傳感器原理與應(yīng)用_4_溫度傳感器_1_熱電偶

1、第第4章章 溫度傳感器溫度傳感器 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用溫度傳感器溫度傳感器 n將溫度轉(zhuǎn)換為電勢電勢的熱電式傳感器叫做熱電偶熱電偶，n將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值電阻值的熱電式傳感器叫做熱電阻熱電阻（金屬）（金屬）n半導體半導體集成溫度傳感器AD590n熱敏電阻熱敏電阻（半導體，陶瓷）n熱釋電紅外紅外傳感器溫標溫標n為了定量的描述溫度高低，必須建立溫度標尺溫度標尺，即溫標溫標。n各種溫度計和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標確定。n熱力學溫度熱力學溫度是國際上公認的基本溫度，我國實行的是1990年國際溫標（ITS-90）。國際開爾文溫度為T90單位為K（開爾文）國際攝氏溫度為t90單位是（攝氏度）9

2、090/=T /273.15tK 華氏溫標單位是 （度）華氏度 = 32 + 攝氏度 1.8攝氏度 = (華氏度- 32) 1.8非重點4.1 熱電偶熱電偶part 1. 原理原理熱電偶熱電偶n熱電偶傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化電勢變化的傳感器。n在工業(yè)應(yīng)用中，熱電偶是應(yīng)用最廣泛的測溫元件之一。n優(yōu)點：q測溫范圍廣，可以在1K2800范圍內(nèi)使用。q精度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)性能好q能把溫度轉(zhuǎn)換為電勢信號，便于處理和遠距離傳輸。熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)n熱電偶是利用熱電效應(yīng)制成的溫度傳感器。n熱電偶效應(yīng)是1823年，賽貝克（SeeBack）發(fā)現(xiàn)的，相應(yīng)的原理如圖所示：把兩種不同的金屬A、B

3、連接成閉合回路，將它們的兩個接點分別置于溫度為T及T0（設(shè)T T0）的熱源中，則在該回路中會有電流流動，會產(chǎn)生熱點勢。這一現(xiàn)象稱為熱電動勢效應(yīng)，也成為熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)（賽貝克效應(yīng)）。產(chǎn)生的電動勢叫做熱電勢熱電勢（也成賽貝克電勢），用EAB(T,T0)表示。接觸電勢接觸電勢 n因不同金屬的自由電子密度不同，當兩種金屬接觸在一起時，在接點處會發(fā)生電子遷移擴散。n電子從濃度大的向濃度小的金屬擴散，濃度高的失去電子顯正點，濃度低的得到電子顯負點，當擴散達到某種動態(tài)平衡時，得到一個穩(wěn)定的接觸電勢，在金屬的接觸處形成電位差，此電位差稱為接觸電勢接觸電勢.n其大小與兩種導體的性質(zhì)、接點溫度有關(guān)。 n當溫度為

4、T時，熱端的接觸電勢可以表示為：n相應(yīng)的冷端的接觸電勢可以表示為：n式中：qK: 波爾茲曼常數(shù)，K=1.3810-23J/Kqe: 電子電荷量， e=1.610-19CqT、T0: 分別表示熱端和冷端的溫度qNA、NB: 分別表示金屬A、B的自由電子濃度,( )ln()A TABB TNKTeTeN00,00,()ln()A TABB TNKTeTeN溫差電勢（湯姆遜電勢）溫差電勢（湯姆遜電勢） n對于單一的金屬，如果兩端的溫度不同，導體兩端也會產(chǎn)生電勢，該電動勢稱為單一導體的溫差電勢溫差電勢。 n產(chǎn)生該電勢的原因是由于導體內(nèi)高溫端的自由電子相對于低溫端具有較大的動能，高溫端自由電子向低溫端遷

5、移擴散高溫端自由電子向低溫端遷移擴散。n由于導體高溫端失去電子帶正電荷，低溫端得到電子帶負電荷，從而形成一個靜電場。n該電場阻礙電子的繼續(xù)擴散，當達到動態(tài)平衡時，導體的兩端便產(chǎn)生一個相對的電位差，從而形成溫差電勢。 n熱電極A中，溫差電勢的大小可以表示成：n熱電極B中，溫差電勢的大小可以表示成：n式中：qA、B : 熱點極A、B的湯姆遜系數(shù)湯姆遜系數(shù)，q表示單一導體兩端溫度差為1時所產(chǎn)生的溫差電勢，其值與材料性質(zhì)以及兩端溫度有關(guān)。 00( ,)TAATe T TdT00( ,)TBBTe T TdT熱電偶回路的熱電勢熱電偶回路的熱電勢 n在一個熱電偶回路中，總的熱電勢為： 0000000,0,

