第7章热电式传感器概要

朱启兵[e-mail]传感器与检测技术2/49第7章热电式传感器一、概述二、热电阻传感器三、热电偶传感器四、热电式传感器应用传感器与检测技术3/49热电式传感器一、概述热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度相关的参量进行检测的装置。对应于测温原理的不同，热电式传感器可分为：热电偶传感器-----温度变化转化为电势变化热电阻传感器-----温度变化转化为电阻变化，其由可分为金属热电阻式（热电阻式）和半导体热电阻式（热敏式）。辐射测温仪-------利用不同温度下，物体的辐射功率的不同。前两种，接触测温，后一种非接触测温。4/49二、热电阻传感器1.金属热电阻（热电阻）热电阻广泛用来测量－200～850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000℃。标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。对用于制造热电阻材料的要求：•具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率•R-t关系最好成线性•物理化学性能稳定•复现性好等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。热电式传感器5/49(1)铂热电阻铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围为-200～850℃。铂热电阻的特性方程为：在-200～0℃的温度范围内Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］在0～850℃的温度范围内Rt=R0(1+At+Bt2)A=3.96847×10-3/℃B=-5.847×10-7/℃2C=-4.22×10-12/℃4系数：我国规定工业用铂热电阻有R0=10Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其中以Pt100为常用。热电式传感器6/49铂电阻分度表热电式传感器7/49(2)铜热电阻在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，它的测量范围为-50～150℃。铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可Rt=R0（1+αt）α=4.28×10-3/℃两种分度号：Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。铜热电阻的电阻温度系数较大、线性性好、价格便宜。缺点：电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定性较差，在100℃以上时容易氧化，因此只能用于低温及没有浸蚀性的介质中。特点热电式传感器8/49（3）测量电路测量电路经常采用电桥电路。热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。电阻体二线制电阻体三线制电阻体四线制内部引线方式热电式传感器9/49（3）测量电路两线制这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。tRrrAsE3R2R1R图9.17两线制热电式传感器10/49（3）测量电路三线制tRrrrAsE3R2R1R用于工业测量，一般精度热电式传感器11/49（3）测量电路图9.19　四线制tVI1r4r2r3r实验室用，高精度测量热电式传感器12/492.半导体热电阻（热敏电阻）热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点①是电阻率随温度而显著变化，灵敏度高②热惯性小，适宜动态测量。缺点是非线性严重，元件稳定性、互换性差。温度T/0C电阻RT/0ΩNTCPTCCTR三类热敏电阻的温度特性曲线大多数：负温度系数。热敏电阻在不同值时的电阻－温度特性，温度越高，阻值越小，且有明显的非线性。NTC热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于：－100～＋300℃之间测温。PTC热敏电阻的阻值随温度升高而增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。其用途主要是彩电消磁、各种电器设备的过热保护等。CTR也具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高。主要用作温度开关。热电式传感器13/492.半导体热电阻（热敏电阻）（1）基本参数：•标称电阻值R25(Ω)热敏电阻在25℃时的值，值的大小由热敏电阻材料和几何尺寸决定。•电阻温度系数指热敏电阻的温度变化1℃时，其阻值变化率与阻值之比。即：℃/%t时的阻值—温度为—度灵敏度；决定了工作范围内的温时的电阻温度系数—温度为—式中：KTTRKTtdTdRRTTt,1热电式传感器14/492.半导体热电阻（热敏电阻）•材料常数B描述热敏材料物理特性的一个常数。B越大，阻值越大，灵敏度越高。•时间常数数值上等于热敏电阻在零功率的测量状态下，当环境温度突变时，热敏电阻随温度的变化量从0～63.2％所需的时间。表明了热敏电阻加热和冷却的速度。其余：耗散系数、额定功率、测量功率等。热电式传感器15/49(2)主要特性：•电阻-温度特性①具有负电阻温度系数的热敏电阻的电阻-温度特性曲线如下图所示，其一般数学表达式为：时热敏电阻的阻值；、—温度为—、电阻的材料常数；—负电阻温度系数热敏—式中：000011expTTRRBTTnnTTTTBRR4080120160T(℃)RT(Ω)10102103104注意：为应用方便，可将上式两边取对数，电阻温度-特性曲线转化为线性。