第9章-热电式传感器1

E AB (T , T0 ) = E AC (T , T0 ) + ECB (T , T0 )
(3) 中间温度定律
A T B T1 A A T0 B
+ T1
=T
B
T0
当热电偶的两个节点温度为T，T1时,热电势为 热电势为EAB 当热电偶的两个节点温度为 ， 时 热电势为 ）；当热电偶的两个节点温度为 （T,T1）；当热电偶的两个节点温度为 ，T0时, ）；当热电偶的两个节点温度为T1， 时 热电势为EAB(T1,T0)；当热电偶的两个节点温度为 热电势为 ； T，T0时, 热电势为 ， 时
比较常用的是电位补偿法,即在热电偶回路中串 比较常用的是电位补偿法 即在热电偶回路中串 入一个自动补偿的电动势。 入一个自动补偿的电动势。 如图
§9.2 热电阻传感器 一 概述
• 金属热电阻传感器（简称热电阻传感器）是利用导体的电阻 金属热电阻传感器（简称热电阻传感器） 随温度变化的特性， 随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参数进行检测的 装置。 装置。 • 主要优点是：①测量精度高；②有较大的测量范围，尤其在 主要优点是： 测量精度高； 有较大的测量范围， 低温方面； 易于使用在自动测量和远距离测量中； 低温方面；③易于使用在自动测量和远距离测量中；④与热 电偶相比，它没有参比端误差问题。 电偶相比，它没有参比端误差问题。热电阻传感器之所以有 较高的测量精度，主要是一些材料的电阻温度特性稳定， 较高的测量精度，主要是一些材料的电阻温度特性稳定，复 现性好。 现性好。
• 二、热敏电阻的结构
热敏电阻主要由热敏探头1、引线 、壳体3构成 构成。 热敏电阻主要由热敏探头 、引线2、壳体 构成。电阻一般做成二 端器件，但也有构成三端或四端的。根据不同的要求， 端器件，但也有构成三端或四端的。根据不同的要求，可以把热电阻做 成不同的形状结构 ，如图
图9-2 热敏电阻的结构和符号 1-探头；2-引线；3-壳体
E (T , T ) + E (T , T ) = E（T , T )
AB 1 AB 1 0 AB 0
二、常用热电偶
• • • • 1．铂铑10—铂热电偶 ． 2．镍铬—镍硅热电偶 3．镍铬—考铜热电偶 4．钨铼5—钨铼20热电偶
三、热电偶温度补偿
热电偶输出的电动势是两结点温度差的函数。 热电偶输出的电动势是两结点温度差的函数。 Ｔ作为被测温度端，T0作为参比温度端（冷端） 作为被测温度端， 作为参比温度端（冷端） 通常要求T 保持为0℃ 通常要求 0保持为 ℃，但在实际中做到这一点很 困难，于是产生了热电偶冷端补偿问题。 困难，于是产生了热电偶冷端补偿问题。
2．热电偶基本定律
（1）中间导体定律 ） 如图,A,B中接入第三导体 ，当A、B结点温度为 中接入第三导体C， 如图 中接入第三导体 、 结点温度为 T，其余结点温度为 ，且T>T0时，则回路中总 ，其余结点温度为T0， 时 热电动势为
EABC(T,T0 ) = EAB (T ) + EBC (T0 ) + ECA(T0 )
第九章 热电式传感器
§9.1 热电偶传感器
一、热电偶的工作原理 1．热电效应 ． 将两种不同性质的导体A， 串接成一个闭合回 将两种不同性质的导体 ，B串接成一个闭合回 如果两接合点处的温度不同（ ），则在两 路，如果两接合点处的温度不同（T0≠T），则在两 ）， 导体间产生热电势，并在回路中有一定大小的电流， 导体间产生热电势，并在回路中有一定大小的电流， 这种现象称为热电效应。 这种现象称为热电效应。
二、热电阻材料和常用热电阻
热电阻材料必须具有以下特点： 热电阻材料必须具有以下特点：
• ①高且稳定的温度系数和大的电阻率，以便提高灵 高且稳定的温度系数和大的电阻率， 敏度和保证测量精度； 敏度和保证测量精度； • ②良好的输出特性，即电阻温度的变化接近于线性 良好的输出特性， 关系； 关系； • ③在使用范围内，其化学、物理性能应保持稳定； 在使用范围内，其化学、物理性能应保持稳定； • ④良好的工艺性，以便于批量生产，降低成本。 良好的工艺性，以便于批量生产，降低成本。
• 中间导体定律
在热电偶回路中接入 第三种材料的导线， 第三种材料的导线，只要 其两端的温度相等， 其两端的温度相等，第三 导线的引入不会影响热电 偶的热电动势。 偶的热电动势。
A T B
T0
T0
(2) 参考电极定律
图中导体C接在 、 之间 之间， 图中导体 接在A、B之间，形成三个热电偶组成的回 接在 当结点温度为T， 时 用导体A、 组成的热电偶的 路。当结点温度为 ，T0时，用导体 、B组成的热电偶的 热电动势等于AC热电偶和 热电偶的热电动势的代数和。 热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和 热电动势等于 热电偶和 热电偶的热电动势的代数和。 这一规律称为参考电极定律。 参考电极定律。
§9.3 热敏电阻传感器
