热电式传感器

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1、第九章热电式传感器第一节热电偶传感器第二节热电阻传感器第三节热敏电阻传感器第四节集成温度传感器第一节热电偶传感器一.热电效应及其工作定律1.热电效应将两种不同性质的导体A、B组成闭合回路，如图所示。若节点(1)、(2)处于不同的温度(T≠T0)时，两者之间将产生一热电势，在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应。2.电势组成（1）接触电势(珀尔帖电势)当两种金属接触在一起时，由于不同导体的自由电子密度不同，在结点处就会发生电子迁移扩散。失去自由电子的金属呈正电位，得到自由电子的金属呈负电位。

2、当扩散达到平衡时，在两种金属的接触处形成电势，称为接触电势。其大小除与两种金属的性质有关外，还与结点温度有关。（2）温差电势(汤姆逊电势)对于单一金属，如果两端的温度不同，则温度高端的自由电子向低端迁移，使单一金属两端产生不同的电位，形成电势，称为温差电势。其大小与金属材料的性质和两端的温差有关对于图所示A、B两种导体构成的闭合回路，总的温差电势为:回路的总热电势为:由此可以得出如下结论：(1)如果热电偶两电极的材料相同，即NA=NB，σA＝σB，虽然两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍为零

3、。因此，热电偶必须用两种不同材料作热电极。(2)如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，即T＝T0，闭合回路中也不产生热电势。（3）热电偶AB的热电动势与A、B材料的中间温度无关，至只于节点温度有关。3.热电偶基本定律1)中间导体定律设在图（1）的T0处断开，接入第三种导体C，如图（2）所示。若三个结点温度均为T0，则回路中的总热电势为:图（1）图（2）若A、B结点温度为T，其余结点温度为T0，而且T＞T0，则回路中的总热电势为:结论：导体A、B组成的热电偶，当引入第三导体时，只要保持其

4、两端温度相同，则对回路总热电势无影响，这就是中间导体定律。利用这个定律可以将第三导体换成毫伏表，只要保证两个接点温度一致，就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。）2参考电极定律图为参考电极定律示意图。图中C为参考电极，接在热电偶A、B之间，形成三个热电偶组成的回路。经过推导得：表明参考电极C与各种电极配对时的总热电势为两电极A、B配对后的电势之差。利用该定律可大大简化热电偶选配工作，只要已知有关电极与标准电极配对的热电势，即可求出任何两种热电极配对的热电势而不需要测定。3）中间温度定律：回路的

5、总热电势等于EAB（T，Tn）与EAB（Tn，T0）的代数和。Tn称为中间温度。中间温度定律为制订分度表奠定了理论基础。二、热电偶1.热电偶材料(1)标准化热电偶指已经国家定型批生产的热电偶。(2)非标准化热电偶指特殊用途试生产的热电偶。2.热电偶的结构①普通热电偶②铠装热电偶③片状薄膜热电偶铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体,它可以做得很细很长,使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小,动态响应快,机械强度高,挠性好,可

6、安装在结构复杂的装置上,因此被广泛用在许多工业部门中。3.热电偶的温度补偿（提出问题）热电偶输出的电热是两结点温度差的函数。为了使输出的电势是被测温度的单一函数，一般将T作为被测温度端，T0作为固定冷端(参考温度端)。通常要求T0保持为0℃，但是在实际使用中要做到这一点比较困难，因而产生了热电偶冷端温度补偿问题。（解决问题）(1)0℃恒温法即在标准大气压下，将清洁的水和冰屑混合后放在保温容器内，可使T0保持0℃。近年来已研制出一种能使温度恒定在0℃的半导体致冷器件(2)补正系数修正法设冷端温度为

7、tn，此时测得温度为t1，其实际温度应为：式中k——补正系数(3)延伸热电极法(即补偿导线法)如图，热电偶长度一般只有一米左右，在实际测量时，需要将热电偶输出的电势传输到数十米外的显示仪表或控制仪表，根据连接导体定律即可实现上述要求。一般选用直径粗、导电系数大的材料制作延伸导线，以减小热电偶回路的电阻，节省电极材料。(4)补偿电桥法重点掌握该法利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶参考端温度变化引起的电势变化。图为补偿电桥法示意图。电桥四个桥臂与冷端处于同一温度，其中R1=R2=R3为锰铜线绕制的电阻

8、，R4为铜导线绕制的补偿电阻，E是电桥的电源，R为限流电阻，阻值取决于热电偶材料。使用时选择R4的阻值使电桥保持平衡，电桥输出Uab=0。当冷端温度升高时，R4阻值随之增大，电桥失去平衡，Uab相应增大，此时热电偶电势Ex由于冷端温度升高而减小。若Uab的增量等于热电偶电势Ex的减小量，回路总的电势Uab的值就不会随热电偶冷端温度变化而变化，即：三、热电偶测温线路热电偶测温时,它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、数字表等）配套使用,也可与温度变送器配套,转换成标准电