第11章 熱電式傳感器.ppt

1、第二篇 常用傳感器的原理及應用,1.掌握傳感器工作原理及特性 2.掌握傳感器的測量電路（熱電偶） 3.了解傳感器的應用,第11章 熱電式傳感器,11.1 概述,溫度是表征物體冷熱程度的物理量。它體現(xiàn)了物體內(nèi)部分子運動狀態(tài)的特征。 溫度是不能直接測量的。只能通過物體隨溫度變化的某些特性（如體積、長度、電阻等）來間接測量。 熱電式傳感器將溫度變化轉(zhuǎn)換成電量（電阻、電勢等），應用廣泛。 按測溫方法不同，熱電式傳感器分為接觸式和非接觸式兩種。,接觸式測溫是基于熱平衡原理，即測溫敏感元件(傳感器)必須與被測介質(zhì)接觸，是兩者處于平衡狀態(tài)，具有同一溫度。如水銀溫度計、熱敏電阻、熱電偶等。 非接觸式測溫是利用

2、熱輻射原理，測溫的敏感元件不與被測介質(zhì)接觸，利用物體的熱輻射隨溫度變化的原理測定物體溫度，故又稱輻射測溫。如輻射溫度計，紅外測溫儀等。,表11.2 常用熱電式傳感器類型及特點,本章主要介紹熱電阻、熱電偶及新型熱電式傳感器。,溫標是溫度的數(shù)值表示方法，是用來衡量物體溫度的尺度。它規(guī)定了溫度讀數(shù)的起點(零點)和測量溫度的單位，常用的有攝氏溫標、華氏溫標和熱力學溫標等 。,溫標的基本概念,(1)攝氏溫標() 攝氏溫標的物理基礎(chǔ)是水銀溫度變化與體膨脹成線性關(guān)系。分度方法是把標準大氣壓下水的冰點定為零度（0），把水的沸點定為100度（100），在這兩固定點間劃分100等分，每一等分為攝氏一度，計為1。,

3、(2)華氏溫標（F） 在標準大氣壓下，冰的熔點為32度，水的沸點為212度，中間劃分180等分，每等分為華氏1度，符號為F。 (3)熱力學溫標(K) 熱力學溫標是以熱力學第二定律為基礎(chǔ)，已由國際計量大會采納作為國際統(tǒng)一的基本溫標。熱力學溫標所確定的溫度數(shù)值稱為熱力學溫度（單位為K）。 定義為水三相點（冰水氣共存）的熱力學溫度的1/273.16為1K。即從絕對零度到水的三相點之間的溫度分為273.16等分，一等分為1K。,11.2 熱電阻,利用導體或半導體的電阻值隨溫度的變化來測量溫度。熱電阻按感溫元件的材質(zhì)分金屬與半導體兩類。金屬熱電阻常用鉑、銅兩種熱電阻；半導體熱電阻為熱敏電阻等。,1、金屬

4、熱電阻,對于絕大多數(shù)金屬，具有正的溫度系數(shù)，電阻隨溫度升高而增大的特性方程為:,不同的金屬導體，ai取值的范圍不同。通常情況下，它是溫度的函數(shù)。,金屬熱電阻選用感溫材料的要求： （1）溫度系數(shù)ai值要大，熱電阻的靈敏度就越高。 （2）在測量范圍內(nèi)，其材料的物理、化學性質(zhì)應穩(wěn)定，以保持電阻基值的穩(wěn)定性。 （3）在測量范圍內(nèi)，電阻溫度系數(shù)要保持常數(shù)，以確保輸入輸出線性，提高測量精度。 （4）具有較高的電阻率,采用較高電阻率的感溫材料，可以減少熱電阻體積和熱慣性。 （5）材料容易提純，確保較好的復制性。,(1)鉑熱電阻,鉑的物理、化學性能穩(wěn)定，測量精度高、電阻率較高；鉑絲在0以上，其電阻值與溫度之間

5、具有較好的線性度。,鉑熱電阻使用范圍是200850。除作為溫度標準外，還廣泛用于高精度的工業(yè)測量。,(2)銅熱電阻,銅熱電阻的線性較好，具有電阻溫度系數(shù)大，價格便宜，互換性好等優(yōu)點。銅熱電阻的使用范圍是 -50150。,熱電阻的測量電路 電橋電路,2、熱敏電阻,熱敏電阻是一種電阻值隨其溫度成指數(shù)變化的半導體熱敏元件。 優(yōu)點：(1)電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻大10100倍；(2)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以測量“點”溫度；(3)電阻率高，熱慣性小，適宜動態(tài)測量；(4)功耗小，不需要參考端補償，適于遠距離的測量與控制。 缺點：阻值與溫度的關(guān)系呈非線性，元件的穩(wěn)定性和互換性較差。,熱敏電阻是

