传感器原理及应用(第三版)第7章

传感器原理及应用第七章热电式传感器正常体温为37℃相当于华氏温度多少度？发展阶段：华氏温标(°F)→摄氏温标(°C)→开氏温标(K)CFtt5932C273.15KTtCFtt5932C273.15KTt物理现象体积热膨胀电阻变化温差电动势导磁率变化电容变化压电效应超声波传播速度变化物质颜色P–N结电动势晶体管特性变化晶闸管动作点变化热、光辐射种类铂测温电阻、热敏电阻热电偶BaSrTiO3陶瓷石英晶体振动器超声波温度计示温涂料液晶半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器热敏晶闸管辐射温度传感器光学高温计1.气体温度计2.玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计5.液体压力温度计6.气体压力温度计1．热铁氧体2．Fe-Ni-Cu合金温度测量及传感器分类温度传感器的种类及特点所利用物理现象传感器类型测温范围/℃特点体积热膨胀气体温度计液体压力温度计玻璃水银温度计双金属片温度计-250～1000-200～350-50～350-50～300不需要电源，耐用；但感温部件体积较大接触热电动势钨铼热电偶铂铑热电偶其他热电偶1000～2100200～1800-200～1200自发电型，标准化程度高，品种多；须进行冷端温度补偿电阻的变化铂热电阻热敏电阻-200～900-50～300标准化程度高；但需要接入桥路才能得到电压输出PN结结电压硅半导体二极管半导体集成温度传感器-50~150体积小，线性好，-2mV/℃；测温范围小温度-颜色示温涂料示温液晶-50～13000～100面积大，可得到温度图象；但易衰老，准确度低光辐射热辐射红外辐射温度计光学高温温度计热释电温度计-50～1500500～30000～1000非接触式测量，反应快；但易受环境及被测体表面状态影响示温涂料（变色涂料）装满热水后图案变得清晰可辨CPU散热风扇低温时显示蓝色温度升高后变为红色第7章热电式传感器热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置在各种热电式传感器中，把温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中将温度转化为电势的热电式传感器叫热电偶。将温度转换为电阻值的热电式传感器叫热电阻。基于半导体PN结的伏安特性与温度之间的关系开发出的固态传感器，我们一般称其为热敏电阻，其实也是热电阻的一种。热电式传感器目前在工业生产中得到了广泛的应用，并且可以选用定型的显示仪表和记录仪来进行显示和记录。下一页第7章热电式传感器7－1热电偶7－2热电阻7－3集成温度传感器7－4热敏电阻上一页下一页热电偶测温的主要优点：7－1热电偶1.属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；2.测温范围广：下限可达-270℃，上限可达1800℃以上；3.各温区中的各种热电偶的热电动势均符合国际计量委员会的标准结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）左端称为：测量端（工作端、热端）热电极B热电动势AB从实验到理论：热电效应1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转。说明回路中产生了什么？如果用两盏酒精灯同时加热两个结点，指南针的偏转角反而减小。这又说明什么？结论：指南针的偏转说明回路中有电动势产生，并有电流在回路中流动。热电流的强弱与两个结点的温差有关，而不是与单一的一端结点的温度成正比。7－1热电偶一、热电效应两种不同的导体或半导体A、B两端连接在一起组成回路，如图示：当两结点温度不等时（设），回路中就会产生电动势，从而形成电流，这种现象称为热电效应，该电动势称为热电动势。通常我们把上述两种不同导体的组合称热电偶，称A、B两种导体为热电极。两个结点，一个为工作端或称热端（），测量时将它置于被测量度场中。另一个叫自由端或称冷端（），一般要求恒定在某一温度。经研究发现，上图中热电偶回路中所产生的热电动势由两部分组成，其一是两种导体的接触电势，另一个是单一导体的温差电势。0TT0TT(一)接触电势由于不同导体的自由电子密度不同，当两种不同的导体A、B连接在一起时，在接触面就会发生电子的扩散，假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，那么在单位时间内，由导体A扩散到导体B的电子数要比从导体B扩散到导体A的电子数多，此时导体A因失去电子而带正电，导体B因得到电子而带负电，于是在接触区就形成一个从A到B的静电场（电位差），如图所示，这个电场阻碍了电子的继续扩散，当达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势。由物理学可知，在温度为T时：接触电势：其中：—温度为T时的接触电动势—波尔兹曼常数（k=1.3810-23J/K）—电子电荷量—材料A、B的自由电子密度（随温度变化而改变）（单位体积的电子数）结论：接触电动势的大小只与导体材料A、B的性质和结点的温度有关，而与材料的几何形状，尺寸无关。BnAn上一页下一页BAABnneKTTeln)()(TeABeBAnn,KBAnnTeAB“结点”产生热电动势的微观动画两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的相互扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电动势。自由电子＋ABeAB（T）T热电偶的图形符号(二)温差电势单一导体，如果两端温度不同，则导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散，高温端因失去电子而带正电，低温端因得到电子而带负电，从而形成静电场，如图所示。