传感器第6章热电式传感器选编.ppt

第6章 热电式传感器;另外利用半导体PN结与温度的关系，所研制的PN结型温度传感器在窄温场中，也得到了十分广泛的应用。 对温度传感器的要求是：灵明度高、线性好、稳定性好、重复性好、工作范围宽、互换性好、响应快、尺寸小、成本低、使用方便等指标来衡量。 温度不能直接测量，但物体的许多属性都随温度变化，因此，通过其他物理量间接测量温度。原则上，物体的属性，只要随温度变化而发生单调的、显著的、可重复的变化，都可以用于温度测量。温敏器件最常用的物理量包括体积、压力、电阻、磁化率和热电动势等，分别被用来制成气体温度计、液体温度计、铂电阻温度计、热电偶温度计和半导体温度计等。;6.1热电偶温度传感器;B为负极，且t，则产生的热电势为;图6-1热电效应;6.1.2热电势的测量;，还必须满足“热电性能一致性”的要求，即 （6.2） ;6-2热电偶工作原理图;6.1.3 热电偶的基本定律;图6-3 热电偶中接入第三种导体;如果回路中三接点的温度相同，即t＝t0，则回路总电动势必为零，即;热电偶的这种性质在实用上有着重要的意义，它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。 标准电极定律：如果两种导体分别与第三种导体组成热电偶，并且热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。 如图6-4，导体A、B分别与标准电极C组成热电偶，若它们所产生的热电动势为已知，即 ;那么，导体A与B组成的热电偶，其热电动势可由下式求得;标准电极定律是一个极为实用的定律。可以想象，纯金属的种类很多，而合金类型更多。因此，要得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势，其工作量是极大的。由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，我们通常选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可根据式(6-6)直接计算出来。 例如：热端为100℃，冷端为0℃时，镍铬合??与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，则镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势应为 2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV;中间温度定律：热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数和。 中间温度定律可以用下式表示 (6-7) 中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明：若热电偶的热电极被导体延长，只要接入的导体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。;中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明：若热电偶的热电极被导体延长，只要接入的导体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。 ;6.1.4热电偶冷端温度误差及其补偿;1.0℃恒温法 将热电偶的冷端保持在0℃容器内，如图6-3所示，此法仅适合于实验室内，但它能使冷端温度误差得到完全的解决。 2.冷端恒温法 将热电偶冷端置于一恒温器内，如恒定温度为，则冷端误差△为 △= （6.3） 由式可见，它虽不为零，但是一个定值。只要在回路中加入相应的修正电压，或调整指示装置的起始位置，即可达到完全补偿的目的。 ;图6-3冰点冷端恒温法;3.冷端补偿器法 工业上常采用冷端补偿。冷端补偿器是一个四臂电桥，如图6-4所示，其中三个桥臂电阻 的温度系数为零，另一个桥臂采用铜电阻 ，放置于热电偶的冷端处。当 ℃时，电桥平衡；当 ℃时，电桥将产生相应的不平衡电压。电桥的输出△V与热电势串联，只要满足 △V= (6.4) 则热电偶的冷端误差变暖成了定值 。因此，只要再采用定值误差的修正（恒温法），即可获得冷端温度误差的完全补偿。 ;图6-4冷端补偿器的应用;4.采用补偿导线 当然电偶冷端温度由于受热端温度的影响，在很大范围内变化时，则直接采用冷端温度补偿法将很困难。因此，应先采用前述的补偿导线（对于廉价热电偶，可以采用延长热电极