傳感器技術第7章熱電式傳感器

1、第第7 7章章 熱電式傳感器熱電式傳感器 熱電式傳感器是一種將溫度變化轉換為電量變化的傳感器。 它是利用測溫敏感元件的電或磁的參數(shù)隨溫度變化而改變的特性，將溫度變化轉換為電量變化達到測量溫度的目的。7.1 熱電偶傳感器7.2 熱電阻傳感器7.3 熱敏電阻7.4 晶體管和集成溫度傳感器第第7 7章章 熱電式傳感器熱電式傳感器7.1 熱電偶傳感器 熱電偶傳感器簡稱熱電偶，是目前接觸式測溫中應用最廣的熱電式傳感器。其測溫范圍較寬，一般為-501600，最高的可達到3000， 并有較高的測量精度。 另外，它具有結構簡單、制造方便、熱慣性小、輸出信號便于遠傳等優(yōu)點。其產(chǎn)品已標準化、系列化、運用十分方便。

2、7.1 熱電偶傳感器7.1.1 基本原理及熱電效應7.1.2 熱電偶的基本定律7.1.3 熱電偶冷端溫度及其補償7.1.4 熱電偶的材料、分類與結構7.1.5 熱電勢的測量及熱電偶的標定7.1.6 熱電偶的傳熱誤差和動態(tài)誤差7.1.1 基本原理及熱電效應1.基本原理 1821年賽貝克發(fā)現(xiàn)了銅、鐵這兩種金屬的溫差電現(xiàn)象。即在這兩種金屬構成的閉合回路中，對兩個接頭中的一個加熱即可產(chǎn)生電流，如圖所示。 在冷接頭處，電流從鐵流向銅。由于冷、熱兩個端（接頭）存在溫差而產(chǎn)生的電勢差E，就是溫差熱電勢。 這種由兩種不同的金屬構成的能產(chǎn)生溫差熱電勢的裝置稱為熱電偶。7.1.1 基本原理及熱電效應2.熱電效應

3、將兩種不同的導體（或半導體）A、B組合成閉合回路，若兩結點處溫度不同，則回路中將有電流流動，即回路中有熱電動勢存在，這種現(xiàn)象稱為熱電效應或塞貝克效應。 此電動勢的大小除了與材料本身的性質有關以外，還決定于結點處的溫差。 熱電效應產(chǎn)生的熱電勢由接觸電勢(珀爾帖)和溫差電勢(湯姆遜)兩部分組成的。7.1.1 基本原理及熱電效應（1）接觸電勢 當兩種導體（或半導體）接觸在一起時，由于不同導體的自由電子密度不同，在結點處就會發(fā)生電子遷移擴散。 失去電子的導體呈正電位，得到電子的導體呈負電位。當擴散達到平衡時，在兩種金屬的接觸處形成電位差，此電位差稱為接觸電勢。 其大小與兩種導體的性質及結點的溫度有關，

4、可表示為： 7.1.1 基本原理及熱電效應 式中，EAB(T)為A、B兩種導體在溫度T時的接觸電勢； K為玻爾茲曼常數(shù)；e為電子電荷； NA，NB為導體A、B的自由電子密度； T為結點處的絕對溫度。 AABBNKTE (T) =ln(7.1)eN7.1.1 基本原理及熱電效應（2）溫差電勢(湯姆遜電勢) 產(chǎn)生原因是，金屬導體兩端的溫度不同，則其自由電子的濃度亦不相同，溫度高的一端濃度較大;因此高溫端的自由電子將向低溫端擴散，高溫端失去電子帶正電，低溫端得到多余的電子帶負電，從而形成溫差電勢：0TA0ATE (T,T ) = dT(7.2) 式中，EA(T,T0)為導體A的兩端溫度分別為T與T0

