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1、第八章第八章 熱電勢傳感器熱電勢傳感器主講人：姚蘭主講人：姚蘭 溫度標志著物質(zhì)溫度標志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則內(nèi)部大量分子無規(guī)則運動的劇烈程度。溫運動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內(nèi)度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運動越劇烈。部分子熱運動越劇烈。 模擬圖模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！的運動速度比低溫時快！低溫低溫高溫高溫溫度測量的基本概念溫度測量的基本概念體積體積熱膨脹式熱膨脹式 不需要電源，耐用；不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。但感溫部件體積較大。 氣體的體積與氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比熱力學(xué)溫度成正比紅外溫度計紅外

2、溫度計物物理理現(xiàn)現(xiàn)象象體積熱膨脹體積熱膨脹電阻變化電阻變化溫差電現(xiàn)象溫差電現(xiàn)象導(dǎo)磁率變化導(dǎo)磁率變化電容變化電容變化壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)超聲波傳播速度變化超聲波傳播速度變化物質(zhì)物質(zhì) 顏色顏色PN結(jié)電動勢結(jié)電動勢晶體管特性變化晶體管特性變化可控硅動作特性變化可控硅動作特性變化熱、光輻射熱、光輻射種種類類鉑測溫電阻、熱敏電阻鉑測溫電阻、熱敏電阻熱電偶熱電偶BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶體振動器石英晶體振動器超聲波溫度計超聲波溫度計示溫涂料示溫涂料 液晶液晶半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管晶體管半導(dǎo)體集成電路溫度傳感器晶體管半導(dǎo)體集成電路溫度傳感器可控硅可控硅輻射溫度傳感器輻射溫度傳感器 光學(xué)高溫計光學(xué)高溫計1.

3、氣體溫度計氣體溫度計 2. 玻璃制水銀溫度計玻璃制水銀溫度計3.玻璃制有機液體溫度計玻璃制有機液體溫度計 4.雙金屬溫度計雙金屬溫度計5.液體壓力溫度計液體壓力溫度計 6. 氣體壓力溫度計氣體壓力溫度計1 熱鐵氧體熱鐵氧體 2 Fe-Ni-Cu合金合金熱電偶、測溫電阻器、熱敏電阻、感溫鐵氧體、石英晶體振動器、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、二極管、半導(dǎo)體集成電路傳感器、可控硅分類特征傳感器名稱超高溫用傳感器1500以上光學(xué)高溫計、輻射傳感器高溫用傳感器10001500光學(xué)高溫計、輻射傳感器、熱電偶中高溫用傳感器5001000光學(xué)高溫計、輻射傳感器、熱電偶中溫用傳感

4、器0500低溫用傳感器-2500極低溫用傳感器-270-250BaSrTiO3陶瓷晶體管、熱敏電阻、壓力式玻璃溫度計見表下內(nèi)容測溫范圍溫度傳感器分類熱電極熱電極A A自由端自由端（參考（參考端、冷端、冷端）端）測量端測量端（工作（工作端、熱端、熱端）端）熱電極熱電極B BAB第一節(jié)第一節(jié) 熱電偶熱電偶一、熱電效應(yīng)一、熱電效應(yīng) 從實驗到理論：從實驗到理論：熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 問題問題1 1： 發(fā)現(xiàn)放在回路中的毫伏計發(fā)生偏轉(zhuǎn)？發(fā)現(xiàn)放在回路中的毫伏計發(fā)生偏轉(zhuǎn)？問題問題2 2： 如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點同時加熱，同時加熱，毫伏計毫伏計的偏轉(zhuǎn)角反而減??？的偏轉(zhuǎn)角反而減?。?說明