一、热敏电阻的工作原理 热敏电阻的工作原理
半导体热敏电阻（简称热敏电阻） 半导体热敏电阻（简称热敏电阻）工作原理同 金属热电阻一样， 金属热电阻一样，也是利用电阻随温度变化的特性 测量温度。 测量温度。 不同的热敏电阻材料，具有不同的电阻－ 不同的热敏电阻材料，具有不同的电阻－温度 特性，按温度系数的正负， 特性，按温度系数的正负，将其分为正温度系数热 敏电阻， 敏电阻，负温度系数热敏电阻和临界温度系数热敏 电阻。 电阻。
各热电阻的温度特性曲线如图所示
• 负温度系数热敏电阻（NTC）其电阻随温度升高而 负温度系数热敏电阻（ ） 降低，具有负的温度系数，通常将NTC称为热敏电 降低，具有负的温度系数，通常将 称为热敏电 阻 • 正温度系数的热敏电阻器（PTC）其电阻随温度增 正温度系数的热敏电阻器（ ） 加而增加 • 临界温度系数热敏电阻（CTR）其特点是在某一温 临界温度系数热敏电阻（ ） 度时，电阻急剧降低，因此可作为温度开关。 度时，电阻急剧降低，因此可作为温度开关。
2. 家电控温 温度过高， 减小， 截止 截止， 失电 失电， 断开。 温度过高，RT减小，T截止，K失电，K1断开。 负载失电。 负载失电。 若RT为正温度系数，RW与RT对调即可。 为正温度系数， 对调即可。 K K1 RT 9013 D 220V
10K
3. 双金属片式热电开关
双金属片的弯曲程度（偏位的大小），可参照下列公 双金属片的弯曲程度（偏位的大小），可参照下列公 ）， 式计算 D=K(T2-T1) l / h 式中： 式中： D－偏位的大小 K－双金属片的特性常数 (T2(T2-T1) －温度的变化 l－金属片的长度 h－金属片的厚度 由此可知，提高灵敏度的方法是使双金属片减薄厚度h 由此可知，提高灵敏度的方法是使双金属片减薄厚度h 和增加常度l ,通常灵敏度为0.01mm/C－ 通常灵敏度为0.01mm/C 和增加常度l ,通常灵敏度为0.01mm/C－0.03mm/C
A T B
T0 T0
• 由于在 ＝T0的情况下回路中总电动势为零 由于在T＝ 的情况下回路中总电动势为零 有
EABC(T0 ) = EAB (T0 ) + EBC (T0 ) + ECA (T0 ) = 0
EABC(T,T0 ) = EAB (T ) − EAB (T0 ) = EAB (T,T0 )
三、热敏电阻的应用 1. 温度补偿 对一些仪表的重要元器件进行温度补偿。 对一些仪表的重要元器件进行温度补偿。 被补偿元器件具有正的温度系数。 被补偿元器件具有正的温度系数。 热敏电阻具有负的温度系数。 热敏电阻具有负的温度系数。 R1 被补偿元件 R2
设温度增加 ∆t oC， 阻值增加∆R1 。 Rt >> R锰 ，Rt 与R锰并联后 阻值减小了∆R2 。 使 ∆R1 + ∆R2 ≈ 0 实现补偿。
§9.4
一、概述
集成温度传感器
• • • • •
随着半导体技术的发展， 随着半导体技术的发展，各种集成温度传感器件越来 用于各种温度计量、温度控制领域。 越多地应 用于各种温度计量、温度控制领域。按照输出 信号的形式，集成温度传感器可分为电流、 信号的形式，集成温度传感器可分为电流、电压和数字三 类。 主要特点有： 主要特点有： ①灵敏度高 ②线性较好 ③重复性好 ④温度范围较窄 ⑤准确度较低
（1）接触电动势 ）
• 不同金属导体接触，在接触表面形成一个稳 不同金属导体接触， 定的电位差，叫做接触电动势。 定的电位差，叫做接触电动势。 • 大小可表示为
e AB
N kT (T ) = ln e N
A B
k——玻耳兹曼常数，k=1.38×10-23J/K； 玻耳兹曼常数， 玻耳兹曼常数 × ； e——电子电荷量，e＝1.6×10-19 C； 电子电荷量， ＝ × 电子电荷量 ； T——接触处的温度，K； 接触处的温度， ； 接触处的温度 NA，NB——分别为导体 和B的自由电子密度。 分别为导体A和 的自由电子密度 的自由电子密度。 分别为导体
有关热电偶回路的几点结论：
• 热电偶必须采用两种不同的材料作为热电 极。 • 如果热电偶两结点温度相等，则尽管导体 、 如果热电偶两结点温度相等，则尽管导体A、 B的材料不同，热电偶回路内的总电动势亦 的材料不同， 的材料不同 为零。 为零。 • 热电偶AB的热电动势与 、B材料的中间温 热电偶 的热电动势与A、 材料的中间温 的热电动势与 度无关，只与结点温度有关。 度无关，只与结点温度有关。
（2）同一导体中的温差电动势 ）
• 单一导体，如果两端温度不同，在两端间会 单一导体，如果两端温度不同， 产生电动势，即单一导体的温差电动势。 产生电动势，即单一导体的温差电动势。 • 温差电动势的大小可表示为
e A (T , T 0 ) =
∫
T
T0
σ A dT
式中σ为汤姆逊系数，表示温差 ℃所产生的电动势值， 式中 为汤姆逊系数，表示温差1℃所产生的电动势值，其大小与 为汤姆逊系数 材料性质及两端的温度有关。 材料性质及两端的温度有关。