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1、Thermoelectric sensors第九章 热电式传感器概述：温度测量及传感器分类概述：温度测量及传感器分类 温度传感器按照温度传感器按照用途用途可分为基准可分为基准温度计和工业温度计；按照温度计和工业温度计；按照测量方法测量方法又又可分为可分为接触式接触式和和非接触式非接触式；按；按工作原理工作原理又可分为又可分为膨胀式膨胀式、电阻式电阻式、热电式热电式、辐辐射式射式等等；按等等；按输出方式输出方式分，有自发电型、分，有自发电型、非电测型等。非电测型等。红外温度计红外温度计非接触式测温非接触式测温9.19.1热电偶热电偶(Thermocouple)热电偶测温的主要优点热电偶测温的主要
2、优点 1 1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；外加电源，可直接驱动动圈式仪表；2 2、测测温温范范围围广广：下下限限可可达达-270-270 C C，上上限限可可达达18001800 C C以上；以上；3 3、各各温温区区中中的的热热电电势势均均符符合合国国际际计计量量委委员员会会的标准。的标准。9.1.19.1.1热电偶工作的基本原理热电偶工作的基本原理先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热热电
3、极电极A A自由端自由端（参考（参考端、冷端、冷端）端）测量端测量端（工作端、（工作端、热端）热端）热热电极电极B B热电势热电势AB一、热电效应一、热电效应(Thermo-electrical effect)热电极：热电极：Thermo electrode；热电偶热电偶：Thermocouple；T端：端：T junction is called hot(measurement)junction,T0端：端：T0 called cold(reference)junction.1823年年Seebeck在实验中发现的，热电势在实验中发现的，热电势也称也称Seebeck电势。电势。Thermo-
4、electrical effect are based on two effects,that is Peltier（玻玻尔帖）尔帖）effect and Thomson（汤姆逊）汤姆逊）effect.1、接触电动势、接触电动势/玻尔帖电动势玻尔帖电动势 两种不同的金属互相接触时，由于不同金两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属属内自由电子的密度不同，在两金属A A和和B B的接触点处会发生自由电子的的接触点处会发生自由电子的扩散现象扩散现象。自由电子将从密度大的金属自由电子将从密度大的金属A A扩散到密度小扩散到密度小的金属的金属B B，使，使A A失去电子带正
5、电失去电子带正电，B B得到电子得到电子带负电带负电，从而产生，从而产生热电势热电势。自由自由电子电子ABeAB（T T）T TT端：端：T0 端：端：回路总接触电动势：回路总接触电动势：2、温差电动势、温差电动势/汤姆逊效应汤姆逊效应A 导体：导体：B导体：导体：总温差电动势：总温差电动势：TT0+A AB B3、总热电动势、总热电动势 总热电势总热电势EAB(T,T0)为两接点温度为两接点温度T、T0的函数，的函数，与热电极的中间温度无关与热电极的中间温度无关(中间温度定律中间温度定律);如果保如果保持持T0温度不变，则温度不变，则EAB(T,T0)与与T有单值对应关系；有单值对应关系；E
6、AB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)结论：结论：如果热电偶两个电极的材料相同，即使接点温度如果热电偶两个电极的材料相同，即使接点温度不不 同，也不会产生电势；同，也不会产生电势；如果热电偶两个电极的材料不同，但两接点温度如果热电偶两个电极的材料不同，但两接点温度相相 同，也不会产生电势；同，也不会产生电势；二、二、Practical thermocouple laws1.Law of homogeneous circuits The thermal emf of a thermocouple with junctions at T,T0 is totally unaffe
