热电式传感器6温湿度传感器.pdf

第 6 章 热电式传感器 热电式传感器是一种将温度的变化转换为电量变化的装置.它利用传感元件的电磁参数随 温度变化的特性来达到j测量的目的.温度是与人类生活息息相关的物理盒， 工业、农业、商 业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系. 在工业生产自动化流程中，温 度测量要占全部测量的-半左右.热咆式传感者曾是实现温度检测和控制的致要然件.在种类繁 多的传感苦苦中，测量温度用的热电式传感器是应用是广泛、发展烧快的传感器之-. 热电式传感器所基于的物理原理主要有:热电效应、热阻效应、热箱射、介电常数和磁 导率随温度变化等.其中利用热电效应将温度转换为电势变化的热电式传感器称为热咆偶. 利用热阻效应将温度转换为金属或半导体材料的电阻变化的热电式传感苦苦称为参电阻或热敏 电阻. 另外，还有利用半导体PN 结与温度的关系制成的 PN 结到温度传感器，利用热辐射 原理制成的辐射高温讨等。 式传感器发展的主要方向是朝着提高传感器的精度和可署在位.降低成本，扩大测温 热电 范倒{包括超高温与超低温的测量)，扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻，发展薄膜热电偶， 研究节约贵重金属的热电阻，研制系列晶体管白ÞJ 温元件和快速商灵敏的热电偶以及各类非接 触式温度传感楞，发展数字化、集成化和自动化的温度传感然. 通过本章的学习， 要求了解热电式温度传感器的作用、地位、分类和发展趋势.掌握热 电偶定律及相关计算，掌握热敏电阻不同类型的特点及应用场合， 掌攘集成温度传感器的使 用方法，了解其他温度传感糕的工作原理. 6. 1 热电偶 热电偶是目前温度测量中使用是普选的传感元件之一.它具有结构简单，测量范国宽，精 确度寓，热惯性小，输出信号为电信号，便于远距离传输或信号转换等优点.另外.由于热电 偶是一种有源传感器. JM1J盘时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用于测量炉子、 管道内 的气体或液体的温度及固体的表面温度. 微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。 6. 1. 1 热电偶的工作原理 1.热电效应 把两种不同的导体或半导体 A 和 B组合成如图6-l(a)所示的闭合回路，只要两援点处的 一 106 - ~6 章热电式传感嚣 温度不同，一端〈称为工作端或热揣〉温度为 T， 另一端(称为自由端，也称参考捕或冷端〉温度 为丑，在闭合回路中就会有电流产生.如果在自路中拨人咆流计 M，电流计的指针就会发生 偏转，如图。l(b)所示，这种现象称为热电效应.产生的电动势则称为热电动势(或热电势) , 用E础(T， T.)表示.两种导体组成的回路称为热电偶，这两种导体A和B称为热电极.这种 现象是在 1821 年由德国物理学家赛贝克(T. Seebeck)发现的，所以又称为费贝克效应. A A T ) TO T T, 8 . ) bl 图 。i 热电效应 由理论分析知道. 四路中所产生的热电动势由两部分组成， 一部分是两种导体的接触电 动势，另一部分是单一导体的温室主电动势. (1)接触电动势 由于所有的金属都具有自由电子，而且在不同的金属中自由电子的密度不同，因此当两 种不同材料的金属A 和 B接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同〈 即电子密度 不同) ，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。现假设导体A 的自 由电子密度大于导体 B 的自由电子密度，则导体A 扩散到导体B 的咆子数 B1r做到j导体A 的电子数多.所以导体A 要比导体 失去电子而带正电荷，导体B得到电子而带负电街. 于是，在A、 B 两导体的接触界面上便形成了一个 由 A 到 B的电场E. 如l窍。2 所示. 该电场将引起 反方向的