传感器原理与检测技术第2版教学课件作者钱显毅第6章节热电式传感器

《传感器原理与检测技术第2版教学课件作者钱显毅第6章节热电式传感器》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第6章热电式传感器温度是表示物体冷热程度的物理量，是一个十分重要的物理参数，无论在工农业生产、科学研究、国防和人们日常生活等各领域，温度的测量和控制是极为重要的课题。所以在种类繁多的传感器中，在产品和应用方面，温度传感器都处前列。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

2、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已得到广泛的应用。另外利用半导体PN结与温度的关系，所研制的PN结型温度传感器在窄温场中，也得到了十分广泛的应用。对温度传感器的要求是：灵明度高、线性好、稳定性好、重复性好、工作范围宽、互换性好、响应快、尺寸小、成本低、使用方便等指标来衡量。温度不能直接测量，但物体的许多属性都随温度变化，因此，通过其他物理量间接测量温度。原则上，物体的属性，只要随温度变化而发生单调的、显著的、可重复的变化，都可以用于温度测量。温敏器

3、件最常用的物理量包括体积、压力、电阻、磁化率和热电动势等，分别被用来制成气体温度计、液体温度计、铂电阻温度计、热电偶温度计和半导体温度计等。6.1热电偶温度传感器6.1.1热电偶测温原理热电偶传感器是一种能将温度转换成电势的装置。目前在工业生产和科学研究中已得到广泛的应用，并且已经可以选用标准的显示仪表和记录仪表来进行显示和记录。将两种不同材料的导体，组成一个闭合回路，如图6.1所示。如果两端点的温度不同，则在两者间产生一电动势，这个电势的大小和方向与两种导体的性质和两个结点温度差有关，这一温度现象称为热电效应，有时也称温差

4、电效应。由两种导体组成的回路叫热电偶，组成热电偶的A、B两种导体叫热电级，两个结点，一个称为工作端或热端（t），另一个叫自由端或冷端（t0）。热电偶产生的电势Eab称为热电势或温差电势。如果图中，A为正极，B为负极，且t>，则产生的热电势为(6.1)式中：t—热端温度（℃）；—冷端温度（℃）由此可知，用热电偶测温，有两个重要的问题要解决，即补偿导线和冷端温度补偿。图6-1热电效应6.1.2热电势的测量上述的热电偶是指两个电极组成的闭合电路。当要测量此热电势时，实际最简单的测量线路如图6-2所示。这时回路中除热电极A、B外，还

5、有测量仪器M和谅解导线C、D。那么，此时M所测到的电势是否与式（6-1）所表示的相同呢？这时有条件的。如果两连接线C、D材料相同，并且两倒显得接入点温度对应相同，即，且与热电极相接的一端温度与热电偶冷端温度相同，即，则根据热电偶的基本定律可知，导线C、D和仪表M的接入不影响原热电偶的热电势，M所测得的电势即为原热电偶的热电势；如果C、D材料不同，情况比较复杂，除接入点温度满足上述要求外，导线C、D材料在要求的温度范围内，还必须满足“热电性能一致性”的要求，即（6.2）显然，热电偶的连接导线是不能任意取的，不同的热电偶，所需配

6、用的连接导线夜不同，这种线称为补偿导线。随便用连接线，将产生附加的测量误差。6-2热电偶工作原理图6.1.3热电偶的基本定律中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。如图6-3，在热电偶回路中接人第三种导体C。设导体A与B接点处的温度为t，A与C、B与C两接点处的温度为t0，则回路中的总电动势为(6-3)图6-3热电偶中接入第三种导体如果回路中三接点的温度相同，即t＝t0，则回路总电动势必为零，即或者(6-4)将式(5-7)代人式(5-6)，可得(6-5)可以用同样

7、的方法证明，断开热电偶的任何一个极，用第三种导体引入测量仪表，其总电动势也是不变的。热电偶的这种性质在实用上有着重要的意义，它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。标准电极定律：如果两种导体分别与第三种导体组成热电偶，并且热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。如图6-4，导体A、B分别与标准电极C组成热电偶，若它们所产生的热电动势为已知，即那么，导体A与B组成的热电偶，其热电动势可由下式求得(6-6

8、)图6-4三种导体分别组成热电偶标准电极定律是一个极为实用的定律。可以想象，纯金属的种类很多，而合金类型更多。因此，要得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势，其工作量是极大的。由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，我们通常选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯铂组成的