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1、传感器原理与检测技术(第四章)第1页，共58页，编辑于2022年，星期四 热热电电式式传传感感技技术术是是将将温温度度变变化化转转换换为为电电量量变变化化的的一一种种技技术术，它它所所利利用用的的传传感感元元器器是是热热电电式式传传感感器器，其其应应用用范范围围最最广广。如如家家电电、医医疗疗、国国防防、科科研研、航航天天航航空空技技术术、工工业业生生产产等等领领域域，凡凡是是需需要要调调温温、控控温温、测测温温的的地地方方都都要要用用到到它它。这这里里主主要要介介绍绍几几种种常常用用热热电电式式传传感感器的器的结构结构、原理原理、特性特性及及应用应用。第2页，共58页，编辑于2022年，星期
2、四第一节第一节 热敏电阻热敏电阻 它它是是用用半半导导体体材材料料制制成成的的敏敏感感元元件件，其其特特点点是是电电阻阻随随温温度度变变化化而而显显著著变变化化，它它能能直直接接将将温温度度的的变变化化转转换换为为电电量量的的变变化化。可可测测温温度度的的范范围围为为-50350。热热敏敏电电阻阻的的体体积积小小、寿寿命命长长、价价格格低低(人人民民币币1元元钱钱左左右右)，它它广广泛泛用用于于需需要要进进行行温温度度控控制制的的领领域域，如如冰冰箱箱、空空调调、锅锅炉炉、汽汽车车、工农业、医疗等各种检测仪表。工农业、医疗等各种检测仪表。第3页，共58页，编辑于2022年，星期四1 1热敏电阻
3、的结构形式热敏电阻的结构形式 热热敏敏电电阻阻由由金金属属（如如钴钴、锰锰、镍镍等等）的的氧氧化化物物，采采用用不不同同比比例例的的配配方方，经经高高温温烧烧结结后后采采用用不不同同的的封封装装形形式式制制成成珠珠状状、片片状状、杆杆状状、垫垫圈圈状状等等各各种种形形状状，其其结结构构形形式式如如下下图图所所示示。它它主要由主要由热敏元件热敏元件、引线引线和和壳体壳体组成。组成。1.玻璃壳玻璃壳2.热敏电阻热敏电阻3.引线引线 热敏电阻结构形式热敏电阻结构形式 第4页，共58页，编辑于2022年，星期四2 2热敏电阻的温度特性热敏电阻的温度特性 按按电电阻阻随随温温度度变变化化的的典典型型特特
4、性性可可分分为为：负负电电阻阻温温度度系系数数(NTC)和和正正电电阻阻温温度度系系数数(PTC)热热敏敏电电阻阻及及在在某某一一特特定定温温度度下下电电阻阻值值将将发发生生突突变变的的临临界界温温度度电电阻阻(CTR)。特特性性曲曲线线见见右右图图。从从图图中中看看，CTR型型热热敏敏电电阻阻作作温温控控开开关关十十分分理理想想，但但在在测测温温中中，主主要要采采用用NTC或或PTC型型热热敏敏电电阻阻，且且以以使使用用NTC型型热热敏敏电电阻最多。阻最多。热敏电阻的特性曲线热敏电阻的特性曲线 第5页，共58页，编辑于2022年，星期四3.3.热敏电阻的阻值与温度的关系热敏电阻的阻值与温度的
5、关系 NTC型热敏电阻的阻值与温度型热敏电阻的阻值与温度的关系可表示为：的关系可表示为：RT、R0分别为温度分别为温度T、T0(K)时的阻值；时的阻值；B为热敏电阻的材为热敏电阻的材料常数，一般料常数，一般B=2000K6000K，高温使用时，高温使用时，B值将值将增大。增大。定义热敏电阻的温度系数定义热敏电阻的温度系数 则则:可可见见温温度度系系数数随随T降降低低迅迅速速增增大大，它它决决定定热热敏敏电电阻阻在在全全部部工工作作范范围围内内的的温温度度灵灵敏敏度度。其其测测温温灵灵敏敏度度比比金金属属丝丝高高很多很多。但。但需进行线性化处理需进行线性化处理。第6页，共58页，编辑于2022年
6、，星期四4.4.热敏电阻输出特性的热敏电阻输出特性的线性化处理线性化处理 热热敏敏电电阻阻值值随随温温度度变变化化呈呈指指数数变变化化，当当用用它它测测温温时时，应应进进行行线线性性化化处处理理。常常用用的的处处理理方方法法有有：线线性性化化网网络络和和计计算算修修正正法法及及利利用用温温度度频频率率转换电路转换电路改善非线性输出。改善非线性输出。第7页，共58页，编辑于2022年，星期四(1)(1)线性化网络 它是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻它是用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串联串联或或并联并联构构成电阻网络成电阻网络代替代替单个热敏电阻，其等效电阻与温度的线性关单个热敏电阻，其等
