傳感器原理與應用-4-溫傳感器-1-熱電偶

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）半導體集成溫度傳感器AD590熱敏電阻（半導體，陶瓷）熱釋電紅外傳感器當前第1頁\共有51頁\編于星期二\17點溫標為了定量的描述溫度高低，必須建立溫度標尺，即溫標。各種溫度計和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標確定。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）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非重點當前第2頁\共有51頁\編于星期二\17點4.1熱電偶part1.原理當前第3頁\共有51頁\編于星期二\17點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)應用中，熱電偶是應用最廣泛的測溫元件之一。優(yōu)點：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，便于處理和遠距離傳輸。當前第4頁\共有51頁\編于星期二\17點熱電效應熱電偶是利用熱電效應制成的溫度傳感器。熱電偶效應是1823年，賽貝克（SeeBack）發(fā)現(xiàn)的，相應的原理如圖所示：把兩種不同的金屬A、B連接成閉合回路，將它們的兩個接點分別置于溫度為T及T0（設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，也成為熱電效應（賽貝克效應）。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。當前第5頁\共有51頁\編于星期二\17點接觸電勢

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。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.其大小與兩種導體的性質(zhì)、接點溫度有關。當前第6頁\共有51頁\編于星期二\17點當溫度為T時，熱端的接觸電勢可以表示為：相應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的自由電子濃度當前第7頁\共有51頁\編于星期二\17點溫差電勢（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。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移擴散。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。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。當前第8頁\共有51頁\編于星期二\17點熱電極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:熱點極A、B的湯姆遜系數(shù)，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。當前第9頁\共有51頁\編于星期二\17點熱電偶回路的熱電勢

在一個熱電偶回路中，總的熱電勢為：當前第10頁\共有51頁\編于星期二\17點結(jié)論

熱電偶兩個電極材料相同，即NA=NB，σA=σB，無論兩端點溫度如何變化，總的熱電勢為零；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；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的對應關系。當前第11頁\共有51頁\編于星期二\17點熱電偶的技術指標

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。當前第12頁\共有51頁\編于星期二\17點分度表

由于多數(shù)熱電偶的輸出都是非線性的，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。當前第13頁\共有51頁\編于星期二\17點可以通過測量熱電偶輸出的熱電勢再查分度表得到相應的溫度值。分度表是以每10℃分檔的，中間值按內(nèi)插法計算。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對應的熱電勢。當前第14頁\共有51頁\編于星期二\17點幾種常用熱電偶的熱電勢與溫度關系曲線

EJKNRSBNKJE1020304050-2-4-6-8-10當前第15頁\共有51頁\編于星期二\17點熱電偶結(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。非重點當前第16頁\共有51頁\編于星期二\17點熱電偶的基本定律

1.中間導體定律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，其中導體C稱為中間導體。當前第17頁\共有51頁\編于星期二\17點熱電偶的特點

優(yōu)點測溫范圍廣，能測較高的溫度（-180℃~2800℃）輸出的是電壓信號，測量方便，便于遠距離傳輸結(jié)構(gòu)簡單，維護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當前第18頁\共有51頁\編于星期二\17點回路總電勢為：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：由于：因此得到：進一步得到：帶入得到：當前第19頁\共有51頁\編于星期二\17點定律的應用：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。當前第20頁\共有51頁\編于星期二\17點當前第21頁\共有51頁\編于星期二\17點2.標準電極定律當接點溫度為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，即其中，導體C稱為標準電極（一般由鉑制成）。這一規(guī)律稱為標準電極定律。非重點當前第22頁\共有51頁\編于星期二\17點定律的應用：通常都是選用高純鉑絲作為標準電極。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)標準電極定律計算出來。當前第23頁\共有51頁\編于星期二\17點3.連接導體定律與中間溫度定律

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：當前第24頁\共有51頁\編于星期二\17點上式為連接導線定律的數(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EA'B‘(Tn,T0)的代數(shù)和。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。當前第25頁\共有51頁\編于星期二\17點如果導體A與A‘，B與B’材料分別相同時，上式可變形為：上式為中間溫度定律的數(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。中間溫度定律為指定熱電勢分度表奠定了理論基礎，只要求得參考溫度0℃時的熱電勢與溫度關系，就可求出參考電壓不等于0℃時的熱電勢。當前第26頁\共有51頁\編于星期二\17點4.1熱電偶part2.基本應用電路當前第27頁\共有51頁\編于星期二\17點非線性校正熱電偶的輸出電勢與溫度的關系是

非線性的EJKNRSBNKJE1020304050-2-4-6-8-10當前第28頁\共有51頁\編于星期二\17點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f1()非線性f2()非線性當前第29頁\共有51頁\編于星期二\17點非線性校正--測量電路特性曲線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當前第30頁\共有51頁\編于星期二\17點對于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當前第31頁\共有51頁\編于星期二\17點測量電路的數(shù)學模型得到了，為：非線性校正--電路實現(xiàn)【思考】如何用電路實現(xiàn)上述的系統(tǒng)函數(shù)？？？當前第32頁\共有51頁\編于星期二\17點非線性校正--電路實現(xiàn)？？？？當前第33頁\共有51頁\編于星期二\17點【復習】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：又因為：當前第34頁\共有51頁\編于星期二\17點非線性校正--電路分析同向放大器當前第35頁\共有51頁\編于星期二\17點【背景知識】AD538AD538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。最基本的計算功能，其他計算功能詳見DataSheet當前第36頁\共有51頁\編于星期二\17點【背景知識】AD538根據(jù)AD538的芯片手冊（DataSheet）當前第37頁\共有51頁\編于星期二\17點非線性校正--電路分析冪運算當前第38頁\共有51頁\編于星期二\17點【背景知識】AD53810V當前第39頁\共有51頁\編于星期二\17點【復習】減法器Port+與Port-虛斷，則有：當前第40頁\共有51頁\編于星期二\17點非線性校正--電路分析減法器當前第41頁\共有51頁\編于星期二\17點非線性校正--電路分析單位：mV10V當前第42頁\共有51頁\編于星期二\17點熱電偶的冷端溫度補償

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，熱電勢才是被測溫度的單值函數(shù)。在應用時，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，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。當前第43頁\共有51頁\編于星期二\17點補償導線法

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。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，應用補償導線才有意義。此外，熱電偶和補償導線連接處溫度不應超過100℃。非重點當前第44頁\共有51頁\編于星期二\17點冷端溫度校正法

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。根據(jù)中間溫度定律，相應的修正方程為：適用于冷端溫度恒定，但不是0℃的情況下。

？【注意】Tn是抖動的。如何得到實時變化的EAB(Tn,0)當前第45頁\共有51頁\編于星期二\17點冷端溫度恒溫法

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℃。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。這種辦法僅限于科學實驗中使用。非重點當前第46頁\共有51頁\編于星期二\17點解決方案使用集成溫度傳感器AD590來進行冷端溫度檢測。當前第47頁\共有51頁\編于星期二\17點AD59025℃輸出為298.2uA線性度為1uA/KAD590屬于電流輸出型。輸出的比例關系為：

電流輸出電壓線性系數(shù)