6、( ,)( )()( ,)( ,)ln()ln()ABABABABTA TA TBATB TB TET TeTeTe T Te T TNNKTTdTeNN 結(jié)論結(jié)論 n熱電偶兩個電極材料相同，即NA=NB，A=B，無論兩端點溫度如何變化，總的熱電勢為零；n如果熱電偶的兩個接點溫度相同，即T=T0時，無論導體A、B材料相同或不同，回路的總電勢也為零；n熱電偶必須用不同材料作為電極用不同材料作為電極，在T、T0兩端必須有溫度梯度，這是熱電偶產(chǎn)生熱電勢的必要條件必要條件；n由于熱電偶的熱電勢是兩個結(jié)點溫度的函數(shù)，因此必須固定參考端（冷端）的溫度，才能確定熱電勢與被測溫度T的對應(yīng)關(guān)系。熱電偶的技術(shù)指標

7、熱電偶的技術(shù)指標 n分度號分度號 q國際上，按照熱電偶的A、B熱電極材料不同分成若干個分度號。 n分度表分度表 q由于多數(shù)熱電偶的輸出都是非線性非線性的，國際計量委員會已對這些熱電偶的每一度的熱電偶做了非常精密的測試，并向全世界公布了其分度表。n可以通過測量熱電偶輸出的熱電勢再查分度表得到相應(yīng)的溫度值。分度表是以每10分檔的，中間值按內(nèi)插法計算。qtM：被測溫度值qtH：較高溫度值qtL：較低溫度值qEM、EH、EL：分別為溫度tM、tH、tL對應(yīng)的熱電勢。()MLMLHLHLEEttttEE幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度關(guān)系曲線幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度關(guān)系曲線 E JKNRSBNKJE10

8、20304050-2-4-6-8-10熱電偶結(jié)構(gòu)熱電偶結(jié)構(gòu) n常見的熱電偶結(jié)構(gòu)形式主要有普通熱電偶、薄膜熱電偶、鎧裝熱電偶、表面熱電偶等。 非重點熱電偶的基本定律熱電偶的基本定律 n1. 中間導體定律中間導體定律q當熱電偶回路接入第三種金屬導體C，只要金屬導體C與金屬導體A、B的兩個接電處于同一溫度，則此導體對回路總的熱電勢沒有影響總的熱電勢沒有影響，其中導體C稱為中間導體。 熱電偶的特點熱電偶的特點 n優(yōu)點優(yōu)點q測溫范圍廣，能測較高的溫度（-1802800）q輸出的是電壓信號，測量方便，便于遠距離傳輸q結(jié)構(gòu)簡單，維護方便q熱慣性和熱容量小，便于快速測量q自身產(chǎn)生電壓，不需要外加驅(qū)動電源，是典

9、型的自發(fā)自發(fā)電式傳感器電式傳感器n缺點缺點q低靈敏度、低穩(wěn)定性q高溫下容易老化q有漂移以及非線性q需要外部參考端 非重點n回路總電勢為：n若三個接觸點置于恒溫T0環(huán)境下，回路中是沒有電動勢的。因此有：n由于：n因此得到：n進一步得到：n帶入得到：00000000( ,)( )()()( )()()()TTABCABBCCAABTTTABBCCABATET TeTeTeTdTdTeTeTeTdT000000(,)()()()()0TABCABBCCABATET TeTeTeTdT00()0TBATdT000()()()0ABBCCAeTeTeT000()()()BCCAABeTeTeT 0000

10、( ,)( )()()( ,)TABCABABBAABTET TeTeTdTET Tn定律的應(yīng)用：定律的應(yīng)用：q利用熱電偶進行測溫時，必須在回路中引入連接導線和儀表，接入導線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。 000000000( ,)( )()()( ,)( )()()( ,)( )()()TABABABBATTACACACCATTBCBCBCCBTET TeTeTdTET TeTeTdTET TeTeTdT0000000000000,0,0,0,0 ( ,)( ,)( ,)( ,)ln()ln()()ln()ln()()ln()ln()()( ,)ACCBACBCTA TA TCATC TC