7、效电阻与温度的线性关系将得到一定的改善。下图是两种最简单的线性化方法。系将得到一定的改善。下图是两种最简单的线性化方法。常用线性化网络常用线性化网络 第8页，共58页，编辑于2022年，星期四(2)(2)计算修正法计算修正法 由由于于大大部部分分传传感感器器的的输输出出特特性性都都存存在在非非线线性性问问题题，因因此此，实实际际使使用用时时都都必必须须对对这这种种现现象象进进行行线线性性化化处处理理，其其处处理理方方法法有有硬硬件件(电电子子线线路路)法法和和软软件件(程程序序)法法两两种种。在在带带有有微微处处理理器器的的测测量量系系统统中中，可可以以用用软软件件对对传传感感器器进进行行处处
8、理理。当当已已知知热热敏敏电电阻阻的的实实际际特特性性和和要要求求的的理理想想特特性性时时，可可采采用用线线性性插插值值等等方方法法将将特特性性分分段段并并把把分分段段点点的的值值存存放放在在微微处处理理器器系系统统的的E2PROM中中，微微处处理理器器将将根根据据热热敏敏电电阻阻的的实实际际输输出出值值进进行行修正后给出正确的输出值。修正后给出正确的输出值。第9页，共58页，编辑于2022年，星期四(3)(3)利用温度频率转换电路改善非线性输出 该该电电路路实实际际上上是是利利用用RC电电路路充充放放电电过过程程的的指指数数函函数数和和热热敏敏电电阻阻的的指指数数函函数数相相比比较较的的方方
9、法法来来改改善善热热敏敏电电阻阻的的非线性输出。非线性输出。第10页，共58页，编辑于2022年，星期四5 5热敏电阻的应用热敏电阻的应用 热敏电阻主要用作热敏电阻主要用作检测元件检测元件和和电路元件电路元件。1热敏电阻用作检测元件热敏电阻用作检测元件 它它在在温温度度计计、温温度度差差计计、温温度度补补尝尝、微微小小温温度度检检测测、温温度度报报警警、温温度度继继电电器器、湿湿度度计计、分分子子量量测测定定、液液位位报报警警、液液位位检检测测、流流速速计计、流流量量计计、气气体体分分析析仪仪、气气体体色色谱谱仪仪、真真空空计、热导分析、风速计、液面计等仪器仪表中用作检测元件。计、热导分析、风
10、速计、液面计等仪器仪表中用作检测元件。2热敏电阻用作电路元件热敏电阻用作电路元件 它它在在偏偏置置线线圈圈的的温温度度补补偿偿、仪仪表表温温度度补补偿偿、热热电电偶偶温温度度补补偿偿、晶晶体体管管温温度度补补偿偿、恒恒压压电电路路、延延迟迟电电路路、保保护护电电路路、自自动动增增益益控控制制电电路路、RC振振荡荡电电路路、振振幅幅稳稳定定电电路路等电路中用作电路元件。等电路中用作电路元件。第11页，共58页，编辑于2022年，星期四第二节第二节 热电开关热电开关热热电电开开关关是是采采用用两两种种不不同同特特性性的的材材料料构构成成的的热热敏敏传传感感器器，该该传传感感器器具具有有温温控控开开
11、关关特特性性，因因此此，又又称称热热电电开开关关或或温温控控开开关。关。热热电电开开关关常常有有双双金金属属片片和和陶陶铁铁磁磁体体式式两两种种，它它们们广广泛泛应应于于电电饭饭锅锅、电电熨熨斗斗、电电炉炉、电热水器的恒温控制器中。电热水器的恒温控制器中。第12页，共58页，编辑于2022年，星期四一、一、双金属片式热电开关双金属片式热电开关 它它的的双双金金属属片片由由两两种种膨膨胀胀系系数数不不同同的的金金属属片片轧轧制制或或锻锻压压在在一一起起形形成成。双双金金属属片片在在常常温温时时是是平平直直的的，受受热热后后，膨膨胀胀系系数数大大的的金金属属片片伸伸长长较较多多，而而膨膨胀胀系系数
12、数小小的的金金属属片片伸伸长长较较少少，因因此此，双双金金属属片片向向膨膨胀胀系系数数小小的的一一面面弯弯曲曲变变形形。温温度度越越高高，弯弯曲曲越越大大，当当温温度度下下降降时时，双双金金属属片片又又逐逐渐渐回回弹弹，直直至至常常温温时时又又恢恢复复原原平平直直状状态态。根根据据双双金金属属片片的的这这一一温温度度特特性性，便便可可将将其其制成各种电器常用的温度控制装置。制成各种电器常用的温度控制装置。第13页，共58页，编辑于2022年，星期四1 1双金属片的弯曲特性双金属片的弯曲特性 双金属片的弯曲程度双金属片的弯曲程度(偏位的大小偏位的大小)，可参照下列公式算出：，可参照下列公式算出：
