第8章 热电式传感器

下页返回第8章热电式传感器热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。8.1热电偶8.2热电阻8.3热敏电阻8.4集成温度传感器下页上页返回8.1热电偶把两种不同导体或半导体连接成闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度各为T和T0（设T＞T0)的热源中，则在该回路内就会产生热电动势，这种现象称作热电效应。由这两种导体的组合并将温度转换成热电势的传感器称为热电偶。热电效应示意图热电偶作为敏感元件优点为：①结构简单：其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的；②具有较高的准确度；③测量范围宽，常用的热电偶，低温可测到-50℃，高温可以达到1600℃左右，配用特殊材料的热电极，最低可测到-180℃，最高可达到+2800℃的温度；④具有良好的敏感度；⑤使用方便。下页上页返回下页上页返回8.1.1热电效应热电偶产生的热电势称为温差电势或塞贝克电势，通称热电势。回路中产生的电流称为热电流，导体A、B称为热电极。测温时结点1置于被测的温度场中，称为测量端(工作端、热端)；结点2一般处在某一恒定温度，称为参考端(自由端、冷端)。热电效应（塞贝克效应）：下页上页返回式中k—波尔兹曼常数，为1.38×10-16；T—接触处的绝对温度；e—电子电荷数；NA、NB—金属A、B的自由电子密度。接触电势BAABNNekTTEln两种导体的接触电势下页上页返回同理可以计算出A、B两种金属构成回路在温度T0端的接触电势为：但与方向相反，所以回路的总接触电势由上式可见，当两结点的温度相同，即T=T0，回路中总电势将为零。BAABNNekTTEln00BAABABNNTTekTETEln00TEAB0TEAB下页上页返回当导体两端的温度分别为T、T0时，温差电势可由下式表示:式中A—A导体的汤姆逊系数。对于两种金属A、B组成的热电偶回路，汤姆逊电势等于它的代数和，即:•单一导体的温差电势温差电势dTσTTETTAA00dTσσTTETTBAAB00下页上页返回综上所述，对于匀质导体A、B组成的热电偶，其总电势为接触电势与温差电势之和，用式子可表示为：dTσσTETETTETTBAABABAB000热电偶回路的总热电势下页上页返回①如果热电偶两电极材料相同，则虽两端温度不同(T≠T0)。但总输出电势仍为零(均质导体定律）。因此必须由两种不同的材料才能构成热电偶。②如果热电偶两结点温度相同，则回路中的总电势必等于零。由上述分析知，热电势的大小只与材料和结点温度有关，与热电偶的尺寸、形状及沿电极温度分布无关。应注意，如果热电极本身性质为非均匀的，由于温度梯度存在，将会有附加电势产生。讨论：下页上页返回8.1.2热电偶基本定律中间导体定律标准（参考）电极定律连接导体定律和中间温度定律在热电偶回路中，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶回路的总热电势无影响。可用式子表示为：EABC(T,T0)=EAB(T,T0)下页上页返回具有中间导体的热电偶电路中间导体定律如果将导体C（热电极，一般为纯铂丝）作为标准电极（也称参考电极），并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，则在相同结点温度(T，T0)下，任意两导体A、B组成的热电偶，其热电势可由下式求得：EAB(T,T0)=EAC(T,T0)＋ECB(T,T0)标准电极定律下页上页返回三种导体分别组成的热电偶连接导体定律：在热电偶回路中，如果热电极A、B分别与连接导线A’、B’相连接，结点温度分别为T、Tn、T0，那么回路的热电势将等于热电偶的热电势EAB(T,Tn)与连接导线A’、B’在温度Tn、T0时热电势EA’B’(T,Tn)的代数和，即：EABB’A’(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EA’B’(Tn,T0)连接导体定律和中间温度定律下页上页返回用连接导线的热电偶回路中间温度定律：热电偶在结点温度为T、T0时的热电势值EAB(T,T0)，等于热电偶在(T,Tn)、(Tn,T0)时相应的热电势EAB(T,Tn)与EAB(Tn,T0)的代数和。