第8章-热电式传感器

第8章热电式传感器热电式传感器是利用某些材料或元件的物理特性与温度有关这一性质，将温度的变化转化为电量的变化。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。第一节热敏电阻式传感器几乎所有物质的电阻率都随其本身的温度而变化，这一物理现象称为热电阻效应。利用这一原理制成的温度敏感元件称为热敏电阻(thermistor)，一般采用导体和半导体材料。式中：R0—元件在T0时的电阻；a—T0时的电阻温度系数；RT—温度为T时元件的电阻值。大多数金属导体的电阻，都具有随温度变化的特性。温度系数a表征电阻的阻值随温度变化的程度。金属的温度系数为正，即阻值随温度的升高而增加。单晶半导体的a也是正的，但随掺杂的增加而减小。陶瓷半导体（热敏电阻）的a为负，且非线性较大。一、金属热电阻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•容易加工、价格尽量便宜等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。纯金属是热电阻的主要材料，是利用金属的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。(一)金属热电阻工作原理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℃温度范围内在-200～0℃温度范围内式中R0、Rt——分别为0℃和t℃的电阻值；A——常数(3.963×10-3/℃)；B——常数(-5.86×10-7/℃2)；C——常数(-4.22×10-12/℃4)。20(1)tRRAtBt2301(100)tRRAtBtCtt铜在-50～150℃范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出－输入特性接近线性，价格低廉。铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为：式中A——常量(4.289×10-3/℃)；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，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。230(1)tRRAtBtCt热电阻的作用原理1.感温元件2.铂丝3.骨架4.引出线5.显示仪表热电阻实物图热电阻的结构比较简单，一般将电阻丝绕在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘骨架上，经过固定，外面再加上保护套管。热电阻的作用原理，感温元件1是以直径为0.03~0.07mm的纯铂丝2绕在有锯齿的云母骨架3上，再用两根直径约为0.5~1.4mm的银导线作为引出线4引出，与显示仪表5连接。当感温元件上铂丝的温度变化时，感温元件的电阻值随温度而变化，并呈一定的函数关系。当外界条件改变时，传感器的阻值RT会有相应的变化，这时电桥平衡破坏，桥路两端的电压Vs也随之而变，由于Vs能反映出桥臂电阻的微小变化，因此通过测量输出电压即可以检测外界条件的变化。(二)金属热电阻测量与接口电路•当温度处于测量下限时，Rt＝Rtmin，调节e2使电桥平衡，ΔU＝0，即0434121min21minERRRERrrRrrRUttERRRERrrRrrRtt434121min21minERrrRRRERrrRrrRERrrRRrrRRERRRERrrRrrRUttttttt2121min1121min21min121min21min43412121)(当温度上升，Rt＝Rtmin＋ΔRt，桥路失去平衡，有12TRRrr因为r1、r2相等又接在相邻桥臂上，导线的电阻变化不影响电桥平衡。半导体热敏电阻是用半导体材料制成的温度传感器。按物理特性，可分为三类：(1)负温度系数(NTC)具有很高的负电阻温度系数，特别适用于-100~300℃之间测温。在点温、表面温度、温差、温场等测量中得到日益广泛的应用，同时也广泛地应用在自动控制及电子线路的热补偿线路中。(2)正温度系数(PTC)；主要采用BaTiO3系列的材料，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，发热源的定温控制也可以作为限流元件使用。(3)临界温度系数(CTR)。该类电阻器的电阻值在某个温度值上电阻值急剧变化，其用途主要用作温度开关。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。二、半导体热敏电阻(一)NTC型半导体热敏电阻的主要特性NTC型热敏电阻，在一定的温度范围内（在低于450℃）时，有经验公式：eRRTTBT）（0110式中15.273tT1.电阻-温度特性RT、RT0——温度为T、T0（绝对温度）时热敏电阻器的电阻值。B——热敏电阻的材料系数。若已知TRRTT，和，00则可计算：）（）（）（）（tRRRRtTTBTT000027312731lnln11lnNTC电阻温度系数TRRBdTdaTT21负电阻温度系数当流过热敏电阻的电流很小时，不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律，主要用来测温。在大电流时，由于耗散功率的增加，使热敏电阻温度高于环境温度。同时由于其温度系数为负值，故其增量电阻减小。最后，当电流足够大时，增量电阻下降到零（翻转点），然后变为负。2.伏安特性热敏电阻的结构热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（Co）、锰（Mn）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高温烧结而成。其形状有珠状、片状、杆状、垫圈状等。（b）片状（c）杆状（d）垫圈状图6-21热敏电阻的结构类型（a）珠状玻璃壳热敏电阻引线(三)半导体热敏电阻的线性化与测量电路1.