第八章-热电式传感器

贝克效应。 11.12.2020
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热电偶回路
A
T eAB (T )
B
eA (T ,T0 ) eB (T两种导体组成的回路称为“热电偶”， 这两种导体称为“热电极”，产生的电 势则称为“热电势”，热电偶的两个结 点，一个称为测量端（工作端或热端）， 另一个称为参考端（自由端或冷端）。
一部分是两种导体的接触电势，另一部 分是单一导体的温差电势。
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接触电动势
含义:由于两种不同导体的自由电子
A
EAB (t)
＋＋＋ －－－
密度不同而在接触处形成的电动势。 nA nB
B
接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接 触点的温度。
两接点的接触电动势eAB(T)和eAB（T0）可表示为
t
B t0
C
AC t1 B t1 A C
t
(a)
(b)
中间温度定律
在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，
热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t, t0)等于热 电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势eAB(t, tc)和
eAB(tc, t0)的代数和，即
eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)
EAB
t
kt e
ln
nA nB
t t
EABt0ket0
lnnAt0 nBt0
温差电动势
同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动 势。
机理:高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从 高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的 要多，结果高温端因失去电子而带正电， 低温端因获 得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动 势。
大小表示:
e A (T ,T0 ) eB (T ,T0 )
热电动势示意图
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热电偶的电势
设导体A、B组成热电偶的两结点温度分别为
T和T0，热电偶回路所产生的总电动势，
E A ( T , T B 0 ) [ E A ( T ) B E A ( T 0 ) B [ E ] A ( T , T 0 ) E B ( T , T 0 ) 热电偶的接触电动势要远大于温差电动势，忽略 温差电动势，热电偶的热电势可表示为，
（4）如果使冷端温度Ｔ0保持不变，则热电动 势便成为热端温度Ｔ的单一函数。
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讨论
•影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关
•两热电极相同时，总电动势为0
•两接点温度相同时，总电动势为0
•对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c
为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，
例子
热端为100℃，冷端为0℃时，镍铬合金 与纯铂组成的热电偶的热电动势为 2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的 热电动势为－4.0mV，则镍铬和考铜组 成的热电偶所产生的热电动势应为:
t1
C
t1
（b)
E A B C ( t ,t 0 ) E A B ( t ) E A B ( t 0 ) E A B ( t ,t 0 )
应用:利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线 和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。
测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路
t0
A t0
C
标准导体（电极）定律
t0
t0
t0
A
C
B
C
A
B
t
t
t
E A B ( t,t0 ) E A C ( t,t0 ) － E B C ( t,t0 )
标准导体定律的意义
通常选用高纯铂丝作标准电极
只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势， 则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根 据标准电极定律计算出来。
8.1 热电偶传感器
8.1.1 热电偶 1．热电效应
热电效应就是把两种不同的导体或半导 体（A和B）串接成一个闭合回路，如果 两导体接点处温度（ 和 ）不同，则两点
之间便产生电动势，从而在回路中便形 成了电流的现象。由此效应产生的电动 势，通常称为热电动势。
1821年由Seeback发现的，故又称为赛
E A(B T ,T 0) E A(B T ) E A(B T 0) q K 0(T T 0)ln N N B A
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结论
（1）如果热电偶两材料相同，则无论结点处 的温度如何，总电势为0。
（2）如果两结点处的温度相同，尽管A、B材 料不同，总热电势为0。
（3）热电偶热电势的大小，只与组成热电偶 的材料和两结点的温度有关，而与热电偶的形 状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热 电势便是两结点电势差。
供查阅使用，每10℃分档 。中间值按内插法计算。
tMtLE EM H E EL L(tHtL)
S型(铂铑10-铂)热电偶分度表
2. 热电偶基本定律 中间导体定律
在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三 种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。
A
t0
A
t
T
t0
C
B （a)
t0
B
B
A
t
t0
B
A
t
A
tc tc
t0
B
B
中间温度定律
中间温度定律的应用
• 根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体
A′和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热
电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。
•该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电 偶测温回路中, 利用热电偶这一性质, 可对参考端温度不为 0℃的热电势进行修正。
即
E A B ( t ,t 0 ) f( t ) f( t 0 ) f( t ) C ( t )
可见:只要测出eAB（T,T0）的大小，就能得到被 测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。
热电偶的分度表
不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有 不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定， 并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热 电势与温度的对照表，即分度表。
第8章 热电式传感器
8.1 热电偶传感器 8.2 热电阻传感器 8.3 热敏电阻
教学基本要求和重点
掌握有关热电偶、热电阻和热敏电阻的基本 概念
掌握三类热电式传感器的基本工作原理 掌握热电偶的基本定律、基本类型、温度补
偿方法、使用热电偶的测温方法 掌握热电阻的内部引线方式及其适用场合 掌握热敏电阻的电阻－温度特性 会使用分度表