5热电式传感器

热电传感器14汽车张立伟•第一部分概述•第二部分热电偶•第三部分热电阻•第四部分在汽车上的应用•第五部分小结第一部分概述热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。它利用传感元件的电磁参数随温度变化的特征来达到测量的目的。通常将被测温度转换为敏感元件的电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可由电压、电流这些电参数的变化来表达所测温度的变化。◆将温度转换为电势大小的热电式传感器叫热电偶；◆将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。第二部分热电偶•热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳定性及复现性，温度测量范围宽，在温度测量中占有重要的地位。2.1热电效应两种不同的金属A和B构成如图7-1所示的闭合回路，如果将它们的两个接点中的一个进行加热，使其温度为T，而另一点置于室温T0中，则在回路中会产生热电势，用来表示，这一现象称为热电效应。•问题1：对于同一个导体，如果两端的温度不一样，两端会不会有电动势产生？•刚才讲的电动势的产生是由于电子的移动产生的，在同一个导体中，只要有电子存在，两端有温度差，就会产生电子的定向移动，就会产生电动势。这个电动势叫做温差电动势。•这样的话，热电效应产生的热电势其实是由接触电势和温差电势两部分组成的。2.1.1接触电势•将两种不同的金属导体接触，由于自由电子的密度不同，在接触面上就会发生电子扩散，继而就能产生一个电动势，这个电动势就叫做接触电势。•电子扩散的速率与两导体的电子密度有关，并且和接触区的温度成正比。•公式如下：•接触电动势的大小与两种金属的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。2.1.2温差电动势•如上所述，我们推导一下。•对于任何一种金属，两端温度不同时，两端的自由电子浓度也不同，温度高的一端浓度大，具有较大的动能；温度低的一端浓度小，动能也小。这样的话，高温端的自由电子要向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，就形成温差电动势，又称汤姆森电动势。回路总电动势ABTT0-eA(T,T0)eB(T,T0)eAB(T)eAB(T0)闭合回路总的热电势•式子中eAB(T)和eAB(T0)分别为温度T和T0下的接触电势;eA(T，T0)和eB(T，T0)分别为A和B的温差电势。•当热电极A和B为同一种材料时NA=NB，δA=δB，则eAB(T，T0)。若热电偶两端处于同一温度下，即T=T0，则eAB(T，T0)•所以热电势存在必须具备两个条件：一是两种不同的金属材料组成热电偶；二是它的两端存在温差。•由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。2.2热电偶基本性质2.3热电偶的分类•为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。1．普通型热电偶热电极作为测温敏感元件，是热电偶温度传感器的核心部分。绝缘套管用于防止热电偶两根热电极短路，绝缘体一般使用陶瓷套管。保护管起到保护、固定和支撑热电极的作用，延长热电偶的使用寿命。接线盒用来固定接线座和链接外导线之用，起着保护热电极免受外界环境侵蚀和外接导线与接线柱良好接触的作用。普通型热电偶结构安装螺纹安装法兰2．铠装热电偶铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体。优点：热容量小、动态响应快、机械强度高、可弯曲，寿命长。但是价格较高。铠装型热电偶可长达上百米•铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。3薄膜热电偶•薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料，用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶2.4热电偶实际使用•问题2需要连接连接导线和仪表，接入的导线和仪表的材料会与测量电极的材料不一样，那这样会不会影响回路中的热电势呢？•问题3热电偶的热电势的大小与热端温度有关，与冷端温度有关，如果冷端温度变化怎么办？如何保证冷端的温度恒定？•为了解决这两个问题，我们先讲一个定律。•热电偶中加入第三种材料由于温差电势可忽略不计，则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和，即:0AB00(,)()e()()ABCBCCAETTeTTeT••中间温度定律表明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B相同热电特性的材料C、D即引入所谓补偿导线时，只要它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与两连接点温度无关，只与热电偶两端的温度有关。•刚才讲到的中间温度定律就为热电偶的实际使用提供了理论依据。这就解释了刚才的第一个问题。•对于第二个问题，为了解决冷端不恒定带来的影响，实际使用中需要用到冷端恒温法和补偿导线法，常用的冷端恒温法有冰点槽法和其他恒温器补偿导线法在实际测温时,需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表,这样参考端温度t0也比较稳定。热电偶一般做得较短需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线,它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成,而且在0~100℃温度范围内,要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。在使用热电偶补偿导线时的注意事项：•①各种延长线只能与相应型号的热电偶配用，而且必须在规定的温度范围内使用；•②注意极性，不能接反，否则会造成更大的误差；•③延长线与热电偶连接的两个结点，其温度必须相同。补偿导线型号冷端恒温法•(1)冰点槽法•将热电偶的冷端置于冰点槽内(冰水混合物)，使冷端温度处于0℃，如下图所示。