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1、第2章 熱電式傳感器,2.1 熱電偶傳感器 2.2 熱電阻傳感器 2.3 熱敏電阻傳感器,教學基本要求和重點,掌握有關熱電偶、熱電阻和熱敏電阻的基本概念 掌握三類熱電式傳感器的基本工作原理 掌握熱電偶的基本定律、基本類型、溫度補償方法、使用熱電偶的測溫方法 掌握熱電阻的內(nèi)部引線方式及其適用場合 掌握熱敏電阻的電阻溫度特性 會使用分度表,2.1 熱電偶傳感器 1. 熱電偶測溫原理 熱電效應：兩種不同材料的導體（或半導體）組成一個閉合回路，當兩接點溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。,熱電勢、熱電偶、熱電極 熱端（測量端或工作端）、冷端（參考端或自由端）,熱電偶回路,熱

2、電偶測溫系統(tǒng)簡圖,接觸電動勢,接觸電動勢的數(shù)值取決于兩種不同導體的材料特性和接觸點的溫度。 兩接點的接觸電動勢eAB(T)和eAB（T0）可表示為,含義：由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。,同一導體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢。,大小表示：,溫差電動勢,機理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，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電，在導體兩端便形成溫差電動勢。,熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢,eAB(T, T0)=eAB(T)eB(T,T0)eAB(T0)eA(T,T0),忽略溫差

3、電動勢，熱電偶的熱電勢可表示為：,,影響因素取決于材料和接點溫度，與形狀、尺寸等無關 兩熱電極相同時，總電動勢為0 兩接點溫度相同時，總電動勢為0 對于已選定的熱電偶，當參考端溫度T0恒定時，eAB(T0)=c為常數(shù)，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數(shù)關系，即,eAB(T,T0)=eAB(T)c=f(T),可見：只要測出eAB（T,T0）的大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。,討論,熱電偶的分度表,不同金屬組成的熱電偶，溫度與熱電動勢之間有不同的函數(shù)關系，一般通過實驗的方法來確定，并將不同溫度下測得的結(jié)果列成表格，編制出熱電勢與溫度的對照表，即分度表。 供查閱使用，每10分

4、檔 。中間值按內(nèi)插法計算。,S型(鉑銠10-鉑)熱電偶分度表,在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導體時，只要第三種導體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。,中間導體定律,應用：利用熱電偶進行測溫，必須在回路中引入連接導線和儀表，接入導線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。,2. 熱電偶基本定律,,測量儀表及引線作為第三種導體的熱電偶回路,中間溫度定律,eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0),在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點的溫度，熱電偶AB在接點溫度為t、t0時的熱電勢eAB(t, t0)等于熱電偶AB在接點溫度t、tc和tc、t0時的熱電勢eAB(t, tc)和

5、eAB(tc, t0)的代數(shù)和，即,思考題：用K型熱電偶測爐溫時，測得參比端溫度t138；測得測量端和參比端間的熱電動勢E(t, 38)29.90 mV，試求實際爐溫。 解由K型分度表查得E(38，0)1.53 mV，由中間溫度定律可得到： E(t，0)E(t, t1 ) + E(t1, 0 ) 29.90 +1.53= 31.43 mV 再查K型分度表，由31.43 mV查得到實際爐溫755 。,上述例子，若參比端不作修正，則按所測測量端和參比端間的熱電動勢E(t, 32 )29.90 mV查K型分度表得對應的爐溫718，與實際爐溫755相差37，由此產(chǎn)生的相對誤差約

6、為5%。由此可見，如果不考慮參比端溫度修正、補償有時將產(chǎn)生相當大的（溫度）測量誤差。,中間溫度定律,中間溫度定律的應用,根據(jù)這個定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導體A和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應用補償導線提供了理論依據(jù)。 該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據(jù)。在實際熱電偶測溫回路中, 利用熱電偶這一性質(zhì), 可對參考端溫度不為0的熱電勢進行修正。,標準導體（電極）定律,,標準導體定律的意義,通常選用高純鉑絲作標準電極 只要測得它與各種金屬組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬間相互組合成熱電偶的熱電動勢就可根據(jù)標準電極定律計算出來。,均質(zhì)導體定律 由兩種均質(zhì)導

