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1、第8章 熱電式傳感器,熱電式傳感器是利用某些材料或元件的物理特性與溫度有關(guān)這一性質(zhì)，將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電量的變化。溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器；將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)變化的稱為熱電偶傳感器。,第一節(jié) 熱敏電阻式傳感器,幾乎所有物質(zhì)的電阻率都隨其本身的溫度而變化，這一物理現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)。利用這一原理制成的溫度敏感元件稱為熱敏電阻(thermistor)，一般采用導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料。,式中：R0 元件在T0 時(shí)的電阻； a T0 時(shí)的電阻溫度系數(shù)； RT 溫度為T 時(shí)元件的電阻值。,大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻，都具有隨溫度變化的特性。,溫度系數(shù)a表征電阻的阻值隨溫度變化的程度。 金屬的溫度

2、系數(shù)為正，即阻值隨溫度的升高而增加。 單晶半導(dǎo)體的a也是正的，但隨摻雜的增加而減小。 陶瓷半導(dǎo)體（熱敏電阻）的a為負(fù)，且非線性較大。,一、金屬熱電阻,對(duì)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(guān)系最好成線性 物理化學(xué)性能穩(wěn)定 容易加工、價(jià)格盡量便宜等。 目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。,純金屬是熱電阻的主要材料，是利用金屬的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。,(一)金屬熱電阻工作原理,鉑電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可以近似用下式表示： 在0660溫度范圍內(nèi) 在-2000溫度范圍內(nèi) 式中 R0、Rt分別為0和t的電阻值； A常數(shù)(3.96310-

3、3/)； B常數(shù)(-5.8610-7/2)； C常數(shù)(-4.2210-12/4)。,銅在-50150范圍內(nèi)銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸出輸入特性接近線性，價(jià)格低廉。 銅電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可近似表示為： 式中 A常量(4.28910-3/)； B常量(-2.13310-7/2)； C常量(1.23310-9/3)。 當(dāng)溫度高于100時(shí)易被氧化，因此適用于溫度較低和沒(méi)有浸蝕性的介質(zhì)中工作。,熱電阻的作用原理1.感溫元件 2.鉑絲 3.骨架 4.引出線 5.顯示儀表,熱電阻實(shí)物圖,熱電阻的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，一般將電阻絲繞在云母、石英、陶瓷、塑料等絕緣骨架上，經(jīng)過(guò)固定，外面再加上保護(hù)套管。,熱電

4、阻的作用原理，感溫元件1是以直徑為0.030.07mm的純鉑絲2繞在有鋸齒的云母骨架3上，再用兩根直徑約為0.51.4mm的銀導(dǎo)線作為引出線4引出，與顯示儀表5連接。當(dāng)感溫元件上鉑絲的溫度變化時(shí)，感溫元件的電阻值隨溫度而變化，并呈一定的函數(shù)關(guān)系。,當(dāng)外界條件改變時(shí)，傳感器的阻值RT會(huì)有相應(yīng)的變化，這時(shí)電橋平衡破壞，橋路兩端的電壓Vs也隨之而變，由于Vs能反映出橋臂電阻的微小變化，因此通過(guò)測(cè)量輸出電壓即可以檢測(cè)外界條件的變化。,(二)金屬熱電阻測(cè)量與接口電路,當(dāng)溫度處于測(cè)量下限時(shí)， RtRtmin，調(diào)節(jié)e2使電橋平衡，U0，即,當(dāng)溫度上升，RtRtminRt ，橋路失去平衡，有,因?yàn)閞1、r2相