5、回路中有電動勢產(chǎn)生并說明回路中有電動勢產(chǎn)生并有電流在回路中流動有電流在回路中流動說明電流的強弱與兩個結(jié)點說明電流的強弱與兩個結(jié)點的溫差有關(guān)。的溫差有關(guān)。結(jié)論：兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。結(jié)論：兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。2.2.熱電效應(yīng)的分析熱電效應(yīng)的分析 接觸電勢接觸電勢: : 兩種材料的自由電子密度不同兩種材料的自由電子密度不同 溫差電勢：溫差電勢： 兩個接點的溫度不同兩個接點的溫度不同（1 1）接觸電勢）接觸電勢AN( )lnAABBNkTeTeNk k 玻耳茲曼常數(shù)；玻耳茲曼常數(shù)；T T 接觸面的絕對溫度；接觸面的絕對溫度；e e 單位電荷量；單位電荷量；N

6、 NA A金屬電極金屬電極A A的自由電子密度的自由電子密度N NB B金屬電極金屬電極B B的自由電子密度的自由電子密度接觸電勢接觸電勢結(jié)論：在材料一定的情況，其大小與結(jié)論：在材料一定的情況，其大小與T T成正比關(guān)系。成正比關(guān)系。BN靜電場靜電場擴散擴散設(shè)設(shè)N NA ANNB B（2 2）溫差電勢）溫差電勢00( ,)TATeT TdT 湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1時所產(chǎn)生的電動勢值，時所產(chǎn)生的電動勢值， 它與材料的性質(zhì)有關(guān)。它與材料的性質(zhì)有關(guān)。 溫差電勢溫差電勢（湯姆遜電勢）（湯姆遜電勢） 靜電場靜電場擴散擴散熱端熱端電子電子冷端冷端電子電子設(shè)設(shè)TTTT0 0（3 3

7、）回路的總熱電勢）回路的總熱電勢 000000000( ,)( )( ,)()( ,)( )() ( ,)( ,)()ln()ABABAABBABABABTAABTBET TeTe T TeTe T TeTeTe T Te T TNkTTdteN設(shè)設(shè)TTo, TTo, NANB 熱電極熱電極A A和和B B為同一種材料時，為同一種材料時，N NA A=N=NB B, , A A=B B，則則E EABAB(T, T(T, T0 0)=0)=0。 若熱電偶兩端處于同一溫度下，若熱電偶兩端處于同一溫度下， T=TT=T0 0 ，則則E EABAB(T, T(T, T0 0)=0 )=0 。 熱電勢

8、存在必須具備兩個條件：熱電勢存在必須具備兩個條件： 兩種不同的金屬材料組成熱電偶，兩種不同的金屬材料組成熱電偶， 它的兩端存在溫差。它的兩端存在溫差。000( ,)()ln()TAABABTBNkET TTTdteN熱電勢是熱電勢是T T和和T T0 0的的溫度函數(shù)的差溫度函數(shù)的差，而不是溫度的函數(shù)。，而不是溫度的函數(shù)。 問題問題1 1：能否測量單點溫度？：能否測量單點溫度？)(),(0TfTTEABE E與與T T之間有唯一對應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系，之間有唯一對應(yīng)的單值函數(shù)關(guān)系， 問題問題2 2：為什么實際應(yīng)用中，常把：為什么實際應(yīng)用中，常把T T0 0=0=0？000000( ,)( )() (

9、)()( )()TTABABABABABET TeTdteTdtf Tf T當當T0保持不變時，保持不變時，f (T0)=C則有：則有：K熱電偶的熱電偶的分度表分度表 比較比較查出的查出的3 3個個熱電勢，熱電勢，可以看出可以看出熱電勢是熱電勢是否否線性？線性？ 八種國際通用熱電偶：八種國際通用熱電偶： B:B:鉑銠鉑銠3030鉑銠鉑銠6 6 、R:R:鉑銠鉑銠1313鉑鉑 、 S:S:鉑銠鉑銠1010鉑鉑 、 K:K:鎳鉻鎳鉻鎳硅鎳硅 、 N:N:鎳鉻硅鎳鉻硅鎳硅鎳硅 、 E:E:鎳鉻鎳鉻銅鎳、銅鎳、 J:J:鐵鐵銅鎳銅鎳 、 T:T:銅銅銅鎳銅鎳 ； 用于制造用于制造鉑鉑熱電偶熱電偶的各種