如下式所示：EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)下页上页返回如A与A’、B与B’材料相同，且结点温度分别为T、Tn、T0时，有：已知A、B组成的热电偶在（1000C，00C）时热电势为1mV，且A、B组成的热电偶在（10000C，00C）时热电势为10mV，则它们在（10000C，1000C）时的热电势为：10-1=9mV下页上页返回举例：8.1.3热电偶材料、结构及常用热电偶热电偶的电极材料主要要求：①配制成的热电偶应具有较大的热电势，并希望热电势与温度之间成线性关系或近似线性关系。②能在较宽的温度范围内使用．并且在长期工作后物理化学性能与热电性能都比较稳定。③电导率要求高，电阻温度系数要小。④易于复制及成批生产，工艺简单，价格便宜。标准化热电偶有：铂铑—铂热电偶、镍铬—镍硅热电偶、镍铬—康铜热电偶等。下页上页返回下页上页返回铂铑10—铂热电偶（分度号S）这种热电偶可在1300℃以下范围内长期使用，短期可测1600℃高温，复制精度和测量准确性高，但此热电偶的材料为贵金属，成本较高。镍铬—康铜热电偶（E）热电动势大，电阻率小，价格便宜；但抗氧化性差，适用于还原性和中性气体下测温，测量上限较低。镍铬—镍硅热电偶（K）化学稳定性较高，测量范因为–50~+1312℃，复制性好，产生热电势大，线性好，价格便宜，是工业生产中最常用的一种热电偶。将两个热电极的一个端点焊接在一起组成热接点，就构成了热电偶。工程上实际使用的热电偶大多数是由热电极1、绝缘材料2、保护套管3和接线盒4等部分组成。热电偶的结构热电偶按其结构又可分为普通型热电偶和铠装热电偶。1)普通型热电偶普通型热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体等介质的温度。可根据测量条件和测量范围来选用，为了防止有害介质对热电极的侵蚀，工业用的热电偶一般都有保护套。热电偶的外形有棒形、三角形、锥形等，它和外部设备的安装方式有螺纹固定、法兰盘固定等。常用热电偶铠装热电偶是将热电极3、绝缘材料2和金属保护管1组合在一起，经拉伸加工成为一个坚实的组合体，所以又称套管热电偶。它具有强度高、寿命长，动态响应快等优点。2)铠装热电偶8.1.4热电偶冷端温度补偿0℃恒温法（冰浴法）把冰屑和清洁的水相混合，放在保温瓶中，并使水面略低于冰屑面，然后把热电偶的参考端置于其中，在一个大气压的条件下，即可使冰水保持在0℃，这时热电偶输出的热电势与分度值一致。实验室中通常使用这种办法。近年来，已生产一种半导体致冷器件，可恒定在0℃。下页上页返回补偿导线法下页上页返回热电偶特性曲线热电动势修正法(,0)(,)(,0)nnETETTETnzTKTT下页上页返回温度补正法设TZ为仪表的指示温度，Tn为热电偶的参考端温度，则被测的真实温度可表示为：K为热电偶的修正系数补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电动势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电动势变化值。补偿电桥法对于计算机系统，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。对于经常波动的情况，可利用热敏电阻或其他传感器把信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。软件处理法8.1.5热电偶测温电路热电偶直接与指示仪表配用热电偶与动圈式仪表连接，如图所示。这时流过仪表的电流不仅与势电势大小有关，而且与测温回路的总电阻有关，因此要求回路总电阻必须为恒定值，即：Rr+Rc+RG=常数下页上页返回一支热电偶直接配一台仪表为了提高测量精度和灵敏度，也可将n支型号相同的热电偶依次串接，如图所示。