热电式传感器

热电效应

如右图所示，两种不同性质的导体或半导体材料A、B串接成一个闭合回路，如果两接合点处的温度不同，即T≠T0，则在两导体间产生热电势，也称热电动势，常用EAB(T，T0)表示。同时在回路中有一定大小的电流，这种现象称为热电效应。

几个概念:

热电极:闭合回路中的导体或半导体A、B，称为热电极;

热电偶:闭合回路中的导体或半导体A、B的组合，称为热电耦;

工作端:两个结点中温度高的一端，称为工作端;

参比端:两个结点中温度低的一端，称为参比端;

热电动势:两导体的接触电势 + 单一导体的温差电势;

⑴接触电势:

产生接触电势的主要原因:

① 不同材料具有不同的自由电子密度;

② 两种不同材料的导体接触时，接触面会发生电子扩散;

当扩散达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位，表示为:如图所示:

⑵温差电势:

① 导体中自由电子在高温端具有较大的动能;

② 电子从高温端向低温端扩散，因而高温端带正电，低温端带负电，形成静电场，并阻碍电子扩散;

当扩散达到动态平衡时，两端产生一个相应的电位差，称为温差电势，表示为:如图所示:

⑶接触电势与温差电势的性质:

用公式可以证明:

⑷回路总电势:

用小写e表示接触或温差电势，用大写E表示回路总电势。如图所示:

几点讨论:如图所示 :

例如将温度变化转换为电阻、热电动势、热膨胀、导磁率等的变化，再通过适当的测量电路达到检测温度的目的。把温度变化转换为电势的热电式传感器称为热电偶;把温度变化转换为电阻值的热电式传感器称为热电阻。

热电偶是利用热电效应制成的温度传感器。所谓热电效应，就是两种不同材料的导体(或半导体)组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。由热电效应产生的电动势包括接触电动势和温差电动势。接触电动势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。其数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。温差电动势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。其产生的机理为:高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。

热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻广泛用来测量-200~850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000℃。标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。

1.补偿原因:

①从前述分析可知，只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度得单值函数;

②实际应用中，由于冷端暴露在空气中，往往和工作端又比较接近，故冷端温度易波动;

2.补偿方法:

⑴补偿导线法:

目的:

使冷端远离工作端，和测量仪表一起放到恒温或温度波动小的地方。

手段:

①延长热电偶的长度:安装不便，费用高;

②采用补偿导线，要求:

a.在0~100℃范围内和所连接的热电偶有相同的热电性能;

b.材料是廉价金属

注意:

①冷端需有自动补偿装置，补偿导线才有意义，且连接处<100℃;

②补偿导线不能选错，如:

铂铑-铂热电偶:补偿线用铜-镍铜;

镍铬-镍硅热电偶:补偿线用铜-康铜;

⑵冷端温度计算校正法:

①热电势修正法:

冷端温度不为零时，运用热电偶分度表修正，修正方法如前例所述。

②温度修正法:

设:T'为仪表指示温度;T0为冷端温度;

则:被测实际温度T为:T=T'+k T0

式中:k为热电偶修正系数，和热电偶的种类和测温范围相关，有表可查。

例:在前例中

解:指示温度:T'=946℃;(当E(T,T0)=39.17mV时，查分度表可得)

冷端温度: T0 =30℃;

查表底:k=1.00

则实际炉温:T=T'+k T0 = 946℃+ 1.00× 30℃=976℃

和热电势修正法所得炉温相差1℃，此方法在工程上应用广泛。

⑶冰浴法:

冷端用冰水混合物保持在0℃。

特点:

可避免校正的麻烦，但使用不便，多在实验室使用。

(4)补偿电路法:见图所示

1.铂铑-铂热电偶:

S型热电偶。

特点:精度高，标准热电偶。但热电势小。(<1300℃)

2.镍铬-镍硅热电偶:

K型热电偶。

特点:线性好，价格低，最常用。但精度偏低。(-50~1300℃)

3.镍铬-考铜热电偶:

E型热电偶。

特点:灵敏度高，价格低，常温测量，但非均匀线性。(-50~500℃)

4.铂铑30-铂铑6热电偶:

B型热电偶。

特点:精度高，冷端热电势小，40℃下可不修正。但价格高，输出小。

5.铜-康铜热电偶:

T型热电偶。

特点:低温稳定性好，但复制性差。

1、热电偶特点:

测量精度高:因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

测量范围广:常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃(如金铁镍铬)，最高可达+2800℃(如钨-铼)。

构造简单，使用方便:热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

2、热电阻特点:

信号输出较大，易于测量;

热电阻要借助外加电源，而热电偶可自身产生电势;

热电阻的测温反应速度慢;

同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。

①中间导体定律

在热电偶回路中接如第三种材料的导体(传感器引出)时，只要其两端温度相等，总回路电势不变。如下图所示:

用途:接入仪表测量线。

②参考电极定律(标准电极定律)

设结点温度为T、T0，则用导体A、B组成的热电偶产生的热电势等于导体A、C组成的热电偶和导体C、B组成的热电偶产生的热电势的代数和。如下图所示，有:

参考电极定律应用:由于铂丝的理化性能稳定，如果能实验测得各种材料热电极对铂丝的热电特性，就不难推得任意材料间的热电特性。

③中间温度定律

结点温度为(T、T0)时的热电势等于该热电耦在结点温度为(T、Tn)和(Tn、T0)时相应热电势的代数和。即如图所示:

结论:

中间温度定律为制定热电偶得分度表奠定了理论基础。从分度表查出参考端为零度时得热电势，即可求得参考端温度不为零时得热电势。

例:用镍铬-镍硅热电偶测量热处理炉炉温。冷端温度T0=30℃，此时测得热电势E(T,T0)=39.17mV,则实际炉温是多少?

解:由T0=30℃查分度表得:E(30,0)= 1.2mV,则:

E(T,0)= E(T,30)+ E(30,0)= 39.17mV+ 1.2mV= 40.37mV

再由40.37mV查分度表，得实际炉温T=977℃

是基于转换元件的物理特性发生变化而实现信号转换的传感器。比如:压阻式传感器(压阻效应，压阻系数改变)、光电式传感器(光电效应，光子轰击引起物体电阻率改变)、压电式传感器(压电效应)、热电式传感器(热电效应)等。

第1章传感器的基本知识

第2章电阻式传感器

第3章电感式传感器

第4章电容式传感器

第5章压电式传感器

第6章磁电式传感器

第7章热电式传感器

第8章光电传感器

第9章光纤传感器

第10章红外传感器

第11章 其他传感器

第12章 传感器的标定