5、時的溫差電勢；A為溫度系數(shù)（又叫湯姆遜系數(shù)），它表示單一導體的兩端溫差為1時所產(chǎn)生的溫差電勢。7.1.1 基本原理及熱電效應熱電偶的熱電勢如圖所示7.1.1 基本原理及熱電效應00AAB0ABB()( ,)ln()dTTk TTNET TTeN-可進一步寫成AB0ABAB0B0A0E(T,T ) = E(T) - E(T ) + E (T,T ) - E (T,T )(7.3)可表示為：7.1.1 基本原理及熱電效應幾點結論： 如果組成熱電偶的兩個電極的材料相同，即使是兩結點的溫度不同也不會產(chǎn)生熱電勢。 組成熱電偶的兩個電極的材料雖然不相同，但是兩結點的溫度相同也不會產(chǎn)生熱電勢。 由不同電極材

6、料A、B組成的熱電偶，當冷端溫度T0恒定時，產(chǎn)生的熱電勢在一定的溫度范圍內是熱端溫度 T 的單值函數(shù)。賽貝克效應7.1.2 熱電偶的基本定律1.勻質導體定律 由同一種勻質（電子密度處處相同）導體或半導體組成的閉合回路中，不論其截面積和長度如何，不論其各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢，這就是勻質導體定律。 （1）熱電偶必須由兩種不同的勻質材料制成，熱電勢的大小只與熱電極材料及兩個結點的溫度有關，而與熱電極的截面及溫度分布無關。 （2）此定律可用來檢驗熱電極材料是否為勻質材料。 7.1.2 熱電偶的基本定律2.中間導體定律 在熱電偶回路中接入第三種金屬導體，如圖所示，只要該金屬導體C與金屬導體

7、A、B的兩個結點處在同一溫度，則此導體對于回路總的熱電勢沒有影響，稱為中間導體定律。 熱電偶回路接入中間導體C后的熱電勢為：ABC0ABBC0CA0A0B0C00E(T,T ) = E (T)+ E (T )+E (T )+ E (T ,T)+E (T,T )+ E (T ,T )7.1.2 熱電偶的基本定律所以00C0BBBC0CA0AB0CAAkTkTNkTNNE (T )+E (T ) =ln+ln=ln= -E (T )eNeNeNC00A0A0E (T ,T ) = 0,E (T ,T) = -E (T,T )ABC0ABAB0B0A0AB0E(T,T ) = E (T)- E (T

8、 )+E (T,T )- E (T,T )= E (T,T )(7.4)因而中間導體定律得到證明。 7.1.2 熱電偶的基本定律 此定律具有特別重要的實用意義，因為用熱電偶測溫時必須接入儀表(第三種材料)，根據(jù)此定律，只要儀表兩接入點的溫度保持一致，儀表的接入就不會影響熱電勢。 7.1.2 熱電偶的基本定律3. 連接導體定律和中間溫度定律 在熱電偶回路中，如果熱電極A與B分別連接導線a、b，其結點溫度分別為T、Tn和T0，如圖所示。 則回路的總熱電勢EABba(T,Tn,T0)等于熱電偶的熱電勢EAB(T,Tn)與連接導線的熱電勢Eab(Tn,T0)之和，這就是連接導體定律，可用下式表示： A

9、Bban0ABnabn0E(T,T ,T ) = E(T,T ) + E (T ,T )(7.5)7.1.2 熱電偶的基本定律 當A和a，B和b的材料分別相同時，其各結點的溫度仍為T，Tn和T0時，總熱電勢由上式可得： ABn0ABnABn0E (T,T ,T ) = E (T,T )+ E (T ,T )(7.6) 這就是中間溫度定律。它表明結點溫度為T和T0的熱電偶，其熱電勢等于結點溫度分別為T和Tn(中間溫度)，以及Tn和T0兩支同性質熱電偶熱電勢的代數(shù)和。 7.1.2 熱電偶的基本定律 中間溫度定律也有重要的應用。 熱電偶的分度表均是以參比端T0=0為標準的，而熱電偶在實際使用時其參比