这时线路的总电势为：EG=E1+E2+…+En=nE式中的E1，E2，…,En为单支热电偶的热电势。显然总电势比单支热电偶的热电势增大n倍。下页上页返回•串联热电偶串联测温线路用若干个热电偶并联，测出各点温度的算术平均值。如果n支热电偶的电阻值相等，则并联电路总热电势为：nEEEEnG21下页上页返回•并联热电偶并联测温线路下页上页返回•如图所示为测两点温度差的线路。两支型号相同的热电偶配用相同的补偿导线，并反串连接，使两热电势相减，从而测出T1和T2的温度差。下页上页返回热电偶测温差的线路下页上页返回8.2热电阻测温原理：大多数金属的电阻率随温度升高而增大，即具有正温度系数。特点：一般用于测量-200～+500℃范围内的温度参数，精度较高，适宜于测低温。8.2.1热电阻的材料及工作原理00[1()]tRRtt下页上页返回铂电阻：精度高，稳定性好，性能可靠，测温复现性好，但价格昂贵，成本高。20tBtAt1RR3100tC20tBtAt1RR（0～850℃）（-200～0℃）根据国家标准工业用标准铂电阻R0有100Ω和50Ω两种，并将电阻值与温度t对应关系列成表格，称为铂电阻分度表，分度号分别为Pt100和Pt50。铂电阻的纯度通常用W(100)表示（R100与R0的比值），目前铂电阻的纯度最高可达5个九。下页上页返回铜电阻：铂是贵金属，价格昂贵，因此在测温范围比较小(-50～+150℃)的情况下，可采用铜制成的测温电阻，称铜电阻。3Ct20tBtAt1RR（-50～+150℃）下页上页返回铜电阻在低温测温范围内线性和稳定性较好，温度系数较大，且价格便宜，但测量精度较低。铜电阻的R0亦有100Ω和50Ω两种，其分度号分别为Cu100和Cu50。下页上页返回铟电阻：是一种高精度低温热电阻。在-269℃～258℃测温范围内灵敏度极高，缺点是材料很软，复制性很差。锰电阻：在-271℃～210℃低温范围内，灵敏度高，缺点是脆性大，难以拉制成丝。碳电阻：在-273℃～268.5℃低温下灵敏度高，热容量小，对磁场不敏感，价格便宜，使用方便。缺点是热稳定性较差。铁电阻和镍电阻：这两种金属的电阻温度系数较高、电阻率较大，故可作成体积小，灵敏度高的电阻温度计，其缺点是容易氧化，化学稳定性差，不易提纯，复制性差，而且电阻值与温度的线性关系差。下页上页返回几种纯金属的电阻相对变化率与温度变化间关系下页上页返回下页上页返回8.2.2测量电路最常用的测量电路是电桥电路热电阻测温电桥的三线连接法下页上页返回热电阻测温电桥的四线连接法8.3热敏电阻•热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感元件，其特点是电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变化转换为能量的变化。•热敏电阻具有灵敏度高、体积小、较稳定、制作简单、寿命长、易于维护、动态特性好等优点，因此得到较为广泛的应用，尤其是应用于远距离测量和控制及温度补偿电路中。下页上页返回下页上页返回热敏电阻的结构及符号热敏电阻的结构形式8.3.1热敏电阻的主要特性电阻—温度特性对于NTC（负温度系数），电阻与温度之间的关系可用下面公式来表示：下页上页返回热敏电阻的温度特性)exp()1(TBTART1—NTC2—CTR(临界温度）3—PTC•伏安特性表征热敏电阻在恒温介质下流过的电流I与其两端电压U之间的关系。下页上页返回负温度系数热敏电阻（NTC)伏安特性正温度系数(PTC)热敏电阻的伏安特性电流—时间特性指在不同外加电压情况下，电流达到稳定最大值所需的时间，这段延迟时间反映了热敏电阻的动态特性。下页上页返回电流—时间特性8.3.2热敏电阻的特性线性化下页上页返回串联补偿电阻串联补偿电阻并联补偿电阻并联补偿电阻下页上页返回其它线性化电路下页上页返回8.3.3热敏电阻的应用举例下页上页返回半导体点温计电原理图下页上页返回热敏电阻自动控温仪电路图热敏电阻作温度补偿用工作原理AD590属于电流型集成温度传感器，电流型集成温度传感器是一个输出电流与温度成比例的电流源，由于电流很容易变换成电压，因此这种传感器应用十分方便。8