传感器第6章 热电式传感器PPT课件
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图6-4 三种导体分别组成热电偶
标准电极定律是一个极为实用的定律。可以想象，纯金属 的种类很多，而合金类型更多。因此，要得出这些金属之 间组合而成热电偶的热电动势，其工作量是极大的。由于 铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，我们 通常选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯 铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而 成的热电偶的热电动势可根据式(6-6)直接计算出来。 例如：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，则镍铬和考铜组合而成的 热电偶所产生的热电动势应为
即
，t0则/ 根t0//据热t0 电偶的基本定律可知，导线C、
D和仪表M的接入不影响原热电偶的热电势，M所测得的
电势即为原热电偶的热电势
；如果CE、ABD(t,材t0 )料不
同，情况比较复杂，除接入点温度满足上述要求外，导线
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C、D材料在要求的温度范围内
t0 ~ t1
，还必须满足“热电性能一致性”的要求，即
另外利用半导体PN结与温度的关系，所研制的PN结型温 度传感器在窄温场中，也得到了十分广泛的应用。 对温度传感器的要求是：灵明度高、线性好、稳定性好、 重复性好、工作范围宽、互换性好、响应快、尺寸小、成 本低、使用方便等指标来衡量。 温度不能直接测量，但物体的许多属性都随温度变化，因 此，通过其他物理量间接测量温度。原则上，物体的属性， 只要随温度变化而发生单调的、显著的、可重复的变化， 都可以用于温度测量。温敏器件最常用的物理量包括体积、 压力、电阻、磁化率和热电动势等，分别被用来制成气体 温度计、液体温度计、铂电阻温度计、热电偶温度计和半 导体温度计等。
eAB (t 0 ) eBC (t 0 ) eCA (t 0 ) 0
或者
eAB (t 0 ) eBC (t 0 ) -eCA (t 0 ) (6-4)
将式(5-7)代人式(5-6)，可得
E ABC (t, t 0 ) eAB (t) - eAB (t 0 ) (6-5)
可以用同样的方法证明，断开热电偶的任何一个极，用第 三种导体引入测量仪表，其总电动势也是不变的。
6.1热电偶温度传感器
6.1.1热电偶测温原理 热电偶传感器是一种能将温度转换成电势的装置。目前 在工业生产和科学研究中已得到广泛的应用，并且已经 可以选用标准的显示仪表和记录仪表来进行显示和记录。 将两种不同材料的导体，组成一个闭合回路，如图6.1所 示。如果两端点的温度不同，则在两者间产生一电动势， 这个电势的大小和方向与两种导体的性质和两个结点温 度差有关，这一温度现象称为热电效应，有时也称温差 电效应。由两种导体组成的回路叫热电偶，组成热电偶 的A、B两种导体叫热电级，两个结点，一个称为工作端 或热端（t），另一个叫自由端或冷端（t0）。热电偶产 生的电势Eab称为热电势或温差电势。如果图中，A为正 极，
热电势时，实际最简单的测量线路如图6-2所示。这时回
路中除热电极A、B外，还有测量仪器M和谅解导线C、D。
那么，此时M所测到的电势是否与式（6-1）所表示的
相同E呢AB (？t,t这0 ) 时有条件的。如果两连接线C、D材料相同，
并且两倒显得接入点温度对应相同，即
，且
与热t0/ 电 t极0// ,t相1/ 接t1/的一端温度与热电偶冷端温度相同，
如图6-3，在热电偶回路中接人第三种导体C。设导体A 与B接点处的温度为t，A与C、B与C两接点处的温度为t0， 则回路中的总电动势为
E ABC (t, t 0 ) eAB (t) eBC (t 0 ) eCA (t 0 )
(6-3)
图6-3 热电偶中接入第三种导体
如果回路中三接点的温度相同，即t＝t0，则回路总电动 势必为零，即
ECD (t0 , t1 ) E AB (t0 , t1 )
（6.2）
显然，热电偶的连接导线是不能任意取的，不同的热电偶， 所需配用的连接导线夜不同，这种线称为补偿导线。随便 用连接线，将产生附加的测量误差。
6-2热电偶工作原理图
6.1.3 热电偶的基本定律
中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体，只要第 三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。
