传感器_第07章_热电式传感器0603

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1、Copyright南京理工大学陈文建2006第7章热电式传感器Copyright南京理工大学陈文建2006热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。它利用传感元件的电磁参数随温度变化的特性来达到测量的目的，例如将温度转化为电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可由这些电参数的变化来表达达所测温度的变化。在各种热电式传感器中，以把温度量，转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中将温度转换为电势大小的热电式传感器叫做热电偶，将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻。这两种热电式传感器目前在工业生产中巳得到广泛的应用。另外利用半导体PN结与温度的关系，所研制的PN结型温度传

2、感器在窄温场中，也得到了十分广泛的应用。本章主要介绍：热电偶、热电阻、半导体温度传感器Copyright南京理工大学陈文建2006热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度变化转换为电势变化，热电阻是将温度变化转换为电阻值的变化。这两种热电式传感器目前在工业产生中巳得到广泛应用，并且有与其相配套的显示仪表与记录仪表。本章主要介绍：热电偶、热电阻、半导体温度传感器Copyright南京理工大学陈文建20067.1热电偶热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。自

3、19世纪发现热电效应以来，热电偶被越来越广泛地用来测量100～1300℃范围内的温度，根据需要还可以用来测量更高或更低的温度。它具有结构简单，使用方便，精度高，热惯性小，可测局部温度和便于远距离传送与集中检测，自动已录等优点。Copyright南京理工大学陈文建20067.1.1热电偶的基本工作原理电势低A电势高铁mA一、热电效应TT01.赛贝克(Seebeck)效应(热电势)B铜电势高电势低1821年赛贝克发现了铜、铁这两种金属的温差电现象。即在这两种金属构ε成的闭合回路中，对两个接头的中一个加热即可产生电流。在冷接头处，电流从铁流向铜。由于冷、热两个端(接头)存在温差而产生的电势差ε

4、，就是温差T(oC)0o275o450o550o热电势。这种由两种不同的金属构成的100铜铁热电偶的温差热电势与温度关系曲线能产生温差热电势的装置称为热电偶。在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，称为塞贝克电势。这个物理现象称为热电效应。Copyright南京理工大学陈文建2006如图所示，两种不同材料的导体A电势低A电势高和B，两端联接在一起，一端温度为了铁mATT0T，另一端为T(设T＞T)，这时在这个00回路中将产生一个与温度T、T0以及导电势高B铜电势低体材料性质有关的电势E(T，T)，显AB0然可以利用这个热电效应来测量温度。在测量技

5、术中，把由两种不同材料构成的上述热电变换元件称为热电偶．称A，B导体为热电极。两个接点，一个为热端(T)，又称工作端；另一个为冷端(T)，又称为自由端或参考端。0实验指出，当A、B两种不同的金属所构成的热电偶的两端温度分别为T(热端温度)和T(冷端温度)时，温差热电势为：0TE(T,T)=αdT=E(T)-E(T)AB0∫TAB00式中α为热电势率或塞贝克系数，其值随热电极材料和两接AB点的温度而定。后来研究指出，热电效应产生的电势E(T,T)是由珀尔帖AB0(Peltier)效应和汤姆逊(Thomson)效应引起的。Copyright南京理工大学陈文建2006电势低A电势高ε铁mATT

6、0B铜电势高电势低oT(C)0o275o450o550o100铜铁热电偶的温差热电势与温度关系曲线12E=α()T−T+β()T−T,α、β是与金属A、B有关的温差电系数。ABAB0AB0ABAB2多数的金属材料E在10-2V～10-3V。而其α约为10-6伏/AB度，β约为10-8伏/度，所以在即在。温度不太高温差不太大、精度要求不高时可以近似认为：E≈α(T−T)。ABAB0Copyright南京理工大学陈文建20062.温差热电势的物理基础(经典电子论)(1)接触电势(电位差)珀耳帖(Peltier)电势将同温度的两种不同的金属互相接触，如图所示。由于不同金属内自由电子的密度不同，

7、在两金属A和B的接触处会发生自由电子的扩散现象，自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，直至在接点处建立了强度充分的电场，能够阻止电子扩散达到平衡为止。两种不同金属的接点处产生的电动势称珀尔帖电势，又称接触电势。此电势E(T)由两个金属的特AB性和接点处的温度所决定。根据电子理论kTn0AT端接触电势：E(T)=lnA0AB0enB接触电势kTnATT0T端接触电势：EAB(T)=lnE