13、D为偏位大小；为偏位大小；K为双金属片的特性常数；为双金属片的特性常数；(T2-T1)为温度为温度的变化；的变化；l为双金属片长度；为双金属片长度；h为双金属片厚度。为双金属片厚度。双金属片双金属片减薄厚度和增加长度可提高灵敏度。减薄厚度和增加长度可提高灵敏度。第14页，共58页，编辑于2022年，星期四2 2双金属片的材料构成双金属片的材料构成 双金属片的材料构成如下表所示。双金属片的材料构成如下表所示。第15页，共58页，编辑于2022年，星期四3 3双金属片热电开关的类型双金属片热电开关的类型 类类型型有有常常开开式式(两两个个触触头头的的接接点点在在没没达达到到规规定定温温度度点点时时
14、是是断断开开的的)、常常闭闭式式(两两个个触触头头的的接接点点在在没没有有到到达达规规定定温温度度点点时时是是闭闭合合的的)、简简易易式式、蝶蝶式式等等。但但按按其其工工作作原原理理分分只只有有“常开式常开式”和和“常闭式常闭式”两种。两种。第16页，共58页，编辑于2022年，星期四4 4双金属片热电开关自动控温原理双金属片热电开关自动控温原理 它它的的自自动动控控温温原原理理以以常常闭闭式式电电饭饭锅锅的的工工作作原原理理为为例例进进行行说说明明。由由于于触触点点处处于于常常闭闭状状态态，因因此此当当电电饭饭锅锅插插上上电电源源后后指指示示灯灯便便亮亮，此此时时，不不管管是是否否按按下下自
15、自动动开开关关，电电热热板板的的发发热热器器都都已已通通电电。在在煮煮饭饭时时，已已按按下下自自动动开开关关，内内锅锅温温度度上上升升，双双金金属属片片逐逐渐渐弯弯曲曲。当当饭饭煮煮好好后后，两两触触点点离离开开，切切断断了了电电源源。于于是是，内内锅锅温温度度开开始始下下降降，直直至至降降到到65左左右右时时，双双金金属属片片回回伸伸，使使两两触触点点闭闭合合接接通通电电源源。此此时时，电电饭饭锅锅即即进进入入保保温温状状态态。即即常常闭闭式式电电饭饭锅锅是是通通过过两两个个触触点点“闭合闭合断开断开闭合闭合”的方式达到自动保温的目的。的方式达到自动保温的目的。常常开开式式电电饭饭锅锅的的工
16、工作作原原理理与与常常闭闭式式相相反反，即即“断断开开闭闭合合断开断开”的方式，达到自动保温的目的。的方式，达到自动保温的目的。第17页，共58页，编辑于2022年，星期四二、二、陶铁磁体式热电开关 陶铁磁体式热电开关的结构原理陶铁磁体式热电开关的结构原理 它主要由它主要由硬磁硬磁、软磁软磁、动作弹簧动作弹簧、抵紧弹簧抵紧弹簧、拉杆拉杆、杠杠杆杆、银触点银触点、操作按键操作按键等组成。等组成。第18页，共58页，编辑于2022年，星期四1.1.陶铁磁电式开关的工作原理陶铁磁电式开关的工作原理 硬硬磁磁由由14%SrCO3和和86%Fe2O3组组成成。软软磁磁由由11%NiO、22%ZnO和和6
17、7%Fe2O3组组成成。硬硬磁磁的的居居里里点点为为450，远远高高于于电电饭饭锅锅的的工工作作温温度度。因此该材料又叫永久磁铁。因此该材料又叫永久磁铁。软软磁磁的的居居里里点点在在130150之之间间，是是一一种种感感温温磁磁体体，其其配配方方和和制制作作工工艺艺要要求求严严格格。它它和和弹弹簧簧的的作作用用力力、拉拉杆杆的的重重力力等等配配合合选选取取，务务必必使使内内锅锅在在饭饭熟熟(1032)时时，开开关关自自动动跳跳开开，切切断断电电源源。煮煮饭饭时时，按按下下操操作作键键，动动作作弹弹簧簧即即被被压压缩缩，使使硬硬磁磁体体上上升升吸吸住住软软磁磁体体，使使开开关关的的两两银银触触点
18、点接接触触，接接通通电电源源。于于是是，发发热热器器的的热热量量便便通通过过电电热热板板传传给给了了内内锅锅。饭饭煮煮熟熟时时，内内锅锅底底温温度度为为103左左右右，这这时时软软磁磁体体正正好好达达其其居居里里点点迅迅速速失失去去磁磁性性不不能能再再被被硬硬磁磁体体吸吸住住，被被动动作作弹弹簧簧弹弹开开，拉拉杆杆向向下下移移动动压压下下杠杠杆杆，使使两两触触点点脱脱离离切切断断电电源源。于于是是，发发热热器器停停止止发发热热，电电热热板板表表面面温温度度不不再再升升高高。由由于于磁磁体体的的受受热热面面受受抵抵紧紧弹弹簧簧上上弹弹的的压压力力而而紧紧密密与与内内锅锅底底部部相相贴贴，因因此此
19、，内内锅锅底底部的温度可由该开关准确无误地控制。部的温度可由该开关准确无误地控制。第19页，共58页，编辑于2022年，星期四2 2陶铁磁体热电开关性陶铁磁体热电开关性能特点能特点 陶陶铁铁磁磁体体式式热热电电开开关关的的动动作作灵灵活活，不不需需要要经经常常调调整整机机件件，既既经经久久耐耐用用，又又安安全全可可靠靠。所所以以，它它比比双双金金属属片片式式热热电电自自动动开开关关的的控控制制性性能能好好，已已被被广广泛地应用于自动电饭锅中。泛地应用于自动电饭锅中。第20页，共58页，编辑于2022年，星期四三、三、热电开关的应用 以以自自动动保保温温式式电电饭饭锅锅为为例例。我我们们知知道道