7、體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點溫度有關，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關。即熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。 ,意義： 有助于檢驗兩個熱電極材料成分是否相同及材料的均勻性。 ,為了適應不同生產(chǎn)對象的測溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有： 普通型熱電偶 鎧裝型熱電偶 薄膜熱電偶等。 ,3. 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式,普通型熱電偶結(jié)構(gòu),優(yōu)點：測溫端熱容量小，動態(tài)響應快；機械強度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復雜的裝置上。,鎧裝型熱電偶,薄膜熱電偶,特點：熱接點可以做得很小（m），具有熱容量小、反應速度快（s）等特點，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量

8、。,工程用熱電偶材料應滿足條件：熱電勢變化盡量大，熱電勢與溫度關系盡量接近線性關系，物理、化學性能穩(wěn)定，易加工，復現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，有良好的互換性。,4. 熱電偶類型,國際電工委員會（IEC）向世界各國推薦7種標準化熱電偶（已列入工業(yè)標準化文件中，具有統(tǒng)一的分度表）。我國已采用IEC標準生產(chǎn)熱電偶，并按標準分度表生產(chǎn)與之相配的顯示儀表。,標準化熱電偶的主要性能和特點,標準化熱電偶的主要性能和特點,5. 熱電偶的補償導線及冷端溫度的補償方法 當熱端溫度為t時，分度表所對應的熱電勢eAB(t, 0)與熱電偶實際產(chǎn)生的熱電勢eAB(t,t0)之間的關系可根據(jù)中間溫度定律得到下式：,eAB(t,

9、0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0),由此可見，eAB(t0，0)是冷端溫度t0的函數(shù)，因此需要對熱電偶冷端溫度進行處理。,熱電偶一般做得較短， 一般為3502000mm。 在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h離現(xiàn)場數(shù)十米遠的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣, 冷端溫度t0比較穩(wěn)定。,(1) 熱電偶補償導線,解決辦法：工程中采用一種補償導線。在0100溫度范圍內(nèi)，要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。,常用補償導線,在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入0恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0。 這是一種理想的補償方法，但工業(yè)中使用極為不便。,(2)

10、冷端0恒溫法,當冷端溫度t0不等于0，需要對熱電偶回路的測量電勢值eAB（t，t0）加以修正。當工作端溫度為t時，分度表可查eAB(t,0)與eAB(t0,0)。 根據(jù)中間溫度定律得到：,eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0),(3) 冷端溫度修正法,例子 用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30，測得熱電勢eAB（t，t0）為33.29mV, 求加熱爐溫度。 解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得eAB（30，0）1.203 mV。 可得,eAB（t，0）= eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV,由鎳鉻-鎳硅熱電

11、偶分度表得t=829.8。,(4) 冷端溫度自動補償法（電橋補償法）,,,熱電偶典型測溫線路 普通測溫線路； (b) 帶有補償器的測溫線路； (c) 具有溫度變送器的測溫線路； (d) 具有一體化溫度變送器的測溫線路,6. 熱電偶測溫線路,測量某一點的溫度,特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是同一分度號的熱電偶，且冷端應在同一溫度下。如熱電偶正向串聯(lián)， 可獲得較大的熱電勢輸出和提高靈敏度；在測量兩點溫差時，可采用熱電偶反向串聯(lián)；利用熱電偶并聯(lián)可以測量平均溫度。,測量兩點間溫度差（反向串聯(lián)）,,測量平均溫度（并聯(lián)或正向串聯(lián)）,,,特點：當有一只熱電偶燒斷時，難以覺察出來。當然，

12、它也不會中斷整個測溫系統(tǒng)的工作。,優(yōu)點：熱電動勢大，儀表的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶并聯(lián)線路存在的缺點，可立即可以發(fā)現(xiàn)有斷路。缺點：只要有一支熱電偶斷路，整個測溫系統(tǒng)將停止工作。,2.2 熱電阻傳感器 熱電阻傳感器是利用導體或半導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。 熱電阻、熱敏電阻。 熱電阻廣泛用來測量200850范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測量至1K，高溫達1000。標準鉑電阻溫度計的精確度高，作為復現(xiàn)國際溫標的標準儀器。,熱電阻的結(jié)構(gòu),電阻絲采用雙線并繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撐和絕緣作用。,熱電阻傳感器,熱電阻傳感器的組成 由熱電