10、端溫度不是0，一般是高于0的某個數(shù)值，如Tn=20，此時可根據(jù)中間溫度定律修正熱電勢，從而得到被測溫度。 圖7.5 TT0.ABTnTT0.ABTnTn.ab7.1.3 熱電偶冷端溫度及其補償 在實際使用中若冷端不能保持在0或冷端溫度隨環(huán)境變化，將引入測量誤差。這就必須對熱電偶的冷端（參比端）進行溫度補償。 1. 冷端溫度修正法（1）計算修正法 (熱電勢修正法) 當熱電偶冷端溫度T00時，可用下面公式對熱電勢進行修正。ABAB0AB0E(T,0) = E(T,T ) + E(T ,0)(7.7) EAB(T,0)是測量端溫度為T，冷端溫度T0時經(jīng)修正后的熱電勢；EAB(T,T0)為測量端溫度為

11、T，冷端溫度T0（0）時實際測量得到的熱電勢，EAB(T0,0)為測量端溫度為T0，冷端溫度為0時的熱電勢，它即為冷端溫度不為0時的熱電勢修正值。 7.1.3 熱電偶冷端溫度及其補償7.1.3 熱電偶冷端溫度及其補償（2）冰浴法冰浴法 根據(jù)物理學可知，在冰水共存容器中，可獲得標準的0溫度。所以為了測溫準確，可以把熱電偶的冷端置于冰水混合物的容器里，保證使冷端溫度為0。這種辦法最為妥善，然而不夠方便，所以僅限于在實驗室中使用。7.1.3 熱電偶冷端溫度及其補償 例7.1 利用鉑銠-鉑熱電偶（S型）測溫時，設測量得到T0 = 20，EAB(T,T0) = 7.322mv,求T。 解： 查PtRh-

12、Pt熱電偶分度表，可得EAB(20,0) =0.113mv，有： EAB(T,0) = EAB(T,T0)+EAB(T0,0) = 7.322mv+0.113mv = 7.435mv 反查分度表，可得T = 810.4。7.1.3 熱電偶冷端溫度及其補償（3）溫度修正法 當熱電偶冷端溫度T00時，令T為查分度表所得的值，則被測的真實溫度T為： T = T + kT0 k為熱電偶的修正系數(shù)，決定于熱電偶種類和測溫范圍。 7.1.3 熱電偶冷端溫度及其補償 例7.2 利用鉑銠-鉑熱電偶測溫時，設測量得到 T0 = 20，EAB(T,T0) = 7.322mv,求T。 解：令EAB(T,0) = 7

13、.322mv，得T=800 查表9-1得，k=0.59 所以，T = T + kT0 =800+0.5920=811.82、冷端溫度自動補償法(1)電橋補償法 該方法利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓來補償熱電偶冷端溫度變化引起的熱電勢變化。 7.1.3 熱電偶冷端溫度及其補償+- 實際使用時，選擇R2的阻值，使得熱電偶冷端溫度為T0時電橋保持平衡，輸出Uab=0。 當冷端溫度升高時，R2阻值隨之增大，電橋失去平衡，產(chǎn)生不平衡輸出電壓Uab，同時，由于冷端溫度的升高又造成熱電偶的熱電勢Et下降。 若Uab的增量等于熱電偶電勢Et的減少量，則回路總電勢UAB的值就不會隨熱電偶的變化而變化。 7.1.3 熱