该电场阻碍电子的继续扩散，当达到动平衡时，在导体两端便产生一个稳定的电位差，即温差电势。同样由物理学可知：温差电势:其中：—导体A两端温度为时形成的温差电势—汤姆逊系数，表示单一导体两端温差1℃时所产生的温差电势，其值与材料性质及两端温度有关.结论：在热电偶中，温差电势相对于接触电势非常小，工程上常将其忽略不计，起决定作用的是接触电势。但热电偶作为检测计量使用时要加以考虑。dTTTTTeA00),(上一页下一页),(0TTeA(三)热电偶回路总热电势对于由导体A、B组成的热电偶回路，当时，闭合回路中产生的接触电势和温差电势如图所示。则闭合回路总的热电动势为：设回路电流顺时针方向为正，则：将，代入得：结论：〈1〉如果热电偶两极材料相同（即），虽然两结点温度不同（），总热电势仍为零（）因此，热电偶必须用两种不同的材料作电极。BAnnTT，0),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABABdTTTTTeA00),(BAABnneKTTeln)(00000(,)lnln()ATATABBABTBTnTKTnKTETTdTTenen上一页下一页BABAnn,0TT0),(1OABTTE〈2〉如果两极材料不同，而两结点（两端）温度相同（），回路热电势也为零（）〈3〉前面提过，由于温差电势很小，可忽略，故工程中常将上式简化如下：〈4〉由上式可知，热电势是温度和的双值函数，这在使用中很不方便，因此在标定热电偶时，使为常数。即：（常数）则即回路总热电势看成温度T的单值函数，方便工程测量。实际通常使，对热电偶进行标定（分度表）。)()(),(00TeTeTTEABABABCTfTeAB)()(00)()()()(),(000TfTeTeTeTTEABABABABCTf)(0(,)ABETT),(0TTEABT0T0T上一页下一页0),(0TTEAB0TT)()(0TeTeBAABCT000热电偶分度表针对某型号的热电偶，在其冷端温度为０℃条件下，制作的热电动势E与热端温度T的对应关系表。使用时，测得冷端温度为０℃时的热电动势查表即可得到所测温度。因为非线性关系，所以使用分度表时要求其冷端温度为０℃，如果冷端温度不为０℃，必须对冷端温度修正到０℃。C00，TEAB二、热电偶基本定律(一)中间导体定律：定律描述：在热电偶回路中，其它金属材料作为中间导体引入，如图示，只要中间导体两端的温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶回路的总电动势无影响。数学表达式：证明：右图所示回路总电势为),(),(00TTETTEABABC),(0TTEABCdTTTdTTTdTTTTeTeTeTTECBACABCABOABC000000)()()(),(dTTTTeTeTeABCABCAB)()()()(000上一页下一页下一步求出该两项设三个结点（1、2、3）温度均相等均为,则有下式成立：因此上述定律成立。0TdTTTTeTeTeTTEABCABCABABC)()()()(),(00000000)(00dTTTAB)()()(000TeTeTeCABCABdTTTTeTeTTEABABABABC)()()(),(000dTTTTeTeABBAAB)()()(00),(OABTTE其中所以代入上式得：上一页下一页0),(00TTEABC；中间导体定律的意义利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证这些中间导体两端的温度各自相同，则对热电偶的热电动势没有影响。在使用热电偶时，应尽量使上述元器件两端的温度相同，才能减少测量误差。在放大器中，若某个电阻或集成电路引脚两端的温度不相同，将产生热电动势。为了尽量减小由此产生的电动势，可以用铜质屏蔽罩将放大电路与热源隔离，并使罩内各个元件两端的温度相同。(二)标准电极定律：（也称参考电极定律）定律描述：当接点温度为时，用导体A、B组成热电偶产生的热电势等于A、C热电偶和C、B热电偶热电势的代数和。数学表达式：导体C（一般铂）称标准电极证明：参见上图所示有：0TT、000(,)(,)(,)ABACCBETTETTETTdTTTTeTeTTEABABABAB)()()(),(000dTTTTeTeTTEACACACAC)()()(),(000000(,)()()()BCBCBCCBTETTeTeTdTT上一页下一页0,TTEAB0,TTEAC0,CBETT00(,)(,)ACBCETTETT所以有下式：因此上述定律成立。),(),(),(),(0000TTETTETTETTEBCACCBACdTTTnneKTnneKTdTTTnneKTnneKTBCCTBTCTBTACCTATCTAT)(lnln)(lnln00000000dTTTnneKTnneKTABBTATBTAT)(lnln0000),(0TTEAB上一页下一页参考电极定律简化了热电偶的选配工作。只要获得有关热电极与参考电极配对的热电动势，那么任何两种热电极配对时的热电动势均可求得，就能较快地筛选出适合需要的、性能良好的热电偶。（三）连接导体定律和中间温度定律：1．连接导体定律：定律描述：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，接点温度分别为，那么回路的总热电势等于热电偶电势与连接导线热电势代数和。0TTTn，，),(nABTTE),(0''TTEnBA数学表达式：),(),(),,(0''0''TTETTETTTEnBAnABnAABB证明：由上图所示，回路总电势)()()()(),,('0'''0''nAAABnBBABnAABBTETETETETTTEdTTTdTTTdTTTdTTTBnBnAnAn'0'0上一页下一页因为：同时：将中间结果代入最上式得：因此上述定律成立。该定律是工业上用补偿导线测温度的基础。nnnnATTATBBTnnAAnBBnnnneKTTETE''''lnln)()(nnnn