傳感器原理與應(yīng)用溫度傳感器熱電偶

傳感器原理與應(yīng)用溫度傳感器熱電偶第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三溫度傳感器

將溫度轉(zhuǎn)換為電勢的熱電式傳感器叫做熱電偶，將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值的熱電式傳感器叫做熱電阻（金屬）半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590熱敏電阻（半導(dǎo)體，陶瓷）熱釋電紅外傳感器第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三溫標(biāo)為了定量的描述溫度高低，必須建立溫度標(biāo)尺，即溫標(biāo)。各種溫度計(jì)和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標(biāo)確定。熱力學(xué)溫度是國際上公認(rèn)的基本溫度，我國實(shí)行的是1990年國際溫標(biāo)（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）華氏溫標(biāo)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(diǎn)第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三4.1熱電偶part1.原理第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三熱電偶熱電偶傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化的傳感器。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。優(yōu)點(diǎn)：測溫范圍廣，可以在1K~2800℃范圍內(nèi)使用。精度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)性能好能把溫度轉(zhuǎn)換為電勢信號，便于處理和遠(yuǎn)距離傳輸。第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三熱電效應(yīng)熱電偶是利用熱電效應(yīng)制成的溫度傳感器。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連接成閉合回路，將它們的兩個接點(diǎn)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(diǎn)勢。這一現(xiàn)象稱為熱電動勢效應(yīng)，也成為熱電效應(yīng)（賽貝克效應(yīng)）。產(chǎn)生的電動勢叫做熱電勢（也成賽貝克電勢），用EAB(T,T0)表示。第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三接觸電勢

因不同金屬的自由電子密度不同，當(dāng)兩種金屬接觸在一起時(shí)，在接點(diǎn)處會發(fā)生電子遷移擴(kuò)散。電子從濃度大的向濃度小的金屬擴(kuò)散，濃度高的失去電子顯正點(diǎn)，濃度低的得到電子顯負(fù)點(diǎn)，當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到某種動態(tài)平衡時(shí)，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.其大小與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)、接點(diǎn)溫度有關(guān)。第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三當(dāng)溫度為T時(shí)，熱端的接觸電勢可以表示為：相應(yīng)的冷端的接觸電勢可以表示為：式中：K:波爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J/Ke:電子電荷量，e=1.6×10-19CT、T0:分別表示熱端和冷端的溫度NA、NB:分別表示金屬A、B的自由電子濃度第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三溫差電勢（湯姆遜電勢）

對于單一的金屬，如果兩端的溫度不同，導(dǎo)體兩端也會產(chǎn)生電勢，該電動勢稱為單一導(dǎo)體的溫差電勢。產(chǎn)生該電勢的原因是由于導(dǎo)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移擴(kuò)散。由于導(dǎo)體高溫端失去電子帶正電荷，低溫端得到電子帶負(fù)電荷，從而形成一個靜電場。該電場阻礙電子的繼續(xù)擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)，導(dǎo)體的兩端便產(chǎn)生一個相對的電位差，從而形成溫差電勢。第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三熱電極A中，溫差電勢的大小可以表示成：熱電極B中，溫差電勢的大小可以表示成：式中：σA、σB:熱點(diǎn)極A、B的湯姆遜系數(shù)，表示單一導(dǎo)體兩端溫度差為1℃時(shí)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)。第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三熱電偶回路的熱電勢

在一個熱電偶回路中，總的熱電勢為：第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三結(jié)論

熱電偶兩個電極材料相同，即NA=NB，σA=σB，無論兩端點(diǎn)溫度如何變化，總的熱電勢為零；如果熱電偶的兩個接點(diǎn)溫度相同，即T=T0時(shí)，無論導(dǎo)體A、B材料相同或不同，回路的總電勢也為零；熱電偶必須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；由于熱電偶的熱電勢是兩個結(jié)點(diǎn)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。第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三熱電偶的技術(shù)指標(biāo)

分度號

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。第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三分度表

由于多數(shù)熱電偶的輸出都是非線性的，國際計(jì)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。第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三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(jì)算。tM：被測溫度值tH：較高溫度值tL：較低溫度值EM、EH、EL：分別為溫度tM、tH、tL對應(yīng)的熱電勢。第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度關(guān)系曲線

EJKNRSBNKJE1020304050-2-4-6-8-10第16頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三熱電偶結(jié)構(gòu)

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(diǎn)第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三熱電偶的基本定律

