,第七章 热电式传感器,7.1 热电阻传感器 7.2 热电偶传感器 6.2.3 热电式传感器的应用,上一页,下一页,返 回,7.1 热电阻传感器 分为金属热电阻式(热电阻)和半导体热电阻式(热敏电阻)，,上一页,下一页,返 回,温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。,7.1.1 金属热电阻 1.热电阻材料的特点,取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484 。,热电阻的材料要求： (1)电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度； 电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸； 热容量要小，以便提高热电阻的响应速度； (2)在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能； (3)良好的输出特性，电阻与温度的关系最好接近于线性； (4)应有良好的可加工性，且价格便宜。易提纯、复现性好 使用最广泛的热电阻材料是铂和铜,2.铂、铜热电阻的特性, 铂热电阻 主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。 铜热电阻 测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为50150。,上一页,下一页,返 回, 铂热电阻 目前最好材料,铂是一种贵金属。它的特点是精度高，稳定性好，性能可靠，尤其是耐氧化性能很强。 铂在很宽的温度范围内约1200C以下都能保证上述特性。 铂容易提纯，复现性好,长时间稳定的复现性可达10-4 K ， 有良好的工艺性，可制成很细的铂丝(0.02mm或更细)或极薄的铂箔。 与其它材料相比，铂有较高的电阻率，因此普遍认为是一种较好的热电阻材料。 缺点：铂电阻的电阻温度系数比较小； 价格贵,上一页,下一页,返 回,2.铂、铜热电阻的特性,铂电阻的精度与铂的提纯程度有关,纯度常用百度电阻比表示：,百度电阻比,W（100）越高，表示铂丝纯度越高， 国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻， W（100）1.3925 目前技术水平已达到W（100）1.3930， 工业用铂电阻的纯度W（100）为1.3871.390。,铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下： 当温度 t 在190 t 0时：,当温度t在0 t 660时：,国内工业用标准铂电阻，W（100）1.391，R0分为50和100两种，分度号分别为Pt50和Pt100，实际使用时可查分度表（给出阻值和温度的关系）求温度,上一页,下一页,返 回,附录 铂热电阻分度表, 铜热电阻,应 用：测量精度要求不高且温度较低的场合 测量范围：50150 优 点： 温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。 缺 点： 易于氧化，一般只用于150以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。 与铂相比，铜的电阻率小，所以铜电阻的体积较大。,上一页,下一页,返 回,所以制成相同阻值的电阻时，铜电阻丝要细，这样机械强度就不高， 或者就要长，使体积增大。此外铜很容易氧化，所以它的工作上限为150 C 。但铜电阻价格便宜，因此仍被广泛采用。,由于铜电阻的电阻率小,铜电阻的阻值与温度之间的关系为,工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取50和100两种， 分度号分别为Cu50和Cu100，相应的分度表可查阅相关资料。 其它热电阻（P164） 铟电阻、锰电阻、碳电阻,上一页,下一页,返 回,2. 热电阻的结构,上一页,下一页,返 回,普通工业用热电阻式温度传感器,热电阻： 电阻体（最主要部分）、 绝缘套管、 接线盒。,铜热电阻结构示意图,铂热电阻结构示意图,上一页,下一页,返 回,热电阻的主要技术性能,7.1.2 热敏电阻,利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成 由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结 优 点： (1) 热敏电阻的温度系数比金属大（49倍） (2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。 (3) 结构简单、机械性能好。 缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。,上一页,下一页,返 回,1. 热敏电阻的特点,热敏电阻分类：,正温度系数(PTC) 负温度系数(NTC) 临界温度系数(CTR),上一页,下一页,返 回,PTC热敏电阻正温度系数 钛酸钡掺合稀土元素烧结而成 用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护， 发热源的定温控制，限流元件。 CTR热敏电阻临界负温度系数 以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化 物的弱还原气氛中混合烧结而成 用途：温度开关。 NTC热敏电阻很高的负电阻温度系数 主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物 混合烧结而成 应用：点温、表面温度、温差、温场等测量 自动控制及电子线路的热补偿线路,上一页,下一页,返 回,2. 负温度系数热敏电阻的特性,上一页,下一页,返 回, 温度特性 伏安特性, 温度特性,NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻-温度特性,式中 RT 热敏电阻在绝对温度T时的阻值； A 与热敏电阻材料及几何尺寸有关的常数； B 热敏电阻材料常数，一般为20006000K，,若已知温度T1和T2下的两个电阻值RT1和RT2，就可求得B值：, 伏安特性,在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端的电压U之间的关系，,上一页,下一页,返 回,当流过热敏电阻的电流很小时: 电流不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律。