14、電偶冷端溫度及其補償7.1.3 熱電偶冷端溫度及其補償（2）pn結冷端溫度補償法pn結的端電壓與溫度有較理想的線性關系。溫度系數(shù)為-2.2mV/（3）延引熱電極法 補償導線的使用是以熱電偶連接導體定律為依據(jù)的。 補償導線是指在一定的溫度范圍內，其熱電性能與其相應熱電偶的熱電性能十分匹配的一種廉價導線。7.1.3 熱電偶冷端溫度及其補償7.1.3 熱電偶冷端溫度及其補償 其作用是：用廉價補償導線作為貴金屬熱電偶的延長線，以節(jié)約貴金屬熱電偶； 將熱電偶的冷端遷移到離被測對象較遠且環(huán)境溫度較恒定的地方，這樣有利于冷端溫度的修正和測量誤差的減少。 常用熱電偶補償導線列于書上表9.3？。 7.1.3 熱

15、電偶冷端溫度及其補償7.1.3 熱電偶冷端溫度及其補償3. 3. 軟件處理法軟件處理法 對于計算機系統(tǒng)，不必全靠硬件進行熱電偶冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為0的情況，只需在采樣后加一個與冷端溫度對應的常數(shù)即可。對于經(jīng)常波動的情況，可利用熱敏電阻或其他傳感器把信號輸入計算機，按照運算公式設計一些程序，便能自動修正。1、熱電極材料 雖然金屬都有熱電效應，但在實際應用中，不是所有的金屬都可以作為熱電偶的。作為熱電偶回路電極的金屬導體應具備以下幾個特點： 7.1.4 熱電偶的類型及結構 溫度測量范圍廣。要求在規(guī)定的溫度測量范圍內有較高的測量精確度，有較大的熱電動勢。溫度與熱電動勢的關系是單值函數(shù)，最

16、好是呈線性關系。 性能穩(wěn)定。要求在規(guī)定的溫度測量范圍內使用時熱電性能穩(wěn)定，均勻性和復現(xiàn)性好。7.1.4 熱電偶的類型及結構 物理化學性能好。要求在規(guī)定的溫度測量范圍內有良好的化學穩(wěn)定性、抗氧化性或抗還原性能。滿足上述條件的熱電偶材料并不很多。我國把性能符合專業(yè)標準或國家標準并具有統(tǒng)一分度表的熱電偶材料稱為定型熱電偶材料。7.1.4 熱電偶的類型及結構2.熱電偶的分類 熱電偶分為標準化與非標準化兩大類。（1）標準化熱電偶 標準化熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度關系及允許誤差，并有統(tǒng)一標準分度表的熱電偶。 （2）非標準化熱電偶3、熱電偶的結構1. 普通工業(yè)用裝配式熱電偶工業(yè)用裝配式熱電偶結構

17、示意圖接線盒保險套管絕緣套管熱電偶絲7.1.4 熱電偶的類型及結構1322、鎧裝熱電偶由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為兩種形式如圖。鎧裝熱電偶斷面結構示意圖1金屬套管; 2絕緣材料; 3熱電極 (a)接殼式(b)絕緣式 接殼式與絕緣式熱電偶斷面結構示意圖7.1.4 熱電偶的類型及結構3快速反應薄膜熱電偶 用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜狀熱電偶。其熱接點極薄(0.010.lm)。4123快速反應薄膜熱電偶1熱電極; 2熱接點;3絕緣基板; 4引出線 特別適用于對壁面溫度的快速測量。反應時間僅為幾ms。 7.1.4 熱電偶

18、的類型及結構7.2 熱電阻傳感器7.2.1 熱電阻的工作原理及材料結構7.2.2 熱電阻的測量電路1.熱電阻工作原理 熱電阻就是利用物質（一般為純金屬）的電阻隨溫度變化并呈一定函數(shù)關系的特性，制成溫度傳感器來進行測溫的。 一般結構如圖所示。將鉑絲繞在有鋸齒的云母骨架上，構成感溫元件，用銀導線作為引出線與顯示儀表連接。7.2.1 熱電阻的工作原理及材料結構 當感溫元件上的熱電阻材料處于不同溫度時，感溫元件的電阻值隨溫度而變化，并呈一定的函數(shù)關系。 將變化的電阻值作為信號輸入具有平衡或非平衡電橋回路的顯示儀表，即可測得被測溫度的值。 7.2.1 熱電阻的工作原理及材料結構 熱電阻傳感器分為金屬熱電

