ch7+热电式传感器及其应用

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1、第7章热电式传感器及其应用热电式传感器：测量温度的装置或器件利用材料或组件与温度有关的物理特性，将温度变化转换为电信号变化第7章热电式传感器及其应用热电式传感器：测量温度的装置或器件利用材料或组件与温度有关的物理特性，将温度变化转换为电信号变化热电偶传感器热电阻传感器热敏电阻传感器教学基本要求和重点掌握有关热电偶、热电阻和热敏电阻的基本概念掌握三类热电式传感器的基本工作原理掌握热电偶的基本定律、基本类型、温度补偿方法、使用热电偶的测温方法掌握热电阻的内部引线方式及其适用场合掌握热敏电阻的电阻－温度特性会使用分度表7.1热电偶传感器特点：结构简单、使用方便、精度高、热惯性小，可测局部温

2、度和便于远程传送等优点。使用不同材质制成的热电偶系列，可以满足-200～近3000℃温度测量的需要由A、B两种导体的组合并将温度转换成热电势的装置称为热电偶。接触电势温差电势接触电势一、热电偶工作原理两种不同的导体A和B组合成图示闭合回路，当两个接触端T﹥T0时，回路中会产生热电势，这种现象叫做热电效应。1、热电效应：热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定.接触电势温差电势(1)接触电势（帕尔贴电势）含义：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。A和B两种半导体材料不同，温度保持一致A和B互相接触时，其内部电子密度不同若nA>nB自由电子从A扩散到BA失去电

3、子带正电，B得到电子带负电形成由A向B的内建电场，阻止电子进一步由A向B扩散。在E的作用下，B中的自由电子向A漂移当扩散和漂移达到动态平衡时AB中得到一个稳定的接触电势珀尔帖（Peltier）电势eAB(T)回路总接触电势接触电动势的数值：接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。(2)温差电动势同一导体两端温度不同：T>T0a端自由电子动能>b端自由电子动能电子由a扩散到ba失去电子带正电，b得到电子带负电形成由a向b的静电场Eab在E的作用下，b中的自由电子向a漂移扩散和漂移达到动态平衡ab中得到一个稳定的温差电势—汤姆逊（Thom

4、son）电势eA(T,T0)eA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0——高低端的绝对温度；σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，铜的σ=2μV/℃。对于A、B导体构成的闭合回路，总的汤姆逊电势将为这个电势的大小只与A、B材料和两结点温度(T，T0)有关热电偶回路中产生的总热电势（1）热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。结论(4点)：T0eA(T,T0)eB(T,T0)ABnA=nB则回路总电势为：即当材料相同，温度不同时，接触电势为零，温差电势大小相等、方向相反，总的热

5、电动势为0。（2）只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时：T0TeAB(T)eAB(T0)ABT=T0即当材料不同，温度相同时，温差电势为零，接触电势大小相等、方向相反，总的热电动势为0。（3）只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。当材料不同，温度相同时：（4）导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。通常令T0=0℃，在不同的温度下精确地测出回路总电势，

6、并将所测得的结果绘成曲线或列成表格。依据上述原理，采用两种不同导体的组合成为热电偶。采用焊接方法将两种材料的接点连接在一起，此接点为称为测温端或工作端。在测温时，将其置入被测温场中。当被测温场的温度确定时，两种材料的未连接端的温度确定热电偶电势的大小。一般要求未连接端恒定在某一温度，因此，将其称为参考端。接触电势温差电势热电偶原理图TT0AB热端冷端测量端或工作端参考端或自由端2.热电偶基本定律两种均质金属组成的热电偶的电势大小与热电极的直径、长度及沿热电极长度方向上的温度分布无关，只与热电极材料和温度有关。⑴.均质导体定律如果材质不均匀，则当热电极上各处温度不同时，将产生附加热电势，造

7、成无法估计的测量误差，因此，热电极材料的均匀性是衡量热电偶的重要指标之一。⑵.中间导体定律ABTT0CT0具有第三种导体的热电偶回路在热电偶回路中接入与另一种导体称中间导体C，只要中间导体的两端温度相同，热电偶回路总电动势不受中间导体接入的影响。如右图，回路总热电势为：对上式，当T=T0时，有：ABTT0CT0由此可见，引入第三个导体C后，只要保持C两端温度相等，不会影响回路中热电势的大小，中间导体定律成立。同理可证，若再插入第四种