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2007.05.08第8章：热电传感器本章要求：1、掌握热电效应、塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、热释电效应及热电势产生的原因和热电偶的基本定律；2、熟悉热电偶、热电阻、热敏电阻的工作原理及测量电路；3、了解各种热电式传感器的结构及应用。本章重点：热电偶、热电阻、热敏电阻的工作原理本章难点：热电偶的工作原理2007.05.088.1、热电偶传感器8.1.1热电效应热电效应—由温度引起电势差的物理现象叫做热电效应，俗称温差电效应（1）、塞贝克（seeback）效应（2）、珀尔帖（peltier）效应（3）、汤姆逊（Thomson）效应热电传感器—将温度变化转换为电量变化的装置。热电传感器的分类2007.05.08（3）、热电偶总的热电势EAB（T、T0）=EAB（T）-EAB（T0）8.1.2热电偶工作原理1、热电偶2、热电势的组成及产生原因（1）、两种不同金属的接触电势（珀尔帖电势）（2）、单一导体的温差电势（汤姆逊电势）2007.05.08热电偶三点结论：①、热电偶必须采用两种不同金属材料作热电极。②、热电偶的两结点必须存在温度差。③、热电偶的热电势大小只与两结点温度有关，而与材料A、B的中间各处温度无关。3、热电势性质（1）、导体A与B在工作端（T）产生的接触电势可以写成：EAB（T）＝EA（T）－EB（T）（2）、同一导体的温差电势可以写成：EA（T、T0）＝EA（T）－EA（T0）（3）、接触电势下标A与B代表电压方向。EAB（T）＝－EBA（T）；（4）、温差电势括号中的温度顺序代表高温到低温。故温差电势中的温度顺序改变，其电势值的正、负号也随之改变。EA（T、T0）＝－EA（T0、T）（5）、热电势大小只与热电极材料性质及两接点的温度有关，而与热偶形状和大小无关。2007.05.088.1.3热电偶基本定律1、中间导体定律EABC(T,T0)=EAB(T,TO)2、中间温度定律EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)3、参考电极定律EAB(T,TO)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)2007.05.088.1.4热电偶测温原理•如果保持自由端温度T0＝0℃，则热电势大小仅与工作端温度T成对应关系。这就是热电偶测温原理。8.1.5热电偶的结构与种类1、热电偶的结构：(1)、热电极；它是热电偶的核心。(2)、绝缘套；防止电极之间以及电极与保护管之间短路，由绝缘材料制成。（4）、接线盒。供热电偶与引线连接用，一船用铝合金制成。(3)、保护管。使热电极与被测介质温度隔离，使之免受化学侵蚀或机械损伤。要求它有良好的导热性并经久耐用。①在测量范围内，热电性能稳定，不随时间变化而变化；②在测量范围内，物理、化学性质稳定，不易氧化或腐蚀；③电阻温度系数小，电导率高；④组成热电偶测温时，产生热电势大，且热电势与温度成单值线性或接近线性关系；⑤有足够的机械强度及较好的耐振动、耐热冲击性能；⑥材料复制性好，价格便宜。根据测量温度不同，绝缘材料不同。①60-80℃，橡皮，塑料；②500℃，玻璃丝、玻璃管；③0-1300℃，石英管；④1400℃以上，瓷管；⑤1500℃以上，氧化铝管。有两类保护管：①金属材料保护管。铝、铜、铜合金、炭钢、不锈钢、镍合金等高温合金材料；②非金属材料保护管。石英、高温陶瓷、氧化铝（镁）。2007.05.08（2）、根据测温范围分类：有三类①高温热电偶，1100℃-1600℃；②中温热电偶，500℃-1000℃③低温热电偶，低于500℃以下。2、热电偶的种类：（1）、根据热电极材料分类：有四类①难熔热电极材料：铱、钨、铼；②贵金属热电极材料：铂、铂铑合金；③普通金属热电极材料：铁、铜、康铜、考铜、镍铬合金、镍铝合金④非金属热电极材料：炭、石墨、碳化硅。（3）、根据用途分类：有两类①标准热电偶；②工业用热电偶。2007.05.088.1.6几种常用热电偶1、铂铑10—铂热电偶型号WRLB、分度号LB―32、铂铑13―铂热电偶工业用0～1600℃。3、铂铑30―铂铑6热电偶工业用高温热电偶0～1700℃。5、镍铬―镍硅热电偶测温范围－50℃～＋1312℃。其热电性能比镍铬－镍铝热电偶更好，有取代之势。6、镍铬―考铜热电偶型号：WREA分度号：EA－2，它是宜于还原性气体中使用，短时可测800℃，长时间可测600℃以下，但复制性差。7、铜―康钢热电偶属低温热电偶，测温范围－200℃～＋400℃，4、镍铬―镍铝热电偶型号WREV，分度号EV－2正极：较硬的铂铑合金色（90％Pt，10％Rn，简称铂铑10。负极：柔软的纯铂丝。用途：长时间可在0～1300℃下工作，短时可测1600℃。优点：①、物理化学性能稳定，用于精密测量或作标准热电偶；②、在氧化性气体中使用有相当的稳定性。