5、等又接在相鄰橋臂上，導(dǎo)線的電阻變化不影響電橋平衡。,半導(dǎo)體熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的溫度傳感器。按物理特性，可分為三類：(1) 負(fù)溫度系數(shù) (NTC)具有很高的負(fù)電阻溫度系數(shù)，特別適用于-100300之間測(cè)溫。在點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、溫場(chǎng)等測(cè)量中得到日益廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)控制及電子線路的熱補(bǔ)償線路中。 (2) 正溫度系數(shù) (PTC)；主要采用BaTiO3系列的材料，當(dāng)溫度超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，其電阻值朝正的方向快速變化。其用途主要是彩電消磁，各種電器設(shè)備的過(guò)熱保護(hù)，發(fā)熱源的定溫控制也可以作為限流元件使用。(3) 臨界溫度系數(shù) (CTR)。該類電阻器的電阻值在某個(gè)溫度值上電阻值急劇變

6、化，其用途主要用作溫度開(kāi)關(guān)。其主要材料是VO2并添加一些金屬氧化物。,二、半導(dǎo)體熱敏電阻,(一)NTC型半導(dǎo)體熱敏電阻的主要特性,NTC型熱敏電阻，在一定的溫度范圍內(nèi)（在低于450）時(shí)，有經(jīng)驗(yàn)公式：,式中,1.電阻-溫度特性,RT、RT0溫度為T、T0（絕對(duì)溫度）時(shí)熱敏電阻器的電阻值。B熱敏電阻的材料系數(shù)。,若已知,則可計(jì)算 ：,NTC電阻溫度系數(shù),負(fù)電阻溫度系數(shù),當(dāng)流過(guò)熱敏電阻的電流很小時(shí)，不足以使之加熱。電阻值只決定于環(huán)境溫度，伏安特性是直線，遵循歐姆定律，主要用來(lái)測(cè)溫。在大電流時(shí)，由于耗散功率的增加，使熱敏電阻溫度高于環(huán)境溫度。同時(shí)由于其溫度系數(shù)為負(fù)值，故其增量電阻減小。最后，當(dāng)電流足夠

7、大時(shí)，增量電阻下降到零（翻轉(zhuǎn)點(diǎn)），然后變?yōu)樨?fù)。,2.伏安特性,熱敏電阻的結(jié)構(gòu),熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷（Co）、錳（Mn）、鎳（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高溫?zé)Y(jié)而成。其形狀有珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等。,圖6-21 熱敏電阻的結(jié)構(gòu)類型,(三)半導(dǎo)體熱敏電阻的線性化與測(cè)量電路,1.半導(dǎo)體熱敏電阻的線性化,熱敏電阻靈敏度高，適合測(cè)量微弱溫度變動(dòng)；但是，其電阻值隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律，其非線性嚴(yán)重，當(dāng)所需的溫度量程較大時(shí)，電阻一溫度特性的固有非線性是比較麻煩的。所以，實(shí)際使用時(shí)要對(duì)其進(jìn)行線性化處理。,具體的方法是采用溫度系數(shù)很小的電阻與熱敏電阻串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)（常稱為線性化網(wǎng)絡(luò)

8、）代替單個(gè)熱敏電阻，使等效電阻與溫度的關(guān)系在一定的溫度范圍內(nèi)是線性的。,熱敏電阻的電壓為溫度指示,熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的線形化處理,經(jīng)線性化后在測(cè)溫范圍的中間溫度點(diǎn)處并聯(lián)和串聯(lián)的溫度系數(shù)分別為,其溫度系數(shù)的絕對(duì)值有所下降，因此，線性化后的不利后果是溫度系數(shù)減少。,一、熱電效應(yīng)（溫差電現(xiàn)象）,第二節(jié) 熱電偶式傳感器,兩種不同導(dǎo)體A和B組成閉合回路，如果兩結(jié)點(diǎn)的溫度不同，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，有電流流過(guò)。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。這兩種導(dǎo)體的組合稱為熱電偶，如圖所示。T與T0的溫差越大，熱電偶的輸出電動(dòng)勢(shì)就越大，因此，可用熱電動(dòng)勢(shì)衡量溫度的大小。,回路中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，叫熱電勢(shì)。熱電勢(shì)由兩部