20、，2540腐腐败败细细菌菌最最易易繁繁殖殖。在在1025和和4063范范围围内内腐腐败败细细菌菌繁繁殖殖较较慢慢。在在63以以上上和和10以以下下腐腐败败细细菌菌不不会会繁繁殖殖。煮煮好好的的米米饭饭放放在在冰冰箱箱中中保保存存不不会会被被细细菌菌腐腐蚀蚀，但但饭饭变变冷冷后后，即即使使重重新新加加热热至至食食用用温温度度也也不不可可口口。所所以以，带带自自动动保保温温装装置置的的电电饭饭锅锅颇颇受用户欢迎。受用户欢迎。第21页，共58页，编辑于2022年，星期四 因因此此，电电饭饭锅锅的的恒恒温温要要求求在在6080。70左左右右的的食食物物最最符符合合人人的的要要求求。其其恒恒温温温温度度
21、在在产产品品出出厂厂前前已已调调整整准准确确，不需用户调整。其控制电路如下：不需用户调整。其控制电路如下：单按键电饭锅电路单按键电饭锅电路 给给电电时时电电路路通通过过K1的的常常闭闭触触点点接接通通，电电饭饭锅锅的的指指示示灯灯点点亮亮。煮煮饭饭时时，按按下下K2，电电热热管管通通过过K1、K2并并联联接接到到电电源源上上发发热热，当当温温度度达达到到70时时，K1自自动动跳跳开开，但但电电路路仍仍然然接接通通。当当饭饭熟熟水水干干后温度上后温度上升到升到103 时，时，K2因软磁失磁而断开。当温度下降到因软磁失磁而断开。当温度下降到70时，时，双金属开关双金属开关K1复位，从而开始保温。复
22、位，从而开始保温。第22页，共58页，编辑于2022年，星期四带加热功率调整的电饭锅电路如下：带加热功率调整的电饭锅电路如下：工作原理：工作原理：按下按键开关使按下按键开关使T1接通，接通，磁钢控温器吸合；此时磁钢控温器吸合；此时T2断开，大断开，大部分电流通过部分电流通过96.8的电热元件开始的电热元件开始加热，煮饭指示灯经加热，煮饭指示灯经1.2M电阻和电阻和1210保温元件点亮。此时保温指示保温元件点亮。此时保温指示灯被灯被T1短接，煮饭的功率为：短接，煮饭的功率为：饭饭熟熟时时，T1断断开开，T2闭闭合合，煮煮饭饭指指示示灯灯熄熄灭灭，此此时时电电热热元元件件的的电电流流因因串串联联保
23、保温温指指示示灯灯和和限限流流电电阻阻的的作作用用而而很很小小，保温元件的功率消耗为：保温元件的功率消耗为：第23页，共58页，编辑于2022年，星期四第三节第三节 铂电阻铂电阻 铂铂电电阻阻由由铂铂金金属属丝丝（带带）绕绕制制而而成成，它它利利用用导导体体电电阻阻随随温温度度变变化化的的特特性性来来测测量量温温度度。铂铂电电阻阻具具有有电电阻阻温温度度系系数数稳稳定定、电电阻阻率率高高、线线性性度度好好、测测量量范范围围较较宽宽(-200600)、在在高高温温和和氧氧化化性性介介质质中中的的物物理理和和化化学学性性能能很很稳稳定定等等特特点点。因因此此，它它被被广广泛泛用用作作工工业业测测温
24、温元元件件和和作作为为温温度度标标准准。按按国国际际温温标标IPTS-68规规定定，在在-259.34630.74的的温温度度区间内，以铂电阻温度计作为基准器。区间内，以铂电阻温度计作为基准器。第24页，共58页，编辑于2022年，星期四一、一、铂电阻与温度的关系铂电阻与温度的关系 在在0630.74之间，铂电阻与温度的关系为：之间，铂电阻与温度的关系为：Rt为为温温度度在在t时时的的电电阻阻；R0为为温温度度在在0时时的的电电阻阻；t为为任意温度；任意温度；A，B，C为分度系数，其中为分度系数，其中 A=3.94010-2 B=-5.8410-72 C=-4.2210-12 4在在-1900
25、之间，铂电阻与温度的关系为：之间，铂电阻与温度的关系为：第25页，共58页，编辑于2022年，星期四二、二、铂电阻的结构铂电阻的结构 工工业业用用铂铂电电阻阻的的结结构构如如下下图图所所示示，一一般般由由直直径径0.030.07mm的的纯纯铂铂丝丝在在平平板板形形支支架架上绕制，并用上绕制，并用银导线银导线作引出线。作引出线。工业用铂热电阻的结构工业用铂热电阻的结构 第26页，共58页，编辑于2022年，星期四三、三、铂电阻的分度特性表铂电阻的分度特性表 要要确确定定电电阻阻Rt与与温温度度t的的关关系系，首首先先要要确确定定R0的的数数值值（即即铂铂丝丝的的长长度度和和截截面面积积），R0不