10、的各種鉑鉑熱電偶絲熱電偶絲幾種常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢幾種常用熱電偶的測溫范圍及熱電勢 分度號分度號 名稱名稱 測量溫度范圍測量溫度范圍 1000 C熱電勢熱電勢/ mVB鉑銠鉑銠3030鉑銠鉑銠6 6501820 C C4.8344.834R鉑銠鉑銠1313鉑鉑-501768 C C 10.50610.506S鉑銠鉑銠1010鉑鉑-501768 C C9.5879.587K鎳鉻鎳鉻鎳鉻鎳鉻 (鋁鋁) -2701370 C C 41.27641.276E鎳鉻銅鎳鎳鉻銅鎳 (康康 銅銅)270800 C C?熱電偶的結(jié)構(gòu)形式熱電偶的結(jié)構(gòu)形式 1.普通型熱電偶普通型熱電偶：由熱電極、絕緣套管、

11、保護管和接線盒：由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成組成安裝安裝螺紋螺紋安裝安裝法蘭法蘭2.鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶由熱電偶絲、由熱電偶絲、 絕緣材料和金屬套管絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅實組合體三者經(jīng)拉伸加工而成的堅實組合體, , 它可以做得很它可以做得很細很長細很長, , 使用中隨需要能任意彎曲。使用中隨需要能任意彎曲。BA絕緣絕緣 材料材料熱電偶橫截面熱電偶橫截面二、熱電偶的基本定律二、熱電偶的基本定律1.1.勻質(zhì)導(dǎo)體定律勻質(zhì)導(dǎo)體定律2.2.中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律3.3.連接導(dǎo)體定律連接導(dǎo)體定律1.1.中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入與另一種導(dǎo)體稱中間導(dǎo)體在熱電偶回

12、路中接入與另一種導(dǎo)體稱中間導(dǎo)體C C，只要引入點溫度相同，熱電偶回路總電動勢不受只要引入點溫度相同，熱電偶回路總電動勢不受中間導(dǎo)體接入的影響。中間導(dǎo)體接入的影響。ET0T0TET0T1T1T電位計接入熱電偶回路根據(jù)上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位根據(jù)上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計計E E，只要保證電位計與連接熱電偶處的，只要保證電位計與連接熱電偶處的接點接點溫溫度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢，接度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢，接入的方式見下圖所示。入的方式見下圖所示。 2. 2. 連接導(dǎo)體定律連接導(dǎo)體定律()()lnlnlnln()()nnnnnnnnBTA TnnnB

13、BA AATBTA TATnBTBTnABnA BnnKTETETennnnKTennETET00( ,)( )()()()ABABnABnBBBAAAnET T TETETETET 000( ,)( )()()()( ,)(,)ABnABABnnABABABnnABET T TETETETETET TET T其中：其中：而：而：00()()B AABETET 例例. . 用（用（S S型）熱電偶測量某一溫度，若參比端溫型）熱電偶測量某一溫度，若參比端溫度度T T0 0=30=30，測得的熱電勢，測得的熱電勢E(T,TnE(T,Tn)=7.5mV)=7.5mV，求測，求測量端實際溫度量端實際溫

14、度T T。)(),(),(0,0TTETTETTEnnCTCTTTEnn03000，）中，（在查分度表有查分度表有E（30，0）= 0.173 mV mVTTEn5 . 7），（mVETETE673.7173.05 .7)0 ,30(300），（），（反查分度表有反查分度表有T=830T=830，測量端實際溫度為，測量端實際溫度為830830三、三、 熱電偶的冷端處理和補償熱電偶的冷端處理和補償熱電偶的熱電勢大小不僅與熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度熱端溫度的有關(guān)，的有關(guān)，而且也與冷而且也與冷端溫度端溫度有關(guān)，只有當冷端溫度有關(guān)，只有當冷端溫度恒定恒定，通過測量熱電勢的大小得到熱端的溫度。通過

