08第八章 熱電式傳感器

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1、第8章 熱電式傳感器 l 熱電式傳感器是將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏孔兓难b置； l 用熱電偶可以將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱莸淖兓? l 用熱電阻可以將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮璧淖兓? 8.1 熱電偶 8.1.1 熱電偶的特點(diǎn) l 熱電偶可以將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱莸淖兓? l 熱電偶可測100~1300度的溫度范圍，特殊的熱電偶還可測更低和更高的溫度； l 熱電偶可用于測量局部溫度； l 熱電偶的信號(hào)可以遠(yuǎn)距離傳輸，便于集中處理和自動(dòng)記錄； l 熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，精度高，熱慣性小等優(yōu)點(diǎn)。 8.1.2 熱電效應(yīng) l 1823年塞貝克發(fā)現(xiàn)了熱電效應(yīng)：由兩種不同的金屬組成的閉合回路中，

2、當(dāng)兩種金屬兩個(gè)接觸點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中就要產(chǎn)生熱電勢，這個(gè)稱為塞貝克電勢。 B A l 熱電偶就是由兩種不同的金屬組成的閉合回路； l 塞貝克電勢： 2 2 稱為熱電勢率或塞貝克系數(shù) 2 和與AB兩種材料有關(guān) 8.1.3 珀?duì)柼麩犭娦?yīng)原理 l 珀?duì)柼妱荩ń佑|電勢）的產(chǎn)生： A B 電子濃度大 電子濃度小 擴(kuò)散 漂移 2 電子濃度大使電子產(chǎn)生從A到B的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)； 2 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電勢，并逐漸增長； 2 電勢使電子產(chǎn)

3、生從B到A的漂移運(yùn)動(dòng)，逐漸增長，漂移運(yùn)動(dòng)也就逐漸增強(qiáng)； 2 漂移運(yùn)動(dòng)逐漸增強(qiáng)到抵消擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，使電勢不變。 l 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生于電子熱運(yùn)動(dòng)，溫度越高電子熱運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，抵消擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的漂移運(yùn)動(dòng)也要求越大，從而珀?duì)柼妱菀簿涂梢栽鲩L得越大， l 珀?duì)柼妱荩? ：接觸點(diǎn)絕對溫度； ：波爾茲曼常數(shù)； ：電子電量； ：材料的自由電子密度。 8.1.4 湯姆遜熱電效應(yīng)原理 l 湯姆遜電勢（溫差電勢）的產(chǎn)生： 擴(kuò)散 漂移 2 導(dǎo)體A兩端溫度差使電子產(chǎn)生從到的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)； 2 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電

4、勢，并逐漸增長； 2 電勢使電子產(chǎn)生從到的漂移運(yùn)動(dòng)，逐漸增長，漂移運(yùn)動(dòng)也就逐漸增強(qiáng)； 2 漂移運(yùn)動(dòng)逐漸增強(qiáng)到抵消擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，使電勢不變。 l 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生于電子熱運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體A兩端溫度差越高電子熱運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，抵消擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的漂移運(yùn)動(dòng)也要求越大，從而湯姆遜電勢也就可以增長得越大。 l 導(dǎo)體的湯姆遜電勢： ， 方向與溫度下降方向相同 2 稱為湯姆遜系數(shù)。 2 與導(dǎo)體A的材料性質(zhì)和兩端的平均溫度有關(guān)； 2 與導(dǎo)體的幾何形狀無關(guān)。 2 與導(dǎo)體的溫度分布無關(guān)。 8.1.5 熱電偶的電勢 l 熱電偶的電勢： B A

5、 l 熱電偶兩電極材料相同，兩接點(diǎn)溫度即使不同，熱電偶的電勢也為零 l 熱電偶的電勢只與兩接點(diǎn)的溫度的函數(shù)，兩接點(diǎn)溫度相同時(shí)，熱電偶的電勢為零 l 固定熱電偶一接點(diǎn)的溫度，熱電偶的電勢是熱電偶另一接點(diǎn)溫度的單值函數(shù)。 l 熱電偶的測量電壓。 B A C 8.1.6 熱電偶的基本定律 l 勻質(zhì)導(dǎo)體定律：兩種勻質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其電勢大小與熱電極直徑、長度及沿?zé)犭姌O長度上

6、的溫度分布無關(guān)，只與熱電材料和兩端溫度有關(guān)，當(dāng)導(dǎo)體不均勻時(shí)，熱電極上溫度的不同將產(chǎn)生附加熱電勢，加熱電勢是造成熱電偶測量的誤差，因此導(dǎo)體均勻是熱電偶質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。 l 中間導(dǎo)體定律：在熱電偶中插入第三、第四等等導(dǎo)體時(shí)，只要插入導(dǎo)體均勻且兩端溫度，無論插入導(dǎo)體上的溫度分布如何，熱電偶的電勢不變，這為測量電路提供了方便。 l 中間溫度定律：設(shè)熱電偶兩端溫度分別為、和，其熱電勢分別為、和，則有 8.1.7 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償 l 熱電偶的分度表或分度曲線：熱電偶在冷端溫度為標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下的電勢可以得到熱電偶的分度表或分度曲線是 l

