传感器原理与应用_第七章_热电式传感器141023

定义：热电式传感器是将温度转换成电量变化的 测量装置。其中，热电偶和热电阻最为常见
本章内容
热电偶
热电效应
第七章
热电阻
热电式传感器
热敏电阻
结构与材料
基本参数 主要特性 应用举例
4
常用热电阻
测温线路 主要特点
热电偶基本规律 结构与材料 冷端补偿方式
7-1 热电偶
一、热电效应
（一）接触电势 （二）温差电势 （三）热电偶回路热 电势
三、常用热电偶及结构
（一）常用热电偶 （二）热电偶结构
二、热电偶的基本规 律
（一）中间导体定律 （二）标准电极定律 （三）连接导体定律 （四）中间温度定律
四、热电偶冷端温度补偿
（一）补偿导线法 （二）计算矫正法 （三）冰浴法/实验室法 （四）补偿电桥法
一、热电效应
热电效应： 两种不同的导体或半导体 A 和 B 连接成闭
接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。
2、 温差电势
To
A
eA(T,To)
e A (T , T0 ) A dt
T0
T
T
eA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时 形成的温差电动势； 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℃时所产生的温差电动势，例如 在0℃时，铜的σ =2μV/℃。
合回路，连接点处于不同的温度场中（设 T ＞ T0 ) ， 则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有 电动势(可用EAB(T ,T0)表示)存在. 。 回路中所产生的电动 势，叫热电势。热电 势由两部分组成，即 接触电势和温差电势。 热端（温
这种现象早在1821年首先 由西拜克（See－back）发 现,所以又称西拜克效应
kT N AT kT0 N AT ln ln e N BT e N BT
0 0
T0

T
T0
( A B )dt
二、热电偶基本定律
3. 参考电极定律
T0
A B
E AB (T , T0 ) E AC (T , T0 ) EBC (T , T0 )
T0
T0
C
A
B
C
T
T
T
即：如果两种导体分别与 第三种导体组成的热电偶 所产生的热电势已知，则 此两种导体组成的热电偶 的热电势已知。也成为标 准电极定律。
三、热电偶的常用材料与结构 （二）常用热电偶（或称工业标准化热电偶）
1.铂铑—铂热电偶 分度号为S。铂铑合金为正极，铂丝为负极。适合于 1300℃以下温度范围。 优点：复制精度和测量准确度较多，可用于精密测量和作 标准热电偶。 缺点：热电势小，高温时易受还原气体和金属蒸气侵害, 属贵金属材料,成本高。 2.镍铬—镍硅热电偶 分度号为K，镍铬为正极，镍硅为负极，适合于900℃以 下温度范围。 优点：复制性好，产生热电势大，线性度好，成本低。 工业生产中最常用的一种热电偶。
度高，也 叫工作端）
冷端（温 度低，也 叫自由端）
两种导体 材料不同
单一导体 温度不同
1、 接触电势
A
电 子 扩 散
B
A
﹣ ﹢ ﹢ ﹢ ﹢
正 ﹢ ﹢
负 ﹣ ﹢ ﹣ ﹢ ﹣ ﹣﹣ ﹣
B
﹣
﹣ ﹢ ﹣ ﹢
T
T
kT N A eAB (T ) ln e NB
eAB(T)
eAB(T)—— 导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势； e ——— 单位电荷， e =1.6×10-19C； k ——— 波尔兹曼常数， k =1.38×10-23 J/K ； NA、NB ——导体A、B在温度为T 时的电子密度。
三、热电偶的常用材料与结构 （一）热电偶的材料要求
从理论上讲，虽然任意两种导体（或半导体）都可以 配制成热电偶，但作为实用的测温元件，对它的要 求是多方面的，并非所有材料都适合制作热电偶， 对热电偶的电极材料要求是： （1)配制成的热电偶应具有较大的热电势，并希望热 电势与温度之间呈线性关系或近似线性关系。 （2)能在较宽的温度范围内使用，并且长期工作后物 理化学性能与热电性能都比较稳定。 （3)导电率要求高，电阻温度系数小，比热小。 （4)易于复制，工艺简单，成本低。