7、cted by temperature elsewhere in the circuit if the two metals used are each homogeneous T1 T T0B BC CC CmVA AB BT T1 1T2T2T2T2A A当当T1=T2,则则因此因此:2.Law of intermediate metal A AB B3、Law of intermediate temperatureIf the thermal emf of metal A and C is EAC and that of metals B and C is ECB,then the th
8、ermal emf of metals A and B is EAC+ECBT2T2ABBCCT1T1T1T2AEAB(T,T0)=EAC(T,T0)+ECB(T,T0)4.Law of standard metal三、热电偶冷端温度及其补偿三、热电偶冷端温度及其补偿为什么在热电偶测温时要对冷端温度进行补偿？为什么在热电偶测温时要对冷端温度进行补偿？总热电势总热电势E EABAB(T,T(T,T0 0)为两接点温度为两接点温度T T、T T0 0的函数的函数热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法分分度表获得热电势与温度的对应值。直接从热电偶的度表获得热电势
9、与温度的对应值。直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自自由端（冷端）温度必须为由端（冷端）温度必须为0 0 C C。教材教材p188p188附录附录1 13 3列出了工业中常用的几种列出了工业中常用的几种热电偶的分度表。热电偶的分度表。如何利用热电偶的分度表？如何利用热电偶的分度表？假设热电偶的冷端温度为假设热电偶的冷端温度为0 0 C C，请根据请根据本教材本教材p190p190的附录的附录22工业中常用的镍铬工业中常用的镍铬-镍硅（镍硅（K K）热电偶的分度表，查出热电偶的分度表，查出100100 C C、0 0 C C、100
10、100 C C 时的热电势。时的热电势。比较查出比较查出的的3 3个热电个热电势，可以势，可以看出热电看出热电势是否势是否线线性？性？如何由热电偶的热电势查热端温度值如何由热电偶的热电势查热端温度值?设冷端为设冷端为0 0 C C，根据以下电路中的毫伏表的示值及根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，查出热端的温度热电偶的分度表，查出热端的温度tx 。1 1、冷端温度修正法、冷端温度修正法适用于冷端温度恒定适用于冷端温度恒定不变的情况不变的情况热电势修正法：热电势修正法：利用公式：利用公式：EAB(T,0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,0)计算修正。计算修正。温度修正法：温度修正
11、法：T=T+kT02 2、冷端温度自动补偿法冷端温度自动补偿法适用于冷端温度适用于冷端温度变化的情况变化的情况电桥补偿法：电桥补偿法：电桥补偿法电桥补偿法冷端温度补偿器冷端温度补偿器pn结冷端温度补偿法：结冷端温度补偿法：采用负温度系数采用负温度系数（-2.2mv/）的二极管或三极的二极管或三极管在管在100 100 范围可达到范围可达到0.30.8(二极二极管管)或或0.050.2(三极管三极管)的补偿精度。的补偿精度。3 3、延引热电极法延引热电极法测温测温TTT补偿导线补偿导线T04 4、专用集成芯片专用集成芯片AD594 Output=(Type J Voltage+16 V)193.
