第七章-热电式传感器

第七章热电式传感器7.1热电偶传感器7.2热释电传感器第一节热电偶传感器温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。一、热电效应与热电偶测温原理两种不同的导体或半导体闭合回路，若连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。1．热电效应（1）两种导体的接触热电势（2）温差电动势接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。即，取决于A、B的性质及接触点的温度，而与其形状尺寸无关。温差电动势是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。高温侧电子受热能运动加剧，高温侧失去电子而带正电，低温侧得到电子带负电即形成一个静电场，使两端出现电位差，此电位差叫温差电动势。（3）回路总电势f(T)C)(),(E0TeTTABAB热电偶的热电势可表示为：热电势与温度之间的关系是通过热电偶分度表来确定。（4）结论①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。②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。③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。④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。2．热电偶的基本定律（1）中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相等，则热电偶产生的总热电势不变。可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势。（2）中间温度定律定律描述：该定律为使用热电偶如何分度表提供了依据。同时，可使用补偿导线使测量距离加长，也可用于消除热电偶自由端温度变化影响。)T,T(E)T,T(E)T,T(E0'0'00ABABAB（3）参考电极定律定律描述：当结点温度为T、T0时，用导体A、B组成的热电偶的热电势等于AC热电偶和CB热电偶的热电势的代数和。此为参考电极定律，也称组成定律[例]当T为100℃，T0为0℃时，鉻合金—铂热电偶的E（100℃，0℃）为+3.13mV，铝合金—铂热电偶E（100℃，0℃）为-1.02mV，求鉻合金—铝合金组成热电偶的热电势E（100℃，0℃）。解：设鉻合金为A，铝合金为B，铂为C。即EAC（100℃，0℃）=+3.13mVEBC（100℃，0℃）=-1.02mV根据式（7-8），有EAB（100℃，0℃）=EAC（100℃，0℃）-EBC（100℃，0℃）=3.13mV-1.02mV=4.15mV),(),(),(000TTETTETTEBCACAB（4）均质导体定律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。此为均质导体定律。①热电偶必须采用两种不同材料作为电极。②对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为T1、T2、…、Tn，冷端温度为零度的热电势。其热电势为：)(...)()(21nNABCABTTTEE二、热电偶及其分度表1．热电偶材料热电极材料所满足的要求：①热电偶材料受温度作用后能产生较高的热电势，热电势和温度之间的关系最好呈线性或近似线性的单值函数关系；材料的电阻温度系数要小，电阻率高，资源丰富，价格便宜。②能测量较高的温度，并在较宽的温度范国内应用；③物理性能稳定，导电性能好，热容量要小；④化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；⑤热电性能稳定，热电特性不随时间改变；⑥机械性能好，材质均匀；⑦复现性要好，便于大批生产和互换，便于制定统一的分度表2．热电偶的种类常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。3．热电偶的分度表4．热电偶的结构形式（1）普通型热电偶为装配式结构，一般由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等部分组成。贵金属热电极的直径不大于0.5mm，廉价金属热电极直径一般为0.5～3.2mm；热电偶的长度为350～2000mm。由于热容量大，温度响应较慢。（2）铠装热电偶它是将热电偶丝、绝缘材料和保护套管三者组合装配后，经拉伸加工而成的一种坚实的组合体。其外径一般为0.5～8mm其长度最大可达100m。铠装热电偶温度响应快；挠性好，可弯曲适用复杂场合安装使用。应用比较广泛。三、热电偶传感器的应用1．热电偶冷端的温度补偿（1）补偿导线通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。补偿导线：在一定温度范围内（通常0~150℃），与配用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的导线。（2）冷端温度测量计算法EAB(T，T0)为测得的数值；T0为已知温度，可反查分度表求得EAB(T0，0)；因此可以计算出EAB(T，0)值；正查分度表可求被测温度T。（3）冷端恒温法自由端温度测量计算法需要保持冷端温度恒定。在实验室及精密测量中通常把冷端置于冰点槽中，使之温度为0℃。工业应用时，一般把冷端放在电加热的恒温器中。