二、热电偶基本定律 2. 中间导体定律 表述E ABC (T , T0 ) E AB T , T0
问题：如何证明？
NA kT 接触电势e AB (T ) ln e NB
温差电势e A (T , T0 ) A dt
T0
T
A B
T0
EAB (T , T0 ) eAB (T ) eAB (T0 ) eA (T , T0 ) eB (T , T0 )
A T B Tn B` Tn A` T B Tn
T0
+ A`
B` T0
Tn 连接导定律是工业上应用补偿 导线进行温度测量理论的基础。 T0 Tn A’ A
T
B Tn B’ T0
E
热电偶补偿 导线接线图
二、热电偶基本定律
5. 中间温度定律
A
T
B A
Tn
B
A B
T0
EAB（T, T0）=EAB（T, Tn）+EAB（Tn, T0）
N AT kT N AT kT0 ln ln e N BT e N BT
0 0

T
T0
( A B )dt
NAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0——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。
4、有关热电偶的几点结论：
补偿导线是由价格低廉 的两种不同成分导体组 成的热电偶，在一定的 温度范围内，具有和所 连接的AB热电偶相同的 热电性能，即确保
' ' EA'B' (t0 , t0 ) EAB (t0 , t0 )
连接导体定律
新 冷 端
原 冷 补偿导线 端
四、热电偶冷端补偿方式 1.补偿导线法(延伸热电极)
' ' ' E AB (t , t0 , t0 ) E AB (t , t0 ) E A'B ' (t0 , t0 ) ' ' E AB (t , t0 ) E AB (t0 , t0 ) E AB (t , t0 )
EAB (T , T0 ) eAB (T ) eAB (T0 ) eA (T , T0 ) eB (T , T0 )
N AT kT N AT kT0 ln ln e N BT e N BT
0 0

T
只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不 同时才能有热电势产生。 热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温 度有关；与热电偶的长度、粗细无关。 导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温 度有关。如果使 EAB(T0)= 常数，则回路热电势 EAB(T ， T0) 就只与温度T 有关，而且是 T 的单值函数，这就是利 用热电偶测温的原理。
根据热电偶的原理知道，只有当冷端温度保 持不变时，热电势才是被测温度的单值函数
即：eAB (T0 ) f (T0 ) C（常数） 在应用中，由于热电偶工作端与冷端距离很近， 冷端又暴露于空气中，容易受到周围环境温度波动 的影响，因而冷端温度难以保持恒定。 为此可采用下述几种方法进行补偿。
铂铑-铂热电偶，补偿导线选铜—镍铜； 镍铬-镍硅热电偶，补偿导线选铜—康铜； 镍铬-考铜热电偶，补偿导线选自身电极材料； 铜-康铜热电偶，补偿导线选用自身电极材料。
三、热电偶的常用材料与结构 （三）热电偶的结构 示例：工业用热电偶结构
下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶 丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验 室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。
1
2
3
4
1－接线盒；2－保险套管3―绝缘套管4―热电偶丝
四、热电偶冷端补偿方式
EAB (T , T0 ) eAB (T ) eAB (T0 ) eAB (T ) f (T0 )
缺点：易受还原性介质腐蚀，测量精度偏低。
三、热电偶的常用材料与结构 （二）常用热电偶（或称工业标准化热电偶）