26、不同同时时，Rt与与t的的关关系系不不同同。工工业业上上将将对对应应于于R0=50和和100的的Rtt关关系系制制成成一一个个数数据据表表，并并称称之之为为热热电电阻阻分分度度表表，供供使使用用者者查查 阅阅。分分 度度 表表 见见 教教 材材 的的 表表 4.3和和 表表4.4（P135）第27页，共58页，编辑于2022年，星期四第四节第四节 铜电阻铜电阻 铜铜电电阻阻成成本本低低，在在-50150的的温温度度区区间间内内电电阻阻与与温温度度呈呈线线性性关关系系，它它主主要要用用于于测测量量精精度度要要求求不不高高、测测温温范范围围不不大大的的场场合合，一般在热电偶测温电路中作一般在热电偶
27、测温电路中作温度补偿温度补偿用。用。第28页，共58页，编辑于2022年，星期四一、一、铜电阻与温度的关系铜电阻与温度的关系 在在-50150的的温温度度范范围围内内，铜铜电电阻阻与与温度呈线性关系，它可表示为：温度呈线性关系，它可表示为：式式中中，Rt为为温温度度在在t时时的的电电阻阻值值；R0为为温温度度在在0时时的的电电阻阻值值；为为铜铜电电阻阻温温度度系系数数，=4.2510-34.2810-3。第29页，共58页，编辑于2022年，星期四二、二、铜电阻的结构铜电阻的结构 铜铜电电阻阻的的结结构构如如下下图图所所示示。通通常常用用直直径径0.1mm的的漆漆包包线线或或丝丝包包线线在在支
28、支架架上上进进行行双双线线并并绕绕，其其后后浸浸以以酚酚醛醛树树脂脂制制成成一一个个铜铜电电阻阻体体，再再用用镀镀银银铜线作引出线，穿过绝缘套管。铜线作引出线，穿过绝缘套管。铜热电阻的结构铜热电阻的结构 第30页，共58页，编辑于2022年，星期四三、三、铜电阻分度表及其缺点铜电阻分度表及其缺点 我我国国将将R0值值在在100和和50的的Rtt关关系系制制成成分分度度表表作作为为标标准准，供供使使用用者者查查阅阅。铜铜电电阻的分度表见教材的表阻的分度表见教材的表4.5(P136)。铜铜电电阻阻的的缺缺点点是是电电阻阻率率较较低低，体体积积较较大大，热热惯惯性性较较大大，在在100以以上上易易氧
29、氧化化，故故只只能能用用于于低温低温以及以及无侵蚀性无侵蚀性的介质中。的介质中。第31页，共58页，编辑于2022年，星期四第五节第五节 热电偶热电偶 热热电电偶偶是是将将温温度度转转换换为为电电压压的的热热电电式式传传感感器器。它它广广泛泛于于测测量量-1802800范范围围内内的的温温度度，根根据据需需要要还还可可以以用用来来测测量量更更高高或或更更低低的的温温度度。它它具具有有结结构构简简单单，使使用用方方便便、精精度度高高、热热惯惯性性小小、可可测测局局部部温温度度和和便便于于远远距距离离传传送送与与集中检测集中检测、自动记录等优点。、自动记录等优点。第32页，共58页，编辑于2022
30、年，星期四一、一、热电偶的基本结构热电偶的基本结构 两种不同导体两端紧密连接在一起，组成一个闭合回两种不同导体两端紧密连接在一起，组成一个闭合回路。当两接点温度不等路。当两接点温度不等(TT0)时，回路中将产生电动势形时，回路中将产生电动势形成热电流。该现象称为热电效应。回路中产生的电动势成热电流。该现象称为热电效应。回路中产生的电动势称为热电势。称为热电势。通常将上述两种不同导体的组合称为热电偶，称通常将上述两种不同导体的组合称为热电偶，称A、B两导体为热电极；两接点中一个为工作端或热端两导体为热电极；两接点中一个为工作端或热端(T)，测，测量时置于被测温度场中；另一个叫自由端或冷端量时置于
31、被测温度场中；另一个叫自由端或冷端(T0)，一，一般要求该端点恒定在某一温度。般要求该端点恒定在某一温度。第33页，共58页，编辑于2022年，星期四 二、热电势的组成二、热电势的组成 在在热热电电偶偶回回路路中中，产产生生的的热热电电势势由由接接触触电电势势和和温温差差电电势势（在在同同一一导导体体的的两两端端因因温温度度不不同同而而产产生生的的一一种种热热电电势势）两两部部分分组组成成。实实验验与与理理论论都都已已证证明明：热热电电偶偶回回路路的的总总电电势势主主要要由由接接触触电电势势引引起起。因因此此，接接触触电电势势的的成成因因，是是研研究究热热电电偶偶的的一一个重点。个重点。第34