普通金属热电偶中最稳定的一种热电偶。正极：镍铬合金（89％Ni、10％Cr、1％Fe）负极：镍铝合金(94％Ni、2％Al、2.5％Mn、1％Si、0.5％Fe)短时可测1300℃，长时间可在1000℃以下工作。特点：①、高温下抗氧能力和耐腐蚀能力强，但易受还原性气体损害；②、在500℃以下低温时也可在还原性气体中使用；③、在相同温度下，其热电势比铂铑－铝热电偶大，4～5倍。2007.05.088.1.7热电偶的特点（1）结构简单，制造容易，使用方便，其电极不受大小和形状的限制，可按照需要进行配制。（2）因为它的输出信号为电势，因而测量时不必外加电源，室温下的输出电压为mV级，输出灵敏度一般在μV/℃。（3）测量精度高，热电偶与被对象直接接触，不受中间介质的影响。（4）测量范围宽，从-269℃至1800℃。（5）便于远距离测量、自动记录及多点测量。2007.05.088.1.8热电偶实用测量电路1、测量单点温度的基本测温电路2、测量两点之间温差3、测量平均温度的电路2007.05.084、测量温度和的电路5、K型热电偶测量电路2007.05.088.1.9热电偶冷端处理1、恒定0℃法2、计算修正法EAB（T、T0）＝EAB（T、Tn）＋EAB（Tn、T0）3、修正系数法t=t1+ktn必须注意以下几点:①、热电偶与补偿导线的热电特性相同。②、热电偶与补偿导线都有正、负极性不能接错.③、补偿导线使用温度不能过高；④、补偿导线的价格要比热电偶便宜。5、电桥补偿法6、电位补偿法4、补偿导线法2007.05.088.2热电阻传感器一、热电阻的基本知识1、热电阻传感器2、分类①、金属热电阻②、半导体热电阻3、热电阻效应①、电阻温度系数α要尽可能大，且稳定；②、电阻率ρ要高；③、比热小，亦即热惯性小④、电阻值随温度变化关系最好是线性关系；⑤、在较宽的测量范围内具有稳定的物理化学性质；⑥、良好的工艺性，即特性的复现性好，便于批量生产5、电阻与温度的关系大多数金属导体的电阻随温度而变化的关系可由下式表示Rt=R0[1+α（t-t0）]4、对热电阻材料的要求2007.05.08•热电阻传感器由热电阻丝、绝缘骨架、引出线组成。其中电阻丝是热电阻的主体。目前最广泛使用的热电阻材料是铜热电阻和铂热电阻。1、铂热电阻：型号为WZB，分度号为BA－1R0＝46Ω和BA－2R0＝100Ω。2、铜热电阻：型号为WZG，分度号为G，R0＝33Ω其优点：①、输出－输入特性近似线性；②、工艺性好，价格便宜。其缺点：①、电阻率小，仅为铂的1／6，故体积大，热惯性大。②、当温度高于100℃时，易氧化、测量范围小，不适于在腐蚀性介质或高温下工作。3、镍热电阻在-50～200℃范围内，镍的电阻与温度的关系一般可写成Rt＝R0[1＋At＋Bt2]4、其他热电阻①、铟热电阻。②、锰热电阻。③、碳热电阻。④、铁热电阻、镍热电阻二、常用热电阻2007.05.081、三线制测量电路2、四线制测量电路三、热电阻的测温电路在实际测温中，常用电桥作为热电阻测量电路。但是，由于热电阻的本身的阻值很小，所以必须考虑导体电阻的影响。为了消除引线的影响，常采用三线制、四线制电路。2007.05.088.3热敏电阻传感器一、热敏电阻的结构形式1、热敏电阻―电阻值随温度变化而变化的半导体热敏元件。2、热敏电阻成分：由钴、镍、锰等金属氧化物，采用不同比例配方，经高温烧结而成，然后制成各种形状，加上壳体和引线，便构成热敏电阻。二、热敏电阻工作原理金属热电阻的电阻值随温度升高而增大。但半导体的电阻值随温度的升高而急剧下降。在温度变化相同时，热敏电阻的变化约为铝热电阻的10倍。因此用半导体热敏电阻可测量0.01℃或更小的温度差异。2007.05.08三、热敏电阻基本类型及温度特性1、热敏电阻基本类型(1)按电阻―温度特性分类：(2)按电阻获得温度的方式分类：①、直热式（不带加热器）；②、旁热式（带有与热敏电阻绝缘，但紧密接在一起的加热器）。（3）按制成热敏电阻的材料分类：①、金属氧化物热敏电阻；②、单晶热敏电阻；③、玻璃热敏电阻；④、陶瓷热敏电阻；⑤、塑料热敏电阻；⑥、金刚石热敏电阻；2、热敏电阻温度特性2007.05.08四、基本参数和主要特性1、基本参数2、热敏电阻的主要特性（1）电阻-温度特性（R-T）（2）伏安特性五．热敏电阻输出特性的线性化处理1、线性化网络2、计算修正法3、利用温度—频率转换电路改善非线性1.标称电阻2.电阻温度系数3.时间常数4.额定功率2007.05.088．7热电传感器的应用一、无触点恒温控制器控温范围：室温到150℃，精度为±0.1℃。RT为正温度系数热敏电阻；T1、T2―差分放大器；BT―单结晶体管；STR―可控硅。2007.05.08二、客房火灾报警器TT201温控晶闸管安装在每间客房内，发光二极管LED和报警器放在总服务台。一般情况下，TT201不导通，LED不发光，报警器无声。当某一客房发生火灾，室内温度升高，TT201导通，LED发光，报警器发声报警。