3.镍铬—考铜（镍铜合金）热电偶 分度号E，镍铬为正极，考铜为负极，适合于600℃以下温 度范围 优点：灵敏度高，成本低，适用于还原性和中性介质场合。 缺点：测温范围窄而低，易氧化，复制性差。 4.铜—康铜（镍铜合金）热电偶 分度号为T，铜为正极，康铜为负极，适合于 -200~200℃ 温度范围。 优点：低温下有较好的稳定性，多用于实验室和科研。 缺点：电特性复制差，所以做出的热电势不一致 注意：测量低温时，由于工作端温度低于参考端，所以正 负极要发生变化。
传感器原理与应用
课程内容
概论 工 作 原 理 与 应 用 传感器的一般特性
应变式 电容式 电感式
压电式
数字式
热电式
固态
光导纤维 式
智能传感 技术
第七章 热电式传感器
被测量
敏感 元件
转换 元件 辅助 电路
测量电 路
传感器输出
温度
热电偶
热电阻
电势
电阻
其他：超声波温度传 感器，激光温度传感 器、光谱温度传感器、 红外温度传感器……
温差电势的大小与材料性质及两端温度有关。
3、 回路总电势
由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、 T0,如果T＞T0、 NA＞ NB，则必存在着两个接触电势和 两个温差电势，回路总电势：
EAB (T , T0 ) eAB (T ) eAB (T0 ) eA (T , T0 ) eB (T , T0 )
Baidu Nhomakorabea
问题：如何证明？
kT N A 接触电势e AB (T ) ln e NB
温差电势 e A (T , T0 ) A dt
T0 T
E AB (T , T0 ) e AB (T ) e AB (T0 ) e A (T , T0 ) e B (T , T0 )
T kT N AT kT0 N AT0 ln ln ( A B )dt T0 e N BT e N BT0
二、热电偶基本定律 问题：如何证明？ 4. 连接导体定律
接点温度分别为 T，Tn , T0，则回路总电势为多少 ？
热电偶回路中，若导体 A、B分别与连接导线 A, B连接，
) E ABBA (T , Tn , T0 ) E AB (T , Tn ) E AB (Tn , T 0 A
A
二、热电偶基本定律 2. 中间导体定律
A
T T0
B
T0
将第三种材料C接入由A、 B组成的热电偶回路，A、C 接点与C、B的接点均处于相 同温度T0之中，此回路的总 电势不变.
意义(1)允许其回路中接入电气 测量仪表 （2）允许采用任意的焊接方法 T0 焊接热电阻 E
E T0 T T0
T1 T1 T
T0
( A B )dt
二、热电偶基本定律
1. 均质导体定律 T T0 由一种均质导体组成的 B 闭合回路，不论其导体 是否存在温度梯度，回路中没有电流 ( 即不产生 电动势 ) ；反之，如果有电流流动，此材料则一 定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材 料作为电极。
T kT N AT kT0 N AT0 E AB (T , T0 ) ln ln ( A B )dt 0 T0 e N BT e N BT0
Tn=0℃时
EAB（T,T0）=EAB（T, 0）+EA B（0, T0） =EAB（T, 0）-EAB（T0, 0）=EAB（T）-EAB（T0）
定律4中导体A与A`，B与B`材料相同时
EAB (T , Tn , T0 ) EAB (T , Tn ) EAB (Tn , T0 ) EAB (T , T0 )
（一）补偿导线法 （二）计算矫正法 （三）冰浴法/实验室法 （四）补偿电桥法
四、热电偶冷端补偿方式 1.补偿导线法(延伸热电极)
要保证热电偶冷端的温度不变，可以把热电偶加 长，使冷端远离工作端，并连同测量仪表一起放到 恒温或温度波动较小的地方。这样安装使用不方便， 且若是使用贵金属作电极的热电偶时，将大大增加 成本。因此一般是采用一种特殊导线（称补偿导 线），将热电偶的冷端延伸出来。
' ' EA'B' (t0 , t0 ) EAB (t0 , t0 )
连接导体定律和中间导 体定律
只有当新冷端温度恒定或配用仪表本身具有冷端温 度自动补偿装置时，应用补偿导线才有意义。 选择补偿导线应与热电偶电极材料对应，不可随意 选取，以保证热电性一致，且正负极应对应连接， 不能接反。同时，原冷端温度不应高于100℃，否则 会因热电性不同带来新的误差。 通常对补偿导线的选用是：