11、 TTB TB TCBTC TC TTB TB TBATC TC TABET TET TET TET TNNKTKTdTeNeNNNKTKTdTeNeNNNKTKTdTeNeNET Tn2. 標準電極定律標準電極定律q當接點溫度為T和T0時，用導體A、B組成熱電偶產(chǎn)生的熱電勢等于A、C熱電偶和C、B熱電偶熱電勢的代數(shù)和，即 q其中，導體C稱為標準電極標準電極（一般由鉑制成）。這一規(guī)律稱為標準電極定律標準電極定律。 000( ,)( ,)( ,)ABACCBET TET TET T非重點n定律的應(yīng)用：定律的應(yīng)用：q通常都是選用高純鉑絲作為標準電極。q只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的分度表，則各

12、種金屬之間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據(jù)標準電極定律計算出來。 n3. 連接導體定律與中間溫度定律連接導體定律與中間溫度定律 n在熱電偶回路中，若導體A、B分別與連接導線A、B相連接，接點溫度分別為T、Tn、T0，則回路的總熱電勢為： 0000( ,)( )()()() nnnnABB AnABBBnB AA AnTTTTAABBTTTTET T TeTeTeTeTdTdTdTdTn上式為連接導線定律連接導線定律的數(shù)學表達式，即回路總熱電勢等于熱電偶電勢EAB(T,Tn)與連接導線電勢EAB(Tn,T0)的代數(shù)和。n連接導線定律是工業(yè)上運用補償導線進行溫度測量的理論基礎(chǔ)。 00( ,)(

13、,)(,)ABB AnABnA BnET T TET TET Tn如果導體A與A，B與B材料分別相同時，上式可變形為：n上式為中間溫度定律中間溫度定律的數(shù)學表達式，即回路總熱電勢等于EAB(T,Tn)與EAB(Tn,T0)的代數(shù)和。其中Tn稱為中間溫度。n中間溫度定律為指定熱電勢分度表奠定了理論基礎(chǔ)，只要求得參考溫度0時的熱電勢與溫度關(guān)系，就可求出參考電壓不等于0時的熱電勢。 00( ,)( ,)(,)ABnABnABnET T TET TET T4.1 熱電偶熱電偶part 2. 基本應(yīng)用電路基本應(yīng)用電路非線性校正非線性校正n熱電偶的輸出電勢輸出電勢與溫度溫度的關(guān)系是 非線性非線性的E JK

14、NRSBNKJE1020304050-2-4-6-8-10非線性校正熱電偶測量電路溫度Ti熱電勢E(Ti,0)電壓Vout)()0 ,(1iiTfTE )0 ,(2iioutTEfTV iiiioutkTTffTEfTV122)0 ,(線性線性目標目標 112fkff1()非線性f2()非線性非線性校正-測量電路特性曲線)(1f)(2f實驗測得熱電偶的分度表（一系列離散點）轉(zhuǎn)換得到f2()的樣本點得到一條擬合曲線n對于K型熱電偶，采用最佳一致逼近原則最佳一致逼近原則得到的非線性校正方程為：非線性校正-最佳一致逼近)0 ,(347332. 0)0 ,(952.249763. 72iioutTET

15、EVE J KNRSBNKJE1020304050-2-4-6-8-10n測量電路的數(shù)學模型得到了，為：非線性校正-電路實現(xiàn))0 ,(347332. 0)0 ,(952.249763. 72iioutTETEV【思考】如何用電路實現(xiàn)上述的系統(tǒng)函數(shù)？非線性校正-電路實現(xiàn))0 ,(347332. 0)0 ,(952.249763. 72iioutTETEV？【復(fù)習】同相放大器nPort+與Port-虛短，則有：-VV（）（）nPort+與Port-虛斷，反向輸入端沒有電流，則通過R1和R2的電流相等，設(shè)此電流為I，根據(jù)歐姆定律得：12outVIRRn由于V（-）等于R2上的分壓：22-12=out

16、VVIRRRR（）n又因為：-inVVV（）（）122outinRRVVR非線性校正-電路分析同向放大器同向放大器)0 ,(952.249)0 ,(3.16376.233003.1)0 ,(11211TETEKKKKTERRRRVP)0 ,(347332. 0)0 ,(952.249763. 72iioutTETEV【背景知識】AD538nAD538是美國ADI公司出品的實時模擬計算器件,能提供精確的模擬乘、除和冪運算功能。mXZYVVVVo52 . 0 mwhere最基本的計算功能，其他計算功能詳見DataSheet【背景知識】AD538n根據(jù)AD538的芯片手冊（DataSheet）非線性