7、熱電勢修正法：冷端溫度不是恒定的標(biāo)準(zhǔn)溫度，而是恒定的溫度時(shí)，采用冷端熱電勢修正得實(shí)際溫度。 l 溫度修正法：冷端溫度不是恒定的標(biāo)準(zhǔn)溫度，而是恒定的溫度時(shí)，采用冷端熱電偶修正系數(shù)得實(shí)際溫度。 補(bǔ)償器 0

8、 電橋自動(dòng)補(bǔ)償法： l 補(bǔ)償器等效電路 l pn結(jié)自動(dòng)補(bǔ)償法：溫度升高時(shí)，pn結(jié)的電壓將線性下降，在范圍，溫度系數(shù)為,它可以很好地用于溫度補(bǔ)償，采用二極管做冷端補(bǔ)償，精度可達(dá),采用三極管做冷端補(bǔ)償，精度可達(dá)。 l 熱引電極補(bǔ)償法： AB與CD在溫度范圍熱電性接近 測量電路 冷端

9、 冷端移動(dòng) B 8.2 熱電阻 8.2.1 熱電阻 l 熱電阻有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻； l 熱電阻的溫度測量范圍一般為-200，特別的可以低溫達(dá)，高溫達(dá)1000。 8.2.2 金屬熱電阻 l 金屬熱電阻的特性方程： 2 ：特性方程 2 ：是熱電阻在溫度溫度為時(shí)的電阻值； 2 ：是熱電阻的溫度系數(shù)，是溫度的函數(shù)； 2 ：溫度在附近變化時(shí)，近似為常數(shù)。 l 金屬熱電阻的溫度系數(shù)一般為正溫

10、度系數(shù)； l 金屬熱電阻的材料： 2 常用材料有：鉑、銅、鐵、鎳； 2 在測溫范圍內(nèi)，它們的物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定； 2 在測溫范圍內(nèi)，它們的溫度系數(shù)較大，純金屬的溫度系數(shù)大于合金，一般采用純金屬； 2 在測溫范圍內(nèi)，它們的溫度系數(shù)為常數(shù)，便于應(yīng)用； 2 在測溫范圍內(nèi)，它們有較大的電阻率，可減小電阻體積和熱慣性； 2 它們的特性復(fù)現(xiàn)性好，便于復(fù)制。 8.2.3 半導(dǎo)體熱敏電阻 l 半導(dǎo)體熱敏電阻溫度系數(shù)一般大于金屬熱電阻； l 半導(dǎo)體熱敏電阻溫度系數(shù)有正溫度系數(shù)(PTC)，臨界溫度系數(shù)(CTR)和負(fù)溫度系數(shù)(NTC)三類； l 正溫度系數(shù)(PTC) 熱敏電阻，其溫度系數(shù)隨溫度

11、上升而曾大，主要用于彩電消磁、各種電器設(shè)備的過熱保護(hù)、發(fā)熱源的定溫控制、電路或設(shè)備的限流等； l 臨界溫度系數(shù)(CTR) 熱敏電阻，其溫度系數(shù)在某個(gè)溫度點(diǎn)上發(fā)生劇烈變化，主要用于溫度開關(guān)； l 負(fù)溫度系數(shù)(NTC) 熱敏電阻，其溫度系數(shù)很大，主要用點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、溫場等的測量，特別適用于，之間的測溫，還廣泛用于自動(dòng)控制和電路的熱補(bǔ)償中； 8.2.4 半導(dǎo)體熱敏電阻溫度特性（負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體） l 指數(shù)溫度特性： 2 ：指數(shù)特性方程； 2 ：絕對溫度； 2 ：由材料的幾何形狀、工作方式和特性決定的常數(shù) 2 可以由兩個(gè)溫度下的電阻值決定； , ,

12、 , 一般取, l 線性溫度特性 2 ：線性特性方程 2 ：參考溫度，一般?。? 2 ：額定電阻，一般?。? 2 ：熱敏電阻常數(shù)； 2 ：熱敏電阻的溫度系數(shù)。 8.2.5 半導(dǎo)體熱敏電阻伏安特性（負(fù)溫度系數(shù)半導(dǎo)體） l 在一定的環(huán)境溫度下，熱敏電阻的端電壓與電流的特性曲線叫熱敏電阻的伏安特性。 l 在一定的環(huán)境溫度下，通過熱敏電阻的電流為小電流時(shí)，熱敏電阻的溫度基本等于環(huán)境溫度不變，此時(shí)，熱敏電阻的伏安特性為直線。 l 在一定的環(huán)境溫度下，通過熱敏電阻的電流為大電流時(shí)，熱敏電阻的溫度不等于環(huán)境溫度，其溫度與環(huán)境溫度、電流、熱敏電阻周圍介質(zhì)散熱有關(guān)，也就是

