志。從而對(duì)儀表的可安裝區(qū)域和可使用的防爆場(chǎng)合一目了然。防爆標(biāo)志的含義：防爆標(biāo)志用4段英語(yǔ)字母來(lái)表示第一字段：表示防爆聲明第二字段：表示防爆方法第三字段：表示氣體類別（儀表適用爆炸性氣體的類別）第四字段：表示溫度組別（儀表表面溫度）例：ExiaIICT6Ex防爆聲明符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60079-1:1998

（中國(guó)）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3836-2000ia防爆方法采用ia級(jí)本質(zhì)安全防爆方法，可安裝在0區(qū)域IIC氣體類別被準(zhǔn)許使用IIC類爆炸性氣體（氫氣）T6溫度組別儀表表面溫度不超過(guò)85°C傳感器的防爆第62頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三正壓型防爆Exp人為地在危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)營(yíng)造一個(gè)沒(méi)有易爆氣體的空間，將儀表裝在其中。具體的做法是：將儀表裝在一個(gè)密封的箱體內(nèi)，箱體內(nèi)充滿非易燃易爆的惰性氣體，并保持箱內(nèi)氣壓略大于箱外氣壓，易燃易爆氣體不能進(jìn)入箱內(nèi)。隔爆型防爆Exd人為地將爆炸局限在一個(gè)有限的范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)的爆炸不至于引起更大范圍的爆炸。具體的做法是：為儀表設(shè)計(jì)一個(gè)足夠堅(jiān)固的外殼或?qū)x表及電器安置在一個(gè)足夠堅(jiān)固的殼體內(nèi)，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、制造和安裝所有界面，使在機(jī)殼內(nèi)發(fā)生的爆炸不至于引發(fā)殼外危險(xiǎn)性氣體的爆炸。顯然，這是一種苛刻的防爆方法。不僅設(shè)計(jì)和制造的規(guī)范及其嚴(yán)格，而且安裝、接線和維修的操作規(guī)程十分嚴(yán)格，容不得一點(diǎn)差錯(cuò)。傳感器的防爆第63頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三本質(zhì)安全防爆Exi人為地消除引爆源，即消除引爆的火花、消除足以引爆的儀表表面溫升。具體做法是：利用安全柵，將提供給現(xiàn)場(chǎng)儀表的電能量（電源）限制在即不能產(chǎn)生足以引爆的火花，也不能產(chǎn)生足以引爆儀表表面升溫。IEC60079-1:1998國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)GB3836.2-2000國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)安全柵安全區(qū)一側(cè)所接設(shè)備發(fā)生任何故障（不超過(guò)250V電壓）時(shí)，本質(zhì)安全防爆方法能確?，F(xiàn)場(chǎng)的防爆安全。本質(zhì)安全防爆要確保對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行帶電拆裝、檢查和維修時(shí)的防爆安全。Exia本質(zhì)安全設(shè)備在正常工作時(shí)，發(fā)生一個(gè)故障、發(fā)生兩個(gè)故障時(shí)均不能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物。本質(zhì)安全是最可靠的防爆方法。被準(zhǔn)許用在最危險(xiǎn)的場(chǎng)合。傳感器的防爆第64頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三安全柵防爆原理安全柵防爆的作用就是控制去現(xiàn)場(chǎng)的能量提供給現(xiàn)場(chǎng)儀表的供電能量保證儀表正常工作，同時(shí)在短路的情況下，短路的火花能量不足以點(diǎn)燃現(xiàn)場(chǎng)易燃易爆的物品電壓1~5VDC電流4~20mADC試驗(yàn)證明在這樣供電情況下，如果發(fā)生短路，短路火花的能量很低，不足以點(diǎn)燃易燃易爆物品。安全的能量二線制現(xiàn)場(chǎng)儀表采用二線制，即儀表的供電線路和測(cè)量信號(hào)的傳送線路均在同一個(gè)回路里。二線制中電壓1~5VDC、電流4~20mADC。第65頁(yè)，講稿共72頁(yè)，2023年5月2日，星期三隔離安柵如何控制去現(xiàn)場(chǎng)的能量控制去現(xiàn)場(chǎng)能量有兩點(diǎn)：一是控制去現(xiàn)場(chǎng)的電