传感器 第5版 教学课件 作者 唐文彦 第8章.pptx

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1、普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器（第5版）哈尔滨工业大学唐文彦主编第一节热电偶传感器第二节热电阻传感器第三节热敏电阻传感器第四节集成温度传感器第八章热电式传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材返回主目录第一节热电偶传感器一、热电偶的工作原理1、热电效应将两根不同材料的导体或半导体（A和B）联接起来构成一个回路，如果两个接合点处的温度不同（T0≠T1），则在两导体向产生热电势，并在回路中有一定大小的电流，这种现象称为热电效应。第八章热电式传感器T0TBA图8-1热电效应由热电效应制成的测温传感器就是热电偶。测温时：结点2置于被测温度场中，称为测量端（工

2、作端、热端）；结点1处于某一恒定温度（或已知温度），称为参考端（自由端或冷端）。T0TBA12第一节热电偶传感器接触电动势由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA>NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势，其大小可表示为：式中：K—波尔兹曼常数，K＝1.38×10

3、-23e—电子电荷量e=1.6×10-19CNA(NB)为A(B)材料的自由电子密度。第一节热电偶传感器(2)温差电势同一导体中的，如果两端温度不同，在两端间会产生电动势，即产生单一导体的温差电动势，这是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散的结果。高温端因失去电子而带正电，低温端由于获得电子而带负电，在高低温端之间形成一个电位差。温差电动势的大小与导体的性质和两端的温差有关，表示为：σA—A材料的汤姆逊系数。（表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势）第一节热电偶传感器对于图8-2中导体A、B组成的热电偶回路，当温度时，回路总的热电势

4、可表示为式中—导体A在结点温度为和时的电子密度；—导体B在结点温度为和时的电子密度；—导体A和B的汤姆逊系数。图8-2闭合回路温差电动势第一节热电偶传感器由此可得出有关热电偶回路的几点结论：1）如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体即，，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电动势为零。因此，热电偶必须采用两种不同的材料作为热电极。2）如果热电偶两结点温度相等，即，则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路内的总电动势亦为零。3）热电偶AB的热电动势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。第一节热电偶传感器2、热电偶的基本定律（1）中间导体定律在热电偶

5、回路中接入第三种材料的导线，只要其两端的温度相等，第三导线的引入不会影响热电偶的热电动势。第一节热电偶传感器（2）参考电极定律图由于纯铂丝的物理化学性能稳定，熔点较高，易提纯，所以目前常用纯铂丝作参考电极。如果已求出各种热电极对铂极的热电特性，可大大简化热电偶的选配工作。图8-4参考电极定律示意图第一节热电偶传感器（3）中间温度定律当热电偶的两个节点温度为T，T1时,热电势为EAB（T,T1）；当热电偶的两个节点温度为T1，T0时,热电势为EAB（T1,T0）；当热电偶的两个节点温度为T，T0时,热电势为第一节热电偶传感器二、常用的热电偶热电偶名称分度号极性化学成

6、分100℃时电势(mV)使用温度允许误差长期短期(℃)铂铑10－铂LB-3正Pt90%Rh10%0.64313001600≤600＞600负Pt100%±2.4±0.4%t铂铑30－铂铑6LL2正Pt70%Rh30%0.03416001800≤600＞600负Pt94%Rh6%±3±0.5%t镍铬－镍硅EU-2正Cr9~10%Si0.4%Ni90%4.1010001200≤400＞400负Si2.5~3.0%Co≤0.6%Ni97%±4±0.75%t镍铬－考铜EA-2正Cr9~10%Si0.4%Ni90%6.95600800≤400＞400负Cu56~57%Ni4

7、3~44%±4±1%t铜－康铜正Cu100%4.26200300-200~-400-40~400负Cu55%Ni45%±2%t±0.75%第一节热电偶传感器三、热电偶的温度补偿在实际使用时，由于热电偶的热端（测量端）与冷端离的很近，冷端又暴露于空间，容易受到环境温度的影响，因而冷端温度很难保持恒定。为此需要进行温度补偿。由热电偶测温原理可知，只有当热电偶的冷端温度保持不变，热电势才是被测温度的单值函数。工程技术上使用的热电偶分度表和根据分度表刻划的测温显示仪表的刻度都是根据冷端温度为0℃而制作的。第一节热电偶传感器电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因

8、冷端温度不