32、页，共58页，编辑于2022年，星期四三、接触电势的成因三、接触电势的成因 当当两两种种不不同同导导体体A、B紧紧密密连连在在一一起起时时，由由于于其其自自由由电电子子密密度度不不同同将将在在接接触触处处产产生生电电子子扩扩散散。设设导导体体A比比导导体体B的的自自由由电电子子密密度度大大(NANB)，则则单单位位时时间间由由导导体体A扩扩散散到到B的的电电子子数数比比导导体体B扩扩散散到到A的的电电子子数数多。这时导体多。这时导体A失去电子带正电，导体失去电子带正电，导体B得到电得到电子子带带负负电电。于于是是接接触触表表面面形形成成电电场场，A、B间间形形成成电电动动势势。它它将将阻阻碍碍
33、电电子子由由导导体体A向向B的的进进一一步步扩扩散散，并并最最终终使使接接触触处处的的电电子子扩扩散散达达到到动动态态平平衡衡。这这种种现现象象形形成成的的电电动动势势称称为为接接触触电电势势。设设导导体体A和和B的的两两个个接接触触点点在在温温度度T和和T0时时形形成成的电位差分别为：的电位差分别为：和和。根据物理学的推导有：。根据物理学的推导有：式式中中k为为波波兹兹曼曼常常数数；T，T0为为两两个个接接触触点点的的绝绝对对温温度度；NA，NB分分别别为为材材料料A、B的自由电子密度；的自由电子密度；e为电子电荷量。为电子电荷量。第35页，共58页，编辑于2022年，星期四四、关于热电偶的
34、几点结论四、关于热电偶的几点结论 若导体若导体A为正，为正，B为负，则总电势为：为负，则总电势为：由热电偶的关理论可得到如下几点结论：由热电偶的关理论可得到如下几点结论：热电偶电极材料相同，则无论两接点温度如何其总热电势为零。热电偶电极材料相同，则无论两接点温度如何其总热电势为零。若热电偶两接点温度相同，则其总电势为零。若热电偶两接点温度相同，则其总电势为零。热热电电偶偶产产生生的的热热电电势势只只与与材材料料和和接接点点温温度度有有关关，电电极极尺尺寸寸、形形状状等等无无关关。故热电极材料相同的热电偶可以互换。故热电极材料相同的热电偶可以互换。热热电电偶偶A、B在在接接点点温温度度为为T1、
35、T3时时的的热热电电势势，等等于于此此热热电电偶偶在在接接点点温温度度为为T1、T2与与T2、T3两个不同状态下的热电势之和，即两个不同状态下的热电势之和，即 当热电极A、B选定后，热电势是两接点温度T和T0的函数差，即 当热电极当热电极A、B选定后，热电势是两接点温度选定后，热电势是两接点温度T和和T0的函数差的函数差:如果使冷端温度如果使冷端温度T0保持不变，则保持不变，则:从上式看出，若保持热电偶自由端温度从上式看出，若保持热电偶自由端温度T0不变，则测出总的热电势，就不变，则测出总的热电势，就可求出工作端的温度可求出工作端的温度T。第36页，共58页，编辑于2022年，星期四 五、热电
36、偶中引入第三导体热电偶中引入第三导体 材材料料A、B组组成成的的热热电电偶偶回回路路接接入入第第三三导导体体C，只只要要C两两端端温温度度相相同同，则则该该导导体体引引入入不不会会改改变变总总电电势势的的大大小小。实实际际应应用用中中，热热电电偶偶回回路路需需接接入入测测量量仪仪表表，相相当当于于在在热热电电偶偶回回路路中中必必须须接接入入第第三三导导体体，考考虑虑2、3两两点点温温度度相相同，则回路中的总电势同，则回路中的总电势：当回路中各接点温度相同时，总当回路中各接点温度相同时，总电势为零，即：电势为零，即：即：即：可见，热电偶的热电势在引入可见，热电偶的热电势在引入的第三导体两端温度相
37、等时，不的第三导体两端温度相等时，不会因此而受到影响。会因此而受到影响。第37页，共58页，编辑于2022年，星期四 六、热电偶冷端温度误差六、热电偶冷端温度误差 热热电电偶偶测测量量的的是是一一个个热热源源的的温温度度或或两两个个热热源源的的温温度度差差。为为此此，必必须须把把冷冷端端温温度度保保持持恒恒定定或或采采用用其其它它方方法法进进行行处处理理。由由于于一一般般热热电电偶偶的的输输出出电电压压与与温温度度成成非非线线性性关关系系，因因此此，其其特特性性不不能能用用精精确确的的数数学学关关系系描描述述，而而是是用用特特性性分分度度表表进进行行表表征征。一一般般手手册册上上提提供供的的热