15、測量熱電勢的大小得到熱端的溫度。 熱電偶的冷端處理和補償熱電偶的冷端處理和補償: : 當熱電偶冷端處在溫度當熱電偶冷端處在溫度波動較大波動較大的地方時，必的地方時，必須首先使用補償導(dǎo)線將冷端延長到一個溫度須首先使用補償導(dǎo)線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)穩(wěn)定定的地方，再考慮將冷端處理為的地方，再考慮將冷端處理為。幾種冷端處理方法：幾種冷端處理方法：1.補償導(dǎo)線法補償導(dǎo)線法2. 2. 熱電偶冷端溫度恒溫法熱電偶冷端溫度恒溫法3. 3. 計算修正法計算修正法4. 4. 冷端補償電橋冷端補償電橋法1.1.補償導(dǎo)線法補償導(dǎo)線法 熱電偶補償導(dǎo)線功能：熱電偶補償導(dǎo)線功能： 其一實現(xiàn)了冷端遷移；其一實現(xiàn)了冷端遷移；

16、其二是降低了電路成本。其二是降低了電路成本。2.2.熱電偶冷端溫度恒溫法熱電偶冷端溫度恒溫法適用于實驗室中的精確測量和檢定熱電偶時使用。適用于實驗室中的精確測量和檢定熱電偶時使用。3.3.計算修正法計算修正法 在實際應(yīng)用中，熱電偶的參比端往往不是零，在實際應(yīng)用中，熱電偶的參比端往往不是零，而是環(huán)境溫度，這時測量出的回路熱電勢要小，而是環(huán)境溫度，這時測量出的回路熱電勢要小，因此必須加上環(huán)境溫度與冰點之間溫差所產(chǎn)生因此必須加上環(huán)境溫度與冰點之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢后才能符合熱電偶分度表的要求。的熱電勢后才能符合熱電偶分度表的要求。 )0 ,(),()0 ,(11TETTETE可用室溫計測出環(huán)境溫度可

17、用室溫計測出環(huán)境溫度T T1 1，從分度表中查出的，從分度表中查出的E(TE(T1 1,0),0)值，值，然后加上熱電偶回路熱電勢然后加上熱電偶回路熱電勢E(T,TE(T,T1 1) )，得到，得到E(T,0)E(T,0)值，值，反查分度表即可得到準確的被測溫度值。反查分度表即可得到準確的被測溫度值。例例用鎳鉻用鎳鉻-鎳硅鎳硅(K(K型型) )熱電偶測溫，熱電偶參比端溫熱電偶測溫，熱電偶參比端溫度為度為3030。測得的熱電勢為。測得的熱電勢為28mV28mV，求熱端溫度。，求熱端溫度。mVE203. 1)0 ,30(mVTE28)30,( ,0)281.20329.203E TmVmVmV反查

18、K分度表T=701.5計算修正曲線4.4.冷端補償電橋法冷端補償電橋法 利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值 a) T0a) T02020C C，RcuRcuR1R1R2R2R3R3 電橋平衡，則電橋平衡，則UabUab0 0，對電勢無補償輸出；，對電勢無補償輸出；b b）T020T020C, C, 減小，而減小，而RcuRcu增大增大 UabUab增大增大 則：則：u u UabUab0( ,)ABET T0( ,)ABET T0( ,)ABET T補償作用補償作用c c）T020T020C, C, 增大，而增大，而RcuRcu減小減小 UabUab減小減小則：則：u u UabUab0( ,)ABET T補償作用補償作用補償分析：補償分析：