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。这种装置通常用于实验室或精密的温度测量。•(2)其他恒温器•将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器可以是盛有变压器油的容器，利用变压器油的热惰性恒温；也可以是电加热的恒温器。•同样，利用前面讲到的补偿导线，也可以将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)。•根据中间温度定律，只要热电偶的两个热电极分别与两补偿导线的接点温度一致，就不会影响热电动势的输出。•问题4刚才讲到了可以用恒温器来保证冷端的温度恒定，那么，这样就有了一个新问题，如果恒定的温度不是0℃，要使测出的热电动势只反映热端的实际温度，该怎么办？计算修正法•T被测的温度•T0零度•T1冷端温度01AB1AB0ABEEETTTTTT，，，•在实际应用中，当热电偶通过补偿导线连接显示仪表时，如果热电偶冷端温度不是0℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所），可预先将有零位调整器的显示仪表的指针从刻度的初始值调至已知的冷端温度值上，这时显示仪表的示值即为被测量的实际温度值。•对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。•对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。2.5热电偶测量电路•热电偶测温时，它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、数字表等）配套使用，也可与温度变送器配套，转换成标准电流信号。•变送器中的“变”，是指将各种从传感器来的物理量，转变为一种电信号。比如：利用热电偶，将温度转变为电势；利用电流互感器，将大电流转换为小电流。由于电信号最容易处理，所以，现代变送器，均将各种物理信号，转变成电信号。因此，我们说的变送器，通常都变成了“电”。•“送”是指将各种已变成的电信号，为了便于其他仪表或控制装置接收和传送，又一次通过电子线路，将传感器来的电信号，统一化（比如4-20MA）。方法是通过多个运算放大器来实现。这种“变”+“送”，就组成了现代最常用的变送器。•问题5这几种连接方式哪个好？为什么？•左上角图为典型的热电偶测温线路。用一台显示仪表显示单点温度时，可否用一套显示装置显示多个单点的温度呢？如用一台显示仪表显示多点温度时，可以用上面的图连接，这样可以节约显示仪表和补偿导线。•通过上面的讲解，我们知道了热电偶测量温度的基本原理，也了解了一些简单的热电偶在实际测量中的基本电路，根据在以前传感器学习中的思想，怎么样提高测量精度？（a）热电偶串联线路热电偶正向串联，可获得较大的热电势输出和提高灵敏度。（c）热电偶反向串联线路（b）热电偶并联线路有些时候，对热电偶也会用些反常规的电路解法，比如：当热电偶反向串联时：利用热电偶并联可以测量平均温度。采用热电偶反向串联，可以测量两点温差时。需要注意的是，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且参考端应在同一温度下。•讲到着我想跟大家分享个新闻：大众汽车集团最新的MQB模块化技术平台在宁波工厂得以首次应用。2014-09-11•MQB通过模块化平台的应用，将大量的汽车零部件实现标准化，令它们可以在不同品牌和不同级别的车型中实现共享，实现了生产从A00、A0、A到B四个级别的车型，每51秒就有一台车身下线。•大众汽车计划对旗下大众、奥迪、斯柯达、西亚特等几大主要乘用车品牌进行标准化零部件的设计，为上述品牌下一代小型车及中型车共享零部件。•举个例子的话，高端品牌奥迪和普通品牌斯柯达使用同样的一款燃油滤清器，则两个品牌在该部件上所耗成本相差无几。这些标准化零部件的包装上，都会同时标出大众集团旗下四大品牌的LOGO，从而体现零部件的通用性。大众汽车预计，由于模块化和通用性的贡献，未来旗下车型的发动机和变速器的型号将减少90%。•同样，热电偶也有相应的标准化热电偶。2.6标准热电偶•为了使用的方便，现在市场上的好多热电偶都制成了标准件。•从1988年1月1日起，我国热电偶和热电阻的生产全部按国际电工委员会（IEC）的标准，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。但其中的R型（铂铑13-铂）热电偶测量温度范围与S型（铂铑10-铂）重合,我国没有生产和使用。第三部分热电阻式传感器前面概述里面已经讲到将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。•热电阻是利用导体材料的电阻随温度变化而变化的特性来实现对温度的测量的。•热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。•应用于-200~600℃范围内的温度测量◆热敏电阻具有以下优点：①电阻温度系数大，灵敏度高；②结构简单；③电阻率高，热惯性小；但它阻值与温度变化呈非线性，且稳定性和互换性较差。热敏电阻值随温度变化呈指数规律，其非线性非常严重。这就需要一些方法对它进行线性变换，常用的方法有：1．线性化网络对热敏电阻进行线性化处理的最简单方法是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度呈一定的线性关系。•图中热敏电阻Rt与补偿电阻Rx串联,串联后的等效电阻R=Rt+Rx，只要Rx的阻值选择适当，可使温度在某一范围内与电阻的倒数成线性关系，所以电流I与温度T成线性关系。•图中热敏电阻Rt与补偿电阻Rx并联，其等效电阻R=Rt//Rx。由图可知，R与温度的关系曲线便显得比较平坦。因此可以在某一温度范围内得到线性的输出特性。2．计算修正法大部分传感器的输出特性都存在非线性，因此实际使用时都必须对其进行线性化处理，其方法有硬件（电子线路）法和软件（程序）法。在带有微处理器的测量系统中，就可以用软件对传感器进行处理。当已知热敏电阻的实际特性和要求的理想特性时，可以用线性插值等方法将特性分段并把分段点的值存放在计算机的内存中，计算机将根据热敏电阻的实际输出值进行校正计算，给出要求的输出值。第四部分在汽车上的应用•水温传感器•••水温传感器分为两大类。无论是哪种它的内部结构均为热