19、阻和半導體熱電阻兩大類, 一般把金屬熱電阻稱為熱電阻, 而把半導體熱電阻稱為熱敏電阻。2.金屬熱電阻（1）對熱電阻材料的要求如下： 具有較大的電阻率及較高的電阻溫度系數(shù)，以便有較高的靈敏度和測量精度； 在使用范圍內，物理、化學性能穩(wěn)定； 電阻與溫度關系特性好。電阻與溫度的函數(shù)呈單值函數(shù)（最好是呈線性關系）；對同一種材料來講，其復制性要好，以便批量生產(chǎn)。7.2.1 熱電阻的工作原理及材料結構（2）金屬熱電阻種類 鉑熱電阻 其物理與化學性能都非常穩(wěn)定，即使是在高溫和氧化介質中也是如此,是目前制造熱電阻的最好材料。 Pt還具有較大的電阻率（=0.1W mm2/m）和高的熔化溫度（1772），因此體積

20、可做得較小，測溫范圍也比較寬。按IEC標準, 鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200 - +850。 7.2.1 熱電阻的工作原理及材料結構 鉑電阻在高精度的工業(yè)測量及計量檢定中得到廣泛的應用。通常用作標準熱電阻。 Pt電阻的電阻值和溫度的關系在-190-0之間為 23T0R= R 1 + AT + BT+ C(T - 100)T (7.13)在0-630.74之間為 2T0R= R 1 + AT + BT (7.14)7.2.1 熱電阻的工作原理及材料結構7.2.1 熱電阻的工作原理及材料結構式中， R0、RT為0、T時的電阻； A、B、C為分度系數(shù)，A=3.9684710-3(1/)； B=-5

21、.8410-7(1/)-2； C=-4.2210-12(1/)-4。 由以上兩式可見，要確定電阻RT與溫度T的關系，首先要確定R0的數(shù)值，R0稱為熱電阻的標稱值。 7.2.1 熱電阻的工作原理及材料結構 電阻在溫度T時的電阻值與R0有關。目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10和R0=100兩種, 它們的分度號分別為Pt10和Pt100, 其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號亦有相應分度表, 即Rt-t 的關系表,這樣在實際測量中, 只要測得熱電阻的阻值Rt, 便可從分度表上查出對應的溫度值。 7.2.1 熱電阻的工作原理及材料結構 由于Pt為貴金屬，在測量精度要求不高和測量范圍較小時，大

22、多采用Cu電阻。 Cu熱電阻。 Cu價格低廉，容易提純，在-50-150的溫度范圍內化學、物理性能穩(wěn)定，靈敏度高(溫度系數(shù)大)，輸出輸入特性接近線性，且價格便宜。 其缺點是電阻率較Pt小，電阻絲細而長，機械強度較差。 由于Cu熱電阻的體積較大，且當溫度高于100時易被氧化，因此Cu熱電阻適用于工作在溫度較低的介質中，及測量精度要求不太高、測溫范圍比較小的場合。7.2.1 熱電阻的工作原理及材料結構 在-50150的溫度范圍內，Cu電阻的阻值和溫度的關系為T000R= R 1 + a (t - t )(7.15)7.2.1 熱電阻的工作原理及材料結構常用熱電阻的特性如圖所示。圖7.13L引線鉑絲