13、與環(huán)境溫度、電流、熱敏電阻周圍介質(zhì)散熱有關(guān)，即電壓與環(huán)境溫度、電流、熱敏電阻周圍介質(zhì)散熱有關(guān)，熱敏電阻的伏安特性為曲線。 l 熱敏電阻通過大電流，熱敏電阻發(fā)熱，熱敏電阻周圍介質(zhì)散熱，發(fā)熱等于散熱達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這個(gè)過程的時(shí)間為。 l 在一定的環(huán)境溫度，一定電流下，熱敏電阻的電壓就只與熱敏電阻周圍介質(zhì)散熱有關(guān)，介質(zhì)散熱的快慢與介質(zhì)的流速有關(guān)，所以，熱敏電阻的電壓與介質(zhì)的流速有關(guān)，可利用它來測介質(zhì)的流速。 8.2.6 半導(dǎo)體熱敏電阻的主要參數(shù)和特點(diǎn) l 標(biāo)稱電阻（冷電阻）：的電阻； l 電阻溫度系數(shù)：的溫度系數(shù)，單位：; l 耗散系數(shù)：單位時(shí)間、單位溫差（電阻溫度與環(huán)境溫度的差），電阻耗

14、散流失的熱量，單位; l 熱容量：單位溫度變化（電阻溫度變化），電阻吸收或釋放的熱量，單位; l 能量靈敏度：電阻值變化，電阻所耗散的功率，單位,有關(guān)系式： l 時(shí)間常數(shù)： l 熱敏電阻溫度系數(shù)大、靈敏度高、熱容量小、響應(yīng)速度快、分辨率高（可達(dá); l 熱敏電阻互換性差、熱電特性非線性大、其非線性可以用溫度系數(shù)小的電阻與熱電阻串聯(lián)或并聯(lián)進(jìn)行改善。 8.2.7 電橋測量電路 l 熱電阻測溫電橋的三線連接法1： 溫度變化不影響電橋狀態(tài) 溫度變化不影響電橋狀態(tài) 測溫?zé)犭娮? 零點(diǎn)調(diào)節(jié) 探頭

15、 觸點(diǎn)電阻將影響電橋狀態(tài) 2 電橋平衡條件： 2 2 零點(diǎn)電阻： 2 零點(diǎn)平衡調(diào)節(jié)： 2 測溫平衡調(diào)節(jié)： 溫度變化不影響電橋狀態(tài) 溫度變化不影響電橋狀態(tài) 測溫?zé)犭娮? 零點(diǎn)調(diào)節(jié) 探頭 觸點(diǎn)電阻將影響電橋狀態(tài) l 熱電阻測溫電橋的三線連接法2： l 熱電阻測溫電橋的四線連接法： 溫度變化不影響電橋狀態(tài) 測溫?zé)犭娮? 零點(diǎn)調(diào)節(jié) 探頭

16、 觸點(diǎn)電阻將不影響電橋狀態(tài) l 熱電阻測溫性能穩(wěn)定，測量范圍廣，精度高，特別適合低溫測量； l 熱電阻測溫的電流不能太大，避免電流對熱電阻的加熱效應(yīng)，流過熱電阻的電流一般小于； l 熱電阻熱容量大，限制了它在溫度快速變化的動(dòng)態(tài)測溫中的應(yīng)用； 8.3 晶體管和集成溫度傳感器 8.3.1 工作原理 l 晶體管pn結(jié)的伏安特性與溫度有關(guān)： ：pn結(jié)正向電流，：pn結(jié)正向電壓 ：pn結(jié)反向飽和電流，：電子電荷 ：絕對溫度，：波爾茲曼常數(shù) l 晶體管pn結(jié)電壓與溫度的線性關(guān)系 當(dāng)時(shí) 8.3.2 集成溫度傳感器 l 在集成電路內(nèi)部，給一個(gè)晶體管pn結(jié)提供一個(gè)恒定的電流，使得其電壓與與溫度成線性關(guān)系： l 在集成電路內(nèi)部，設(shè)計(jì)電壓或電流轉(zhuǎn)換電路，使轉(zhuǎn)換電路特性與溫度無關(guān)： 電流集成 溫度傳感器 電壓集成 溫度傳感器 或 l 集成傳感器具有體積小、熱惰性小、反應(yīng)快、穩(wěn)定性好、校正方便等特點(diǎn)，因而獲得廣泛的應(yīng)用。