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1、第7章 热电式传感器,,热电偶传感器,1.2,第7章 热电式传感器,热电式传感器的应用,7.3,4.4,,第7章 热电式传感器,热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。 热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。,第一节 热电阻传感器,,第7章 热电式传感器,一. 热电阻 1.热电阻材料的特点 热电阻材料必须具有以下特点： (1).高温度系数、高电阻率。这样在同样条件下可加快反应速度，提高灵敏度，减小体积
2、和重量。 (2).化学、物理性能稳定。以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。 (3).良好的输出特性。即必须有线性的或者接近线性的输出。 (4).良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。 适宜制作热电阻的材料有铂、铜、镍、铁等。,,第7章 热电式传感器,2.铂、铜热电阻的特性 铂、铜为应用最广的热电阻材料。虽然铁、镍的温度系数和电阻率均比铂、铜要高，但由于存在着不易提纯和非线性严重的缺点，因而用得不多。 铂容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、物理性能稳定，制成的铂电阻输出输入特性接近线性，测量精度高。,,第7章 热电式传感器,铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示： 在0660温
3、度范围内 (7-1) 在-1900温度范围内 (7-2) 式中 R0、Rt分别为0和t的电阻值； A常数(3.9684710-3/)； B常数(-5.84710-7/2)； C常数(-4.2210-12/3)。,,第7章 热电式传感器,铜在-50150范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出输入特性接近线性，价格低廉。 铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为： (7-3) 式中 A常量(4.2889910-3/)； B常量(-2.13310-7/2)； C常量(1.23310-9/3)。 当温度高于100时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。,,第7章 热电式传感器,3.其他
4、热电阻 .铟电阻适宜在-269-258温度范围内使用，测温精度高，灵敏度是铂电阻的10倍，但是复现性差。 .锰电阻适宜在-271-210温度范围内使用，灵敏度高，但是质脆易损坏。 .碳电阻适宜在-273-268.5温度范围内使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但是热稳定性较差。,,第7章 热电式传感器,二热敏电阻 1.热敏电阻的特点 热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。按物理特性，可分为三类： (1).负温度系数热敏电阻(NTC)； (2).正温度系数热敏电组(PTC)； (3).临界温度系数热敏电阻(CTR)。 下面以负温度系数的热敏电阻为例作一下介绍。,,第7章 热电式传感器,
5、负温度系数热敏电阻是一种氧化物的复合烧结体，通常用它测量-100+300范围内的温度，与热电阻相比，其特点是： (1).电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的10倍。 (2).结构简单，体积小，可以测量点温度。 (3).电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。 (4).易于维护和进行远距离控制。 (5).制造简单，使用寿命长。 缺点是互换性差，非线性严重。,,第7章 热电式传感器,图7.1为负温度系数热敏电阻的电阻-温度特性曲线，用如下经验公式描述： (7-4) 式中 RT温度为T(K)时的电阻值； A与热敏电阻的材料和几何尺寸有关的常数； B热敏电阻常数。,2.负温度系数热敏电阻的特性,,第7章
6、热电式传感器,若已知T1和T2时的电阻为RT1和RT2，则可通过公式求取A、B值，即 由图7.2可知，当流过热敏电阻的电流较小时，曲线呈直线状，服从欧姆定律。当电流增加时，热敏电阻自身温度明显增加，由于负温度系数的关系，阻值下降，于是电压上升速度减慢，出现了非线性。当电流继续增加时，热敏电阻自身温度上升更快，阻值大幅度下降，其减小速度超过电流增加速度，于是出现电压随电流增加而降低的现象。 由于热敏电阻特性的严重非线性，扩大测温范围和提高精度必须进行补偿校正。,(7-5),(7-6),,第7章 热电式传感器,解决办法：串联或并联温度系数很小的金属电阻，使热敏电阻阻值在一定范围内呈线性关系。图7-
7、3介绍一种金属电阻与热敏电阻串联以实现非线性校正的方法。只要金属电阻Rx选得合适，在一定温度范围内可得到近似双曲线特性图(b) Rs，即温度与电阻的倒数成线性关系，从而使温度与电流成线性关系图(c)。近年来已出现利用微机实现较宽温度范围内线性化校正的方案。,,第7章 热电式传感器,3 近代热敏电阻的特性 (1).近年来研制的玻璃封装热敏电阻具有较好的耐热性、可靠性、频响特性。 (2).氧化物热敏电阻的灵敏度都比较高，但只能在低于300时工作。 (3).负温度系数热敏电阻的特性曲线非线性严重。 (4).近年来发现四氰醌二甲烷新型有机半导体材料，具有电阻率随温度迅速变化的特性。,,第7章 热电式传
8、感器,热电偶传感器在温度测量中应用极为广泛，因为它结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传。 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7.4所示。若节点(1)、(2)处于不同的温度(TT0)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。,第二节 热电偶传感器,,第7章 热电式传感器,其电势由接触电势(珀尔帖电势)和温差电势(汤姆逊电势)两部分组成。,,第7章 热电式传感器,接触电势 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
9、位，得到自由电子的金属呈负电位。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。,,第7章 热电式传感器,在温度为T时的接触电势： 式中 eAB（T）A、B两种金属在温度T时的接触电势； k波尔兹曼常数，k=1.3810-23(J/K)； e电子电荷，e=1.610-19(C)； NA、NB金属A、B的自由电子密度； T结点处的绝对温度。,(7-7),,第7章 热电式传感器,温差电势 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
10、温差有关，可表示为 式中 eA(T,T0)金属A两端温度分别为T与T0时的温差电势； A温差系数； T、T0高、低温端的绝对温度。,(7-8),,第7章 热电式传感器,对于图7-8所示A、B两种导体构成的闭合回路，总的温差电势为 于是，回路的总热电势为,(7-9),(7-10),,第7章 热电式传感器,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，AB，虽然两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍为零。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TT0，闭合回路中也不产生热电势。,,第7章 热电式传感器,2.工作定律 (1)中间导体定律 设在图7.8的T0处断开，接入第三种导体C，如图7.9所示。若三个结点温度均为T0，则回路中的总热电势为 若A、B结点温度为T，其余结点温度为T0，而且TT0，则回路中的总热电势为,(7-11),(7-12),,第7章 热电式传感器,由式(7-11)可得 将式(7-13)代入式(7-12)可得,(7-13),(7-14),,第7章 热电式传感器,热电式传感器最直接的应用是测量温度。 其它应用有（详细原理见参考资料1）： 测量管道流量 热电式继电器 气体成分分析仪 金属材质鉴别仪,第三节 热电式传感器的应用,