9、分組成，即溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。,1. 接觸電勢(shì),eAB(T)導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T 時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)；e單位電荷， e =1.610-19C； k波爾茲曼常數(shù)， k =1.3810-23 J/K ；NA、NB 導(dǎo)體A、B在溫度為T 時(shí)的電子密度。,接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。,是由于不同金屬的自由電子密度不同，接觸時(shí)結(jié)點(diǎn)處發(fā)生電子擴(kuò)散造成的，當(dāng)觸點(diǎn)處電子擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的接觸電勢(shì)。,A,eA(T，T0)導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢(shì)；T，T0高低端的絕對(duì)溫度； A湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，例如在0時(shí)，銅的 =2

10、V/。,2. 溫差電勢(shì),對(duì)于單一金屬A，如果兩端溫度不同，則在兩端也會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。其形成原因是導(dǎo)體高溫端的自由電子具有較大動(dòng)能，向低溫端擴(kuò)散。高溫端失去電子帶正電，低溫端獲得電子帶負(fù)電，其電位差為：,由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點(diǎn)溫度分別為T、T0,如果TT0，則必存在著兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì)，回路總電勢(shì)：,T0,T,eAB(T),eAB(T0),eA(T,T0),eB(T,T0),A,B,3. 回路總電勢(shì),NA、NB導(dǎo)體A和導(dǎo)體B的電子密度；A 、 B導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)。,溫差電現(xiàn)象由兩種相互獨(dú)立的效應(yīng)組成。第一種效應(yīng)是珀耳帖發(fā)現(xiàn)的，它是由于兩種不同的金屬相接觸和接點(diǎn)溫度

11、所產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)，稱為接觸電勢(shì)。它與溫度和兩金屬的電子密度有關(guān)。凈的珀耳帖電動(dòng)勢(shì)近似地與兩接點(diǎn)的溫度差成正比。第二種效應(yīng)是沿著導(dǎo)體的溫度梯度所產(chǎn)生的，稱為湯姆遜效應(yīng)。由此產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)(稱為湯姆遜電動(dòng)勢(shì))與導(dǎo)體兩端的溫度T和T0的平方差成正比。,導(dǎo)體材料確定后，熱電勢(shì)的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使EAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢(shì)EAB(T，T0)就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。,只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時(shí)才能有熱電勢(shì)產(chǎn)生。,熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)無(wú)關(guān)。,只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(或

12、半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶；相同材料不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。,二、熱電偶的基本定則,1. 均質(zhì)回路定律,由相同成分材料的熱電極組成回路，若只受到溫度的作用，不論導(dǎo)體的截面、長(zhǎng)度，以及各處的溫度分布如何，都不產(chǎn)生熱電勢(shì)。,1、如果熱電偶的兩根熱電極是由均質(zhì)導(dǎo)體組成，那么，熱電偶的熱電勢(shì)僅與兩端溫度有關(guān)，而與熱電極的溫度分布無(wú)關(guān)。,2、用于檢驗(yàn)兩根熱電極A，A材料成分是否相同。,作用：,根據(jù)這個(gè)定律，可將第三種導(dǎo)體換成測(cè)試儀或連接導(dǎo)線。只要保持兩結(jié)點(diǎn)溫度相同，就可以對(duì)熱電勢(shì)進(jìn)行測(cè)量。,2、中間金屬定則,將A、B構(gòu)成的熱電偶的T0端斷開(kāi)，接入第三種導(dǎo)體C，只要保持第三導(dǎo)體兩端溫度相同，接入導(dǎo)體C后對(duì)回路總電動(dòng)

13、勢(shì)無(wú)影響。,作用：,3、中間溫度定則,在熱電偶回路中，兩接點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)，等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為T、Ta和Ta、T0時(shí)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。,熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線法就是這個(gè)定律的實(shí)際應(yīng)用。,作用：,證明：,（中間溫度定則證明）,由三種不同材料的熱電極A、B、C各自組成的三對(duì)熱電偶回路，如果熱電極A和B分別與C組成的熱電偶回路所產(chǎn)生的熱電勢(shì)已知，則熱電極A和B組成的熱電偶回路的熱電勢(shì)為,A,A,T,T,T,=,B,B,C,C,T0,T0,T0,若已知各種金屬對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電極的熱電勢(shì)，即可方便地求出各種金屬搭配成熱電偶時(shí)的熱電勢(shì)。,作用：,4、組成定則,證明：,（標(biāo)準(zhǔn)熱電極定律證明）,三、熱電偶的

