热电式传感器

第7章热电式传感器章热电式传感器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，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻第一节热电阻传感器热电阻材料的特点热电阻材料必须具有以下特点：(1).高温度系数、高电阻率。这样在同样条件下可加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重量。(2).化学、物理性能稳定。以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。(3).良好的输出特性。即必须有线性的或者接近线性的输出。(4).良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。适宜制作热电阻的材料有铂、铜、镍、铁等。铂、铜热电阻的特性铂、铜为应用最广的热电阻材料。虽然铁、镍的温度系数和电阻率均比铂、铜要高，但由于存在着不易提纯和非线性严重的缺点，因而用得不多。铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、物理性能稳定，制成的铂电阻输出－输入特性接近线性，测量精度高。章热电式传感器铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示：在0～660℃温度范围内(7-1)在-190～0℃温度范围内(7-2)式中R0、Rt——分别为0℃和t℃A——常数(3.96847×10-3/℃)；B——常数(-5.847×10-7/℃2)；C——常数(-4.22×10-12/℃3)。20(1)tRRAtBt2301(100)tRRAtBtCtt～150℃范围内铜电阻化学、物理性能铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为：(7-3)式中A——常量(4.28899×10-3/℃)；B——常量(-2.133×10-7/℃2)；C——常量(1.233×10-9/℃3)。当温度高于100℃时易被氧化，因此适用于温度230(1)tRRAtBtCt其他热电阻⑴.铟电阻适宜在-269～-258℃温度范围内使用，测温精度高，灵敏度是铂电阻的10倍，但是复现性差。⑵.锰电阻适宜在-271～-210℃温度范围内使用，灵敏度高，但是质脆易损坏。⑶.碳电阻适宜在-273～-268.5℃温度范围内使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但是章热电式传感器二．热敏电阻1.热敏电阻的特点热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。按物理特性，可分为三类：(1).负温度系数热敏电阻(NTC)；(2).正温度系数热敏电组(PTC)；(3).临界温度系数热敏电阻(CTR)下面以负温度系数的热敏电阻为例作一下介绍。章热电式传感器负温度系数热敏电阻是一种氧化物的复合烧结体，通常用它测量-100～+300℃范围内的温度，与热电阻相比，其特点是：(1).电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的10倍。(2).结构简单，体积小，可以测量点温度。(3).电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。(4).易于维护和进行远距离控制。(5).制造简单，使用寿命长。缺点是互换性差，非线性严重为负温度系数热敏电阻的电阻-温度特性曲线，用如下经验公式描述：(7-4)式中RT——温度为T(K)A——与热敏电阻的材料和几何尺寸有关的常数；B——/BTTRAe2.负温度系数热敏电阻的特性，则可通过公式求取A、B值，即由图7.2可知，①当流过热敏电阻的电流较小时，曲线呈直线状，服从欧姆定律。②当电流增加时，热敏电阻自身温度明显增加，由于负温度系数的关系，阻值下降，于是电压上升速度减慢，出现了非线性。③当电流继续增加时，热敏电阻自身温度上升更快，阻值大幅度下降，其减小速度超过电流增加速度，于是出现电压随电流增加而降低的现象。由于热敏电阻特性的严重非线性，扩大测温范围和提高精度必须进行补偿校正。/11BTTARe1212ln21TTTTRBTTR(7-5)(7-6)章热电式传感器解决办法：串联或并联温度系数很小的金属电阻，使热敏电阻阻值在一定范围内呈线性关系。图7-3介绍一种金属电阻与热敏电阻串联以实现非线性校正的方法。只要金属电阻Rx选得合适，在一定温度范围内可得到近似双曲线特性〔图(b)Rs〕，即温度与电阻的倒数成线性关系，从而使温度与电流成线性关系〔图(c)〕。近年来已出现利用微机实现较宽温度范围内线性化校正的方案。近代热敏电阻的特性(1).近年来研制的玻璃封装热敏电阻具有较好的耐热性、可靠性、频响特性。(2).氧化物热敏电阻的灵敏度都比较高，但只能在低于300℃时工作。(3).负温度系数热敏电阻的特性曲线非线性严重。(4).近年来发现四氰醌二甲烷新型有机半导体材料，具有电阻率随温度迅速变化的特性。章热电式传感器热电偶传感器在温度测量中应用极为广泛，因为它结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传。一.热电效应及其工作定律1.热电效应将两种不同性质的导体A、B组成闭合回路，如图7.4所示。若节点(1)、(2)处于不同的温度(T≠T0)时，两者之间将产生一热电势，在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应。第二节热电偶传感器章热电式传感器其电势由接触电势(珀尔帖电势)和温差电势(汤姆逊电势)两部分组成。章热电式传感器Ⅰ接触电势当两种金属接触在一起时，由于不同导体的自由电子密度不同，在结点处就会发生电子迁移扩散。失去自由电子的金属呈正电位，得到自由电子的金属呈负电位。当扩散达到平衡时，在两种金属的接触处形成电势，称为接触电势。其大小除与两种金属的性质有关外，还与结点温度有关。时的接触电势：式中eAB（T）——A、B两种金属在温度T时的接触电k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23(J/K)；e——电子电荷，e=1.6×10-19(C)NA、NB——金属A、BT——()lnAABBkTNeTeN(7-7)章热电式传感器Ⅱ温差电势对于单一金属，如果两端的温度不同，则温度高端的自由电子向低端迁移，使单一金属两端产生不同的电位，形成电势，称为温差电势。其大小与金属材料的性质和两端的温差有关式中eA(T,T0)——金属A两端温度分别为T与T0时的温σA——T、T0——高、低温端的绝对温度。00(,)TAATeTTdT(7-8)、B两种导体构成的闭合回路，总的温差电势为于是，回路的总热电势为000(,)(,)()TABABTeTTeTTdT000(,)()()()TABABABABTeTTeTeTdT(7-9)(7-10)章热电式传感器由此可以得出如下结论：(1)如果热电偶两电极的材料相同，即NA=NB，σA＝σB，虽然两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍为零。因此，热电偶必须用两种不同材料作热电极。(2)如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，即T＝T0，闭合回路中也不产生热电势。工作定律(1)中间导体定律设在图7.8的T0处断开，接入第三种导体C，如图7.9所示。若三个结点温度均为T0，则回路中的总热电势为若A、B结点温度为T，其余结点温度为T0，而且T＞T0，则回路中的总热电势为0000()()()()0ABCABBCCAETETETET0000()()()()ABCABBCCAETETETET(7-11)(7-12)章热电式传感器由式(7-11)可得将式(7-13)代入式(7-12)可得000()[()()]ABBCCAETETET000()()()(,)ABCABABABETETETETT(7-13)(7-14)章热电式传感器热电式传感器最直接的应用是测量温度。其它应用有（详细原理见参考资料1）：Ⅰ测量管道流量Ⅱ热电式继电器Ⅲ气体成分分析仪Ⅳ金属材质鉴别仪第三节热电式传感器的应用