6、由兩種以上的金屬氧化物如Mn、Co、Ne、Fe等氧化物構(gòu)成的燒結(jié)體，根據(jù)組成的不同，可以調(diào)整溫度特性正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)、負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)。,負溫度系數(shù)的熱敏電阻最常用，溫度特性為,熱敏電阻由熱敏探頭，引線和殼體等構(gòu)成。,圖示：,根據(jù)不同的使用需求，熱敏電阻可制成不同的結(jié)構(gòu)形式。,圖示：,熱敏電阻的測量電路電橋電路,產(chǎn)品,11.3 熱電偶,熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測器件之一。 優(yōu)點： 測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。 測量范圍廣。常用的熱電偶從-50+1600均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269（如金

7、鐵鎳鉻），最高可達+2800（如鎢-錸）。 構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小的限制，外有保護套管，使用非常方便；適用于遠距離測量和自動控制,1、熱電效應,由A、B兩種不同的導體組成一個閉合回路，當兩接點的溫度不等時，回路中就會產(chǎn)生電勢，從而形成電流，這一現(xiàn)象通常稱為熱電效應。相應的電勢通常稱為熱電勢。,熱電偶產(chǎn)生的熱電勢EAB(T,T0) 是由兩種導體的接觸電勢EAB和單一導體的溫差電勢EA和EB所形成。,接觸電勢,溫差電勢,接觸電勢,溫差電勢,由導體A、B組成的熱電偶回路總的熱電勢為：,由此可知：只有當熱電偶的兩個電極材料不同，且兩個接點的溫度也不同時，才

8、會產(chǎn)生電勢，熱電偶才能進行溫度測量。,當熱電偶的兩個不同的電極材料確定后，熱電勢便與兩個接點溫度T、T0有關(guān)。即回路的熱電勢是兩個接點的溫度函數(shù)之差。,若使冷端溫度T0保持不變，則熱電勢為熱端溫度T的單值函數(shù)。這就是熱電偶測溫的基本原理。,在實際測量中，不可能也沒有必要單獨測量接觸電勢和溫差電勢，而只需要用儀表測量總的熱電勢。另外，溫差電勢與接觸電勢相比較，數(shù)值甚小，因此在工程應用中認為熱電勢近似等于接觸電勢。,實用中，測量出熱電勢后如何確定溫度值？通常不是利用公式計算，而是用查熱電偶分度表來確定。 熱電偶分度表是將冷端溫度保持為0 ，通過實驗建立起來的熱電勢與溫度之間的數(shù)值對應關(guān)系。 熱電偶

9、測溫完全是建立在利用實驗熱特性和一些熱電定律的基礎(chǔ)上。,會產(chǎn)生新的熱電勢嗎？,2、熱電偶的基本定律,1)中間導體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電勢。,根據(jù)中間導體定律，可以用開路熱電偶對液態(tài)金屬或金屬壁面測溫。,2)中間溫度定律 當熱電偶兩個接點的溫度分別為T和T0時，所產(chǎn)生的熱電勢等于該熱電偶兩接點溫度為T、Tn和Tn、T0時所產(chǎn)生的熱電勢之代數(shù)和，即:,中間溫度定律是制定熱電偶分度表的理論基礎(chǔ)。熱電偶分度表都是以冷端溫度為0時做出的。 一般工程測量中冷端都不為零（任一恒定值），因此，只要測出熱端、冷端的熱電勢，便可利用

10、利用熱電偶分度表求出工作端的被測溫度值。,例如，用鎳鉻鎳硅熱電偶測量爐溫時，當冷端溫度T0=30時，測得熱電勢E(T,T0)=39.17mv，求實際爐溫。 由T0 =30查分度表得E（30，0）=1.2mv，根據(jù)中間溫度定律得: E（T，0）=E（T，30）+E（30，0） = 39.17+1.2 = 40.37(mv) 則查表得爐溫T=946。,3)標準電極定律 已知兩個導體A、B分別與另一導體C組成的熱電偶的熱電勢已知 ，則在相同接點溫度(T,T0)下，由A、B電極組成的熱電偶的熱電勢 EAB(T,T0)為:,C稱為標準電極,例如，鉑銠30鉑熱電偶的EAC（1084.5 , 0）=13,9

11、76mv,鉑銠6鉑熱電偶的EBC（1084.5,0）=8.354mv。 根據(jù)標準電極定律： 鉑銠30鉑銠6熱電偶 EAB(1084.5, 0）=13,976-8.354=5.613mv。,在工程測量中，由于純鉑的物理化學性能穩(wěn)定，熔點較高，易提鈍，所以目前常將純鉑作為標準電極。 標準電極定律使得熱電偶電極的選配提供了方便。,3、常用熱電偶及熱電勢的測量,常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。 標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。 非標準熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分