17、校正-電路分析冪運算冪運算)0 ,(347332. 0)0 ,(952.249763. 72iioutTETEV）（mvTETEVVo)0 ,(2476. 6)0 ,(952.2491011022244218【背景知識】AD538）（mvVVVVVVVVoZYmXZY411410101VVZ1YVV 10XV1m10V【復(fù)習】減法器nPort+與Port-虛斷，則有：)2()1(RRII2)(1)(2RVRVV)4()3(RRII3) - (4) - (1-RVVRVVout21)()(2RRVVV34) - () - (1-RRVVVVoutoutVkVkVVkV1) - (2)(1111)

18、()(VV12-kVVVoutkRRRR4321令非線性校正-電路分析減法器減法器)0 ,(347332. 0)0 ,(952.249763. 72iioutTETEV81127015KKk)0 ,(347089. 0)0 ,(952.249)0 ,(182476. 6)0 ,(952.24922812TETETETEkVVVoo非線性校正-電路分析)0 ,(347332. 0)0 ,(952.249763. 72iioutTETEVmV6864. 7100K130100V101oV)0 ,(347089. 0)0 ,(952.2496864. 7212TETEVVVooout單位：mV10V

19、熱電偶的冷端溫度補償熱電偶的冷端溫度補償 n用熱電偶測溫時，熱電勢的大小決定冷熱端的溫度之差。如果冷端溫度固定不變冷端溫度固定不變，熱電勢才是被測溫度的單值函數(shù)。n在應(yīng)用時，由于熱電偶工作端與冷端距離很近，冷端又暴露在空氣中，容易受到周圍環(huán)境溫度波動的影響，因而冷端溫度很難保持恒定冷端溫度很難保持恒定，為此，需要采用一定的措施來消除冷端溫度變化所產(chǎn)生的影響。 補償導線法補償導線法 n為了使熱電偶冷端溫度保持穩(wěn)定，熱電偶可以做的很長，使冷端原理工作端，并連同儀表一起放置到恒溫或溫度波動較小的地方。帶來的問題：帶來的問題：1，安裝不方便，2，需要消耗很多貴重的金屬材料。解決辦法：解決辦法：用便宜的

20、導線（稱之為補償導線）將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的地方。n需要指出，只有當新移的冷端溫度恒定或配用儀表本身具有冷端溫度自動補償裝置時，應(yīng)用補償導線才有意義。n此外，熱電偶和補償導線連接處溫度不應(yīng)超過100。 非重點冷端溫度校正法冷端溫度校正法 n由于熱電偶的溫度分度表是在冷端溫度保持在0的情況下得到的，與它配套使用的測量電路或顯示儀表又是根據(jù)這一關(guān)系進行刻度繪制的。因此當冷端溫度不等于0時，就需要進行修正。n根據(jù)中間溫度定律，相應(yīng)的修正方程為： ( ,0)( ,)(,0)ABABnABnETET TET適用于冷端溫度恒定，但不是適用于冷端溫度恒定，但不是0的情況下。的情況下。 ？【注意】【注

21、意】Tn是抖動的。是抖動的。如何得到實時變化的如何得到實時變化的EAB(Tn,0)冷端溫度恒溫法冷端溫度恒溫法 n為了避免校正的麻煩，采用冰浴的方法使冷端始終保持在0。n這是一種理想的補償發(fā)發(fā)，但是在工業(yè)生產(chǎn)中使用極其不便。n這種辦法僅限于科學實驗中使用。 非重點解決方案解決方案n使用集成溫度傳感器AD590來進行冷端溫度檢測。AD59025輸出為298.2uA線性度為1uA/KnAD590屬于電流輸出型。n輸出的比例關(guān)系為： 273.21IAA t電電流流輸出電壓輸出電壓線性系數(shù)線性系數(shù)【回顧】【回顧】熱電偶的非線性特性熱電偶的非線性特性E JKNRSBNKJE1020304050-2-4-6-8-10溫度補償端處于室溫范圍：030可以認為是線性的線性度為40.44V/溫度補償電路溫度補償電路冷端溫度補償電路冷端溫度補償電路( ,0)(