1.中間導(dǎo)體定律當(dāng)熱電偶回路接入第三種金屬導(dǎo)體C，只要金屬導(dǎo)體C與金屬導(dǎo)體A、B的兩個接電處于同一溫度，則此導(dǎo)體對回路總的熱電勢沒有影響，其中導(dǎo)體C稱為中間導(dǎo)體。第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三熱電偶的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)測溫范圍廣，能測較高的溫度（-180℃~2800℃）輸出的是電壓信號，測量方便，便于遠(yuǎn)距離傳輸結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便熱慣性和熱容量小，便于快速測量自身產(chǎn)生電壓，不需要外加驅(qū)動電源，是典型的自發(fā)電式傳感器缺點(diǎn)低靈敏度、低穩(wěn)定性高溫下容易老化有漂移以及非線性需要外部參考端非重點(diǎn)第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三回路總電勢為：若三個接觸點(diǎn)置于恒溫T0環(huán)境下，回路中是沒有電動勢的。因此有：由于：因此得到：進(jìn)一步得到：帶入得到：第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三定律的應(yīng)用：利用熱電偶進(jìn)行測溫時(shí)，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三2.標(biāo)準(zhǔn)電極定律當(dāng)接點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)，用導(dǎo)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，即其中，導(dǎo)體C稱為標(biāo)準(zhǔn)電極（一般由鉑制成）。這一規(guī)律稱為標(biāo)準(zhǔn)電極定律。非重點(diǎn)第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三定律的應(yīng)用：通常都是選用高純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極。只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的分度表，則各種金屬之間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極定律計(jì)算出來。第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三3.連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律

在熱電偶回路中，若導(dǎo)體A、B分別與連接導(dǎo)線A'、B'相連接，接點(diǎn)溫度分別為T、Tn、T0，則回路的總熱電勢為：第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三上式為連接導(dǎo)線定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即回路總熱電勢等于熱電偶電勢EAB(T,Tn)與連接導(dǎo)線電勢EA'B‘(Tn,T0)的代數(shù)和。連接導(dǎo)線定律是工業(yè)上運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行溫度測量的理論基礎(chǔ)。第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三如果導(dǎo)體A與A‘，B與B’材料分別相同時(shí)，上式可變形為：上式為中間溫度定律的數(shù)學(xué)表達(dá)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。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(shí)的熱電勢與溫度關(guān)系，就可求出參考電壓不等于0℃時(shí)的熱電勢。第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三4.1熱電偶part2.基本應(yīng)用電路第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三非線性校正熱電偶的輸出電勢與溫度的關(guān)系是

非線性的EJKNRSBNKJE1020304050-2-4-6-8-10第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三非線性校正熱電偶測量電路溫度Ti熱電勢E(Ti,0)電壓Vout線性目標(biāo)f1()非線性f2()非線性第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三非線性校正--測量電路特性曲線實(shí)驗(yàn)測得熱電偶的分度表（一系列離散點(diǎn)）轉(zhuǎn)換得到f2()的樣本點(diǎn)得到一條擬合曲線第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三對于K型熱電偶，采用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EJKNRSBNKJE1020304050-2-4-6-8-10第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三測量電路的數(shù)學(xué)模型得到了，為：非線性校正--電路實(shí)現(xiàn)【思考】如何用電路實(shí)現(xiàn)上述的系統(tǒng)函數(shù)？？？第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三非線性校正--電路實(shí)現(xiàn)？？？？第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三【復(fù)習(xí)】同相放大器Port+與Port-虛短，則有：Port+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：由于V（-）等于R2上的分壓：又因?yàn)椋旱?5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三非線性校正--電路分析同向放大器第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三【背景知識】AD538AD538是美國ADI公司出品的實(shí)時(shí)模擬計(jì)算器件,能提供精確的模擬乘、除和冪運(yùn)算功能。最基本的計(jì)算功能，其他計(jì)算功能詳見DataSheet第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三【背景知識】AD538根據(jù)AD538的芯片手冊（DataSheet）第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三非線性校正--電路分析冪運(yùn)算第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三【背景知識】AD53810V第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三【復(fù)習(xí)】減法器Port+與Port-虛斷，則有：第41頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三非線性校正--電路分析減法器第42頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三非線性校正--電路分析單位：mV10V第43頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償

用熱電偶測溫時(shí)，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，熱電勢才是被測溫度的單值函數(shù)。在應(yīng)用時(shí)，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，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。第44頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三補(bǔ)償導(dǎo)線法

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：1，安裝不方便，2，需要消耗很多貴重的金屬材料。解決辦法：用便宜的導(dǎo)線（稱之為補(bǔ)償導(dǎo)線）將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的地方。需要指出，只有當(dāng)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(bǔ)償裝置時(shí)，應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線才有意義。此外，熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線連接處溫度不應(yīng)超過100℃。非重點(diǎn)第45頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三冷端溫度校正法

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(jìn)行刻度繪制的。因此當(dāng)冷端溫度不等于0℃時(shí)，就需要進(jìn)行修正。根據(jù)中間溫度定律，相應(yīng)的修正方程為：適用于冷端溫度恒定，但不是0℃的情況下。

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