传感器结构原理与设计---第十章-热电式传感器

在T0处断开，接入第三导体C，则当A、B结点温度为T， 其余结点温度为T0，且T>T0，回路总电动势：
EABC(T,T0) eAB(T)eBC(T0)eCA(T0)
（8－4）
在T＝T0的情况下，回路总 势电 为动 零，即
EABC(T0,T0) eAB(T0)eBC(T0)eCA(T0)
（8－5）
此式代入1（ 0－4）得
T1 T1
二、常用热电偶
1、铂铑10—铂热电偶
由φ0.5的纯铂丝和相同直径的铂铑丝制成，用符 号表示。铂铑丝为正极，纯铂丝为负极。这种热 电偶可在1300℃以下范围内长期使用，短期可测 1600℃高温。由于容易得到高纯度的铂和铂铑， 故热电偶的复制精度和测量准确性高。热电偶的 材料为贵金属，成本较高。
（2）同一导体中的温差电动势 产生机理：
导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温 端扩散的结果。高温端因失去电子而带正电，低温端由于 获得电子而带负电，在高低温端之间形成一个电位差。 温差电动势的计算公式：
(T，T0) —— 导体A两端温度为T、T0时形成的温差电势； T，T0 —— 高、低端的绝对温度； σA —— 汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的 温差电势，例如在0℃时，铜的σ=2μ℃。
证明： 对于热电偶：
对于热电偶：
依据10－1可得 故有
（3）中间温度定律 热电偶回路中，热端温度为 T、冷端为 T0时的热电势， 等于此热电偶热端为T、冷端为T1，及同一热电偶热端 为 T1、冷端为T0时热电势的代数和，如图所示。根据 这一定律，只要列出参考温度为0℃的热电动势－温度 关系，则参考温度不等于0℃的热电动势都可以求出。
272～270 ℃）；与热电偶相比，无参比端误差 问题。
二、常用热电阻 热电阻传感器的组成：热电阻传感器是由电阻体、
＝σB，＝，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总 热电势为零。因此，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即T＝T0，则尽管导体A、B的材 料不同，热电偶回路内的总电势亦为零。
热电偶的热电动势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温 度有关。
2、热电偶基本定律
（1）中间导体定律
势等于热电偶和热电偶的热电势的代数和，即
EAB (T,T0)EAC (T,T0)ECB (T,T0) 导C 体 为标准电极。
公式也可如下：（T，T0）（T，T0）－（T，T0）
标准电极通常采用纯铂丝制成，因为铂容易提纯，熔点高，性能稳定。标 准电极定律使热电偶的选配工作大为简化，只要知道一些材料与标准电极 相配时的热电势，就可用公式求出任何两种材料配成热电偶的热电势。
2、镍铬—镍硅热电偶
镍铬为正极，镍硅为负极，热偶丝直径为φ1.2～ 2.5，符号用。热电偶化学稳定性较高，测量范围 为-50～+1312℃。
3、镍铬—考铜热电偶
三、热电偶温Leabharlann 补偿热电偶输出的电势是两结点温度差的函数。为了使 输出的电势是被测温度的单一函数，一般将T作 为被测温度端，T0作为参比温度端(冷端)。通 常要求T0保持为0℃，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。
第十章 热电式传感器
第一节 热电偶传感器 一、热电偶的工作原理
1、热电效应 定义：将两种不同性质的导体A，B串接成一个闭合
回路，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，这种现象称为热电效应。
术语： 闭合回路中两种导体叫热电极； 两个结点中，一个称工作端或热端(T)，另一个叫参比端
EABC(T,T0) eAB(T)eAB(T0) EAB(T,T0) （8－6）
图8－3
结论：在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要其 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。这个规律称为中间导体定律。
（2）参考电极定律 当结点温度为T、T0时，用导体A、B组成的热电偶的热电
电位补偿法：
补偿电路：H是工作热端，它的工作温度为t，而 冷端放在补偿器C中，温度为，在补偿器中还放 有R3和具有正温度系数的电阻。外加电源U为 一恒定电压，为了调整分压比，电路还串联了 电位器R1和电阻R2，经补偿了的热电势输出为 Ｅ(t，t0)。
讨论：
当冷端为一恒定温度时(假定这个恒定温度不是0℃)，A 点供给热电偶回路一个不变的修正电势，其大小等于Ｅ(， t0)，式中t0＝0℃。
＋
－
＋
＋
－
－
－
＋
对于上图中导体A、B组成的热电偶回路， 当温度T＞T0时，回路总的热电势可表示为
、0 —— 导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； 、0 —— 导体B在结点温度为T和T0时的电子密度； σA、σB —— 导体A和B的汤姆逊系数。
关于热电偶回路的结论： 如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，即σA
或冷端(T0)； 由这两种导体的组合并将温度转换成热电动势的传感器叫
做热电偶。
热电动势的组成：接触电动势和单一导体的温差电动势。
（1） 接触电动势
产生机理：
不同的金属材料具有不同的自由电子密度，当两种不同的 金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散，电子的 扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正 比。
当冷端温度波动时，则热电偶回路中的热电势与补偿电 路中的会相应地向相反的方向变化，从而补偿了热电偶 电动势的变化。经适当地选择电阻参数，可以足够准确 地对冷端进行补偿。
第二节 热电阻传感器
一、概述 定义：金属热电阻是利用导体的电阻随温度变化的
特性，对温度和与温度相关参数进行测力的装置。 热电阻的优点：测量精度高；测量范围大（低温－
设导体A和B的自由电子密度为和，且有＞，电子扩散的 结果使导体A失去电子而带正电，导体B则因获得电子而 带负电，在接触面形成电场。
这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在 接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势。
接触电动势的计算公式：
(T) —— 导体A和B的结点在温度T时形成的接触电势； e —— 电子电荷，e＝1.6x10-19C； k —— 玻尔兹曼常数，k＝1.38x10-23； ， —— 导体A，B的自由电子密度。