半导体热敏电阻的线性化热敏电阻灵敏度高，适合测量微弱温度变动；但是，其电阻值随温度变化呈指数规律，其非线性严重，当所需的温度量程较大时，电阻一温度特性的固有非线性是比较麻烦的。所以，实际使用时要对其进行线性化处理。具体的方法是采用温度系数很小的电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络（常称为线性化网络）代替单个热敏电阻，使等效电阻与温度的关系在一定的温度范围内是线性的。热敏电阻的电压为温度指示热敏电阻并联网络的线形化处理经线性化后在测温范围的中间温度点处并联和串联的温度系数分别为pTiipRRTBdTdRR1112TisisRRTBdTdGG1112其温度系数的绝对值有所下降，因此，线性化后的不利后果是温度系数减少。一、热电效应（温差电现象）第二节热电偶式传感器两种不同导体A和B组成闭合回路，如果两结点的温度不同，在回路中就会产生电动势，有电流流过。这种现象称为热电效应或塞贝克效应。这两种导体的组合称为热电偶，如图所示。T与T0的温差越大，热电偶的输出电动势就越大，因此，可用热电动势衡量温度的大小。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.接触电势BAABNNekTTeln)(eAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e——单位电荷，e=1.6×10-19C；k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；NA、NB——导体A、B在温度为T时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。BAABNNekTTeln)(00是由于不同金属的自由电子密度不同，接触时结点处发生电子扩散造成的，当触点处电子扩散达到动态平衡时，产生一个稳定的接触电势。AeA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0——高低端的绝对温度；σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，铜的σ=2μV/℃。2.温差电势dTTTeTTAA0),(0对于单一金属A，如果两端温度不同，则在两端也会产生温差电动势。其形成原因是导体高温端的自由电子具有较大动能，向低温端扩散。高温端失去电子带正电，低温端获得电子带负电，其电位差为：dTTTeTTBB0),(0由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：BANNekTlnBANNekTln0dTTTBA0)(3.回路总电势),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABABNA、NB——导体A和导体B的电子密度；σA、σB——导体A和B的汤姆逊系数。温差电现象由两种相互独立的效应组成。第一种效应是珀耳帖发现的，它是由于两种不同的金属相接触和接点温度所产生的一种电动势，称为接触电势。它与温度和两金属的电子密度有关。净的珀耳帖电动势近似地与两接点的温度差成正比。第二种效应是沿着导体的温度梯度所产生的，称为汤姆逊效应。由此产生的电动势(称为汤姆逊电动势)与导体两端的温度T和T0的平方差成正比。）。为二次热电偶常数（）为一次热电偶常数（2/;/CVCV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。二、热电偶的基本定则1.均质回路定律由相同成分材料的热电极组成回路，若只受到温度的作用，不论导体的截面、长度，以及各处的温度分布如何，都不产生热电势。1、如果热电偶的两根热电极是由均质导体组成，那么，热电偶的热电势仅与两端温度有关，而与热电极的温度分布无关。2、用于检验两根热电极A，A’材料成分是否相同。作用：),(),(00TTTTEEABABC根据这个定律，可将第三种导体换成测试仪或连接导线。只要保持两结点温度相同，就可以对热电势进行测量。2、中间金属定则将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。ABCCT0T0作用：3、中间温度定则),(),(),(00TTETTETTEaABaABAB在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为T、Ta和Ta、T0时热电动势的代数和。热电偶补偿导线法就是这个定律的实际应用。作用：证明：（中间温度定则证明）dTNNekTNNekTTTeTTeTeTeTTETTBABAaBAaBaAaABABaABa)(lnln),(),()()(),(dTNNekTNNekTTTeTTeTeTeTTEaTTBABABAaaBaAABaABaAB0)(lnln),(),()()(),(00000),()(lnln),(),(0000TTEdTNNekTNNekTTTETTEABTTBABABAaABaAB由三种不同材料的热电极A、B、C各自组成的三对热电偶回路，如果热电极A和B分别与C组成的热电偶回路所产生的热电势已知，则热电极A和B组成的热电偶回路的热电势为)T,T()T,T()T,T(0BC0AC0ABEEEAATTT=－BBCCT0T0T0若已知各种金属对标准电极的热电势，即可方便地求出各种金属搭配成热电偶时的热电势。作用：4、组成定则证明：),()(lnln)()()lnln(lnln))(lnln()(lnln),(),(0000000000000TTEdTNNekTNNekTdTdTNNekTNNekTNNekTNNekTdTNNekTNNekTdTNNekTNNekTTTETTEABTTBABABATTCBTTCACBCACBCATTCBCBCBTTCACACABCAC（标准热电极定律证明）三、热电偶的种类任意两种导体（或半导体）都可以配制成热电偶作为测温的元件，但实用中总是希望配制成的热电偶的热电势较大