传感器及其信号调理技术 教学课件 ppt 作者 徐湘元 第4章(1)
21页1、第四章 热电式传感器,【内容提示】温度是定量反映物体冷热程度的物理量,在工农业生产、科学实验和人们日常生活中,随时可见它的踪影,它与人类的关系密切。在很多场合,监测它的变化、控制它的趋势,显得非常重要。本章就目前应用广泛的热电偶、热电阻和集成温度传感器进行介绍,内容包括将温度转换为电阻或电动势的机理、温度传感器的特性以及应用等。,4.1 概述,热电式传感器是一种将温度量转换成电信号的装置,它利用某些材料或元件随着温度变化其自身参数发生变化的特性进行测温。通常都是将被测温度的变化转换成这些元件的电阻变化、电势的变化、磁导率变化或者热膨胀变化等,然后经过相应的处理电路输出电压或电流,进而由这些参数的大小来反映被检测对象的温度变化。,热电式传感器的应用十分广泛,在工农业生产、航空航天、生物医学,家用电器、医疗仪器、火灾报警以及海洋气象等诸多领域都可找到它的踪迹。例如,在化工生产中,各生产工艺过程都是在一定的温度下进行的,因此温度的测量和控制成为化学反应过程中的一个重要环节;在钢铁工业,要想炼好钢,就必须对炉温进行实时测量和有效控制;在现代化大型温室里,要想长久保持新鲜蔬菜和良种,就不得不对温
2、度进行监控和及时调整;在科学研究领域,更是与温度有着不解之缘;即使是在人们的日常生活中,温度及其测量也占着十分重要的地位。,温度传感器的种类很多,根据引起物理参量的变化可分为:热电偶式,热电阻式,热膨胀式,PN结型式、热辐射式、红外式和集成温度式传感器等;根据感受温度的途径分为:接触式和非接触式。所谓接触式测温是指通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度;非接触式是通过接受被测物体发出的热辐射来感知物体的温度。 在众多的热电式传感器中,将温度量转换成电势或电阻的测量原理最为普遍,因而本章将重点介绍在工业应用最多的热电偶式和热电阻式传感器,以及使用方便、适应性强的半导体集成温度传感器。,4.2 热电偶,在温度测量中,热电偶(thermoelectric pair, thermocouple)的使用可谓相当广泛,属于接触式温度传感器,具有结构简单、准确度高、制造和使用方便、测量范围广、敏感度高、惯性小和输出信号便于远距离传送等优点。,4.2.1 常用热电偶及其结构,实际应用中组成热电极的材料必须具备以下几方面的条件: (1)测量范围广,在规定的温度测量范围内具有较高的测量精确度 (2)
3、在测量范围内,热电性能稳定; (3)物理、化学性质稳定性,抗氧化或抗还原性能强; (4)电阻温度系数小,电导率高; (5)有较大的热电动势,温度与热电动势的关系是线性关系; (6)有足够的机械强度及较好的耐振动、耐热冲击性能;,(7)复现性好,便于成批生产,应用上可保证良好的互换性; (8)制造工艺简单,且价格便宜。,目前常用的热电偶种类及性质如表4-1所示,表4-1 常用热点偶种类及性质 (略),由于热电偶的应用广泛,因此为了适用不同测量对象的测温条件和要求,热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装热电偶及薄膜热电偶等。 1.普通型热电偶 普通型热电偶的结构由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等组成,见图4-1所示。其中热电极是热电偶的基本组成部分,有正、负极性之分。热电极的直径大小由材料价格、机械强度、导电率、热电偶的用途和测量范围等因素决定。绝缘管防止电极间短路,根据不同使用温度,选择相应的绝缘材料:如橡皮、塑料(6080)、玻璃丝、玻璃管(500)、石英管 (01300)、瓷管 (1400) 和氧化管,而最常用的是氧化铝和耐火陶瓷等。保护管用来隔离热电极与被测温介质,保护热点偶感温
4、元件免受被测温介质化学腐蚀和机械损伤的装置。常用的保护管材料有两类:金属和非金属。金属常用铝、铜、铜合金、不锈钢、镍等高温合金材料,非金属材料有石英、高温陶瓷、氧化铝(镁)等,应根据需要选择。接线盒供热电偶与补偿导线连接之用。根据被测对象和现场环境条件,可分为普通式、防溅式(密封式)两种结构。,图4-1 普通热电偶结构图,2. 铠装热电偶(armoured thermocouple) 铠装型热电偶又称套管热电偶。它由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体,如图4-2所示。它可以做得很细很长,使用中可随需要任意弯曲;测温范围通常在1100以下。其优点是:测温端热容量小,因此热惯性小、动态响应快、寿命长、机械强度高、弯曲性好,可安装在结构复杂的装置上。,图4-2 铠装型热电偶,3.薄膜热电偶(film thermocouple) 薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成的一种特殊热电偶,如图4-3所示。薄膜热电偶的接点可以做得很小、很薄,具有热容量小,响应速度快等特点。适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度的测量,测温范
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