热电偶的这种性质在实用上有着重要的意义，它使我们可 以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器， 也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直 接焊在金属表面进行温度测量。 标准电极定律：如果两种导体分别与第三种导体组成热电 偶，并且热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所 产生的热电动势也就已知。 如图6-4，导体A、B分别与标准电极C组成热电偶，若它 们所产生的热电动势为已知，即
E AC (t, t 0 ) eAC (t) - eAC (t 0 )
EBC (t, t0 ) eBC (t) - eBC (t0 )
那么，导体A与B组成的热电偶，其热电动势可由下式求 得
E AB (t, t 0 ) E AC (t, t 0 ) - E BC (t, t 0 ) (6-6)
B为负极，且t>，则产生的热电势为
EAB (t, t0 ) eAF (t) eAB (t0 ) (6.1)
式中：t—热端温度（℃）；—冷端温度（℃） 由此可知，用热电偶测温，有两个重要的问题要解决，即 补偿导线和冷端温度补偿。
图6-1热电效应
6.1.2热电势的测量
上述的热电偶是指两个电极组成的闭合电路。当要测量此
第6章 热电式传感器
温度是表示物体冷热程度的物理量，是一个十分重要的物 理参数，无论在工农业生产、科学研究、国防和人们日常 生活等各领域，温度的测量和控制是极为重要的课题。所 以在种类繁多的传感器中，在产品和应用方面，温度传感 器都处前列。 热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。 它利用传感元件的电磁参数随温度变化的特性来达到测量 的目的。例如将温度转化为电阻、磁导或电势等的变化， 通过适当的测量电路，就可由这些电参数的变化来表达所 测温度的变化。在各种热电式传感器中，以把温度量转换 为电势和电阻的方法最为普遍。其中将温度转换为电势大 小的热电式传感器叫做热电偶，将温度转换为电阻值大小 的热电式传感器叫做热电阻。这两种热电式传感器目前在 工业生产中已得到广泛的应用。
标准电极定律是一个极为实用的定律。可以想象，纯金属 的种类很多，而合金类型更多。因此，要得出这些金属之 间组合而成热电偶的热电动势，其工作量是极大的。由于 铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，我们 通常选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯 铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而 成的热电偶的热电动势可根据式(6-6)直接计算出来。 例如：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，则镍铬和考铜组合而成的 热电偶所产生的热电动势应为
即
，t0则/ 根t0//据热t0 电偶的基本定律可知，导线C、
D和仪表M的接入不影响原热电偶的热电势，M所测得的
电势即为原热电偶的热电势
；如果CE、ABD(t,材t0 )料不
同，情况比较复杂，除接入点温度满足上述要求外，导线
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C、D材料在要求的温度范围内
t0 ~ t1
，还必须满足“热电性能一致性”的要求，即
另外利用半导体PN结与温度的关系，所研制的PN结型温 度传感器在窄温场中，也得到了十分广泛的应用。 对温度传感器的要求是：灵明度高、线性好、稳定性好、 重复性好、工作范围宽、互换性好、响应快、尺寸小、成 本低、使用方便等指标来衡量。 温度不能直接测量，但物体的许多属性都随温度变化，因 此，通过其他物理量间接测量温度。原则上，物体的属性， 只要随温度变化而发生单调的、显著的、可重复的变化， 都可以用于温度测量。温敏器件最常用的物理量包括体积、 压力、电阻、磁化率和热电动势等，分别被用来制成气体 温度计、液体温度计、铂电阻温度计、热电偶温度计和半 导体温度计等。
eAB (t 0 ) eBC (t 0 ) eCA (t 0 ) 0
或者
eAB (t 0 ) eBC (t 0 ) -eCA (t 0 ) (6-4)
将式(5-7)代人式(5-6)，可得
