第8章热电式传感器(《传感器基础》课件)经典
第8章 热电式传感器,本章主要介绍热电偶、热电阻、热敏电阻和集成温度传感器的原理、测量电路及其应用。 热电式传感器就是一种能将温度变化转换为电量变化的装置，它是利用敏感元件的电磁参数随温度变化的特性来达到测量的目的。,第8章 热电式传感器,8.1 热电偶温度传感器 当将两种不同的导体或半导体串接成一个闭合回路，若导体的两接点处温度不同，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应。由此效应产生的电动势，通常称为热电动势。热电偶就是利用这一效应来工作的。热电偶原理图,第8章 热电式传感器,两种不同导体或半导体的组合称为热电偶，如上图所示。其中A和B导体或半导体称为热电偶的电极。两个接点，一端称为工作端或热端( )，另一端称为参比端或冷端( )。当A、B材料确定，且冷端温度恒定，则热电动势仅与测量端温度有关。 热电偶两端的热电动势是由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势所组成。,第8章 热电式传感器,接触电动势，其大小可表示为,第8章 热电式传感器,对于A、B两金属材料组成的闭合回路，另一端温度为 时，则接触电动势为,第8章 热电式传感器,温差电动势的大小可表示为,对于A、B构成的闭合回路总的 温差电势为,第8章 热电式传感器,由导体A、B组成的热电偶回路，当温度 时， 可表示为热电偶回路电势分布图,第8章 热电式传感器,由于温差电动势比接触电动势小，又 ，所以总电动势中以导体A、B在 端的接触电动势所占百分比最大，故总电动势的方向取决于 的方向。 若材料A、B已定，则 、 只是温度的函数。上式可以表示为热电动势的大小只与热电偶两端接点的温度有关，如果 已知且恒定，则 为常数，回路总电动势只是工作端温度 的单值函数。,第8章 热电式传感器,热电偶基本定律 1. 均质导体定律 若组成热电偶回路的两种导体相同(即由一种均质材料的热电极组成闭合回路)，不论热电极长度、直径如何，不管接点温度如何，则回路中没有电流流过(即不产生电动势)；反之，若回路中有电流流过，则导体一定是非均质的。,第8章 热电式传感器,2. 中间导体定律 将导体A和B构成热电偶，并将冷端断开，无论插入导体C的温度分布如何，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶回路总电动势没有影响。这就是中间导体定律。EABC(T,T0)=EAB(T,T0)具有中间导体的热电偶回路,第8章 热电式传感器,3. 连接导体定律和中间温度定律在热电偶回路中，如果热电极A、B分别与连接导线A、B相连接，结点温度分别为T、Tn、T0 ，那么回路的热电势将等于热电偶的热电势EAB(T,Tn ) 与连接导线A、B在温度Tn、T0 时热电势 EAB(T,Tn ) 的代数和，即 ：EABBA(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0),第8章 热电式传感器,如A与A、B与B材料相同，且结点温度分别为T、Tn、T0时，有： 热电偶在结点温度为T、T0时的热电势值EAB(T,T0 )，等于热电偶在(T,Tn ) 、 (Tn,T0 ) 时相应的热电势EAB(T,Tn )与 EAB(Tn,T0 ) 的代数和。如下式所示：EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0),第8章 热电式传感器,例如: 已知A、B组成的热电偶在（1000C，00C）时热电势为1mV且A、B组成的热电偶在（10000C，00C）时热电势为10mV 则它们在（10000C，1000C）时的热电势为： 10-1=9mV,第8章 热电式传感器,4. 参考电极定律当接点温度为 ， 时，用导体A、B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和，即导体C称为标准电极(一般用铂制成)，这一规律称为参考电极定律，如图所示。 EAB(T,T0)=EAC(T,T0)+ECB(T,T0),第8章 热电式传感器,热电偶的材料 对热电偶材料的基本要求 热电特性稳定。 两种材料组成的热电偶应输出较大的热电动势。 电阻温度系数和电阻率要小。 能应用于较宽的温度范围，热电特性、物理化学性能稳定。 较好的工艺性能，便于成批生产，且复现性好，便于统一分度。,第8章 热电式传感器,国际标准热电偶及其材料简述 铂铑10铂热电偶（分度号为S) 铂铑30铂铑6热电偶(分度号为B)。 镍铬康铜热电偶(分度号为E)。 镍铬镍硅热电偶（分度号为K) 铂铑13铂热电偶 (分度号为R)。 铁康铜热电偶(分度号为J)。 铜康铜热电偶(分度号为T)。