38、热电电偶偶特特性性分分度度表表是是在在保保持持热热电电偶偶冷冷端端温温度度T00或或25的的条条件件下下给给出出热热电电势势与与热热端端温温度度的的数数值值对对照照。因因此此，当当使使用用热热电电偶偶测测量量温温度度时时，如如果果冷冷端端温温度度保保持持0或或25，则则只只要要正正确确测测出出热热电电势，就可通过分度表查出所测的温度。势，就可通过分度表查出所测的温度。但但实实际际测测量量中中热热电电偶偶的的冷冷端端温温度度受受环环境境或或热热源源温温度度的的影影响响，并并不不为为0或或25。为为了了使使用用特特性性分分度度表表对对热热电电偶偶进进行行标标定定，实实现现对对温温度度的的准准确确测
39、测量量，必必须须对对冷冷端端温温度度变变化化所所引引起起的的温温度度误差进行补偿。误差进行补偿。第38页，共58页，编辑于2022年，星期四 七、热电偶冷端温度的常用补偿方法七、热电偶冷端温度的常用补偿方法 10或或25恒温法恒温法2冷端恒温法冷端恒温法 3冷端补偿器法冷端补偿器法 4补偿导线法补偿导线法5采用不需要冷端补偿的热电偶采用不需要冷端补偿的热电偶 6补正系数修正法补正系数修正法 第39页，共58页，编辑于2022年，星期四 1 100或或2525恒温法恒温法 将将热热电电偶偶的的冷冷端端保保持持在在0或或25器器皿皿中中，此此法法适用于实验室，它能完全消除冷端温度误差的影响。适用于
40、实验室，它能完全消除冷端温度误差的影响。冷端冷端0恒温恒温 第40页，共58页，编辑于2022年，星期四 2 2冷端恒温法冷端恒温法 将将热热电电偶偶的的冷冷端端置置于于一一个个恒恒温温器器内内，如恒定温度为如恒定温度为T0，则冷端误差，则冷端误差为为：由由上上式式可可见见，虽虽不不为为零零，但但为为一一个个定定值值。只只要要在在回回路路中中加加入入相相应应的的修修正正电电压压，或或调调整整指指示示装装置置的的起起始始位位置置，即即可达到完全补偿的目的。可达到完全补偿的目的。第41页，共58页，编辑于2022年，星期四 3 3冷端补偿器法冷端补偿器法 工工业业上上常常采采用用冷冷端端补补偿偿器
41、器法法。它它是是一一个个四四臂臂电电桥桥，其其中中三三个个桥桥臂臂电电阻阻的的温温度度系系数数为为零零，另另一一桥桥臂臂用用铜铜电电阻阻RCu(其值随温度变化其值随温度变化)放置在热电偶冷接点处，放置在热电偶冷接点处，取取T=20时时 电电 桥桥 平平 衡衡(R1=R2=R3=RCu)。此此时时，若若不不考考虑虑Rs和和四四臂臂电电桥的负载影响，则：桥的负载影响，则：第42页，共58页，编辑于2022年，星期四这时总输出为：这时总输出为：当当T0上上升升(如如T0=Tn)时，时，RCu上上升升，Uab上上升升，由于，由于而补偿器选择的而补偿器选择的RCu产生的产生的 故故U维持公式：维持公式：
42、从从上上面面的的推推导导看看出出，冷冷端端补补偿偿器器产产生生的的不不平平衡衡电电压压正正好好补补偿偿了了由由于于冷冷端端温温度度变变化化引引起起的的热热电电势势变变化化，因因此此，仪表可以正确测量温度。仪表可以正确测量温度。使使用用冷冷端端补补偿偿器器应应注注意意：由由于于电电桥桥是是在在20平平衡衡，故故此此时时应应把把温温度度表表示示的的机机械械零零位位调调整整到到20处处。不不同同型型号规格冷端补偿器应与一定的热电偶配套。号规格冷端补偿器应与一定的热电偶配套。第43页，共58页，编辑于2022年，星期四 4 4补偿导线法补偿导线法 当当热热电电偶偶冷冷端端的的温温度度由由于于受受热热端
43、端温温度度影影响响，在在很很大大范范围围内内变变化化时时，则则直直接接采采用用冷冷端端温温度度补补偿偿法法将将很很困困难难。此此时时，应应先先采采用用补补偿偿导导线线(对对于于廉廉价价热热电电偶偶，可可以以采采用用延延长长热热电电极极的的方方法法)将将冷冷端端远远移移至至温温度度变变化化比比较较平平缓缓的的环环境中，再采用上述的补偿方法进行补偿。境中，再采用上述的补偿方法进行补偿。第44页，共58页，编辑于2022年，星期四 5 5采用不需要冷端补偿的热电偶采用不需要冷端补偿的热电偶 目目前前已已经经知知道道，镍镍钴钴镍镍铝铝热热电电偶偶在在300以以下下，镍镍铁铁一一镍镍铜铜热热电电偶偶在在
44、50以以下下，铂铂铑铑30铂铂铑铑6热热电电偶偶在在50以以下下的的热热电电势势都都非非常常小小。只只要要实实际际的的冷冷端端温温度度在在其其范范围围内内，使用这些热电偶可以不考虑冷端误差使用这些热电偶可以不考虑冷端误差。第45页，共58页，编辑于2022年，星期四 6 6补正系数修正法补正系数修正法 工工程程上上常常采采用用补补正正系系数数法法进进行行补补偿偿。设设冷冷端端温温度为度为tn，工作端测得的温度为，工作端测得的温度为t1，其实际温度应为：，其实际温度应为：k为补正系数，可从补正系数表中查得。为补正系数，可从补正系数表中查得。例例如如，用用镍镍铬铬考考铜铜热热电电偶偶测测得得某某点
