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1、传感器及应用 热电式传感器第1页，本讲稿共31页一、热电偶工作原理1.热电效应如右图所示，两种不同性质的导体或半导体材料A、B串接成一个闭合回路，如果两接合点处的温度不同，即TT0，则在两导体间产生热电势，也称热电动势，常用EAB(T，T0)表示。同时在回路中有一定大小的电流，这种现象称为热电效应。几个概念：热电极：闭合回路中的导体或半导体A、B，称为热电极；热电偶：闭合回路中的导体或半导体A、B的组合，称为热电耦；工作端：两个结点中温度高的一端，称为工作端；参比端：两个结点中温度低的一端，称为参比端；热电动势：两导体的接触电势 单一导体的温差电势；11.1 热电偶传感器ABTT0第2页，本讲
2、稿共31页接触电势：产生接触电势的主要原因：不同材料具有不同的自由电子密度；两种不同材料的导体接触时，接触面会发生电子扩散；当扩散达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位，表示为：其中：k 波尔兹曼常数:T 节点所处温度；e 电子电荷:NA、NB 导体A、B的电子浓度；若，则，反之亦然。结果：电子浓度高的材料电位高。第3页，本讲稿共31页温差电势：导体中自由电子在高温端具有较大的动能；电子从高温端向低温端扩散，因而高温端带正电，低温端带负电，形成静电场，并阻碍电子扩散；当扩散达到动态平衡时，两端产生一个相应的电位差，称为温差电势，表示为：其中：汤姆逊系数，表示单一导体两端单位温度差为1时所产
3、生的温差电势，与材料性质和两端温度有关。若，则，反之亦然。第4页，本讲稿共31页接触电势与温差电势的性质：用公式可以证明：第5页，本讲稿共31页回路总电势：用小写e表示接触或温差电势，用大写E表示回路总电势，且，则如下图所示，有：ABTT0其中：导体A、B的汤姆逊系数；导体A在结点温度为T、T0时的电子密度；导体B在结点温度为T、T0时的电子密度；第6页，本讲稿共31页讨论：热电偶的材料相同时，所以形成热电势的两个必要条件：两种导体的材料不同；节点所处的温度不同；,又，所以，热电偶的两个节点所处的温度相同，时，而，所以，金属导体内，温差电势极小，可以忽略，那么回路中起决定作用的是接触电势，因而
4、上式可改写为：工程实际中，标定热电偶时，令：则：第7页，本讲稿共31页2.热电偶基本定律：中间导体定律：在热电偶回路中接如第三种材料的导体（传感器引出）时，只要其两端温度相等，总回路电势不变。如下图所示：ABCTT0用途：接入仪表测量线。第8页，本讲稿共31页参考电极定律(标准电极定律)：设结点温度为T、T0，则用导体A、B组成的热电偶产生的热电势等于导体A、C组成的热电偶和导体C、B组成的热电偶产生的热电势的代数和。如下图所示，有：ATCTCBT0其中：C为参考电极；参考电极定律应用：由于铂丝的理化性能稳定，如果能实验测得各种材料热电极对铂丝的热电特性，就不难推得任意材料间的热电特性。第9页
5、，本讲稿共31页中间温度定律：结点温度为(T、T0)时的热电势等于该热电耦在结点温度为(T、Tn)和(Tn、T0)时相应热电势的代数和。即：即得：当T0=0时，有：其中，Tn称为中间温度。第10页，本讲稿共31页结论：中间温度定律为制定热电偶得分度表奠定了理论基础。从分度表查出参考端为零度时得热电势，即可求得参考端温度不为零时得热电势。例：用镍铬-镍硅热电偶测量热处理炉炉温。冷端温度T0=30，此时测得热电势E(T,T0)39.17mV,则实际炉温是多少？解：由T0=30查分度表得：E(30,0)1.2mV,则：E(T,0)E(T,30)E(30,0)39.17mV 1.2mV 40.37mV