12、4AD595 Output=(Type K Voltage+11 V)247.39.1.29.1.2热电偶的类型及结构热电偶的类型及结构(1)标准化热电偶标准化热电偶铂铑铂铑10铂铂(S型型):01300铂铑铂铑13铂铂(R型型):01300铂铑铂铑30铂铑铂铑6(B型型):01600镍铬镍铬镍硅镍硅(K型型):01200镍铬硅镍铬硅镍硅镍硅(N型型):-2001200镍铬镍铬康铜康铜(E型型):-200760铜铜康铜康铜(T型型):-200350铁铁康铜康铜(J型型):-40600 一、热电极材料和热电偶类型：一、热电极材料和热电偶类型：标准化热电偶标准化热电偶/非标非标准化热电偶准化热电偶
13、几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线 二、热电偶结构形式二、热电偶结构形式普通型热电偶；普通型热电偶；安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰1。热电极；。热电极；2。绝缘套管。绝缘套管3。保护套管；。保护套管；4。接线盒；。接线盒；5。盒盖。盒盖接线盒接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹（出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端）不锈钢不锈钢保护管保护管 铠装热电偶；铠装热电偶；铠装热电偶的制造工艺：铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、料
14、预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。成为柔软、细长的铠装热电偶。铠装热电偶特点：铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决决微小、狭窄场合微小、狭窄场合的测
15、温问题，且具有抗震、可弯曲、的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。超长等优点。铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形法兰法兰铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管（铠体）（铠体）BA绝缘绝缘 材料材料小惯性热电偶小惯性热电偶(薄膜热电偶薄膜热电偶)；二二 动态误差动态误差 热接点的温度变化热接点的温度变化,在时间上总滞后与被测介质的温在时间上总滞后与被测介质的温度变化度变化,由于这种热惯性引起的温度偏差值由于这种热惯性引起的温度偏差值,为动态误为动态误差差9.1.29.1.2热电偶的传热误差和动态误差热电偶的传热误差和动态误差一一 传热误差传热误差
16、1.对流换热对流换热2.辐射换热辐射换热3.传导换热传导换热(1)测量恒定温度测量恒定温度:从从T0T可见可见,越大越大,从从T0T的的时间越长时间越长,动态误差越大动态误差越大.1.热电偶的动态响应热电偶的动态响应式中式中:-时间常数时间常数(2)测量沿直线上升的温度测量沿直线上升的温度(3)测量按正弦变化的温度测量按正弦变化的温度当当 后后,热电偶的温度表达式为热电偶的温度表达式为:可见可见:振幅减小振幅减小,相位滞后相位滞后,且且 随随 增大增大.9.29.2热电阻热电阻(RTD:resistive temperature detectiors)9.2.19.2.1金属热电阻金属热电阻
17、温度升高，金属内部原子晶格的振动温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。一、工作原理、结构和材料一、工作原理、结构和材料R i=R0 1+1T+2T+3T.材料要求：材料要求：材料的电阻温度系数材料的电阻温度系数大，且为常数；大，且为常数；材料的物理、化学性质稳定；材料的物理、化学性质稳定；电阻率较大，特性复现性好；电
18、阻率较大，特性复现性好；n铂是一种贵金属。它的特点是铂是一种贵金属。它的特点是精度高，稳定性精度高，稳定性好，性能可靠好，性能可靠，尤其是，尤其是耐氧化性能耐氧化性能很强。很强。铂在很宽的温度范围内约铂在很宽的温度范围内约1200 C以下都能以下都能保证上述特性。保证上述特性。铂很容易提纯铂很容易提纯，复现性好，有，复现性好，有良好的工艺性，可制成很细的铂丝良好的工艺性，可制成很细的铂丝(0.02mm或或更细更细)或极薄的铂箔。与其它材料相比，或极薄的铂箔。与其它材料相比，铂有铂有较高的电阻率较高的电阻率，因此普遍认为是一种较好的热，因此普遍认为是一种较好的热电阻材料。电阻材料。n缺点：铂电阻