13、阻、連接導線及顯示儀表組成,1. 常用熱電阻 對用于制造熱電阻材料的要求： 具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率 R-t關系最好成線性 物理化學性能穩(wěn)定 復現(xiàn)性好等。 目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。 ,(1) 鉑熱電阻 鉑熱電阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應用。 按IEC標準，鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200850。鉑熱電阻的特性方程為： 在-2000的溫度范圍內(nèi),Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100),在0850的溫度范圍內(nèi) ,Rt = R0(1+At+Bt2),在ITS90 中，這些常數(shù)規(guī)定為,A=3.90831

14、0-13/ B=-5.77510-7/2 C=-4.18310-12/4,可見：熱電阻在溫度t時的電阻值與0時的電阻值R0有關。 目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10和R0=100兩種，它們的分度號分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。 鉑熱電阻不同分度號亦有相應分度表，即Rt-t的關系表，這樣在實際測量中，只要測得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對應的溫度值。,鉑電阻分度表,(2) 銅熱電阻 在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，可采用銅熱電阻進行測溫， 它的測量范圍為-50150。 銅熱電阻在測量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關系幾乎是線性的，可近似地表示為 R

15、t=R0（1+t） =4.2810-3/ 兩種分度號：Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。 ,銅熱電阻的分度表 分度號：Cu50,,,,銅熱電阻的特點,銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價格便宜。 缺點：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100 以上時容易氧化，因此只能用于低溫及沒有浸蝕性的介質(zhì)中。,用熱電阻傳感器進行測溫時，測量電路經(jīng)常采用電橋電路。 熱電阻與檢測儀表相隔一段距離，因此熱電阻的引線對測量結(jié)果有較大的影響。 熱電阻內(nèi)部引線方式有二線制、三線制和四線制三種。,2. 熱電阻的測量電路,內(nèi)部引線方式,兩線制,這種引線方式簡單、費用低，但是引

16、線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差。 兩線制適于引線不長、測溫精度要求較低的場合。,,三線制,,用于工業(yè)測量，一般精度,四線制,實驗室用，高精度測量,2.3 熱敏電阻,熱敏電阻是利用半導體的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件，其特點是電阻率隨溫度而顯著變化。,,,2.3.1 熱敏電阻的電阻溫度特性,大多數(shù)：負溫度系數(shù)。熱敏電阻在不同值時的電阻溫度特性，溫度越高，阻值越小，且有明顯的非線性。NTC熱敏電阻具有很高的負電阻溫度系數(shù)，特別適用于：100300之間測溫。 PTC熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，且有斜率最大的區(qū)域，當溫度超過某一數(shù)值時，其電阻值朝正的方向快速變化。其用途主

17、要是彩電消磁、各種電器設備的過熱保護等。 CTR也具有負溫度系數(shù)，但在某個溫度范圍內(nèi)電阻值急劇下降，曲線斜率在此區(qū)段特別陡，靈敏度極高。主要用作溫度開關。 各種熱敏電阻的阻值在常溫下很大，不必采用三線制或四線制接法，給使用帶來方便。,,,熱敏電阻的電阻溫度特性曲線,,,溫度傳感器,2.3.2 數(shù)字化溫度顯示儀表,A、數(shù)字形式顯示溫度值，測量精度高，顯示速度 快和無讀數(shù)誤差； B、具有通訊模塊，易與計算機接口； C、模擬信號控制輸出，可以帶反饋控制；,顯示儀表的基本組成：,A、 補償電橋：冷端補償，消除冷端偏離0產(chǎn)生的熱電勢誤差； B、 濾波電路：消除50HZ的工頻干擾； C、 毫伏放大器：高靈

18、敏度的調(diào)制放大器； D、 線性化電路：熱電偶的電勢與溫度成線性關系； E、 A/D轉(zhuǎn)換：將模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量； F 、標度變換：數(shù)字量輸出與溫度對應； G、 譯碼顯示：按十進制顯示溫度值。,2.3.3 溫度變送器,借助檢測元件接收被測變量，并將轉(zhuǎn)為標準輸出信號的儀表。 （1） DDZ-型 （2） DDZ-型,DDZ-型熱電偶溫度變送器(三種：熱電偶溫度變送器、熱電阻溫度變送器和直流毫伏溫度變送器， 工作原理：,一、 已知鎳鉻鎳硅熱電偶K分度傳感器測某爐內(nèi)的溫度,采用溫度變送器將微弱信號放大100倍輸出，送入數(shù)據(jù)采集卡采集溫度信號。A/D轉(zhuǎn)換器分辨率12位，量程范圍010V，已知：采集得到的數(shù)字量D256, 求爐內(nèi)溫度?,