传感技术 第五章 热电式传感器及其应用

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1、Chapter5热电式传感器及其应用T-sensors温度、热量RorUorI是目前应用地方最多，技术最成熟的传感器。主要有：热电偶、热电阻、热敏电阻、pn结、温敏三极管、集成温度传感器等5－1热电偶传感器一、热电效应和热释电效应1、热电效应将两种不同性质的金属或半导体组成闭合回路，当两结点的温度不相等时，回路中有电流流过的物理现象——热电效应，又称温差效应，或Seebackeffect。其逆效应有Peitiereffect，Thomsoneffect1）SeebackeffectU0=XsT金属Xs＝0~80V－热电偶半导体

2、Xs＝50~1000V－温差发电XsistheSeebackcoefficient在两种不同性质的金属或半导体连接在一起，两结点之间存在温差T＝T1－T2，则回路中有电流产生;若冷端开路，则电压1823年2）PeitiereffectQ＝I＝Xs.TisPeltiercoefficient,XsisSeebackcoefficient用做制冷器在两种不同性质的金属或半导体组成闭合回路中，通入电流时，则在一个结点吸热（变热），另一个结点放热（变冷）的现象。吸热或放热量Q与回路中流过电流I的关系：3)ThomsoneffectdQ

3、/dx＝XTIdT/dxXTisThomsoncoefficient由同一种金属或半导体组成闭合回路，并保持回路两侧有一定的温差T，通入电流I时，则在回路的温度转折处产生正比于IT的吸热或放热（变冷）的现象。单位时间在单位长度上的吸热或放热量Q与回路中流过电流I的关系：三种热电效应的比较效应材料温度外电源表现特征塞贝克2种金属2端保持不同温度无结点有电压2种半导体2端保持不同温度无同上珀尔帖2种金属整体为某一温度有结点处产生焦耳热，且有吸热、放热2种半导体整体为某一温度有同上汤姆逊同种金属金属丝各保持不同温度有结点有吸热、放热同种

4、半导体金属丝各保持不同温度有同上二、热电偶的工作原理组成：两根不同金属热电势包括两部分：1、Peltier电势——两根不同金属的接触电势eAB(T)ABeAB(To)AB假定金属A的载流子浓度高2、Thomson电势——同一金属的温差电势ToAeA(T,To)TToBeB(T,To)T假定T>T0总电动势：EAB(T,To)=eAB(T)＋eB(T,To)－eAB(To)－eA(T,To)结论：1)A、B必是不同金属，否则EAB(T,To)=02）T、To不相等，否则EAB(T,To)=03）热电偶的热电势EAB(T,To)只与结点的

5、温度相关，与热电偶中间各处的温度无关。一般：eAB(T)>>eA(T,To)所以：EAB(T,To)=eAB(T)－eAB(To)又:eAB(To)＝constant=f(To)所以：EAB(T,To)=eAB(T)－f(To)=f(T)三、热电偶的基本定律1、中间导体定律2、中间温度定律EABC(T,To)=EAB(T,To)EAB(T,To)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,To)Why？Why？用于1）冷端不为零度时的测量；2）热电偶不够长使用补偿导线例题用镍铬－镍硅热电偶测炉温时，其冷端温度Tn＝30C,在直流电位计上的读

6、数为33.2074mV，求炉温？查表得：T＝800查热电偶分度表得：解：3、参考电极定律－组成定律即：EAB(T,To)=EAC(T,To)－EBC(T,To)例题铬合金－铂热电偶的热电势E(100C，0C)＝3.13mV，铝合金－铂热电偶的热电势E(100C，0C)＝－1.02mV，试求铬合金－铝合组成的热电偶的热电势E(100C，0C)设铬合金为A，铝合金为B，铂为C，解：例题P86，5－2四、热电偶实用测量电路1、基本测温电路补偿导线II＝EAB(T,To)/(Rz+Rc+Rm)2、两点温度差的测量电路反向串接3、平

7、均温度测量电路同向并接4、温度和的测量电路同向串接五、热电偶的冷端处理冷端常为室温(R.T.)问题：测量结果比实际温度高还是低？Why？结果比实际温度低，需要冷端补偿1、冰点法把冷端放在冰水中问题：如何获得可靠的0C？2、电位补偿法EAB(T,To)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,To)3、自动补偿法冷端温度补偿器R1、R2、R3为锰铜电阻（温度系数＝0），另一个电阻为铜电阻（温度系数>0）。一般地，在20摄氏度时，调R3，使电桥平衡。六、热电偶的结构种类及特点热电极绝缘套管保护管接线盒绝缘套管1、结构2、种类1）普通型2）铠装

8、3）薄膜型3、主要特点1）结构简单2）发电式，输出电压，直接用mV表测量3）测量精度高、范围大－269～1800C4）可远距离、多点、自动测量o5－2热电阻传感器利用电阻随温度变化的特点制成的传感器热电阻效应：材料的电