主要用来测温。 当电流增大到一定值时： 流过热敏电阻的电流使之加热，热敏电阻温度升高，出现负阻特性，电阻随之减小，于是电压上升速度减慢，出现非线性。当电流继续增加时，热敏电阻自身温度上升更快，阻值大幅下降，其减小速度超过电流增加速度，出现电压随电流增加而减小的现象。此时热敏电阻能升高的温度与周围介质温度和散热条件有关。当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的阻值取决于介质流体速度和介质密度等散热条件。,(1)与热敏电阻串联或并联金属热电阻 (2)利用微机实现线性化,热敏电阻的线性化,上一页,下一页,返 回,热敏电阻的结构,构成：热敏探头、引线、壳体,热敏电阻的主要参数(了解), 标称电阻值RH 在环境温度为250.2时测得的电阻值，又称冷电阻。其大小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。 耗散系数H 指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差1时热敏电阻所耗散的功率，单位为mW /； 热容量C 热敏电阻的温度变化1所需吸收或释放的热量，单位为J；,上一页,下一页,返 回, 能量灵敏度G （W） 使热敏电阻的阻值变化1所需耗散的功率。 时间常数 温度为T0的热敏电阻突然置于温度为T 的介质中，热敏电阻的温度增量T= 0.63 (TT0) 时所需的时间。 额定功率PE 在标准压力（750mmHg）和规定的最高环境温度下，热敏电阻长期连续使用所允许的耗散功率，单位为W。在实际使用时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率,上一页,下一页,返 回,7.2 热电偶传感器,上一页,下一页,返 回,7.2.1 热电效应及其工作定律 1. 热电效应,两种不同的金属A和B构成闭合回路，当两个接触端温度T T0时，回路中会产生热电势，并形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应。,热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定,先看一个实验热电效应原理演示,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,(1). 接触电势（不同导体）,k 玻耳兹曼常数1.38*10-23(J/K)； T 接触面的绝对温度； e 单位电荷量； NA金属电极A的自由电子密度 NA金属电极B的自由电子密度,接触电势EAB(T)是由B(低)到A(高)的电势,上一页,下一页,返 回,(2). 温差电势(同一导体),A 汤姆逊系数(温差系数)，它表示温差为1时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。 EA(T,T0) 是由T0端指向T端的电势,温差电势 （汤姆逊电势）,上一页,下一页,返 回,(3). 热电偶回路的总热电势,上一页,下一页,返 回,回路电势取顺时针方向(若TT0)，则：,若热电极A和B为同一种材料时，NA=NB, A= B， 则EAB(T, T0)=0。 若热电偶两端处于同一温度下， T=T0 ， 则EAB(T, T0)=0 。 由上可知热电势存在必须具备两个条件： 一、两种不同的金属材料组成热电偶， 二、材料的两端存在温差。,上一页,下一页,返 回,结论：,热电势是关于温度T和T0的函数，而不只是温度T的函数。因而常固定T0 ，当T0=0时，f (T0)=0则有：,此时，E与T之间有唯一对应的单值函数关系，因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T。 热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料以及冷热端的温度有关， 与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。 其热电势值用实验方法测出(取T0=0)，以分度表的形式给出。,上一页,下一页,返 回,K热电偶的分度表,比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？,(1). 中间导体定律,在热电偶回路中接入的另一种导体称中间导体C，只要中间导体的两端温度相同，热电偶回路总电动势不受中间导体接入的影响。 因而测量电路的接入对热电偶回路总电动势不会造成影响。,2 工作定律,(2). 连接导体定律,此式即为连接导体定律，为在工业测量温度中使用补偿导线提供了理论基础。,上一页,下一页,返 回,当连接导体与热电极的热电特性相同时：,此式即为中间温度定律。为利用分度表奠定了理论基础,例6.3.1 用（K型）热电偶测量某一温度，若参比端温度Tn=30，测得的热电势E(T,Tn)=23.702mV，求测量端实际温度T。,查分度表有E（30，0）= 1.203 mV,反查分度表有T=600，测量端实际温度为600,上一页,下一页,返 回,(3) 参考电极定律,若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。,例如：已知EAC(1084.5 , 0)=13.967(mV) EBC(1084.5 , 0)=8.354(mV) 则： EAB(1084.5 , 0)=13.967-8.354=5.613(mV),7.2.2 热电偶 1热电偶材料 （1）标准化热电偶,（2）非标准化热电偶,上一页,下一页,返 回,2. 热电偶结构 （1）普通热电偶 （2）铠装热电偶 （3）薄膜热电偶 （4）表面热电偶 （5）浸入式热电偶 （6）特殊热电偶 （7）热电堆,3. 热电偶的温度补偿,热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，才能通过测量热电势的大小得到热端的温度。,上一页,下一页,返 回,(1). 0oC恒温法 (2). 补正系数修正法 (3). 延伸热电极法(即补偿导线法) (4). 补偿电桥法,(1). 0oC恒温法,适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。,上一页,下一页,返 回,(2). 补正系数修正法(表75),在实际应用中，热电偶的参比端往往不是0oC，而是环境温度tn，这时测量出的回路热电势要小，因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。若测得温度为t1 ,则实际温度：,可用室温计测出环境温度