12、度表，主要用于某些特殊場合的測量。,常用熱電偶,適于制作熱電偶的材料有300多種，其中廣泛應用的有4050種。常用8種標準化熱電偶為：,鉑銠10鉑熱電偶：性能穩(wěn)定，準確度高，可用于基準和標準熱電偶。熱電勢較低，價格昂貴，不能用于金屬蒸汽和還原性氣體中； 鉑銠30鉑銠6熱電偶：較鉑銠10鉑熱電偶更具較高的穩(wěn)定性和機械強度，最高測量溫度可達1800，室 溫下熱電勢較低，可作標準熱電偶，一般情況下，不需要進行補償和修正處理。由于其熱電勢較低，需要采用高靈敏度和高精度的儀表； 鎳鉻鎳硅或鎳鉻鎳鋁熱電偶：熱電勢較高，熱電特性具有較好線性，良好的化學穩(wěn)定性，具有較強的抗氧化性和抗腐蝕性。穩(wěn)定性稍差，測量精

13、度不高。 鎳鉻考銅熱電偶：熱電勢較高，電阻率小，適于還原性和中性氣氛下測量，價格便宜，測量上限較低； 鎳鉻康銅熱電偶：熱電勢較高，價格低。高溫下易氧化，適于低溫和超低溫測量。,組成: 熱電極（材料的熱電特性穩(wěn)定）； 絕緣套管（防止電極間短路）； 保護套管（隔離電極與介質(zhì)，免受機械損傷或化學腐蝕等）； 接線盒。,產(chǎn)品,熱電勢的測量,熱電勢在mv范圍，通常用動圈式儀表、電位差計、示波器和數(shù)字式測溫儀表等測量。,動圈式儀表實際上是一個磁電式毫伏計，它是利用電流流過儀表動圈時，動圈在磁場的作用下帶動指針偏轉(zhuǎn)的原理進行工作的。精度不高。,儀表指示電壓為:,RG Rt +Rl,U EAB(T,T0),補償

14、法測量電動勢需要一個數(shù)值可以調(diào)節(jié)、大小已知的標準電源，以便能與被測電動勢相補償。,補償法測量原理：,測量回路中的電流為零，避免了回路電阻的影響，測量精度較高。,電位差計原理：,(1)K1合,K2斷，調(diào)R0使流過檢流計G1的電流為零，得到一個恒定的工作電流, I=EH/RH，即ab兩點之間的壓降與EH平衡。(校準工作電流) (2) K1斷,K2合，調(diào)節(jié)電位器RP，使G2=0,此時熱電偶測量回路的電流為零。 (3)當熱電偶因溫度變化產(chǎn)生熱電勢時，G2將有電流流過，再次調(diào)節(jié)RP使G2=0 。由電位器RP的刻度變化得到一個電阻增量RP,則所測熱電勢為,由于EH和RH均為定值，熱電勢的大小則可以用RP來

15、度量。,4、熱電偶的冷端溫度補償,熱電偶回路的熱電勢是兩個接點溫度的函數(shù)，為此，必須使冷端溫度保持不變，其輸出熱電勢才是熱端溫度的單值函數(shù)。 在實際測量中，熱電偶的兩端距離很近，冷端溫度易受測量對象和環(huán)境溫度波動的影響，而難以保持恒定，從而引入測量誤差。 冷端溫度補償：冷端溫度恒定；補償冷端溫度t0 0。補償方法： 0恒溫法；修正法；補償導線法；補償電橋法等。,0恒溫法,將熱電偶冷端放在冰和水混合的容器中，保持冷端為0不變。這種方法精度高，但在工程中應用很不方便，一般在實驗室用于校正標準熱電偶等高精度溫度測量。,修正法,實際使用中，設(shè)法使冷端溫度保持不變（放置在恒溫器中），然后采用冷端溫度修正

16、的方法，可得到冷端為0時的熱電勢。 根據(jù)中間溫度定律，EAB(T,T0) EAB(T,Tn) EAB(Tn,T) ，因為保持溫度Tn不變，因而EAB(Tn,0) 常值，該值可以從熱電偶分度表中查出。 測量的熱電勢與查表得到的相加，就可得到冷端為0時的熱電勢，然后再查熱電偶分度表，便可得到被測溫度T。,補償導線法延長熱電極法,將熱電偶的自由端引至顯示儀表，而顯示儀表放在恒溫或溫度波動較小的地方。,采用某兩種導線組成的熱電偶補償導線，在一定溫度范圍內(nèi)（0100）具有與所連接的熱電偶相同的熱電性能。 不同的熱電偶要配不同的導線，極性也不能接錯。,圖示：,補償電橋法,補償電橋法是利用不平衡電橋(又稱冷端補償器)產(chǎn)生不平衡電壓來自動補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化。,20為電橋平衡溫度，此時電橋輸出電壓Uac=0; 當溫度升高時， Uac0；同時由于熱電偶冷端溫度升高，使熱電勢減小E。若UacE便達到自動補償冷端溫度目的。,5、熱電偶的校驗和標定,校驗和標定的目的： a.核對熱電偶的熱電勢溫度曲線和熱電偶