9热电式传感器.pptx

第9章 热电式传感器 热电式传感器是利用转换器的电磁参数(电势、电阻、磁导)随温度变化的特性进行温度测量的。直到目前为止，测量温度都采用间接测量的方法，即利用一些材料或元件的性能随温度而变化的特性，通过测量该性能参数而得到被测温度。 将温度转换为电势变化的称为热电偶传感器;将温度转换成电阻变化的称为热电阻传感器。这两种传感器日前已在工业和科研领域中得到广泛应用。 9.1　热电偶传感器 9.2　热电阻传感器 9.3　其他测温传感器 9.1　热电偶传感器 9. 1. 1热电偶测温原理 热电偶在温度测量中应用极为广泛，因为它构造简单、使用方便，具有准确度高、温度测量范围宽等优点。常用的热电偶可测温度范围为-50℃一1600 ℃。若配用特殊材料，其温度范围可扩大为-180℃一2000℃ 1.热电效应 热电偶的基本工作原理是基于物体的热电效应。 热电效应：由A, B两种不同的导体两端紧密地连接在一起，组成一个闭合回路，如图9-1所示。当两结点温度不等(TTo)时，回路中就会产生电势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，该电动势称为热电势。 热电势的大小与两种导体材料的性质及结点温度有关。组成闭合回路的A, B两导体称为热电极。两个结点，一个称工作端或热端(T)，测温时将它置于被测温度场中;另一个称为自由端(亦称参考端)或冷端(To)，工作时将其置于某一恒定温度。由这两种不同导体组合并将温度转换成热电势的传感器叫做热电偶。 热电偶产生的热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成的。 2.接触电势 导体中都有大量自由电子，材料不同则自由电子的浓度不同。当两种不同的导体A、B连接在一起时，在A、B的接触处就会发生电子扩散。设导体A的自由电子浓度大于导体B的自由电子浓度，那么在单位时间内，由导体A扩散到B的电子数要比由导体B扩散到导体A的电子数多，这时导体A因失去电子而带正电，导体B因得到电子而带负电，于是在接触处便形成了电位差，该电位差称做接触电势。 热电偶回路中的接触电势只与导体A, B的性质和两接触点的温度有关。如果两接触点温度相同，即T=T}，尽管两接触点处都存在接触电势，但回路中总接触电势等于零。 3.单一导体的温差电势 温差电势: 一根均质的导体，当两端温度不同时，由于高温端的电子能量比低温端的电子能量大，因而高温端就要向低温端进行热扩散，表现为导体内高温端的自由电子跑向低温端的数日比低温端跑向高温端的多，高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余电子而带负电。因此，在导体两端便形成电位差，该电位差称为温差电势。该电势将阻止电子从高温端跑向低温端，同时它加速电子从低温端跑向高温端，直至动平衡，此时温差电势达到稳态值。温差电势一般比接触电势小得多，其数量级约为10 -5 V。 热电偶电路的总电热 9. 1. 2热电偶的基本定律 1.中间温度定律 热电偶AB的热电势仅取决于热电偶的材料和两个结点的温度，而与温度沿热电极的分布以及热电极的尺寸和形状无关。 如热电偶AB两结点的温度分别为T和T0，则所产生的热电势等于热电偶AB两结点温度为T和Tn与热电偶AB两结点温度为Tn和T0 时所产生的热电势的代数和，Tn为中间温度。用公式表示为  2.中间导体定律 中间导体定律说明，在热电偶AB回路中，只要接人的第三种导体两端的温度相同，就对回路的总热电势没有影响。 中间导体定律的证明 3.标准电极定律 当热电偶回路的两个结点温度为T和T0时，用导体AB组成的热电偶的热电势等于热电偶AC和热电偶CB的热电势的代数和，即 导体C称为标准电极，这一规律称标准电极定律。标准电极C通常采用纯铂丝制成，因为铂的物理、化学性能稳定，易提纯，熔点高。如果已求出各种热电极对铂极的热电势值，就可以用标准电极定律，求出其中任意两种材料配成热电偶后的热电势值。 9. 1. 3热电偶传感器 1.热电偶材料的基本性能 (1)热电特性稳定，即热电势与温度的对应关系保持恒定 (2)热电势应足够大，以利于测量并获取较高精确度的数据 (3)热电势与温度有单值关系，最好呈线性，或简单的函数关系。 (4)电阻温度系数和电阻率要小，否则热电偶的电阻将随工作端的温度不同而有较大的变化，影响测量结果的准确性。 (5)物理性能稳定，化学成分均匀，不易氧化和腐蚀 (6)材料的复制性好。 (7)材料的机械强度高 。 2.热电偶的类型 热电偶的类型、规格、结构品种繁多，根据不同的分类观点，提出的分类方法一也很多，例如可以按使用温度、热电偶材料、热电偶的用途、热电偶的结构等方面进行分类。 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势