第6章 熱電偶傳感1.ppt

1、溫度傳感器廣泛應(yīng)用于微波爐、空調(diào)、吹風(fēng)機(jī)、烤箱、電磁爐、暖風(fēng)機(jī)、冰箱、冰柜、飲水機(jī)、消毒柜、洗衣機(jī)、烘干機(jī)、恒溫箱等的溫度測量與控制。,第6章 熱電式傳感器,6.1 熱電偶傳感器 6.2 熱電阻傳感器 6.3 PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器,熱電式傳感器是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻或電勢變化的裝置，因此又稱為溫度傳感器。把溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化的熱電式傳感器稱為熱電偶傳感器；把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的熱電式傳感器稱為熱電阻傳感器。,6.1 熱電偶傳感器,6.1.1 熱電偶的工作原理 6.1.2 熱電偶的基本定律,6.1.1 熱電偶工作原理 熱電效應(yīng)： 將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連成閉合回路，兩

2、個(gè)接點(diǎn)分別處于不同的溫度場T和T0中，則該回路內(nèi)會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，并在回路中形成一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。由此產(chǎn)生的電動(dòng)勢通常稱為熱電勢。,兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。 A和B稱為熱電極，兩個(gè)接點(diǎn), 一個(gè)稱工作端, 又稱測量端或熱端, 測溫時(shí)將它置于被測介質(zhì)中; 另一個(gè)稱自由端, 又稱參考端或冷端。,所產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成:,接觸電勢 溫差電勢,(1) 接觸電動(dòng)勢 產(chǎn)生原因：由于不同導(dǎo)體的自由電子密度不同。 假設(shè)nAnB,接觸電勢的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。與導(dǎo)體的直徑、長度等幾何形狀無關(guān)。,（2）溫差電動(dòng)勢 同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電

3、勢。 同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí), 高溫端的電子濃度大，動(dòng)能大，低溫端的電子濃度小，動(dòng)能小，因此高溫端的電子向低溫端擴(kuò)散，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電, 低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電, 形成一個(gè)靜電場，該靜電場阻止電子繼續(xù)向低溫端擴(kuò)散，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。因此, 在導(dǎo)體兩端便形成溫差電勢。,溫差電動(dòng)勢的大小由下面公式給出: 導(dǎo)體A:,：湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢。,導(dǎo)體B:,熱電偶回路中總的電動(dòng)勢應(yīng)是接觸電動(dòng)勢與溫差電動(dòng)勢之和,（3）回路總電動(dòng)勢,在總電動(dòng)勢中, 溫差電動(dòng)勢比接觸電動(dòng)勢小很多, 在精度要求不高的情況下, 熱電偶的電動(dòng)勢可近似表示為：,AB(T, T

4、0) eAB(T) - eAB(T0),當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí), eAB(T0) 為常數(shù), 則總的電動(dòng)勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系, 即 AB(T, T0) = EAB(T) - c = f(T),熱電偶回路的幾點(diǎn)結(jié)論：, 如果構(gòu)成熱電偶的兩個(gè)熱電極為材料相同的均質(zhì)導(dǎo)體，則無論兩結(jié)點(diǎn)溫度如何，熱電偶回路內(nèi)的總電動(dòng)勢為零。必須采用兩種不同的材料作為熱電極。, 如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相等，熱電偶回路內(nèi)的總電勢亦為零。, 熱電勢的大小只與兩個(gè)熱電極的材料性質(zhì)、熱端和冷端的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體的粗細(xì)、長短及兩導(dǎo)體的接觸面積無關(guān)。,6.1.2 熱電偶基本定律,均質(zhì)導(dǎo)體定律 兩種均質(zhì)金屬組成的熱電偶，其電勢大

5、小與熱電極直徑、長度及沿電極長度上的溫度分布無關(guān)，只與熱電極材料性質(zhì)和兩端溫度有關(guān)。 如果材質(zhì)不均勻，則當(dāng)熱電極上各處溫度不同時(shí)，將產(chǎn)生附加熱電勢，造成誤差。因此，熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。,2.中間導(dǎo)體定律 在熱電偶測溫回路內(nèi), 插入第三種，第四種導(dǎo)體, 只要插入導(dǎo)體的兩端溫度相同, 且插入導(dǎo)體是均質(zhì)的，則無論插入導(dǎo)體的溫度分布如何，都不會(huì)影響原來熱電偶的熱電勢的大小。 因此，可以在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表進(jìn)行測量。,將一接點(diǎn)分開，第三種導(dǎo)體接在接點(diǎn)處，兩端溫度為T0： EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0) （1） 當(dāng)T= T0 時(shí), 有

6、 EABC(T0)=eAB(T0 )+eBC(T0)+eCA(T0) =0 由此得: eAB(T0 )- eBC(T0) - eCA(T0) 代入（1）式得: ABC(T, T0)=eAB(T) - eAB(T0)=EAB(T, T0) 同理, 加入第四、第五種導(dǎo)體后, 只要加入的導(dǎo)體兩端溫度相等, 同樣不影響回路中的總熱電勢。,第三種導(dǎo)體接在A導(dǎo)體之間（或B）,兩端溫度為T1：,EABC(T,T0)=eAB(T)- eAB(T0)+eAC(T1)+eCA(T1),由于,eAC(T1) = - eCA(T1),所以：,EABC(T,T0)=eAB(T)- eAB(T0)= EAB(T,T0),在熱電偶的任何位置，接入第三種導(dǎo)體，其總電動(dòng)勢都不變。我們可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯示儀表。,3. 中間溫度定律,熱電偶在接點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)的電動(dòng)勢等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為T、Tn和Tn、 T0時(shí)相應(yīng)的熱電勢的代數(shù)和，即,EAB(T,T0)=EAB(T, Tn)+EAB(Tn,T0),證明：,EAB(T, Tn)+EAB(Tn,T0) =eAB(T)- eAB(Tn)+ eAB(Tn)- eAB(T0) = eAB(T)- eAB