45、点的的温温度度为为600，此此时时冷冷端端温温度度为为30，通通过过查查表表得得k值值为为0.78，则该点的实际温度为：则该点的实际温度为：T=600+0.7830=623.4 在使用热电偶作温度传感器并采用单片机作主控单元的在使用热电偶作温度传感器并采用单片机作主控单元的测试系统中，这一修正过程可以自动完成。测试系统中，这一修正过程可以自动完成。第46页，共58页，编辑于2022年，星期四热电偶补正系数表热电偶补正系数表 第47页，共58页，编辑于2022年，星期四 八、八、常用热电偶的特性常用热电偶的特性 热热电电偶偶按按结结构构分分普普通通型型、铠铠装装(又又叫叫缆缆式式，带带保保护护外
46、外套套)和和薄薄膜膜热热电电偶偶等等。后后者者用用真真空空蒸蒸镀镀等等方方法法使使两两种种热热电电极极金金属属蒸蒸镀镀到到绝绝缘缘基基板板上上，并并形形成成薄薄膜膜状状热热接接点点。在在辐辐射射检检测测器器中中，常常采采用用多多个个热热电电偶偶组组成成热热电电堆堆，构构成成热热量量型型检检测测器，实现将辐射热转换为相应的电信号。器，实现将辐射热转换为相应的电信号。热热电电偶偶分分K、J、E、T等等四四种种类类型型，其其测测温温范范围围(K型型：-2001600、J型型：-2001200、E型型：-2001000、T型型：-200400)和和灵灵敏敏度度不不同同，对对应应的的冷冷端端温温度度补补
47、偿偿也也不同。不同。虽虽然然许许多多金金属属相相互互结结合合都都会会产产生生热热电电效效应应，但但能能做做成成适适合合测测量量温温度度的的实实用用热热电电偶偶为为数数不不多多。目目前前常常用用的的热热电偶及其特性见下表。电偶及其特性见下表。第48页，共58页，编辑于2022年，星期四第49页，共58页，编辑于2022年，星期四 九、九、热电偶的测量电路热电偶的测量电路 热电偶输出电压小，通常每度只有几微伏，需使用低热电偶输出电压小，通常每度只有几微伏，需使用低漂移集成运算放大器进行放大，相关元件也需认真选择。漂移集成运算放大器进行放大，相关元件也需认真选择。下图是一个下图是一个K型热电偶的测量
48、电路。图中滤波电容的漏电必须型热电偶的测量电路。图中滤波电容的漏电必须小，否则将产生很大的偏移电压。小，否则将产生很大的偏移电压。第50页，共58页，编辑于2022年，星期四 第六节第六节 温敏二极管温敏二极管 随着半导体技术和测温技术的发展，人们随着半导体技术和测温技术的发展，人们发现在一定的电流模式下，发现在一定的电流模式下，PN结的正向电压结的正向电压与温度之间具有很好的线性关系。如砷化镓与温度之间具有很好的线性关系。如砷化镓和硅温敏二极管在和硅温敏二极管在lK400K范围的温度表范围的温度表现为良好的线性。现为良好的线性。第51页，共58页，编辑于2022年，星期四一、一、温敏二极管的
49、工作原理温敏二极管的工作原理 根根据据PN结结理理论论，对对于于理理想想二二极极管管，只只要要正正向向电电压压 UF大大于于几几个个 KT/e，其其正正向向电电流流 IF和和正正向向电电压压 UF与与温温度度T之之间间的的关系可表示为：关系可表示为：Eg0为为材材料料在在绝绝对对温温度度零零时时的的禁禁带带宽宽度度(eV)；B为为与与温温度度无无关关但但与与结结面面积积有有关关的的常常数数；Tr为为与与迁迁移移率率有有关关的的常常数数；k为为波波尔尔兹兹曼曼常常数数；e为为电电子子电电荷荷；T为为PN结结的的绝绝对对温温度度(K)。从从上上式式可可知知，当当二二极极管管的的正正向向电电流流一一
50、定定时时，其其正正向向电电压压随温度的升高而降低，故温敏二极管呈负温度系数。随温度的升高而降低，故温敏二极管呈负温度系数。第52页，共58页，编辑于2022年，星期四 二、温敏二极管的基本特性二、温敏二极管的基本特性 对对于于不不同同的的工工作作电电流流，温温敏敏二二极极管管的的UFT关关系系不不同同；但但UF-T之之间间总总是是线线性性关关系系。如如2DWM1型型硅硅温温敏敏二二极极管管恒恒流流时时的的UF-T在在-50+150范范围围内内呈呈良良好好的线性关系。的线性关系。第53页，共58页，编辑于2022年，星期四 第七节第七节 温敏三极管温敏三极管 实实际际研研究究证证明明，晶晶体体管