00,0,,0ABABABETETTET（4）电桥补偿法利用不平衡电桥产生的相应电势，以补偿热电偶由于冷端温度变化而引起的热电势的变化。强调：在使用此种补偿器时，必须把显示仪表的起始点调到的20℃位置。2．测量某点温度流过测温毫伏表的电流为：MABRRRTTEICL0，3．测量两点之间的温度差将两个同型号的热电偶配用相同的补偿导线，其接线应使两热电势反向串联，此时仪表可测得T1和T2之间的温度差值。回路内的总电动势为：2121TeTeTeTeEABABBAABT－4．测量设备中的平均温度设，每只热电偶的输出为：'''033022011TTEETTEETTEEABABAB，；，；，回路总的热电动势为:nEEEEnT+++=215．测量温度之和回路总的热电势为：输出电势大，可感应较小的信号。只有一个热电偶断路，总的热电势消失，或热电偶短路，将会引起仪表值的下降。ET=E1+E2+E3第二节热释电传感器热释电传感器是利用热释电效应制成的一种非常有应用潜力的传感器。它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。在六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用开发。近年来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。热释电效应在近10年被用于热释电红外探测器中，广泛地用于辐射和非接触式温度测量、红外光谱测量、激光参数测量、工业自动控制、空间技术、红外摄像中。一、热释电效应1．热释电效应原理当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。2．热释电效应材料能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，常用的热释电材料有单晶、压电陶瓷及高分子薄膜等种类单晶热释电晶体的热释电系数高，介质损耗小，至今性能最好的热释电传感器大多选用单晶制作。如TGS、LATGS、LiTaO3等。压电陶瓷热释电晶体成本较低，响应较慢。如入侵报警用PZT陶瓷传感器工作频率为0.2～5Hz。薄膜热释电材料可以用溅射法、液相外延等方法制备。有些薄膜的自发极化取向率已接近单晶水平。由于薄膜一般可以做得很薄，因而对于制作高性能的热释电传感器十分有利。二、热释电传感器的工作原理由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成热释电传感器的工作原理可以用三个过程来描述：辐射→热为吸收过程，热→温度为加热过程，温度→电则为测温过程。三、热释电传感器的等效电路热释电传感器是一个电容性的低噪声器件。其信号输出电压为：其响应率（灵敏度）为：Re—传感器和前置放大器的等效输入电阻；Ce—传感器和前置放大器的等效电容；τe—电时间常数，τe=ReCe。222211eeddGRPAZiV222211eedsGRPAVR热释电传感器ΔT、R与ω的对数关系曲线1）ω=0时，响应率为零2）ω≠0时，①T/1响应率随角频率增加而增加T/1eT/1/1响应率为常数e/1响应率与角频率成反比四、热释电传感器的应用1．被动式热释电红外探头当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。2．被动式热释电红外探头的结构（图）传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。热释电元件PZT将波长在8mm~12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，其作用：一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样被动式热释电红外探头就能产生变化电信号。3．被动式热释电红外探头的特点被动式热释电红外探头具有本身不发任何类型的辐射，隐蔽性好，器件功耗很小，价格低廉的优点。但是，被动式热释电红外探头也有缺点，如：①信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰；②穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；③易受射频辐射的干扰；④环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵；⑤主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差。作业与思考题1．什么是金属导体的热电效应？试说明热电偶的测量原理。2．试分析金属导体产生接触电动势的原因。3．补偿导线的作用是什么？使用补偿导线的原则是什么？4．试推导热电偶的几个重要定律，并分别说明它们的实用价值。5．试证明图所示热电偶回路中，加入第三种材料C，第四种材料D（无论插入何处），只要插入材料两端温度相同，则回路总电动势不变（nanB，tt0）6．用镍铬-镍硅（K）热电偶测温度，已知冷端温度为40℃，用高精度毫伏表测得这时的热电动势为29.188mV，求被测点温度。7．如图所示镍铬-镍硅热电偶，A’、B’为补偿导线，Cu为铜导线，已知接线盒1的温度t1=40.0℃，冰水温度t2=0.0℃，接线盒2的温度t3=20.0℃。1）当U3=39.310mV时，计算被测点温度t。2）如果A’、B’换成铜导线，此时U3=37.699mV，再求t.8．什么是热释电效应，通常用什么材料作为热释电元件。9．热释电传感器最广泛的应用有哪些？10．为什么热释电传感器要使用菲涅耳透镜？DCCAABt0t谢谢