19、的电阻温度系数比较小；缺点：铂电阻的电阻温度系数比较小；价格贵价格贵1、铂热电阻、铂热电阻(platinum resistance thermometer)在在0 0 C C 以上，其电阻与温度的关系接近于直线，以上，其电阻与温度的关系接近于直线，其电阻温度系数其电阻温度系数A A为为3.9103.9103 3/C C 。我国已采用我国已采用IECIEC标准制作工业铂电阻。按标准制作工业铂电阻。按IECIEC标淮，标淮，使用温度已扩大到使用温度已扩大到-200-200850 850 C C,初始电阻有初始电阻有100 100 和和50 50 两种。两种。0 -200：0 +850：测量精度高：
20、测量精度高：0:1、0100:0.5、100650:0.5%附录附录 铂热电阻分度表铂热电阻分度表 薄膜型及普通型铂热电阻薄膜型及普通型铂热电阻 小型铂热电阻小型铂热电阻 2 铜电阻n 在一般测量精度要求不高、温度较低的场合，普在一般测量精度要求不高、温度较低的场合，普遍地使用铜电阻。它可用来测量遍地使用铜电阻。它可用来测量50150 C 的温度，在这温度范围内，铜电阻和温度呈的温度，在这温度范围内，铜电阻和温度呈线性关系：线性关系：q 铜电阻的缺点是电阻率小铜电阻的缺点是电阻率小.所以制成相同阻所以制成相同阻值的电阻时，铜电阻丝要细，这样机械强度就值的电阻时，铜电阻丝要细，这样机械强度就不高
21、，或者就要长，使体积增大。此外铜很容不高，或者就要长，使体积增大。此外铜很容易氧化，所以它的工作上限为易氧化，所以它的工作上限为150 C。但铜但铜电阻价格便宜，因此仍被广泛采用。电阻价格便宜，因此仍被广泛采用。R1 R2 r2 E G R3 Ra rg r1 Rt 二、测量电路二、测量电路:电路中两根连线的电阻随环境温度变电路中两根连线的电阻随环境温度变化时，全部变化量都加在同一桥臂上，从而带来连化时，全部变化量都加在同一桥臂上，从而带来连线误差。为了减小该项误差，一般采用三线连接法，线误差。为了减小该项误差，一般采用三线连接法，如图所示。由于热电阻的两根连线分别置于相邻两如图所示。由于热电
22、阻的两根连线分别置于相邻两桥臂内，温度引起连线电阻的变化桥臂内，温度引起连线电阻的变化 对电桥的影响对电桥的影响相互抵消。至于电源连线电阻的变化，对供桥电压相互抵消。至于电源连线电阻的变化，对供桥电压影响是极其微小的，可忽略不计。影响是极其微小的，可忽略不计。9.2.29.2.2半导体热敏电阻半导体热敏电阻(thermistors)热敏电阻有负温度系数（热敏电阻有负温度系数（NTC:NTC:negative temperature coefficient）和正温度系数（和正温度系数（PTC:PTC:positive temperature coefficient ）之分。之分。NTCNTC又可
23、分为两大类：又可分为两大类：第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系；呈严格的负指数关系；第二类为突变型（第二类为突变型（CTR:CTR:critical temperature coefficient）。）。当温度上升到某临界点时，其电阻当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降值突然下降 。12345 图示的五根曲线分别为哪一种热敏电阻？图示的五根曲线分别为哪一种热敏电阻？热敏电阻外形热敏电阻外形 MF12MF12型型 NTCNTC热敏电热敏电阻阻聚脂塑料封装聚脂塑料封装热敏电阻热敏电阻其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 玻璃封装玻
24、璃封装 NTC热敏电热敏电阻阻MF58 型热敏电阻型热敏电阻其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 贴片贴片式式NTC热敏电阻热敏电阻热敏电阻体温表热敏电阻体温表 热敏电阻体温表的电路热敏电阻体温表的电路热敏电阻用于热敏电阻用于CPU的温度测量的温度测量 1、温度特性、温度特性:RT=A e B/T一、热敏电阻的主要特性（一、热敏电阻的主要特性（NTC型）型）若已知温度为若已知温度为T1、T2时的电阻值时的电阻值R1、R2，便可便可求出系数求出系数A、B：B=(T1T2ln R1/R2)/(T1-T2)；A=R1 e(-B/T1)则：则：RT=R1 e(B/T-B/T1)一般一般，T120 C，T2 100 C时的电阻值为时的电阻值为R20、R100，则则 B=1365ln(R20/R100)=(dR/dT)/R=-B/T 2、伏伏安特性安特性 60 热敏电阻的温度系数热敏电阻的温度系数：热敏电阻在其本身温热敏电阻在其本身温度变化度变化1时，电阻值的相对变化量；时，电阻值的相对变化量；UI025