6、 再由40.37mV查分度表，得实际炉温T977第11页，本讲稿共31页二、常用热电偶：铂铑-铂热电偶：S型热电偶。特点：精度高，标准热电偶。但热电势小。（1300)镍铬-镍硅热电偶：K型热电偶。特点：线性好，价格低，最常用。但精度偏低。(-501300)镍铬-考铜热电偶：E型热电偶。特点：灵敏度高，价格低，常温测量，但非均匀线性。(-50500)铂铑30-铂铑6热电偶：B型热电偶。特点：精度高，冷端热电势小，40下可不修正。但价格高，输出小。铜-康铜热电偶：T型热电偶。特点：低温稳定性好，但复制性差。第12页，本讲稿共31页三、热电偶冷端温度补偿：1.补偿原因：从前述分析可知，只有当热电偶冷
7、端温度保持不变时，热电势才是被测温度得单值函数；实际应用中，由于冷端暴露在空气中，往往和工作端又比较接近，故冷端温度易波动；2.补偿方法：补偿导线法：目的：使冷端远离工作端，和测量仪表一起放到恒温或温度波动小的地方。手段：延长热电偶的长度：安装不便，费用高；采用补偿导线，要求：a.在0100范围内和所连接的热电偶有相同的热电性能；b.材料是廉价金属第13页，本讲稿共31页注意：冷端需有自动补偿装置，补偿导线才有意义，且连接处100；补偿导线不能选错，如：铂铑-铂热电偶：补偿线用铜-镍铜；镍铬-镍硅热电偶：补偿线用铜-康铜；冷端温度计算校正法：热电势修正法：冷端温度不为零时，运用热电偶分度表修正
8、，修正方法如前例所述。温度修正法：设：T为仪表指示温度；T0为冷端温度；则：被测实际温度T为：TTk T0式中：k为热电偶修正系数，和热电偶的种类和测温范围相关，有表可查。第14页，本讲稿共31页例：在前例中解：指示温度：T946；(当E(T,T0)=39.17mV时，查分度表可得)冷端温度：T0 30；查表底：k1.00 则实际炉温：TTk T0 946 1.00 30976 和热电势修正法所得炉温相差1，此方法在工程上应用广泛。冰浴法：冷端用冰水混合物保持在0。特点：可避免校正的麻烦，但使用不便，多在实验室使用。第15页，本讲稿共31页补偿电路法：UA补偿电路置于变化的温度环境(tn)中，
9、调整R使V+RR1RttnUAT：测量温度E(tn,t0)CA一般,为正温度系数电阻。当,以补偿 的下降。第16页，本讲稿共31页11.2 热电阻传感器一、原理：导体的电阻率随温度T变化。很多金属有正的电阻温度系数，温度越高，电阻越大，据此可制成热电阻。二、特点：灵敏度低，精度高，宜用于常温和低温测量。三、对导体材料的要求：电阻温度系数大，电阻随温度变化保持单值，线性好；热容量小；电阻率尽量大，以减小元件尺寸；工作范围内，物理、化学性能稳定；材料复制性好，价格便宜；第17页，本讲稿共31页四、常用热电阻：(铂电阻、铜电阻)1.铂电阻特点：在氧化性介质中，高温下的物理、化学性质稳定；而还原性介质
10、中，电阻-温度特性会发生改变。特性：分度表：式中：Rt 温度为t时，铂电阻的电阻值；R0 温度为0时，铂电阻的电阻值；第18页，本讲稿共31页2.铜电阻特点：电阻值与温度近似线性，电阻温度系数大，易加工，价格便宜；但电阻率小，温度超过100时易被氧化，测温范围一般在50100；特性：式中：Rt 温度为t时，铜电阻的电阻值；R0 温度为0时，铜电阻的电阻值；铜电阻的电阻温度系数，分度表：3.测量电路最常用电桥。第19页，本讲稿共31页11.3 半导体热敏电阻传感器概 述和金属热电阻不同，热敏电阻由半导体材料制成，有如下特点：灵敏度高；如：电阻温度系数绝对值比一般金属电阻大10100倍。体积小；使