热电式传感器16/49②具有正电阻温度系数的热敏电阻的电阻-温度特性曲线如下图所示，其一般数学表达式为：时热敏电阻的阻值；、—温度为—、电阻的材料常数；—正电阻温度系数热敏—式中：0000expTTRRBTTppTTTTBRRTP2100TP1200T(℃)RT(Ω)10102103104注意：为应用方便，可将上式两边取对数，电阻温度-特性曲线转化为线性。由图中可见：正温度系数的热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区的两端，曲线有两个拐点TP1和TP2。在温度TP1和TP2之间为工作范围。热电式传感器17/49伏-安特性表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻器和周围介质热平衡（即加在元件上的电功率和耗散功率相等）时的互相关系。①具有负电阻温度系数的热敏电阻的伏-安特性oa段为线性工作区域；•随温度增加，阻值下降，电流则增加，电压增加，当电流达到Im时，电压值达到最大Um；•随电流的不断增加，引起电阻温升加快，当阻值下降速度超过电流增加速度时，电压开始下降；•电流超过一定允许值时，热敏电阻将被烧坏。I(mA)U(V)aOUaImIaUm热电式传感器18/49(3)线性化方法：热电式传感器19/49(4)应用：热电式传感器20/49三、热电偶式传感器热电偶传感原理的物理基础是热电效应现象热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。热电势由两部分组成：接触电势、温差电势。AB()ABeT0()ABeT0(,)AeTT0(,)BeTTT0T热电势、热电偶、热电极热端（测量端或工作端）冷端（参考端或自由端）1.工作原理西拜克效应热电式传感器21/49（1）接触电势0000()1()1AABBAABBNKTeTnqNKTNeTnqN接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。两接点的接触电动势eAB(T)和eAB（T0）可表示为AB＋＋＋－－－ABnn()ABET原因：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。K为玻耳兹曼常数(1.38×10-6)；e为电子电荷(1.6021892×10-19);NA，NB为A、B两种材料在温度T时的自由电子密度热电式传感器22/49同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。0000(,)(,)TAATTBBTeTTdTeTTdT大小表示：机理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。（2）温差电势,AB材料的温差系数热电式传感器23/49AB()ABeT0()ABeT0(,)AeTT0(,)BeTTT0T（3）热电势TTABBTATBTATABABABABABABABdTNNeKTNNeKTTeTTeTTeTeTTeTeTTeTeTTE000lnln)(),(),()(),()(),()(),(00000000热电式传感器24/49（3）热电势导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。热电式传感器25/49（4）热电偶的分度表不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。供查阅使用，每10℃分档。中间值按内插法计算。()MLMLHLHLEEttttEE热电式传感器26/49S型(铂铑10-铂)热电偶分度表热电式传感器27/492.热电偶工作定律在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。（1）中间导体定律ABt0t0tCABT0tCB1t1t（a)（b)应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。0000000(,)()(,)()(,)()(,)ABCABBBCCCAAETTeTeTTeTeTTeTeTT热电式传感器28/49（2）中间温度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t,t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代数和tt0ABtctc)(AA)(BB用途：•导线补偿，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A′和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方•参考端热电势修正，可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正ABT1T2T2A’T0T0热电偶补偿导线接线图E热电式传感器29/49（3）标准导体电极定律ACCABB0tt0t0ttt0C0C0(,)(,)(,)ABABEttEttEtt－通常选用高纯铂丝作标准电极只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。用途：热电式传感器30/49（3）标准导体电极定律例子热端为100℃，冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为－4.0mV，则镍铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：2.95－(－4.0)=6.95(mV)热电式传感器31/49由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。（4）均质导体电极定律热电式传感器32/49热电偶材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于制造；复现性好，便于成批生产。3、热电偶的常用材料与结构热电式传感器33/49（1）常用热电偶：•铂铑-铂热电偶：分度号LB—3S型热电偶。特点：精度高，标准热电偶。但热电势小