14、種類,任意兩種導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）都可以配制成熱電偶作為測(cè)溫的元件，但實(shí)用中總是希望配制成的熱電偶的熱電勢(shì)較大、熱電勢(shì)與被測(cè)溫度之間盡量地呈線性單值關(guān)系，且測(cè)溫的范圍較寬。,熱電動(dòng)勢(shì)大，測(cè)溫范圍寬，線性好?；瘜W(xué)、物理性能穩(wěn)定，不易氧化、變形及腐蝕。電阻溫度系數(shù)小，電阻率小。易加工，易復(fù)制，工藝性和互換性好。,2、 熱電極材料類型,（1）一般金屬：鎳鉻鎳硅，銅康銅，鎳鉻鎳鋁等；,（2）貴金屬：鉑銠鉑,1、對(duì)熱電偶材料的要求,（3）結(jié)構(gòu)形式：普通熱電偶，鎧裝熱電偶等,方法 冰浴法 補(bǔ)償導(dǎo)線法 補(bǔ)正系數(shù)修正法 補(bǔ)償電橋法,原因熱電偶熱電勢(shì)的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢(shì)是被測(cè)溫度的單值函

15、數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；,四、熱電偶的冷端補(bǔ)償,把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。這種辦法僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路，必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里，浸入同一冰點(diǎn)槽，使相互絕緣。,1、冰浴法,2、 補(bǔ)償導(dǎo)線法,在實(shí)際測(cè)溫時(shí), 需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表。熱電偶一般做得較短，需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來(lái)。工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線, 它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬導(dǎo)線制成, 而且在0100溫度范圍內(nèi), 要求使用的補(bǔ)償導(dǎo)線的冷端熱電特性和熱電偶冷端的熱電特性相同。,3、補(bǔ)正系數(shù)修正法：,實(shí)際使用

16、時(shí)：,指示值,查表（修正系數(shù)）,實(shí)際溫度,實(shí)際冷端溫度（室溫）,例：用鎳鉻-康銅熱電偶測(cè)得未修正的介質(zhì)溫度為600 ，此時(shí)冷端溫度Tn=30，查表得k=0.78，則實(shí)際溫度為,4、補(bǔ)償電橋法：,補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電動(dòng)勢(shì)變化值。熱電偶的冷端與電橋電阻R1、R2、R3、RT處于同一環(huán)境溫度中，RT是由溫度系數(shù)較大的銅絲繞制而成的。,設(shè)電橋在0時(shí)處于平衡，此時(shí)，橋路輸出電壓Ubd=0，電橋無(wú)補(bǔ)償作用。假設(shè)環(huán)境溫度升高，熱電偶的冷端溫度也隨之升高，此時(shí)，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)就有所降低。由于Rcu與冷端處于同一環(huán)境溫度中，使Ubd增大，對(duì)熱電勢(shì)的減小起到補(bǔ)償作用。,第三節(jié) 晶體管與集成溫度傳感器,利用PN結(jié)的伏安特性與溫度有關(guān)這一特性實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)、控制和補(bǔ)償?shù)裙δ?。?jīng)典的PN結(jié)溫度傳感器有二極管溫度傳感器、三極管溫度傳感器和集成溫度傳感器。這種傳感器的測(cè)溫范圍為-50至150，與其他的溫度傳感器相比有較好的線性度，且尺寸小、響應(yīng)快、靈敏度高、熱時(shí)間常數(shù)小，因此用途較廣。,一、晶體管溫度傳感器,由二極管的伏安特性曲線知，當(dāng)流過(guò)二極管的