11、用方便；如：热惯性小，阻值范围大(102103)，不需要冷端补偿，功耗小，易实现远距离测量。缺点：阻值与温度变化呈非线性，元件稳定性、互换性差。分类：负温度系数热敏电阻 正温度系数热敏电阻 第20页，本讲稿共31页一、基本参数：1.标称电阻值R25()热敏电阻在25时的值，值的大小由热敏电阻材料和几何尺寸决定。2.电阻温度系数指热敏电阻的温度变化1时，其阻值变化率与阻值之比。即：第21页，本讲稿共31页3.材料常数B描述热敏材料物理特性的一个常数。B越大，阻值越大，灵敏度越高。4.时间常数数值上等于热敏电阻在零功率的测量状态下，当环境温度突变时，热敏电阻随温度的变化量从063.2所需的时间。表
12、明了热敏电阻加热和冷却的速度。其余：耗散系数、额定功率、测量功率等。第22页，本讲稿共31页二、主要特性：1.电阻-温度特性具有负电阻温度系数的热敏电阻的电阻-温度特性曲线如下图所示，其一般数学表达式为：40 80 120 160T()RT()10102103104注意：为应用方便，可将上式两边取对数，电阻温度-特性曲线转化为线性。第23页，本讲稿共31页具有正电阻温度系数的热敏电阻的电阻-温度特性曲线如下图所示，其一般数学表达式为：TP2100 TP1200T()RT()10102103104注意：为应用方便，可将上式两边取对数，电阻温度-特性曲线转化为线性。由图中可见：正温度系数的热敏电阻
13、的工作温度范围较窄，在工作区的两端，曲线有两个拐点TP1和TP2。在温度TP1和TP2之间为工作范围。第24页，本讲稿共31页2.伏-安特性具有负电阻温度系数的热敏电阻的伏-安特性曲线如下图所示：oa段为线性工作区域；随温度增加，阻值下降，电流则增加，电压增加，当电流达到Im时，电压值达到最大Um；随电流的不断增加，引起电阻温升加快，当阻值下降速度超过电流增加速度时，电压开始下降；电流超过一定允许值时，热敏电阻将被烧坏。I(mA)U(V)aOUaIm IaUm第25页，本讲稿共31页具有正电阻温度系数的热敏电阻的伏-安特性曲线如下图所示：曲线起始段oa为近似直线，斜率与热敏电阻在环境温度下的电
14、阻值相等。这是因为流过的电流很小，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故；当热敏电阻的温度超过环境温度时，引起阻值增大，曲线开始变弯；当电压增至Um时，有最大电流Im；如电压继续增加，由于温升引起的电阻值增加的速度超过电压增加的速度，电流反而减小，曲线斜率由正变负；I(mA)U(V)aOImUm第26页，本讲稿共31页11.4 集成温度传感器一、基本原理：利用PN结的伏安特性与温度之间的关系而制成的固态传感器。即：二、分类：（按输出信号分）电压型：温度系数约10mV/，与绝对温度呈线性关系；电流型：温度系数约1uA/，与绝对温度呈线性关系；第27页，本讲稿共31页三、特性：（以AD590为例）伏
15、-安特性：如下图所示，U是作用于AD590两端的电压，I是AD590中的电流。当U430V时，AD590是一个温控恒流源，在电路中以理想的恒流源符号表示。电流I与温度t成正比；即：IUTK2OTK130V 4VTK3第28页，本讲稿共31页温度特性：如下图所示：在55150温度范围内，有较好的线性度，非线性误差因传感器档次而异；电流与温度的关系式为：It()0273.2uA55150第29页，本讲稿共31页非线性曲线：如下图所示：在55100温度范围内，T递增；在100150温度范围内，T递减；不同档次的AD590误差T不同：I档T3；M档T0.3；其余介于二者之间；Tt()00.8551500.8100第30页，本讲稿共31页四、AD590特点：线性电流输出，正比于绝对温度测温范围：55150高精度；电源范围宽；非线性误差小：AD590M的满量程误差0.3五、AD590应用：一个简单的测温电路如下：第31页，本讲稿共31页