,第8章 热电式传感器,热电偶的结构将两个热电极的一个端点焊接在一起组成热接点，就构成了热电偶。工程上实际使用的热电偶大多数是由热电极1、绝缘材料2、保护套管3和接线盒4等部分组成。,第8章 热电式传感器,常用热电偶热电偶按其结构又可分为普通型热电偶和铠装热电偶。1) 普通型热电偶普通型热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体等介质的温度。可根据测量条件和测量范围来选用，为了防止有害介质对热电极的侵蚀，工业用的热电偶一般都有保护套。热电偶的外形有棒形、三角形、锥形等，它和外部设备的安装方式有螺纹固定、法兰盘固定等。,第8章 热电式传感器,2) 铠装热电偶铠装热电偶是将热电极3、绝缘材料2和金属保护管1组合在一起，经拉伸加工成为一个坚实的组合体，所以又称套管热电偶。,第8章 热电式传感器,热电偶冷端温度补偿1. 补偿导线法,第8章 热电式传感器,2. 热电动势修正法在实际工况环境中，当热电偶冷端温度不是0时，而是时，根据热电偶中间温度定律，可得热电动势的计算校正公式为,第8章 热电式传感器,3. 冰浴法根据物理学可知，在冰水共存容器中，可获得标准的0温度。所以为了测温准确，可以把热电偶的冷端置于冰水混合物的容器里，保证使冷端温度为0。这种办法最为妥善，然而不够方便，所以仅限于在实验室中使用。,第8章 热电式传感器,4. 补偿电桥法补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电动势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电动势变化值。,第8章 热电式传感器,5. 软件处理法对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于经常波动的情况，可利用热敏电阻或其他传感器把信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。,第8章 热电式传感器,8.2 热电阻温度传感器 1. 工作原理热电阻温度传感器就是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度和温度有关的参数进行检测的装置。它主要用于测量200500范围内的温度。它随温度变化的特性，可用特性方程表示为,第8章 热电式传感器,2. 主要类型 1) 铂热电阻 铂电阻温度计的使用范围是200850，铂热电阻和温度的关系如下： 在0850的范围内在2000的范围内,第8章 热电式传感器,2) 铜热电阻在50100的使用范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可表示为,第8章 热电式传感器,3)铟、锰、碳等热电阻 铟电阻用99.99%高纯度的铟丝绕成电阻，可在269258温度范围内使用。 锰热电阻适宜在271210温度范围内使用，电阻值随温度变化大，灵敏度高。 碳热电阻适宜在273268.5范围的温度测量，其特点是热容量小、价廉、灵敏度高、对磁场不敏感，但热稳定性较差。,第8章 热电式传感器,热电阻的结构,第8章 热电式传感器,测量电路,第8章 热电式传感器,热敏电阻测温原理 热敏电阻温度传感器就是利用半导体的电阻值随温度变化的特性，对温度和温度有关的参数进行检测的装置。 金属导体的电阻值随温度的升高而增大，但半导体却相反，它的电阻值随温度的升高而急剧减小，并呈现非线性，在温度变化相同时，热敏电阻的阻值变化约为铂热电阻的10倍，因此可以用它来测量0.01或更小的温度差异。,第8章 热电式传感器,热敏电阻主要由热敏探头1、引线2、壳体3构成。,第8章 热电式传感器,热敏电阻的典型结构,第8章 热电式传感器,1. 温度特性,第8章 热电式传感器,2. 伏安特性,第8章 热电式传感器,正温度系数(PTC)热敏电阻器的 伏安特性,第8章 热电式传感器,热敏电阻测温电桥,第8章 热电式传感器,热敏电阻作温度补偿用,第8章 热电式传感器,8.4 集成温度传感器 工作原理AD590属于电流型集成温度传感器，电流型集成温度传感器是一个输出电流与温度成比例的电流源，由于电流很容易变换成电压，因此这种传感器应用十分方便。,第8章 热电式传感器,1. 电流型集成温度传感器AD590的应用 温度测量,第8章 热电式传感器,温度控制,第8章 热电式传感器,多点温度测量,第8章 热电式传感器,2. 数字输出型集成温度传感器的应用美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS1820，可把温度信号直接转换成串行数字信号供计算机处理。,第8章 热电式传感器,DS1820测量温度时测量电路,