E ABC (t, t 0 ) eAB (t) - eAB (t 0 ) (6-5)
可以用同样的方法证明，断开热电偶的任何一个极，用第 三种导体引入测量仪表，其总电动势也是不变的。
6.1热电偶温度传感器
6.1.1热电偶测温原理 热电偶传感器是一种能将温度转换成电势的装置。目前 在工业生产和科学研究中已得到广泛的应用，并且已经 可以选用标准的显示仪表和记录仪表来进行显示和记录。 将两种不同材料的导体，组成一个闭合回路，如图6.1所 示。如果两端点的温度不同，则在两者间产生一电动势， 这个电势的大小和方向与两种导体的性质和两个结点温 度差有关，这一温度现象称为热电效应，有时也称温差 电效应。由两种导体组成的回路叫热电偶，组成热电偶 的A、B两种导体叫热电级，两个结点，一个称为工作端 或热端（t），另一个叫自由端或冷端（t0）。热电偶产 生的电势Eab称为热电势或温差电势。如果图中，A为正 极，
热电势时，实际最简单的测量线路如图6-2所示。这时回
路中除热电极A、B外，还有测量仪器M和谅解导线C、D。
那么，此时M所测到的电势是否与式（6-1）所表示的
相同E呢AB (？t,t这0 ) 时有条件的。如果两连接线C、D材料相同，
并且两倒显得接入点温度对应相同，即
，且
与热t0/ 电 t极0// ,t相1/ 接t1/的一端温度与热电偶冷端温度相同，
如图6-3，在热电偶回路中接人第三种导体C。设导体A 与B接点处的温度为t，A与C、B与C两接点处的温度为t0， 则回路中的总电动势为
E ABC (t, t 0 ) eAB (t) eBC (t 0 ) eCA (t 0 )
(6-3)
图6-3 热电偶中接入第三种导体
如果回路中三接点的温度相同，即t＝t0，则回路总电动 势必为零，即
ECD (t0 , t1 ) E AB (t0 , t1 )
（6.2）
显然，热电偶的连接导线是不能任意取的，不同的热电偶， 所需配用的连接导线夜不同，这种线称为补偿导线。随便 用连接线，将产生附加的测量误差。
6-2热电偶工作原理图
6.1.3 热电偶的基本定律
中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体，只要第 三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。
热电偶的这种性质在实用上有着重要的意义，它使我们可 以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器， 也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直 接焊在金属表面进行温度测量。 标准电极定律：如果两种导体分别与第三种导体组成热电 偶，并且热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所 产生的热电动势也就已知。 如图6-4，导体A、B分别与标准电极C组成热电偶，若它 们所产生的热电动势为已知，即
E AC (t, t 0 ) eAC (t) - eAC (t 0 )
EBC (t, t0 ) eBC (t) - eBC (t0 )
那么，导体A与B组成的热电偶，其热电动势可由下式求 得
E AB (t, t 0 ) E AC (t, t 0 ) - E BC (t, t 0 ) (6-6)
B为负极，且t>，则产生的热电势为
EAB (t, t0 ) eAF (t) eAB (t0 ) (6.1)
式中：t—热端温度（℃）；—冷端温度（℃） 由此可知，用热电偶测温，有两个重要的问题要解决，即 补偿导线和冷端温度补偿。
图6-1热电效应
6.1.2热电势的测量
上述的热电偶是指两个电极组成的闭合电路。当要测量此
第6章 热电式传感器
温度是表示物体冷热程度的物理量，是一个十分重要的物 理参数，无论在工农业生产、科学研究、国防和人们日常 生活等各领域，温度的测量和控制是极为重要的课题。所 以在种类繁多的传感器中，在产品和应用方面，温度传感 器都处前列。 热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。 它利用传感元件的电磁参数随温度变化的特性来达到测量 的目的。例如将温度转化为电阻、磁导或电势等的变化， 通过适当的测量电路，就可由这些电参数的变化来表达所 测温度的变化。在各种热电式传感器中，以把温度量转换 为电势和电阻的方法最为普遍。其中将温度转换为电势大 小的热电式传感器叫做热电偶，将温度转换为电阻值大小 的热电式传感器叫做热电阻。这两种热电式传感器目前在 工业生产中已得到广泛的应用。