23、骨架7.2.2 熱電阻的測量電路 在實際溫度測量中，通常用電橋來測量熱電阻的電阻值。 由于熱電阻的阻值都是在幾到幾十范圍，因此，熱電阻的引線及連接導線的電阻對溫度測量結果有很大影響，特別是熱電阻的引線常處于被測溫度的環(huán)境中，溫度波動較大，其阻值隨溫度的變化難以估計和修正。 為減少導線電阻的影響，工業(yè)用熱電阻的引線有兩線制，三線制和四線制。 二線制中引線電阻對測量影響大, 用于測溫精度不高場合。三線制可以減小熱電阻與測量儀表之間連接導線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差。 四線制可以完全消除引線電阻對測量的影響,用于高精度溫度檢測。7.2.2 熱電阻的測量電路A. 兩線制n這種引線方式簡單、費

24、用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差。n兩線制適于引線不長、測溫精度要求較低的場合。7.2.2 熱電阻的測量電路B、三線制測溫消除導線產(chǎn)生誤差原理 相臨兩橋臂增加同一阻值的電阻，對電橋的平衡無影響。0設計使,tRRRR000000()()()tttttRrRrUERRrRRrRRRERRrRRrRRER-7.2.2 熱電阻的測量電路C、四線制測溫7.2.2 熱電阻的測量電路實驗室用，高精度測量 7.3 熱敏電阻 它是利用半導體的電阻值與溫度呈現(xiàn)一定函數(shù)關系的原理制成的溫度傳感器。 熱敏電阻的符號如圖所示。7.3 熱敏電阻1.熱敏電阻的特點 電阻溫度系數(shù)大，約為熱電阻的10倍，靈敏

25、度高； 結構簡單，體積小，熱慣性小，可以用來測定點溫度及變化溫度。 使用壽命長； 利用半導體摻雜技術，可以測量42100K之間的溫度，是一種重要的低溫傳感器。 使用方便，電阻值可在0.1-100kW之間任意選擇。其不足之處是互換性差，離散性嚴重。9.3 熱敏電阻2.熱敏電阻的結構形式 熱敏電阻是用一些金屬氧化物，按一定的比例混合進行研磨，摻入一定的粘合劑成型，再經(jīng)高溫燒結而成。 采用不同的封裝形式，熱敏電阻可制成珠狀、圓片形、片形、桿狀等各種形狀，如圖所示。作為感溫元件通常選用珠狀和圓片形。 7.3 熱敏電阻3熱敏電阻的主要類型 熱敏電阻主要有三種類型，即正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻、負溫度系

26、數(shù)(NTC)熱敏電阻及在某一特定溫度下電阻值會發(fā)生突變的臨界溫度熱敏電阻器(CTR)。 如圖所示，為幾種不同材料的熱敏電阻的溫度特性。負溫度系數(shù)熱敏電阻應用較為普遍。 7.3 熱敏電阻正溫度系數(shù)（PTC）型熱敏電阻。其特性曲線是隨溫度升高而阻值增大，可用于元件的過熱保護。臨界型（CTR）熱敏電阻。在某個溫度范圍里阻值急劇下降，曲線斜率在此區(qū)段特別陡峭，靈敏度極高。此特性可用于溫度開關。 負溫度系數(shù)熱敏電阻。其特性曲線是隨溫度升高而阻值減小。特別適合于-100300之間的溫度測量，可用于自動控制及電子線路補償。4、熱敏電阻的主要特性(1)溫度特性 特性曲線如圖所示，其阻值與溫度的關系為/eBTTRA式中，RT是溫度為T時的阻值；T為溫度，單位是K；A、B為取決于材質和結構的常數(shù)。7.3 熱敏電阻 7.3 熱敏電阻 1(1/1/)1eBTTTRR-由上面的關系式不難得到下式 式中，RT為任意溫度T時熱敏電阻的阻值，T為任意溫度，R1為標準溫度T1時的阻值。1(/)11 21212lnB TAR eTTRBTTR-已知兩個電阻值R1和R2以及相應的溫度T1和T2時7.3 熱敏電阻通常取20時的熱敏電阻值為R1，稱為額定電阻，記為R20。取相應于100時的電阻R100作為R2，此時T1=293K,T2=373K,可得B。B一般被稱為熱敏電